|
= Часть 1. Клетка как она есть =
Привет ты попал на мой сайт ты крутой!!!
== Введение ==
=== Клетка — основа жизни ===
<big>[[w:Клетка|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 10<sup>13</sup> — 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. </big>
; Задание
: Прежде чем читать дальше, перечислите основные свойства живого. После выполнения задания — см. [[#Основные научные проблемы биологии и их связь с изучением клеток|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 ====
<big>Клетки, живые организмы и в целом жизнь на Земле представляют собой сложные [[w:Система|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 [[w:Меры длины|размеры]]: от нескольких [[w:нанометр|нанометров]] (крупные молекулы и мелкие [[w:органоиды|органоиды]]) до нескольких тысяч километров (крупные [[w:экосистема|экосистемы]] и вся [[w:биосфера|биосфера]]). Обычно выделяют четыре основных уровня организации -
* молекулярно-клеточный,
* организменный,
* популяционно-видовой,
* экосистемный.</big>
; 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 [[w:генофонд|генофондом]]. [[w:Экосистема|Экосистема]], даже несмотря на наличие [[w:Горизонтальный перенос генов|горизонтального переноса генов]], такой системой не является. Эти недостатки побуждают многих авторов искать другие критерии выделения уровней организации — например, использовать длительность их существования (выделяя [[w:онтогенез|онтогенетический]] и [[w:филогенез|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.
<small>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.</small>
<!-- Полагаю, в основном только в школьной традиции принято выделять подобные иерархичные структуры, хотя, возможно, предложенная классификация бытует только между молекулярными биологами.-->
==== 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 <ref>http://elementy.ru/news/430872</ref> <ref>http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/322/5899/275</ref><ref>[[w:en:Desulforudis audaxviator|Desulforudis audaxviator]]</ref>. С момента появления первых клеток жизнь, несомненно, уже существовала в виде экосистем, то есть начала приобретать современные [[w:Геохимический цикл углерода |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 — [[w:зоология|зоология]], [[w:микология|микология]], [[w:ботаника|ботаника]], [[w:протистология|протистология]], [[w:бактериология|бактериология]], [[w:вирусология|вирусология]]. Нашим собственным видом занимается [[w:антропология|антропология]].
<small>Каждая из них делится на ряд ещё более частных разделов. Например, в зоологии выделяют [[w:энтомология|энтомологию]], [[w:орнитология|орнитологию]], [[w:ихтиология|ихтиологию]] и др., в ботанике — [[бриология|бриологию]], [[альгология|альгологию]] (последняя наука, правда, может быть отнесена и к протистологии).</small>
Другие биологические науки в основном связаны с определенными уровнями организации живого. <big>Молекулярный уровень изучают [[w:биохимия|биохимия]], [[w:молекулярная биология|молекулярная биология]], [[w:молекулярная генетика|молекулярная генетика]]. По своим методам (а отчасти и по объекту изучения) близка к этим наукам [[w:вирусология|вирусология]].</big>
<big>Тесно связаны с ними и науки, изучающие клеточный уровень — [[w:цитология|цитология]] ([[w:Биология клетки|клеточная биология]]), [[w:гистология|гистология]], [[w:иммунология|иммунология]] и др.</big>
Организменный уровень изучают такие науки, как [[w:анатомия|анатомия]], [[w:физиология|физиология]] и [[w:эмбриология|эмбриология]] ([[w:Биология развития|биология развития]]). С этим уровнем тесно связаны и многие разделы [[w:генетика|генетики]] (например, генетика развития).
Популяционно-видовой уровень изучают [[w:популяционная генетика|популяционная генетика]] и [[w:популяционная экология|популяционная экология]]. Кроме того, этим уровнем занимается [[w:эволюционная биология|эволюционная биология]], так как на этом уровне организации происходят процессы [[w:микроэволюция|микроэволюции]]. Этот же уровень — объект изучения [[w:систематика|систематики]].
Экосистемный уровень — основной объект изучения большинства разделов [[w:экология|экологии]]. К этому уровню смещаются в последние годы и интересы [[w:палеонтология|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, [[w:биоинформатика|биоинформатику]] и [[w:биофизика|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 [[w:геоботаника|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 «[[w:экологическая генетика|экологическая генетика]]» [http://www.bionet.nsc.ru/vogis/pict_pdf/2009/2009_2/19.pdf]или «[[w:химическая экология|химическая экология]]» <ref>[[w:en:Chemical ecology|Chemical ecology]]</ref>. [[w:Метагеномика|Метагеномика]] <ref>[[w:en:Metagenomics|Metagenomics]]</ref> 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 <big>принципа редукционизма.</big> В применении к изучении клетки этот принцип состоит в том, что <big>возможно объяснение сложных процессов в клетке и организме как результата простых химических реакций.</big>
<big>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.</big>
=== 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 <big>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</big>. 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.
[http://lub.molbiol.ru/02_14.html] 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.
[http://www.sciencemag.org/sciext/125th/] 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 [[w:Мендель, Грегор Иоганн|Грегор Иоганн Мендель]], открывший в 1865 г основные законы наследования. Следующий шаг был сделан, когда в 1870-е-1890-е годы были описаны [[w:митоз|митоз]], [[w:мейоз|мейоз]] и [[w: оплодотворение| оплодотворение]]. Ещё на шаг ученые приблизились к разгадке тайны наследственности, когда в 1910-е годы [[w:Морган, Томас Гент|Томасом Гент Морганом]] и его сотрудниками была создана [[w:хромосомная теория наследственности|хромосомная теория наследственности]]. В 1920-е годы [[w:Кольцов, Николай Константинович|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 [[w:Уотсон, Джеймс|Джеймс Уотсон]] и [[w:Крик, Фрэнсис|Фрэнсис Крик]] создали модель двойной спирали [[w:ДНК|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 [[w:Дарвин,Чарльз|Чарльзом Дарвином]], который для объяснения механизмов эволюции предложил теорию [[w:естественный отбор|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.
== Клетка — основа жизни ==
| 