Дайте сравнительную характеристику строения и жизнедеятельности прокариот и эукариот

Прокариоты (лат. про – перед и гр. карион – ядро) – это древнейшие организмы, не имеющие оформленного ядра. Носителем наследственной информации у них является молекула ДНК, которая образует нуклеоид. В цитоплазме прокариотической клетки нет многих органоидов, которые имеются у эукариотической клетки (митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи и т.д.; функции этих органоидов выполняют ограниченные мембранами полости). В прокариотической клетке имеются рибосомы. Большинство прокариот имеет размер 1–5 мкм. Размножаются они путем деления без выраженного полового процесса. Прокариоты обычно выделяют в надцарство. К ним относят бактерии, синезеленые водоросли (цианеи, или цианобактерии), риккетсии, микоплазмы и ряд других организмов.

Рис. 2. Схема строения растительной клетки

Рис. 1. Схема строения животной клетки

Эукариоты (гр. эу – хорошо и карион – ядро) – организмы, в клетках которых есть четко оформленные ядра, имеющие собственную оболочку (кариолемму) (рис. 1, 2). Ядерная ДНК у них заключена в хромосомы. В цитоплазме эукариотических клеток имеются различные органоиды, выполняющие специфические функции (митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, рибосомы и т.д.). Большинство эукариотических клеток имеет размер порядка 25 мкм. Размножаются они митозом или мейозом (образуя половые клетки – гаметы или споры у растений); изредка встречается амитоз – прямое деление, при котором не происходит равномерного распределения генетического материала (например, в клетках эпителия печени). Эукариоты также выделяют в особое надцарство, которое включает царства грибов, растений и животных.

Каковы функциональные и цитологические отличия соматических и половых клеток?

Соматические клетки образуют органы и ткани организма животных и растений; сами соматические клетки образуются в результате митоза и имеют диплоидный набор хромосом (2n); в каждой соматической клетке содержится по два гена в паре гомологичных хромосом, определяющих альтернативные признаки (аллельные гены).

 Половые клетки (гаметы) образуются в результате мейоза (редукционного деления; см. также ответы на вопросы 41 и 42) и имеют гаплоидный набор хромосом (n). В каждой гамете содержится по одному гену из каждой пары гомологичных хромосом. При слиянии гамет образуется зигота.

Укажите основные свойства живого. Раскройте их значение для эволюции. Чем обусловлена высокая устойчивость живых систем?

По современным представлениям живые земные тела – это открытые саморегулирующиеся системы, способные к самовоспроизведению и построенные из биополимеров. Такие тела обладают способностью к авторегуляции, относительным постоянством химического состава и представляют собой открытые системы, т.е. системы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с внешней средой.

К основным свойствам живых организмов следует отнести единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, но соотношение элементов разное. В живых организмах 98% химического состава приходится на углерод, кислород, азот и водород.

Следующее свойство – это обмен веществ и энергии. Живые системы используют внешние источники энергии (свет, пищу и др.). Через живые системы проходят потоки веществ и энергии, поэтому они и называются открытыми. Обмен веществ состоит из двух взаимосвязанных процессов – ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция – это процесс синтеза органических веществ в организме, а диссимиляция – процесс распада сложных органических веществ с выделением энергии, которая идет на реакции биосинтеза. Именно обмен веществ и обеспечивает относительное постоянство химического состава организма.

Еще одно свойство живых организмов – это способность к самовоспроизведению. Благодаря этой способности не прекращается существование вида. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в ДНК.

С этим свойством живого тесно связано явление наследственности, которое представляет собой способность организма передавать свои признаки и свойства, а также особенности развития следующим поколениям. В основе наследственности лежит относительное постоянство строения молекул ДНК.

Свойство, противоположное наследственности, – изменчивость, т.е. способность организмов приобретать новые признаки и свойства. В основе наследственной изменчивости лежат изменения молекул ДНК. Именно изменчивость создает материал для отбора наиболее приспособленных к данным условиям существования особей. В конечном счете это приводит к появлению новых видов живых организмов.

Любому живому организму свойственна также способность к росту и развитию. В результате развития возникает новое качественное состояние живой материи. Развитие живой материи может быть индивидуальным и историческим. Процесс индивидуального развития подразумевает развитие особи от зиготы до смерти, т.е. онтогенез. Историческое развитие (филогенез) сопровождается появлением новых видов; в результате исторического развития возникло все разнообразие живых организмов.

Еще одно общее свойство всех живых организмов – это раздражимость. Это свойство связано с передачей информации из внешней среды биологической системе. Благодаря этому свойству живые организмы способны избирательно реагировать на меняющиеся условия окружающей среды.

И наконец, всеобщим свойством живой материи является дискретность, т.е. прерывистость. Любая биологическая система состоит из отдельных взаимодействующих частей, которые вместе образуют структурно-функциональное единство.

Из перечисленных выше основных свойств живого принципиально важное значение для эволюционного процесса имеют наследственность и изменчивость. Движущими силами (или факторами) эволюции органического мира являются борьба за существование и естественный отбор на основе наследственной изменчивости. Наследственная, или генотипическая, изменчивость может быть мутационной, т.е. связанной с изменениями в генах и хромосомах (ее причиной является воздействие мутагенных факторов), комбинативной, т.е. связанной с появлением новых комбинаций генов (она возникает стихийно в рамках популяций) или соотносительной (коррелятивной; она возникает в результате способности генов влиять на формирование не одного, а двух и более признаков. Именно генотипическая изменчивость является основой эволюционного процесса. На основе наследственной изменчивости и происходит естественный отбор. В природе этот отбор происходит в результате гибели части особей популяции, которая наступает вследствие борьбы за существование, т.е. естественный отбор – это не выбор части особей, а выживание наиболее приспособленных.

