За счет чего функционирует энергетика всего живого?

Все функции живых систем, требующие расходования энергии, должны обеспечиваться ею от некоторых внешних источников. Ими являются органические вещества с запасенной в них химической энергией. Часть организмов синтезирует эти вещества внутри себя из неорганических веществ. Например, из углекислого газа и воды под действием солнечного света (такой процесс называется фотосинтезом) или в процессе окисления (хемосинтез в некоторых бактериях). Эти организмы называют автотрофами. Большинство автотрофов – это зеленые растения, осуществляющие фотосинтез. Другая часть организмов (например, все животные и человек), называемых гетеротрофами, приспособилась к потреблению энергии из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами.

Питательные органические вещества, поглощаемые гетеротрофами, обладают большей упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофов переносят упорядоченность (неэнтропию) из внешней среды в самих себя. Для автотрофов эта же цель достигается путем выполнения внутренней работы за счет энергии электромагнитного излучения солнца.

Таким образом, назначение метаболизма, то есть обмена веществ живой системы с внешней средой, состоит в поддерживании определенного уровня организации этой системы и ее частей. Эта цель достигается за счет отбора извне веществ и энергии, которые обеспечивают химический синтез необходимых организму соединений, а также вывод из живой системы всего, что не может быть ею использовано. Метаболизм необходим для противодействия увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой системе.

Между двумя типами организмов – авто- и гетеротрофами – существует пищевая (трофическая) связь. Живые системы образуют пищевые цепочки: энергия, накопленная при фотосинтезе растениями, передается через травоядных к хищникам; заключительным звеном пищевой цепочки являются микробы, перерабатывающие вещество отмерших организмов в неорганические вещества. В последующем эти молекулы вновь могут участвовать в образовании и живых систем. В итоге в биосфере сформировался глобальный круговорот веществ, который обусловлен так называемыми биогеохимическими циклами. Основными являются циклы обращения в биосфере воды, а также элементов, из которых состоят живые системы.

Первоисточником энергетического потока, проходящего сквозь все пищевые цепочки в биосфере, служит энергия солнечного электромагнитного излучения, попадающая на поверхность Земли в видимом диапазоне (свет). Финалом преобразований в пищевых цепочках является освобождение энергии в виде тепла при переработке микробами органических остатков. Вся высвободившаяся в процессе жизнедеятельности в биосфере энергия возвращается поверхностью Земли в мировое пространство главным образом в виде электромагнитного инфракрасного диапазона.

В глобальном энергетическом балансе принципиально важно, что энтропия поступающего на Землю коротковолнового излучения меньше, чем энтропия длинноволнового излучения, переизлучаемого нашей планетой. За счет этой отрицательной разности энтропий на поверхности Земли возможно образование и поддержание упорядоченных структур (как это происходит и во многих других природных системах). Вся биосфера Земли представляет собой высокоорганизованную систему, упорядоченность в которой поддерживается за счет отрицательного энтропийного баланса.

плотность радиации во Вселенной была бы столь велика, что жизнь не могла бы существовать. Углерод синтезирован в звездах-гигантах несколько миллиардов лет назад, Если бы возраст, Вселенной был меньше, то жизнь также не могла бы возникнуть. Планеты должна иметь определенную массу для того, чтобы удержать атмосферу.
Организации живых систем.

С момента возникновения жизни органическая природа находится в непрерывном развитии. Процесс эволюции длится уже сотни миллионов лет, и его результатом является то разнообразие форм живого, которое во многом до конца его не описано и не классифицировано.

Жизнь на Земле представлена ядерными и доядерными, одноклеточными и многоклеточными существами; многоклеточные, в свою очередь, представлены грибами, растениями и животными. Любое их этих царств объединяют разнообразные типы, классы, отряды, семейства, роды, виды, популяции и индивидуумы.

