Общая характеристика молекулярного уровня

Переходя к изучению общей биологии, нужно понимать всю важность слова «общая». В предыдущих классах вы детально изучали отдельные группы живых организмов. Заканчивая венцом природы – человеком - в прошлом году. В 9-м классе вы попадаете на новый уровень биологических знаний. На котором все ваши биологические детальки из ранее изученного постепенно будут складываться в общую картину. И поверьте – картину прекрасную. Картину, которая позволит вам взглянуть другими глазами на то, что происходит вокруг. И каким закономерностям подчиняется живая природа.

Самое первое, с чего обычно начинается изучение новой темы по биологии – это строение. Потому что, не изучив строение, мы вряд ли сможем разобраться с функциями чего-либо.

Вот и вся живая природа или даже можно сказать жизнь на Земле имеет собственное строение. А не только наше сердце с четырьмя камерами или клетки листьев ромашки с хлоропластами внутри.

Упорядоченное строение всей живой природы в целом достаточно условно. Примерно так же, как и разделение всех живых организмов на группы – классификация. Но в тоже время оно общепринято и в любом случае помогает разобраться со всей невообразимой сложностью и запутанностью нюансов жизни на Земле.

Так вот. Всю живую природу можно представить в виде системы. Огромной и сложной. Объять необъятное невозможно, поэтому учёные выделили в этой системе отдельные части – уровни. Которые находятся в соподчинении друг с другом.

Как выделили эти уровни? Дело в том, что жизнь на Земле можно рассматривать, выбирая для изучения разные её части. Более или менее самодостаточные с каким-то одним типом взаимодействия элементов. То есть относительно завершённые. И разные по объёму.

Давайте посмотрим на эти части или, как их называют – уровни.

Химические процессы, происходящие внутри живых организмов, уникальны. Потому что в них участвуют вещества, которые не способны существовать и взаимодействовать между собой вне живых организмов.

Например, ферменты – сложные по строению белковые молекулы – могут проявлять свои свойства только при определённой температуре, давлении, кислотности среды. Эти условия не могут быть соблюдены вне живого организма, соответственно, и ферменты вне живого организма не могут работать. Они утрачивают свою рабочую структуру.

Изучением строения и взаимодействия молекул между собой и занимаются на молекулярном уровне. То есть на уровне молекул. Ещё раз подчеркнём. Этот уровень отнесён к уровню организации живого вещества потому, что вне живых организмов сложные органические вещества становятся не способны к взаимодействию. А вот внутри живых организмов эти «мёртвые» молекулы – они не обладают ни одним свойством живого, о которых мы говорили на прошлом уроке, разве что дискретностью – оживают и способны выполнять уникальные функции.

Соответственно, это и самый простой, начальный уровень организации живого. Так как меньше молекул только отдельные атомы химических элементов. А вот уже если рассматривать взаимодействие атомов между собой – здесь мы не найдём кардинальных отличий – происходит это в живой природе или неживой. Поэтому начальным уровнем организации живого вещества является молекулярный.

Следом за молекулярным выделяют клеточный уровень. Здесь изучается взаимодействие клеточных органоидов на уровне одной клетки. Если организм одноклеточный, то этот уровень совпадает со следующим – организменным.

На организменном уровне изучается работа органов и систем органов многоклеточного организма.

Следующие уровни немного сложнее для понимания, потому что, скажем так, их невозможно потрогать. А можно только представить и убедить себя в том, что они есть. За организменным уровнем следует популяционно-видовой. Где изучается взаимодействие особей между собой в отдельно взятой популяции или виде в целом.
Что здесь можно изучать? Например, численность зайцев на определённой территории, их возрастную структуру, то есть количество особей разного возраста в популяции, половую структуру и так далее.

Без таких данных кроме всего прочего человек не сможет составить достоверный прогноз развития данной части природного сообщества. А это бывает просто необходимо для успешного развития сельского хозяйства и не только.

Более крупным уровнем является экосистемный. Здесь рассматриваются уже не отдельно взятые зайцы леса, а ВСЕ живые организмы, населяющие участок земной поверхности в их взаимодействии со средой обитания. Например, можно рассчитать, сколько данная дубрава выделяет кислорода за это лето. Или за год и так далее.

Наивысшем уровнем организации живого является биосферный. Он состоит из множества экосистем, о которых мы только что говорили. Точнее, не из множества экосистем. А из всех.

Изучая природу на этом уровне, мы можем узнать, например, концентрацию углекислого газа во всей атмосфере Земли, рассчитать, сколько его потребляют живые организмы и предсказать, угрожает ли человечеству глобальное потепление, таяние ледников, повышение уровня воды в мировом океане и всемирный потоп.

Вот таким получился наш краткий обзор уровней организации живой материи. А сегодня начинаем подробное знакомство с первым и самым элементарным – молекулярным. Но несмотря на то, что он первый и в принципе, самый простой по организации – это один из самых загадочных и в силу разных причин, малоизученных уровней.

Попытаемся разобраться в том, что известно о молекулярном уровне на сегодняшний день. Хотя бы частично.

