Биология клетки/Введение

Клетка — основа жизни

Клетки — маленькие мешочки, окруженные очень тонкой жировой пленочкой и содержащие водный раствор нескольких тысяч разных молекул. Большинство организмов на Земле (по численности - наверняка, по биомассе - вероятно, а возможно, и по числу видов) — одноклеточные: их тела состоят из одного такого мешочка. Но и тела крупных организмов — белого гриба, сосны или человека — состоят из множества подобных мешочков. В организме человека их более 10¹³ — 10.000.000.000.000 штук! Как это ни удивительно, каждый из этих мешочков — живой. Он обладает всеми основными свойствами живого, в том числе главным из них — способен размножаться с сохранением наследственных свойств.

Задание: Прежде чем читать дальше, перечислите основные свойства живого. После выполнения задания — см. Основные научные проблемы биологии и их связь с изучением клеток

Благодаря каким своим свойствам клетка — живая? Поиски ответа на этот вопрос, выяснение деталей строения и работы клеток — одно из главных направлений работы современных биологов.

Уровни организации живого и система биологических наук

Обычно выделяют четыре основных уровня организации живого

Клетки, живые организмы и в целом жизнь на Земле представляют собой сложные системы. Для этих систем характерна иерархичность — одни системы входят в состав других (систем более высокого уровня) в качестве их подсистем. У более сложных систем высшего уровня появляются новые свойства, которые на предыдущем уровне отсутствуют. Кроме того, системы разного уровня имеют очень разные размеры: от нескольких нанометров (крупные молекулы и мелкие органоиды) до нескольких тысяч километров (крупные экосистемы и вся биосфера). Обычно выделяют четыре основных уровня организации -

молекулярно-клеточный,

организменный,

популяционно-видовой,

экосистемный.

Вопрос 1: Какие принципиально новые свойства появляются на каждом из четырех основных уровней организации?

Преимущество этого подхода — в том, что любая живая система «включена» во все эти уровни организации. Недостатки — прежде всего в том, что к каждому из этих уровней относятся системы принципиально разного уровня сложности. Даже клеточный уровень включает клетки прокариот и эукариот — а это как раз системы принципиально разного уровня сложности. Организменный же уровень включает и бактерий, и человека — системы, еще сильнее различающиеся по уровню сложности. Кроме того, до уровня вида все объекты этой классификации связаны генетически и представляют собой систему с единым генофондом. Экосистема, даже несмотря на наличие горизонтального переноса генов, такой системой не является. Эти недостатки побуждают многих авторов искать другие критерии выделения уровней организации — например, использовать длительность их существования (выделяя онтогенетический и филогенетический уровни).

Вопрос 2: Какие из основных уровней относятся к онтогентическому, а какие — к филогенетическому?

Часто (особенно в школьных учебниках и программах) предлагается выделять более дробные уровни:

Молекулярный
Субклеточный
Клеточный
Тканевой
Органный
Организменный
Популяционно-видовой
Биоценотический (экосистемный)
Биосферный

Недостатки такого варианта еще более очевидны.

Вопрос 3: Какие недостатки вы видите в дробной иерархии уровней?

Задание: Попробуйте предложить свои критерии для выделения уровней организации и создать свою классификацию этих уровней.

Впрочем, иногда на вопрос "Какие бывают уровни организации живого?" от учащегося могут требовать и ответа вроде "Ядерный и доядерный". Под такую классификацию также могут попадать системы разной сложности, но на вышеупомянутом клеточно-молекулярном уровне все они будут обладать гораздо более схожими свойствами.

Особенности клеточного уровня

Главная особенность клеточного уровня состоит в том, что только целая клетка имеет все основные признаки живого, причем не только потому, что клетка обладает всеми этими признаками, но и потому, что существуют популяции и виды одноклеточных организмов. Более того — недавно была открыта и экосистема, состоящая из единственного вида бактерий ^[1] ^[2]^[3]. С момента появления первых клеток жизнь, несомненно, уже существовала в виде экосистем, то есть начала приобретать современные геохимические функции.

Система биологических наук. Разделы биологии, изучающие клетку

Сложность живых систем отражена в сложности биологии как науки и многообразии ее разделов. Во-первых, существуют частные науки, изучающие отдельные группы живых организмов — зоология, микология, ботаника, протистология, бактериология, вирусология. Нашим собственным видом занимается антропология.

Каждая из них делится на ряд ещё более частных разделов. Например, в зоологии выделяют энтомологию, орнитологию, ихтиологию и др., в ботанике — бриологию, альгологию (последняя наука, правда, может быть отнесена и к протистологии).

