1. НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ — ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО

Жизнь как особое явление характеризуется продолжительностью существования во времени (на Земле  она возникла более 3,5 млрд. лет назад), что обеспечивается преемственностью поколений живых систем. Происходит смена поколений клеток в организме, смена поколений организмов в популяциях, смена видов в системе биоценоза, смена биоценозов, образующих биосферу. В основе непрерывного существования жизни во времени лежит способность живых систем к самовоспроизведению. Сохранение жизни в меняющихся условиях оказывается возможным благодаря эволюции живых форм, в процессе которой у них появляются изменения, обеспечивающие приспособление к новой среде обитания. Непрерывность существования и историческое развитие живой природы обусловлены двумя фундаментальными свойствами жизни: наследственностью и изменчивостью.

В учебных курсах свойства наследственности и изменчивости традиционно рассматривают относительно клетки и организма. На самом деле они проявляются и на надорганизменных уровнях. На клеточном и организменном (онтогенетическом) уровнях организации живого под наследственностью понимают свойство клеток или организмов в процессе самовоспроизведения передавать новому поколению способность к определенному типу обмена веществ и индивидуального развития, в ходе которого у них формируются общие признаки и свойства данного типа клеток и вида организмов, а также некоторые индивидуальные особенности родителей. На популяционно-видовом уровне организации жизни наследственность проявляется в поддержании постоянного соотношения различных генетических форм в ряду поколений организмов данной популяции (вида). На биоценотическом уровне продолжительное существование биоценоза обеспечивается сохранением определенных соотношений видов организмов, образующих этот биоценоз.

В ходе возникновения  и развития жизни на Земле наследственность играла решающую роль, так как закрепляла в ряду поколений биологически полезные эволюционные приобретения, обеспечивая  определенный консерватизм организации живых систем. Наследственность является одним из главных факторов эволюции.

Продолжительное существование живой природы  во времени на фоне меняющихся условий  было бы невозможным, если бы живые  системы не обладали способностью к  приобретению и сохранению некоторых изменений, полезных в новых условиях среды. Свойство живых систем приобретать изменения и существовать в различных вариантах называется изменчивостью.

У отдельных  клеток и организмов одного вида изменчивость, затрагивая их индивидуальное развитие, проявляется в возникновении отличий между ними. На популяционно-видовом уровне организации жизни это свойство проявляется в наличии генетических различий между отдельными популяциями вида, что лежит в основе образования новых видов. Появление новых видов вносит изменения в межвидовые взаимоотношения в биоценозах. Изменчивость в определенном смысле отражает динамичность организации живых систем и наряду с наследственностью является ведущим фактором эволюции.

Несмотря на то что по своим результатам наследственность и изменчивость разнонаправлены, в живой природе эти два фундаментальных свойства образуют неразрывное единство, чем достигается одновременно сохранение в процессе эволюции имеющихся биологически целесообразных качеств и возникновение новых, делающих возможным существование жизни в разнообразных условиях. 
 

Для всех уровней  организации живых систем характерны свойства, отличающие живую материю  от неживой. К числу основных, фундаментальных  свойств живого относятся:

1. Потребление из окружающей среды и превращение питательных веществ (подсистем) с низкой энтропией (метаболизм). Это необходимо для поддержания структурной целостности биосистемы, её роста и размножения.
2. Обмен веществом и энергией с окружающей средой. Таким путем обеспечивается приток необходимых для жизнедеятельности структурных элементов живого, их превращение, утилизация, выделение продуктов с высокой энтропией и тепловой энергии.
3. Регуляция. Поддержание структурно-функциональной организации биологической системы требует упорядоченности течения обменных процессов. Для этого у высокоорганизованных организмов формируются специальные механизмы регуляции, модулирующие активность отдельных органов и систем, интенсивность протекающих в них процессов. Механизмы регуляции обеспечивают адаптацию системы к изменяющимся условиям среды.
4. Раздражимость и реактивность. Различные химические и физические факторы окружающей среды являются своеобразными сигналами или источниками информации, на которые живой организм реагирует в той или иной форме. Структуры, предназначенные для восприятия и переработки соответствующей информации, используют поступающее раздражение, что позволяет организму адекватно на него реагировать.
5. Репродукция. Это свойство обеспечивает поддержание или увеличение численности биологических объектов всех видов и типов. В основе репродукции лежит процесс клеточного деления. В ходе клеточного деления осуществляется перенос ДНК (генетического материала) материнских клеток к дочерним клеткам и за счет этого обеспечивается в последующем репродукция и всех остальных компонентов живого. Сохранение информации о свойствах предшествующих поколений, зашифрованных в молекулах ДНК (генах), передающихся из поколения в поколение - суть наследственности.
6. Гомеостаз. Это самовозобновление и самоподдержание внутренней среды организма.

