Объекты живой природы состоят из «неживых» молекул. Если эти молекулы выделить и каждый их вид исследовать в отдельности, то можно убедиться, что они подчиняются всем законам физики и химии, описывающим поведение неодушевленной материи. Тем не менее живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в скоплениях неживых молекул. Если мы поближе познакомимся с этими особыми свойствами, то нам станут более понятны те основные вопросы, ответы на которые пытается найти биохимия.
1.1. Для живой материи характерны некоторые отличительные особенности
Одна из наиболее примечательных особенностей живых организмов - это их сложность и высокая степень организации. Они характеризуются усложненным внутренним строением и содержат множество различных сложных молекул. Живые организмы представлены миллионами разных видов, тогда как окружающая нас неживая материя - глина, песок, камни, вода - состоит из неупорядоченных смесей сравнительно простых химических соединений.
Вторая особенность живых организмов заключается в том, что любая составная часть организма имеет специальное назначение и выполняет строго определенную функцию. Это относится не только к макроскопическим структурам и, в частности, к органам, таким, как сердце, легкие или мозг, но и к микроскопическим внутриклеточным структурам, таким, как клеточное ядро. Даже индивидуальные химические соединения, содержащиеся в клетке, например белки или липиды, наделены специальными функциями. Поэтому вполне правомерен вопрос о том, для какой цели понадобилась живому организму та или иная молекула или химическая реакция, тогда как спрашивать о функции различных химических соединений, входящих в состав неживой материи, абсолютно бессмысленно.
Третья особенность живого, благодаря которой мы ближе подходим к сути жизненных процессов, состоит в том, что живые организмы обладают способностью извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей их среды - либо в форме органических питательных веществ, либо в виде энергии солнечного излучения. Эта энергия позволяет организмам создавать собственные богатые энергией сложные структуры и поддерживать их целостность. Кроме того, за счет этой энергии организмы выполняют механическую работу при передвижении; она также дает возможность осуществлять перенос различных веществ через мембраны. Живые организмы никогда не бывают в состоянии равновесия - это касается как процессов, идущих в самих организмах, так и их взаимодействия с окружающей средой. Неживая материя, напротив, неспособна к целенаправленному использованию энергии для поддержания своей структуры и выполнения работы.
Рис. 1-1. Некоторые характерные особенности живой материи - «признаки жизни». А. Поперечный срез фотосинтезирующей клетки, на котором видна ее тонкая и сложная структура: темные образования - это хлоропласты, содержащие тысячи молекул хлорофилла, ориентированных так, чтобы они могли улавливать солнечную энергию. Б. Длинный хоботок бабочки бражника в результате длительной биологической эволюции оказался приспособленным к извлечению нектара из цветков с длинным раструбом. В. Дельфины, питающиеся мелкой рыбой, преобразуют химическую энергию пищевых продуктов в мощные импульсы мышечной энергии. Г. Биологическое сомовоспроизведение происходит с почти идеальной точностью.
Предоставленная самой себе, она постепенно разрушается и со временем переходит в неупорядоченное состояние; при этом устанавливается равновесие с окружающей средой.
Но самая поразительная особенность живых организмов - это их способность к точному самовоспроизведению - свойство, которое можно считать поистине квинтэссенцией живого состояния. Известные нам смеси веществ, входящие в состав неодушевленных предметов, не проявляют способности к росту и воспроизведению, обеспечивающему сохранение из поколения в поколение одинаковой формы, массы и внутренней структуры этих предметов.
– целостная система компонентов, выполняющих определенную функцию в живых системах. К биологическим системам относятся сложные системы разного уровня организации: биологические макромолекулы, субклеточные органеллы, клетки, органы, организмы, популяции .
Признаки биологических систем
– критерии, отличающие биологические системы от объектов неживой природы:
1. Единство химического состава . В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В неживой природе самыми распространенными элементами являются кремний, железо, магний, алюминий, кислород. В живых же организмах 98% элементарного (атомного) состава приходится на долю всего четырех элементов: углерода, кислорода, азота и водорода.
2. Обмен веществ
.
К обмену веществ с окружающей средой способны все живые организмы. Они поглощают из среды элементы питания и выделяют продукты жизнедеятельности. В неживой природе также существует обмен веществами, однако при небиологическом круговороте они просто переносятся с одного места на другое или меняют свое агрегатное состояние: например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед и др. У живых же организмов обмен веществ имеет качественно иной уровень. В круговороте органических веществ самыми существенными являются процессы синтеза и распада (ассимиляция и диссимиляция – см. дальше), в результате которых сложные вещества распадаются на более простые и выделяется энергия, необходимая для реакций синтеза новых сложных веществ.
Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава всех частей организма и как следствие – постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.
3. Самовоспроизведение (репродукция, размножение) – свойство организмов воспроизводить себе подобных. Процесс самовоспроизведения осуществляется практически на всех уровнях жизни. Существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени, поэтому поддержание жизни связано с самовоспроизведением. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур, обусловленное информацией, заложенной в нуклеиновой кислоте – ДНК, которая находится в родительских клетках.
4. Наследственность – способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Наследственность обеспечивается стабильностью ДНК и воспроизведением ее химического строения с высокой точностью. Материальными структурами наследственности, передаваемыми от родителей потомкам, являются хромосомы и гены.
5. Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства; в ее основе лежат изменения материальных структур наследственности. Это свойство как бы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней. Изменчивость поставляет разнообразный материал для отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.
6. Рост и развитие.
Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта, изменяется его состав или структура. Развитие живой формы материи представлено индивидуальным развитием (онтогенезом
) и историческим развитием (филогенезом
). Филогенез всего органического мира называют эволюцией
.
На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организмов. В основе этого лежит поэтапная реализация наследственных программ. Индивидуальное развитие часто сопровождается ростом – увеличением линейных размеров и массы всей особи и ее отдельных органов за счет увеличения размеров и количества клеток.
Историческое развитие сопровождается образование новых видов и прогрессивным усложнением жизни. В результате эволюции возникло все многообразие живых организмов на Земле.
7. Раздражимость
– это специфические избирательные ответные реакции организмов на изменения окружающей среды. Всякое изменение окружающих организм условий представляет собой по отношению к нему раздражение, а его ответная реакция является проявлением раздражимости. Отвечая на воздействия факторов среды, организмы взаимодействуют с ней и приспосабливаются к ней, что помогает им выжить.
Реакции многоклеточных животных на раздражители, осуществляемые и контролируемые центральной нервной системой, называются рефлексами
. Организмы, не имеющие нервной системы, лишены рефлексов, и их реакции выражаются в изменении характера движения (таксисы
) или роста (тропизмы
).
8. Дискретность
(от лат. discretus
– разделенный). Любая биологическая система состоит из отдельных изолированных, то есть обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее, тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Так, любая особь состоит из отдельных клеток с их особыми свойствами, а в клетках также дискретно представлены органоиды и другие внутриклеточные образования.
Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления системы путем замены износившихся структурных элементов без прекращения функционирования всей системы в целом.
9. Саморегуляция (авторегуляция) – способность живых организмов поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов (гомеостаз ). Саморегуляция осуществляется благодаря деятельности нервной, эндокринной и некоторых других регуляторных систем. Сигналом для включения той или иной регуляторной системы может быть изменение концентрации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы.
10. Ритмичность
– свойство, присущее как живой, так и неживой природе. Оно обусловлено различными космическими и планетарными причинами: вращением Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, фазами Луны и т.д.
Ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов через определенные равные промежутки времени. Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих и многие другие. Ритмичность направлена на согласование функций организма с периодически меняющимися условиями жизни.
11. Энергозависимость. Биологические системы являются «открытыми» для поступления энергии. Под «открытыми» понимают динамические, т.е. не находящиеся в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним веществ и энергии извне. Живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают из окружающей среды энергия и вещества в виде пищи. В большинстве случаев организмы используют энергию Солнца: одни непосредственно – это фотоавтотрофы (зеленые растения и цианобактерии), другие опосредованно, в виде органических веществ потребляемой пищи, – это гетеротрофы (животные, грибы и бактерии).
Биология – наука о живых системах, закономерностях и механизмах их возникновения, существования и развития. Предмет биологии. Биологические науки, их задачи, объекты изучения. Значение биологии как базисной дисциплины в подготовке врача.
Термин «биология» введен Ж.Б.Ламарком и Тревиранусом в 1802 году (bios-хизнь).
Биология – наука о жизни, о формах живого, о закономерностях существования и развития органического мира. Объект исследования биологии – живые организмы. Изучаются строение, функции, связи с другими организмами и окружающей средой (в т. ч. неживой природой). Открытия в биологии конца ХХ века сравнимы с открытиями космоса.
Современная биологическая наука образует сложную систему биологических направлений. Есть разные классификации биологических наук.
Палеонтология – наука о вымерших животных и растениях.
Неонтология – изучает ныне живущих организмов.
Классификация по объекту исследования.
