Определение биологии как науки. Связь биологии с другими науками. Значение биологии для медицины.

Биология - наука о жизни. Она изучает жизнь как особую форму движения материи, законы ее существования и развития. Термин Б. предложен Ламарков в 1802 г. Предметов изучения биологии являются живые организмы, их строение, функции, их природные сообщества.

Биология лежит в основе таких наук, как медицина, экология, генетика, селекция, ботаника, зоология, анатомия, физиология, микробиология, эмбриология и др. Биология совместно с другими науками образовала такие науки, как биофизика, биохимия, бионика, геоботаника, зоогеография.

«Медицина, взятая в плане теории- это прежде всего общая биология»,- писал Давыдовский. Теоретические достижения биологии широко применяются в медицине. Именно успехи и открытия в биологии определяют современный уровень медицинской науки. Так данные генетики позволили разрабатывать методы ранней диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней человека. Селекция микроорганизмов позволяет получать ферменты, витамины, гормоны, необходимые для лечения ряда заболеваний. Развитие генной инженерии открывает широкие перспективы для производства биологически активных соединений и лекарственных веществ.

Определение понятия «жизнь» на современном этапе науки. Фундаментальные свойства живого. Химический состав клетки.

Жизнь - макромолекулярная открытая система, которой свойственна иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии. Жизнь, согласно этому определению, представляет собой ядро упорядоченности, распространяющееся в менее упорядоченной Вселенной.

Стр.9 слюсарев

 самообновление . Связано с потоком вещества и энергии. Основу обмена веществ составляют сбалансированные и четко взаимосвязанные процессы ассимиляции (анаболизм, синтез, образование новых веществ) и диссимиляции (катаболизм, распад). В результате ассимиляции происходят обновление структур организма и образование новых его частей (клеток, тканей, частей органов). Диссимиляция определяет расщепление органических соединений, обеспечивает клетку пластическим веществом и энергией. Для образования нового нужен постоянный приток необходимых веществ извне, а в процессе жизнедеятельности (и диссимиляции, в частности) образуются продукты, которые нужно вывести во внешнюю среду;

 самовоспроизведение . Обеспечивает преемственность между сменяющимися генерациями биологических систем. Это свойство связано с потоками информации, заложенной в структуре нуклеиновых кислот. В связи с этим живые структуры постоянно воспроизводятся и обновляются, не теряя при этом сходства с предыдущими поколениями (несмотря на непрерывное обновление вещества). Нуклеиновые кислоты способны хранить, передавать и воспроизводить наследственную информацию, а также реализовывать ее через синтез белков. Информация, хранимая на ДНК, переносится на молекулу белка с помощью молекул РНК;

 саморегуляция . Базируется на совокупности потоков вещества, энергии и информации через живой организм;

Саморегуляция в биологии - свойство биологических систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном, относительно постоянном уровне те или иные физиологические и другие биологические показатели.

 раздражимость . Связана с передачей информации извне в любую биологическую систему и отражает реакцию этой системы на внешний раздражитель. Благодаря раздражимости живые организмы способны избирательно реагировать на условия внешней среды и извлекать из нее только необходимое для своего существования. С раздражимостью связана саморегуляция живых систем по принципу обратной связи: продукты жизнедеятельности способны оказывать тормозящее или стимулирующее воздействие на те ферменты, которые стояли в начале длинной цепи химических реакций;

 поддержание гомеостаза (от гр. homoios - «подобный, одинаковый» и stasis - «неподвижность, состояние») - относительного динамического постоянства внутренней среды организма, физико-химических параметров существования системы;

 структурная организация - определенная упорядоченность, стройность живой системы. Обнаруживается при исследовании не только отдельных живых организмом, но и их совокупностей в связи с окружающей средой - биогеоценозов;

 адаптация - способность живого организма постоянно приспосабливаться к изменяющимся условиям существования в окружающей среде. В ее основе лежат раздражимость и характерные для нее адекватные ответные реакции;

 репродукция (воспроизведение) . Так как жизнь существует в виде отдельных (дискретных) живых системы (например, клеток), а существование каждой такой системы строго ограничено во времени, поддержание жизни на Земле связано с репродукцией живых систем. На молекулярном уровне воспроизведение осуществляется благодаря матричному синтезу, новые молекулы образуются по программе, заложенной в структуре (матрице) ранее существовавших молекул;

 наследственность . Обеспечивает преемственность между поколениями организмов (на основе потоков информации). Тесно связана с ауторепродукцией жизни на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях. Благодаря наследственности из поколения в поколение передаются признаки, которые обеспечивают приспособление к среде обитания;

 изменчивость - свойство, противоположное наследственности. За счет изменчивости живая система приобретает признаки, ранее ей несвойственные. В первую очередь изменчивость связана с ошибками при репродукции: изменения в структуре нуклеиновых кислот приводят к появлению новой наследственной информации. Появляются новые признаки и свойства. Если они полезны для организма в данной среде обитания, то они подхватываются и закрепляются естественным отбором. Создаются новые формы и виды. Таким образом, изменчивость создает предпосылки для видообразования и эволюции;

 индивидуальное развитие (процесс онтогенеза) - воплощение исходной генетической информации, заложенной в структуре молекул ДНК (т. е. в генотипе), в рабочие структуры организма. В ходе этого процесса проявляется такое свойство, как способность к росту, что выражается в увеличении массы тела и его размеров. Этот процесс базируется на репродукции молекул, размножении, росте и дифференцировке клеток и других структур и др.;

 филогенетическое развитие (закономерности его установлены Ч. Р. Дарвином). Базируется на прогрессивном размножении, наследственности, борьбе за существование и отборе.

В результате эволюции появилось, огромное количество видов. Прогрессивная эволюция прошла ряд ступеней. Это доклеточные, одноклеточные и многоклеточные организмы

вплоть до человека. При этом онтогенез человека повторяет филогенез (т. е. индивидуальное развитие проходит те же этапы, что и эволюционный процесс);

 дискретность (прерывистость) и в то же время целостность . Жизнь представлена совокупностью отдельных организмов, или особей. Каждый организм, в свою очередь, также

дискретен, поскольку состоит из совокупности органов, тканей и клеток. Каждая клетка состоит из органелл, но в то же время автономна. Наследственная информация осуществляется генами, но ни один ген в отдельности не может определять

развитие того или иного признака.

Такие элементы, как C, O, H, N, S, P входят в состав органических соединений.

К макроэлементам относят кислород (65-75 %), углерод (15-18 %), водород (8-10 %), азот (2,0-3,0 %), калий (0,15-0,4 %), сера (0,15-0,2 %), фосфор (0,2-1,0 %), хлор (0,05-0,1 %), магний (0,02-0,03 %), натрий (0,02-0,03 %), кальций (0,04-2,00 %).

микроэлементам, составляющим от 0,001 % до 0,000001 % массы тела живых существ, относят ванадий, германий, йод (входит в состав тироксина, гормона щитовидной железы), кобальт (витамин В12), марганец, никель, рутений, селен, фтор (зубная эмаль), медь, хром, цинк.

Доклеточный уровень организации живой материи. Вирусы. Роль вирусов в изменчивости и их применение в генной инженерии и терапии. Опыты Х.Френкель-Конрада и А.Херши и М.Чейз с использованием двух типов вирусов.

Доклеточный (или молекулярный, или молекулярно-генетический) уровень организации жив.материи: Начальный уровень организации живого. Предмет исследования - молекулы нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов и других биологических молекул, т.е. молекул, находящихся в клетке.

С этого уровня начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.

P.S. Ивановский и Половцев первыми в мире высказали предположение, что болезнь табака, описанная в 1886 году A.D.Mayer в Голландии под названием мозаичной, представляет не одно, а два совершенно различных заболевания одного и того же растения. Одно из них - рябуха, возбудителем которой является грибок, а другое - неизвестного происхождения.
Конец XIX века ознаменовался крупными достижениями в микробиологии, и, естественно, Ивановский решил узнать, не вызывает ли табачную мозаику какая-нибудь бактерия. Он просмотрел под оптическим микроскопом (электронных тогда еще не было) множество больных листьев, но тщетно - никаких признаков бактерий обнаружить не удалось. "А может быть, они такие маленькие, что их нельзя увидеть? " - подумал ученый. Если это так, то они должны пройти через фильтры, которые задерживают на своей поверхности обычные бактерии. Подобные фильтры в то время уже имелись.

Мелко растертый лист больного табака Ивановский помещал в жидкость, которую затем фильтровал. Бактерии при этом задерживались фильтром, а прошедшая фильтрацию жидкость должна была быть стерильной и не способной заразить здоровое растение при попадании на него. Но она заражала! В этом суть открытия Ивановского (как просто всё гениальное!) .

Здесь сказывается различие в размерах. Вирусы мельче бактерий приблизительно в 100 раз, поэтому они свободно проходили сквозь все фильтры и заражали здоровые растения, попадая на них вместе с отфильтрованной жидкостью. Бактерии к тому же отличаются способностью размножаться в искусственно созданных питательных средах, а открытые Ивановским вирусы этого не делали. "Значит, это нечто новое", - решил ученый. На дворе стоял 1892 год.

Зрелые частицы вирусов – вирионы или вироспоры- состоят из белковой оболочки и нуклеокапсида, представлен нуклеиновой кислотой. Жизн.цикл: вироспора-прикрепление к клетке-внедрение в нее-латентная стадия-образование нового поколения-выход вироспор.

Типы взаимодействия вируса с клеткой

Различают три типа взаимодействия вируса с клеткой: продуктивный, абортивный и интегративный.

Продуктивный тип - завершается образованием нового поколения вирионов и гибелью (лизисом) зараженных клеток (цитолитическая форма). Некоторые вирусы выходят из клеток, не разрушая их (нецитолитическая форма).

Абортивный тип - не завершается образованием новых вирионов, поскольку инфекционный процесс в клетке прерывается на одном из этапов.

Интегративный тип, или вирогения - характеризуется встраиванием (интеграцией) вирусной ДНК в виде провируса в хромосому клетки и их совместным сосуществованием (совместная репликация)

http://biofile.ru/bio/5222.html

Вирусы открыты Д.И.Ивановским (1892 г., вирус табачной мозаики).