Фундаментальные свойства живого - тесно связанные, неотделимые друг от друга феномены. Тем не менее, первичные эффекты  высокотоксичных соединений порой  связаны с избирательным нарушением отдельных фундаментальных свойств живого - метаболизма, пластического обмена, энергетического обмена, регуляции, раздражимости, репродукции, гомеостаза. Чем более токсично соединение, тем более выражена эта избирательность.

Для организма  необходимы вещества:

• ферменты (биологические катализаторы, регулируют процессы метаболизма)
• витамины (необходимы всем живым организмам для обмена веществ)
• гормоны (координаторы метаболизма)

Биогенетический закон Геккеля — каждый организм в период эмбрионального развития повторяет  стадии, которые его вид должен был пройти в процессе эволюции. То есть по мере прохождения индивидом стадий эмбриона и раннего плода его организм повторяет или вновь проходит эволюционную историю своего вида. Например, человеческий эмбрион за девять месяцев, проведенных в матке, проходит много стадий - от беспозвоночного к рыбе, затем - к амфибии, к рептилии, к млекопитающему, к примату, к подобию гоминид и к человеку как таковому. Универсальность этого закона была опровергнута современными биологами. 

2. Строение половых клеток

Половые клетки, или гаметы, специализированы для полового размножения, поэтому они всегда гаплоидны. В этом заключается их главная особенность. Гаплоидность гамет возникает во время гаметогенеза, т. е. в процессе их образования, и отражает зрелость гамет, их готовность к оплодотворению. Кроме того, сперматозоиды и яйцеклетки отличаются от соматических клеток измененными ядерно-плазменными отношениями. В яйцеклетках по сравнению с соматическими клетками объем цитоплазмы во много раз превышает объем ядер. Яйцеклетки — это обычно самые крупные клетки организма. Примером может служить яйцеклетка птиц. Сперматозоиды, наоборот, имеют очень мелкие размеры. В них почти нет цитоплазмы. В половых клетках по сравнению с соматическими резко снижен обмен веществ. Процессы ассимиляции и диссимиляции в них минимальны.

Рис. 30. Строение яйцеклеток различных типов. 
Половые клетки характеризуются особым строением, отражающим их функциональное назначение. Гак, яйцеклетки не способны к самостоятельному перемещению. Большие размеры яйцеклеток объясняются накоплением в них питательных веществ. Такие питательные вещества, как жир, гликоген и особые белки — фосфопротенны, используются на начальных стадиях развития зародыша. Фосфопротеины составляют основную часть запаса. Они получили название желтка. Количество желтка и его распределение в яйцеклетках различных видов организмов неодинаковы. На примере хордовых животных четко прослеживаются исторические видоизменения размеров яйцеклеток. Чем сложнее устроены организмы и чем длительнее у них эмбриональный период, тем больше желтка накапливается в яйцеклетках. Исключение составляют яйцеклетки плацентарных млекопитающих, которые практически не содержат запаса вещества в связи с переходом к внутриутробному развитию зародышей. Это как бы вторичное уменьшение количества желтка в яйцеклетках.

Яйцеклетки  животных классифицируют по содержанию в них желтка и по тому, как  этот желток распределен (рис. 30). Изолецитальные яйцеклетки ланцетника имеют небольшие размеры, желтка в них мало, распределен он равномерно. Ядро находится почти в центре. Подобные яйцеклетки имеются и у беспозвоночных животных, таких как черви, моллюски, иглокожие. Умеренно телолецитальные яйцеклетки земноводных и осетровых рыб содержат значительно больше желтка, размеры их достигают 1,5—2 мм. Основная часть желтка сконцентрирована на одном из полюсов, называемом вегетативным. На противоположном— анимальном — полюсе желтка мало. Здесь находится ядро яйцеклетки. Таким образом, для телолецитальной яйцеклетки характерно неравномерное распределение желтка. Резко телолецитальные яйцеклетки пресмыкающихся, птиц, некоторых рыб и головоногих моллюсков содержат очень много желтка. Размеры их достигают 10—15 мм и больше.

