Обмен веществ и превращения энергии — свойства живых организмов

Обмен веществ (метаболизм) – это химические процессы, являющиеся жизнью.

Базовой основой процесса жизни является синтез собственных веществ из продуктов расщепления полученных. Рассматриваются две разновидности метаболитических процессов:

• пластический обмен – анаболизм или синтез, при котором происходит накопление потенциальной энергии в виде химических связей.
• энергетический обмен – катаболизм, представляющий собой разложение веществ, с выделением энергии при разрыве связей.

Обе группы взаимосвязаны. Для синтеза нужна энергия, ее организм получает посредством катализа (расщепления).

Получение энергии посредством катализа

Жизнь возможна за счет использования химической и световой энергии. Автотрофные растения синтезируют глюкозу с помощью солнечного света из воды и углекислого газа. Многие бактерии живут за счет хемосинтеза – процесса окисления неорганических веществ, используя серные, азотные, углеродные соединения. Грибы и животные получают энергию и материю для синтеза, потребляя созданные растениями сахара и другие органические соединения. Некоторые организмы могут иметь смешанные виды питания и являться миксотрофами – эвглена, росянка.

Очень важна роль ферментов – они ускоряют химические реакции до необходимых для поддержания жизнедеятельности скоростей, в сотни тысяч раз. Без них жизнь невозможна, из-за низких скоростей химических реакций. Ферменты имеют белковую структуру, каждый является катализатором одного вида реакций. Свойства ферментов определяются их структурой – в молекуле белка-фермента имеется активный центр, взаимодействующий с целевыми химическими веществами.

Уровень активности ферментов определяется различными параметрами:

• Температурой. С ее ростом активность повышается.
• Кислотностью среды. Для работы большей части ферментов необходима нейтральная среда, кислая — предпочтительна для пищеварения млекопитающих, щелочная — для ферментов секрета поджелудочной железы.
• Количеством субстрата.

Названия белков-ферментов оканчиваются на -аза.

Особенностью энергетического обмена, характерной для аэробных организмов является его поэтапное прохождение. Выделяется три этапа:

• Подготовительный. Это пищеварение, происходящее в пищеварительных вакуолях лизосом простейших, в ЖКТ у многоклеточных. Функционально – это процесс разложения макромолекул на мономеры.
• Гликолиз. Происходит в цитоплазме. Это бескислородное превращение глюкозы с ее окислением. Происходит несколько каскадных химических реакций. В их результате из глюкозы получается 2 молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) и 2 молекулы АТФ. Частично выделяющаяся в ходе реакций энергия запасается обратно в АТФ, часть ее – в виде тепла рассеивается в пространство.
• Кислородный этап. Это — каскадный двуступенчатый процесс: цикл Кребса с последующим окислительным фосфорилированием (дыханием). Пируват на этом этапе превращается в углекислый газ и воду с образованием 34 молекул АТФ, а затем образованием еще 2 при дыхании. С химической точки зрения энергетический обмен выглядит как: С6Н12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + 38АТФ.

Другие виды получения энергии

Брожение. Один из основных способов получения энергии простейшими и некоторыми клетками высших животных. При этом, полученный из глюкозы пируват растительными клетками включается в спиртовое брожение, распадаясь на углекислый газ и спирт. У животных пируват вступает в молочнокислое брожение – он превращается в молочную кислоту. В условиях недостатка кислорода мышечные клетки прибегают к менее эффективному, но более быстрому способу синтеза АТФ. Излишки молочной кислоты, не успевающие включиться в метаболизм из-за недостатка кислорода вызывают боль в мышцах. Существуют еще такие виды брожения, как метановое (способ очистки сточных вод), маслянокислое, уксуснокислое.

Фотосинтез. Был доказан в 1630 г голландцем ван Гельмонтом, который обнаружил самостоятельное создание растениями питательных веществ. Изменение состава воздуха растениями доказано в 1771 г Д.Пристли. Сейчас наука рассматривает фотосинтез, как процессы синтеза клетками зеленых растений глюкозы из воды и углекислого газа под воздействием солнечного света.

Хлорофилл представляет собой сложную молекулу, состоящую из, примерно, десятка ароматических пятичленных колец, с магниевыми комплексами.

Достаточно изученная световая фаза фотосинтеза разделяется на несколько этапов:

• полученный извне фотон становится причиной возбуждения молекулы хлорофилла, ее электроны сдвигаются на более высокий уровень;
  электроны подхватываются ионизированным никотинамиддифосфатом, что приводит к его востановлению;
• происходит фотолиз воды — с разложением на ионизированный водород, 4 электрона, молекулу кислорода.