Если вирусы выделить в чистом виде, то они существуют в форме кристаллов (у них нет собственного обмена веществ, размножения и других свойств живого). Из-за этого многие ученые считают вирусы промежуточной стадией между живыми и неживыми объектами.

Вирусы – это неклеточная форма жизни. Вирусные частицы (вирионы) – это не клетки:

· вирусы гораздо меньше клеток;

· вирусы гораздо проще клеток по строению – состоят только из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, состоящей из множества одинаковых молекул белка.

Синтез компонентов вируса:

· В нуклеиновой кислоте вируса содержится информация о вирусных белках. Клетка делает эти белки сама, на своих рибосомах.

· Нуклеиновую кислоту вируса клетка размножает сама, с помощью своих ферментов.

· Затем происходит самосборка вирусных частиц.

Значение вирусов:

· вызывают инфекционные заболевания (грипп, герпес, СПИД и т.д.)

· некоторые вирусы могут встраивать свою ДНК в хромосомы клетки-хозяина, вызывая мутации.

Й этап. Подготовительный этап. Образование мономеров из полимеров.

Расщепление полимеров до мономеров. Процесс протекает в пищ.тракте или цитоплазме клеток. Вся энергия расходуется в виде тепла.

Из липидов глицерин и жирные кислоты; из белков аминокислоты и из углеводов глюкоза.

Cлюсарев стр.178

Регенерация – способность организмов восстанавливать поврежденные ткани/органы.

Различают физиологическую, репаративную и патологическую регенерацию.

Физиологическая – естественное восстановление клеток и тканей в онтогенезе. Например, смена эритроцитов, кожного эпителия.

Репаративная – восстановление после повреждения или гибели клеток и тканей.

Патологическая – разрастание тканей не идентичных здоровым тканям. Например, разрастание рубцовой ткани на месте ожога, хряща - на месте перелома, размножение клеток соединительной ткани - на месте мышечной ткани сердца, раковая опухоль.

Проблемы:

Возраст, особенности обмена веществ, состояние нервной и эндокринной систем, питание, интенсивность кровообращения в повреждённой ткани, сопутствующие заболевания могут ослабить, усилить или качественно изменить процесс регенерации. В некоторых случаях это приводит к возникновению еще одного вида регенерации - патологической регенерации. Её проявления: длительно незаживающие язвы, нарушения срастания переломов костей, избыточные разрастания тканей или переход одного типа ткани в другой.

Гетеро- и эухроматин.

Оперон

участок ДНК, транскрипция которого осуществляется на одну молекулу информационной РНК под контролем одного специального белка-регулятора. Концепция оперона была предложена в 1961 г. Ф. Жакобом и Ж. Мано для объяснения механизма «включения» и «выключения» генов в зависимости от потребности клетки прокариотического организма в веществах, синтез которых контролируют эти гены. Дальнейшие эксперименты позволили дополнить эту концепцию, а также подтвердили, что оперонная регуляция (т. е. регуляция на уровне транскрипции) является основным механизмом регуляции активности генов у прокариот и ряда вирусов.

В состав оперона входят структурные гены и регуляторные элементы (не путать с геном-регулятором). Структурные гены кодируют белки, осуществляющие последовательно этапы биосинтеза какого-либо вещества.

Регуляторными элементами являются следующие:

Промотор - Промотор – посадочная площадка для РНК-полимеразы

Оператор - особый участок ДНК, с которого начинается операция – синтез иРНК.

Терминатор - участок в конце оперона, сигнализирующий о прекращении транскрипции.

Структурные гены- гены, в которых записана наследственная информация о структуре белков.

Промотор – посадочная площадка для РНК-полимеразы.

Оператор – особый участок ДНК, с которого начинается операция – синтез иРНК.

Факторы транскрипции (транскрипционные факторы) - белки́, контролирующие процесс синтеза мРНК на матрице ДНК (транскрипцию) путём связывания со специфичными участками ДНК

24.Мультимерная организация белка на примере гемоглобина человека. Серповидно-клеточная анемия.

Гемоглобин - специфический белок эритроцитов, легко выделяемый из организма без применения трудоемких биохимических методик. Молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей (двух α- и двух β-цепей), каждая из которых соединена с небелковым компонентом - гемом, содержащим железо.

Серповидноклеточная анемия - это наследственная гемоглобинопатия, связанная с таким нарушением строения белка гемоглобина, при котором он приобретает особое кристаллическое строение - так называемый гемоглобин S. Эритроциты, несущие гемоглобин S вместо нормального гемоглобина А, под микроскопом имеют характерную серпообразную форму (форму серпа), за что эта форма гемоглобинопатии и получила название серповидноклеточной анемии.

25.Основы генетической уникальности индивидуума (иммуногенетика). Генетический комплекс гистосовместимости человека (HLA). Его значение в трансплантологии.

Иммуногенетика - раздел иммунологии, занятый изучением четырех основных проблем:

1) генетики гистосовместимости;

2) генетического контроля структуры иммуноглобулинов и других иммунологически значимых молекул;

3) генетического контроля силы иммунного реагирования и

4) генетики антигенов.

Иммуногенетика- раздел иммунологии, изучающий генетич. обусловленность факторов иммунитета, внутривидовое разнообразие и наследование тканевых антигенов, генетич. и популяц. аспекты взаимоотношений макро- и микроорганизма и тканевую несовместимость.

Начало И. положили работы Э. Дунгерна и Л. Хиршфельда, открывших наследование групповых антигенов крови (1910). Термин «И.» предложили М. Ирвин и Л. Коле (1936).

Человеческие лейкоцитарные антигены, Система генов тканевой совместимости человека (англ. HLA, Human Leucocyte Antigens) - группа антигенов гистосовместимости, главный комплекс гистосовместимости (далее MHC) у людей. Представлены более, чем 150 антигенами. Локус, расположенный на 6-й хромосоме содержит большое количество генов, связанных с иммунной системой человека. Этими генами кодируются в том числе и антигенпредставляющие белки, расположенные на поверхности клетки. Гены HLA являются человеческой версией генов MHC многих позвоночных (на них проводилось множество исследований MHC генов).

Роли HLA важны в защите от болезней, могут быть причиной отторжения органов после пересадки, могут защищать от рака или увеличивать его вероятность (если разрегулированы из-за частых инфекций. Они могут влиять на развитие аутоиммунных заболеваний (например, сахарный диабет 1-го типа, целиакию).

Структурно-функциональные уровни организации наследственного материала у прокариот и эукариот: генный, хромосомный, геномный. Ген и его свойства. Триплетный код. Внутриклеточная регуляция (гипотеза Жакоба и Моно).

Генный уровень:

Изучение этого уровня связано с функциями и строением нуклеиновых кислот.

Известны две группы нуклеиновых кислот: РНК и ДНК.

ДНК находится в ядре и входит в состав хроматина, а также митохондрии, центросомы, пластиды, а РНК - в ядрышках, матриксе цитоплазмы, рибосомах.

Носителем наследственной информации в клетке является ДНК, а РНК - служит для передачи и реализации генетической информации у про- и эукариот. С помощью и-РНК происходит процесс перевода последовательности нуклеотидов ДНК в полипептид.

У некоторых организмов, кроме ДНК, носителем наследственной информации может быть РНК, например, у вирусов табачной мозаики, полиомиелита, СПИДа.

Хромосомный уровень организации наследственного материала характеризуется особенностями морфологии и функций хромосом.

Геномный уровень организации наследственного материала, объединяющий всю совокупность хромосомных генов, является эволюционно сложившейся структурой, характеризующейся относительно большей стабильностью, нежели генный и хромосомный уровни.

Ген – участок молекулы ДНК, определяющий порядок аминокислот в молекуле белка.

Свойства гена:

1 дискретность действия- развитие различных признаков контролируется разными генами.

2 стабильность - передается в ряду поколений в неизменном виде.

3 специфичность - каждый из генов обуславливает развитие определенного признака.

4 плейотропия - способность генов обеспечивать развитие одновременно нескольких признаков

Ген (от греч. genos - происхождение) представляет собой мельчайшую единицу наследственности, которая обеспечивает преемственность в потомстве того или иного элементарного признака организма. У высших организмов ген входит в состав особых нитевидных образований - хромосом, находящихся внутри ядра клетки. Совокупность всех генов организма составляет его геном. В геноме человека насчитывается около ста тысяч генов. По своим химическим характеристикам ген представляет собой участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов - РНК), в определенной структуре которого закодирована та или иная наследственная информация. Каждый ген содержит некоторый рецепт, который обеспечивает соответствующий синтез определенного белка, и таким образом совокупность генов управляет всеми химическими реакциями организма и определяет все его признаки. Важнейшим свойством гена является сочетание высокой устойчивости, неизменяемости в ряду поколений со способностью к наследуемым изменениям -мутациям, которые являются источником изменчивости организмов и основой для действия естественного отбора.

Триплетный код . - генетический код , в котором каждая аминокислота полипептидной цепи определяется группой из трех нуклеотидов ДНК.

Общую схему строения генетического аппарата прокариот предложили фр. Жакоб и Моно. Долго не могли объяснить факт: бактерии начинают синтезировать определенный фермент тогда, когда в среде имеется вещество, расщепляемое данным ферментом (субстрат реакции). Если в среде присутствует лактоза и глюкоза, то вначале разлагается глюкоза, т.к. у бактерий этот фермент есть постоянно. Лишь потом начинается синтезироваться фермент, разлагающий лактозу.

Схема генетического контроля белкового синтеза получила название гипотезы оперона. По этой схеме гены функционально неодинаковы: одни из них (структурные гены) содержат информацию о расположении аминокислот в молекуле белка-фермента, другие (гены-регуляторы) выполняют регуляторные функции, оказывающие влияние на активность структурных генов.

Морфология семенников

Семенники – мужские парные половые железы, в которых вырабатываются половые продукты и половые гормоны. По своему строению семенники различны у разных животных. У низших позвоночных (рыбы) семенники расположены в полости тела. У плацентарных млекопитающих они вынесены за пределы полости тела и располагаются в особом органе – мошонке в связи с высокой температурой тела.