Другие биологические науки в основном связаны с определенными уровнями организации живого. Молекулярный уровень изучают биохимия, молекулярная биология, молекулярная генетика. По своим методам (а отчасти и по объекту изучения) близка к этим наукам вирусология.

Тесно связаны с ними и науки, изучающие клеточный уровень — цитология (клеточная биология), гистология, иммунология и др.

Организменный уровень изучают такие науки, как анатомия, физиология и эмбриология (биология развития). С этим уровнем тесно связаны и многие разделы генетики (например, генетика развития).

Популяционно-видовой уровень изучают популяционная генетика и популяционная экология. Кроме того, этим уровнем занимается эволюционная биология, так как на этом уровне организации происходят процессы микроэволюции. Этот же уровень — объект изучения систематики.

Экосистемный уровень — основной объект изучения большинства разделов экологии. К этому уровню смещаются в последние годы и интересы палеонтологов: всё большее внимание они уделяют не отдельным видам, а экосистемам былых геологических эпох. Наконец, одна из основных проблем современной эволюционной биологии — разработка теории эволюции экосистем.

Есть и науки, объект изучения которых — не уровень организации или группа организмов, а какой-то аспект свойств живого. К таким наукам можно отнести, например, биоинформатику и биофизику.

На первый взгляд, биологические науки очень резко различаются и сильно изолированы друг от друга. Например, биохимия по своим методам (а во многом и предмету изучения) — это почти что химия, а геоботаника — почти что география. Где и как могут встретиться и что будут обсуждать при встрече орнитолог и вирусолог? Так действительно и обстояло дело до недавнего времени. В настоящее врем взаимопроникновение биологических наук усиливается, всё чаще применяется междисциплинарный подход в биологических исследованиях. Всё чаще можно встретить словосочетания «экологическая генетика» [1]или «химическая экология» ^[4]. Метагеномика ^[5] обеспечила настоящий прорыв в изучении состава экосистем.

Вопрос 4: А действительно, где и как могут встретиться и что (с наибольшей вероятностью) будут обсуждать при встрече орнитолог и вирусолог? Попробуйте ответить на этот вопрос (допустим, что обсуждать они будут биологические проблемы, представляющие взаимный интерес, а не результаты чемпионата мира по футболу).

Редукционистский подход сыграл решающую роль в прогрессе биологии в XX веке

За последние десятилетия наибольших успехов достигла молекулярная биология. Во многом эти успехи связаны с использованием принципа редукционизма. В применении к изучении клетки этот принцип состоит в том, что возможно объяснение сложных процессов в клетке и организме как результата простых химических реакций.

Законы физики и химии (часто имеющие вид запретов) выполняются в живой природе, так как живые организмы состоят из тех же атомов и полей, что и неживая природа. В основе жизнедеятельности клеток лежат химические реакции, а в основе жизнедеятельности и развития организма — работа клеток. Значит, понять работу организма можно, изучая химию. Можно изучить атомы, потом молекулы, химические реакции, в которых участвуют эти молекулы, и мы поймем, например, процесс пищеварения. Так во многих случаях и произошло. Оказалось, что очень многие биологические процессы можно описать «на языке» химии.

Редукционистский подход имеет границы применимости в биологии

А можно ли понять, как человек думает, если изучить все химические процессы в отдельных нейронах — нервных клетках его мозга? Поможет ли изучение химических реакций понять, почему у жирафа для добывания листьев с деревьев служит длинная шея, а у слона — хобот? Или объяснить, почему численность насекомых в разные годы различается сильно, а птиц — слабо?

Вряд ли это возможно — ведь даже самый точный химический анализ отдельных деталей компьютера не поможет понять принцип его работы. Дело в том, что любая система, состоящая из нескольких элементов, может приобретать новые свойства. Свойства системы зависят не только от свойств элементов, но и от взаимосвязей между ними. Изучая отдельные элементы, мы не поймем принципов работы системы. Поэтому так важен для многих разделов биологии системный подход. Например, чтобы понять работу мозга человека, важно изучать не только отдельные молекулы или клетки, но и сложные взаимодействия между клетками мозга, взаимосвязи мозга с органами чувств и с другими системами органов.

[2] А. А. Любищев. Редукционизм и развитие морфологии и систематики. (Точка зрения авторов цитированных работ может не совпадать с точкой зрения авторов учебника).

