Биология что такое живое вещество: К сожалению, что-то пошло не так

Содержание

Функции живого вещества — урок. Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс).

В. И. Вернадский изучал состав и эволюцию земной коры и пришёл к заключению, что в формировании биосферы важнейшую роль сыграли живые организмы.

С момента возникновения живое вещество постепенно усложняется и всё больше влияет на окружающую среду, изменяя её. Следовательно, эволюция биосферы протекает параллельно с эволюцией жизни.

Время существования жизни на Земле по оценкам учёных составляет \(3,7\)–\(4,1\) миллиардами лет. Возможно, что примитивные формы жизни появились ещё раньше. Но первые следы своего пребывания они оставили \(2,5\)–\(3\) млрд лет назад. За прошедшее время поверхность Земли претерпела значительные изменения и возникло около \(5\) млн видов живых организмов. На планете появилось живое вещество, которое имеет существенные отличия по сравнению с неживой материей.

Эволюция жизни привела к возникновению общепланетной экосистемы, в которой теснейшим образом взаимосвязаны геологические и биологические тела, а также процессы превращения энергии и вещества. Биосфера является результат деятельности живых организмов.

Наиболее важную роль в живой природе выполняют растения, так как они способны к фотосинтезу и производят органические вещества, обеспечивая тем самым существование гетеротрофов (животных, грибов, бактерий).

Функции живого вещества

В. И. Вернадский дал представление об основных биогеохимических функциях живого вещества.

1. Энергетическая функция проявляется в запасании энергии растениями в ходе фотосинтеза, её передаче в пищевых цепях и рассеивании в виде тепла.

Эта функция — одна из важнейших. В её основе лежит процесс фотосинтеза, сущность которого заключается в аккумуляции солнечной энергии.

Биосфера напоминает огромный механизм, основным источником энергии для которого служит солнечный свет. Живые организмы аккумулируют и преобразуют солнечную энергию.

Это происходит следующим образом. Автотрофные организмы (растения и хемотрофные бактерии) производят органическое вещество. Гетеротрофы (грибы, животные, большинство бактерий) питаются органическим веществом автотрофов, осуществляя сложные цепи процессов образования и разрушения органических веществ. Такие превращения и составляют основу биологического круговорота химических веществ в биосфере.

Значит, живые организмы — главная биохимическая сила, изменяющая земную кору.

Перемещение веществ в геологических оболочках осуществляется при прямом участии живого вещества. Значит, живые и неживые элементы биосферы представляют собой взаимосвязанные части единой, непрерывно развивающейся планетарной оболочки — биосферы.

2. Газовая функция проявляется в поддержание постоянного состава атмосферы. Живые организмы, осуществляя фотосинтез и дыхание, обеспечивают круговорот кислорода и углекислого газа, участвуют в образовании азота, сероводорода, аммиака и других газов.

Преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхождение.

Пример:

кислород атмосферы накоплен за счёт фотосинтеза.

3. Концентрационная функция обусловлена способностью организмов извлекать из среды и накапливать в своём теле некоторые химические элементы, увеличивая их концентрацию по сравнению с неживой природой во много раз.

Организмы концентрируют в своих телах многие химические элементы.

Пример:

на первом месте по концентрации стоит углерод. В земной коре содержание углерода составляет всего \(0,27\) %, а в живых организмах оно может достигать \(18\) %. Среди металлов по первое место занимает кальций, который входит в состав костей позвоночных животных и раковин моллюсков. В скелетах губок и радиолярий, в стеблях хвощей накапливается кремний, в водорослях — йод, в некоторых бактериях — железо и марганец. Многие полезные ископаемые являются продуктами этой функции (известняки, залежи кремнезёма, горючие ископаемые и др.).

4. Окислительно-восстановительная функция заключается в осуществлении живыми организмами множества окислительно-восстановительных процессов, в ходе которых постоянно происходит преобразование веществ.

Пример:

процессы восстановления органики, протекающие в бескислородной среде, приводят к выделению сероводорода и метана. Это является причиной отсутствия жизни внутри болот и на больших глубинах некоторых морей.

5. Деструктивная функция — разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества, так и косных веществ.

Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни — грибы и бактерии.

6. Транспортная функция — перемещение вещества и энергии при движении живых организмов.

Животные при миграциях могут осуществлять такой перенос на огромные расстояния.

7. Средообразующая функция представляет собой результат осуществления всех перечисленных функций.

Подробнее о ней см. в разделе «Средообразующая роль живых организмов».

Разработка урока по биологии на тему «Живое вещество биосферы и его функции » (9 класс)

№61 Дата______

9 класс биология

ТЕМА: Живое вещество биосферы и его функции

Цели урока: сформировать у учащихся систему знаний о биосфере, её компонентах и функции

Задачи:

образовательная: рассмотреть структуру биосферы, выявить ее функции, выделить границы биосферы, роль живого вещества в биосфере;

развивающая: продолжить развитие умений у школьников выявлять взаимосвязь между живой и неживой природой, выделять главное, анализировать, устанавливать причинно-следственные связи;

воспитательная: прививать чувство патриотизма и уважения к русским ученым на примере жизнедеятельности В. И. Вернадского, занимавшегося изучением биосферы.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Методы обучения:

Словесные – беседа, описание, объяснение, рассказ.

Наглядные и практические – работа с текстом и иллюстрациями учебника.

Ход урока

1. Организационный момент.

Мотивация учебной деятельности.

Ученые считают, что на Земле обитает от 2 до 5 млн. видов живых организмов, каждый вид объединяет миллионы и миллиарды особей, определённым образом распределённых в пространстве. Каждый вид по-своему взаимодействует с окружающей средой. Деятельность живых организмов создает удивительное разнообразие окружающей нас природы. Это разнообразие служит гарантией сохранения жизни на Земле. Но в каких пределах возможно существование жизни? Этот вопрос всегда представлял научный интерес, и сегодня нам предстоит в этом разобраться.

(Сообщение темы, цели занятия.)

3.Новая тема

В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка (или сфера) населенная живыми организмами. Впервые это название было использовано еще Ж. Б. Ламарком.

Распространение этого термина произошло благодаря развитию учения о биосфере академиком В. И. Вернадским (в конце 20-х гг. XX столетия). В. И. Вернадский (1863-1945 гг.), являясь основоположником новой науки — биогеохимии, — первым обратил внимание на роль живых организмов как мощного геологического фактора, установив роль живого вещества в преобразовании земной поверхности. И только в 1926 году появляется целостная концепция о биосфере. Автором этой концепции и стал русский учёный Владимир Иванович Вернадский, который посвятил себя изучению процессов, протекающих в биосфере.

Биосфера — оболочка Земли, населенная живыми организмами.

(определение учащиеся записывают в тетрадь).

Факторы, ограничивающие жизнь

Распределение жизни в биосфере, а, следовательно, и на границы биосферы оказывают влияния многие факторы:

наличие кислорода, углекислого газа и воды в её жидкой фазе;
высокие и низкие температуры;
наличие элементов минерального питания;
сверхсолённая среда;
жёсткое ультрафиолетовое излучение.

Какой вклад в биомассу Земли вносят растения и какой — животные?

Огромной заслугой В. И. Вернадского является обоснование нового содержания представлений о живом веществе. Живым веществом Вернадский называл «совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии». Живое вещество по своей массе представляет собой ничтожную часть биосферы. Если все живое вещество Земли равномерно распределить по ее поверхности, то оно покроет нашу планету слоем толщиной 2 см. Однако именно живое вещество, по мнению В. И. Вернадского, выполняет ведущие функции в формировании земной коры.

СПЕЦИФИКА ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА заключается в следующем:

Скорость химических реакций в живом в-ве с участием ферментов в тысячи раз выше, чем при производстве в-в химич. методом.
Есть соединения, которые встречаются только в живых организмах (белки, нуклеиновые кислоты).
Живому веществу присуща подвижность. Благодаря движению живое вещество способно заполнять собой всё возможное пространство (этот процесс был назван давлением жизни).
Живое вещество представлено в виде индивидуальн. организмов.
Живое вещество представлено в виде биоценозов.
Живое вещество

существует в виде непрерывного чередования поколений.
Живое вещество способно эволюционировать.
Живое вещество постоянно производит биогеохимическую работу ( образуется уголь, нефть, торф, гумус, известняк).

ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА.

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ (биохимическая) – связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе, и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества (зел. раст. образуют 98%

всей первичной продукции планеты, это 150— 200 млрд. т сухого орг. в-ва в год).

2. ГАЗОВАЯ – способность изменять и поддерживать определённый газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

С газовой функцией связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них – когда содержание О₂ в атмосфере достигло 1 % ● появлись первые аэробные организмы. С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными.

Второй, когда концентрация О

2 достигла 10 % ● образовался озоновый слой, что обусловило возможность освоения организмами суши.

3. КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ — «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов. ● Содержание С в растениях в 200 раз, а N в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Бурые водоросли концентрируют йод, диатомовые водоросли и злаки — кремний, моллюски и ракообразные — медь. Результат концентрационной деятельности живого вещества — образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т. п.

4. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНАЯ

— окисление ивосстановление различных веществ с помощью живых организмов (происходит отложение минеральной серы, образование Н₂S, оксидов, формирование железных и марганцевых руд, известняков ).

5. ДЕСТРУКТИВНАЯ — разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, как остатков органического вещества, так и косных веществ (● редуценты — сапротрофные грибы и бактерии).

6. ТРАНСПОРТНАЯ — перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов (при миграциях и кочевках животных)

СРЕДООБРАЗУЮЩАЯ — преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является интегральной — представляет собой результат совместного действия других функций. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва и более локальные структуры.

8. РАССЕИВАЮЩАЯ – рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов .

9. ИНФОРМАЦИОННАЯ — накопление живыми организмами определённой информации, закрепление её в наследственных структурах и передача последующим поколениям.

Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

10. БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА —превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека (использование нефти, угля, газа и др.).

гавная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

4. Закрепление изученного материала.

Фронтальный опрос учащихся:

Что называют биосферой? (Пространство, в котором обитают живые существа и которое попадает под влияние их жизнедеятельности.)
Чем ограничена биосфера? (Пределами существование живых организмов.)
Какие оболочки Земли или их части входят в состав биосферы? (Вся гидросфера, нижние слои атмосферы и верхние слои литосферы. )
— Почему биосферу можно назвать крупнейшей экосистемой? (Потому что в ее состав входят все экосистемы Земли и потому что она является целостной, то есть существует при наличии всех своих компонентов.)

5.Рефлексия деятельности (итог урока).

— Оценить степень реализации поставленных на занятии целей.

— Оценить работу учеников во время занятий.

6.Сообщение домашнего задания.

Дифференцированное задание по выбору учащихся:

Изучить параграф, ответить на вопросы.
Подготовить сообщение «Ноосфера. Что это?»
Составление синквейна. «Биосфера»

Что такое живое вещество? | Биология. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, лекция, шпаргалка, конспект, ГДЗ, тест

Раздел:

Организмы и вещества биосферы

В составе биосферы различают следующие основные типы веществ.

Живое вещество — совокупность тел живых организмов. Массу живого вещества оценивают десятками триллионов тонн, что, несмотря на внушительность цифры, составляет не более одной миллионной доли массы других оболочек нашей планеты. Тем не менее, несмотря на свой скромный вклад в общую массу Земли, живое вещество, по словам В. И. Вернадского, является одной «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», так как многие изменения земной коры обусловлены именно деятельностью этого вещества. В пределах биосферы оно распределено очень неравномерно.

Живое вещество обладает огромной свободной энергией, которая в количественном отношении сопоставима с потоками горячей лавы, стекающей по склонам вулканов. Именно поэтому в живом веществе химические реакции идут в тысячи и миллионы раз быстрее, чем в неживом. Основу живого вещества составляют особые органические соединения, в том числе белки, ферменты и нуклеиновые кислоты.

Ещё одним компонентом биосферы являются биогенные вещества, являющиеся продуктами деятельности живых организмов. К ним относятся природный газ, нефть, каменный и бурый уголь, торф. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Косное вещество — это химические продукты, образующиеся без участия живых организмов (песок, гранит, вода и прочее). Почва на суше и ил на дне водоёмов являются так называемым биокосным веществом. В его создании одновременно принимают участие живые организмы и геологические процессы.

Ключевым понятием в учении о биосфере является понятие живого вещества — всех организмов, живущих на нашей планете.

На этой странице материал по темам:

Розподіл живої матерії на материках

Методы биологии. Живое вещество, его свойства. Уровни организации жизни

Как вы знаете, термин «биология» состоит из двух греческих слов: βίος и λόγος, которые в переводе на русский язык означают «жизнь» и «учение», «наука».

Но как бы ни называлась наука и кто бы ни дал ей название, знания о живых организмах накапливались человечеством тысячелетиями. Из-за огромного объёма полученной информации в наши дни биология превратилась в комплексную науку.

Биологические науки тесно связаны с физикой, химией, математикой, географией. Всех их объединяет не только предмет изучения — природа, но и методы, которыми пользуются исследователи для нахождения ответов на все поставленные вопросы.