Морфология яичников

Яичник у большинства животных представляет собой парную половую железу, в которой развиваются яйцеклетки. У птиц яичник непарный, что связано с приспособлением к полету. У некоторых животных он располагается в полости тела (рыбы), у млекопитающих и человека в полости малого таза. Строение яичника состоит из соединительнотканной основы – стромы. В ней различают внутреннюю – мозговую часть, и наружный – корковый слой. Снаружи железа покрыта однослойным зачатковым эпителием.

Постнатальный онтогенез и его периоды. Роль эндокринных желез: щитовидной, гипофиза, половых в регуляции жизнедеятельности организма в постнатальном онтогенезе. Влияние мелатонина на физиологические процессы.

Онтогенез , или индивидуальное развитие организма, делится на два периода: пренатальный (внутриутробный) и постнатальный (после рождения).

Пренатальный период продолжается от момента зачатия и формирования зиготы до рождения; постнатальный – от момента рождения и до смерти.

Постнатальный период онтогенеза подразделяют на одиннадцать периодов:

1-й-10-й день – новорожденные;

10-й день–1 год – грудной возраст;

1–3 года – раннее детство;

4-7 лет – первое детство;

8-12 лет – второе детство;

13-16 лет – подростковый период;

17-21 год – юношеский возраст;

22-35 лет – первый зрелый возраст;

36-60 лет – второй зрелый возраст;

61-74 года – пожилой возраст;

с 75 лет – старческий возраст,

после 90 лет – долгожители.

Завершается онтогенез естественной смертью.

Эндокринные железы играют большую роль в развитии организма. При недостаточной функции щитовидной железы , если она проявляется в детском возрасте, развивается заболевание кретинизм, характеризующиеся психической отсталостью, задержкой роста и полового развития, нарушение пропорций тела.

Гипофиз . В нем находится гормон, стимулирующий рост, соматотропный гормон. При пониженной функции в детском возрасте развивается карликовость (нанизм), при повышенной – гигантизм. При выделении гормона в зрелом возрасте происходит патологический рост отдельных органов. Наблюдается разрастание костей кисти, стопы, лица (акромегалия).

Половые железы вырабатывают половые клетки и половые гормоны под влиянием которых происходит формирование вторичных половых признаков.

Мелатонин :

Доносит до всех клеток организма о времени дня и световой фазе солнечного дня. Разрушается на свету. Вырабатывается в темноте.

При недостатке мелатонина: раннее старение, ранняя менопауза, развитие ожирения и рака.

Понятие о гомеостазе-гомеокинезе. Общие закономерности гомеостаза живых систем. Генетические, клеточные и системные основы гомеостатических реакций организма. Роль эндокринной и иммунной систем в обеспечении гомеостаза и адаптивных изменений. Виды гомеостаза.

См. стр 190 Слюсарева!

Гомеостаз - относительное динамическое постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости) и устойчивость основных физиологических функций (кровообращения, дыхания, терморегуляции, обмена веществ и т.д.) организма человека и животных.

Гомеокинез – это процесс изменения работы организма, направленный на установление гомеостаза (т.н. подвижное равновесие).

Нормализация физиологических показателей осуществляется на основе свойства раздражимости. Способность к поддержанию гомеостаза неодинакова у различных видов. По мере усложнения организмов эта способность прогрессирует, делая их в большей степени независимыми от колебаний внешних условий. Особенно это проявляется у высших животных и человека, имеющих сложные нервные, эндокринные и иммунные механизмы регуляции. Влияние среды на организм человека в основном является не прямым, а опосредованным благодаря созданию им искусственной среды, успехам техники и цивилизации.

В системных механизмах гомеостаза действует кибернетический принцип отрицательной обратной связи: при любом возмущающем воздействии происходит включение нервных и эндокринных механизмов, которые тесно взаимосвязаны.

Виды гомеостаза:

Генетический гомеостаз на молекулярно-генетическом, клеточном и организменном уровнях направлен на поддержание сбалансированной системы генов, содержащей всю биологическую информацию организма. На популяционновидовом уровне генетический гомеостаз - это способность популяции поддерживать относительную стабильность и целостность наследственного материала, которые обеспечиваются процессами редукционного деления и свободным скрещиванием особей, что способствует сохранению генетического равновесия частот аллелей.

Физиологический гомеостаз связан с формированием и непрестанным поддержанием в клетке специфических физико-химических условий. Постоянство внутренней среды многоклеточных организмов поддерживается системами дыхания, кровообращения, пищеварения, выделения и регулируется нервной и эндокринной системами.

Структурный гомеостаз основывается на механизмах регенерации, обеспечивающих морфологическое постоянство и целостность биологической системы на разных уровнях организации. Это выражается в восстановлении внутриклеточных и органных структур, путем деления и гипертрофии.

Нарушение механизмов, лежащих в основе гомеостатических процессов, рассматривается как «болезнь» гомеостаза.

36.Проблема трансплантации органов и тканей. Ауто-, алло- и гетеротрансплантация. Трансплантация жизненно важных органов. Тканевая несовместимость и пути ее преодоления. Искусственные органы.

ТРАНСПЛАНТАЦИЯ - пересадка или приживление органов и тканей. Пересаженный участок называется ТРАНСПЛАНТАНТОМ, организм у которого берут ткань для пересадки является ДОНОРОМ, которому пересаживают - РЕЦИПИЕНТОМ. Успех трансплантации зависит от иммунологических реакций организма.

При АУТОТРАНСПЛАНТАЦИИ (пересадка на другую часть тела того же организма) белки (антигены) трансплантанта не отличаются от белков реципиента и операция наиболее успешна, иммунологическая операция не возникает.

При АЛЛОТРАНСПЛАНТАЦИИ (от одной особи к другой одного вида) донор и реципиент отличаются по антигенам, у высших животных наблюдается длительное приживание.

КСЕНОТРАНСПЛАНТАЦИЯ(гетеротрансплантация) (донор и реципиент относятся к разным видам) удается у некоторых беспозвоночных, но у высших животных такие трансплантанты рассасываются.

Тканевая несовместимость - комплекс иммунных реакций организма к трансплантируемым чужеродным клеткам, тканям или органам.

При трансплантации большое значение имеет явление ИММУНОЛОГИЧЕСКОЙ ТОЛЕРАНТНОСТИ (терпимости) к чужеродным клеткам вследствие реакции отторжения. Подавление иммунитета в случае пересадки тканей (иммунодепрессия) достигается: подавлением активности иммунной системы, облучением, введением антилимфотической сыворотки, гормонов коры надпочечников, химических препаратов - антидепрессантов (имуран). Основная задача подавить не просто иммунитет, а трансплантационный иммунитет.

Искусственные органы – это созданные человеком органы -имплантанты, которые могут заменить настоящие органы тела.

Общие закономерности онтогенеза многоклеточных. Дифференциация и интеграция в развитии. Избирательная активность генов в развитии: роль цитоплазматических факторов яйцеклетки, контактных взаимодействий клеток, межтканевых и гормональных влияний.

Онтогенез - это индивидуальное развитие организма (особи) с момента его зарождения до прекращения существования.

В ходе онтогенеза многоклеточных организмов происходит рост, дифференцировка и интеграция частей организма.

Дифференцировка –специализация клеток; изменение развивающейся структуры.

Интеграция -процесс объединения структур и функций в целостном организме, характерный для живых систем на каждом из уровней их организации.

Показано, что в яйцеклетке, а позже в зиготе цитоплазматические факторы белковой природы проникают в ядро бластомера и определяют характер считываемой информации. Следовательно, развитие эмбриональных закладок детерминировано (определено).

Цитокины - это наиболее универсальный класс внутри - и межтканевых регуляторных веществ. Они представляют собой гликопротеиды, которые в очень низких концентрациях влияют на реакции клеточного роста, пролиферацию и дифференцировку. Часто их рассматривают как тканевые гормоны, то есть гормоны местного действия, распространяющиеся через межклеточное вещество в пределах одной или близлежащих тканей.

Контактные взаимодействия между клетками важны для дифференцировки на всех стадиях развития - от самых ранних и до взрослого состояния.

Обнаружено, что при формировании сложных фасеточных глаз у дрозофилы межклеточные взаимодействия распространяются по эмбриональной ткани в виде волны. Области образующихся межклеточных контактов имеют разную форму. Установлено, что дифференцировка клеток зависит от геометрии их контактных зон с соседними клетками. Клетки с одинаковой формой контактов дифференцируются в одном и том же направлении. Среди всех остальных выявляется одна фоторе-цепторная клетка, которая отличается от других по этому показателю. Именно она может воспринимать ультрафиолетовую область спектра.

Таким образом, межклеточные взаимодействия важны для развития организма и его целостности, особенно в период дробления. Начиная со стадии бластулы, ведущим интегрирующим механизмом онтогенеза становится эмбриональная индукция.

Концепция волчка

Наблюдается увеличение амплитуды циркадианных биоритмов на ранних этапах онтогенеза млекопитающих, развитие их до максимума в молодом и зрелом возрасте и последующее угасание амплитуд в старости.

Гетерохронность - различие во времени наступления старения отдельных тканей, органов и систем. Так, гипотрофические изменения тимуса начинаются уже после 13-15 лет, половых желёз - в климактерическом периоде, а гипофиза - незадолго до смерти.

(когда старение наступает в разных тканях в разные стадии возраста)

Гетеротропность - неодинаковая выраженность старения в разных структурах одного и того же органа или в различных органах.

(Когда старение в разных клетках неодинаково выражена)

Гетерокатефность - разнонаправленность возрастных изменений. Например, по мере старения происходит снижение функции половых гормонов периферическими железами и повышение образования гонадотропных гормонов аденогипофизом.

(Когда старение вызывает не только угасание каких-либо функций, но вызывает увеличение некоторых функций)

Влияние фотопериодических факторов на сезонную адаптацию у простейших и многоклеточных, на ритмы рождаемости. Роль мелатонина. Климатогеографические особенности влияния фотопериодизма на жизнедеятельность. Полярная ночь и полярный день. Проблема «светового загрязнения».

Фотопериодизм – реакция организмов на сезонные изменения долготы дня. Открыт В. Гарнером и Н. Аллардом в 1920 г. во время селекционной работы с табаком.

Мелатонин - основной гормон эпифиза, регулятор суточных ритмов:

Доносит до всех клеток организма о времени дня и световой фазе солнечного дня. Разрушается на свету. Вырабатывается в темноте. При недостатке мелатонина: раннее старение, ранняя менопауза, развитие ожирения и рака. Антоним: сератонин.

