Критерии и уровни организации живого

Живые системы обладают рядом отличительных признаков и свойств – критериями живого:

1. Единство химического состава – соотношение химических элементов в живом и неживом неодинаково, в живых организмах 98% приходится на биогенные элементы (углерод, водород, азот, кислород, фосфор, серу), из которых состоят углеводы, белки, жиры, нуклеиновые кислоты..

2. Обмен веществ и энергии. Живые организмы – открытые системы, их жизнедеятельность осуществляется в результате процессов синтеза веществ (ассимиляции, анаболизма) и их распада (диссимиляции, катаболизма).

3. Самовоспроизведение. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т.е. образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. Следовательно, самовоспроизведение – одно из основных свойств живого, тесно связанное с явлением наследственности.

4. Наследственность – способность организмов передавать из поколения в поколение признаки, свойства, особенности развития.

5. Изменчивость – способность организмов приобретать новые свойства, видоизменяться и существовать в различных формах.

6. Рост и развитие. Способность к развитию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов живой природы. В результате развития возникает новое качественно состояние объекта, вследствие которого изменяется его состав и структура.

7. Раздражимость – способность организма отвечать на внешнее воздействие специфическими ответными реакциями.

8. Способность к движению. Способность активно передвигаться характерна в основном для животных, но и растения, и грибы осваивают новое пространство за счет процессов роста и распространения семян, спор или вегетативных органов.

9. Саморегуляция тесно связано с понятием «гомеостаз». Гомеостаз – поддержание относительного постоянства внутренней среды организма.

10. Дискретность. Любая биологическая система состоит из отдельных изолированных, обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство

В связи с этим можно выделить следующие уровни организации живой материи:

1. Молекулярный – представлен молекулами биополимеров: белков и нуклеиновых кислот; на этом уровне происходит копирование и передача наследственной информации.

2. Субклеточный – представлен структурами клетки – органеллами, цитоплазмой, мембраной и т.д.

3. Клеточный. Клетка – структурно-функциональная единица живого.

4. Тканевой. Ткань – совокупность клеток, объединенных общностью строения, происхождения, выполняемыми функциями.

5. Органный. Данный уровень представлен органами и их системами.

6. Организменный. Элементарная единица этого уровня – особь.

7. Популяционно-видовой. Популяция – совокупность особей одного вида, обитающих на общей территории и дающих плодовитое потомство. Вид – совокупность особей, обладающих сходным строением, единством генетического состава и возможностью самовоспроизведения.

8. Биоценотический. Биоценоз (сообщество) – совокупность популяций разных видов, обитающих на одной территории и вступающих в определенные отношения друг с другом. Биоценоз в совокупности с биотопом (неживые условия среды) образуют биогеоценоз, или экосистему.

9. Биосферный. Биосфера – глобальная экосистема, совокупность всех живых организмов вместе со средой их обитания

8.2. Клетка – структурно-функциональная единица живого

Клетка – наименьшая структура, обладающая всеми критериями живого: она растет, развивается, размножается и передает по наследству признаки, реагирует на внешние раздражители и способна к движению. Усилиями ученых М.Шлейдена и Т. Шванна в 1838-1839 гг. была создана клеточная теория, дополненная Р.Вирховым.

В настоящее время клеточная теория включает в себя следующие положения:

1. Клетка – элементарная единица живого, способная к самообновлению, саморегуляции, самовоспроизведению и являющаяся единицей строения, функционирования и развития живых организмов.

2. Клетки всех живых организмов сходны по составу, строению и основным проявлениям жизнедеятельности.

3. Размножение клеток происходит путем деления исходной материнской клетки.

4. В многоклеточном организме клетки специализируются по функциям и образуют ткани, из которых построены органы и их системы, связанные между собой межклеточными, гуморальными и нервными способами регуляции.

Различают два основных типа организации клеток: прокариотический и эукариотический. Прокариотические клетки наиболее просто организованы, не имеют обособленного ядра (табл. 1). К прокариотам относятся архебактерии, эубактерии, цианобактерии (сине-зеленые водоросли). Эукариотические клетки представляют более высокий тип клеточной организации, они имеют обособленное ядро и представлены клетками растений, грибов и животных.

