تصویر

گفتار 2

گسترهٔ حیات

ویژگی‌های جانداران

در زیست‌شناسی، ارائهٔ تعریفی دقیق و جامع برای حیات همواره دشوار بوده است، چرا که مرزهای آن پیچیده و گاه مبهم است. از این‌رو، به جای تکیه بر یک تعریف صریح، دانشمندان با بررسی ویژگی‌هایی که در تمام جانداران مشترک‌اند، تلاش می‌کنند مفهوم حیات را بهتر درک کنند.
گسترهٔ حیات بر روی زمین از یاخته، کوچک‌ترین واحد ساختمانی و عملکردی جانداران، آغاز می‌شود و تا سطح زیست‌کره، یعنی کل ناحیه‌ای از زمین که در آن حیات وجود دارد، امتداد می‌یابد. این سطوح به‌صورت مرحله‌به‌مرحله در قالب سازمان‌یابی زیستی نمایش داده می‌شوند. بررسی دقیق این سطوح در درک ساختار منظم حیات نقش مهمی دارد.
تصویر

هفت ویژگی همزمان همه جانداران

در مجموع، جانداران زنده - صرف‌نظر از نوع، محل زندگی یا پیچیدگی ساختاری - هفت ویژگی بنیادی دارند:

۱. نظم و ترتیب

یکی از ویژگی‌های جالب حیات، وجود نظمی دقیق در ساختار جانداران است. تمامی جانداران سطحی از سازمان‌یابی دارند و منظم‌اند.
نکته: دقت کنید که هر جاندار، همه سطوح سازمان‌یابی را ندارد.

۲. هم‌ایستایی (هومئوستازی)

در حالی‌که محیط بیرونی جاندار پیوسته در حال تغییر است، جانداران می‌توانند وضعیت درونی بدن خود را در محدوده‌ای نسبتاً پایدار نگه دارند. این فرایند که هم‌ایستایی نام دارد، از طریق مجموعه‌ای از سازوکارهای تنظیمی انجام می‌شود.
به‌عنوان مثال در انسان، زمانی که میزان سدیم در خون افزایش می‌یابد، کلیه‌ها میزان دفع آن را از طریق ادرار افزایش می‌دهند. مجموعه اعمالی را که برای پایدار نگه داشتن وضعیت درونی جاندار انجام می‌شود هم‌ایستایی می‌نامند. این نمونه‌ای از تلاش بدن برای حفظ تعادل یون‌هاست.
نقش اندام‌ها و ساختارهای مختلف در حفظ این تعادل بسیار پررنگ است. کلیه‌ها وظایف گوناگونی مانند تنظیم آب، یون‌ها، اسید–باز، و دفع مواد زائد نیتروژن‌دار را بر عهده دارند.
در جانوران مختلف نیز ساختارهایی مانند واکوئول انقباضی در پارامسی، نفریدی‌ها در بی‌مهرگان، لوله‌های مالپیگی در حشرات، غدد راست‌روده‌ای در ماهیان غضروفی و غدد نمکی در خزندگان و پرندگان بیابانی در این فرآیند نقش ایفا می‌کنند. در صورتی که هم‌ایستایی برهم بخورد، بسیاری از بیماری‌ها ممکن است پدید آیند.

۳. رشد و نمو

رشد به‌معنای افزایش برگشت‌ناپذیر در ابعاد یا تعداد یاخته‌هاست. افزایش موقتی ابعاد یا تعداد یاخته‌ها مانند تورژسانس، رشد محسوب نمی‌شود.
نمو نیز به فرایند عبور جاندار از مرحله‌ای از زندگی به مرحلهٔ دیگر گفته می‌شود؛ مانند تشکیل اولین گل در گیاه.

۴. فرایند جذب و استفاده از انرژی

جانداران برای انجام فعالیت‌های زیستی خود به انرژی نیاز دارند. آن‌ها انرژی مورد نیاز را از محیط دریافت کرده و از آن برای عملکردهای حیاتی مانند حرکت، رشد، تولید مثل و تنظیم دما استفاده می‌کنند. بخشی از این انرژی به صورت گرما تلف می‌شود.
برای مثال، گنجشک انرژی دریافتی از غذای خود را به منظور حفظ دمای بدن و انجام حرکاتی چون پرواز به کار می‌گیرد.