Правило Ашоффа

"У ночных животных активный период (бодрствование) более продолжителен при постоянном освещении, в то время как у дневных животных бодрствование более продолжительно при постоянной темноте". И действительно, как впоследствии установил Ашофф, при длительной изоляции человека или животных в темноте цикл "бодрствование - сон" удлиняется за счет увеличения продолжительности фазы бодрствования. Из правила Ашоффа следует, что именно свет определяет циркадные колебания организма.

Поля́рная ночь - период, когда Солнце более 24 часов (то есть более суток) не появляется из-за горизонта.

Поля́рный де́нь - период, когда Солнце не заходит за горизонт дольше 1 суток.

ВСТУПЛЕНИЕ

§ 1. СИСТЕМА БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК. СВЯЗЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК С ДРУГИМИ НАУКАМИ

Биология - комплексная наука о живой природе. Вы уже знаете, что биология исследует разные проявления жизни. Как самостоятельная естественная наука биология зародилась еще до нашей эры, а ее название предложили в 1802 году независимо друг от друга французский ученый Жан-Батист Ламарк (1744-1829) и немецкий Готфрид Рейнхольд Тревіранус (1766-1837).

В течение предыдущих лет обучения в школе вы уже ознакомились с основами таких биологических наук, как ботаника, микология, зоология, анатомия и физиология человека и др. В течение следующих лет вы узнаете и о достижения других биологических наук: биохимии, цитологии, вирусологии, биологии индивидуального развития, генетики, экологии, эволюционного учения, систематики, палеонтологии и тому подобное. Данные этих и многих других биологических наук позволяют изучать закономерности, присущие всем живым организмам. Рассмотрите рисунок 1.1 и ознакомьтесь с краткой характеристикой основных биологических наук. (Подумайте, какие из биологических наук, указанных на схеме, по вашему мнению, больше всего связаны между собой)

Биологию называют ведущей наукой ХХІ века. Без достижений биологии в настоящее время невозможен прогресс аграрных наук, здравоохранения и окружающей среды, биотехнологии и тому подобное.

Взаимосвязи биологии с другими науками. Биология тесно связана с другими естественными и гуманитарными науками. Вследствие взаимодействия с химией возникла биохимия, а с физикой - биофизика. Биогеография - комплексная наука о распространении живых организмов на Земле - разработана усилиями нескольких поколений ученых, изучавших флору, фауну, группировки видов в разных географических частях нашей планеты. Во всех отраслях биологии применяют математические методы обработки собранного материала.

Рис. 1.1. Краткая характеристика основных биологических наук

В результате взаимодействия экологии с гуманитарными науками возникла соціоекологія (изучает закономерности взаимодействия человеческого общества и окружающей природной среды), а взаимодействие биологии человека с гуманитарными науками сформировала антропологию - науку о происхождении и эволюции человека как особого біосоціального вида, человеческие расы и тому подобное.

Философия биологии - наука, возникшая вследствие взаимодействия классической философии с биологией. Она изучает проблемы мировосприятия в свете достижений биологии.

Данные биологических наук о человеке (анатомии, физиологии, генетики человека) служат теоретической базой медицины (науки о здоровье человека и его сохранении, заболеваниях, методах их диагностики и лечения).

Во второй половине ХХ века. благодаря успехам разных естественных наук (физики, математики, кибернетики, химии и других) сформировались новые направления биологических исследований:

Космическая биология - изучает особенности функционирования живых систем в условиях космических аппаратов и Вселенной;

Бионика - исследует особенности строения и жизнедеятельности организмов с целью создания различных технических систем и приборов;

Радиобиология - наука о влиянии разных видов ионизирующего излучения на живые системы;

Криобиология - наука о влиянии на живую материю низких температур.

Современное общество часто сталкивается с проблемами, возникающими на стыке с другими науками. Например, для оценки последствий антропогенных воздействий на живые системы (радиационных, химических и т. п) нужны совместные усилия биологов, медиков, физиков, химиков и др. Создание биоинформационных технологий (например, для изучения структуры и функций наборов наследственной информации организмов) невозможно без специальных компьютерных программ. Изучение наследственных болезней человека - также задание для многих наук (генетики, биохимии, медицины и других).

Ключевые термины и понятия. Биология, система биологических наук.

Копотко о главном

Биология - комплекс наук, исследующих различные проявления жизни.

Название «биология» предложили в 1802 году французский ученый Ж.-Бы. Ламарк и немецкий - Г. Г. Тревіранус.

Биология имеет тесные связи как с другими естественными науками, так и с гуманитарными. Вследствие взаимодействия с другими науками возникли

биохимия, биофизика, биогеография, радиобиология и многие другие.

Человек как составная часть природы издавна стремилась изучать тех животных и растения, которые ее окружали, ведь от этого зависело ее выживание. Первые попытки упорядочить накопленные данные о строении животных и растений, процессы их жизнедеятельности и разнообразие принадлежат ученым Древней Греции - Аристотелю (рис. 1.2) и Теофрасту. Аристотель создал первую научную систему для около 500 видов известных в то время животных и заложил основы сравнительной анатомии (попробуйте определить задачи этой науки). Считал, что живая материя возникла из неживой. Теофраст (372-287 гг. к н. е.) описал разные органы растений и заложил основы ботанической классификации. Системы живой природы этих двух ученых стали основой для развития европейской биологической науки и существенно не менялись вплоть до VIII века. н. е.

В период средневековья (V - XV ст. н. е.) биология развивалась преимущественно как описательная наука. Накопленные факты в те времена часто были искаженными. Например, встречаются описания различных мифических существ, например «морского монаха», который будто появлялся морякам перед штормом, или морских звезд с лицом человека.

В эпоху Возрождения быстрое развитие промышленности, сельского хозяйства, выдающиеся географические открытия поставили перед наукой новые задачи, чем стимулировали ее развитие. Так, с изобретением светового микроскопа связано становление цитологии. Световой микроскоп с окуляром и объективом появился в начале XVII в., однако его изобретатель точно неизвестен; в частности, великий итальянский ученый Г. Галилей демонстрировал изобретенный им дволінзовий увеличительный прибор еще в 1609 г. А в 1665 году, изучая с помощью собственноручно усовершенствованного микроскопа тонкие срезы пробки бузины, моркови и др. Роберт Гук (рис. 1.3) открыл клеточное строение растительных тканей и предложил сам термин клетка. Примерно в это же время голландский натуралист Антони ван Левенгук (рис. 1.4) изготовил уникальные линзы с 150-300-кратным увеличением, через которые впервые наблюдал одноклеточные организмы (одноклеточные животные и бактерии), сперматозоиды, эритроциты и их движение в капиллярах.

Все накопленные научные факты о многообразии живого обобщил выдающийся шведский ученый XVIII века. Карл Линней (рис. 1.5). Он подчеркивал, что в природе существуют группы особей, которые напоминают друг друга за особенностями строения, требованиями к окружающей среды, заселяющих определенную часть поверхности Земли, способны скрещиваться между собой и давать плодовитых потомков. Такие группы, каждая из которых имеет определенные отличия от других, он считал видами. Линней положил начало современной систематике, а также создал собственную классификацию растений и животных. Он ввел латинские научные названия видов, родов и других систематических категорий, описал более 7500 видов растений и около 4000 видов животных.

Рис. 1.2. Аристотель (384-322рр. к н. е.)

Рис. 1.3. Роберт Гук (1635-1703)

Рис. 1.4. Антони ван Левенгук (1632-1723)

Рис. 1.5. Карл Линней(1707-1778)

Рис. 1.6. Теодор Шванн (1810-1882)

Рис. 1.7. Жан - Батист Ламарк (1744-1829)

Рис. 1.8. Чарльз Дарвин (1809-1882)

Важный этап в развитии биологии связан с созданием клеточной теории и развитием эволюционных идей. В частности, было обнаружено ядро в клетке: впервые его в 1828 году наблюдал в растительной клетке английский ботаник Роберт Броун (1773-1858), который впоследствии (1833) предложил термин «ядро». 1830 года ядро яйцеклетки курицы описал чешский исследователь Ян Пуркіне (1787-1869). Опираясь на труды этих ученых и немецкого ботаника Маттиаса Шлейдена (1804-1881), немецкий зоолог Теодор Шванн (рис. 1.6) в 1838 году сформулировал основные положения клеточной теории, впоследствии дополненные немецким цитологом Рудольфом Вірховим (1821-1902).

В начале XIX века. Жан-Батист Ламарк (рис. 1.7) предложил первую целостную эволюционную гипотезу (1809), обратил внимание на роль факторов окружающей среды в эволюции живых существ. Наиболее весомый вклад в последующее развитие эволюционных взглядов внес один из самых выдающихся биологов мира - английский ученый Чарльз Дарвин (рис. 1.8). Его эволюционная гипотеза (1859) положил начало теоретическую биологию и значительно повлияла на развитие других естественных наук. Учение Ч. Дарвина впоследствии было дополнено и расширено трудами его последователей и как завершенная система взглядов под названием «дарвинизм» окончательно сформировалось в начале ХХ века. Наибольшую роль в развитии дарвинизма того времени сыграл знаменитый немецкий ученый Эрнст Геккель (рис. 1.9), который, в частности, предложил в 1866 году название науки о взаимосвязи организмов и их сообществ с условиями среды жизни - экология. Он пытался выяснить и схематически изобразить пути эволюции различных систематических групп животных и растений, заложив основы филогении.

Важный вклад в развитие учения о высшей нервной деятельности и физиологии пищеварения позвоночных животных и человека сделали русские ученые Иван Михайлович Сеченов и Иван Петрович Павлов (рис. 1.10, 1.11), о чем вам уже известно из курса биологии 9-го класса.

