Наиболее выдающиеся общие черты в истории жизни включают химическую уникальность, сложность и иерархическую организацию, воспроизводство потомства (наследственность и вариации), обладание генетической программой, метаболизм, развитие, взаимодействие с окружающей средой и движение.
- Химическая уникальность. Живые системы демонстрируют уникальную и сложную молекулярную организацию. Они собирают большие молекулы, известные как макромолекулы, которые намного сложнее, чем маленькие молекулы неживой материи. Эти макромолекулы состоят из одних и тех же атомов и химических связей, которые возникают в неживой материи, и подчиняются всем фундаментальным законам химии; уникальность этих макромолекул заключается только в их сложной организационной структуре. Мы выделяем четыре основные категории биологических макромолекул: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и липиды. Эти категории отличаются структурой своих составных частей, видами химических связей, которые связывают их вместе, и их функциями в живых системах.
- Сложность и иерархическая организация. Живые системы демонстрируют уникальную и сложную иерархическую организацию. Неживое вещество организовано, по крайней мере, в атомы и молекулы и часто имеет более высокую степень организации. Однако атомы и молекулы объединяются в структуры живого мира, которых не существует в неживом мире. В живых системах мы находим иерархию уровней, которая включает макромолекулы, клетки, организмы, популяции и виды в возрастающем порядке сложности. Каждый уровень строится на уровне ниже него и имеет собственную внутреннюю структуру, которая также часто является иерархической. Например, макромолекулы в клетке соединяются в такие структуры, как рибосомы, хромосомы и мембраны, и они также соединяются различными способами для формирования еще более сложных субклеточных структур, называемых органеллами, таких как митохондрии. Организменный уровень также имеет иерархическую субструктуру; клетки объединяются в ткани, которые вместе образуют органы, которые также объединяются, образуя органные системы.
- Репродукция. Живые системы могут воспроизводить себя. Жизнь возникает не спонтанно, а только из прошлой жизни, в результате воспроизводства. Хотя жизнь, безусловно, по крайней мере однажды происходила из неживой материи, это происхождение характеризовалось чрезвычайно длительными периодами времени и условиями, сильно отличавшимися от нынешней биосферы. На каждом уровне биологической иерархии живые формы воспроизводятся, чтобы генерировать других, как они сами. Гены реплицируются для производства новых генов. Ячейки делятся, чтобы произвести новые ячейки. Организмы размножаются, сексуально или бесполым путем, чтобы вырабатывать новые организмы. Популяции могут стать фрагментированными для образования новых популяций, а виды могут расколоться, чтобы произвести новые виды в результате процесса, называемого видообразованием. Воспроизводство на любом иерархическом уровне обычно характеризуется увеличением численности. Отдельные гены, клетки, организмы, популяции или виды могут не размножаться, но, тем не менее, воспроизводство является ожидаемым свойством этих индивидуумов.
- Обладание генетической программой. Генетическая программа обеспечивает верность наследства. Структуры белковых молекул, необходимые для развития и функционирования организма, закодированы в нуклеиновых кислотах. Генетическая информация о животных и большинстве других организмов содержится в ДНК. ДНК - это очень длинная линейная цепочка нуклеотидов, каждая из которых содержит фосфат сахара (дезоксирибоза фосфат) и одно из четырех азотных оснований (аденин, цитозин, гуанин или тимин, сокращенно А, С, G и Т, соответственно). Последовательность нуклеотидных оснований содержит код порядка расположения аминокислот в белке, указанном молекулой ДНК. Соответствие между последовательностью оснований в ДНК и последовательностью аминокислот в белке называется генетическим кодом.
- Метаболизм. Живые организмы поддерживают себя, потребляя питательные вещества из окружающей среды. Питательные вещества используются для получения химической энергии и молекулярных компонентов для создания и поддержания живой системы. Мы называем эти важнейшие химические процессы метаболизмом. Они включают пищеварение, получение энергии (дыхание) и синтез молекул и структур. Метаболизм часто рассматривается как взаимодействие разрушительных (катаболических) и конструктивных (анаболических) реакций. Наиболее фундаментальные анаболические и катаболические химические процессы, используемые живыми системами, возникли в начале эволюционной истории жизни, и все живые формы их разделяют. Эти реакции включают синтез углеводов, липидов, нуклеиновых кислот и белков и их составных частей, а также расщепление химических связей для восстановления накопленной в них энергии. У животных многие фундаментальные метаболические реакции происходят на клеточном уровне, часто в определенных органеллах, встречающихся во всем животном королевстве. Клеточное дыхание происходит, например, в митохондриях. Клеточные и ядерные мембраны регулируют обмен веществ, контролируя движение молекул через клеточные и ядерные границы, соответственно. Изучение сложных метаболических функций называется физиологией. Мы посвящаем большую часть этой книги описанию и сопоставлению различных тканей, органов и систем органов, которые различные группы животных эволюционировали для выполнения основных физиологических функций жизни.
- Развитие. Все организмы проходят через характерный жизненный цикл. Развитие описывает характерные изменения, которые претерпевает организм от своего происхождения (обычно оплодотворение яйцеклетки спермой) до конечной взрослой формы. Развитие обычно характеризуется изменением размеров и формы, дифференциацией структур внутри организма. Даже самые простые одноклеточные организмы растут в размерах и воспроизводят свои составные части вплоть до деления на две или более клеток. Многоклеточные организмы претерпевают более драматические изменения в течение своей жизни. Различные стадии развития некоторых многоклеточных форм настолько различны, что едва ли можно определить, что они принадлежат к одному виду. Эмбрионы несущественно отличаются от форм, в которые они перерастают, как у взрослых, так и у подростков. Даже постэмбриональное развитие некоторых организмов включает этапы, кардинально отличающиеся друг от друга. Трансформация, которая происходит от одной стадии к другой, называется метаморфозой. Сходства, например, между метаморфическими насекомыми на стадиях метаморфизма, личинок, куколок и взрослых особей мало. Среди животных ранние стадии развития организмов родственных видов часто более схожи, чем более поздние стадии отлова. В нашем исследовании животного разнообразия мы описываем все этапы наблюдаемой истории жизни, но концентрируемся на взрослых стадиях, в которых разнообразие, как правило, является самым большим.
Продолжение, о том, какие общие свойства присущи живым системам читайте в следующей статье. А чтобы не пропустить, подписывайтесь на канал!
