Концепция метаболизма и биологическая картина мира

Концепция метаболизма и биологическая картина мира

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БЕЛГОРОДСКИЙ ЮРИДИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра гуманитарных и социально-экономических дисциплин

Дисциплина: " Концепции современного естествознания "

РЕФЕРАТ

по теме № :

" Концепция метаболизма и биологическая картина мира "

Подготовил:

Студент 534 группы

Малявкин Г.Н.

Проверил:

профессор кафедры ГиСЭД,

к.ф.н., доц.

Номерков А.Л.

Белгород - 2008

План Реферата

Страницы

1. Живая материя как единство растительного и животного мира 4

2. Белок как основа живой материи 7

3. Гены и генетика 9

4. Человек как феномен природы 11

Приложение (вместо заключения): "Генетика, генный код, геном человека" 13

Введение

Растительный и животный мир обладают признаками характерными для живой материи: способны к самовоспроизводству, для них характерны рост, развитие, раздражимость, саморегуляция, обмен веществ с окружающей средой и ряд других параметров.

При всей кажущейся очевидности отличий живой материи от неживой, следующих из определений жизни, между ними невозможно провести резкую границу. Хотя наиболее просто устроенные "живые тела" - вирусы -- вне клеток живых организмов, то есть в неактивной форме, проявляют свойства кристаллов и, в определенном смысле, сближаются с неживыми телами, их нельзя рассматривать в качестве переходной ступени между неживым и живым веществом. Это крайне специализированные живые тела, которые могли появиться в биосфере не ранее, чем полноценные клеточные организмы, и уж в любом случае - после появления нуклеиновых кислот (генетических матриц).

Мы не можем сколько-нибудь точно воспроизвести детали перехода вещества от предбиологической (химической) к биологической эволюции, тем более, что процесс этот был чрезвычайно длительным и, вероятнее всего, не одноактным. Поэтому приходится ориентироваться на современные представления о живой природе.

Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией. Это, по выражению В.И. Вернадского, форма активированной материи. В отличие от неживой материи, осуществляющей пассивное взаимодействие, живая - активно взаимодействует с окружающей средой, чем, с одной стороны, обеспечивает поддержание собственного существования, а с другой, - одновременно изменяет среду, делая невозможным прежнее неизменное существование в ней. В живом веществе резко (в 103 - 106 раз) ускоряется протекание химических реакций, что объясняется действием ферментов.

Индивидуальные химические соединения, слагающие живое вещество, устойчивы только в живых телах, в том числе и минералы, входящие в живое вещество. Эту особенность подметил еще Ф.Энгельс, указывая, что "Смерть есть разрушение органического тела, ничего не оставляющего после себя, кроме химических составных частей, образовавших его субстанцию".

Общим признаком всякого живого естественного тела в биосфере является в значительной степени регулируемое произвольное движение. Выделяются две специфические формы движения живого вещества: пассивная, которая создается размножением и присуща всем живым организмам, и активная, которая осуществляется за счет направленного пе-ремещения организмов и особенно наглядно проявляется у животных.

Живое вещество стремится заполнить собой все доступное пространство. Свойство к максимальной экспансии (распространению, расширению) присуще живому веществу так же, как свойственно теплоте переходить от более нагретых тел к менее нагретым, растворяемому веществу находиться в растворе, а газу - рассеиваться в пространстве. Экспансия живого вещества в неживой среде проявляется в подчинении этой среды самому существу живого. Подчинить - означает сделать своим, частью себя или условием собственного существования. Как живое вещество вообще, так и каждое живое тело в частности, осуществляя активное взаимодействие с внешней средой, тем самым реализует свое атрибутное свойство - способность и стремление к экспансии. В простейшем случае экспансия проявляется в способности живых тел воспринимать раздражения, воздействия внешней среды. "Опознание" среды для живого тела - начальный этап ее освоения, использования для собственного воспроизводства.

Проявлением экспансии можно считать и питание, то есть извлечение из среды порций вещества, энергии и информации для самовоспроизводства и в порядке реализации системной функции. При этом часть внешней среды становится частью тела. К проявлению экспансии относится и средообразующая деятельность живых тел и всего живого вещества, заклю-чающаяся в создании условий для существования. Наиболее интересные формы экспансия приобретает у человека: общение, познание, творчество, власть и другие.