Рис. 1.9. Эрнст Геккель (1834-1919)

Рис. 1.10. И. М. Сеченов (1829-1905)

Рис. 1.11. И. П. Павлов (1849-1936)

Рис. 1.12. Грегор Мендель (1822-1884)

Рис. 1.13. Томас Хант Морган (1866-1945)

Рис. 1.14. Джеймс Уотсон (1928 г. н.) (1) и Френсис Крик (1916-2004)(2)

В середине XIX века. были заложены основы науки о закономерностях наследственности и изменчивости организмов - генетики. Датой ее рождения считают 1900 год, когда три ученые, проводившие опыты по гибридизации растений, - голландец Гуго де Фриз (1848-1935) (ему принадлежит термин мутация), немец Карл Эрих Корренс (1864-1933) и австриец Эрих Чермак (1871-1962) независимо друг от друга наткнулись на забытую работу чешского исследователя Грегора Менделя (рис. 1.12) «Опыты над растительными гибридами», изданное еще 1865 года. Эти ученые были поражены тем, насколько результаты их опытов совпадали с полученными Г. Менделем. Впоследствии законы наследственности установленные Г. Менделем, восприняли ученые разных стран, а тщательные исследования показали их универсальный характер. Название «генетика» предложил в 1907 году английский ученый Уильям Бэтсон (1861-1926). Огромный вклад в развитие генетики внес американский ученый Томас Хант Морган (рис. 1.13) со своими сотрудниками. Итогом их исследований стало создание хромосомной теории наследственности, которая повлияла на дальнейшее развитие не только генетики, но и биологии в целом. Сейчас генетика стремительно развивается и занимает одно из центральных мест в биологии.

В конце XIX века. (1892) российский ученый Дмитрий Иосифович Ивановский (1864-1920) открыл неклеточные формы жизни - вирусы. Это название вскоре предложил голландский исследователь Мартин Виллем Бейєринк (18511931). Однако развитие вирусологии стал возможен только с изобретением электронного микроскопа (30-е годы XX в.), способного увеличивать объекты исследований в десятки и сотни тысяч раз. Благодаря электронному микроскопу человек смог детально изучить клеточные мембраны, мельчайшие органеллы и включения.

В XX века. бурно развивались молекулярная биология, генетическая инженерия, биотехнология и др.. Американский ученый - биохимик Джеймс Уотсон, английские - биолог Френсис Крик (рис. 1.14) и биофизик Моррис Уилкинс (1916-2004) в 1953 году открыли структуру ДНК (за это им в 1962 году присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины), а впоследствии выяснили роль нуклеиновых кислот в сохранении и передаче наследственной информации.

Рис. 1.15. А.А. Ковалевский (1840-1901)

Рис. 1.16. И.И. Шмальгаузен (1884-1963)

Рис. 1.17. И.И. Мечников (1845-1916)

Рис. 1.18. С.Г. Навашин (1857-1930)

Два биохимики - испанец Северо Очоа (1905-1993) и американец Артур Корнберг (1918-2001) стали лауреатами Нобелевской премии в области физиологии и медицине 1959 года " за открытие механизмов биосинтеза РНК и ДНК. А в течение 1961-1965 годов благодаря работам лауреатов Нобелевской премии в области физиологии и медицины 1968 года американских биохимиков Маршалла Ніренберга (19272010), Роберта Холли (1922-1993) и индийского биохимика Хара Гобінда Хорани (1922-2010) был расшифрован генетический код и выяснена его роль в синтезе белков.

В разработке биотехнологических процессов часто применяют методы генетической и клеточной инженерии. Генетическая инженерия - это прикладная отрасль молекулярной генетики и биохимии, которая разрабатывает методы перестройки наследственного материала организмов изъятием или введением отдельных генов или их групп. Вне организма гены впервые синтезировал 1969 года Х.Г. Хорана. Того же года впервые удалось выделить в чистом виде гены бактерии - кишечной палочки. За последние десятилетия ученые расшифровали структуру наследственного материала различных организмов (мухдрозофіл, кукурузы и др.), и человека в частности. Это дает возможность решить много проблем, например, лечение различных болезней, увеличение срока жизни человека, обеспечение человечества продуктами питания и др.

За свои исследования в области биохимии получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1953 года два биохимики немецкого происхождения - английский Ханс Адольф Кребс (1900-1981) и американский Фриц Альберт Липман (1899-1986) за открытие цикла биохимических реакций во время кислородного этапа энергетического обмена (названный циклом Кребса). Американский химик Мелвин Калвин (1911-1997) изучил этапы преобразования карбон(II) оксида в углеводы во время темновой фазы фотосинтеза (цикл Кельвина), за что получил Нобелевскую премию по химии в 1961 году. 1997 года американскому врачу-биохимику Стэнли Прузінеру (1942 г. н.) была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за исследование прионов - белковых инфекционных частиц, способных вызывать смертельно опасные заболевания головного мозга человека и сельскохозяйственных животных («коровье бешенство» и др.).

Важный вклад в развитие биологии принадлежит украинским ученым. В частности, исследования Александра Онуфриевича Ковалевского (рис. 1.15) и Ивана Ивановича Шмальгаузена (рис. 1.16) сыграли важную роль в развитии сравнительной анатомии животных, филогении и эволюционных взглядов. Илья Ильич Мечников (рис. 1.17) открыл явление фагоцитоза и развил теорию клеточного иммунитета, за что ему была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1908 году. Он также предложил гипотезу происхождения многоклеточных животных. А.А. Ковалевского и И.И. Мечникова справедливо считают основателями эволюционной эмбриологии. Всемирную славу украинской ботанической школе принес Сергей Гаврилович Навашин (рис. 1.18), который в 1898 году открыл процесс двойного оплодотворения у цветковых растений.

Рис. 1.19. В.И. Вернадский (1863-1945)

Трудно представить современное развитие экологии без трудов нашего выдающегося соотечественника - Владимира Ивановича Вернадского (рис. 1.19). Он создал учение о биосфере - единой глобальной экосистеме планеты Земля, а также ноосфере - новом состоянии биосферы, вызванное умственной деятельностью человека. Как это часто бывает, идеи.И. Вернадского опередили свое время. Только теперь его прогнозы о ноосфере рассматривают как своеобразную программу, призванную обеспечить гармоничное сосуществование человека и окружающей природной среды, которое опирается на экологизацию всех сфер деятельности человека: промышленности, транспорта, животноводства и полеводства. В.И. Вернадский основал новую науку - біогеохімію, что изучает биохимическую деятельность живых организмов с преобразовании геологических оболочек нашей планеты.

Рис. 1.20. Отечественные ученые-биологи: А.В. Фомин (1869-1935) (1); Н.Г. Холодный (1882-1953) (2); А.В. Палладин (1885-1972) (3); С.М. Гершензон (1906-1998) (4); О.А. Богомолец (1881-1946) (5); Д.К. Заболотный (1866-1929) (6); П.Г. Костюк (1924-2010) (7)

Медицина XXI века практически полностью основана на достижениях биологии. Группы ученых, которые занимаются такими как генетика, молекулярная биология, иммунология, биотехнология, вносят свой вклад в развитие современных методов борьбы с заболеваниями. Это и доказывает связь биологии с медициной.

Биология играет большую роль в развитии медицины

Современные биологические открытия позволяют человечеству выйти на принципиально новый уровень в развитии медицины. Например, японские ученые смогли выделить и размножить естественным путем стволовые клетки, полученные из тканей обычного среднестатистического мужчины. Подобные открытия, несомненно, могут повлиять на медицину будущего.

Экспериментальная биология и медицина тесно связаны. Из отраслей касается не только генетики, молекулярной биологии или биотехнологии, но и таких фундаментальных направлений как ботаника, физиология растений, зоология и, конечно же, анатомия и Глубокие исследования новых видов растений и животных могут дать толчок к открытию безвредных, природных способов борьбы с заболеваниями. Открытия в области анатомии и физиологии способны привести к качественному улучшению процесса лечения, реабилитации или проведения операций.

Проблемы медицины

Современный уровень медицины принципиально отличается от такового, существовавшего 20-30 лет назад. Уменьшилось число детской смертности, увеличился период продолжительности жизни. Но все же сегодня некоторые вопросы не под силу решить даже лучшим врачам.

Возможно, главной проблемой современной медицины является финансирование. Открытие новых препаратов, создание протезов, и тканей - все это требует фантастических затрат. Эта проблема касается и самих пациентов. Большинство сложных хирургических операций требует крупную сумму денег, а некоторые препараты забирают практически всю месячную зарплату. Развитие биологии и открытия во многих ее областях может привести к качественному скачку в медицине, которая станет дешевле, но вместе с тем и совершеннее.

Фундаментальная медицина и биология

Значение биологии в медицине нельзя переоценить: простейшие операции требуют высоких умений в области практической анатомии. Знать строение человека, функции органов, расположение каждого сосуда и нерва - все это является неотъемлемой частью обучения в любом медицинском университете.

Хирургия - это лишь одно из направлений современной медицины. Благодаря многочисленным открытиям в области биологии, человек может получить специализированное и профессиональное лечение. Врач-хирург с помощью новейшего оборудования способен провести высокоуровневые операции, в том числе трансплантации органов и тканей. Уже в 2009 годы была проведена первая операция по пересадке сердца и почки. Все это было достигнуто с помощью открытий ученых-биологов, поэтому роль биологии в медицине неоспорима.

Генетика в медицине

Большое значение биологии в медицине также связано с изучением наследственных заболеваний человека. Изучая передачу генов из поколения в поколение, ученые смогли открыть ряд генетических заболеваний. Сюда же относят и наиболее опасные из них: синдом Дауна, муковисцидоз, гемофилию.

Сегодня стало возможным предсказать появление генетических заболеваний у ребенка. Если некая пара хочет проанализировать, возможно ли появление подобных болезней у их детей, они могут обратиться в специальные клиники. Там, изучив генеалогическое древо родителей, могут высчитать процент появления отклонений у малыша.

Секвенирование генома человека

Прочитать геном человека - одна из важнейших задач современной биологии. Она была решена уже к 2008 году, однако свойства этого генома окончательно не изучены. Предполагается, что в будущем можно будет перейти на персональную медицину с использованием индивидуального паспорта генома человека. Почему так важно узнать генетическую последовательность?

Каждый человек - это индивидуальный организм. Препарат, который способен вылечить заболевание у одного человека, может вызвать побочное воздействие у другого. Сегодня врачи не могут точно предугадать, возникнут ли негативные последствия при воздействии того или иного антибиотика, лекарства. Если геном каждого человека полностью расшифруют, курс лечения будет подобран индивидуально для каждого пациента. Это не только повысит эффективность терапии, но и поможет избежать побочного воздействия препаратов.