۵. تولیدمثل

جانداران می‌توانند موجوداتی مشابه خود را به‌وجود آورند، هرچند روش‌های تولیدمثل متفاوت است. برای مثال، از یوزپلنگ، یوزپلنگ دیگری زاده می‌شود که بیانگر تداوم صفات گونه‌ای در نسل‌های آینده است.

۶. پاسخ به محیط

همهٔ جانداران به محرک‌های بیرونی واکنش نشان می‌دهند، چرا که این توانایی برای بقا ضروری است. نمونه‌هایی از این پاسخ‌ها شامل خم شدن ساقه گیاهان به سمت نور، باز و بسته شدن روزنه‌های برگ‌ها در واکنش به تغییرات دما، یا بزرگ شدن مثانه در دوزیستان هنگام خشکی محیط است.
این پاسخ‌ها به جاندار امکان می‌دهند با تغییرات محیطی به سرعت تطبیق پیدا کرده و زنده بمانند.

۷. سازش با محیط

سازش، ویژگی‌ای است که طی نسل‌ها در یک جمعیت ایجاد می‌شود و موجب می‌شود افراد آن جمعیت با شرایط محیطی سازگارتر شوند. این ویژگی در جمعیت اتفاق می‌افتد، نه در یک فرد؛ به‌عبارت دیگر، در گذر زمان، فراوانی صفات سازگار در جمعیت افزایش می‌یابد.
در گیاهان مناطق گرم و خشک، تغییراتی چون ضخیم شدن سطح برگ، تجمع کرک در فرورفتگی‌های برگ، یا تنظیم زمان باز و بسته شدن روزنه‌ها، نقش مهمی در کاهش تبخیر دارند. همچنین در برخی گونه‌ها، ساختارهایی مانند پارانشیم حاوی هوا یا ریشه‌های هوایی به‌منظور انطباق با محیط‌های آبی یا مرطوب تشکیل می‌شود.
در جانوران، وجود موهای سفید در خرس قطبی نوعی سازش برای استتار در محیط برفی است. همچنین، غدد نمکی در پرندگان و خزندگان بیابانی یا غدد راست‌روده‌ای در ماهیان غضروفی از دیگر سازگاری‌های ساختاری برای حفظ تعادل در محیط‌های خاص هستند.
نمونه‌هایی از سازش جانداران با محیط
نوع جاندار
شرایط محیطی
شکل سازش
هدف سازش
گیاهان مناطق گرم و خشک
کم آبی و تبخیر زیاد
ضخیم شدن سطح برگ، تجمع کرک در فرورفتگی برگ، تنظیم زمان باز و بسته شدن روزنه‌ها
کاهش تبخیر آب
گیاهان مناطق آبی/مرطوب
نیاز به شناوری/اکسیژن
پارانشیم حاوی هوا، ریشه‌های هوایی
انطباق با محیط آبی یا مرطوب
خرس قطبی
محیط برفی
موهای سفید
استتار
پرندگان و خزندگان بیابانی
نیاز به دفع نمک
غدد نمکی
حفظ تعادل در محیط‌های خاص
ماهیان غضروفی
نیاز به دفع نمک
غدد راست‌روده‌ای
حفظ تعادل در محیط‌های خاص

مولکول‌های زیستی: کربوهیدرات‌ها

در جانداران مولکول‌هایی وجود دارند که در دنیای غیر زنده دیده نمی‌شوند. چهار گروه اصلی مولکول‌های تشکیل‌دهندهٔ یاخته‌ها عبارت‌اند از: کربوهیدرات‌ها، لیپیدها، پروتئین‌ها و نوکلئیک اسیدها. این ترکیبات که در جانداران ساخته می‌شوند، تحت عنوان مولکول‌های زیستی شناخته می‌شوند.
کربوهیدرات‌ها از سه عنصر کربن (C)، هیدروژن (H) و اکسیژن (O) ساخته شده‌اند. کربوهیدرات‌ها بر اساس تعداد واحدهای قندی به سه دستهٔ اصلی تقسیم می‌شوند:

