Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( ноябрь 2016 г. ) |
Часть серии о |
Биология |
---|
|
В биологии , организм (от греческого : ὀργανισμός, Университет Организации ) является любой органической, живая системой , которая функционирует как отдельный субъект. [1] Все организмы состоят из клеток ( клеточная теория ). [1] Организмы классифицируются по таксономии на такие группы, как многоклеточные животные , растения и грибы ; или одноклеточные микроорганизмы, такие как простейшие , бактерии и археи . [2]Все типы организмов способны к размножению , росту и развитию , поддержанию и некоторой степени реакции на раздражители . Люди , кальмары , грибы и сосудистые растения являются примерами многоклеточных организмов, которые в процессе развития дифференцируют специализированные ткани и органы .
Одноклеточным организмом может быть либо прокариот или эукариот . Прокариоты представлены двумя отдельными доменами - бактериями и археями . Эукариотические организмы характеризуются наличием клеточного ядра, связанного с мембраной, и содержат дополнительные связанные с мембраной компартменты, называемые органеллами (например, митохондрии у животных и растений и пластиды в растениях и водорослях , которые обычно считаются производными эндосимбиотических бактерий). [3] Грибы, животные и растения являются примерамицарства организмов внутри эукариот.
Оценки количества современных видов на Земле колеблются от 2 миллионов до 1 триллиона [4], из которых более 1,7 миллиона были задокументированы. [5] Более 99% всех видов, насчитывающих более пяти миллиардов видов [6], которые когда-либо жили, по оценкам, вымерли . [7] [8]
В 2016 году набор 355 генов из последнего универсального общего предка был идентифицирован (LUCA) всех организмов. [9] [10]
Термин «организм» (от греческого ὀργανισμός, Университет Организации , из ὄργανον, органон , то есть «инструмент, реализация, инструмент, орган чувств или задержания») [11] [12] впервые появился в английском языке в 1703 году и взял на его текущее определение 1834 г. ( Оксфордский словарь английского языка ). Это напрямую связано с термином «организация». Существует давняя традиция определения организмов как самоорганизующихся существ, восходящая, по крайней мере, к « Критике суждения» Иммануила Канта 1790 года . [13]
Организм можно определить как совокупность молекул, функционирующих как более или менее стабильное целое, проявляющее свойства жизни . Словарные определения могут быть широкими, с использованием таких фраз, как «любая живая структура, такая как растение, животное, гриб или бактерия, способная к росту и размножению». [14] Многие определения исключают вирусы и возможные искусственные неорганические формы жизни , поскольку размножение вирусов зависит от биохимического аппарата клетки-хозяина. [15] суперорганизм представляет собой организм , состоящий из многих людей , работающих вместе в качестве единой функциональной или социальной единицы . [16]
Были споры о том, как лучше всего определить организм [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26]] и действительно ли такой определение необходимо. [27] [28] Некоторые статьи [29] являются ответами на предположение, что категория «организм» может быть неадекватной в биологии. [30] [ необходима страница ]
Вирусы обычно не считаются организмами, потому что они неспособны к автономному размножению , росту или метаболизму . Хотя некоторые организмы также неспособны к самостоятельному выживанию и живут как обязательные внутриклеточные паразиты , они способны к независимому метаболизму и размножению. Хотя у вирусов есть несколько ферментов и молекул, характерных для живых организмов, у них нет собственного метаболизма; они не могут синтезировать и организовать органические соединения, из которых они образованы. Естественно, это исключает автономное размножение: они могут только пассивно воспроизводиться механизмом клетки-хозяина . В этом смысле они похожи на неодушевленную материю.