Секвенирование генома бактерий, растений и животных уже сегодня приносит свои плоды. Современные ученые-биологи способны использовать гены других организмов в собственных целях. Здесь роль биологии в медицине обусловлена тем, что полезные для человека гены могут помочь при лечении множества заболеваний. Так, бактерии, синтезирующие природный инсулин, уже не выдумка. Более того, проводится в промышленных масштабах на специальных фабриках, где бактерии специально культивируются, а их штаммы используются для получения нужного гормона. В итоге человек, который болен сахарным диабетом, может поддерживать нормальную жизнедеятельность.

Биотехнологии - будущее медицины

Биотехнология - это молодая и вместе с тем одна из важнейших отраслей биологии. На современном этапе развития медицины уже открыто множество способов борьбы с заболеваниями. Среди них - антибиотики, лекарственные препараты животного и растительного происхождения, химические препараты, вакцины. Однако существует проблема, при которой с течением времени эффективность некоторых антибиотиков и лекарств уменьшается. Связано это с тем, что микроорганизмы, особенно постоянно мутируют, приспосабливаясь к новым методам борьбы с препаратами.

Биотехнологии в будущем позволят изменять структуру веществ, создавая новые виды медикаментов. К примеру, можно будет осуществить конформационное изменение молекулы пенициллина, в результате чего мы получим другое вещество с теми же свойствами.

Опухолевые заболевания - это острая проблема современной медицины. Борьба с раковыми клетками является целью первостепенной важности для ученых по всему миру. На сегодняшний день известны такие вещества, которые способны подавлять развитие опухоли. К ним относятся блеомицин и антрациклин. Однако главная проблема состоит в том, что использование таких препаратов может привести к нарушению и остановке работы сердца. Считается, что изменение строения блеомицина и антрациклина избавит от нежелательного воздействия на организм человека. Это только подтверждает большое значение биологии в медицине.

Использование стволовых клеток

Сегодня многие ученые считают, что стволовые клетки - это путь к вечной молодости. Связано это с их специфическими свойствами.

Стволовые клетки способны дифференцироваться абсолютно в любые клетки и ткани организма. Они могут дать начало клеткам крови, нервным клеткам, костным и мышечным клеткам. Зародыш человека полностью состоит из стволовых клеток, что объясняется необходимостью в постоянном делении и построении систем органов и тканей. С возрастом количество стволовых клеток в организме человека уменьшается, что является одной из причин старения.

При трансплантации органов и тканей существует проблема отторжения чужеродных клеток организмом. Это может привести порой к летальному исходу. Чтобы избежать подобной ситуации, ученые сделали попытку выращивания органов из стволовых клеток человека. Такой способ открывает огромные перспективы для трансплантологии, т. к. органы, синтезированные из клеток пациента, не будут отторгаться его организмом.

Биология в современной медицине

Качественное лечение заболеваний напрямую зависит от достижений в области биологии. Огромное значение биологии в медицине также объясняется тем, что современные отрасли науки направлены на совершенствование методов борьбы с болезнями человека. Уже в недалеком будущем человек сможет вылечиться от рака, СПИДа, диабета. Генетические заболевания можно будет обойти еще в младенчестве, а создание идеального человека уже не будет выдумкой.

Термин «биология» введен Ж.Б.Ламарком и Тревиранусом в 1802 году.

Биоло́гия - система наук, объектами изучения которой являются живые существа и их взаимодействие с окружающей средой. Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.

В основе современной биологии лежат пять фундаментальных принципов: клеточная теория, эволюция, генетика, гомеостаз и энергия.

В биологии выделяют следующие уровни организации:

Клеточный , субклеточный и молекулярный уровень : клетки содержат внутриклеточные структуры, которыестроятся из молекул .

Организменный и органно-тканевой уровень : у многоклеточных организмов клетки составляют ткани иорганы . Органы же, в свою очередь, взаимодействуют в рамках целого организма .

Популяционный уровень : особи одного и того же вида, обитающие на части ареала, образуют популяцию .

Видовой уровень : свободно скрещивающиеся друг с другом особи обладающие морфологическим,физиологическим, биохимическим сходством и занимающие определённый ареал (район распространения)формируют биологический вид .

Биогеоценотический и биосферный уровень : на однородном участке земной поверхности складываются биогеоценозы , которые, в свою очередь, образуют биосферу .

Большинство биологических наук является дисциплинами с более узкой специализацией. Традиционно они группируются по типам исследуемых организмов: ботаника изучает растения, зоология - животных, микробиология - одноклеточные микроорганизмы. Области внутри биологии далее делятся либо по масштабам исследования, либо по применяемым методам: биохимия изучает химические основы жизни, молекулярная биология - сложные взаимодействия между биологическими молекулами, клеточная биология и цитология - основные строительные блоки многоклеточных организмов, клетки, гистология и анатомия - строение тканей и организма из отдельных органов и тканей, физиология - физические и химические функции органов и тканей, этология - поведение живых существ, экология - взаимозависимость различных организмов и их среды.

Передачу наследственной информации изучает генетика. Развитие организма в онтогенезе изучается биологией развития. Зарождение и историческое развитие живой природы - палеобиология и эволюционная биология.

На границах со смежными науками возникают: биомедицина, биофизика (изучение живых объектов физическими методами), биометрия и т. д. В связи с практическими потребностями человека возникают такие направления, как космическая биология, социобиология, физиология труда, бионика.

Биология тесно связана с другими науками и иногда очень трудно провести грань между ними. Изучение жизнедеятельности клетки включает в себя изучение молекулярных процессов протекающих внутри клетки, этот раздел называется молекулярная биология и иногда относится к химии а не к биологии. Химические реакции протекающие в организме изучает биохимия, наука которая существенно ближе к химии чем к биологии. Многие аспекты физического функционирования живых организмов изучает биофизика, которая очень тесно связана с физикой. Иногда как независимую науку выделяют экологию - науку о взаимодействии живых организмов с окружающей средой (живой и неживой природы) . Как отдельная область знаний давно выделилась наука изучающая здоровье живых организмов. Эта область включает в себя ветеринарию и очень важную прикладную науку - медицину, отвечающую за здоровье людей.

Биология поможет студентам понять существо жизненных процессов и правильно оценить возможности лечебного действия лекарственных веществ на организм человека.

Предмет "Биология" в фармацевтических вузах (факультетах) совместно с другими дисциплинами призван в конечном счете сформировать специалиста, способного решать общебиологические, медицинские и фармацевтические задачи, связанные с проблемой "Человек и лекарства".

Уметь интерпретировать универсальные биологические явления, основные свойства живого (наследственность, изменчивость, раздражимость, обмен веществ и т.д.) в применении к человеку.

Знать эволюционные связи (филогенез органов, возникновение пороков развития).

Анализировать закономерности и механизмы нормального онтогенеза и интерпретировать их в отношении к человеку.

Владеть основами медико-биологического исследования человека.

Новая биология – часть науки, которая не входит в общепринятые биологию и медицину. Новая биология основывается на квантовой физике, придавая значение невидимым полам и энергиями, таким как разум. Вот в чем различия между новой и традиционной наукой . Традиционная наука основывается на ньютоновской физике и и утверждает, что наше толо всего лишь машина, как автомобиль, она говорит, что машина управляется встроенным компьютером, а мы всего лишь пассажиры, которых эта машина везет. Новая наука говорит, что разум является водителем, а у традиционной водителя не существует , и эта основная разница между двумя подходами. Новая биология учит, что человек сам контролирует свой автомобиль, и именно этому нужно учить людей. Это важная часть новой науки.

1.Биология как наука. Связь биологии с другими науками. Место и задачи биологии и подготовке врача. Новая биология.

Термин «биология» введен Ж.Б.Ламарком и Тревиранусом в 1802 году.

В биологии выделяют следующие уровни организации:

Клеточный , субклеточный и молекулярный уровень : клетки содержат внутриклеточные структуры, которыестроятся из молекул .
Организменный и органно-тканевой уровень : у многоклеточных организмов клетки составляют ткани иорганы . Органы же, в свою очередь, взаимодействуют в рамках целого организма .
Популяционный уровень : особи одного и того же вида, обитающие на части ареала, образуют популяцию .
Видовой уровень : свободно скрещивающиеся друг с другом особи обладающие морфологическим,физиологическим, биохимическим сходством и занимающие определённый ареал (район распространения)формируют биологический вид .
Биогеоценотический и биосферный уровень : на однородном участке земной поверхности складываются биогеоценозы , которые, в свою очередь, образуют биосферу .

Большинство биологических наук является дисциплинами с более узкой специализацией. Традиционно они группируются по типам исследуемых организмов: ботаника изучает растения , зоология - животных, микробиология - одноклеточные микроорганизмы. Области внутри биологии далее делятся либо по масштабам исследования, либо по применяемым методам: биохимия изучает химические основы жизни, молекулярная биология - сложные взаимодействия между биологическими молекулами, клеточная биология и цитология - основные строительные блоки многоклеточных организмов, клетки, гистология и анатомия - строение тканей и организма из отдельных органов и тканей, физиология - физические и химические функции органов и тканей, этология - поведение живых существ, экология - взаимозависимость различных организмов и их среды.

2.Человек как объект биологии. Значение биологического и социального наследства для медицины.

Человек, отличаясь несомненным своеобразием в сравнении с другими живыми формами, тем не менее представляет собой закономерный результат и этап развития жизни на Земле, поэтому само его существование прямо зависит от общебиологических (молекулярных, клеточных, системных) механизмов жизнедеятельности.

Связь людей с живой природой не ограничивается рамками исторического родства. Человек был и остается неотъемлемой частью этой природы, влияет на нее и в то же время испытывает на себе влияние окружающей среды. Характер таких двусторонних отношений сказывается на состоянии здоровья человека.

Развитие промышленности, сельского хозяйства, транспорта, рост народонаселения, интенсификация производства, информационные перегрузки, усложнение отношений в семьях и на работе порождают серьезные социальные и экологические проблемы: хроническое психоэмоциональное напряжение, опасное для здоровья загрязнение среды жизни, уничтожение лесов, разрушение природных сообществ растительных и животных организмов, снижение качества рекреационных зон. Поиск эффективных путей преодоления указанных проблем невозможен без понимания биологических закономерностей внутривидовых и межвидовых отношений организмов, характера взаимодействия живых существ, включая человека, и среды их обитания. Уже отмеченного достаточно, чтобы уяснить, что многие разделы науки о жизни, даже в ее классическом формате, имеют очевидное прикладное медицинское значение.