Распределение желтка еще более неравномерное. На анимальном полюсе находится зародышевый  диск с ядром и активной цитоплазмой, а вся остальная часть клетки занята желтком. Алецитальными называются яйцеклетки, в которых очень мало желтка, размеры их малы. Яйцеклетка женщины имеет диаметр 100—300 мкм. Количество и распределение желтка в яйцеклетке определяют характер дробления, гаструляции и вообще тип эмбрионального развития.

Сперматозоиды — очень мелкие и подвижные клетки. Например, величина сперматозоидов человека — 50—70 мкм, крокодила — 20 мкм. Главная функция сперматозоида — внести при оплодотворении свой гаплоидный набор хромосом в яйцеклетку. Строение сперматозоида соответствует его функциям. Чаще всего он имеет головку и жгутик (хвост), соединенные промежуточным отделом — шейкой (рис. 31). В головке размещаются ядро и особая структура — акросома. Акросома содержит ферменты, обеспечивающие проход ядра сперматозоида в яйцеклетку при оплодотворении. В промежуточном отделе лежат центриоли клеточного центра и митохондрии. Из центриоли отходит жгутик, обеспечивающий подвижность. Встречаются и безжгутиковые сперматозоиды.

Рис. 31. Строение жгутикового сперматозоида.

д _ головка; Б — промежуточный отдел; В  — жгутик; I — акросома; 2 — ядро; 3 — центриоли; 4 — метохондрии  жгутика; 5 — осевая нить.

Яйцеклетка — женские гаметы животных, высших растений, а также многих водорослей и других протистов, которым свойственна оогамия. Как правило, яйцеклетки — гаплоидные клетки, но могут иметь другую плоидность у полиплоидных организмов.

Человеческая  яйцеклетка имеет диаметр примерно 130 мкм.

В цитоплазме яйцеклеток (ооплазме) содержатся совокупность питательных веществ — желток.

Яйцеклетки образуются в результате овогенеза. После оплодотворения из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы) развивается эмбрион. При партеногенезе эмбрион, а затем новый организм развивается из неоплодотворенной яйцеклетки.

Классификация яйцеклеток

По количеству желтка

• Полилецитальные — содержат большое количество желтка (членистоногие, рыбы, кроме осетровых, рептилии, птицы).
• Мезолецитальные — содержат среднее количество желтка (осетровые рыбы, амфибии).
• Олиголецитальные — содержат мало желтка (моллюски, иглокожие).
• Алецитальные — не содержат желтка (млекопитающие).

] По расположению желтка

• Телолецитальные — желток смещён к вегетативному полюсу яйцеклетки. Противоположный полюс называется анимальным. Сюда относятся некоторые полилецитальные (рыбы, кроме осетровых, рептилии, птицы) и все мезолецитальные яйца (осетровые рыбы, амфибии).
• Гомо (изо)- лецитальные — желток распределён равномерно. Сюда относятся олиголецитальные ядра (моллюски, иглокожие, млекопитающие).Из гомолицетальных яйцеклеток, в ходе эволюции появились алецитальные яйцеклетки — без желтка. Такие клетки характерны для человека.
• Центролецитальные — желток расположен в центре яйцеклетки. Сюда относятся некоторые полилецитальные яйца (членистоногие). Это совершенно особый тип яиц. Анимально-вегетативная полярность этих яиц не выражена, так как место выделения редукционных телец может быть различным. Вместо анимального и вегетативного полюсов у этих яиц говорят о переднем и заднем полюсах. В центре яйца расположено ядро, а по периферии — ободок свободной от желтка цитоплазмы. Оба этих района — центр и периферия яйца — связаны тонкими цитоплазматическими мостиками, а всё промежуточное пространство заполнено желтком.