В биологии важнейшими методами исследования являются наблюдение, эксперимент и сравнение, однако учёные пользуются, конечно же, и другими.

Наблюдение является первоисточником всех научных данных. После их обобщения выдвигаются гипотезы, которые могут объяснить наблюдение. Далее эти данные перепроверяются в ходе новых наблюдений и экспериментов. За этим этапом обязательно следует контрольный опыт. Условия контрольного опыта, в свою очередь, обязательно должны отличаться одним фактором. После анализа результатов эксперимента научные данные переходят в ранг научных фактов, а проверенная гипотеза становится теорией или законом. Это говорит о её универсальности, неоспоримости и достоверности.

Экспериментальный метод позволяет изучить то или иное явление жизни с помощью опыта.

Большой вклад в утверждение экспериментального метода в биологии внёс Грегор Мендель, который, изучая наследственность и изменчивость организмов, впервые использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основании получаемых результатов.

В настоящее время в биологическом эксперименте широко используют различные виды микроскопии.

На нашей планете, по разным данным, обитает примерно 2 000 000 видов животных, 500 000 видов растений…

Для построения системы во всём этом многообразии не обойтись без сравнительного метода, который позволяет упорядочить сходства и различия живых организмов и выявить общие закономерности.

Для осмысления полученных фактов при сопоставлении их с ранее известными результатами используют исторический метод. Данный метод позволяет превратить биологию из науки описательной в науку объясняющую. Изучает происхождение и функции многих живых систем.

Описательный метод известен с глубокой древности. В его основе лежит наблюдение. Сегодня описательный метод используют при открытии новых видов или изучении клеток с помощью современных методов исследования.

Биология — это наука о жизни. Что такое жизнь?

Ещё во второй половине XIX века Фридрих Энгельс сформулировал одно из самых известных определений жизни. «Жизнь — это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белков».

В природе не всегда сразу можно определить, что относится к живому, а что к неживому. Перечислим свойства, характерные для живых существ.

Первое ― это единство химического состава. Живые существа образованы теми же химическими элементами, что и неживые объекты, но в живых существах 90 % массы приходится на четыре элемента: С, О, N, H (углерод, кислород, азот, водород), которые участвуют в образовании сложных органических молекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.

Второе свойство живого ― это единство структурной организации. Клетка является единой структурно-функциональной единицей, а также единицей развития почти для всех живых организмов на Земле. Исключением являются вирусы, но и у них свойства живого проявляются, лишь когда они находятся в клетке.

Третье свойство живого ― открытость. Все живые организмы представляют собой открытые системы, т. е. системы, устойчивые лишь при условии непрерывного поступления в них энергии и вещества из окружающей среды.

Четвёртое ― обмен веществ и энергии. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой.

Обмен веществ осуществляется в результате двух взаимосвязанных процессов: процесса распада сложных органических веществ с выделением энергии, которая затем расходуется организмом, а также процесса синтеза органических веществ в организме (за счёт внешних источников энергии — света и пищи). Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

Пятое ― это самовоспроизведение (репродукция). Способность к самовоспроизведению является важнейшим свойством всех живых организмов. В её основе лежит информация о строении и функциях любого живого организма, заложенная в нуклеиновых кислотах и обеспечивающая специфичность структуры и жизнедеятельности живого.

Шестое свойство живого ― это саморегуляция. Любой живой организм подвергается воздействию непрерывно меняющихся условий окружающей среды. В то же время для протекания процессов жизнедеятельности в клетках необходимы определённые условия. Благодаря механизмам саморегуляции сохраняется относительное постоянство внутренней среды организма, т. е. поддерживается постоянство химического состава и интенсивность течения физиологических процессов (иными словами, поддерживается гомеостаз: от греч. homoios — «одинаковый» и stasis — «состояние»).

Седьмое ― рост и развитие. В процессе индивидуального развития (онтогенеза) постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма и осуществляется его рост. Кроме того, все живые системы эволюционируют — изменяются в ходе исторического развития (филогенеза).

Восьмое свойство живого ― раздражимость. Любой живой организм способен избирательно реагировать на внешние и внутренние воздействия.

И наконец, девятое свойство живого — это наследственность и изменчивость. Преемственность поколений обеспечивается наследственностью. Потомки не являются копиями своих родителей из-за способности наследственной информации к изменениям — изменчивости.

Отдельные свойства, перечисленные выше, могут быть присущи и неживой природе. Например, кристаллы в насыщенном растворе соли могут «расти».

Однако этот рост не имеет тех качественных и количественных параметров, которые присущи росту живого. Следовательно, все перечисленные выше свойства в своей совокупности характерны только для живых организмов.

Уровни организации жизни

Единство, состоящее из самоорганизующихся, самовоспроизводящихся элементов, активно взаимодействующих с окружающей средой, имеющее специфические признаки, присущие живым существам, называют живой системой.

Части биологических систем состоят из взаимосвязанных частей. Например, организм является частью популяции и может состоять из одной или множества клеток.

На любом уровне каждая живая система уникальна и отличается от себе подобных.

На основании особенностей проявления свойств живого выделяют несколько уровней организации живой природы: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, экосистемный и биосферный.

Рассмотрим подробнее каждый в отдельности.

Молекулярный уровень организации живой природы представлен молекулами органических веществ — белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов, находящихся в клетках и получивших название биологических молекул.

На молекулярном уровне исследуется роль этих важнейших биологических соединений в росте и развитии организмов, хранении и передаче наследственной информации, обмене веществ и превращении энергии в живых клетках и других явлениях.

Клеточный уровень представлен клетками. Это первый, начальный уровень организации живого, который обладает всеми свойствами живого. На этом уровне наука изучает вопросы морфологической организации клетки, специализации клеток в ходе развития, функций клеточной мембраны, механизмы деления клеток.

Организменный уровень может быть представлен как одноклеточными, так многоклеточными организмами. На этом уровне изучается организм как целое, со свойственными ему механизмами согласованного функционирования его органов в процессе жизнедеятельности, его адаптация и поведение в различных экологических условиях.

Популяционно-видовой уровень представлен популяциями видов и принципиально отличается от организменного.

Продолжительность жизни любого организма определена генетически, популяция же при оптимальных условиях среды способна существовать неограниченно долго.

На этом уровне изучают факторы, влияющие на динамику численности особей и возрастного состава популяций, проблемы сохранения исчезающих видов, действие факторов микроэволюции и т. д.

Экосистемный уровень представлен системой популяций разных видов в их взаимосвязи между собой и окружающей средой.

На этом уровне изучаются взаимоотношения организмов и среды, условия, определяющие продуктивность экосистем, их устойчивость, а также влияние на них деятельности человека.

Биосферный уровень — высшая форма организации живой материи, объединяющая все экосистемы планеты. В биосфере происходят глобальные биогеохимические циклы (круговороты веществ и потоки энергии). Изучение механизмов их протекания, а также влияния на них деятельности человека в настоящее время имеет первостепенное значение для предотвращения глобального экологического кризиса.

Всем живым системам, независимо от уровня организации, присущи общие черты, а сами системы находятся в непрерывном взаимодействии. На каждом уровне вследствие объединения систем низшего уровня возникает определённое новое качество.

Живое вещество, его свойства и функции в биосфере

Все системы, изучаемые экологией, включают в себя биотические компоненты, в сумме образующие живое вещество.

Термин «живое вещество» введён в литературу В. И. Вернадским, под которым он понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию и химический состав. Жизнь на Земле – самый выдающийся процесс на её поверхности, получающий живительную энергию Солнца и вводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева.

По современным оценкам, общая масса живого вещества в биосфере составляет около 2400 млрд. тонн (табл. 2).

Таблица 2

Среда	Группы организмов	Масса, млрд.т	Соотношения,%
Континенты	Зелёные растения Животные и микроорганизмы	2400 20	99,2 0,8
	Итого:	2420	100
Океаны	Зелёные растения Животные и микроорганизмы	0,2 3	6,3 93,7
	Итого:	3,2	100
Всего в биосфере		2423,2

Масса живого вещества поверхности континентов в 800 раз превышает биомассу Мирового океана.

На поверхности континентов растения резко преобладают по своей массе над животными. В океане мы наблюдаем обратное соотношение. 93,7 % биомассы моря приходится на долю животных. Это связано главным образом с тем, что в морской среде существует наиболее благоприятные условия для питания животных. Мельчайшие растительные организмы, составляющие фитопланктон и обитающие в освещенной зоне морей и океанов, быстро поедаются морскими животными и, таким образом, переход органических веществ из растительной формы в животную резко сдвигает биомассу в сторону преобладания животных.

Всё живое вещество по своей массе занимает ничтожное место по сравнению с любой из верхних геосфер земного шара. Например, масса атмосферы больше в 2150, гидросферы – в 602000, а земной коры – в 1670000 раз.

Однако по своему активному воздействию на окружающую среду живое вещество занимает особое место и качественно резко отличается от других неорганических природных образований, входящих в состав биосферы. Прежде всего это связано с тем, что живые организмы благодаря биологическим катализаторам (ферментам) совершают, по выражению академика Л. С. Берга, с физико-химической точки зрения что-то невероятное. Например, они способны фиксировать в своём теле молекулярный азот атмосферы при обычных для природной среды значениях температуры и давления. В промышленных же условиях связывание атмосферного азота до аммиака (Nh4) требует температуры порядка 500 ^оС и давления 300-500 атмосфер. В живых организмах на несколько порядков увеличиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В.И. Вернадский в связи с этим назвал живое вещество формой чрезвычайно активированной материи.

К основным уникальным особенностям живого вещества, обусловливающим его высокую преобразующую деятельность, можно отнести:

1. Способность быстро занимать свободное пространство, что связано как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ (всюдность жизни).

2. Движение не только пассивное (под действием силы тяжести), но и активное. Например, против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков.

3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти(включение в круговороты), сохраняя при этом высокую физико-химическую активность.

4. Высокая приспособительность(адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам.

5. Феноменально высокая скорость протекания химических реакций. Она на несколько порядков значительнее, чем в неживой природе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых перерабатывают за день количество вещества, которое в 100 – 200 раз превышает вес их тела.

6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет около 8 лет (для суши 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни – 33 дня).

7. Разнообразие форм, размеров и химических вариантов, значительно превышающее многие контрасты в неживом, косном веществе.

8. Индивидуальность (в мире нет одинаковых видов и даже особей).

Все перечисленные и другие свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нём больших запасов энергии. В.И. Вернадский отмечал, что по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов

Функции живого вещества. Всю деятельность живого вещества в биосфере можно, с определённой долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление о его преобразующей биосферно-геологической деятельности.

1. Энергетическая. Эта одна из важнейших функций связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей её по цепям питания и рассеиванием в окружающем пространстве.

2. Газовая – связана со способностью изменять и поддерживать определённый газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

3. Окислительно-восстановительная – связана с ростом под влиянием живого вещества интенсивности процессов как окисления и восстановления.

4. Концентрационная – способность организмов концентрировать в своём теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание на несколько порядков, по сравнению с окружающей средой, а в теле отдельных организмов – в миллионы раз. Результат концентрационной деятельности – залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п.

5. Деструктивная – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как самих остатков органического вещества, так и косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни – грибы, бактерии (деструкторы, редуценты).

6. Транспортная – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных.

7. Средообразующая. Эта функция в значительной мере представляет результат совместного действия других функций. С ней, в конечном счете, связано преобразование физико-химических параметров среды. Эту функцию можно, рассматривать в широком и более узком планах. В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии её параметры практически во всех геосферах. В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании и сохранение почв от разрушения (эрозии), в очистке воздуха и вод от загрязнений, в усилении питания источников грунтовых вод и т. п.

8. Рассеивающая функция, противоположная концентрационной. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов.

9. Информационная функция живого вещества выражается в том, что живые организмы и их сообщества накапливают информацию, закрепляют её в наследственных структурах и передают последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

Несмотря на огромное разнообразие форм, всё живое вещество физико-химически едино. И в этом состоит один из основных законов всего органического мира – закон физико-химического единства живого вещества. Из него следует, что нет такого физического или химического агента, который был бы гибелен для одних организмов и абсолютно безвреден для других. Разница лишь количественная – одни организмы более чувствительны, другие менее, одни приспосабливаются быстрее, другие медленнее. При этом приспособление идёт в ходе естественного отбора, т.е. за счёт гибели тех индивидов, которые не смогли адаптироваться к новым условиям.

Живое вещество, его роль в круговороте веществ и превращении энергии в биосфере.

Совокупность всех живых организмов составляет живое вещество или биомассу планеты. Живое вещество – это, по определению Вернадского, главное вещество биосферы.

В пределах границ биосферы живое вещество распределено очень неравномерно. В высоких слоях атмосферы, в глубине гидросферы и литосферы живые организмы встречаются редко. Жизнь, главным образом, сосредоточена на границе этих сред.

Биомасса почвы

Своеобразные биогеоценозы почв покрывают почти всю поверхность суши. Почва не только среда, необходимая для растений, но и биогеоценоз с разнообразными мельчайшими живыми организмами. Почва – рыхлый поверхностный слой земной коры, изменяемый атмосферой и организмами и постоянно пополняемый органическими остатками.