На самом деле в наше время в решении проблем охраны здоровья и борьбы с болезнями биологические знания и «высокие биотехнологии» (генетическая, клеточная инженерия) начинают занимать не просто важное, но по-настоящему определяющее место. Действительно, минувшее XX столетие, наряду с тем, что оно, в соответствие с главными направлениями научно-технического прогресса, характеризовалось химизацией, технизацией, компьютеризацией медицины, стало также веком превращения последней в биомедицину.

Главным объектом внимания и профессиональной деятельности врача является человек, представляющий неотъемлемую часть природы. Известно, что отличительной чертой природы людей является наличие социальной составляющей, что проявляется в определенной специфике некоторых важных сторон их развития и жизнедеятельности. Вытекающие из указанной специфики особенности, наиболее заметно проявляющиеся в структуре онтогенеза, особенно постнатального (наличие только у людей периода отрочества и юности, отчетливо представленный период старости), на уровне генетико-популяционных процессов (доминирующая роль социальных факторов в определении состава популяций в сравнении с климатогеографическими), в биогеоценозах и биосфере (целенаправленное преобразование природы, очеловечивание среды жизни).

На планете среди других существ людям принадлежит уникальное место, что обусловлено приобретением ими в процессе антропогенеза особого качества - социальной сущности. Это означает, что уже не биологические механизмы, а в первую очередь общественное устройство, интеллект, производство, труд обеспечивают выживание, всесветное и даже космическое расселение , благополучие человечества. Социальность, однако, не противопоставляет людей остальной живой природе. Приобретение этого качества указывает лишь на то, что отныне историческое развитие представителей вида Homo sapiens , т.е. человечества, подчиняется законам общественного, а не биологического развития.

Человек остается включенным в систему органического мира. Этот мир складывался и развивался на протяжении большей части истории планеты независимо от человеческого фактора, более того, на определенном этапе своего развития он этот фактор породил. Человечество составляет своеобразный, но неотъемлемый компонент биосферы. Благодаря животному происхождению жизнедеятельность человеческого организма основывается на фундаментальных биологических механизмах, которые составляют его биологическое наследство. Биологическому наследству, формировавшемуся в процессе эволюции жизни, отводится видная роль в патологии человека. Крупный отечественный патолог И. В. Давыдовский писал, что естественность и законность болезней вытекают из основных свойств жизни, а именно из универсального и важнейшего свойства организмов - приспосабливаться к меняющимся условиям внешней среды. По его мнению, полнота такого приспособления и есть полнота здоровья.

Развитие жизни в одной из ее ветвей привело к появлению современного человека, объединяющего в себе биологическое и социальное. Характер взаимоотношения социального и биологического в человеке нельзя представить как простое сочетание в некоторой пропорции или прямое подчинение одного другому. Особенностью человеческого биологического является то, что оно проявляется в условиях определяющего действия законов общественного развития. Биологические процессы с необходимостью совершаются в организме человека, и им принадлежит фундаментальная роль в определении важнейших сторон жизнеобеспечения и развития. Вместе с тем эти процессы в популяциях людей не дают результата, закономерного и обязательного для популяций остальных представителей мира живых существ.

В качестве примера обратимся к процессу эволюции, которым в конечном итоге обусловливаются биологические механизмы главных уровней организации жизни - молекулярно-генетического, клеточного, онтогенетического, популяционно-видового, биогеоценотического. Генофонды популяций людей и в настоящее время изменяются в результате мутаций, комбинативной изменчивости, неслучайного подбора брачных пар, дрейфа генов, изоляции и некоторых форм естественного отбора. Однако благодаря действию в социальной сфере естественный отбор утратил здесь свою важнейшую биологическую функцию - видообразование. В таком случае среди людей исключается возможность завершенного эволюционного цикла путем достижения закономерного биологического результата - появления новых видов рода Человек. Сохраняющееся же действие элементарных эволюционных факторов, перечисленных выше, оборачивается в отношении человеческих популяций необычными с эволюционно-биологической точки зрения последствиями (например, не имеющим по масштабам равных в других видах организмов генетическим и, следовательно, фенотипическим разнообразием).

Знакомство с уже обширными, но еще мало систематизированными материалами, касающимися естественнонаучной стороны проблемы человека, указывает на неуклонный рост интереса к биологическим основам жизнедеятельности людей. Отчасти это обусловливается успехами биологической науки, открывающими перспективы активно влиять на ход многих физиологических процессов в организме. В немалой степени это связано с тем, что в условиях современной энергетической и технической оснащенности воздействие человечества на биосферу оказывается по своим результатам таким, что уже невозможно, даже с медицинской точки зрения, дальнейшее игнорирование людьми своей собственной биологии, своего биологического наследства.

3. Развитие понятия жизни на современном этапе. Определения понятия «Жизнь». Фундаментальные свойства живого.

Довольно трудно дать полное и однозначное определение понятию жизни, учитывая огромное разнообразие ее проявлений. В большинстве определений понятия жизни, которые давались многими учеными и мыслителями на протяжении веков , учитывались ведущие качества, отличающие живое от неживого. Например, Аристотель говорил, что жизнь – это «питание, рост и одряхление» организма; А. Л. Лавуазье определял жизнь как «химическую функцию»; Г. Р. Тревиранус считал, что жизнь есть «стойкое единообразие процессов при различии внешних влияний». Понятно, что такие определения не могли удовлетворить ученых, так как не отражали (и не могли отражать) всех свойств живой материи. Кроме того, наблюдения свидетельствуют, что свойства живого не исключительны и уникальны, как это казалось раньше, они по отдельности обнаруживаются и среди неживых объектов. А. И. Опарин определял жизнь как «особую, очень сложную форму движения материи». Это определение отражает качественное своеобразие жизни, которое нельзя свести к простым химическим или физическим закономерностям. Однако и в этом случае определение носит общий характер и не раскрывает конкретного своеобразия этого движения.

Ф. Энгельс в «Диалектике природы» писал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является обмен веществом и энергией с окружающей средой».

Для практического применения полезны те определения, в которых заложены основные свойства, в обязательном порядке присущие всем живым формам. Вот одно из них: жизнь – это макромолекулярная открытая система, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, самосохранению и саморегуляции, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии. Согласно данному определению жизнь представляет собой ядро упорядоченности, распространяющееся в менее упорядоченной Вселенной.

Жизнь существует в форме открытых систем. Это означает, что любая живая форма не замкнута только на себе, но постоянно обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Существует много определений жизни , поскольку изменялись представления о ней, совершенствовалась научная картина мира и ее философское осмысление.

По Озангеру и Моровицу «Жизнь есть свойство материи, приводящее к сопряженной циркуляции биоэлементов в водной среде, движимая, в конечном счете, энергией солнечного излучения по пути увеличения сложности»

1878 г. Фридрих Энгельс «Диалектика природы» : «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой , причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка»

Свойства живого:

Самообновление , которое связано с постоянным обменом веществ и энергии, и в основе которого лежит особенность хранить и использовать биологическую информацию в виде уникальных информационных молекул: белков и нуклеиновых кислот.
с амовоспроизведение . Обеспечивает преемственность между сменяющимися генерациями биологических систем.
саморегуляция . Базируется на совокупности потоков вещества, энергии и информации через живой организм;
раздражимость . Связана с передачей информации извне в любую биологическую систему и отражает реакцию этой системы на внешний раздражитель.
поддержание гомеостаза - относительного динамического постоянства внутренней среды организма, физико-химических параметров существования системы ;
структурная организация - определенная упорядоченность, стройность живой системы. Обнаруживается при исследовании не только отдельных живых организмом, но и их совокупностей в связи с окружающей средой - биогеоценозов;
адаптация - способность живого организма постоянно приспосабливаться к изменяющимся условиям существования в окружающей среде. В ее основе лежат раздражимость и характерные для нее адекватные ответные реакции;
репродукция (воспроизведение) . Так как жизнь существует в виде отдельных (дискретных) живых системы (например, клеток), а существование каждой такой системы строго ограничено во времени, поддержание жизни на Земле связано с репродукцией живых систем. На молекулярном уровне воспроизведение осуществляется благодаря матричному синтезу, новые молекулы образуются по программе, заложенной в структуре (матрице) ранее существовавших молекул;
наследственность . Обеспечивает преемственность между поколениями организмов (на основе потоков информации). Тесно связана с ауторепродукцией жизни на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях. Благодаря наследственности из поколения в поколение передаются признаки, которые обеспечивают приспособление к среде обитания;
изменчивость - свойство, противоположное наследственности. За счет изменчивости живая система приобретает признаки, ранее ей несвойственные. В первую очередь изменчивость связана с ошибками при репродукции: изменения в структуре нуклеиновых кислот приводят к появлению новой наследственной информации. Появляются новые признаки и свойства. Если они полезны для организма в данной среде обитания, то они подхватываются и закрепляются естественным отбором. Создаются новые формы и виды. Таким образом, изменчивость создает предпосылки для видообразования и эволюции;
индивидуальное развитие (процесс онтогенеза) - воплощение исходной генетической информации, заложенной в структуре молекул ДНК (т. е. в генотипе), в рабочие структуры организма. В ходе этого процесса проявляется такое свойство, как способность к росту, что выражается в увеличении массы тела и его размеров. Этот процесс базируется на репродукции молекул, размножении, росте и дифференцировке клеток и других структур и др.;
филогенетическое развитие (закономерности его установлены Ч. Р. Дарвином). Базируется на прогрессивном размножении, наследственности, борьбе за существование и отборе.
дискретность (прерывистость) и в то же время целостность . Жизнь представлена совокупностью отдельных организмов, или особей. Каждый организм, в свою очередь, также дискретен, поскольку состоит из совокупности органов, тканей и клеток. Каждая клетка состоит из органелл, но в то же время автономна. Наследственная информация осуществляется генами, но ни один ген в отдельности не может определять развитие того или иного признака.

4. Происхождение жизни: гипотеза панспермии и абиогенного происхождения жизни. Главные этапы возникновения и развития жизни.