Сравнительная характеристика прокариотических и эукариотических клеток

Таблица 1

Прокариотические клетки	Эукариотические клетки
Малые размеры (0,5-3 мкм)	Более крупные размеры (10 мкм)
Отсутствует обособленное ядро	Имеется обособленное ядро
Генетический материал в виде кольцевой ДНК, не связанной с белками	Генетический материал в виде хромосом (ДНК + белки-гистоны)
Отсутствует развитая сеть мембран, нет мембранных органелл	Развита сеть мембран, имеются мембранные органеллы
Рибосомы – 70S*	Рибосомы – 80S*
Отсутствует клеточный центр	Имеется клеточный центр (искл. – высшие растения)
Не характерно внутриклеточное движение цитоплазмы	Характерно внутриклеточное движение цитоплазмы

* - коэффициент седиментации, указывает на скорость осаждения при ультрацентрифугировании, зависит от молекулярной массы и формы частиц.

Строение эукариотической клетки. Типичная эукариотическая клетка состоит из трех компонентов: цитоплазматической мембраны (плазмалеммы), цитоплазмы и ядра (рис. 12).

Плазмалемма – двойной слой фосфолипидов с встроенными в него белками. Мембрана выполняет важные и весьма разнообразные функции: определяет и поддерживает форму клетки; защищает клетку от механических воздействий, проникновения повреждающих биологических агентов; осуществляет рецепцию многих молеку-лярных сигналов (например, гормонов); ограничивает внутреннее содержимое клетки; регулирует обмен веществ между клеткой и окружающей средой, обеспечивая постоянство внутриклеточного состава; участвует в формировании межклеточных контактов.

Рис. 12. Схема строения эукариотических клеток.

Цитоплазма представляет собой внутреннее содержимое клетки и состоит из гиалоплазмы и находящихся в нем разнообразных внутриклеточных структур. Гиалоплазма (матрикс) – это водный раствор неорганических и органических веществ, способный изменять свою вязкость и находящиеся в постоянном движении.

Цитоплазматические структуры клетки представлены включениями и органоидами. Включения – относительно непостоянные, встречающиеся в клетках некоторых типов в определенные моменты жизнедеятельности, например, в качестве запаса питательных веществ (зерна крахмала, белков, капли гликогена) или продуктов подлежащих выделению из клетки. Органоиды – постоянные и обязательные компоненты большинства клеток, имеющим специфическую структуру и выполняющим жизненно важную функцию.

Эндоплазматическая сеть. Вся внутренняя зона цитоплазмы заполнена многочисленными мелкими каналами и полостями, стенки которых представляют собой мембраны, сходные по своей структуре с плазматической мембраной. Эти каналы ветвятся, соединяются друг с другом и образуют сеть, получившую название эндоплазматической сети. Эндоплазматическая сеть неоднородна по своему строению. Известны два ее типа - гранулярная и гладкая. На мембранах каналов и полостей гранулярной сети располагается множество мелких округлых телец - рибосом, которые придают мембранам шероховатый вид. Мембраны гладкой эндоплазматической сети не несут рибосом на своей поверхности. Основная функция гранулярной эндоплазматической сети - участие в синтезе белка, который осуществляется в рибосомах. На мембранах гладкой эндоплазматической сети происходит синтез липидов и углеводов. Эндоплазматическая сеть связывает между собой основные органоиды клетки.

Аппарат Гольджи. В состав аппарата Гольджи входят полости, ограниченные мембранами и расположенные группами (по 5-10) и крупные и мелкие пузырьки, расположенные на концах полостей.
Аппарат Гольджи выполняет много важных функций. По каналам эндоплазматической сети к нему транспортируются продукты синтетической деятельности клетки - белки, углеводы и жиры. Все эти вещества сначала накапливаются, а затем в виде крупных и мелких пузырьков поступают в цитоплазму и либо используются в самой клетке в процессе ее жизнедеятельности, либо выводятся из нее и используются в организме.

Митохондрии. Оболочка митохондрии состоит из двух мембран - наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, она не образует никаких складок и выростов. Внутренняя
мембрана, напротив, образует многочисленные складки, которые направлены в полость митохондрии. Складки внутренней мембраны называют кристами. Митохондрии называют «силовыми станциями» клеток» так как их основная функция - синтез аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), универсального источника энергии, необходимого для осуществления процессов жизнедеятельности клетки и целого организма.

Пластиды. В цитоплазме клеток всех растений находятся пластиды. В клетках животных пластиды отсутствуют. Различают три основных типа пластид: зеленые - хлоропласты; красные, оранжевые и желтые - хромопласты; бесцветные - лейкопласты. В пластидах, как и митохондриях, имеется две мембраны: наружная (гладкая) и внутренняя, образующая выпячивания (ламеллы и тилакоиды). В хлоропластах имеется хлорофилл, основная их функция – фотосинтез.