Образование живого органического вещества происходит на земной поверхности; разложение органических веществ, их минерализация осуществляется главным образом в почве. Почва образовалась под воздействием организмов и физико-химических факторов. Мощность почвы наряду с поверхностной биомассой и под влиянием ее увеличивается от полюсов к экватору. В северных широтах особое значение имеет перегной, мощность которого в подзолистых почвах примерно 5–10 см., а черноземных – 1–1,5 м. В разных почвах существуют своеобразные биоценозы. Их составляют корни деревьев, кустарников, травянистых растений, расположенные в почве и нижележащих слоях подпочвы ярусами. Скопления насекомых и их личинок, долбящих, роющих, сверлящих почву, производят огромную работу. По наблюдению Ч. Дарвина, дождевые черви, пропуская почву через кишечник, выносят ее на поверхность, ежегодно образуя слой толщиной 0,5 см., массой 25 т. на 1 га.

Почва плотно заселена живыми организмами. Биомасса одних дождевых червей в суглинистых почвах достигает 1,2 т. на 1 га., или 2,5 млн. особей. Количество бактерий в 1 г. почвы измеряется сотнями миллионов. Вода от дождей, тающих снегов обогащает ее кислородом и растворяет минеральные соли. Часть растворов удерживается в почве, часть выносится в реки и океан. Почва испаряет поднимающуюся по капиллярам грунтовую воду. Происходит движение растворов и выпадение cолей в разных почвенных горизонтах.

В почве происходит и газообмен. Ночью при охлаждении и сжатии газов в нее проникает некоторое количество воздуха. Кислород воздуха поглощается животными и растениями и входит в состав химических соединений. Проникший в почву с воздухом азот улавливается некоторыми бактериями. Днем при нагревании почвы выделяются газы: углекислый, сероводород, аммиак. Все процессы, происходящие в почве, входят в круговорот веществ биосферы. Некоторые виды хозяйственной деятельности человека (химизация сельскохозяйственного производства, переработка нефтепродуктов и др.) вызывают массовую гибель почвенных организмов, играющих важную роль в биосфере. Необходимо бережное отношение к почве, рациональное ее использование и защита от загрязнения.

Изменения в биосфере под влиянием деятельности человека, сохранение равновесия в биосфере как основа ее целостности.

Биомасса мирового океана

Физические свойства и химический состав вод океана весьма постоянны и создают среду, благоприятную для жизни. Фотосинтез водорослей происходит главным образом в верхнем слое воды – до 100 м. Поверхность океана в этой толще заполнена микроскопическими одноклеточными водорослями, образующими микропланктон (греч. «планктос» – блуждающий).

На океан приходится около 1/3 фотосинтеза, происходящего на всей планете. Водоросли поверхностного слоя океана – трансформаторы энергии солнечного излучения, превращающей ее в энергию химических реакций.

В питании животных океана преимущественное значение имеет планктон. Водорослями и простейшими питаются веслоногие рачки. Рачков поедают сельди и другие рыбы. Сельди идут в пищу хищным рыбам и чайкам. Исключительно планктоном питаются усатые киты.

В океане, кроме планктона и свободноплавающих животных, много организмов, прикрепленных ко дну и ползающих по нему. Население дна носит название бентоса (греч. «бентос» – глубинный).

В океане наблюдаются сгущения организмов: планктонное, прибрежное, донное. К живым сгущениям относятся и колонии кораллов, образующие рифы и острова. В основном в океане биомасса рассеяна. В громадной толще воды плавают рыбы, морские млекопитающие, кальмары.

В океане, особенно на дне его, распространены бактерии, превращающие органические остатки в неорганические вещества. Отмершие организмы медленно оседают на дно океана. Многие из них покрыты кремниевыми или известковыми оболочками, а также известковыми раковинами. На дне океана они образуют осадочные породы. Так, на месте моря, покрывавшего 100 млн. лет назад Центральную Европу, находят в земле известняки, мел. В нем можно рассмотреть микроскопические раковины древнейших животных (корненожки и др. ).

В Мировом океане живой биомассы в 1000 раз меньше, чем на суше. Использование энергии солнечного излучения на площади океана – 0,04 %, на суше 0,1 %. Океан не так богат жизнью, как недавно еще предполагали.

Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2 % представлена растениями и только 0,8 % составляют грибы, животные и микроорганизмы. В Мировом океане это соотношение составляет: растения – 6,3 %, животные и микроорганизмы 93,7 %. Масса живого вещества составляет около 0,01–0,02 % от костного вещества биосферы. Однако живые существа играют ведущую роль в геохимических процессах на земле. Деятельность живых организмов является основной, обеспечивающей круговорот веществ в природе. Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет около 232 млрд. тонн сухого органического вещества. Оно постоянно преобразуется и разлагается, поставляя вещества и энергию, необходимые для обмена веществ всех живых организмов. В биосфере живое вещество выполняет ряд важнейших функций:

газовую – выделение и поглощение О2 и СО2
окислительно-восстановительную – превращение веществ и энергии.
концентрационную – способность живых организмов накапливать в своих телах химические элементы в виде органических и неорганических соединений
Круговорот химических элементов в биосфере представляет собой процессы превращения и перемещения вещества в природе. По своей природе это повторяющиеся взаимосвязанные физико-химические и биологические процессы. Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии.

Основу биологического круговорота, обеспечивающего существование жизни, составляет солнечная энергия и улавливающий ее хлорофилл зеленых растений. В круговороте веществ и энергии участвует каждый живой организм, поглощая из внешней среды одни вещества и выделяя другие. Биогеоценозы, состоящие из большого числа видов и костных компонентов среды, осуществляют циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов. Атомы постоянно совершают миграцию через многие живые организмы и костную среду. Без миграции атомов жизнь на Земле не могла бы существовать: растения без животных и бактерий вскоре исчерпали бы запасы углекислого газа и минеральных веществ, а животные баз растений лишились бы источника энергии и кислорода.

Живые существа — Определение и примеры

Живые существа
сущ., Единственное число: живое существо
[ˈlɪvɪŋ θɪŋ]
Определение: любой организм или форма жизни, которые обладают или проявляют характеристики жизни или являются живыми

Живые существа Определение

Живое существо относится к любому организму или форме жизни, которые обладают или проявляют характеристики жизни или существования. Основными характеристиками являются следующие: наличие организованной структуры, потребность в энергии, реакция на стимулы и адаптация к изменениям окружающей среды, а также способность к размножению, росту, движению, метаболизму и смерти.В настоящее время живые существа подразделяются на три домена: (Eu) бактерии (настоящие бактерии), археи (архебактерии) и Eucarya (эукариоты).

Этимология

Термин « живущий» произошел от древнеанглийского « lifende », что означает «живущий» или «имеющий жизнь». Термин вещь произошел от древнеанглийского þing , что означает «сущность», «существо», «тело» или «материя». Синонимы: организм; форма жизни; существо.

История

В то время как Земля предположительно составляет около 4.54 миллиарда лет , жизнь на Земле началась позже, вероятно, около 3,5 миллиарда лет назад , хотя другие считают, что жизнь могла начаться раньше.

Абиогенез

Происхождение жизни, также называемое абиогенез , относится к естественному процессу, в котором жизнь возникла из неживой материи. Как это произошло, остается предметом споров среди ученых. До сих пор нет единого мнения о том, как зародилась жизнь на Земле.

Первородный суп

«Первородный суп» относится к гипотетической модели первобытной Земли, в которой накапливались органические вещества и вода, напоминая суп .Этот суп служил местом, где были синтезированы органические соединения. Широко признанным результатом исследований является эксперимент Миллера – Юри. По-видимому, смоделированная примитивная Земля благоприятствовала химическому синтезу основной структуры клеточной мембраны (например, фосфолипидов, образующих липидные бислои) и органических соединений из неорганических источников. Первородный суп является также указом гетеротрофной теории происхождения жизни, предложенной Александром Опариным и Джоном Бердоном Сандерсоном Холдейном.

Гипотеза мира РНК

Переход от неживых к живым существам мог происходить постепенно. Одна из популярных теорий, используемых сегодня, — это гипотеза мира РНК , которая предполагает, что изначальная жизнь была основана на РНК, потому что она может действовать как генетический материал и как катализатор. Эта основанная на РНК жизнь могла быть потомком нынешней жизни на Земле.

Строительные блоки РНК и ДНК, возможно, возникли и сформировались на астероидах из космоса, а затем достигли Земли через метеориты.По данным НАСА, в метеоритах они обнаружили азотистые основания РНК и ДНК, такие как аденин и гуанин. ⁽¹⁾ Эти азотистые основания могли привести к спонтанному созданию РНК и ДНК.

Эти органические молекулы могли быть использованы первыми формами жизни, чтобы жить и размножаться. Самыми ранними формами жизни могут быть одноклеточные организмы, появившиеся в конце Хадейского Эона или в начале Архейского Эона. Это основано на открытии графита биогенного происхождения в Западной Гренландии, который оценивается в 3.7 миллиардов лет . ⁽²⁾ Организмы, лишенные мембраносвязанных органелл, вероятно, были первыми живыми существами, которые доминировали на Земле. Их называют прокариотами — группой, состоящей из бактерий и архей.

Вопрос форума: ДНК живое или неживое? Рекомендуемый ответ!

Эндосимбиотическая теория

Эндосимбиотическая теория утверждает, что эндосимбиоз между более крупной клеткой и прокариотом привел к появлению первого фотосинтетического эукариота. Основываясь на этой теории, более крупный эукариот мог поглотить прокариот, которые со временем трансформировались в полуавтономные органеллы, такие как хлоропласты и митохондрии внутри клетки.

Многоклеточность

Многоклеточная жизнь, вероятно, началась 600 миллионов лет назад и повторялась несколько раз в биологической истории. Самой популярной теорией происхождения многоклеточности является теория Геккеля . Соответственно, многоклеточность впервые возникла, когда клетки одного вида группируются в бластулеподобную колонию.Постепенно определенные клетки колонии подвергались клеточной дифференцировке. Однако эта теория все еще неадекватна для объяснения происхождения многоклеточности.

Эдиакарская биота, состоящая из одноклеточных и многоклеточных организмов, существовала в эдиакарский период, около 600 миллионов лет назад. В этой биоте впервые появились самые ранние животные. Они напоминают губки размером от 1 см до менее 1 метра. ⁽³⁾

Кембрийский взрыв

Примерно 541 миллион лет назад, , в кембрийский период произошел внезапный всплеск жизни. Это упоминается как кембрийский взрыв . Появились самые разные растения и животные. В конце кембрия или раннего ордовика животные начали осваивать землю. С эволюцией наземных растений эволюционировали и разнообразились и животные. В конце концов, они колонизировали наземные среды обитания, в том числе и более удаленные от суши.

Текущее население

По оценкам, общее количество видов на Земле в мае 2016 года составляет около 1 триллиона. ⁽⁴⁾ По данным переписи морской флоры и фауны 2011 г., было оценено около 8.7 миллионов вида эукариот на Земле. ⁽⁵⁾ К сожалению, многие живые существа (вероятно, более пяти миллиардов видов), которые когда-либо жили на Земле, вымерли.

Классификация

Живые существа изначально классифицировались как растение или животное . Хотя и животные, и растения являются эукариотами, их различают по определяющим характеристикам, например с точки зрения моторики, режима питания и клеточных функций.Животные, по сути, являются подвижными и гетеротрофными живыми существами, тогда как растения — неподвижными, фотосинтезирующими и имеют клеточную стенку. Однако бактерии и археи не являются ни растениями, ни животными, главным образом потому, что они являются прокариотами (т.е. лишены мембраносвязанных цитоплазматических органелл, включая ядро).

Что касается различия между бактериями и археями, одно из их различий заключается в РНК-полимеразе. У архей он состоит из десяти субъединиц. У бактерий их четыре.Другой пример — состав клеточной стенки. В клеточной стенке архей отсутствует пептидогликан, тогда как в клеточной стенке бактерий.

В настоящее время современная биологическая таксономия включает в себя классификацию живых существ на три области: (1) домен Eukarya, (2) домен Bacteria и (3) домен Archaea. Биологический домен является наивысшим таксономическим рангом организмов согласно трехдоменной системе таксономии Карла Вёза. Ниже домена находятся семь основных таксономических рангов. В порядке убывания они выглядят следующим образом:

Домен »Царство» Тип »Класс» Порядок »Семья» Род »Виды

Домен Eukarya включает в себя все живые существа, являющиеся эукариотами.К ним относятся животные, растения, грибы, водоросли и простейшие. В своих клетках они обладают мембраносвязанными органеллами.