1. Живая материя как единство растительного и животного мира

Движение живого вещества в его специфической форме, обозначаемой как экспансия, предполагает захват нового при сохранении старого, что совпадает с содержанием "расширенного самовоспроизводства". Из достаточно хорошо известных примеров этого рода приведем наследственную изменчивость, сукцессию биоценозов, эволюцию биосферы. Видимо, все это различные формы экспансии, а сама экспансия есть специфическое проявление трехмерности времени (прошлое, настоящее, будущее) в особой группе неравновесных вещественных систем - живых системах.

Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое. Известно более 2 млн. различных органических соединений, входящих в состав живого вещества. В то же время, количество природных соединений неживого вещества - минералов составляет всего около 2 тыс. Кроме того, в отличие от неживого, не связанного своим происхождением с живыми организмами (абиогенного) вещества, живое не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой. Тела организмов построены из веществ, находящихся во всех трех фа-зовых состояниях (твердое, жидкое, газообразное).

Органические вещества биогенного и абиогенного происхождения имеют существенные отличия.

В биоорганическом мире полностью нарушена зеркальная симметрия (Закон хиральной, или киральной чистоты). Молекулы, в которых имеется атом углерода, связанный своими четырьмя валентностями с разными "соседями", существуют в двух зеркально противоположных формах. Их называют левыми и правыми оптически активными зеркальными стереомерами. Так, все природные аминокислоты - левые, а сахара - правые зеркальные изомеры. При искусственном же синтезе этих веществ образуются в равных отношениях и левые, и правые.

Открытие молекулярной асимметрии живой природы принадлежит Луи Пастеру. По его словам "асимметрия единственная четкая демаркационная линия, которую ... можно провести между химией живой и неживой природы". Сегодня считается установленным, что все важнейшие вещества, играющие в организме первостепенную роль, имеют определенный знак асимметрии, всегда один и тот же для всех живых систем на нашей планете. Оптически активное вещество вне организма в течение определенного времени становится нейтральным. Чтобы предотвратить это, требуется непрерывная затрата энергии. Между тем, живой организм поражает чистотой асимметрии, которая является непременным условием жизни.

Живое вещество представлено в биосфере в виде дисперсных (отдельных, рассеянных) тел - индивидуальных живых организмов, размеры которых лежат в пределах от 2,5·10-9 до 1,5·102 м. Самые крупные в геологической истории организмы встречаются в настоящее время: из животных это киты, а из растений - секвойи и эвкалипты.

Непрерывная протяженность ряда неживых веществ на многие тысячи километров имеет стационарный характер и не зависит от времени. Живое вещество, несмотря на дисперсность организации, при рассмотрении его в пространстве-времени, то есть в динамике, также оказывается непрерывным.

Это имеет место и в случае с каждым отдельным видовым живым веществом, и в случае с разнородными смесями от биоценоза до биосферы.

Будучи дисперсным, живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме, то есть в виде популяций организмов одного вида. Оно всегда представлено смесями - комплексами популяций разных видов. Такие комплексы популяций принято называть сообществами живых организмов или биоценозами.

Живое вещество существует на Земле в форме непрерывного чередования поколений. Благодаря этому современное живое вещество, характеризуясь непрерывным обновлением, оказывается генетически связанным с живым веществом всех прошлых геологических эпох. Краткая формулировка этой особенности: "Все живое из живого", обозначается как Принцип Реди. В противоположность этому, неживое вещество абиогенного происхождения поступает в биосферу из космоса или вносится порциями из нижележащих оболочек земного шара. Отдельные такие порции могут образовываться в результате одинаковых процессов и, таким образом, быть аналогичными по составу, но генетической связи между собой, в общем случае, они не имеют.

Характерным для живого вещества является наличие эволюционного процесса. Воспроизводство живого вещества идет не по типу точного копирования предшествующих поколений, а путем новообразований на их основе. Общее направление эволюции живого вещества состоит в увеличении упорядоченности живых систем при накоплении свободной энер-гии. При этом, упорядочиванию подвергаются, прежде всего, динамические отношения, процессы. Способность неживых систем и элементов живых систем переходить в более упорядоченное состояние, рассеивая свободную энергию, не является аналогом эволюционного процесса, так как она реализуется в отдельных живых телах, а эволюция - в ряду поколений живых тел.