Многие важнейшие научные проблемы биологии связаны с изучением клеток

Задание

К своему 125-летию журнал Science опубликовал список 125 важнейших научных проблем современности, из которых выделил 25 главных. Из этих 25 проблем 16 (!) перечисленных ниже имеют непосредственное отношение к биологии, а из этих 16-ти большинство связано с изучением клеточного уровня.

Важнейшие научные проблемы биологии по версии журнала Science

2. Каковы биологические основы сознания?
3. Почему у человека так мало генов? Как вся наследственная информация помещается в 20-25 тыс. генов, имеющихся в нашей ДНК?
4. Насколько индивидуальные генетические особенности человека важны для его лечения?
6. На сколько можно увеличить продолжительность жизни человека?
7. Как контролируется регенерация органов?
8. Как клетка кожи может превратиться в нервную клетку?
9. Как единственная соматическая клетка превращается в целое растение?
12. Когда и где зародилась земная жизнь?
13. Какие факторы среды определяют видовое разнообразие экосистем?
14. Какие генетические особенности делают человека человеком?
15. Как хранится в мозге и как извлекается хранящаяся информация?
16. Как возникло поведение, ориентированное на сотрудничество, и зачем в животном мире нужен альтруизм?
17. Как обрабатывать и обобщать большие массивы данных в биологии, и будет ли создана на этом пути «системная биология»?
20. Можно ли избирательно блокировать реакции иммунной системы?
22. Можно ли создать вакцину от СПИДа?
25. Можно ли при продолжающемся росте народонаселения достичь всеобщего благосостояния, не опустошив планету?

В голове у редакторов, которые составляли этот список, царила приличная каша. Попробуйте в ней разобраться, а именно

назовите проблемы, которые, на ваш взгляд, уже полностью или в значительной степени решены;
назовите проблемы, которые не являются научными (то есть не требуют новых научных открытий, теорий и обобщений), а являются чисто прикладными.

[3] Важнейшие научные проблемы по версии журнала Science]

На самом деле в число основных научных проблем биологии имеет смысл включать только проблемы фундаментальных, но не прикладных исследований. Очевидно, что фундаментальные научные проблемы тесно связаны с основными свойствами живого. Ниже мы сформулируем их, учитывая и те, которые в общих чертах уже решены.

Важнейшие научные проблемы биологии по версии учебника «Биология клетки»

Как происходит передача наследственных свойств при размножении?
В целом эта проблема решена. Первый шаг к её решению сделал Грегор Иоганн Мендель, открывший в 1865 г основные законы наследования. Следующий шаг был сделан, когда в 1870-е-1890-е годы были описаны митоз, мейоз и оплодотворение. Ещё на шаг ученые приблизились к разгадке тайны наследственности, когда в 1910-е годы Томасом Гент Морганом и его сотрудниками была создана хромосомная теория наследственности. В 1920-е годы Николай Константинович Кольцов предсказал молекулярный механизм записи наследственной информации и разработал теорию матричного синтеза наследственных молекул. В 1940-е-1950-е годы было доказано, что молекулы наследственности действительно существуют и что это - молекулы ДНК. Наконец, решающий шаг был сделан в 1953 году, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик создали модель двойной спирали ДНК и предсказали механизм её удвоения.
Как линейная запись наследственной информации в виде генетического кода молекул ДНК превращается в сложную трехмерную организацию клеток и многоклеточных организмов? (проблема реализации наследственной информации).
В целом эта проблема не решена и остается одной из главных проблем, которые пытается решить биология.
Как происходит обмен веществ и энергии в клетках?
В целом эта проблема решена в течение ХХ века.
Как и под влиянием каких причин возникают изменения наследственной информации и в целом различия между организмами одного вида? (проблема природы изменчивости)
В целом эта проблема решена.
Как в ряду поколений происходят приспособительные изменения и возникают новые виды живых организмов? (проблема механизмов эволюции)
В целом эта проблема решена Чарльзом Дарвином, который для объяснения механизмов эволюции предложил теорию естественного отбора. Однако детали процессов видообразования и появления новых признаков понятны далеко не полностью, и все время происходят открытия новых важных деталей механизмов эволюции.
Как клетки и другие биосистемы воспринимают сигналы и в зависимости от условий меняют свою работу? (проблема регуляции)
Хотя эта проблема решена в общих чертах, до более полного её решения ещё очень далеко. Отметим, что к этой области исследований относятся многие проблемы, перечисленные в списке журнала Science.

Примечания

[1] ttp://elementy.ru/news/430872

[2] ttp://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/322/5899/275

[3] Desulforudis audaxviator

[4] Chemical ecology

[5] Metagenomics

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]