Под живым понимается любой организм, который демонстрирует жизнь. Ниже приведены примеры живых существ (сверху слева направо): археи, бактерии, протисты, грибы, растения и животные.
Характеристики живых существ
Живые существа — это организмы, которые проявляют признаки жизни. Что отличает живые существа от неживых, так это следующие характеристики:
Организованная структура
Живые существа представляют собой организованную структуру.Это может быть одноклеточная, такая как бактериальная клетка, или многоклеточная, например животные и растения, состоящие из нескольких клеток. Клетка — это основная биологическая единица организма. Различные клеточные процессы выполняются клеткой организованным, систематизированным образом. Клетка состоит из протоплазмы, окруженной плазматической мембраной. Цитоплазматические структуры (например, органеллы), каждая из которых выполняет определенные роли и функции, приостановлены в цитозоле клетки.
Энергия требует
Живым существам требуется энергия для выживания.Энергия необходима, поскольку она поддерживает многочисленные метаболические процессы в клетке. Один из способов синтеза энергии организмами — фотосинтез, при котором энергия света преобразуется в химическую. Другой способ — клеточное дыхание, при котором биохимическая энергия собирается из органического вещества (например, глюкозы) и затем сохраняется в биомолекуле, несущей энергию, такой как АТФ, для дальнейшего использования.
Репродуктивная способность
Живое существо способно к воспроизводству. Есть два способа, которыми живые существа могут воспроизводить свои копии: половое размножение и бесполое размножение. При половом размножении мужские и женские половые клетки двух родителей объединяются и образуют зиготу, которая в конечном итоге разовьется в существо себе подобных. Бесполое размножение , напротив, представляет собой способ размножения, в котором не задействованы половые клетки. Потомство происходит только от одного родителя. Примеры включают двойное деление, бутонирование, вегетативное размножение, спорогенез, фрагментацию, партеногенез, апомиксис и нуцеллярный зародыш.
Рост
Живые существа растут.На клеточном уровне рост может относиться к при увеличении числа или к при увеличении размера . Увеличение количества клеток происходит за счет деления клеток. Стволовые клетки животных и меристематические клетки растений делятся, давая начало новым клеткам. Что касается увеличения размера клеток, то его часто связывают с увеличением массы цитоплазмы.
Клетка проходит ряд фаз клеточного цикла. Большую часть времени новая клетка, продуцируемая митозом, проходит интерфазу. Это фаза клеточного цикла, на которой клетка увеличивается в размерах. Если клетка не будет полностью дифференцирована, она сможет реплицировать свою ДНК, чтобы подготовиться к следующему делению клетки. У растений новые клетки увеличиваются в объеме за счет поглощения и хранения воды внутри вакуоли.
Некоторые из растительных клеток вырастают вторичную клеточную стенку между первичной клеточной стенкой и плазматической мембраной. На уровне ткани рост сосудистых растений бывает двух типов: первичный и вторичный. Первичный рост влечет за собой вертикальный рост, поскольку первичная ксилема формируется из прокамбия, тогда как вторичный рост связан с боковым ростом, вызванным образованием вторичной ксилемы из сосудистого камбия.
У высших форм животных рост тканей происходит по определенной схеме и предопределен генетически. Возможности регенерации не такие неограниченные, как у растений. Степень восстановления зависит от вида. Например, саламандры могут регенерировать новые глаза или новые конечности, а люди — нет. Тем не менее, люди также способны регенерировать определенные части своего тела, такие как кожа и части печени.
Форум Вопрос: Каковы преимущества и недостатки большого организма? Избранный ответ!
Метаболизм
Метаболизм живого существа.Метаболизм относится к различным процессам, которые отвечают за поддержание живого состояния клетки или организма. Примеры тех, кто участвует в росте клеток, дыхании, размножении, ответе на стимулы, поддержке, биомолекулярном синтезе, удалении отходов и других гомеостатических процессах.

Существует две формы метаболизма: катаболизм и анаболизм . В катаболизме живые существа проводят химические реакции разложения, которые приводят к расщеплению сложных молекул на более мелкие единицы и получают энергию, которая выделяется в процессе.В анаболизме энергетические химические реакции строят молекулы из более мелких единиц.

Реагирует на раздражители

Живые существа реагируют на раздражители и приспосабливаются к изменениям окружающей среды. Он может обнаруживать изменения в окружающей среде, особенно со стороны клеток, которые действуют как рецепторы. Например, у людей есть пять основных органов чувств: зрение, слух, обоняние, осязание и вкус. Другие чувства — это вестибулярное чувство (обнаруживает движение, направление и ускорение тела), чувство термоцепции, кинестетическое чувство (обнаруживает положение частей тела), внутреннее чувство (интероцепция) и так далее.Помимо обнаружения изменений в окружающей среде, он также может адаптироваться к этим изменениям.

Движение

Живое существо движется. Поскольку живое существо может обнаруживать раздражители из своего окружения, оно может реагировать соответствующим образом. Например, животные переходят на корм, спасаются от хищников и ищут потенциального партнера. В то время как животные могут двигаться по своему желанию, растения имеют довольно ограниченную форму движения, называемую натическим движением (например, тигмонастия, никтинастия).

Смерть

Живые существа умирают.У живого существа есть жизнь, и эта жизнь в конце концов заканчивается. Старение относится к биологическому старению. Это когда живые существа постепенно портятся в течение своей жизни. Организм постепенно теряет способность функционировать и справляться со стрессорами. Таким образом, он становится более уязвимым для болезней и дисфункций. На клеточном уровне клетка больше не делится, хотя может оставаться метаболически активной. Одна из естественных причин клеточного старения — укорочение теломер, приводящее к повреждению ДНК.И наоборот, некоторые живые существа считаются бессмертными , потому что они, кажется, обходят смерть. Примеры включают обращающую возраст медузу Turritopsis doohmii , регенерирующих плоских червей и, казалось бы, неразрушимых тихоходок.

Неклеточная жизнь

Являются ли вирусы живыми существами? Этот вопрос так долго вызывал серьезные споры среди биологов. Некоторые считают вирусы живыми существами, поскольку они кажутся живыми , когда находятся внутри своего хозяина. Они обладают генетическим материалом, воспроизводятся и развиваются в результате естественного отбора. Однако другие не принимают их за живые существа, потому что они, по сути, мертвых , когда находятся вне своего хозяина. Вирусы не могут воспроизводиться самостоятельно.

Для этого они полагаются на механизмы клетки-хозяина. Таким образом, вирусы не являются абсолютно живыми или неживыми. Находясь вне своего хозяина, вирусы неактивны и кажутся неодушевленными. Находясь внутри своего хозяина, они становились активными, способными использовать структуры хозяйской клетки и реплицироваться.Вироиды — это еще одна группа, которая, по-видимому, ведет неклеточную жизнь. Они представляют собой инфекционные и патогенные короткие цепочки кольцевой одноцепочечной РНК.

Исследования

Изучение живых существ называется биология (также называемая биологической наукой). Специалист в этой области называется биолог . Некоторые области биологических исследований включают морфологию, анатомию, цитологию, гистологию, физиологию, экологию, эволюцию, таксономию и патологию.

Попробуйте ответить на приведенный ниже тест, чтобы проверить, что вы узнали о живых существах.

Следующий
Живое вещество — связь физики и биологии в 21 веке
Abstract
Клетки состоят из сложных ансамблей цитоскелетных белков, которые способствуют передаче силы от молекулярного к клеточному масштабу для регулирования формы клеток и генерации сил. «Живая материя», образованная цитоскелетом, способствует разностороннему и устойчивому поведению клеток, включая их миграцию, адгезию, деление и морфологию, которые в конечном итоге определяют архитектуру и механику ткани.Выяснение основных физических принципов такой живой материи открывает большие возможности как для биологии, так и для физики. Для физиков цитоскелет представляет собой исключительный набор инструментов для изучения материалов, далеких от равновесия. Для биологов эти исследования предоставят новое понимание того, как процессы молекулярного масштаба определяют морфологические изменения клеток.
Различие между «живым» и «не живым» было давним вопросом для тех, кто интересовался нашим миром природы.Во многих древних культурах считалось, что разница между живыми организмами и неорганической материей связана с врожденными различиями, возникающими из «жизненной силы», так что биология оперирует фундаментальными свойствами, отличными от физического мира. Возможность опровергать такие теории появилась в течение 17-19 веков, когда ученые разработали теории атомов и смогли синтезировать органическое вещество из неорганических компонентов. За последние 100 лет разработки в области молекулярной биологии и биохимии предоставили огромное количество информации о структуре и функциях биологических молекул, большая часть которой была получена в сотрудничестве между учеными-физиками и биологами.Применение методов рассеяния рентгеновских лучей, впервые разработанных для изучения металлов, позволило открыть структуру сложных биологических молекул, от ДНК до ионных каналов. Использование методов лазерного захвата, впервые разработанных для улавливания и охлаждения атомов, позволило проводить точные силовые спектроскопические измерения одиночных молекулярных двигателей. Теперь мы знаем, что биологические молекулы, хотя и более сложные, чем их неорганические аналоги, должны подчиняться законам физики и химии.
Это огромное количество информации в молекулярном масштабе не влияет напрямую на поведение живых клеток.Органеллы внутри клеток состоят из сложных и динамических сборок белков, липидов и нуклеиновых кислот, погруженных в водную среду. Эти сборки каким-то образом способны создавать материалы, которые могут надежно облегчить множество морфологических и физических поведений клеток на субклеточном (внутриклеточный транспорт), клеточном (деление, адгезия, миграция) и многоклеточном (морфогенез ткани, заживление ран) масштабах длины. Динамический цитоскелет передает информацию и силы от молекулярных к клеточным масштабам длины.Но что такого в поведении биологических молекул, которые наделяют клетки способностью дышать, двигаться и устойчиво воспроизводить себя — все качества, которые мы считаем важными для «жизни»? Для решения этих вопросов необходимо понимание физики и химии систем биологических молекул. Взаимодействия, происходящие внутри ансамблей молекул, приводят к появлению новых свойств и поведения, которые невозможно предсказать на уровне одной молекулы. Эти возникающие химические и физические свойства живого вещества, вероятно, фундаментально отличаются от неорганических или «мертвых» материалов.Открытие основополагающих принципов живой материи предоставляет фантастические возможности для изучения новой физики и биологии.
Области физики конденсированного состояния и материаловедения изучают физические свойства, которые проявляются, когда объекты (например, атомы, молекулы, песчинки или мыльные пузыри) помещаются достаточно близко друг к другу, так что взаимодействия между ними нельзя игнорировать. Межатомные или межмолекулярные взаимодействия приводят к появлению новых свойств, которые не наблюдаются у изолированных видов.Знакомые примеры включают перенос электронов через материал или реакцию материала на внешние магнитные поля или механические силы. Эти возникающие свойства, такие как проводимость, эластичность и вязкость, позволяют нам предсказать поведение совокупности объектов в этих конденсированных фазах. В этой статье я сосредоточусь на своем видении того, как подходы к пониманию механических свойств физических материалов могут способствовать пониманию механических свойств живого вещества, находящегося внутри клеток.
В кристалле металла точно организованные атомы расположены на расстоянии нанометров друг от друга, а энергии их взаимодействия измеряются в масштабе электрон-вольта (в 40 раз больше, чем тепловая энергия или в два раза больше энергии, выделяющейся при гидролизе одиночного АТФ. молекула). Они создают плотность энергии или модуль упругости порядка гигапаскалей, который лежит в основе жесткости металлов. При небольших деформациях восстанавливающая сила между атомами означает, что этот металл ведет себя как упругая пружина: после приложения силы металл возвращается к своей первоначальной форме.Пониманию передачи силы через кристаллические металлы способствовало развитие теории упругости в 16-17 веках. Флюиды, такие как вода, не имеют кристаллического порядка, но предсказательное понимание потоков и сил флюидов было получено благодаря развитию теорий гидродинамики. А теперь подумайте о другом материале, Silly Putty, который ведет себя эластично в короткие промежутки времени (он отскакивает, как резиновый мяч), но затем сочится и течет в больших промежутках времени, действуя как вязкая жидкость.Silly Putty состоит из длинных полимеров, которые захватываются друг другом в короткие сроки, но тепловой энергии достаточно, чтобы позволить им диффундировать и перемещаться в течение длительного времени. Silly Putty также является «мягким материалом» в том смысле, что энергии взаимодействия полимера находятся на уровне тепловой энергии, а масштаб его длины — на уровне микрометров. Такие материалы, как Silly Putty, считались слишком сложными для аналитической теории. Только в середине 20 века была разработана теоретическая основа для понимания этих «беспорядочных» и «неорганизованных» материалов на основе полимеров.
Самые мощные теории для понимания этих совершенно разных форм физической материи были разработаны в отсутствие даже простейших компьютеров. Теории основывались на разработке физических свойств или параметров для описания материала с помощью «среднего поля», типа крупнозернистого, который идентифицирует существенные свойства отдельных составляющих и взаимодействий, но игнорирует многие другие детали. Эти средние поля дают нам новое представление о происхождении свойств материала и дают повод для определения физических параметров, таких как эластичность и вязкость.Однако для этих теорий также требуются материалы, которые не сильно толкаются и остаются близкими к равновесию. Фактически, понимание материалов, «далеких от равновесия», было определено как главная проблема физики следующего столетия (Национальный исследовательский совет, 2007).
Материалы, образованные динамическими сборками белков в цитоскелете, дезорганизованы, гетерогены и далеки от равновесия. Моторные белки генерируют локальные стрессы, и их активность пространственно модулируется.Полимеризация и деполимеризация полимеров цитоскелета контролируется множеством регуляторных белков. Все эти динамические молекулярные процессы наделяют цитоскелетные сборки уникальным поведением, которое позволяет им выполнять сложные физиологические задачи. Вероятно, эта динамика также обеспечивает базовую устойчивость клеток в ответ на колебания и изменения окружающей среды. Эти свойства делают живые клетки прекрасным материалом, который не может быть захвачен существующими структурами физической материи.Я подозреваю, что мы еще не определили важные параметры, необходимые для характеристики их свойств. Богатая динамика, создаваемая активным биологическим веществом, представляет собой серьезную проблему в области материаловедения.
Как мы надеемся понять свойства этих сложных ансамблей цитоскелета и материалов? Может показаться, что понимание механизмов цитоскелета является непреодолимым подвигом, подходы, которые были успешными для физических материалов, не будут работать, и мы должны полагаться на сложное моделирование, которое требует моделирования всех отдельных компонентов. Это может быть правдой. Однако я считаю, что это пессимистический взгляд. Просто подумайте, насколько сложными были бы физические материалы, если бы у нас не было соответствующих параметров для описания макроскопических откликов, и вместо этого мы стали бы одержимы знанием деталей всех взаимодействий между лежащими в основе атомами и молекулами? В том же ключе я верю, что предсказания о биологической материи появятся благодаря развитию новых физических теорий, которые используют подходы среднего поля для понимания материалов, содержащих активные компоненты и далеких от равновесия.Растущая область физики активной материи в настоящее время рассматривает эти вопросы (Ramaswamy, 2010). Однако эти теоретические подходы требуют физических измерений клеток и клеточных белков, которые не могут быть четко связаны с физиологическим процессом или иметь четкий биологический контекст. Материалы, созданные из белков цитоскелета in vitro, также должны стать отличным источником экспериментальных измерений, но для разработки контроля над такими материалами необходимо более тесное сотрудничество с теоретиками, работающими в этой области, а также сотрудничество между биохимиками и учеными-экспериментаторами. Разработка предсказательных физических теорий цитоскелета разъяснит принципы того, почему «целое — это больше, чем сумма его частей», что обеспечит больший контроль и дизайн над живым веществом, точно так же, как инженерия обеспечила большие успехи в применении материалов из физический мир.
Что биологи извлекают из теории живого вещества? Эти теории обеспечат важную связь между молекулярным и клеточным поведением в масштабе длины и дадут понимание механизмов, почему определенные молекулярные возмущения изменяют поведение клетки.Более того, они должны дать нам общие принципы устройства живой материи. Каковы основные аспекты машины, необходимой для разделения хромосом, установления полярности или генерации сократительных сил, которые используются в разных типах клеток? Может ли знание этих аспектов дать представление об эволюции клеточных машин и устойчивости клеточного поведения? Таким образом, изучение клеточного материала не только открывает новые возможности для физиков, но и обеспечивает важное прогнозное понимание физиологии клетки.
1.1 Темы и концепции биологии — концепции биологии — 1-е канадское издание
К концу этого раздела вы сможете:
Определить и описать свойства жизни
Опишите уровни организации среди живых существ
Перечислите примеры различных дисциплин биологии
Посмотрите видео об эволюции путем естественного отбора.
Биология — это наука, изучающая жизнь.Что такое жизнь? Это может показаться глупым вопросом с очевидным ответом, но дать определение жизни непросто. Например, раздел биологии под названием вирусология изучает вирусы, которые обладают некоторыми характеристиками живых существ, но не имеют других. Оказывается, хотя вирусы могут атаковать живые организмы, вызывать заболевания и даже воспроизводиться, они не соответствуют критериям, которые биологи используют для определения жизни.
С самого начала биология боролась с четырьмя вопросами: какие общие свойства делают что-то «живым»? Как эти различные живые существа функционируют? Столкнувшись с удивительным разнообразием жизни, как нам организовать различные виды организмов, чтобы лучше понять их? И, наконец — то, что в конечном итоге пытаются понять биологи, — как возникло это разнообразие и как оно продолжается? Поскольку новые организмы открываются каждый день, биологи продолжают искать ответы на эти и другие вопросы.
Все группы живых организмов обладают множеством ключевых характеристик или функций: порядок, чувствительность или реакция на стимулы, размножение, адаптация, рост и развитие, регуляция, гомеостаз и обработка энергии. Вместе эти восемь характеристик определяют жизнь.
Заказать
Организмы — это высокоорганизованные структуры, состоящие из одной или нескольких клеток. Даже очень простые одноклеточные организмы чрезвычайно сложны. Внутри каждой ячейки атомы составляют молекулы.Они, в свою очередь, составляют клеточные компоненты или органеллы. Многоклеточные организмы, которые могут состоять из миллионов отдельных клеток, имеют преимущество перед одноклеточными в том, что их клетки могут быть специализированы для выполнения определенных функций и даже принесены в жертву в определенных ситуациях на благо всего организма в целом. Как эти специализированные клетки объединяются, чтобы сформировать такие органы, как сердце, легкие или кожа у таких организмов, как жаба, показанная на рисунке 1. 2, будет обсуждаться позже.
Рисунок 1.2 Жаба представляет собой высокоорганизованную структуру, состоящую из клеток, тканей, органов и систем органов.
Чувствительность или реакция на стимулы
Организмы реагируют на разнообразные раздражители. Например, растения могут наклоняться к источнику света или реагировать на прикосновения. Даже крошечные бактерии могут двигаться к химическим веществам или от них (процесс, называемый хемотаксисом) или свету (фототаксис). Движение к стимулу считается положительной реакцией, а движение от стимула — отрицательной.
Рис. 1.3. Листья этого чувствительного растения (Mimosa pudica) мгновенно опадают и складываются при прикосновении. Через несколько минут растение возвращается в нормальное состояние.
Концепция в действии