Хотя между неживым и живым веществом фактически нет четкой границы ни в истории, ни на срезе времени в любой момент их одновременного существования, а функционирование неживых и живых систем на молекулярном уровне подчиняется единым, наиболее общим законам природы, все же можно выделить некоторые характерные признаки (критерии) живых систем. Перечень критериев, предложенных разными авторами, включает: специфический химический состав, обмен веществ, самовоспроизводство, наследственность и изменчивость, рост и развитие, раздражимость, дискретность, саморегуляцию, ритмичность, энергозависимость.

2. Белок как основа живой материи

"Во всех растениях и животных присутствует некое вещество, которое без сомнения является наиболее важным из всех известных веществ живой природы и без которого жизнь была бы на нашей планете невозможна. Это вещество я наименовал - протеин". Так писал еще в 1838 году голландский биохимик Жерар Мюльдер, который впервые открыл существование в природе белковых тел и сформулировал свою теорию протеина.

Слово "протеин" (белок) происходит от греческого слова "proteios", что означает "занимающий первое место". И в самом деле, все живое на земле содержит белки. Они составляют около 50% сухого веса тела всех организмов. У вирусов содержание белков колеблется в пределах от 45 до 95%.

Белки являются одними из четырех основных органических веществ живой материи (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры), но по своему значению и биологическим функциям они занимают в ней особое место. Около 30% всех белков человеческого тела находится в мышцах, около 20% -в костях и сухожилиях и около 10% - в коже. Но наиболее важными белками всех организмов являются ферменты, которые, хотя и присутствуют в их теле и в каждой клетке тела в малом количестве, тем не менее управляют рядом существенно важных для жизни химических реакций. Все процессы, происходящие в организме: переваривание пищи, окислительные реакции, активность желез внутренней секреции, мышечная деятельность и работа мозга регулируется ферментами. Разнообразие ферментов в теле организмов огромно. Даже в маленькой бактерии их насчитываются многие сотни.

Белки, или, как их иначе называют, протеины, имеют очень сложное строение и являются наиболее сложными из питательных веществ. Белки -обязательная составная часть всех живых клеток. В состав белков входят: углерод, водород, кислород, азот, сера и иногда фосфор. Наиболее характерно для белка наличие в его молекуле азота. Другие питательные вещества азота не содержат. Поэтому белок называют азотосодержащим веществом.

Основные азотосодержащие вещества, из которых состоят белки, - это аминокислоты. Количество аминокислот невелико - их только 28. Все громадное разнообразие содержащихся в природе белков представляет собой различное сочетание известных аминокислот. От их сочетания зависят свойства и качества белков.

При соединении двух или нескольких аминокислот образуется более сложное соединение - полипептид. Полипептиды, соединяясь, образуют еще более сложные и крупные частицы и в итоге - сложную молекулу белка.

Когда в пищеварительном тракте или в эксперименте белки расщепляются на более простые соединения, то через ряд промежуточных стадий (альбумов и пептонов) они расщепляются на полипептиды и, наконец, на аминокислоты. Аминокислоты в отличие от белков легко всасываются и усваиваются организмом. Они используются организмом для образования собственного специфического белка. Если же вследствие избыточного поступления аминокислот их расщепление в тканях продолжается, то они окисляются до углекислого газа и воды.

Большинство белков растворяется в воде. Молекулы белков в силу их больших размеров почти не проходят через поры животных или растительных мембран. При нагревании водные растворы белков свертываются. Есть белки (например, желатина), которые растворяются в воде только при нагревании.

Образование нового белка в организме человека и животных идет беспрерывно, так как в течении всей жизни взамен отмирающих клеток крови, кожи, слизистой оболочки, кишечника и т. д. создаются новые, молодые клетки. Для того чтобы клетки организма синтезировали белок, необходимо, чтобы белки поступали с пищей в пищеварительный канал, где они подвергаются расщеплению на аминокислоты, и уже из всосавшихся аминокислот будет образован белок.