В процессе естественного отбора происходят приспособления организмов к условиям жизни, имеющие относительный характер. В результате этого отбора не только адаптивно меняются признаки организмов, но и возникают новые подвиды и виды.

В результате взаимодействия факторов эволюционного процесса формируется адаптация, т.е. возникает комплекс морфофизиологических, поведенческих и информационных особенностей особей, популяций или видов, который обеспечивает успех в конкуренции и устойчивость к воздействиям факторов окружающей абиотической среды. Эволюционная адаптация приводит к появлению практически необратимых генетически закрепленных форм приспособления. Появление этих форм обусловлено естественным отбором; такие формы устойчивы во времени и пространстве ареала популяции или вида.

6. Обоснуйте принципиальное единство химического состава живых организмов и неживой природы

В клетках живых организмов содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. В состав клетки входит большинство из 109 элементов периодической системы Менделеева, причем клетки бактерий, грибов, растений и животных имеют сходный химический состав. Особенно велико содержание в клетках кислорода (65–75%), углерода (15–18%), водорода (8–10%) и азота (1,5–3,0%); в сумме эти элементы составляют почти 98% всего элементного состава клетки. Следующая группа включает восемь элементов, содержание которых в клетке составляет десятые и сотые доли процента. Это сера (0,15–0,2%), фосфор (0,2–1,0%), хлор (0,05–0,1%), калий (0,15–0,4%), магний (0,02–0,03%), натрий (0,02–0,03%), кальций (0,04–2,0%) и железо (0,01–0,015%). В сумме эти элементы составляют 1,9%. Микроэлементы – цинк, медь, фтор, йод – содержатся в клетках в ничтожных долях процента (0,0001–0,0003%), но при недостатке их возникают серьезные нарушения обмена веществ.

 Все перечисленные химические элементы входят и в состав неживой природы. Таким образом, существует принципиальное единство химического состава живых организмов и неживой природы, выявляющееся на атомном уровне организации материи. На более высоком уровне организации – молекулярном – между живым и неживым обнаруживаются существенные различия.

7. В чем отличие обмена веществ у живых организмов от обменных процессов, протекающих в неживой природе?

Живая клетка постоянно обменивается веществами с внешней средой. Через живые системы проходят потоки веществ и энергии: именно поэтому их и называют открытыми системами. Под обменом веществ и энергии в живой материи понимают последовательное потребление, превращение, использование, накопление и потерю веществ и энергии в живых организмах в процессе жизни. Обмен веществ лежит в основе роста, развития и самовоспроизведения организмов, адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды. Этот процесс состоит из непрерывно протекающих реакций синтеза (ассимиляции) и расщепления (диссимиляции) органических молекул.

 Для обменных процессов, протекающих в неживой природе, свойственно многократное («бесконечное») повторение процессов превращения и перемещения веществ, характеризующееся более или менее четко выраженной цикличностью. Такой круговорот веществ происходит во всех геосферах; он складывается из отдельных процессов круговорота химических элементов. При этом происходит частичное рассеивание, местная концентрация вещества, изменение его состава и т.д. Таким образом, в отличие от обмена веществ в живой природе, в обменных процессах, происходящих в неживой природе, невозможно выделить взаимосвязанные процессы ассимиляции и диссимиляции. Круговорот веществ в неживой природе не преследует целей роста, развития, самовоспроизведения и адаптации, т.к. эти характеристики свойственны только живым организмам.

 Однако надо хорошо понимать, что с появлением на Земле жизни и возникновением биосферы обменные процессы, протекающие в неживой природе в живых системах, оказались взаимосвязаны. Согласно закону биогенной миграции атомов Вернадского «миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (кислород, углекислый газ, водород и т.д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Землю в течение всей геологической истории».

8. Докажите, что клетки, ткани и органы в сумме еще не представляют собой целостный организм

В многоклеточном организме клетки объединены в различные органы и ткани и специализированы для выполнения разных функций. В зависимости от выполняемой функции клетки имеют разную организацию. Так, например, в мышечных клетках имеются миофибриллы и протофибриллы, в секретирующих – специфические гранулы, в эритроцитах – гемоглобин и т.д. Совокупность клеток, сходных по строению, происхождению и выполняемым функциям, представляет собой ткань. Определенный комплекс тканей составляет орган, выполняющий одну или несколько функций; органы входят в состав систем органов (дыхательной, сердечно-сосудистой и др.). Особь представляет собой системную совокупность органов, которой свойственна способность к саморегуляции и адаптации к условиям окружающей среды. Искусственно выделенные из такой системы клетка, ткань или орган не способны к длительному существованию.

 Клетке одноклеточного организма (бактерии, одноклеточные водоросли, простейшие) свойственны все характеристики целостного организма; такая клетка-организм может существовать самостоятельно, т.к. она способна к саморегуляции и адаптации. Появление в процессе эволюции многоклеточности (первыми многоклеточными организмами были водоросли) привело к тому, что отдельная клетка потеряла свою самостоятельность. Однако на первом этапе развития многоклеточности дифференцированных тканей еще не было (тело водорослей представляет собой слоевище, или таллом); позднее появились различные ткани и органы, объединенные в единый организм сложными системами регуляции.