Посмотрите это видео, чтобы увидеть, как чувствительное растение реагирует на прикосновение.
Репродукция
Одноклеточные организмы воспроизводятся, сначала дублируя свою ДНК, которая является генетическим материалом, а затем деля его поровну, когда клетка готовится к делению с образованием двух новых клеток. Многие многоклеточные организмы (состоящие из более чем одной клетки) производят специализированные репродуктивные клетки, из которых формируются новые особи. Когда происходит размножение, ДНК, содержащая гены, передается потомству организма. Эти гены являются причиной того, что потомство будет принадлежать к одному виду и иметь характеристики, аналогичные родительским, такие как цвет меха и группа крови.
Адаптация
Все живые организмы «приспособлены» к окружающей среде. Биологи называют это приспособление адаптацией, и это следствие эволюции путем естественного отбора, который действует во всех линиях воспроизводящих организмов.Примеры приспособлений разнообразны и уникальны: от термостойких архей, обитающих в кипящих горячих источниках, до длины языка моли, питающейся нектаром, которая соответствует размеру цветка, которым она питается. Все адаптации повышают репродуктивный потенциал человека, который их демонстрирует, включая их способность выживать и воспроизводить потомство. Адаптации непостоянны. По мере изменения окружающей среды естественный отбор заставляет характеристики особей в популяции отслеживать эти изменения.
Рост и развитие
Организмы растут и развиваются в соответствии с конкретными инструкциями, закодированными их генами. Эти гены предоставляют инструкции, которые будут управлять клеточным ростом и развитием, гарантируя, что детеныши вида вырастут и будут демонстрировать многие из тех же характеристик, что и его родители.
Рисунок 1.4. Хотя нет двух одинаковых котят, эти котята унаследовали гены от обоих родителей и обладают многими схожими характеристиками.
Постановление
Даже самые маленькие организмы сложны и требуют множества регуляторных механизмов для координации внутренних функций, таких как транспорт питательных веществ, реакция на раздражители и преодоление стрессов окружающей среды.Например, системы органов, такие как пищеварительная или кровеносная системы, выполняют определенные функции, такие как перенос кислорода по всему телу, удаление отходов, доставка питательных веществ в каждую клетку и охлаждение тела.
Гомеостаз
Для правильного функционирования клеткам требуются соответствующие условия, такие как правильная температура, pH и концентрация различных химикатов. Однако эти условия могут меняться от одного момента к другому. Организмы способны поддерживать внутренние условия в узком диапазоне почти постоянно, несмотря на изменения окружающей среды, посредством процесса, называемого гомеостазом или «устойчивым состоянием» — способности организма поддерживать постоянные внутренние условия.Например, многие организмы регулируют температуру своего тела с помощью процесса, известного как терморегуляция. Организмы, обитающие в холодном климате, такие как белый медведь, имеют структуру тела, которая помогает им выдерживать низкие температуры и сохранять тепло тела. В жарком климате у организмов есть методы (например, потоотделение у людей или одышка у собак), которые помогают им отводить избыточное тепло тела.
Рис. 1.5 Белые медведи и другие млекопитающие, обитающие в покрытых льдом регионах, поддерживают температуру своего тела, выделяя тепло и уменьшая потери тепла через густой мех и плотный слой жира под кожей.
Энергетика
Все организмы (например, калифорнийский кондор, показанный на рис. 1.6) используют источник энергии для своей метаболической активности. Некоторые организмы улавливают энергию солнца и превращают ее в химическую энергию в пище; другие используют химическую энергию от молекул, которые они принимают.
Рис. 1.6 Калифорнийскому кондору требуется много энергии для полета. Химическая энергия, получаемая из пищи, используется для полета. Калифорнийские кондоры — вымирающий вид; Ученые постарались прикрепить к каждой птице бирку с крыльями, чтобы помочь им идентифицировать и определить местонахождение каждой отдельной птицы.
Живые существа высоко организованы и структурированы, следуя иерархии от мала до велика. Атом — самая маленькая и самая фундаментальная единица материи. Он состоит из ядра, окруженного электронами. Атомы образуют молекулы. Молекула представляет собой химическую структуру, состоящую как минимум из двух атомов, скрепленных химической связью. Многие молекулы, которые имеют биологическое значение, — это макромолекулы , большие молекулы, которые обычно образуются путем объединения более мелких единиц, называемых мономерами.Примером макромолекулы является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), которая содержит инструкции для функционирования организма, который ее содержит.
Рис. 1.7. Молекула, как и эта большая молекула ДНК, состоит из атомов.
Концепция в действии