Если же, минуя пищеварительный тракт, ввести белок непосредственно в кровь, то он не только не может быть использован человеческим организмом, он вызывает ряд серьезных осложнений. На такое введение белка организм отвечает резким повышением температуры и некоторыми другими явлениями. При повторном введении белка через 15-20 дней может наступить даже смерть при параличе дыхания, резком нарушение сердечной деятельности и общих судорогах.

Белки не могут быть заменены какими-либо другими пищевыми веществами, так как синтез белка в организме возможен только из аминокислот.

Для того чтобы в организме мог произойти синтез присущего ему белка, необходимо поступление всех или наиболее важных аминокислот.

Из известных аминокислот не все имеют одинаковую ценность для организма. Среди них есть аминокислоты, которые могут быть заменены другими или синтезированными в организме из других аминокислот; наряду с этим есть и незаменимые аминокислоты, при отсутствии которых или даже одной из них белковый обмен в организме нарушается.

Белки не всегда содержат все аминокислоты: в одних белках содержится большее количество необходимых организму аминокислот, в других -незначительное. Разные белки содержат различные аминокислоты и в разных соотношениях.

Белки, в состав которых входят все необходимые организму аминокислоты, называются полноценными, белки, не содержащие всех необходимых аминокислот, являются неполноценными белками.

Для человека важно поступление полноценных белков, так как из них организм может свободно синтезировать свои специфические белки. Однако полноценный белок может быть заменен двумя или тремя неполноценными белками, которые, дополняя друг друга, дают в сумме все необходимые аминокислоты. Следовательно, для нормальной жизнедеятельности организма необходимо, чтобы в пище содержались полноценные белки или набор неполноценных белков, по аминокислотному содержанию равноценных полноценным белкам.

Поступление полноценных белков с пищей крайне важно для растущего организма, так как в организме, например, ребенка не только происходит восстановление отмирающих клеток, как у взрослых, но и в большом количестве создаются новые клетки.

Обычная смешанная пища содержит разнообразные белки, которые в сумме обеспечивают потребность организма в аминокислотах. Важна не только биологическая ценность поступающих с пищей белков, но и их количество. При недостаточном количестве белков нормальный рост организма приостанавливается или задерживается, так как потребности в белке не покрываются из-за его недостаточного поступления.

К полноценным белкам относятся преимущественно белки животного происхождения, кроме желатины, относящейся к неполноценным белкам. Неполноценные белки - преимущественно растительного происхождения. Однако некоторые растения (картофель, бобовые и др.) содержат полноценные белки. Из животных белков особенно большую ценность для организма представляют белки мяса, яиц, молока и др.

3. Гены и генетика

Судя по разнообразным археологическим данным, уже 6000 лет назад люди понимали, что некоторые физические признаки могут передаваться от одного поколения другому. Отбирая определенные организмы из природных популяций и скрещивая их между собой, человек создавал улучшенные сорта растений и породы животных, обладавшие нужными ему свойствами. Генетика по праву может считаться одной из самых важных областей биологии. На протяжении тысячелетий человек пользовался генетическими методами для улучшения домашних животных и возделываемых растений, не имея представления о механизмах, лежащих в основе этих методов.

Однако лишь в начале прошлого века ученые стали осознавать в полной мере важность законов наследственности и ее механизмов. Хотя успехи микроскопии позволили установить, что наследственные признаки передаются из поколения в поколение через сперматозоиды и яйцеклетки, оставалось неясным, каким образом мельчайшие частицы протоплазмы могут нести в себе "задатки" того огромного множества признаков, из которых слагается каждый отдельный организм.

Несмотря на то, что уже многое известно о хромосомах и структуре ДНК, дать определение гена очень трудно, пока удалось сформулировать только три возможных определения гена.

Во-первых, ген выступает как единица рекомбинации.

На основании своих работ по построению хромосомных карт дрозофилы Морган постулировал, что ген - это наименьший участок хромосомы, который может быть отделен от примыкающих к нему участков в результате кроссинговера. Согласно этому определению, ген представляет собой крупную единицу, специфическую область хромосомы, определяющую тот или иной признак организма;

Во-вторых, ген выступает как единица мутирования.

