Обмін речовин. Природа спадковості

Відомо, що в основі як філогенетичного (видового) так і онтогенетичного (індивідуального) розвитку лежать три якості: обмін речовин, енергії та інформації, відтворення (розмноження) і надійність біологічних систем.

Обмін речовин є найважливішим властивістю живої матерії: поки є обмін речовин - до є і життя. Під обміном речовин розуміють безперервного процес обміну між організмом і зовнішнім середовищем білків, жирів, вуглеводів, води, мікроелементів і енергії.

відтворення - основа продовження життя, накопичення і закріплення еволюційних якостей. Відтворення властиво як окремим клітинам організму (в формі поділу клітин) так і в цілому організму (в формі вегетативного або статевого розмноження).

Надійність біологічної системи - це такий рівень запасу функціональних і регуляторних резервів всіх елементів організму, який забезпечує оптимально постійну діяльність цього організму в динамічних умовах навколишнього середовища. Надійність є основою виживання, адаптаційно-пристосувальних властивостей і багатьох надлишкових можливостей організму, в тому числі до розумового і фізичного вдосконалення.

Всі живі істоти, окремі органи, тканини і навіть клітини розвиваються з запасом надійності. Наприклад, стегнова кістка людини, як вказувалося вище, витримує навантаження 1,5 тонни, а велика гомілкова кістка - 1,65 тонни, що в ЗО разів перевищує звичні поточні навантаження на ці кістки. Альвеолярна система легких здатна засвоювати за 1 хв. до 17000 мл кисню, в той час як навіть при найпотужнішому фізичному навантаженні потреби організму не перебільшують 5000 мл. Потенційні можливості нервової системи за все життя використовуються лише на 7-15%, і ці приклади можна продовжувати.

За даними А. А. Маркосяна (1974) існує чотири рівні надійності біологічних систем:

• надмірність елементів управління і окремих структур організму;

• взаємозаміна засобів регулювання або елементів окремих структур коли, наприклад, відбувається нервова або гуморальна регуляція- коли одна нирка може взяти на себе функції другої нирки та ін ..;

• здатність швидкого повернення рівня діяльності органів і систем після активності в стан сталості;

• динамічність взаємодії ланцюгів всіх систем організму.

Надійність живих систем в основному закріплена генетично і передається у спадок. Разом з цим, деякі елементи надійності можуть купуватися в онтогенезі, що особливо властиво людям і відбувається шляхом тренування м`язової сили, витривалості, рухових якостей, створення трудових стереотипів та ін .. Увага фізичним тренуванням і їх якості слід надавати з самого дитинства людини.

У кінні цього розділу доцільно коротко розглянути механізм передачі спадкової, детермінованою генами, інформації щодо розвитку людини. Як відомо, людина отримує у спадок від батька і матері весь свій біологічний фонд, тобто все вроджені якості свого організму: колір очей і волосся, форму тіла і окремих його частин, властивості нервової системи і т. Д. Вся спадкова інформація в більшості живих істот на Землі, в тому числі і у людей, передається генами і закодована за допомогою дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). У свою чергу ДНК є видоспецифической з`єднанням і несе генетичну інформацію у вигляді певної послідовності азотистих основ (нуклеотидів) пуринового [аденін (А) і гуанін (Г)] і піримідинового [тимін (7) і цитозин Щ)] хімічних рядів. Спарювання азотистих основ відбувається строго за схемою: А - Ті Г-Ц, що називається принципом комплементарності (взаемодорівнюваності). Кожен ген (від грецького gems - сім`я, походження) є елементарною одиницею спадковості і представляє собою частку молекули ДІК, яка налічує 1000-1500 нуклеотидів. Окремі гени визначають будову окремих білків живої клітини і, таким чином, беруть участь у створенні характерних ознак, або властивостей даного організму. Сукупність генів, що передають всю спадкову інформацію про видові та індивідуальні особливості конкретного організму, називається генотипом.