Согласно гипотезе панспермии , жизнь занесена из космоса либо в виде спор микроорганизмов, либо путем намеренного «заселения» планеты разумными пришельцами из других миров.

Прямых свидетельств в пользу космического происхождения жизни нет. Космос, однако, наряду с вулканами мог быть источником низкомолекулярных органических соединений, раствор которых послужил средой для развития жизни.

Современной наукой возраст Земли оценивается в 4,5-4,6 млрд. лет. Появление на планете первых водоемов, с которыми связывают зарождение жизни , отстоит от настоящего времени на 3,8-4 млрд. лет. Полагают, что около 3,8 млрд. лет назад жизнь могла стать определяющим фактором планетарного круговорота углерода. В породах вблизи местечка Фиг-Три (Южная Африка), имеющих возраст более 3,5 млрд. лет, обнаружены бесспорные следы жизнедеятельности микроорганизмов.

Таким образом, процесс образования примитивных живых существ шел относительно быстро. Ускорению процесса могло способствовать то, что простейшие органические вещества были из нескольких источников: абиогенно образующиеся в первичной атмосфере и в то же время поступающие с оседающей на поверхность планеты космической и вулканической пылью. Подсчитано, что Земля, проходя через пылевое облако в течение 1 млрд. лет, могла получить с космической пылью 10 млрд. т органического материала. Это всего в 300 раз меньше суммарной биомассы современных наземных организмов (3 10 12 т). Вулкан за одно извержение выбрасывает до 1000 т органических веществ.
Согласно гипотезе абиогенного происхождения жизни , жизнь возникла на Земле, когда сложилась благоприятная совокупность физических и химических условий, сделавших возможным абиогенное образование органических веществ из неорганических.

В середине прошлого столетия Л. Пастер окончательно доказал невозможность самозарождения жизни в теперешних условиях. В 20-х годах текущего столетия биохимики А. И. Опарин и Дж. Холдейн предположили, что в условиях, имевших место на планете несколько миллиардов лет назад, образование живого вещества было возможно. К таким условиям они относили наличие атмосферы восстановительного типа, воды, источников энергии (в виде ультрафиолетового (УФ) и космического излучения, теплоты остывающей земной коры, вулканической деятельности, атмосферных электрических явлений, радиоактивного распада), приемлемой температуры, а также отсутствие других живых существ.

Главные этапы на пути возникновения и развития жизни :

1) образовании атмосферы из газов, которые могли бы служить «сырьем» для синтеза органических веществ (метана, оксида и диоксида углерода, аммиака, сероводорода, цианистых соединений), и паров воды;

2) абиогенном (т.е. происходящем без участия организмов) образовании простых органических веществ, в том числе мономеров биологических полимеров - аминокислот, Сахаров, азотистых оснований, АТФ и других мононуклеотидов;

3) полимеризации мономеров в биологические полимеры, прежде всего белки (полипептиды) и нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды);

4) образовании предбиологических форм сложного химического состава - протобионтов, имеющих некоторые свойства живых существ;

5) возникновении простейших живых форм, имеющих всю совокупность главных свойств жизни,-примитивных клеток;

6) биологической эволюции возникших живых существ.

5. Химический состав живых организмов

Основу живого составляют два класса химических соединений - белки и нуклеиновые кислоты . Причем в живых организмах, в отличие от неживого вещества, эти соединения характеризуются так называемой хиральной чистотой. В частности, белки построены только на основе левовращающих (поляризующих свет влево) аминокислот , а нуклеиновые кислоты состоят исключительно из правовращающих сахаров . Эта хиральная чистота сложилась на самых начальных этапах эволюции живого вещества. Считается, что минимальное время глобального перехода от полного хаоса к хиральной чистоте составляет от 1 до 10 млн. лет. Следовательно, в этом смысле зарождение жизни могло произойти на Земле относительно мгновенно за отрезок времени , в 5 тыс. раз меньший предполагаемого возраста планеты.

Белки ответственны прежде всего за обмен веществ и энергии в живой системе, т.е. за все реакции синтеза и распада, осуществляющиеся в любом организме от рождения и до смерти. Нуклеиновые кислоты обеспечивают способность живых систем к самовоспроизведению. Они - основа матрицы, удивительного "изобретения" природы. Матрица представляет своего рода чертеж, т. е. полный набор информации, на основе которого синтезируются видоспецифические молекулы белка.

Помимо белков и нуклеиновых кислот, в состав живых организмов входят липиды (жиры) , углеводы и очень часто аскорбиновая кислота .

В живых системах найдены многие химические элементы, присутствующие в окружающей среде, однако необходимы для жизни лишь около 20 из них. Эти элементы получили название биогенных. В среднем около 70% массы организмов составляет кислород , 18% - углерод , 10% - водород (вещества-органогены). Далее идут азот , фосфор , калий , кальций , сера , магний , натрий , хлор ,железо . Эти так называемые универсальные биогенные элементы, присутствующие в клетках всех организмов, нередко называют макроэлементами .

Часть элементов содержится в организмах в крайне низких концентрациях (не выше тысячной доли процента), но они также необходимы для нормальной жизнедеятельности. Это биогенные микроэлементы . Их функции и роль весьма разнообразны. Многие микроэлементы входят в состав ряда ферментов , витаминов , дыхательных пигментов , некоторые влияют на рост, скорость развития, размножение и т. д.

Присутствие в клетках целого ряда элементов зависит не только от особенностей организма, но и от состава среды, пищи, экологических условий, в частности от растворимости и концентрации солей в почвенном растворе. Резкая недостаточность или избыточность биогенных элементов приводит к ненормальному развитию организма или даже к его гибели. Добавки биогенных элементов в почву для создания их оптимальных концентраций широко используются в сельском хозяйстве.

Минеральные элементы, называемые также биоэлементами, в организме человека играют важную роль:
являются строительным материалом (кальций, фосфор, железо);
регулируют многие биохимические процессы в ходе обмена веществ (калий, натрий, йод, хлор, медь, марганец, селен и другие);
принимают участие в процессе свертывания крови (кальций);
поддерживают водный баланс организма (натрий, калий);
влияют на сохранение кислотно-щелочного равновесия;
входят в состав ферментов (энзимов).

Биоэлементы подразделяются на две группы:
Макроэлементы, присутствующие в больших количествах в пище (до нескольких процентов сухой массы) и необходимые организму в конкретных весовых количествах для правильного его функционирования.
Микроэлементы, необходимые организму в следовых количествах (порядка от 10-2 до 10-11% живой массы организма). Они очень важны для метаболических процессов и выработки гормонов и энзимов.
(дополнительно еще материал) Все живые организмы избирательно относятся к окружающей среде. Состав химических элементов живых систем отличаются от химических элементов земной коры. В земной коре O,Si,Al,Na,Fe,K,в живых организмах H,O,C,N. Всех других элементов менее 1%. В любом живом организме можно найти все элементы окружающей среды, правда, в разном количестве. Однако это не означает, что они необходимы. Необходимы 20 химических элементов – тех, без которых живая система обойтись не может. В зависимости от окружающей среды и обмена веществ набор этих веществ разный. Некоторые химические элементы входят в состав всех живых организмов (универсальные химические элементы) H,C,N,O.Na,Mg,P,S,Ca,K,Cl,Fe,Cu,Mn,Zn,B , V , Si , Co , Mo . Кремнийвходит в состав мукополисахаридов соединительной ткани.

В состав живых организмов входят 4 элемента, которые удивительно подошли для выполнения функций живого: О,С,Н,N. Они обладают общим свойством: они легко образуют ковалентные связи посредством спаривания электронов. Атомы С обладают свойством: могут соединяться в длинные цепи и кольца, с которыми могут связываться другие химические элементы. Соединений С очень много. Ближе всего к углероду кремний, но С образует СО2, который широко распространен в природе и доступен всем, а оксид кремния - элемент песка (нерастворим).

Макромолекулы – нуклеиновые кислоты, белки, полипептиды, липиды, полисахариды – полимеры, образованные мономерами, соединенными ковалентными связями. Любой живой организм на 90% состоит из 6 химических элементов – С,О,Н,Р,N,S – биоэлементы (биогенные элементы).

Клетка

Все живые организмы используют общие материалы для жизнедеятельности. Используются около 120 (20 аминокислот, 5 азотистых оснований, 4 класса липидов, малых молекул – простых кислот, воды, фосфатов – 70). Это продукты химической эволюции (органические соединения живых систем и компоненты неживой материи).

6. Биологическая роль воды

Без воды жизнь на нашей планете не могла бы существовать. Вода важна для живых организмов по двум причинам. Во-первых, она является необходимым компонентом живых клеток, и, во-вторых, для многих организмов она служит еще и средой обитания. Именно поэтому следует сказать несколько слов о ее химических и физических свойствах.

Свойства эти довольно необычны и обусловлены главным образом малыми размерами молекул воды , их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями. Под полярностью подразумевают неравномерное распределение зарядов в молекуле. У воды один конец молекулы («полюс») несет небольшой положительный заряд, а другой - отрицательный. Такую молекулу называют диполем. У атома кислорода способность притягивать электроны выражена сильнее, чем у водородных атомов, поэтому атом кислорода в молекуле воды стремится оттянуть к себе электроны двух водородных атомов. Электроны заряжены отрицательно, в связи с чем атом кислорода приобретает небольшой отрицательный заряд, а водородные атомы - положительный.

В результате между молекулами воды возникает слабое электростатическое взаимодействие и, поскольку противоположные заряды притягиваются , молекулы как бы «склеиваются». Эти взаимодействия, более слабые, чем обычные ионные или ковалентные связи, называются водородными связями. Водородные связи постоянно образуются, распадаются и вновь возникают в толще воды. И хотя это слабые связи, но их совокупный эффект обусловливает многие необычные физические свойства воды. Учитывая данную особенность воды, мы можем теперь перейти к рассмотрению тех ее свойств, которые важны с биологической точки зрения.

Водородные связи между молекулами воды. А. Две молекулы воды, соединенные водородной связью-6+ - очень маленький положительный заряд; 6 - очень маленький отрицательный заряд. Б. Сеть из молекул воды, удерживаемых вместе водородными связями. Такие структуры постоянно образуются, распадаются и вновь возникают в воде, находящейся в жидком состоянии.

Лошади