В результате изучения природы мутаций было установлено, что изменения признаков возникают вследствие случайных спонтанных изменений в структуре хромосомы, в последовательности оснований или даже в одном основании. В этом смысле можно было сказать, что ген - это одна пара комплементарных оснований в нуклеотидной последовательности ДНК, т.е. наименьший участок хромосомы, способный претерпеть мутацию.

В-третьих, ген выступает как единица функции.

Поскольку было известно, что от генов зависят структурные, физиологические и биохимические признаки организмов, было предложено определять ген как наименьший участок хромосомы, обусловливающий синтез определенного продукта.

Наука о наследственности и изменчивости, которая стремительно развивается с начала XX века имеет четыре официальных назначения:

1. Раскрытие законов воспроизведения живого по поколениям;

2. Создание новых свойств у организмов;

3. Выявление законов индивидуального развития особи;

4. Выявления материальной основы исторических преобразований организмов в процессе эволюции.

Для работы над реализацией этих назначений существуют отдельные теории генетики: теория наследственности, теория гена, теория мутации и т.д.

Одним из основоположников современных представлений о генетике явился чешский ботаник-любитель Иоганн Грегор Мендель (1856-1863), которому принадлежит открытие количественных закономерностей, сопровождающих формирование гибридов. Его классические опыты с горохом стали известны всему миру, хотя поначалу его гений был не замечен научным сообществом биологов. Им, например, была выведена ныне известная пропорция расщепления первичных признаков при моногибридном скрещивании - 3:1, и дигибридном - 9:3:3:1.

В наше время медико-биологические науки и технологии достигли такого уровня, что на их основе можно не только описывать в терминах молекулярных структур и процессов тонкое строение отдельных частей тела и их согласованную работу, но и создавать принципиально новые методы диагностики, лечения и профилактики многих заболеваний.

Такое проникновение в ультратонкую организацию и жизнедеятельность организма стало возможным благодаря установлению химического строения и функций нуклеиновых кислот, содержащих передаваемые от поколения к поколению генетические тексты, согласно которым реализуется программа развития организма.

Но существуют острые проблемы, над которыми в данный момент усиленно трудятся генетики всей планеты, состоящие в борьбе с наследственными болезнями, поражающими 4-5% новорожденных и 15% немного повзрослевших детей, таких как сахарный диабет, бронхиальная астма, гипертонические болезни, псориаз, большая группа неврологических расстройств и др.

За последнее время появилось очень много новых технологий для решения подобных проблем, таких как генодиагностика, генотерапия и т.д. В случае какой-то болезни, а особенно генетической, диагностика имеет очень большое, и порой даже решающее, вследствие чего необходимо применение генодиагностики, которая является прежде всего ДНК-диагностикой, молекулярной цитогенетикой, тонкой биохимической и иммунодиагностикой, компьютерным информационным анализом.

Технология генотерапии представляет из себя очень тонкий вид работы, ориентированной на получение корригирующих последовательностей и векторов, их перенос и встраивание в клетки-реципиенты. Для этой цели испытываются плазмидные и вирусные векторы, баллистические микроинфузии, трансплантация клеток и др.

4. Человек как феномен природы

Общей предпосылкой всякого органического существования является обмен веществ между организмом и природой. В этом отношении и человек, и животное одинаково связаны с окружающей средой природными узами. Главной задачей оказывается перекачка из природной среды необходимой для жизнедеятельности энергии. Однако в отношении способов присвоения природных благ человек существенным образом отличается от животных.

В животном мире обмен веществ между организмами и природой происходит непосредственно. Животное воспринимает вещества природы в том виде, в каком они ему даны. Животные являются только потребителями того, что дает природа, или сами служат объектами потребления для других организмов. В производстве потребляемых объектов они участия не принимают и ограничиваются тем, что пожирают готовые запасы пищи, никогда не приступая границ элементарного непосредственно потребительского отношения. Каждый новый акт потребления только повторяет один и тот же процесс, и ничего нового, кроме естественных изменений в самой природе (рост, размножение биологического вида и стихийного изменения окружающей среды), не происходит. В конце акта такого потребления, как и в начале всякого нового акта, взаимодействия происходят между теми же двумя членами начального отношения: определенным биологическим видом и природной средой, разумеется, несколько измененной. Между этими двумя членами не возникает никакой новой действительности. Процесс вращается в одной и той же плоскости, в границах природно-биологического круга.