Первые представления о системах и уровнях организации живых систем были заимствованы из опыта изучения живой природы. Следующий, теоретический шаг в понимании сущности вопросов неизбежно связан с анализом непосредственно данной живой системы, ее расчленением на отдельные подсистемы и элементы, изучение структуры системы, выявлением различных структурных уровней организации живых систем.

Можно выделить несколько разных уровней организации живого: молекулярный, клеточный, тканевый, органный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоцентрический, биосферный. Перечисленные уровни выделены по удобству изучения.

При изучении молекулярно-генетического уровня достигнута, видимо, наибольшая ясность в определении основных понятий, а также в выявлении элементарных структур и явлений. Развитие хромосомной теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов вскрыли основные черты организации элементарных генетических структур и связанных с ними явлений.

Представление о структурных уровнях организации сформировалось под влиянием открытия клеточной теории строения живых тел. В середине XIX в. клетка рассматривалась как последняя единица живой материи, наподобие атома неорганических тел. Л. Пастер высказал мысль, что важнейшим свойством всей живой материи является молекулярная асимметричность, подобная асимметричности левой и правой рук. Опираясь на эту аналогию, в современной науке это свойство назвали молекулярной хиральностью (от греч. cheir – «рука»).

Наряду с изучением структуры белка в последние 50 лет интенсивно изучались механизмы наследственности и воспроизводства живых систем.

Особенно остро этот вопрос встал перед биологами в связи с определением границы между живым и неживым. Строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переходные формы от нежизни к жизни. Большие споры возникли вокруг природы вирусов, обладающих способностью к самовоспроизводству, но не имеющих возможности осуществлять процессы, которые мы обычно приписываем живым системам: обмениваться веществом, реагировать на внешние раздражители, расти и т.п.

Вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки организма-хозяина и используя его ферментные системы. Очевидно, если считать определяющим свойством живого обмен веществ, то вирусы нельзя назвать живыми организмами, но если таким свойством считать воспроизводимость, то их следует отнести к живым телам. В зависимости от того, какой признак мы считаем самым важным, мы относим вирусы в живым системам или нет. Как это ни странно но до сих пор нет удовлетворяющего всех определения понятия «жизнь, живое».

Переход на молекулярный уровень исследования во многом изменил представления о механизме изменчивости. Согласно доминирующей точке зрения основным источником изменений и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне. Однако, кроме переноса свойств от одного организма к другому, существуют и другие механизмы изменчивости, важнейшим из которых являются «генетические рекомбинации». В одних случаях, называемых «классическими» они не приводят к увеличению генетической информации, что наблюдается главным образом у высших организмов. В других, «неклассических» случаях рекомбинация сопровождается увеличением информации генома клетки. При этом фрагменты хромосомы клетки-донора могут включаться в хромосому клетки-реципиента, а могут оставаться в латентном скрытом состоянии, но под влиянием внешних факторов они становятся активными и поэтому могут соединиться с клеткой-реципиентом.

Дальнейшее исследование «неклассических» форм генетических рекомбинаций привело к открытию целого ряда переносимых, или «мигрирующих», генетических элементов. Важнейшим из них являются автономные генетические элементы, названные плазмидами, которые служат активными переносчиками генетической информации. На основе этих результатов некоторыми учеными высказано предположение, что «мигрирующие» генетические элементы вызывают более существенные изменения в геномах клеток, чем мутации.

Все это не могло не поставить вопроса: работает ли естественный отбор на молекулярно-генетическом уровне?

Появление «теории нейтральных мутаций» ещё больше обострило ситуацию, поскольку она доказывает, что изменение в функциях аппарата, синтезирующего белок, являются результатом нейтральных, случайных мутаций, не оказывающих влияния на эволюцию. Хотя такой вывод и не является общепризнанным, но хорошо известно, что действие естественного отбора проявляется на уровне фенотипа, то есть живого целостного организма, а это связано уже с более высоким уровнем исследования.

Поиск по сайту: