Без кейворда

Содержание: [Показать]

Людям уже давно интересно узнать о живых существах: сколько существует разных видов, на что они похожи, где живут, как они относятся друг к другу и как ведут себя. Ученые пытаются ответить на эти и многие другие вопросы об организмах, населяющих Землю. В частности, они пытаются разработать концепции, принципы и теории, которые позволяют людям лучше понимать среду обитания.

Живые организмы состоят из тех же компонентов, что и вся остальная материя, претерпевают те же преобразования энергии и движутся с использованием тех же основных сил. Таким образом, все физические принципы, обсуждаемые в главе 4 «Физическая обстановка», применимы как к жизни, так и к звездам, каплям дождя и телевизорам. Но живые организмы также обладают характеристиками, которые лучше всего можно понять, применив другие принципы.

В этой главе предлагаются рекомендации по базовым знаниям о том, как живые существа функционируют и как они взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. В этой главе основное внимание уделяется шести основным темам: разнообразию жизни, отраженному в биологических характеристиках организмов Земли; передача наследственных характеристик от одного поколения к другому; структура и функционирование клеток, основных строительных блоков всех организмов; взаимозависимость всех организмов и окружающей их среды; поток материи и энергии через грандиозные жизненные циклы; и как биологическая эволюция объясняет сходство и разнообразие жизни.

РАЗНООБРАЗИЕ ЖИЗНИ

Есть миллионы различных типов отдельных организмов, населяющих Землю в любое время - некоторые очень похожи друг на друга, некоторые очень разные. Биологи классифицируют организмы по иерархии групп и подгрупп на основе сходства и различий в их структуре и поведении. Одно из наиболее общих различий между организмами - это растения, получающие энергию непосредственно от солнечного света, и животные, которые потребляют богатую энергией пищу, изначально синтезированную растениями. Но не все организмы однозначно являются одним или другим. Например, есть одноклеточные организмы без организованных ядер (бактерии), которые классифицируются как отдельная группа.

У животных и растений есть большое разнообразие строений тела, с различными общими структурами и расположением внутренних частей для выполнения основных операций по изготовлению или поиску пищи, извлечению из нее энергии и материалов, синтеза новых материалов и воспроизводства. Когда ученые классифицируют организмы, они считают, что детали анатомии более важны, чем поведение или общий внешний вид. Например, из-за таких особенностей, как молочные железы и структура мозга, киты и летучие мыши классифицируются как более похожие, чем киты и рыбы или летучие мыши и птицы. По разным степеням родства собаки классифицируются: рыбы имеют позвоночник, коровы - волосы, а кошки - мясоеды.

Для организмов, размножающихся половым путем, вид включает в себя все организмы, которые могут спариваться друг с другом для получения плодовитого потомства. Однако определение видов неточно; на границах может быть трудно определиться с точной классификацией того или иного организма. Действительно, системы классификации не являются частью природы. Скорее, это рамки, созданные биологами для описания огромного разнообразия организмов, установления взаимосвязей между живыми существами и постановки вопросов исследования.

Разнообразие форм жизни на Земле очевидно не только при изучении анатомических и поведенческих сходств и различий между организмами, но и при изучении сходств и различий между их молекулами. Самые сложные молекулы, образующиеся в живых организмах, представляют собой цепочки из более мелких молекул. Различные виды малых молекул во многом одинаковы для всех форм жизни, но определенные последовательности компонентов, из которых состоят очень сложные молекулы, характерны для данного вида. Например, молекулы ДНК представляют собой длинные цепи, связывающие всего четыре типа более мелких молекул, точная последовательность которых кодирует генетическую информацию. О близости или удаленности взаимоотношений между организмами можно судить по степени сходства их последовательностей ДНК.Родство организмов, выводимое из сходства в их молекулярной структуре, близко соответствует классификации, основанной на анатомическом сходстве.

Сохранение разнообразия видов важно для человека. Мы зависим от двух пищевых сетей, чтобы получать энергию и материалы, необходимые для жизни. Первый начинается с микроскопических океанских растений и водорослей и включает животных, которые ими питаются, и животных, которые питаются этими животными. Другой начинается с наземных растений и включает животных, которые ими питаются, и так далее. Сложные взаимозависимости между видами служат для стабилизации этих пищевых сетей. Незначительные сбои в определенном месте обычно приводят к изменениям, которые в конечном итоге восстанавливают систему. Но серьезные нарушения живого населения или окружающей его среды могут привести к необратимым изменениям в пищевых сетях. Сохранение разнообразия увеличивает вероятность того, что некоторые сорта будут иметь характеристики, пригодные для выживания в изменившихся условиях.

ВЕРСИЯ

Одно давно известное наблюдение состоит в том, что потомство очень похоже на своих родителей, но все же имеет некоторые различия: потомство несколько отличается от своих родителей и друг от друга. В течение многих поколений эти различия могут накапливаться, поэтому организмы могут сильно отличаться по внешнему виду и поведению от своих далеких предков. Например, люди разводили своих домашних животных и растения, чтобы выбрать желаемые характеристики; Результатом являются современные разновидности собак, кошек, крупного рогатого скота, домашней птицы, фруктов и злаков, которые заметно отличаются от своих предков. Также наблюдались изменения в зернах, например, в том, что они достаточно обширны, чтобы производить новые виды. Фактически, некоторые ветви потомков одного и того же родительского вида настолько отличаются от других, что больше не могут спариваться друг с другом.

Инструкции по развитию передаются от родителей к потомству в тысячах отдельных генов, каждый из которых, как теперь известно, является сегментом молекулы ДНК. Потомки бесполых организмов (клоны) наследуют все гены родителей. При половом размножении растений и животных специализированная клетка самки сливается со специализированной клеткой самца. Каждая из этих половых клеток содержит непредсказуемую половину генетической информации родителей. Когда конкретная мужская клетка сливается с конкретной женской клеткой во время оплодотворения, они образуют клетку с одним полным набором парной генетической информации, комбинацией по одному половинному набору от каждого родителя. По мере того как оплодотворенная клетка размножается, образуя зародыш и, в конечном итоге, семя или зрелую особь, комбинированные наборы реплицируются в каждой новой клетке.

Сортировка и комбинация генов при половом размножении приводит к большому разнообразию комбинаций генов у потомков двух родителей. Существуют миллионы различных возможных комбинаций генов в половине, распределенной на каждую отдельную половую клетку, а также есть миллионы возможных комбинаций каждой из этих конкретных женских и мужских половых клеток.

Однако новые сочетания генов - не единственный источник вариаций характеристик организмов. Хотя генетические инструкции могут передаваться практически без изменений в течение многих тысяч поколений, иногда часть информации в ДНК клетки изменяется. Делеции, вставки или замены сегментов ДНК могут происходить спонтанно из-за случайных ошибок при копировании или могут быть вызваны химическими веществами или излучением. Если мутировавший ген находится в половой клетке организма, его копии могут передаваться потомству, становясь частью всех их клеток и, возможно, придавая потомству новые или измененные характеристики. Некоторые из этих измененных характеристик могут увеличивать способность организмов, у которых они есть, к процветанию и воспроизводству, некоторые могут снижать эту способность, а некоторые могут не иметь заметного эффекта.

C ELLS

Все самовоспроизводящиеся формы жизни состоят из клеток - от одноклеточных бактерий до слонов с их триллионами клеток. Хотя некоторые гигантские клетки, такие как куриные яйца, можно увидеть невооруженным глазом, большинство клеток микроскопические. Именно на клеточном уровне выполняются многие из основных функций организмов: синтез белка, извлечение энергии из питательных веществ, репликация и так далее.

Все живые клетки имеют похожие типы сложных молекул, которые участвуют в этих основных жизненных действиях. Эти молекулы взаимодействуют в супе, примерно 2/3 воды, окруженном мембраной, которая контролирует то, что может входить и выходить. В более сложных клетках некоторые из обычных типов молекул организованы в структуры, которые более эффективно выполняют те же основные функции. В частности, ядро ​​включает ДНК, а белковый каркас помогает организовать операции. В дополнение к основным клеточным функциям, общим для всех клеток, большинство клеток в многоклеточных организмах выполняют некоторые особые функции, которых нет у других. Например, клетки железы выделяют гормоны, мышечные клетки сокращаются, а нервные клетки проводят электрические сигналы.

Молекулы клетки состоят из атомов небольшого числа элементов - в основном углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы. Атомы углерода из-за своего небольшого размера и четырех доступных связывающих электронов могут присоединяться к другим атомам углерода в цепочки и кольца, образуя большие и сложные молекулы. Большинство молекулярных взаимодействий в клетках происходит в водном растворе и требует довольно узкого диапазона температуры и кислотности. При низких температурах реакции идут слишком медленно, тогда как высокие температуры или экстремальная кислотность могут необратимо повредить структуру белковых молекул. Даже небольшие изменения кислотности могут изменить молекулы и то, как они взаимодействуют. Как одиночные клетки, так и многоклеточные организмы имеют молекулы, которые помогают поддерживать кислотность клеток в необходимом диапазоне.

Работа клетки осуществляется множеством различных типов молекул, которые она собирает, в основном белками. Молекулы белка представляют собой длинные, обычно сложенные цепи, состоящие из 20 различных типов молекул аминокислот. Функция каждого белка зависит от его конкретной последовательности аминокислот и формы, которую принимает цепь в результате притяжения между частями цепи. Некоторые из собранных молекул помогают в репликации генетической информации, восстановлении клеточных структур, помогают другим молекулам проникать в клетку или выходить из нее и, как правило, катализируют и регулируют молекулярные взаимодействия. В специализированных клетках другие белковые молекулы могут переносить кислород, вызывать сокращение, реагировать на внешние раздражители или обеспечивать материал для волос, ногтей и других структур тела. В других клетках собранные молекулы могут быть экспортированы в качестве гормонов,антитела или пищеварительные ферменты.

Генетическая информация, закодированная в молекулах ДНК, дает инструкции по сборке белковых молекул. Этот код практически одинаков для всех форм жизни. Таким образом, например, если ген из клетки человека помещен в бактерию, химический аппарат бактерии будет следовать инструкциям гена и производить тот же белок, который будет продуцироваться в клетках человека. Таким образом, изменение даже одного атома в молекуле ДНК, которое может быть вызвано химическими веществами или излучением, может изменить производимый белок. Такая мутация сегмента ДНК может не иметь большого значения, может фатально нарушить работу клетки или может существенно изменить успешную работу клетки (например, она может способствовать неконтролируемой репликации, как при раке).

Все клетки организма являются потомками одной оплодотворенной яйцеклетки и имеют одинаковую информацию о ДНК. Поскольку последовательные поколения клеток формируются путем деления, небольшие различия в их непосредственном окружении заставляют их развиваться немного по-разному, путем активации или деактивации различных частей информации ДНК. Более поздние поколения клеток еще больше различаются и в конечном итоге созревают в такие разные клетки, как железы, мышцы и нервные клетки.

Сложные взаимодействия между бесчисленными видами молекул в клетке могут вызывать различные циклы активности, такие как рост и деление. Контроль клеточных процессов также происходит извне: на поведение клетки могут влиять молекулы из других частей организма или других организмов (например, гормоны и нейротрансмиттеры), которые прикрепляются к клеточной мембране или проходят через нее и влияют на скорость реакции между ними. составляющие клетки.

ВЗАИМОЗАВИСИМОСТЬ ЖИЗНИ

Каждый вид прямо или косвенно связан с множеством других в экосистеме. Растения обеспечивают пищу, укрытие и места для гнездования других организмов. Со своей стороны, многие растения зависят от животных в плане воспроизводства (например, пчелы опыляют цветы) и определенных питательных веществ (например, минералов в продуктах жизнедеятельности животных). Все животные являются частью пищевых сетей, в которые входят растения и животные других видов (а иногда и того же вида). Отношения хищник / жертва являются обычными, с его орудиями нападения на хищников - зубами, клювами, когтями, ядом и т. Д. И защитными орудиями для добычи - маскировкой, чтобы спрятаться, скоростью, чтобы убежать, щитами или шипами для отражения , раздражающие вещества отталкивать. Некоторые виды очень сильно зависят от других (например, панды или коалы могут есть только определенные виды деревьев).Некоторые виды настолько приспособились друг к другу, что ни один из них не может выжить без другого (например, осы, которые гнездятся только на инжирах и являются единственными насекомыми, способными их опылять).

Есть и другие отношения между организмами. Паразиты получают питание от своих организмов-хозяев, иногда с плохими последствиями для хозяев. Падальщики и разлагатели питаются только мертвыми животными и растениями. И некоторые организмы имеют взаимовыгодные отношения - например, пчелы, которые потягивают нектар из цветов и случайно переносят пыльцу с одного цветка на другой, или бактерии, которые живут в нашем кишечнике и случайно синтезируют некоторые витамины и защищают слизистую оболочку кишечника от микробов. .

Но взаимодействие живых организмов не происходит на пассивной экологической стадии. Экосистемы формируются неживой окружающей средой суши и воды - солнечной радиацией, осадками, концентрацией минералов, температурой и топографией. В мире существует большое разнообразие физических условий, которые создают самые разные среды: пресноводные и океанические, леса, пустыни, луга, тундры, горы и многие другие. Во всех этих средах организмы используют жизненно важные ресурсы земли, каждый ищет свою долю определенным образом, который ограничен другими организмами. В каждой части обитаемой среды различные организмы соперничают за пищу, пространство, свет, тепло, воду, воздух и убежище. Связанные и изменчивые взаимодействия форм жизни и окружающей среды составляют единую экосистему;Чтобы хорошо понять любую его часть, необходимо знать, как эта часть взаимодействует с другими.

Взаимозависимость организмов в экосистеме часто приводит к приблизительной стабильности в течение сотен или тысяч лет. По мере размножения одного вида он сдерживается одним или несколькими факторами окружающей среды: истощением запасов пищи или мест гнездования, увеличением потерь от хищников или вторжением паразитов. Если произойдет стихийное бедствие, такое как наводнение или пожар, поврежденная экосистема, вероятно, восстановится в несколько этапов, что в конечном итоге приведет к созданию системы, аналогичной исходной.

Как и многие сложные системы, экосистемы имеют тенденцию демонстрировать циклические колебания около состояния приблизительного равновесия. Однако в долгосрочной перспективе экосистемы неизбежно изменяются, когда меняется климат или когда в результате миграции или эволюции появляются совершенно разные новые виды (или когда люди вводятся намеренно или случайно).

НИЗКАЯ МАТЕРИЯ И ЭНЕРГИЯ

Каким бы сложным ни было устройство живых организмов, они разделяют со всеми другими природными системами одни и те же физические принципы сохранения и преобразования материи и энергии. В течение долгого времени материя и энергия трансформируются среди живых существ, а также между ними и физической средой. В этих крупномасштабных циклах общее количество материи и энергии остается постоянным, даже несмотря на то, что их форма и расположение постоянно меняются.

Почти вся жизнь на Земле в конечном итоге поддерживается преобразованием энергии Солнца. Растения улавливают солнечную энергию и используют ее для синтеза сложных, богатых энергией молекул (в основном сахаров) из молекул углекислого газа и воды. Эти синтезированные молекулы затем служат, прямо или косвенно, источником энергии для самих растений и, в конечном итоге, для всех животных и организмов-разлагателей (таких как бактерии и грибы). Это пищевая сеть: организмы, потребляющие растения, получают энергию и материалы от расщепления молекул растений, используют их для синтеза своих собственных структур, а затем сами потребляются другими организмами. На каждом этапе пищевой сетинекоторая энергия накапливается во вновь синтезированных структурах, а некоторая рассеивается в окружающую среду в виде тепла, производимого в результате высвобождающих энергию химических процессов в клетках. Подобный энергетический цикл начинается в океанах с захвата солнечной энергии крошечными, похожими на растения организмами. На каждом последующем этапе пищевой сети улавливается лишь небольшая часть энергии организмов, которыми она питается.

Элементы, из которых состоят молекулы живых существ, постоянно перерабатываются. Основными среди этих элементов являются углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, кальций, натрий, калий и железо. Эти и другие элементы, в основном содержащиеся в богатых энергией молекулах, проходят по пищевой сети и, в конечном итоге, перерабатываются деструкторами обратно в минеральные питательные вещества, используемые растениями. Хотя часто могут быть локальные излишества и дефициты, ситуация на всей Земле такова, что организмы умирают и разлагаются примерно с той же скоростью, с которой синтезируется новая жизнь. То есть общая живая биомасса остается примерно постоянной, существует циклический поток материалов от старой жизни к новой, и есть необратимый поток энергии от захваченного солнечного света в рассеиваемое тепло.

Важный перерыв в обычном потоке энергии, по-видимому, произошел миллионы лет назад, когда рост наземных растений и морских организмов превысил способность деструкторов перерабатывать их. Накапливающиеся слои богатого энергией органического материала постепенно превращались в уголь и нефть под давлением вышележащей земли. Энергию, хранящуюся в их молекулярной структуре, мы теперь можем высвободить путем сжигания, а наша современная цивилизация зависит от огромного количества энергии из таких ископаемых видов топлива, извлеченных из Земли. Сжигая ископаемое топливо, мы, наконец, передаем большую часть накопленной энергии в окружающую среду в виде тепла. Мы также возвращаемся в атмосферу - за относительно очень короткое время - большие количества углекислого газа, которые медленно удалялись из нее в течение миллионов лет.

Количество жизни, которое может выдержать любая среда, ограничено ее самыми основными ресурсами: притоком энергии, минералов и воды. Устойчивая продуктивность экосистемы требует достаточного количества энергии для синтеза новых продуктов (например, деревьев и сельскохозяйственных культур), а также для полной переработки остатков старых (мертвые листья, сточные воды и т. Д.). Когда человеческие технологии вторгаются, материалы могут накапливаться в виде отходов, которые не перерабатываются. Когда приток ресурсов недостаточен, происходит ускоренное выщелачивание почв, опустынивание или истощение запасов полезных ископаемых.

E ОБЪЕМ ЖИЗНИ

Современные земные формы жизни, похоже, произошли от общих предков, восходящих к простейшим одноклеточным организмам, почти четыре миллиарда лет назад. Современные идеи эволюции дают научное объяснение трем основным наборам наблюдаемых фактов о жизни на Земле: огромному количеству различных форм жизни, которые мы видим вокруг себя, систематическому сходству в анатомии и молекулярной химии, которое мы видим в этом разнообразии, и последовательности изменения в окаменелостях, обнаруженных в последовательных слоях горных пород, которые формировались более миллиарда лет.

С начала летописи окаменелостей появилось много новых форм жизни, а большинство старых форм исчезло. Многие прослеживаемые последовательности изменения анатомических форм, выведенные из возраста слоев горных пород, убеждают ученых в том, что накопление различий от одного поколения к другому привело в конечном итоге к появлению видов, столь же отличных друг от друга, как бактерии от слонов. Молекулярные свидетельства подтверждают анатомические свидетельства окаменелостей и предоставляют дополнительные подробности о последовательности, в которой различные линии происхождения ответвляются друг от друга.