Зоология: протозоология – учение о простейших организмах
арахнология – о паукообразных
энтомология – о насекомых
Зоология изучает строение, происхождение, развитие, образ жизни животных.
Ботаника – изучает строение, происхождение, развитие и функции растений (лекарственные и ядовитые растения)
Гидробиология – наука о водных объектах
Вирусология – наука о вирусах
Микробиология – наука о микроорганизмах.
Классификация по свойствам живого.
Морфология – изучает форму, строение организма (анатомия, гистология)
Физиология – изучает процессы, протекающие в живом организме и обмен веществ между организмом и окружающей средой (нормальная физиология, патологическая физиология)
Экология – изучает взаимодействия между организмом и окружающей средой (гигиена с экологией, биология с экологией)
Этология – наука о поведении животных, человека (у человека детерминировано поведение)
Биология клетки – цитология
Биология развития – закономерности развития (ранее – эмбриология)
Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости (кафедра неврологии)
Геронтология – учение о старении организма и борьбе за долголетие
Гериатрия – наука об обмене веществ, протекающем в стареющем организме
Антропология – наука о закономерностях происхождения человека, человеческих рас
Эволюционное учение – изучает закономерности исторического развития.
Существуют смежные дисциплины.
Биохимия – классическая наука о химических реакциях, которые протекают в живых клетках, обеспечивают рост, жизнедеятельность и размножение организмов. Биохимии принадлежит открытие ферментов и их роли.
Биофизика – изучает живые объекты, используя оригинальные физические методы и концепции.
Молекулярная биология (50-е годы ХХ века) – совокупность биохимии, биофизики, классической генетики и биологии. Привела к открытию генетического кода и биосинтеза белка.
Биоорганическая химия – использует приемы и методы органической химии, используется для определения структуры и функций в клетке и их взаимной влиянии. Разработка новых лекарственных средств.
Физико-химическая биология – конец ХХ века – союз биофизики, биохимии, биоорганической химии, молекулярной биологии.
Биоинженерия генная – создание нового организма с заранее заданными свойствами. В настоящее время можно выделить, создать ген или группу генов с интересующим признаком, происходит вживление в другой организм (ген инсулина человека встроен в кишечную палочку).
Геномика – компьютерный анализ генома (в том числе и генома человека) и медицинские приложения (так называемая – медицинская геномика). Используется геномная диагностика, выявляющая предрасположенность к каким – либо заболеваниям человека.
Протеомика – связь между наследственным материалом и проявлением признаков.
Биология взаимодействует практически со всеми науками и используется в технике (биотехнологические приемы, промышленный микробиологический синтез, сыроварение и др.)
Избранный подход способствует формированию у студентов генетического, онтогенетического и экологического образа мышления, совершенно необходимого современному врачу, который связывает здоровье своих пациентов с сочетанным действием трех главных факторов: наследственности, среды жизни и образа жизни.
В соответствии с магистральными направлениями и «зонами прорыва» современной биомедицины наибольшие дополнения и изменения в настоящем издании относятся к разделам генетики, онтогенеза, популяционной биологии человека, антропогенеза.
Для уяснения содержания биологических основ жизнедеятельности и развития человека в их наиболее полном объеме материал излагается соответственно всеобщим уровням организации жизни: молекулярно-генетическому, клеточному, организменному, популяционно-видовому, экосистемному. Наличие перечисленных уровней отражает структуру и необходимые условия процесса исторического развития, в связи с чем присущие им закономерности проявляют себя более или менее типичным образом во всех без исключения живых формах, включая человека.
Велика роль курса биологии не только в естественнонаучной, но и в мировоззренческой подготовке врача. Предлагаемый материал учит разумному и осознанно внимательному отношению к окружающей природе, себе самому и окружающим как части этой природы, способствует выработке критической оценки последствий воздействия человека на среду обитания. Биологические знания воспитывают бережное и уважительное отношение к детям и лицам преклонного возраста. Открывшаяся на рубеже веков в связи с развитием геномики возможность активно и фактически произвольно изменять генетическую конституцию людей неизмеримо увеличивает ответственность врача, требуя от него неукоснительного следования этическим нормам, гарантирующим соблюдение интересов пациента. Это важнейшее обстоятельство также находит отражение в учебнике.