Чтобы увидеть анимацию этой молекулы ДНК, щелкните здесь.
Некоторые клетки содержат агрегаты макромолекул, окруженные мембранами; их называют органеллами. Органеллы — это небольшие структуры, которые существуют внутри клеток и выполняют специальные функции.Все живые существа состоят из клеток; Сама клетка — это наименьшая фундаментальная единица структуры и функции в живых организмах. (Это требование является причиной того, почему вирусы не считаются живыми: они не состоят из клеток. Чтобы создать новые вирусы, они должны вторгнуться и захватить живую клетку; только тогда они могут получить материалы, необходимые для воспроизводства. ) Некоторые организмы состоят из одна клетка, а другие — многоклеточные. Клетки подразделяются на прокариотические и эукариотические. Прокариоты — это одноклеточные организмы, в которых отсутствуют органеллы, окруженные мембраной, и ядра, окруженные ядерными мембранами; напротив, клетки эукариот действительно имеют мембраносвязанные органеллы и ядра.
В большинстве многоклеточных организмов клетки объединяются в ткани, которые представляют собой группы похожих клеток, выполняющих одну и ту же функцию. Органы — это совокупность тканей, сгруппированных по общей функции. Органы есть не только у животных, но и у растений. Система органов — это более высокий уровень организации, состоящий из функционально связанных органов. Например, у позвоночных животных есть много систем органов, таких как система кровообращения, которая транспортирует кровь по телу, в легкие и из них; он включает такие органы, как сердце и кровеносные сосуды.Организмы — это индивидуальные живые существа. Например, каждое дерево в лесу — это организм. Одноклеточные прокариоты и одноклеточные эукариоты также считаются организмами и обычно называются микроорганизмами.
Рис. 1.8 Биология исследует все аспекты жизни, от атома до всей Земли.
Какое из следующих утверждений неверно?
Ткани существуют внутри органов, которые существуют в системах органов.
Сообщества существуют в популяциях, существующих в экосистемах.
Органеллы существуют внутри клеток, которые существуют в тканях.
Сообщества существуют в экосистемах, существующих в биосфере.
Все особи вида, живущие на определенной территории, вместе называются популяцией. Например, в лесу может быть много белых сосен. Все эти сосны представляют собой популяцию белых сосен в этом лесу. На одной и той же территории могут проживать разные группы населения. Например, сосновый лес включает популяции цветковых растений, а также популяции насекомых и микробов.Сообщество — это совокупность популяций, населяющих определенную территорию. Например, все деревья, цветы, насекомые и другие популяции в лесу образуют лесное сообщество. Сам лес — это экосистема. Экосистема состоит из всех живых существ в определенной области вместе с абиотическими или неживыми частями этой среды, такими как азот в почве или дождевая вода. На самом высоком уровне организации биосфера представляет собой совокупность всех экосистем и представляет собой зоны жизни на Земле.Он включает землю, воду и части атмосферы.
Биология имеет очень широкие масштабы, потому что на Земле существует огромное разнообразие форм жизни. Источником этого разнообразия является эволюция, процесс постепенного изменения, в ходе которого новые виды возникают из более старых видов. Эволюционные биологи изучают эволюцию живых существ во всем, от микроскопического мира до экосистем.
В 18 веке ученый Карл Линней впервые предложил организовать известные виды организмов в иерархическую таксономию.В этой системе виды, наиболее похожие друг на друга, объединяются в группу, известную как род. Более того, похожие роды (множественное число родов) объединяются в одну семью. Такое группирование продолжается до тех пор, пока все организмы не будут собраны в группы на самом высоком уровне. Текущая таксономическая система теперь имеет восемь уровней в своей иерархии, от низшего к высшему, а именно: вид, род, семейство, порядок, класс, тип, царство и домен. Таким образом, виды группируются внутри родов, роды — внутри семейств, семейства — внутри отрядов и т. Д.
Рисунок 1.9 На этой диаграмме показаны уровни таксономической иерархии собаки, от самой широкой категории — домена до наиболее специфичных — видов.
Самый высокий уровень, домен, является относительно новым дополнением к системе с 1990-х годов. Теперь ученые признают три области жизни: эукарию, архей и бактерии. Домен Eukarya содержит организмы, у которых есть клетки с ядрами. Он включает в себя царства грибов, растений, животных и несколько царств протистов. Археи — это одноклеточные организмы без ядер, среди которых много экстремофилов, обитающих в суровых условиях, например, в горячих источниках. Бактерии — еще одна совершенно другая группа одноклеточных организмов без ядер. И археи, и бактерии — прокариоты, неофициальное название клеток без ядер. Осознание в 1990-х годах того, что определенные «бактерии», ныне известные как археи, генетически и биохимически отличаются от других бактериальных клеток, как и от эукариот, послужило основанием для рекомендации разделить жизнь на три области. Это резкое изменение в наших знаниях о дереве жизни демонстрирует, что классификации не являются постоянными и изменятся, когда станет доступна новая информация.
В дополнение к иерархической таксономической системе Линней был первым, кто назвал организмы двумя уникальными именами, которые теперь называются биномиальной системой именования. До Линнея использование общих названий для обозначения организмов вызывало путаницу, поскольку в этих общих названиях существовали региональные различия. Биномиальные названия состоят из названия рода (которое пишется с большой буквы) и названия вида (все в нижнем регистре). При печати оба имени выделяются курсивом. Каждому виду дается уникальный бином, признанный во всем мире, так что ученый в любом месте может знать, о каком организме идет речь.Например, североамериканская голубая сойка известна под уникальным именем Cyanocitta cristata . Наш собственный вид — это Homo sapiens .
Рисунок 1.10 Эти изображения представляют разные домены. Микрофотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает: (а) бактериальные клетки принадлежат к домену «Бактерии», а (б) экстремофилы, все вместе видимые в этом горячем источнике в виде цветных матов, принадлежат к домену архей. И (c) подсолнечник, и (d) лев являются частью домена Eukarya.
Эволюция в действии
Карл Вёзе и филогенетическое древо
Эволюционные отношения различных форм жизни на Земле можно обобщить на филогенетическом дереве.Филогенетическое дерево — это диаграмма, показывающая эволюционные отношения между биологическими видами, основанные на сходстве и различии генетических или физических признаков или того и другого. Филогенетическое дерево состоит из точек ветвления или узлов и ветвей. Внутренние узлы представляют предков и являются точками эволюции, когда на основании научных данных считается, что предок разделился, образовав два новых вида. Длину каждой ветви можно рассматривать как оценку относительного времени.
В прошлом биологи сгруппировали живые организмы в пять царств: животные, растения, грибы, простейшие и бактерии.Новаторская работа американского микробиолога Карла Вёза в начале 1970-х годов показала, однако, что жизнь на Земле развивалась по трем линиям, которые теперь называются областями — бактерии, археи и эукарии. Вёзе предложил домен как новый таксономический уровень, а архей — как новый домен, чтобы отразить новое филогенетическое дерево. Многие организмы, принадлежащие к домену архей, живут в экстремальных условиях и называются экстремофилами. Чтобы построить свое дерево, Вёзе использовал генетические отношения, а не сходства, основанные на морфологии (форме).В филогенетических исследованиях использовались различные гены. Дерево Вёза было построено на основе сравнительного секвенирования универсально распределенных генов, обнаруженных в некоторых слегка измененных формах в каждом организме, сохраненных (это означает, что эти гены оставались лишь незначительно измененными на протяжении всей эволюции) и соответствующей длины.
Рис. 1.11 Это филогенетическое дерево было построено микробиологом Карлом Вёзе с использованием генетических родств. Дерево показывает разделение живых организмов на три области: бактерии, археи и эукарии.Бактерии и археи — это организмы без ядра или других органелл, окруженных мембраной, и поэтому они являются прокариотами.
Посмотреть видео о науке и медицине
Область биологии обширна и поэтому включает множество разделов и дисциплин. Биологи могут изучать одну из этих субдисциплин и работать в более узкой области. Например, молекулярная биология изучает биологические процессы на молекулярном уровне, включая взаимодействия между молекулами, такими как ДНК, РНК и белки, а также то, как они регулируются. Микробиология — это изучение структуры и функций микроорганизмов. Сама по себе это довольно обширная ветвь, и в зависимости от предмета исследования в нее входят, в частности, физиологи-микробиологи, экологи и генетики.
Другая область биологических исследований, нейробиология, изучает биологию нервной системы, и, хотя она считается разделом биологии, она также признана междисциплинарной областью исследований, известной как нейробиология. Из-за своей междисциплинарной природы эта дисциплина изучает различные функции нервной системы с использованием молекулярных, клеточных, связанных с развитием, медицинских и вычислительных подходов.
Рис. 1.12. Исследователи работают над раскопками окаменелостей динозавров на месте в Кастельоне, Испания.
Палеонтология, еще один раздел биологии, использует окаменелости для изучения истории жизни. Зоология и ботаника изучают животных и растения соответственно. Биологи также могут специализироваться как биотехнологи, экологи или физиологи, и это лишь некоторые области. Биотехнологи применяют знания биологии для создания полезных продуктов. Экологи изучают взаимодействие организмов в окружающей их среде.Физиологи изучают работу клеток, тканей и органов. Это лишь небольшая часть из множества областей, которыми могут заниматься биологи. От нашего собственного тела до мира, в котором мы живем, открытия в биологии могут влиять на нас самым прямым и важным образом. Мы зависим от этих открытий для нашего здоровья, наших источников пищи и преимуществ, предоставляемых нашей экосистемой. Из-за этого знание биологии может помочь нам в принятии решений в нашей повседневной жизни.
Развитие технологий в двадцатом веке, которое продолжается и сегодня, особенно технология описания и манипулирования генетическим материалом, ДНК, изменила биологию.Эта трансформация позволит биологам продолжить более детальное понимание истории жизни, того, как устроено человеческое тело, нашего человеческого происхождения и того, как люди могут выжить как вид на этой планете, несмотря на стрессы, вызванные нашей растущей численностью. Биологи продолжают разгадывать огромные загадки жизни, предполагая, что мы только начали понимать жизнь на планете, ее историю и наши отношения с ней. По этой и другим причинам знания биологии, полученные с помощью этого учебника и других печатных и электронных средств массовой информации, должны быть полезны в любой области, в которой вы работаете.
Судмедэксперт
Судебная медицина — это применение науки для ответа на вопросы, связанные с законом. Судебными экспертами могут быть биологи, химики и биохимики. Судебно-медицинские эксперты предоставляют научные доказательства для использования в судах, и их работа включает изучение следов преступлений, связанных с преступлениями. За последние несколько лет интерес к судебной медицине возрос, возможно, из-за популярных телешоу, в которых судмедэксперты участвуют в работе.Кроме того, развитие молекулярных методов и создание баз данных ДНК обновили виды работы, которую могут выполнять судебно-медицинские эксперты. Их служебная деятельность в первую очередь связана с преступлениями против людей, такими как убийства, изнасилования и нападения. Их работа включает анализ таких образцов, как волосы, кровь и другие биологические жидкости, а также обработку ДНК, обнаруженной во многих различных средах и материалах. Судмедэксперты также анализируют другие биологические доказательства, оставленные на местах преступления, такие как части насекомых или пыльцевые зерна.Студенты, которые хотят продолжить карьеру в области судебной медицины, скорее всего, должны будут пройти курсы химии и биологии, а также некоторые интенсивные курсы математики.
Рис. 1.13. Этот судебно-медицинский эксперт работает в комнате для извлечения ДНК в Лаборатории уголовных расследований армии США.
Биология — наука о жизни. Все живые организмы обладают несколькими ключевыми свойствами, такими как порядок, чувствительность или реакция на раздражители, размножение, адаптация, рост и развитие, регуляция, гомеостаз и обработка энергии.Живые существа высокоорганизованы по иерархии, которая включает в себя атомы, молекулы, органеллы, клетки, ткани, органы и системы органов. Организмы, в свою очередь, подразделяются на популяции, сообщества, экосистемы и биосферу. Эволюция является источником огромного биологического разнообразия на Земле сегодня. Диаграмма, называемая филогенетическим деревом, может использоваться для демонстрации эволюционных взаимоотношений между организмами. Биология очень широка и включает множество разделов и дисциплин. Примеры включают, среди прочего, молекулярную биологию, микробиологию, нейробиологию, зоологию и ботанику.
атом: основная единица вещества, которая не может быть разрушена с помощью обычных химических реакций
биология: изучение живых организмов и их взаимодействия друг с другом и окружающей их средой
биосфера: совокупность всех экосистем на Земле
клетка: наименьшая фундаментальная единица структуры и функции живых существ
сообщество: совокупность популяций, населяющих определенную территорию
экосистема: все живые существа в определенной области вместе с абиотическими, неживыми частями этой среды
эукариот: организм, клетки которого имеют ядра и мембраносвязанные органеллы
эволюция: процесс постепенного изменения популяции, который также может привести к появлению новых видов, происходящих от более старых видов
гомеостаз: способность организма поддерживать постоянные внутренние условия
макромолекула: большая молекула, обычно образованная путем соединения более мелких молекул
молекула: химическая структура, состоящая как минимум из двух атомов, удерживаемых вместе химической связью
орган: структура, состоящая из тканей, работающих вместе для выполнения общей функции
Система органов: более высокий уровень организации, состоящий из функционально связанных органов
органелла: мембраносвязанный отсек или мешок внутри клетки
организм: индивидуальное живое существо
Филогенетическое дерево: диаграмма, показывающая эволюционные отношения между биологическими видами на основе сходства и различий в генетических или физических признаках или обоих
Население: все особи одного вида, живущие на определенной территории
прокариот: одноклеточный организм, не имеющий ядра или любой другой мембраносвязанной органеллы
ткань: группа аналогичных клеток, выполняющих одну и ту же функцию
Атрибуция в СМИ
Характеристики живых существ
Характеристики живых существ