Эта первичная фаза происходит на складчатых образованиях внутреннего мембранного слоя — тилакоидах хлоропластов.Стопки мембран внутри пластиды называются граны.

Во время темновой фотосинтетической фазы между гранами внутри хлоропласта (в строме) производится синтез молекул углеводов, с использованием энергии АТФ никотиамиддифосфата, а также углекислого газа.

Хемосинтез. В условиях отсутствия питательных веществ и солнечного света обитают многие виды хемосинтезирующих бактерий:

• железобактерии – получают энергию, увеличивая степень окисления железа — от двух до трехвалентного.
• водородные – превращают в воду молекулярный водород.
• тионовые – живут за счет окисления тиосульфатов и других соединений серы, а также ее молекулярной формы до серной кислоты. Многие из них могут обитать в экстремально кислых средах, индифферентны к высоким концентрациям тяжелых металлов, выщелачивая их из руд.
• серобактерии – превращают сероводород в чистую серу и соли серной кислоты;
  нитрифицирующие – превращают аммиак в азотную и азотистую кислоты.

Хемосинтетики являются важным звеном круговорота веществ.

Строение клетки. Взаимосвязь строения и функций частей и органоидов клетки — основа её целостности

Клетка является сложной многокомпонентной открытой системой, что значит – она имеет постоянную связь с внешней средой путем обмена энергии и веществ.

Органоиды клеток

Плазматическая мембрана — это двойной слой из фосфолипидов, пронизанный молекулами протеинов. На наружном слое располагаются гликолипиды и гликопротеины. Проницаема избирательно для жидкостей. Функции — защитная, а также связь и взаимодействие клеток меж собой.

Ядро. Функционально – хранит ДНК. Ограничено двойной пористой мембраной, связанной через ЭПС с наружной мембраной клетки. Внутри ядра находится ядерный сок и располагаются хромосомы.

Цитоплазма. Представляет собой гелеобразное полужидкое внутреннее содержимое клетки. Функционально – обеспечивает связь органоидов между собой, является средой их существования.

Ядрышко. Это – собранные вместе части рибосом. Округлое, очень мелкое тело, расположенное в ядре. Функция – синтез рРНК.

Митохондрии. Двумембранный органоид. Внутренняя мембрана собрана в складки, называемые кристами, на них располагаются ферменты, участвующие в реакциях окислительного фосфорилирования, то есть синтеза АТФ, что и является основной функцией.

Рибосомы. Состоят из большей и меньшей субъединиц, не имеют мембран. Функционально – участвуют в сборке белковых молекул.

Эндоплазматический ретикулум (ЭПС). Одномембранная структура во всем объеме цитоплазмы, состоящая из полостей сложной геометрии. На гранулярной ЭПС расположены рибосомы, на гладкой – ферменты для синтеза жиров.

Аппарат Гольджи. Это уплощенные цистернообразные полости мембранной структуры. От них могут отделяться пузырьки с необходимыми для метаболизма веществами. Функции – накопление, преобразование, сортировка липидов и белков, образование лизосом.

Клеточный центр. Это область цитоплазмы, в которой содержатся центриоли – микротрубочки. Их функция – правильное распределение генетического материала при митозе, образование митотического веретена.

Лизосомы. Одномембранные пузырьки с ферментами, участвующие в переваривании макромолекул. Функционально – растворяют крупные молекулы, уничтожают старые структуры в клетке.

Клеточная стенка. Представляет собой плотную оболочку из целлюлозы, осуществляет скелетную функцию у растений.

Пластиды. Мембранные органоиды. Существует 3 вида – хлоропласты, где совершается фотосинтез, хромопласты, содержащие красящие вещества, и лейкопласты, являющиеся хранилищами крахмала.

Вакуоли. Пузырьки, которые в растительных клетках могут занимать до 90% объема клетки и содержать питательные вещества. У животных – вакуоли пищеварительные, сложной структуры, небольшого размера. Отвечают также за выделение ненужных веществ во внешнюю среду.

Микрофиламенты (микротрубочки). Белковые немембранные структуры, отвечающие за движение органоидов и цитоплазмы внутри клетки, появление жгутиков.

Компоненты клетки являются взаимосвязанными пространственно, химически и физически и находятся в постоянном взаимодействии между собой.

Химический состав клетки. Макро- и микроэлементы

Обнаружено, что в клетках живых организмов постоянно содержатся в виде нерастворимых соединений и ионов около 80 химических элементов. Все они подразделяются на 2 большие группы по своей концентрации:

• макроэлементы, содержание которых не ниже 0,01%;
• микроэлементы – концентрация, которых составляет меньше 0,01%.

В любой клетке содержание микроэлементов составляет менее 1%, макроэлементов соответственно — больше 99%.