2.Человек как объект биологии. Значение биологического и социального наследства человека для медицины. На планете среди других существ люди занимают особое место, т.к. они приобрели социальную сущность. Это значит, что уже не биологические механизмы, а общественное производство, труд обеспечивают выживание, всесветное расселение, благополучие человека. Но социальность не противопоставляет людей всем остальным. Человечество подчиняется законам общественного, а не биологического развития. Человечество составляет своеобразный, но неотъемлемый компонент биосферы. Благодаря животному происхождению ж/д. человеческого организма основывается на фундаментальных биологических механизмах, которые составляют его биологическое наследство. Биологическое наследство играет роль в патологии человека. Патолог 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.
Человек сочетает в себе биологическое и социальное. 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 ж/д и развития.
3.Развитие представлений о сущности жизни. Определение жизни с позиций системного подхода. Свойства живого.
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).
Любой живой организм на 90% состоит из 6 химических элементов – С, О, Н, Р,N,S – биоэлементы (биогенные элементы).
Все живые организмы используют общие материалы для жизнедеятельности. Используются около 120 Это продукты химической эволюции (органические соединения живых систем и компоненты неживой материи).
Жизнь по своей природе материальна, но не любая материя является живой.
Жизнь – особая форма материи. Живым организмам присущи специфические функции, свойства и закономерности.
Свойства живой материи
Репродукция (самовоспроизведение, размножение)
Обмен веществ
Раздражимость
Саморегуляция
Гомеостаз
Наследственность
Изменчивость
Ритмичность
Постоянная связь с внешней средой
Эволюционный критерий.
Гомеостаз - поддержание постоянства внутренней среды организма в непрерывно меняющихся условиях внешней среды. Обмен веществ присущ всем живым организмам, поэтому это свойство легко легло в основу экологического определения жизни.
1. Определённый единый химический состав. Живые организмы состят из тех же веществ, что и объекты неживой природы,
но соотношение этих элиментов различно.
Основными элементами живых существ являются C(углерод), O(кислород), N(азот) и H(водород).
2. Обмен веществ и энергозависимость. Живые организмы являются открытой системой,
они зависят от поступления в них веществ и энергии из окружающей среды.
3. Самовоспроизведение. Живые организмы способны размножаться - воспроизводить себе подобных.
4. Наследственность. Способность передавать признаки и свойства (наследственную информацию) из поколения в поколение с помощью молекул ДНК и РНК.
5. Изменчивость. Способность приобретать новые признаки и свойства.
6. Способность к росту и развитию.
а) Онтогенез. Индивидуальное развитие от зарождения организма и до конца жизни
(смерти или нового деления), сопровождается ростом, свойственен каждой особи.
б) Филогенез. Эволюционное развитие, заключается в историческом развитии
жизни на Земле с момента её появления до настоящего времени.
7. Раздражимость. Живые организмы способны отвечать на определённые внешние воздействия (изменение окружающей среды) специфическими реакциями.
8. Целостность и дискретность. Вся материя целостна, определённым образом организована и подчиняема общим законом,
однако же и состоит из обособленных, хотя и связанных элементов.
Саморегуляция. Способность поддерживать гомеостаз - постоянство своего химического состава.
Адаптация. Способность организмов приспосабливаться к окружающей среде.
Ритмичность. Проявление особой ритмичности жизнедеятельности (суточная, сезонная и др.)
Иерархичность. Нахождение всех живых материй в особом соподчинении друг друга,
в котором биологические системы менее сложного уровня даёт возможность существования систем более сложных.
Клеточное строение имеют все живые организмы за исключением вирусов.вых существ.
14. Научные методы исследования
два основных уровня научного познания: эмпирический и теоретический
Эмпирический уровень познания включает в себя
Наблюдение явлений,
Накопление и отбор фактов
Установление связей между ними.
Эмпирический уровень - это этап сбора данных (фактов) о социальных и природных объектах
Теоретический уровень познания связан с преобладанием мыслительной деятельности, с осмыслением эмпирического материалв, его переработкой. На теоретическом уровне раскрывается
Внутренняя структура и закономерности развития систем и явлений
Их взаимодействие и обусловленность.
Общие методы научного познания обычно делят на две большие группы:
методы эмпирического исследования (наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент);
методы теоретического исследования (абстрагирование, анализ и синтез, идеализация, индукция и дедукция, мысленное моделирование, восхождение от абстрактного к конкретному и др.).
Методы эмпирического исследования
наблюдение,
сравнение,
измерение,
эксперимент
материальное моделирование
Наблюдение
Mетоды, используемые на теоретическом уровне исследований
К таким методам принято относить
абстрагирование,
аксиоматический,
анализ и синтез,
идеализация,
индукцию и дедукцию,
мысленное моделирование,
восхождение от абстрактного к конкретному