Різні види тварин і рослин мають різний порядок розташування і молекулярний набір азотистих основ в ДНК, але завжди молярное співвідношення А-Т і Г-Ц = 1, що називається принципом Чаргафа, а відношення Г + Ц, А + Т відображає видову специфічність структури ДНК (наприклад, для людини це співвідношення становить 0,66, для миші - 0,81 і т.д.). Саме ДНК складається з двох, спрямованих в протилежні сторони ланцюгів. Пуринові (А, Г) і піримідинові (Т, ВД) основи розміщуються перпендикулярно до осі молекули ДНК таким чином, що аденін одного ланцюга з`єднується нестійкими водневими зв`язками тільки з тиміном протилежного ланцюга, а гуанін тільки з цитозином. Таким чином, молекула ДНК являє собою спіраль з двох ланцюгів, відстань між якими становить всього 10 ангстрем (1 ангстрем - 1/100 000 000 см).

ДНК, разом з гістонових і не гістонових білками і молекулами рибонуклеїнової кислоти (РНК) утворює тяж дезоксірібонуклеопротеіди (ДНП), який називається хроматином. У структурі хроматину, ДНК становить 30-40%, а білки 60-70% всієї маси. До складу хроматину входить також 3-4% ліпідів і іони кальцію, магнію і заліза, які потрібні для роботи ферментів, які здійснюють процеси транскрипції (відтворення, повторення) ДНК при діленні клітин. Під час поділу клітин хроматин стає компактним і формується в хромосоми (товщина кожної до 100 ангстрем) за схемою: два хроматиновий тяжа утворюють фібрил, дві фібрили складають полухроматіду, дві полухроматіди складають хроматид і, нарешті, дві хроматиди складають одну хромосому. Набір всіх хромосом в кожній клітині організму містить повну генетичну інформацію (генотип), що до розвитку і функцій цієї клітини, а в статевих клітинах - всю інформацію, до розвитку всього організму.

Відомо, що всі клітини в організмі вищих тварин, у тому числі і людини, діляться на соматичні, мають подвійний (диплоїдний) набір хромосом (2п) і є клітинами тіла і всіх органів, і на статеві (гамети), що під час свого дозрівання створюють одинарний (гаплоїдний) набір хромосом (1п). Індивідуально специфічний хромосомний комплекс всіх клітин кожного виду тварин або рослин називається каріотипом. У людини каріотип соматичних клітин налічує 46 хромосом, а статевих, відповідно, 23 хромосоми. У жіночих клітинах є дві XX хромосоми, а у чоловічих два ХУ хромосоми. При заплідненні, жіноча і чоловіча гамети зливаються, утворюючи зиготу (зародок) в якому подвійний набір хромосом складається з галоїдних набору цих хромосом від батька і матері, що й обумовлює загальні якості майбутнього організму дитини. При цьому можливо, що особливості одного з батьків будуть переважати і тоді відповідні якості більш проявляються у дитини. Процес точної генотипу від батьків до дитини здійснюється за допомогою інформаційної рибонуклеїнової кислоти (і-РНК), яка здатна створювати копії з ДНК і цей процес називається реплікацією, інші РНК, які називаються транспортними (т-РНК) здатні переносити цю інформацію при створенні нових білків нового організму у вигляді певної послідовності амінокислот цих білків і цей процес називається транскрипцією. Гени під дією різних фізичних, хімічних та інших факторів можуть змінювати свої певні ділянки, що називається мутацією. Мутації пов`язані з порушеннями нормальної послідовності нуклеотидів в ДНК (наприклад, із заміною однієї пари нуклеотидів іншою парою, з випаданням деяких нуклеотидів (явище діляціі), або з їх подвоєнням (явище дуплікації), В результаті можуть виникати нові алелі (лінії) нащадків, з ознаками, яких не мали батьки і які можуть бути домінантними (переважаючими) або рецесивними (пригніченими). Домінантні ознаки (наприклад, від одного з батьків) і визначають перевагу ознак відповідного предка у дитини (тобто в фенотипі). Спонтанні (випадкові) позитивні мутації обумовлюють генетичну мінливість, що становлять основу прогресивних еволюційних змін в природі. Негативні мутації стають основою різноманітних вроджених вад розвитку дітей або навіть основою дитячої смертності.

Після народження діти ростуть і розвиваються в різних умовах природного і соціального середовища, що шануй завжди значно впливає на хід реалізації їх генотипу і формування індивідуальних якостей фенотипу.