Макроэлементы:

• Натрий, калий и хлор – обеспечивают многие биологические процессы – тургор (внутреннее клеточное давление), появление нервных электрических импульсов.
• Азот, кислород, водород, углерод. Это основные компоненты клетки.
• Фосфор и сера – важные компоненты пептидов (белков) и нуклеиновых кислот.
• Кальций – основа любых скелетных образований – зубов, костей, раковин, клеточных стенок. Также, участвует в сокращении мышц и свертывании крови.
• Магний – компонент хлорофилла. Участвует в синтезе белков.
• Железо – компонент гемоглобина, участвует в фотосинтезе, определяет работоспособность ферментов.

Микроэлементы содержатся в очень низких концентрациях, важны для физиологических процессов:

• Цинк – компонент инсулина;
• Медь – участвует в фотосинтезе и дыхании;
• Кобальт – компонент витамина В12;
• Йод – участвует в регуляции обмена веществ. Он является важным компонентом гормонов щитовидной железы;
• Фтор – компонент зубной эмали.

Нарушение баланса концентрации микро и макроэлементов приводит к нарушениям метаболизма, развитию хронических болезней. Недостаток кальция – причина рахита, железа – анемия, азота – дефицит протеинов, йода – снижение интенсивности метаболитических процессов.

Расмотрим связь органических и неорганических веществ в клетке, их строение и функции.

В клетках содержится огромное количество микро и макромолекул, относящихся к разным химическим классам.

Неорганические вещества клетки

Вода. От общей массы живого организма она составляет наибольший процент – 50-90% и принимает участие практически во всех процессах жизнедеятельности:

• терморегуляции;
• капиллярных процессах, так как является универсальным полярным растворителем, влияет на свойства межтканевой жидкости, интенсивности обмена веществ. По отношению к воде все химические соединения делятся на гидрофильные (растворимые) и липофильные (растворимые в жирах).

От концентрации ее в клетке зависит интенсивность обмена веществ – чем больше воды, тем быстрее происходят процессы. Потеря 12% воды человеческим организмом – требует восстановления под наблюдением врача, при потере 20% – наступает смерть.

Минеральные соли. Содержатся в живых системах в растворенном виде (диссоциировав на ионы) и нерастворенном. Растворенные соли участвуют в:

• переносе веществ сквозь мембрану. Катионы металлов обеспечивают «калиево-натриевый насос», изменяя осмотическое давление клетки. Из-за этого вода с растворенными в ней веществами устремляется в клетку либо покидает ее, унося ненужные;
• формировании нервных импульсов, имеющих электрохимическую природу;
• сокращении мышц;
• свертывании крови;
• входят в состав белков;
• фосфат-ион – компонент нуклеиновых кислот и АТФ;
• карбонат-ион – поддерживает Ph в цитоплазме.

Нерастворимые соли в виде цельных молекул образуют структуры панцирей, раковин, костей, зубов.

Органические вещества клетки

Общая черта органических веществ – наличие углеродной скелетной цепи. Это биополимеры и небольшие молекулы простой структуры. 

Основные классы, имеющиеся в живых организмах:

Углеводы. В клетках присутствуют различные их виды — простые сахара и нерастворимые полимеры (целлюлоза). В процентном отношении доля их в сухом веществе растений — до 80%, животных – 20%. Они играют важную роль в жизнеобеспечении клеток:

• Фруктоза и глюкоза (моносахара) – быстро усваиваются организмом, включаются в метаболизм, являются источником энергии.
• Рибоза и дезоксирибоза (моносахара) – один из трех основных компонентов состава ДНК и РНК.
• Лактоза (относится к дисахарам) – синтезируется животным организмом, входит в состав молока млекопитающих.
• Сахароза (дисахарид) – источник энергии, образуется в растениях.
• Мальтоза (дисахарид) – обеспечивает прорастание семян.

Также, простые сахара выполняют и другие функции: сигнальную, защитную, транспортную.

Полимерные углеводы – это растворимый в воде гликоген, а также нерастворимые целлюлоза, хитин, крахмал. Они играют важную роль в метаболизме, осуществляют структурную, запасающую, защитную функции.

Липиды или жиры. Они нерастворимы в воде, но хорошо смешиваются между собой и растворяются в неполярных жидкостях (не имеющих в составе кислород, например – керосин или циклические углеводороды относятся к неполярным растворителям). Липиды необходимы в организме для обеспечения его энергией – при их окислении образуется энергия и вода. Жиры очень энергоэффективны – с помощью выделяющихся при окислении 39 кДж на грамм можно поднять груз весом в 4 тонны на высоту в 1 м. Также, жир обеспечивает защитную и теплоизоляционную функцию – у животных толстый его слой способствует сохранению тепла в холодный сезон. Жироподобные вещества предохраняют от намокания перья водоплавающих птиц, обеспечивают здоровый лоснящийся вид и упругость шерсти животных, выполняют покровную функцию у листьев растений. Некоторые гормоны имеют липидную структуру. Жиры входят в основу структуры мембран.

Белки или протеины являются гетерополимерами биогенной структуры. Они состоят из аминокислот, структурными единицами которых являются: аминогруппа, радикал, и карбоксильная группа. Свойства аминокислот и их отличия друг от друга определяют радикалы. За счет амфотерных свойств – могут образовывать между собой связи. Белок может состоять из нескольких или сотен аминокислот. Всего в структуру белков входят 20 аминокислот, их комбинации определяют разнообразие форм и свойств протеинов. Около десятка аминокислот относятся к незаменимым – они не синтезируются в животном организме и их поступление обеспечивается за счет растительной пищи. В ЖКТ белки расщепляются на отдельные мономеры, используемые для синтеза собственных белков.

Структурные особенности белков:

• первичная структура – аминокислотная цепочка;
• вторичная – скрученная в спираль цепочка, где образуются между витками водородные связи;
• третичная – спираль или несколько их, свернутые в глобулу и соединенные слабыми связями;
• четвертичная существует не у всех белков. Это несколько глобул, соединенных нековалентными связями.

Прочность структур может нарушаться, а затем восстанавливаться, при этом белок временно теряет свои характерные свойства и биологическую активность. Необратимым является только разрушение первичной структуры. 

Белки выполняют в клетке множество функций:

• ускорение химических реакций (ферментативная или каталитическая функция, причем каждый из них отвечает за конкретную единственную реакцию);
• транспортная – перенос ионов, кислорода, жирных кислот сквозь клеточные мембраны;
• защитная – такие белки крови как фибрин и фибриноген, присутствуют в плазме крови в неактивном виде,в месте ранений под действием кислорода образуют тромбы. Антитела — обеспечивают иммунитет.
• структурная – пептиды входят частично или являются основой клеточных мембран, сухожилий и других соединительных тканей, волос, шерсти, копыт и ногтей, крыльев и внешних покровов. Актин и миозин обеспечивают сократительную активность мышц;
• регуляторная – белки-гормоны обеспечивают гуморальную регуляцию;
• энергетическая – во время отсутствия питательных веществ организм начинает расщеплять собственные белки, нарушая процесс собственной жизнедеятельности. Именно поэтому после длительного голода организм не всегда может восстановиться без врачебной помощи.

Нуклеиновые кислоты. Их существует 2 – ДНК и РНК. РНК бывает нескольких видов – информационная, транспортная, рибосомная. Открыты щвейцарцем Ф. Фишером в конце 19-го века.

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота. Содержится в ядре, пластидах и митохондриях. Структурно является линейным полимером, образующим двойную спираль из комплементарных цепочек нуклеотидов. Представление о ее пространственной структуре было создано  в 1953 г американцами Д. Уотсоном и Ф. Криком.

Мономерные ее единицы —нуклеотиды, имеющие принципиально общую структуру из:

• фосфат-группы;
• дезоксирибозы;
• азотистого основания (принадлежащие к группе пуриновых – аденин, гуанин, пиримидиновых – тимин и цитозин.)

В структуре полимерной молекулы нуклеотиды объединены попарно и комплементарно, что обусловлено разным количеством водородных связей: аденин+тимин – две, гуанин+цитозин – водородных связей три.

Порядок расположения нуклеотидов кодирует структурные последовательности аминокислот белковых молекул. Мутацией называются изменения порядка нуклеотидов, так как будут кодироваться белковые молекулы другой структуры.

РНК – рибонуклеиновая кислота. Структурными особенностями ее отличия от ДНК являются:

• вместо тиминового нуклеотида – урациловый;
• рибоза вместо дезоксирибозы.

Транспортная РНК – это полимерная цепочка, которая в плоскости свернута в виде листочка клевера, основной ее функцией является доставка аминокислоты к рибосомам.

Матричная (информационная) РНК постоянно образуется в ядре, комплементарно какому-либо участку ДНК. Это — структурная матрица, на основе ее строения на рибосоме будет собираться белковая молекула. От всего содержания молекул РНК этот тип составляет 5%.

Рибосомная – отвечает за процесс составления молекулы белка. Синтезируется на ядрышке. Ее в клетке 85%.

АТФ – аденозинтрифосфорная кислота. Это нуклеотид, содержащий:

• 3 остатка фосфорной кислоты;
• аденин;
• рибозу.

В результате каскадных химических процессов дыхания синтезируется в митохондриях. Основная функция – энергетическая, одна химическая связь в ней содержит почти столько же энергии, сколько получается при окислении 1 г жира.

Многообразие клеток. Прокариоты и эукариоты. Сравнительная характеристика клеток растений, бактерий, грибов

Живые клетки имеют различные формы и размеры. Клетки эукариотов отличаются размерами в десятки раз – от нескольких до сотен мкм, а прокариотические – от половины до 10 мкм.

Основными структурными единицами строения клеток являются:

• Цитоплазма – гелеобразное внутреннее содержимое, называемое еще гиалоплазмой, а также комплекс органоидов и различных включений.
• Органоиды – рибосомы, лизосомы, мембранные структуры, ядро и др.
• Мембрана – внешняя система внутреннего содержимого клекти. Имеет липидно-белковую структуру, проницаемую для химических веществ.

 Прокариоты и эукариоты

Все живые клетки подразделяются на два основных типа, отличающиеся друг от друга размерами и строением: 

• эукариотические и 
• прокариотические. 

Первые из них являются более эволюционно молодыми и обладают более сложной структурой. Отличительные черты эукариотических:

• Четко оформленное и отграниченное мембраной ядро, где располагается ДНК в виде хромосом.
• Наличие мембранных структур – наружная мембрана, ЭПС, комплекс Гольджи и другие.

К ним относятся растения, грибы, животные (включая одноклеточные).

Прокариотические клетки более мелкие по размеру, а также:

• Они не имеют четкой ядерной оболочки, кольцеобразная ДНК хранится в цитоплазме, участок которой называется нуклеоидом.
• Не имеют мембранных органоидов, единственных видом их органоидов являются рибосомы.

Прокариоты – более эволюционно древние, одноклеточные. Это археи (сине-зеленые водоросли) и бактерии.

 Отличия растительных и животных клеток, а также бактерий и грибов

Представители разных царств природы имеют важные различия в строении и жизнедеятельности на уровне клетки:

• Растительные клетки обладают способностью к автотрофному питанию (фотосинтезу), только в них встречаются пластиды. Только для растительных клеток характерно наличие вакуолей – пузырьков с клеточным соком. Запасное вещество растений – крахмал. У них имеется внешняя целлюлозная клеточная твердая стенка.
• Животные клетки питаются гетеротрофно, неспособны к фотосинтезу. У животных вакуоли для запасания веществ не используются, могут быть только органоиды в их форме – сократительные или пищеварительные. Запасное вещество для животных – гликоген. Клеточной стенки нет, вместо нее наружная мембрана, тонкая и гибкая, называется гликокаликсом.
• Грибы. Неспособны к фотосинтезу. Наружная оболочка клеток состоит из хитина.
• Бактерии. Имеют клеточную стенку из муреина. Питание — гетеротрофное или хемотрофное. Клетки небольшого размера, не обладающие ядром.

Уровневая организация и эволюция. Основные уровни организации живой природы. Биологические системы

Жизнь имеет различные уровни организации, выделяемые наукой в иерархическом порядке и отличающиеся по сложности строения и функционирования:

• Клеточный. Клетка признана наименьшей единицей живого. Из более или менее сложных клеток различной структуры состоят все живые организмы, кроме вирусов, выделенных в отдельное царство. Клетка может быть самостоятельным организмом (например, бактерии и простейшие) или составлять ткани сложного организма (тогда клетки могут иметь разное строение, быть приспособленными под конкретные функции). На клеточном уровне могут изучаться многоклеточные организмы, а также строение клеток и сложность их организации у одноклеточных.
• Организменный. На этом уровне изучаются отдельные организмы, к которым относятся как многоклеточные, так и одноклеточные. На этом уровне организации биологическими науками изучаются процессы рождения, роста, питания, морфологические признаки, анатомия.
• Популяционно-видовой. Изучением живого на этом уровне занимаются экология и генетика популяций. Этот уровень рассматривает общности видов и популяций, имеющих собственные отличительные признаки, их взаимодействие между собой, ареалы обитания.
• Биогеоценотический, биосферный. Этот уровень организации живого рассматривает способы взаимодействия между собой популяций разных видов, изучает потоки вещества и энергии, роль факторов внешней среды. На этом уровне жизнь изучается биогеографией, биоценологией, экологией.