Определение живого существа — трудное дело, как и определение «жизни» — свойства, которым обладают живые существа. Однако живое существо обладает определенными свойствами, которые помогают определить, что такое жизнь.
Комплексная организация
У живых существ есть уровень сложности и организованности, которых нет в безжизненных объектах. В лучшем случае На фундаментальном уровне живое существо состоит из одной или нескольких клеток. Эти единицы, как правило, слишком малы чтобы увидеть невооруженным глазом, организованы в ткани. Ткань представляет собой серию клеток, которые выполнять общую функцию.Ткани, в свою очередь, образуют органов, из которых — желудок и почки. Ряд органов работает вместе составляют систему органов . Организм представляет собой сложную серию различных системы органов.
Метаболизм
Живые существа экспонируют быстрый оборот химических материалов, называемый метаболизмом . Метаболизм включает обмен химическими веществами с внешней средой и обширные превращения органического вещества в клетках живого организма. Метаболизм обычно включает высвобождение или использование химической энергии. Не живой вещи не проявляют метаболизма.
Отзывчивость
Все живые существа способны реагировать на раздражители во внешней среде. Например, живые существа реагируют на изменения света, тепла, звука, химического и механического контакта. Для обнаружения стимулов у организмов есть средства получения информации, например: глаза, уши и вкусовые рецепторы.
Эффективно реагировать на изменения окружающей среды, организм должен координировать свои реакции.Система нервов и ряд химических регуляторов, называемых гормонами , координируют деятельность в организме. Организм реагирует на раздражители посредством ряда эффекторов, таких как мышцы и железы. В процессе обычно используется энергия.
Организмы меняют свое поведение в ответ на изменения окружающей среды. Например, организм может двигаться в ответ на окружающую среду. Такие ответы случаются в определенных закономерностях и составляют поведение организма. Поведение активный, а не пассивный; животное, реагирующее на раздражитель, отличается от камень катится с холма. Живые существа проявляют отзывчивости; неживых вещей нет.
Рост
Для роста нужен организм извлекать материал из окружающей среды и организовывать его в собственное конструкции. Для достижения роста организм расходует часть энергии, которую он приобретает в процессе обмена веществ. У организма есть образец для выполнения строительство ростовых структур.
В период роста зарабатывала на жизнь организм преобразует материал, который не похож на него самого, в материалы, подобные Это. Например, человек переваривает пищу из мяса и овощей и преобразует химический материал в большую часть себя. Неживой организм не отображает эту характеристику.
Репродукция
Живое существо обладает способностью производить копии самого себя с помощью процесса, известного как репродукция . Эти копии сделаны, пока организм еще жизнь. У растений и простых животных размножение часто является продолжением процесс роста. Более сложные организмы участвуют в воспроизводстве называется половое размножение, в котором два родителя способствуют формированию новой личности. Во время этого В процессе может быть получена новая комбинация признаков.
Бесполое размножение включает только одного родителя, и полученные клетки обычно идентичны родительской ячейке. Например, бактерии растут и быстро достигают зрелости, после чего в процессе бесполого размножения называется двоичным деление.
Evolution
Живые организмы обладают способность адаптироваться к окружающей среде в процессе эволюции. В течение эволюции, изменения происходят в популяциях, и организмы в популяции становятся лучше способны метаболизировать, реагировать и воспроизводить. Они развиваются способности справляться с окружающей средой, которой не обладали их предки.
Evolution также дает большее разнообразие организмов, чем существовало в предыдущие эпохи. Это распространение популяций организмов уникальна для живых существ.
Экология
Окружающая среда влияет живые существа, которые он окружает. Экология это изучение взаимоотношений между организмами и их взаимоотношений с их окружение. И биотические факторы (живые существа), и абиотические факторы (неживые вещи) могут изменить окружающую среду. Дождь и солнечный свет — неживые составляющие, например, которые сильно влияют на окружающую среду. Живые существа могут мигрировать или впадать в спячку, если в окружающей среде становится трудно жить.
Как биологи создают с нуля клетки, похожие на живые
Всего было восемь ингредиентов: два белка, три буферных агента, два типа молекул жира и немного химической энергии. Но этого было достаточно, чтобы создать флотилию прыгающих, пульсирующих капель — рудиментарных клеточных структур с некоторыми механизмами, необходимыми для самостоятельного деления.
Для биофизика Петры Швилле танцующие творения в ее лаборатории представляют собой важный шаг на пути к созданию синтетической клетки снизу вверх, над чем она работала последние десять лет, совсем недавно в Институте биохимии Макса Планка в Мартинсриде. , Германия.
«Меня всегда интересовал этот вопрос:« Что отличает жизнь от неживой материи? »- говорит она. По словам Швилля, задача состоит в том, чтобы определить, какие компоненты необходимы для создания живой системы. В своей идеальной синтетической клетке она знала бы каждый фактор, который заставляет ее работать.
Исследователи более 20 лет пытались создать искусственные клетки, собирая вместе биомолекулы в правильном контексте, чтобы приблизиться к различным аспектам жизни.Хотя таких аспектов много, они обычно делятся на три категории: компартментализация или разделение биомолекул в космосе; метаболизм, биохимия, поддерживающая жизнь; и информационный контроль, хранение и управление сотовыми командами.
Темпы работы ускоряются, отчасти благодаря недавним достижениям в микрофлюидных технологиях, которые позволяют ученым координировать движения мельчайших клеточных компонентов. Исследовательские группы уже определили способы придания клеточноподобным каплям желаемой формы; создания рудиментарных версий клеточного метаболизма; и трансплантации созданных вручную геномов в живые клетки. Но объединение всех этих элементов остается сложной задачей.
«Гораздо проще разбирать вещи, чем собирать их вместе». Дэн Флетчер рассказывает нам о проблемах создания синтетической клетки.
Ваш браузер не поддерживает аудио элементы.
Тем не менее, это поле проникнуто новым оптимизмом в отношении квеста. В сентябре 2017 года исследователи из 17 лабораторий в Нидерландах сформировали группу Building a Synthetic Cell (BaSyC), целью которой является создание «клеточной, растущей и делящейся системы» в течение десяти лет, по словам биофизика Марилин Догтером, который руководит BaSyC. и лабораторию в Делфтском технологическом университете.Проект финансируется за счет голландского гранта Gravitation в размере 18,8 миллиона евро (21,3 миллиона долларов США).
В сентябре Национальный научный фонд США (NSF) объявил о своей первой программе по синтетическим клеткам, объем финансирования которой составил 10 миллионов долларов. Несколько европейских исследователей, в том числе Швилле, предложили создание синтетической ячейки в качестве одной из флагманских схем Европейской комиссии по вопросам будущего и новых технологий, которые получают финансирование в размере 1 миллиарда евро.
Синтетические биологи снизу вверх предсказывают, что первые полностью искусственные клетки могут зажечь жизнь чуть более чем через десятилетие.«Я почти уверен, что мы туда доберемся», — говорит Швилле.
Все в упаковке
Исследовательские группы добились больших успехов в воссоздании некоторых аспектов клеточной жизни, особенно в имитации мембран, которые окружают клетки и разделяют внутренние компоненты. Это потому, что организация молекул является ключом к тому, чтобы заставить их работать вместе в нужное время и в нужном месте. Хотя вы можете открыть миллиард бактерий и вылить содержимое, например, в пробирку, биологические процессы не будут продолжаться долго.Некоторые компоненты необходимо разделять, а другие собирать вместе.
«Для меня это о социологии молекул», — говорит Сиз Деккер, биофизик из Делфтского технологического университета.
По большей части это означает организацию биомолекул на липидных мембранах или внутри них. Швилле и ее команда — опытные борцы с мембранами. Примерно десять лет назад команда начала добавлять белки Min, которые управляют механизмом деления бактериальной клетки, на слои искусственной мембраны, состоящей из липидов.Как выяснили исследователи, Минны будут появляться и вылетать из мембран, заставляя их волноваться и кружиться ¹. Но когда они добавили Мин к трехмерным сферам липидов, структуры лопались, как мыльные пузыри, говорит Швилль. Ее группа и другие преодолели эту проблему, используя микрофлюидные методы для создания мембранных контейнеров размером с клетку или липосом, которые могут выдерживать множественные вставки белков — либо в сами мембраны, либо внутрь.
Липосомы размером с клетку, созданные на микрофлюидном чипе.Предоставлено: лаборатория Cees Dekker, TU Delft
.
Аспирант Швилля Томас Литчель и его сотрудники растворили белки Min в воде и выпустили капли смеси в быстро вращающуюся пробирку. Центробежная сила протягивает капли сквозь слои плотных липидов, которые инкапсулируют их по пути. Они выходят на другом конце в виде липосом размером 10–20 микрометров в поперечнике — размером со среднюю клетку растения или животного. Эти липосомы, известные как гигантские однослойные везикулы (GUV), могут быть получены разными способами, но в руках Литчела белки Min заставляли GUV пульсировать, танцевать и сокращаться в середине ².
Группа Швилля хочет извлечь выгоду из своих знаний об этих белках, которые могут создавать мембранные структуры и самоорганизовываться. «Мы очень хорошо разбираемся в этих молекулах», — говорит она. «Мы хотели бы увидеть, как далеко мы сможем продвинуться с относительно простыми элементами, такими как Mins». Возможно, как намекает Литчел, команда могла бы использовать белки для формирования мембран для деления или для сбора компонентов на одном конце синтетической клетки. Так же, как некоторые физики могут использовать клейкую ленту и фольгу для точной настройки своих экспериментов, Швилле говорит, что она надеется, что эти удобные биологические молекулы дадут ей возможность возиться с клеточными структурами: «Я экспериментатор до мозга костей.
Члены команды Деккера также заполнили липосомы своими любимыми белками с помощью микрожидкостного чипа (см. «Машины для мыльных пузырей»). На чипе два канала, содержащие молекулы липидов, сходятся в заполненном водой канале и выплевывают липосомы размером с клетку, которые могут удерживать различные биологические молекулы, либо застрявшие через мембрану, либо свободно плавающие внутри контейнера ³.
По материалам исх. 3
Его группа экспериментировала с давлением, деформацией и изменением формы липосом, чтобы они приобрели несферическую форму, которая лучше имитирует клетки.Микрожидкостные устройства позволяют исследователям больше контролировать перемещение, сортировку и манипулирование липосомами с помощью микроканалов, которые работают почти как цепи. В этом году лаборатория Деккера разработала чип, который может механически разделить липосому на две части, прижав ее к острой точке ⁴.
«Это, конечно, не то, что нам нужно — мы хотим продемонстрировать разделение изнутри, но оно все же дает нам интересную информацию», — говорит Деккер. Примеры включают силу, необходимую для деления клетки, и какие типы физических манипуляций липосомы могут выдержать.В том же духе его команда также экспериментировала с формой живых клеток Escherichia coli , делая их шире или квадратнее, выращивая в силиконовых камерах, изготовленных из нанотехнологий. Таким образом, члены команды могут увидеть, как форма клетки влияет на механизм деления, и оценить, как белки Min работают в клетках разного размера и формы ⁵.
«Мы играем с техниками нанопроизводства и делаем то, что обычный клеточный биолог никогда бы не сделал», — говорит он. «Но такой странный биофизик, как я, может это сделать.
Добавление энергии к системе
Теперь, когда стало возможным добавлять компоненты в липосомные пузыри, не взламывая их, группы могут спланировать, как заставить молекулы работать вместе. Практически все живое требует клеточной энергии, обычно в форме АТФ. И хотя это может быть добавлено извне для питания синтетической системы, многие биологи, работающие над восходящими подходами, утверждают, что у истинной синтетической клетки должна быть собственная энергетическая установка, что-то вроде митохондрии животной клетки или хлоропласта растения, и то и другое. которые производят АТФ.
Группа Иоахима Шпатца в Институте медицинских исследований Макса Планка в Гейдельберге, Германия, построила рудиментарную митохондрию, которая может создавать АТФ внутри пузырька.
Для этого его команда использовала новые микрофлюидные методы. Во-первых, они стабилизировали GUV, поместив их внутрь капель воды в масле, окруженных вязкой оболочкой из полимеров. Затем, когда эти стабилизированные каплями GUV текли по микроканалу, команда вводила в них большие белки, либо внутри везикулы, либо встроенные в поверхность мембраны (см. «Сборочные линии»).
По материалам исх. 6
Они загрузили эти мембраны ферментом под названием АТФ-синтаза, который действует как своего рода молекулярное водяное колесо, вырабатывая энергию АТФ из молекул-предшественников, когда протоны проходят через мембрану. Добавляя кислоту для ускорения протонов вне GUV, команда стимулировала производство АТФ внутри ⁶.
Спатц объясняет, что исследователи могут снова переключить GUV вокруг микроканала для еще одной инъекции белка, чтобы последовательно добавлять компоненты. Например, следующим шагом может быть добавление компонента, который будет автоматически настраивать протонный градиент для системы.
«Это важный модуль, как и в реальной жизни», — говорит Спатц.
Другая группа синтетической биологии Макса Планка, возглавляемая биохимиком Тобиасом Эрбом, отказывается от других подходов к построению клеточных метаболических путей. Его особенно интересуют пути, которые позволяют фотосинтетическим микробам вытягивать углекислый газ из окружающей среды и производить сахар и другие строительные блоки клетки.
Эрб, руководитель группы в Институте земной микробиологии им. Макса Планка в Марбурге, Германия, придерживается подхода с чистого листа к синтезу путей клеточного метаболизма. «С инженерной точки зрения мы думаем о том, как спроектировать, — говорит он, — а затем строим это в лаборатории».
Его группа разработала схему системы, которая могла бы преобразовывать CO ₂ в малат, ключевой метаболит, образующийся во время фотосинтеза. Команда предсказала, что этот путь будет даже более эффективным, чем фотосинтез.Затем Эрб и его команда провели поиск в базах данных ферментов, которые могли бы выполнять каждую из реакций. Некоторым потребовалось превратить существующие ферменты в дизайнерские.
В итоге они обнаружили 17 ферментов из 9 различных организмов, включая E. coli , архей, растение Arabidopsis и человека. Реакция, что неудивительно, была неэффективной и медленной ⁷.
«Мы собрали команду ферментов, которые не работали вместе», — говорит Эрб.Однако после некоторой дальнейшей ферментной инженерии у команды есть «версия 5.4», которая, по словам Эрба, работает на 20% эффективнее, чем фотосинтез.
