Введение в биологию
Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле, а в мире Полудня — и на других планетах. Как известно, жизнь может существовать только в пределах клетки. Единственное исключение представляют собой вирусы, не имеющие клеточного строения сами по себе, однако использующих для жизни и размножения клетки других живых организмов. Таким образом, все живое вещество состоит из одной или более клеток, либо из продуктов секреции этих клеток. Все клетки происходят из других клеток путём клеточного деления, и все клетки многоклеточного организма происходят из одной оплодотворённой яйцеклетки.
Строение клетки
Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток - не имеющие ядра в клетках (прокариоты) и имеющие клеточное ядро (эукариоты). Прокариотические клетки более простые по строению, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки более сложные, возникли позже. Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам. Живое содержимое клетки (протопласт) отделено от окружающей среды клеточной мембраной. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органеллы и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждая из органелл клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.
Клеточная мембрана обеспечивает разграничительную и транспортную функции по отношению к внешней для клетки среде.
Внутреннее пространство (цитоплазма) эукариотической клетки строго упорядочено. Передвижение органелл координируется при помощи специализированных транспортных систем, так называемых микротрубочек, служащих внутриклеточными «дорогами» и специальных белков, играющих роль «двигателей».
Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) система переходящих друг в друга мембранных отсеков (трубок и цистерн) в эукариотической клетке. Ту часть ЭПР, к мембранам которого прикреплены рибосомы, относят к гранулярному ЭПР, на его мембранах происходит синтез белков. Те части, на стенках которых нет рибосом, относят к гладкому ЭПР, принимающему участие в синтезе липидов.
Аппарат Гольджи - представляет собой стопку плоских мембранных цистерн, несколько расширенных ближе к краям. Здесь созревают некоторые белки, синтезированные на мембранах гранулярного ЭПР. Аппарат Гольджи асимметричен — цистерны, располагающиеся ближе к ядру клетки содержат наименее зрелые белки, к ним непрерывно присоединяются мембранные пузырьки, отпочковывающиеся от ЭПР. При помощи таких же пузырьков происходит дальнейшее перемещение созревающих белков от одной цистерны к другой. В конце концов, от противоположного конца органеллы отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.
Клеточное ядро содержит молекулы ДНК, на которых записана генетическая информация организма. В ядре происходит репликация — удвоение молекул ДНК, а также транскрипция — синтез молекул РНК на матрице ДНК. В ядре же синтезированные молекулы РНК претерпевают некоторые модификации, после чего выходят в цитоплазму. Сборка рибосом также происходит в ядре, в специальных образованиях, называемых ядрышками.
Митохондрии - особые органеллы клетки, основной функцией которых является синтез АТФ - универсального носителя энергии для всех процессов в организме. Митохондрии имеют свой собственный ДНК-геном и прокариотические рибосомы, что безусловно указывает на симбиотическое происхождение этих органелл. Кроме того, у растений имеются также и другие симбиотические органеллы — пластиды, в которых осуществляется фотосинтез.
ДНК
Функцию хранения, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития каждого организма осуществляет дезоксирибонуклеииновая кислота (ДНК).
В клетках эукариот (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органеллах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.
С химической точки зрения, ДНК — это полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков, нуклеотидов. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов) ДНК состоит из двух цепей, закрученных в спираль одна вокруг другой наподобие винтовой лестницы.
Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Двойная спираль ДНК образуется в результате такого взаимодействия. Таким образом, нуклеотиды, в состав которых входят азотистые основания, и составляют тот алфавит, который кодирует всю наследственную информацию организма. Генетический алфавит состоит всего из четырех «букв» - А (аденина), С (цитозина), G (гуанина ) и Т (тимина). Комплементарность двойной спирали означает, что информация, содержащаяся в одной цепи, содержится и в другой цепи. Обратимость и специфичность взаимодействий между комплементарными парами оснований крайне важна для копирования своего генетического материала и всех остальных функций ДНК в живых организмах. Например, ДНК клетки, приступающей к делению, претерпевает кардинальные изменения: двойная спираль раскручивается, цепи расходятся. На каждой из них при участии специальных белков-ферментов начинается синтез комплементарных нуклеотидов. Так из одной молекулы ДНК образуется две.