Хотя подробности истории жизни на Земле все еще собираются по кусочкам на основе комбинированных геологических, анатомических и молекулярных свидетельств, основные черты этой истории в целом согласуются. В самом начале простые молекулы могли образовывать сложные молекулы, которые в конечном итоге превратились в клетки, способные к самовоспроизведению. Жизнь на Земле существует уже три миллиарда лет. До этого простые молекулы могли образовывать сложные органические молекулы, которые в конечном итоге превращались в клетки, способные к самовоспроизведению. В течение первых двух миллиардов лет жизни существовали только микроорганизмы - некоторые из них, по-видимому, очень похожи на бактерии и водоросли, существующие сегодня. С появлением клеток с ядрами около миллиарда лет назад скорость эволюции все более сложных многоклеточных организмов резко возросла.С тех пор скорость эволюции новых видов была неравномерной, что, возможно, отражает разные скорости изменения физической среды.

Центральным понятием теории эволюции является естественный отбор, который вытекает из трех хорошо установленных наблюдений: (1) есть некоторые вариации наследственных характеристик внутри каждого вида организмов, (2) некоторые из этих характеристик дадут особям преимущество перед другие доживают до зрелости и размножаются, и (3) эти особи, вероятно, будут иметь больше потомства, которое с большей вероятностью, чем другие, выживет и будет воспроизводиться. Вероятный результат состоит в том, что в течение следующих друг за другом поколений доля лиц, унаследовавших характеристики, дающие преимущества, будет увеличиваться.

Выбираемые характеристики могут включать детали биохимии, такие как молекулярная структура гормонов или пищеварительных ферментов, и анатомические особенности, которые в конечном итоге возникают в процессе развития организма, такие как размер костей или длина шерсти. Они также могут включать более тонкие особенности, определяемые анатомией, такие как острота зрения или эффективность работы сердца. С помощью биохимических или анатомических средств выбираемые характеристики могут также влиять на поведение, например, плетение определенной формы сети, предпочтение определенных характеристик у партнера или склонность заботиться о потомстве.

Новые наследственные характеристики могут быть результатом новых комбинаций генов родителей или их мутаций. За исключением мутации ДНК в половых клетках организма, характеристики, возникающие в течение жизни организма, не могут быть биологически переданы следующему поколению. Таким образом, например, изменения в человеке, вызванные использованием или неиспользованием структуры или функции, или изменениями в его окружающей среде, не могут быть обнародованы путем естественного отбора.

По самой своей природе естественный отбор может привести к появлению организмов с характеристиками, которые хорошо приспособлены к выживанию в определенных средах. Тем не менее, сам по себе случай, особенно в небольших популяциях, может привести к распространению унаследованных характеристик, которые не имеют присущих выживаемости или репродуктивных преимуществ или недостатков. Более того, когда среда изменяется (в этом смысле другие организмы также являются частью среды), преимущества или недостатки характеристик могут измениться. Таким образом, естественный отбор не обязательно приводит к долгосрочному прогрессу в заданном направлении. Эволюция основывается на том, что уже существует, поэтому чем больше разнообразия уже существует, тем больше может быть.

Продолжающееся действие естественного отбора на новые характеристики и в изменяющуюся среду, снова и снова в течение миллионов лет, привело к появлению череды разнообразных новых видов. Эволюция - это не лестница, по которой все низшие формы заменяются высшими формами, а люди, наконец, становятся на вершине как наиболее продвинутый вид. Скорее, это похоже на куст: много ветвей появилось давно; некоторые из этих ветвей вымерли; некоторые выжили с очевидными незначительными изменениями или без них с течением времени; а некоторые неоднократно разветвлялись, иногда давая начало более сложным организмам.

Современная концепция эволюции обеспечивает объединяющий принцип для понимания истории жизни на Земле, взаимоотношений между всеми живыми существами и зависимости жизни от физической среды. Хотя до сих пор далеко не ясно, как эволюция работает в каждой детали, концепция настолько хорошо известна, что обеспечивает основу для организации большей части биологических знаний в связную картину.

Авторское право © 1989, 1990 Американская ассоциация развития науки