Биологические системы

Общими признаками биологических систем были признаны их базовые отличия от неживых. Неживые организмы могут обладать отдельными признаками живых – например реагировать на раздражения на химическом или физическом уровне, двигаться под воздействием внешних сил, расти, как химические кристаллы и т. д. Но живой организм всегда обладает не меньше чем несколькими признаками из следующего списка отличительных черт:

• Клеточное строение, которое характерно только для живых организмов.
• Химический состав. Для живых объектов характерным является строение из сложных органических веществ, их функциональной основой являются белки.
• Наличие метаболизма и превращений энергии. Процесс жизни возможен только за счет химических превращений одних веществ в другие, обмена веществами и энергией с окружающей средой.
• Гомеостаз – это саморегуляция. Сложный комплекс биохимических реакций и физических взаимодействий позволяет живому организму сохранять баланс температуры, количества жидкости, наличия определенных веществ в себе. При серьезных нарушениях этого баланса – организм может погибнуть.
• Раздражимость. Это способность организма реагировать на внешние влияния – изменение температуры, освещенности, прикосновения и прочие. Эта способность помогает организму реагировать на изменения условий среды и сохранять себя в живом состоянии, избегая негативных влияний и используя для жизнеобеспечения позитивные.
• Движение. Не все живые организмы обладают способностью двигаться, некоторые неподвижны в течение всей своей жизни, у других подвижны только формы для размножения, выбрасываемые во внешнюю среду. К ним можно отнести плоды высших растений, споры мхов и папоротников.
• Рост и развитие. Живые организмы обладают ограниченной способностью к росту, кроме растительных, которые увеличиваются в процессе всей жизни. Тем не менее, развитие организма, усложнение и изменение его структуры происходит в течение всего периода существования.
• Воспроизведение. Это базовый признак живого организма. Способность к размножению различными способами – половым, бесполым, вегетативным свойственна только живым организмам.

Эволюция. Появление с течением времени новых форм живого, вследствие изменения их строения и свойств, приспособления к другим условиям среды также относится к базовым отличительным признакам живого.

Биология как наука, её достижения, методы познания живой природы

Отдельной наукой биология стала в 19-м веке, когда термин «биология» начали использовать сразу несколько ученых – Жан Батист Ламарк и Готфрид Рейнхольд Тревиранус в 1802 г и Фридрих Бурдах в 1800. До этого изучением некоторых аспектов живого занимались естественная история и медицина.

Объектом изучения биологии является жизнь в любых ее проявлениях – эволюция, распределение живого на планете, его структура, процессы функционирования, классификация, взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой.

Основой современной биологии являются 5 базовых принципов:

• клеточная теория;
• генетика;
• эволюция;
• гомеостаз;
• энергия.

Методы биологии

Методами биологии называются приемы, используемые учеными для приобретения новых знаний о живых организмах. 

Основным правилом для любого ученого является принцип «ничего не принимать на веру» – каждое явление должно быть точно изучено и о нем должно быть получено достоверное знание.

Методами биологии называют приемы, с помощью которых строится система точного научного знания. К ним относятся:

• Наблюдение. Первое столкновение ученых с чем-то еще не изученным.
• Описание явления, нового организма, его особенностей;
• Систематизация. Это процесс соотнесения нового знания с уже имеющимися системами – определение места вновь открытого организма на древе эволюции, его химического строения, особенностей размножения и других свойств с уже имеющимися системами знания;
• Сравнение. Поиск похожих явлений, изучение уже встречавшихся подобных свидетельств других ученых, описаний и неоконченных исследований;
• Эксперимент. Проведение серий экспериментов для подтверждения или опровержения новой теории или гипотезы.
• Аналитический метод. Подразумевает сбор и сравнение всей информации по какому-либо вопросу.
• Исторический метод. Позволяет изучить закономерности исторического развития организмов, обращаясь к уже имеющемуся знанию.
• Моделирование. Построение и расчет возможных вариантов строения организма, функционирования его органов, его взаимодействия с другими живыми организмами. Это могут быть компьютерные модели, трехмерные модели строения, математический метод. 

Используются универсальные, общие для всех наук правила построения научных теорий:

• наблюдение какого-либо явления, свойства живого организма, его особенности;
• выдвижение гипотезы – как и почему возможен наблюдаемый феномен, его предварительное объяснение на базе ранее известных знаний;
• эксперимент – постоянно ли явление или имеет случайный характер, одинаково ли проявляется при изменении условий эксперимента, какие конкретно условия оказывают на него влияние;
• после экспериментального подтверждения гипотеза становится теорией;
• для проверки теории и поиска точных ответов на вопросы, ученые проводят дополнительные эксперименты.