Лизосомы - небольшие округлые тельца. Внутри лизосомы находятся ферменты, расщепляющие белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Обладая способностью к активному перевариванию пищевых веществ, лизосомы участвуют в удалении отмирающих в процессе жизнедеятельности частей клеток, целых клеток и органов.

Вакуоль – органелла, отграниченная от цитоплазмы мембраной – тонопластом. В животных клетках могут наблюдаться небольшие вакуоли, выполняющие фагоцитарную, пищеварительную, сократительную и другие функции. Растительные клетки имеют одну большую центральную вакуоль. Жидкость, заполняющая её, называется клеточным соком. Это концентрированный раствор сахаров, минеральных солей, органических кислот, пигментов и других веществ. Вакуоли накапливают воду, могут содержать красящие пигменты, защитные вещества, ферменты, запасные питательные вещества.

Обязательными для большинства клеток являются также органоиды, не имеющие мембранного строения. К ним относятся рибосомы, микрофиламенты, микротрубочки, клеточный центр.

Рибосомы обнаружены в клетках всех организмов. Это
микроскопические тельца округлой формы диаметром 15-20 нм. Каждая рибосома состоит из двух неодинаковых по размерам частиц, малой и большой. В состав рибосом входят белки и РНК. Функция рибосом - это синтез белка.

Микротрубочки и микрофиламенты – нитевидные структуры, состоящие из различных сократительных белков и обуславливающие двигательные функции клетки. Микротрубочки имеют вид полых цилиндров, стенки которых состоят из белков – тубулинов. Микрофиламенты представляют собой очень тонкие, длинные, нитевидные структуры, состоящие из актина и миозина. Микротрубочки и микрофиламенты пронизывают всю цитоплазму клетки, формируя её цитоскелет.

Клеточный центр. Основную часть клеточного центра составляют два маленьких тельца - центриоли, расположенные в небольшом участке уплотненной цитоплазмы. Каждая центриоль имеет форму цилиндра длиной до 1 мкм. Центриоли играют важную
роль при делении клетки; они участвуют в образовании веретена деления.

Ядро – наиболее важный компонент эукариотических клеток.
В состав ядра входят ядерная оболочка и кариоплазма, содержащая хроматин (хромосомы) и ядрышки. Ядерная оболочка образована двумя мембранами (наружной и внутренней) и содержит многочисленные поры, через которые между ядром и цитоплазмой происходит обмен различными веществами. Кариоплазма (нуклеоплазма) представляет собой гелеобразный раствор, в котором находятся разнообразные белки, нуклеотиды, ионы, а также хромосомы и ядрышко. Ядрышко – небольшое округлое тельце, интенсивно окрашивающееся и обнаруживающееся в ядрах неделящихся клеток. Функция ядрышка – сборка субчастиц рибосом.

Хроматин образован молекулами ДНК в комплексе с белками. В процессе деления клеток происходит спирализация ДНК и хроматиновые структуры образуют хромосомы. Обычно в ядрах клеток тела (соматических) хромосомы представлены парами, в половых клетках они не парны. Одинарный набор хромосом в половых клетках называют гаплоидным (n), двойной набор хромосом в соматических клетках - диплоидным (2n). Диплоидный набор хромосом клеток конкретного вида живых организмов, характеризующийся числом, величиной и формой хромосом, называют кариотипом.

Несмотря на единый принцип строения, между клетками эукариотических организмов разных царств имеются различия (табл. 2).

Сравнительная характеристика эукариотических клеток

Таблица 2

Признак	Клетки
Грибов	Растений	Животных
Клеточная стенка	Из хитина	Из целлюлозы	Нет
Крупная вакуоль	Есть	Есть	Нет
Хлоропласты	Нет	Есть	Нет
Способ питания	Гетеротрофный	Автотрофный	Гетеротрофный
Центриоли	У некоторых видов	У низших растений, мхов, папоротников	Есть
Резервный питательный углевод	Гликоген	Крахмал	Гликоген

Рост и размножение организмов связаны с делением клеток. Существует два основных способа деления клеток. Митоз — это такое де­ление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с наборами хромосом, идентичными наборам ро­дительской клетки. Например, за счет процессов митоза у человека постоянно возобновляется слущивающийся эпителий кожи. Мейоз — это деление клеточного ядра с образова­нием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро. За счет мейотического деления из диплоидных клеток образуются гаплоидные половые клетки, которые при слиянии (оплодотворении) восстанавливают диплоидный набор хромосом в одноклеточном зародыше – зиготе.