Хотя вирусы не поддерживают независимый метаболизм и поэтому обычно не классифицируются как организмы, у них есть свои собственные гены , и они эволюционируют.механизмами, аналогичными эволюционным механизмам организмов. Таким образом, аргумент в пользу того, что вирусы следует классифицировать как живые организмы, заключается в их способности эволюционировать и воспроизводиться посредством самосборки. Однако некоторые ученые утверждают, что вирусы не развиваются и не воспроизводятся самостоятельно. Вместо этого вирусы развиваются их клетками-хозяевами, а это означает, что произошла совместная эволюция вирусов и клеток-хозяев. Если бы клетки-хозяева не существовали, вирусная эволюция была бы невозможна. Это не относится к клеткам. Если бы вирусов не существовало, направление клеточной эволюции могло бы быть другим, но клетки, тем не менее, могли бы развиваться. Что касается репродукции, вирусы полностью полагаются на машины хозяев для репликации. [31]Открытие вирусов с генами, кодирующими энергетический обмен и синтез белка, вызвало споры о том, являются ли вирусы живыми организмами. Присутствие этих генов предполагало, что когда-то вирусы были способны метаболизировать. Однако позже выяснилось, что гены, кодирующие энергетический и белковый обмен, имеют клеточное происхождение. Скорее всего, эти гены были получены в результате горизонтального переноса генов от вирусных хозяев. [31]
Организмы представляют собой сложные химические системы, организованные таким образом, чтобы способствовать воспроизводству и некоторой степени устойчивости или выживания. Те же законы, которые управляют неживой химией, управляют химическими процессами жизни . Обычно явления целых организмов определяют их приспособленность к окружающей среде и, следовательно, выживание их основанных на ДНК генов.
Организмы явно обязаны своим происхождением, метаболизмом и многими другими внутренними функциями химическим явлениям, особенно химии больших органических молекул. Организмы - это сложные системы химических соединений, которые, благодаря взаимодействию и окружающей среде, играют самые разные роли.
Организмы представляют собой полузакрытые химические системы. Хотя они являются отдельными единицами жизни (как того требует определение), они не закрыты для окружающей их среды. Для работы они постоянно поглощают и высвобождают энергию. Автотрофы производят полезную энергию (в форме органических соединений), используя солнечный свет или неорганические соединения, в то время как гетеротрофы принимают органические соединения из окружающей среды.
Основным химическим элементом в этих соединениях является углерод . В химические свойства этого элемента , такие как его большое сродство к связи с другими маленькими атомами, в том числе других атомов углерода, и его небольшой размер делает его способным образовывать кратные связи, делают его идеальным в качестве основы органической жизни. Он способен образовывать небольшие трехатомные соединения (например, двуокись углерода ), а также большие цепочки из многих тысяч атомов, которые могут хранить данные ( нуклеиновые кислоты ), удерживать клетки вместе и передавать информацию (белок).
Соединения, из которых состоят организмы, можно разделить на макромолекулы и другие, более мелкие молекулы. Четыре группы макромолекул - это нуклеиновые кислоты , белки , углеводы и липиды . Нуклеиновые кислоты (в частности, дезоксирибонуклеиновая кислота или ДНК) хранят генетические данные в виде последовательности нуклеотидов . Конкретная последовательность четырех различных типов нуклеотидов ( аденин , цитозин , гуанин и тимин ) определяет многие характеристики, составляющие организм. Последовательность разделена на кодоны, каждый из которых представляет собой конкретную последовательность из трех нуклеотидов и соответствует определенной аминокислоте . Таким образом, последовательность ДНК кодирует конкретный белок, который из-за химических свойств аминокислот, из которых он состоит, сворачивается определенным образом и, таким образом, выполняет определенную функцию.
Эти функции белка были признаны:
Бислой фосфолипидов составляет мембрану клеток , что создает барьер, содержащий все в пределах ячейки и предотвращения соединений из свободно переходит в и из, клетки. Из-за избирательной проницаемости фосфолипидной мембраны через нее могут проходить только определенные соединения.
Все организмы состоят из структурных единиц, называемых клетками ; некоторые содержат одну клетку (одноклеточные), а другие - множество единиц (многоклеточные). Многоклеточные организмы способны специализировать клетки для выполнения определенных функций. Группа таких клеток представляет собой ткань , и у животных они встречаются в виде четырех основных типов, а именно эпителий , нервная ткань , мышечная ткань и соединительная ткань . Несколько типов тканей работают вместе в форме органа для выполнения определенной функции (например, перекачивания крови сердцем или в качестве барьера для окружающей среды, например кожи.). Эта модель продолжается и на более высоком уровне, когда несколько органов функционируют как система органов, такая как репродуктивная система и пищеварительная система . Многие многоклеточные организмы состоят из нескольких систем органов, которые координируются, чтобы обеспечить жизнь.