А также применяются методы, свойственные каждой конкретной науке, для биологии это:

• генеалогический. Поиск предков, соотнесение вновь открытого организма с возможными родственными на древе эволюции;
• культура тканей. Для изучения физиологических особенностей организма, влияния на него различных факторов проводятся исследования образцов его тканей;
• эмбриологический. Изучение процесса развития живого организма до его рождения;
• цитогенетический. Исследования генома и строения клеток;
• биохимический. Химические исследования клеточного содержимого, тканей, внутренней среды и выделений организма.

Биологических методов очень много, кроме вышеперечисленных в науке широко используются: гибридизация, палеонтологический, центрифугирование и многие другие.

Роль биологии в формировании естественнонаучной картины мира

Знания о биосфере помогают человечеству делать прогнозы долгосрочных и краткосрочных процессов на Земле и стараться управлять ими. Так, зная о роли зеленых растений в формировании кислородной среды планеты – человек понимает важность сохранения лесов. Владея знаниями о взаимоотношениях организмов – в настоящее время человечество уже не допускает опасных экспериментов по внесению в устойчивую экосистему новых животных и растений, это даже прописано в международном законодательстве. Таких ошибок, как завоз кроликов в Австралию или енотовидной собаки на Дальний Восток СССР человек уже не допускает. В настоящее время в Калифорнии проблемой стали заносные виды растений, угнетающие реликтовые ценные виды местной флоры.

Биологические науки позволяют решить многие проблемы с обеспечение продовольственной безопасности. Выведение новых сортов растений и видов животных, позволяют повысить урожайность, защитить посевы от вредителей, увеличить производительность сельского хозяйства.  

Генетика и физиология на настоящий момент играют очень важную роль в получении медицинских знаний, способствуя развитию новых методов лечения, созданию лекарств, позволяя победить считавшиеся неизлечимыми заболевания и патологии, а также заранее предупредить и остановить их развитие.

С помощью микробиологии разрабатываются вакцины и сыворотки, новые сорта пищевых продуктов и напитков. 

Дендрология и экология позволяют обеспечить восполняемым природным ресурсом – древесиной строительную и целлюлозно-бумажную отрасли промышленности.

Энтомология и ботаника – помогают разработать и улучшить уже известные виды тканей.

Любая из биологических наук, включая палеонтологию и прочие, кажущиеся неважными – оказывает сильное влияние на представление знаний об истории развития планеты, месте человека среди живых организмов, помогает повысить качество жизни и защитить от влияния вредных факторов внешней среды.

Грибы

Грибы – это группа организмов, которые выделяют в отдельное Царство. Для грибов характерны некоторые признаки растений и некоторые признаки животных. С растениями их сближает:

1) осмотрофный (то есть они всасывают пищу поверхностью тела) тип питания;

2) способность к неограниченному росту;

3) неподвижность;

4) наличие прочных клеточных стенок (NB! у растений главным веществом клеточной стенки является целлюлоза, а у грибов – хитин);

5) наличие в некоторых случаях вегетативного или бесполого размножения.

Признаки животных, которые характерны для грибов:

1) гетеротрофный тип питания (то есть грибы не способны сами синтезировать органические вещества, они способны поглощать только уже созданные кем-то другим органические вещества);

2) наличие хитина в клеточной стенке (хитин – полимер характерный для животных, например, хитиновым панцирем покрыты членистоногие);

3) запасной углевод – гликоген.

Грибы обитают повсеместно: в почве, в воде, в пищевых продуктах. В сознании многих людей, не имеющих биологического образования, гриб – это то, что растёт в лесу: белый, поганка, сыроежка и т. д. Да, это грибы. Но это лишь малая часть существующих на свете грибов. На самом деле всё обстоит немного сложнее и интереснее.

Все грибы можно разделить по типу питания на три группы: сапротрофы, паразиты и симбионты.

Сапротрофные грибы вместе с бактериями в экосистемах формируют группу редуцентов. Они разлагают мёртвые органические вещества. Грибы-паразиты паразитируют на живых растениях и животных, питаясь за счёт хозяина. Грибы-симбионты участвуют в формировании двух важных симбиозов: с водорослями они образуют лишайники, а с корнями высших растений – микоризу (NB! Микориза не образуется с водными растениями, осоками и крестоцветными, например с редькой, капустой, хреном). Почвенные грибы-микоризообразователи оплетают корень растения. Они всасывают воду и минеральные вещества из почвы и транспортируют их в корень. В свою очередь, высшее растение снабжает гриб органическими веществами.

Рис. Мицелий различных грибов. Образован сплетениями гиф.

Среди грибов встречаются как многоклеточные, так и одноклеточные организмы. Основу тела многоклеточного гриба составляет грибница (мицелий). Мицелий состоит из тонких ветвящихся нитей, которые называют гифами. Гифы состоят из многоядерных или одноядерных клеток.