Итак, генетическая информация, закодированная в ДНК, должна быть прочитана и в конечном итоге выражена в синтезе различных биополимеров, из которых состоят клетки (в основном это различные белки). Последовательность оснований в цепочке ДНК напрямую определяет последовательность оснований в РНК, на которую она «переписывается» в процессе, называемом транскрипцией. Для трансляции, то есть синтеза белка на основании фрагмента (гена), переписанного с ДНК, используется генетический код. Генетический код состоит из трёхбуквенных «слов», называемых кодонами, состоящих из трёх нуклеотидов (то есть АСТ САG ТТТ и т. п.). Небольшие фрагменты гена, переписанные на специальные матричные РНК попадают в рибосомы (особые клеточные органеллы), где на основании РНК идет биосинтез белка. Каждому кодону «слову») соответствует одна аминокислота (аминокислоты являются составными блоками белков). Поскольку в трёхбуквенных комбинациях используются 4 основания, всего возможны 64 кодона (4 в третьей степени комбинации). Кодоны кодируют 20 стандартных аминокислот, каждой из которых соответствует в большинстве случаев более одного кодона. Один из трёх кодонов, которые располагаются в конце РНК, не означает аминокислоту и определяет конец белка, это «стоп» кодоны — ТАА, ТGА, ТАG.
Помимо обычных кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит различные последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме часто встречаются участки, не кодирующие никаких белков (псевдогены), являющиеся своего рода «генетическим мусором», возникшим в результате мутаций или фрагменты принадлежащие генетическим паразитам, например, вирусам.
Эволюция
Центральная организующая концепция в биологии состоит в том, что жизнь со временем изменяется и развивается посредством эволюции, и что все известные формы жизни на Земле имеют общее происхождение. Это обусловило сходство основных единиц и процессов жизнедеятельности, упоминавшихся выше. Чарльз Дарвин установил, что движущей силой эволюции является естественный отбор, то есть выживание и размножение наиболее приспособленных к условиям окружающей среды особей. Для создания новых пород животных и сортов растений человеком сознательно пртименяется искусственый отбор. Эволюционная история видов, описывающая их изменения и генеалогические отношения между собой, называется филогенез. Информация о филогенезе накапливается из разных источников, в частности, путем сравнения последовательностей ДНК или ископаемых останков и следов древних организмов. Любая группа организмов имеет общее происхождение, если у неё имеется общий предок. Все живые существа на Земле, как ныне живущие, так и вымершие, происходят от общего предка или общей совокупности генов. Общий предок всех живых существ появился на Земле около 3,5 млрд. лет назад. Главным доказательством теории общего предка считается универсальность генетического кода (поскольку он одинаков у всех живых организмов от вирусов до человека).
Очевидно, что в мире Полудня универсальность генетического кода сохраняется, таким образом, все существующие внеземные формы жизни, в том числе, бактерии, растения, животные и грибы, имеют одни и те же основные механизмы, предназначенные для копирования ДНК и синтеза белка, что и земные организмы. Например, бактерии, в которые вводят ДНК человека, способны синтезировать человеческие белки. Однако логично предположить, что определенные различия всё же существуют. Во-первых, вполне логично различие списков аминокислот, образующих белки. На Земле их существует 20, на других планетах, возможно, другое количество (выше объяснялось, откуда берется избыточность кодонов, отвечающих за встраивание разных аминокислот). Очевидно, что инопланетные организмы могут быть несъедобны для человека в том случае если содержат чужеродные аминокислоты (сахара и т.д.).
Экология
Необходимым условием жизни является получение энергии. Главным источником энергии на Земле является солнечный свет, однако многие живые организмы способны использовать энергию химических связей, разлагая различные химические вещества, например, нефть в месторождениях, и даже выбросы сернистых соединений в подводных вулканах. Такие организмы, способные самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических, называются продуцентами, они являются первым звеном любой пищевой цепи. На земле это, в основном, зелёные растения (синтезируют органические вещества из неорганических в процессе фотосинтеза), а так же некоторые виды бактерий, способные на чисто химический синтез органики и без солнечного света.
Вторым, третьим и так далее звеньями пищевой цепи являются консументы - организмы, неспособные синтезировать органические вещества из неорганических и поэтому потребляющие органические вещества в готовом виде (консументы 1-го порядка - растительноядные, 2-го и больших порядков - хищники).
Последним замыкающим звеном пищевой цепи являются редуценты - организмы, разрушающие остатки мёртвых растений и животных и превращающие их в неорганические соединения (черви, бактерии, грибы).