Клеточной теории , впервые разработана в 1839 году Schleiden и Шванн , утверждает , что все организмы состоят из одной или нескольких ячеек; все ячейки происходят из уже существующих ячеек; и клетки содержат наследственную информацию, необходимую для регулирования функций клетки и для передачи информации следующему поколению клеток.
Есть два типа клеток: эукариотические и прокариотические. Прокариотические клетки обычно являются одиночными, в то время как эукариотические клетки обычно встречаются в многоклеточных организмах. У прокариотических клеток отсутствует ядерная мембрана, поэтому ДНК внутри клетки не связана; эукариотические клетки имеют ядерные мембраны.
Все клетки, будь то прокариотические или эукариотические, имеют мембрану , которая окружает клетку, отделяет ее внутреннюю часть от окружающей среды, регулирует то, что движется внутрь и наружу, и поддерживает электрический потенциал клетки . Внутри мембраны соленая цитоплазма занимает большую часть объема клетки. Все клетки обладают ДНК, наследственным материалом генов , и РНК , содержащей информацию, необходимую для построения различных белков, таких как ферменты , основной механизм клетки. В клетках есть и другие виды биомолекул .
Все клетки имеют несколько схожих характеристик: [32]
Последний универсальный общий предок (LUCA) является самым последним организмом , из которого все организмы теперь живут на Земле сходит . [33] Таким образом, это самый недавний общий предок всей современной жизни на Земле. LUCA, по оценкам, жил от 3,5 до 3,8 миллиарда лет назад (когда-то в палеоархейскую эпоху ). [34] [35] Самым ранним свидетельством существования жизни на Земле является биогенный графит, обнаруженный в метаосадочных породах возрастом 3,7 миллиарда лет, обнаруженных в Западной Гренландии [36], и в окаменелостях микробных матов. найдено в 3,48 млрд годовалого песчаника обнаружены в Западной Австралии . [37] [38] Хотя более 99 процентов всех видов, которые когда-либо жили на планете, по оценкам, вымерли, [7] [8] вполне вероятно, что в настоящее время на Земле существует более миллиарда видов жизни, причем самые высокие оценки и прогнозы достигают одного триллиона видов. [4]
Информация о раннем развитии жизни включает информацию из многих различных областей, включая геологию и планетологию . Эти науки предоставляют информацию об истории Земли и изменениях, вызванных жизнью. Однако большая часть информации о ранней Земле была уничтожена геологическими процессами с течением времени .
Все организмы произошли от общего предка или наследственного генофонда. Доказательства общего происхождения можно найти в чертах, общих для всех живых организмов. Во времена Дарвина доказательство общих черт основывалось исключительно на видимых наблюдениях морфологических сходств, таких как тот факт, что у всех птиц есть крылья, даже если они не летают.
Генетика убедительно свидетельствует о том, что у всех организмов есть общий предок. Например, каждая живая клетка использует нуклеиновые кислоты в качестве генетического материала и использует те же двадцать аминокислот в качестве строительных блоков для белков . Все организмы используют один и тот же генетический код (с некоторыми чрезвычайно редкими и незначительными отклонениями) для преобразования последовательностей нуклеиновых кислот в белки. Универсальность этих черт убедительно свидетельствует об общем происхождении, потому что выбор многих из этих черт кажется произвольным. Горизонтальный перенос генов затрудняет изучение последнего универсального предка. [39]Однако универсальное использование одного и того же генетического кода, тех же нуклеотидов и тех же аминокислот делает существование такого предка чрезвычайно вероятным. [40]
LUA |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Наиболее общепринятое расположение корня древа жизни - между монофилетическим доменом Бактерий и кладой, образованной археями и эукариотами, так называемого «традиционного дерева жизни», основанного на нескольких молекулярных исследованиях. [41] [42] [43] [44] [45] [46] Очень небольшое количество исследований пришли к другому выводу, а именно, что корень находится в домене Bacteria, либо в типе Firmicutes [47], либо в том, что тип Chloroflexi является базальным по отношению к кладе с архей и эукариотами и остальными бактериями, как было предложеноТомас Кавалье-Смит . [48]
