Исследуя живой организм, биохимик отвечает на ряд вопросов:
1. Из каких химических соединений состоит клетка, ткань, орган или организм в целом?
2. Как взаимосвязаны эти химические соединения, как они образуются и взаимопревращаются?
3. Каким образом регулируются взаимопревращения веществ?
4. Чем биохимически отличается изучаемая клетка, ткань, орган от других клеток, тканей, органов, чем определяется выполнение ими их специфических функций в организме?
5. Как связаны превращения веществ с превращениями энергии?
В живой природе также можно выделить основные структурные уровни, или ступени сложности. Первый из них — это молекулярный уровень, представляющий собой предельно малые объекты живого, а именно молекулы ДНК, в которых заключена наследственная информация живых организмов. Следующий уровень является клеточным, за ним следуют органно-тканевый и организменный уровни. Далее идут популяционно-видовой и биогеоценотический, или экосистемные уровни. Биогеоценоз (экосистема)— это участок Земли со всеми живыми организмами, которые его населяют, и неживой среды их обитания; говоря иначе, со всеми компонентами составляющей его живой и неживой природы. Примерами биогеоценозов, или экосистем могут служить лес, озеро, поле и т.п. Завершающей ступенью в иерархии уровней организации живого мира является биосфера, которая представляет собой всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.
2.1.Иерархия уровней организации живого
Представления о неравновесности живого организма развил биолог фон Берталанфи, введя термин «открытые системы», ныне широко используемый в синергетике. Он рассматривал ста-
ционарные состояния в неравновесной живой системе, которые, определил как «текущее равновесие». На основе обобщения физических, в частности термодинамических, представлений он разработал свою теорию биологических организмов, рассматривая организм как целостную сложную иерархическую систему.
По существу в применении к биологии он предложил и использовал метод системного анализа, активно применяемый сейчас в науке и технике. В частности, им высказана идея, что системная организация — основа точной биологии. А как метко сказал Н. В. Тимофеев-Ресовский, системный анализ — «это когда сначала думают, а потом делают». Организм — пространственное целое, проявляющееся во взаимодействии частей и частных процессов. Процессы в живом организме обусловливаются целостной пространственной системой, подчиненной жесткой иерархии.
Концепция структурных уровней позволяет не только описать живые организмы по уровням их сложности и закономерностям функционирования, но и расположить в иерархическом порядке, при котором каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Тем самым представление уровней организации хорошо сочетается с целостностью организма. Критерием выделения основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия.
Различают следующие уровни организации биологических структур: самоорганизующиеся комплексы, биомакромолекулы, клетки, многоклеточные организмыН. В. Тимофеев-Ресовский приводит другую классификацию уровней: клеточный, молекулярно-генетический, организменный, популяционно-видовой и биогеоценозный. Существует и такая градация: молекулярный, клеточный, тканевой, органный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический и биосферный На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления.
Элементарная единица — это структура, закономерное изменение которой приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне является ген, на клеточном — клетка, на организменном — особь, на популяционном — совокупность особей одного вида — популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса.
2.2.Особенности биологического уровня организации материи
Все объекты живой и неживой природы можно представить в виде определенных систем, имеющих свои особенности организации и индивидуальные свойства.
Учитывая уровень организации, можно выделить иерархию структур организации объектов живой и неживой природы. Подобная иерархия структур начинается с элементарных частиц и заканчивается организациями живых организмов и сообществами – высшими формами организации.
На разную степень организации живой материи указывали ученые разных времен. Так, в прошлом веке, М. Шлейден – немецкий ботаник - утверждал, что существует различный порядок организованности живых тел. Э. Геккель – немецкий биолог-эволюционист - выдвинул гипотезу о неоднородности протоплазмы клетки. По его мнению, она состоит из субмикроскопических частей.
Таким образом, в биологии, как и в физике, химии, утверждалась идея дискретности живой материи, делимости ее на составные части более низкой организации.