Для этого нам понадобятся знания из химии. По этому уровню без них не ступить и шагу. Вообще, запомните. Химик может позволить себе некоторые пробелы в знании биологии. Потому что знать химию без знания биологии – это возможно. А вот человеку, который слабо разбирается в химии, но собирается стать биологом – дорога туда заказана. Вот почему на нас, биологах, лежит двойная нагрузка. Но давайте двигаться дальше.

Итак, исключительная роль в функционировании живых организмов принадлежит молекулам органических веществ. Как вы знаете, это белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Также вы знаете, что в состав живых организмов входит более 100 химических элементов. И знаете, что основная роль здесь принадлежит углероду. Почему? А потому, что атомы углерода способны соединяться друг с другом в цепочки. Давая при этом огромнейшее разнообразие органических веществ, которых насчитывается десятки миллионов. По сравнению с несколькими сотнями тысяч неорганических. Кстати, органическую химию ещё так и называют – химия углерода.

А сложные органические вещества, образующие цепочки, в свою очередь – полимерами – от греческого πολύ- – много и μέρος – часть. То есть, это вещества, состоящие из повторяющихся фрагментов – остатков других веществ – мономеров. Из того же греческого – μόνος – один.

В 8 классе вы достаточно подробно останавливались на строении таких веществ при изучении собственных процессов пищеварения. Помните? Откусили кусок булки, а в слюне её уже поджидает фермент амилаза. Которая расщепляет длинные молекулы крахмала до мальтозы, состоящую уже всего из двух молекул. С появлением во рту мальтозы на неё набрасывается фермент мальтаза и режет молекулу сахара напополам всего до одной молекулы сладенькой глюкозы.

Таким образом молекула крахмала, состоящая из повторяющихся молекул глюкозы – это полимер, а сама глюкоза, которая представляет собой одну молекулу – мономер.

Полимер крахмал состоит из мономеров – молекул глюкозы.

Количество мономеров в полимере может быть разным. От нескольких десятков тысяч в том же крахмале до сотен миллионов в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Не все полимеры или, точнее биополимеры, то есть те, которые встречаются в живых организмах, состоят из одинаковых мономеров. Например, белки, которые начинают перевариваться у нас в желудке, состоят из аминокислот. А аминокислот, которые могут входить в состав белков, двадцать. Поэтому полимеры белки относят к гетерополимерам. То есть, они состоят из разных мономеров.

Вы не запутались? Если честно, на самом деле это всё достаточно сложно. Как и сама жизнь. Имея сложное строение, полимеры проявляют и самые разнообразные свойства. Которые напрямую зависят от количества звеньев, входящих в их состав. А количество мономеров может изменяться в очень широких пределах, как мы выяснили. Но и это не всё. Каждая молекула уникальна благодаря разному чередованию этих звеньев и их взаимному расположению. В результате мы получаем немыслимое разнообразие биомолекул и теперь можем не удивляться многообразию жизненных форм на Земле. НО! В то же время все биологические молекулы построены по единому принципу. И это одно из доказательств единства живой природы.

Да. Наверное, на самом деле мы с вами произошли от бактерий. Если они появились на Земле первыми.

В какой-то мере единство живой природы подтверждает и такой факт - каждый тип органических веществ у всех организмов выполняет сходные функции.

Белки – основные структурные элементы клеток, а также главные ускорители и регуляторы химических реакций.

Углеводы и жиры в основном отвечают за обеспечение необходимой жизненной энергией.

Ну а уникальное строение нуклеиновых кислот (представьте – за открытие строения только одной молекулы ДНК из миллионов других органических веществ учёным была присуждена Нобелевская премия) позволяет записывать, сохранять и передавать в неизменном виде наследственную информацию. То есть всю информацию о строении тех же органических веществ и о том, как когда и где они должны появляться, какие функции выполнять и когда разрушаться, и перерабатываться. Это невероятный объём данных. Если их сравнить с общепринятыми на сегодняшний день, то мы получим, что в одном грамме ДНК (организм человека содержит 150 г) может храниться 700 терабайт данных. Это 233 жёстких диска по 3 терабайта с общим весом в 151 килограмм. Круто, да? Природа уже давно всё придумала за нас.

Молекулярный уровень жизни является базовым для существования всего живого. Именно здесь происходит то, что мы называем процессами жизнедеятельности. Например, каким бы образом живой организм не добывал себе для энергии пищу – будь то бесшумная сова в ночном лесу с мышью в когтях или это мощный дуб, впитывающий листьями углекислый газ, а корнями воду – все они в конечном итоге существуют за счёт образования на молекулярном уровне аденозинтрифосфорной кислоты – универсального источника энергии. С которым вы тоже обязательно познакомитесь на следующих уроках.

Если попробовать сравнить клетку с городом, то клеточные органоиды в нём – это предприятия. А всё высокотехнологичное оборудование этих предприятий – наши с вами органические вещества. Сможет город сохранять свою жизнедеятельность без работающего оборудования промышленных предприятий? Нет. Так и следующие уровни организации жизни на Земле не могут существовать без ещё полного загадок и тайн взаимодействия органических веществ на молекулярном уровне. И если кто-то задастся целью узнать, как же устроена жизнь на планете Земля – ему не обойтись без изучения строения и свойств органических веществ клетки.