Мозг и мышцы

В чем разница между мозгом и мышцами? Мышцы «обучаются» намного медленнее мозга. Вернее, так — мозг обучается с колоссальной скоростью. Стоит ему только освоить езду на велосипеде, и спустя 30 лет человек садится и едет! Память в нервных клетках на двигательный стереотип сохраняется.

Так же, как и мышцы, мозг нуждается в ежедневной тренировке. Мозгу необходимо развитие. Не бойтесь перегрузить свой «компьютер». Помните:

Чем больше мы зубрим, тем проще нам зубрить!

Чем больше мы читаем по теме, тем выше вероятность сформулировать новую идею!

Количество переходит в качество всегда!

Память — входные ворота интеллекта!

Есть несколько простых правил для более эффективной работы мозга. Вот они:

1. Ешьте грецкие орехи и пейте свежевыжатые соки.

2. Бросьте курить. Курение убивает память и способствует слабоумию.

3. Каждый день гуляйте на свежем воздухе.

4. Высыпайтесь!

5. Смотрите фильмы-биографии, Они мотивируют!

Например:

«Королев»

«Фрида»

«Белый снег России»

«Михайло Ломоносов»…

Ищите то, что вас вдохновляет.

6. Занимайтесь скорочтением.

7. Прочтите все книги Тони Бьюзена об укреплении памяти.

8. Учите афоризмы, ходите на курсы, пробуйте рисовать и танцевать, да хоть фехтовать!

И никогда, никогда, никогда не говорите «У меня плохая память». Никогда не употребляйте выражения типа «Я без понятия…». Говоря так, вы проклинаете свои умственные способности. А ваша задача – развить их.

Чтобы ободрить вас, приведем интересный факт: Александр Солженицын выучил 12 000 стихотворений в течение одного года. Таким образом он готовил себя к тюремному заключению. Писатель был убежден, что ему не предложат ни карандаш, ни бумагу, а если и предложат, то отберут все рукописи. Он решил, в связи с этим, добиться от своей памяти сверхвозможностей, максимально укрепив ее. После двенадцатитысячного стихотворения у него произошел скачок от количественных изменений к качественным, и его память стала способна фиксировать длинные страницы текста.

Достаточно было только кинуть взгляд на страницу, и все фотографически фиксировалось мозгом, раскрывшим сверпотенциал. В заключении Солженицын писал воображаемым карандашом, на воображаемых страницах, нумеровал их, делал пометки на полях и корректировал текст. Выйдя из заключения, он в течение двух недель надиктовал секретарям по памяти несколько произведений. Диктовал он, не сбившись ни разу.

Наполеон Бонапарт любил повторять: «Проблемы неудачников в том, что у них недостаточно сильные желания». То есть они, конечно, есть. Но желания эти пассивны и не ведут к действиям. Активный же человек готов не только на действия, но и на СВЕРХДЕЙСТВИЯ, на СУПЕРДЕЙСТВИЯ.

Клетки крови

Кровь — соединительная ткань. Это означает, что в ней много межклеточоного вещества.

Жидкая часть крови называется плазма.

Состав:

— вода

— белки (6-8%)

— низкомолекулярные органические вещества

— минеральные вещества

Эритроциты

Клетки, отвечающие за перенос кислорода. Именно поэтому такая форма и нет ядра — все для увеличения площади поверхности.

В легких эритроциты связываются с кислородом, образуя оксигемоглобин — поэтому кровь артерий имеет такой яркий красный цвет.

Доставив кислород к клеткам тела, эритроциты забирают углекислый газ. Образуется карбоксигемоглобин.

Срок жизни эритроцита — 3 -4 месяца, затем он утилизируется организмов в печени или селезенке

Лейкоциты

Это удивительные клетки.

Отличия от эритроцитов:

— есть ядро,

— нет окраски и постоянной формы тела.

Часто можно встретить такое описание: “амеибойдное движение”. Действительно, они могут менять форму тела, двигаться против тока крови, активно передвигаться в межклеточном пространстве.

Их основная функция — фагоцитоз — поглощение инородных объектов — то, что мы называем иммунитетом.

Гной на ранке имеет белый цвет — это погибшие лейкоциты.

Так же рождаются в красном костном мозге.

 

 

 

Тромбоциты

Тоже без ядра, и тоже бесцветные. По размеру меньше эритроцитов и тромбоцитов.

Основные функции:

— обеспечить организму свертываемость крови;

— “запечатать” поврежденный сосуд

Как сворачивается кровь?

Когда сосуд поврежден, организму необходимо приостановить кровотечение. Для этого он образует тромб.

Тромб — это комочек, состоящий из тромбоцитов, фибрина, лейкоцитов и эритроцитов.