С усложнением знаний перед биологами с особой силой встал вопрос о том, от каких структур зависят специфические свойства живых организмов? Попытка решить эту задачу вызвала продолжение исследований и желание проникнуть в глубь клетки и клеточных структур.
В биологии живые организмы представлены тремя уровнями структур:
1. Молекулярно-генетический уровень биологических структур.
По мере раскрытия внутреннего мира клетки был уточнен состав белков. Белки построены из 20 аминокислот, соединенных длинными полипептидными цепями. Для человека совершенно необходимы 9 аминокислот, остальные, вероятно, вырабатываются самим организмом. Отличительная особенность аминокислот, содержащихся в любом живом организме (от человеческого до вируса), состоит в том, что они являются левовращающими плоскость поляризации изомерами. Это явление впервые открыл Л. Пастер. Исследуя вещества биологического происхождения, он установил способность этих веществ отклонять поляризованный луч и их оптическую активность. Поэтому, вещества биологического происхождения получили название оптические изомеры. Неорганические вещества построены симметрично и не обладают оптической активностью. Впоследствии Л. Пастер заявил, что молекулярная асимметричность является важнейшим свойством всей живой материи. В современной науке оно получило название молекулярная хиральность (от греч. сheir – рука), поскольку молекулярная асимметричность напоминает асимметричность правой и левой рук.
Наука до сих пор не предложила более или менее вразумительного ответа на вопрос, почему живая природа выбрала белковые молекулы, построенные из аминокислот левого вращения.
Долгое время внимание ученых было сосредоточено на изучении клеточной структуры, образованной из белков, так как предполагалось, что они составляют фундаментальную основу жизни. Исследования показали, что ни сам белок, ни его составные элементы не представляют ничего особенного в химическом отношении. Свести свойства живых систем к свойствам и структуре белков оказалось невозможным. Более плодотворным стал путь, направленный на изучение механизмов воспроизводства и наследственности. В ходе него учеными было выделено из состава ядра клетки вещество, богатое фосфором и обладавшее свойствами кислоты. Это вещество получило название - нуклеиновая кислота. Был выделен и углеводный компонент этих кислот, в одном из них оказалась D – дезоксирибоза, в другом – D – рибоза. Эти кислоты стали соответственно называть дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая или ДНК и РНК.
Лишь через век была раскрыта роль этих кислот в механизме хранения и передачи наследственности. Сначала, в 1944г., было установлено, что ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию. В1953г. Д. Уотсон и Ф. Крик экспериментально подтвердили гипотезу о строении ДНК как материального носителя информации. В 1960-е годы была решена проблема генной активности. Французские ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно разделили все гены по функциональной активности на регуляторные (кодирующие структуру регуляторного белка) и структурные (кодирующие синтез метаболитов, в том числе ферментов).
Как происходит передача информации от ДНК к морфологическим структурам?
Наследственную информацию в молекуле ДНК несет последовательность 4 оснований - двух пуриновых и двух пиримидиновых. При этом в белках содержится 20 аминокислот. Встал вопрос о переводе 4 - буквенной записи структуры ДНК в 20 - буквенную запись аминокислот. Физиком Г. Гамовым была предложена гипотеза объяснения перевода, которая впоследствии была экспериментально подтверждена.
Раскрытие многих сторон молекулярного строения живого вещества повлияло на представление об изменчивости. Согласно современным взглядам, источником изменений и отбора являются мутации на молекулярно-генетическом уровне.
2. Онтогенетический уровень живых систем.
Онтогенетический уровень организации живых систем представляет собой три линии развития живого мира:
1)прокариоты, или эубактерии – клетки, лишенные ядер;
2)эукариоты – клетки, содержащие ядра и появившиеся позже прокариотов;
3) архебактерии – клетки, сходные с прокариотами и эукариотами.
Термин “онтогенез” был введен в науку немецким биологом Э. Геккелем, автором биогенетического закона, согласно которому онтогенез, или жизнь отдельного организма, в краткой форме повторяет филогенез – историю развития рода.