Расширяя эту работу, группа Эрба начала конструировать сырую версию синтетического хлоропласта. Измельчая шпинат в блендере и добавляя его механизмы фотосинтеза к своей ферментной системе в пробирке, биологи могут управлять производством АТФ и превращением CO ₂ в малат — только освещая его ультрафиолетовым светом.
Хотя в пробирке все может работать в течение короткого времени, говорит Эрб, «в конце концов, мы хотели бы, чтобы все было разделено, как хлоропласт». Он рад сотрудничеству с синтетическими биологами, такими как Кейт Адамала, которые могут создавать сложные компартменты и управлять ими.
Группа Адамала из Миннесотского университета в Миннеаполисе работает над способами создания программируемых биореакторов путем введения простых генетических цепей в липосомы и их объединения для создания более сложных биореакторов.Она называет их «мыльные пузыри, производящие белки».
Ее группа строит эти биореакторы, используя систему вращающихся трубок, аналогичную системе Швилла, но которая производит липосомы меньшего размера. Исследователи добавляют круги ДНК, называемые плазмидами, которые они разработали для выполнения определенной функции, а также все механизмы, необходимые для производства белков из ДНК.
Например, ее группа создала липосомные биореакторы, которые могут обнаруживать антибиотик в окружающей среде через поры мембраны и могут генерировать биолюминесцентный сигнал в ответ ⁸.
Последовательно объединяя простые биореакторы вместе, команда может создавать более сложные генетические цепи. Но системы начинают разрушаться по мере того, как они расширяются до десяти или около того компонентов. По словам Адамала, это серьезная проблема для отрасли. В реальной клетке белки, которые могут мешать действиям друг друга, разделены множеством механизмов. Для гораздо более простых синтетических клеток биологи должны найти другие способы установить этот контроль. Это может происходить посредством внешнего контроля, когда экспериментатор решает, какие липосомы смешивать вместе и когда.Это также может быть достигнуто с помощью химических меток, которые регулируют, какие липосомы могут сливаться вместе, или с помощью системы замедленного высвобождения.
Информационные инъекции
Еще один ключ к созданию ячейки — это правильное программное обеспечение. Чтобы позволить синтетической клетке следовать инструкциям ученых и воспроизводить себя, потребуется какой-то способ хранения и извлечения информации. В живых системах это делают гены — от сотен у некоторых микробов до десятков тысяч у человека.
Сколько генов потребуется синтетической клетке, чтобы запустить саму себя, — вопрос здоровых споров. Швилль и другие хотели бы, чтобы его было около нескольких десятков. Другие, такие как Адамала, считают, что синтетическим клеткам нужно 200–300 генов.
Некоторые решили начать с чего-то живого. Синтетический биолог Джон Гласс и его коллеги из Института Дж. Крейга Вентера (JCVI) в Ла-Хойя, Калифорния, взяли один из самых маленьких известных микробных геномов на планете, генома бактерии Mycoplasma mycoides , и систематически разрушили его гены. для определения основных.Получив эту информацию, они химически сшили минимальный геном в лаборатории.
Этот синтезированный геном содержал 473 гена — примерно половину того, что было в исходном организме — и был трансплантирован родственному виду бактерий, Mycoplasma capricolum ⁹. В 2016 году команда показала, что этот минимальный синтетический геном может «запустить» свободноживущий, хотя и медленнорастущий организм ¹⁰. По его словам, Гласс считает, что будет трудно еще больше уменьшить это число: уберите любой ген, и он либо убьет клетки, либо замедлит их рост почти до нуля.
Он и его коллеги из JCVI составляют список «сотовых задач» на основе последней версии своего творения, JCVI-syn3.0a, который может действовать как образец минимального списка дел для ячейки. Но примерно для 100 из этих генов они не могут определить, что делает их важными.
В качестве следующего шага и при поддержке гранта NSF в размере почти 1 миллиона долларов Гласс и Адамала попытаются установить геном JCVI-syn3.0a в синтетическую липосому, содержащую механизм, необходимый для преобразования ДНК в белок, чтобы проверить, сможет ли он может выжить.В этом случае и программное обеспечение, и оборудование ячейки будут с самого начала синтетическими.
Если бы он мог расти и делиться, это было бы огромным шагом. Но многие утверждают, что для того, чтобы по-настоящему представить живую систему, она также должна развиваться и адаптироваться к окружающей среде. «Это цель с самыми непредсказуемыми результатами, а также с самыми большими проблемами», — говорит Швилле. «Вещь, которая постоянно создается сама собой, — это не жизнь — хотя я была бы счастлива!» она сказала. «Чтобы клетка была жива, она должна развивать новые функции.”
Команда Гласса в JCVI проводила эксперименты по адаптивной лабораторной эволюции с JCVI-syn3.0a, отбирая организмы, которые быстрее растут в питательном бульоне. На данный момент, после примерно 400 делений, он и его команда получили клетки, которые растут примерно на 15% быстрее, чем исходный организм. И они видели, как появляются некоторые изменения в последовательности генов. Но пока нет свидетельств того, что микроб развивает новые клеточные функции или стремительно увеличивает свою приспособленность.
Эрб говорит, что разработка того, как добавить эволюцию к синтетическим клеткам, — единственный способ сделать их интересными.Этот небольшой беспорядок в биологических системах позволяет им улучшить свою работу. «Как инженеры, мы не можем построить идеальную синтетическую ячейку. Мы должны построить самокорректирующуюся систему, которая будет становиться лучше », — говорит он.
Синтетические клетки могут помочь понять, как жизнь может выглядеть на других планетах. А синтетические биореакторы под полным контролем исследователя могут предложить новые решения для лечения рака, борьбы с устойчивостью к антибиотикам или очистки токсичных участков.Высвобождение такого организма в человеческое тело или окружающую среду было бы рискованным, но спроектированный сверху вниз организм с неизвестным и непредсказуемым поведением может быть еще более рискованным.
Догтером говорит, что синтетические живые клетки также вызывают другие философские и этические вопросы: «Будет ли это жизнью? Будет ли он автономным? Сможем ли мы это контролировать? » По ее словам, эти разговоры должны происходить между учеными и общественностью. Что касается опасений, что синтетические клетки выйдут из-под контроля, Догтером обеспокоен меньше. «Я убежден, что наша первая синтетическая клетка будет паршивой имитацией того, что уже существует». И как инженеры синтетической жизни, она и ее коллеги могут легко включить элементы управления или аварийный выключатель, который делает клетки безвредными.
Она и другие синтетические биологи будут продолжать продвигаться вперед, исследуя границы жизни. «Время подходящее, — говорит Догтером. «У нас есть геномы, список запчастей. Минимальной клетке нужно всего несколько сотен генов, чтобы иметь что-то вроде живого.Сотни деталей — это огромная проблема, но это не тысячи — это очень увлекательно ».
2: Материя, энергия и жизнь
Последнее обновление
Сохранить как PDF
Без заголовков
Результаты обучения
Изучив эту главу, вы сможете:
Опишите материю и элементы
Опишите, почему углерод имеет решающее значение для жизни
Опишите роль клеток в организмах
Сравнить и сопоставить прокариотические клетки и эукариотические клетки
Обобщите процесс фотосинтеза и объясните его важность для других живых существ
2. 1: Matter
На самом фундаментальном уровне жизнь состоит из материи. Материя — это то, что занимает пространство и имеет массу. Вся материя состоит из элементов, веществ, которые не могут быть расщеплены или химически преобразованы в другие вещества. Каждый элемент состоит из атомов, каждый из которых имеет постоянное количество протонов и уникальные свойства. Всего было определено 118 элементов; однако только 92 из них встречаются в природе и менее 30 — в живых клетках.
2.2: Energy
Практически любая задача, выполняемая живыми организмами, требует энергии. Питательные вещества и другие молекулы импортируются в клетку для удовлетворения этих потребностей в энергии. Например, энергия требуется для синтеза и разрушения молекул, а также для транспорта молекул в клетки и из них. Кроме того, такие процессы, как проглатывание и расщепление пищи, экспорт отходов и токсинов и движение клетки, требуют энергии.
2. 3: Клетка — самая маленькая единица жизни
Атом — самая маленькая и самая фундаментальная единица материи.Атомы объединяются в молекулы, которые представляют собой химические структуры, состоящие как минимум из двух атомов, скрепленных химической связью. У растений, животных и многих других типов организмов молекулы соединяются определенным образом, образуя структуры, называемые органеллами. Органеллы — это небольшие структуры, которые существуют внутри клеток и выполняют специальные функции. Как более подробно обсуждается ниже, все живые существа состоят из одной или нескольких клеток.
2.4. Энергия проникает в экосистемы посредством фотосинтеза
Атом — самая маленькая и самая фундаментальная единица материи.Он состоит из ядра, окруженного электронами. Атомы объединяются в молекулы, которые представляют собой химические структуры, состоящие как минимум из двух атомов, скрепленных химической связью. У растений, животных и многих других типов организмов молекулы соединяются определенным образом, образуя структуры, называемые органеллами. Органеллы — это небольшие структуры, которые существуют внутри клеток и выполняют специальные функции.
2.S: Материя, энергия и жизнь (Резюме)
Миниатюра — Диета этого мудреца, как и почти всех организмов, зависит от фотосинтеза.
1.2B: Уровни организации живых существ
Последнее обновление
Сохранить как PDF
От органелл к биосферам
Ключевые моменты
Ключевые термины
Цели обучения
Опишите биологические уровни организации от самого малого до самого высокого уровня.
Живые существа высокоорганизованы и структурированы в соответствии с иерархией, которую можно исследовать в масштабе от малого до большого. Атом — самая маленькая и самая фундаментальная единица материи. Он состоит из ядра, окруженного электронами. Атомы образуют молекулы, которые представляют собой химические структуры, состоящие по крайней мере из двух атомов, удерживаемых вместе одной или несколькими химическими связями. Многие молекулы, которые имеют биологическое значение, являются макромолекулами, большими молекулами, которые обычно образуются в результате полимеризации (полимер — это большая молекула, которая образуется путем объединения более мелких звеньев, называемых мономерами, которые проще макромолекул). Примером макромолекулы является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), которая содержит инструкции по структуре и функционированию всех живых организмов.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): ДНК : Все молекулы, включая эту молекулу ДНК, состоят из атомов.
От органелл к биосферам
Макромолекулы могут образовывать агрегаты внутри клетки, окруженные мембранами; их называют органеллами. Органеллы — это небольшие структуры, существующие внутри клеток. Примеры из них: митохондрии и хлоропласты, которые выполняют незаменимые функции. Митохондрии производят энергию для питания клетки, а хлоропласты позволяют зеленым растениям использовать энергию солнечного света для производства сахаров.Все живые существа состоят из клеток, и сама клетка является наименьшей фундаментальной единицей структуры и функций в живых организмах. (Это требование является причиной того, почему вирусы не считаются живыми: они не состоят из клеток. Чтобы создать новые вирусы, они должны вторгнуться и захватить репродуктивный механизм живой клетки; только тогда они могут получить материалы, необходимые для воспроизводства.) Некоторые организмы состоят из одной клетки, а другие являются многоклеточными. Клетки подразделяются на прокариотические и эукариотические.Прокариоты — это одноклеточные или колониальные организмы, не имеющие ядер, связанных с мембраной; напротив, клетки эукариот действительно имеют мембраносвязанные органеллы и мембраносвязанное ядро.
В более крупных организмах клетки объединяются в ткани, которые представляют собой группы похожих клеток, выполняющих аналогичные или связанные функции. Органы — это совокупность тканей, сгруппированных вместе, выполняющих общую функцию. Органы есть не только у животных, но и у растений. Система органов — это более высокий уровень организации, состоящий из функционально связанных органов.У млекопитающих много систем органов. Например, кровеносная система транспортирует кровь по телу в легкие и из них; он включает такие органы, как сердце и кровеносные сосуды. Более того, организмы — это индивидуальные живые существа. Например, каждое дерево в лесу — это организм. Одноклеточные прокариоты и одноклеточные эукариоты также считаются организмами и обычно называются микроорганизмами.
Все особи вида, живущие на определенной территории, вместе называются популяцией.Например, в лесу может быть много сосен. Все эти сосны представляют собой популяцию сосен в этом лесу. На одной и той же территории могут проживать разные группы населения. Например, сосновый лес включает популяции цветковых растений, а также популяции насекомых и микробов. Сообщество — это сумма популяций, населяющих определенную территорию. Например, все деревья, цветы, насекомые и другие популяции в лесу образуют лесное сообщество. Сам лес — это экосистема.Экосистема состоит из всех живых существ в определенной области вместе с абиотическими, неживыми частями этой среды, такими как азот в почве или дождевая вода. На самом высоком уровне организации биосфера представляет собой совокупность всех экосистем и представляет собой зоны жизни на Земле. Он включает землю, воду и даже в определенной степени атмосферу. Взятые вместе, все эти уровни составляют биологические уровни организации, которые варьируются от органелл до биосферы.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Биологические уровни организации : Биологические уровни организации живых существ следуют иерархии, подобной показанной. От отдельной органеллы до всей биосферы живые организмы являются частью высоко структурированной иерархии.
Ключевые моменты
Атом — самая маленькая и самая фундаментальная единица материи. Связь по крайней мере двух атомов или более образуют молекулы.
Простейший уровень организации живых существ — это отдельная органелла, состоящая из агрегатов макромолекул.
Высший уровень организации живых существ — это биосфера; он охватывает все остальные уровни.
Биологические уровни организации живых существ от простейшего до наиболее сложного: органеллы, клетки, ткани, органы, системы органов, организмы, популяции, сообщества, экосистема и биосфера.
Ключевые термины
молекула : Наименьшая частица определенного соединения, которая сохраняет химические свойства этого соединения; два или более атомов, удерживаемых вместе химическими связями.
макромолекула : очень большая молекула, особенно используемая в отношении крупных биологических полимеров (например, нуклеиновых кислот и белков)
полимеризация : Химический процесс, обычно с помощью катализатора, с целью образования полимера путем связывания вместе нескольких идентичных звеньев (мономеров).