Исследование, опубликованное в 2016 году Уильямом Ф. Мартином , путем генетического анализа 6,1 миллиона генов, кодирующих белок из секвенированных прокариотических геномов различных филогенетических деревьев, выявило 355 кластеров белков из 286 514 кластеров белков, которые, вероятно, были общими для LUCA. Результаты "изображают LUCA как анаэробный , CO 2 -фиксирующий, H 2 -зависимый путь Вуда-Люнгдаля (восстановительный путь ацетил-кофермента A ), N 2 -фиксирующий и термофильный. Биохимия LUCA изобилует кластерами FeS и радикальной реакцией. механизмы. Его кофакторы обнаруживают зависимость от переходных металлов , флавинов ,S-аденозилметионин , кофермент А , ферредоксин , молибдоптерин , коррины и селен . Его генетический код требовал модификаций нуклеозидов и S-аденозилметионин-зависимого метилирования ». Результаты показывают, что метаногенная клострия является базальной кладой в 355 исследованных линиях, и предполагают, что LUCA населяла анаэробные гидротермальные источники в геохимически активной среде, богатой H 2. , CO 2 и железо. [9]Однако идентификация этих генов как присутствующих в LUCA подверглась критике, предполагая, что многие из белков, предположительно присутствующих в LUCA, представляют собой более поздние горизонтальные передачи генов между археями и бактериями. [49]
Половое размножение широко распространено среди современных эукариот и, вероятно, имело место у последнего общего предка. [50] Об этом свидетельствует обнаружение основного набора генов мейоза у потомков линий, которые рано отклонились от эволюционного древа эукариот. [51] и Малик и др. [52] Это также подтверждается данными о том, что эукариоты, ранее считавшиеся «древними асексуалами», такие как амеба , вероятно, были в прошлом половыми, и что большинство современных бесполых амебоидных линий, вероятно, возникли недавно и независимо. [53]
У прокариот естественная бактериальная трансформация включает перенос ДНК от одной бактерии к другой и интеграцию донорной ДНК в хромосому-реципиент путем рекомбинации. Естественная бактериальная трансформация считается примитивным половым процессом и происходит как у бактерий, так и у архей, хотя она была изучена в основном у бактерий. Очевидно, что трансформация является бактериальной адаптацией, а не случайным явлением, потому что она зависит от множества генных продуктов, которые специально взаимодействуют друг с другом, чтобы войти в состояние естественной компетентности для выполнения этого сложного процесса. [54] Трансформация - это распространенный способ передачи ДНК среди прокариот. [55]
Родословная живых организмов традиционно реконструируется по морфологии, но все чаще дополняется филогенетикой - реконструкцией филогенеза путем сравнения генетической (ДНК) последовательности.
Сравнение последовательностей предполагает недавний горизонтальный перенос многих генов между различными видами, в том числе через границы филогенетических «доменов». Таким образом, определение филогенетической истории вида не может быть сделано окончательно путем определения эволюционных деревьев для отдельных генов. [56]
Биолог Питер Гогартен предполагает, что «исходная метафора дерева больше не соответствует данным недавнего исследования генома», поэтому «биологи (должны) использовать метафору мозаики для описания различных историй, объединенных в отдельных геномах, и использовать метафору сеть для визуализации богатого обмена и совместных эффектов ГПГ среди микробов ». [57]
Современная биотехнология бросает вызов традиционным представлениям об организмах и видах. Клонирование - это процесс создания нового многоклеточного организма, генетически идентичного другому, с потенциалом создания совершенно новых видов организмов. Клонирование - предмет многочисленных этических споров .
В 2008 году Дж Крэйг Вентер институт собран синтетический бактериальный геном , Mycoplasma гениталий , с помощью рекомбинации в дрожжах 25 перекрывающихся фрагментов ДНК в одну стадию. Использование дрожжевой рекомбинации значительно упрощает сборку больших молекул ДНК как из синтетических, так и из природных фрагментов. [58] Другие компании, такие как Synthetic Genomics , уже были созданы, чтобы воспользоваться преимуществами многих коммерческих применений специально разработанных геномов.