الف) مونوساکاریدها

ساده‌ترین شکل کربوهیدرات‌ها هستند.
مونوساکاریدهای مهم شامل:
گلوکز و فروکتوز: هر دو دارای شش اتم کربن هستند.
ریبوز: یک مونوساکارید پنج‌کربنه.
تصویر

ب) دی‌ساکاریدها

از ترکیب دو مونوساکارید ساخته می‌شوند.
نمونه‌های مهم آن‌ها عبارت‌اند از:
ساکارز: از پیوند گلوکز و فروکتوز تشکیل شده و همان قند خوراکی است.
مالتوز: از دو مولکول گلوکز ساخته شده و در جوانهٔ گندم و جو یافت می‌شود.
لاکتوز: قند موجود در شیر است.
دی‌ساکاریدها افزون بر نقش غذایی، در فرآیندهایی نظیر انتقال مواد آلی در گیاهان نیز مشارکت دارند.
برای مثال، افزایش غلظت ساکارز در یاخته‌های نگهبان روزنه‌ها باعث افزایش فشار اسمزی و در نتیجه باز شدن روزنه‌ها می‌شود. همچنین، ساکارز در الگوی جریان فشاری، عامل افزایش فشار اسمزی در آوندهای آبکش محسوب می‌شود.
تصویر
مقایسه دی‌ساکاریدهای مهم
دی‌ساکارید
مونوساکاریدهای تشکیل‌دهنده
منبع اصلی
نقش‌های دیگر
ساکارز
گلوکز + فروکتوز
قند خوراکی
انتقال مواد آلی در گیاهان (مثلاً یاخته‌های نگهبان روزنه‌ها و آوندهای آبکش)
مالتوز
گلوکز + گلوکز
جوانهٔ گندم و جو
-
لاکتوز
-
شیر
-

پ) پلی‌ساکاریدها

از اتصال تعداد زیادی مونوساکارید تشکیل می‌شوند.
به دو دستهٔ ذخیره‌ای و ساختاری تقسیم می‌شوند:
نشاسته: پلی‌ساکارید ذخیره‌ای در گیاهان؛ در سیب‌زمینی و غلات در ساختاری به اسم نشادیسه (آمیلوپلاست) ذخیره می‌شود. برای شناسایی نشاسته می‌توان از محلول لوگول استفاده کرد که باعث تغییر رنگ آن از نارنجی یا قهوه‌ای به آبی تیره می‌شود. آمیلاز بزاق در گوارش نشاسته نقش دارد.
سلولز: از پلی‌ساکاریدهای مهم در طبیعت و پلی‌ساکارید ساختاری در گیاهان است؛ در ساخت دیوارهٔ یاخته‌های گیاهی و همچنین در صنایع کاغذسازی و نساجی کاربرد دارد.
نکته 1: رشته‌های سلولزی در دیوارهٔ نخستین و پسین یاخته‌های گیاهی و نیز به‌صورت شعاعی در اطراف یاخته‌های نگهبان یافت می‌شوند.
نکته 2: مولکول‌های سلولز از انرژی فراوانی برخوردارند، اغلب جانداران، از جمله انسان و نشخوارکنندگان، فاقد آنزیم‌های مورد نیاز برای تجزیه آن هستند.
گلیکوژن: پلی‌ساکارید ذخیره‌ای در جانوران و قارچ‌ها؛ در انسان در کبد و ماهیچه ذخیره می‌شود و منبع ذخیرهٔ گلوکز است. در انسان، گلوکز جذب‌شده از روده باریک به کبد منتقل می‌شود و در آنجا به شکل گلیکوژن ذخیره می‌شود.
در ساختار نشاسته، سلولز، گلیکوژن و مالتوز تنها گلوکز وجود دارد.
مقایسه پلی‌ساکاریدهای مهم
پلی‌ساکارید
نوع
جاندار میزبان
محل ذخیره/کاربرد
ویژگی/کارکرد
روش شناسایی (در صورت وجود)
نشاسته
ذخیره‌ای
گیاهان
سیب‌زمینی و غلات (در نشادیسه)
منبع انرژی برای رشد جوانه‌ها، گوارش با آمیلاز بزاق
تغییر رنگ با محلول لوگول (نارنجی/قهوه‌ای به آبی تیره)
سلولز
ساختاری
گیاهان
دیوارهٔ یاخته‌های گیاهی، صنایع کاغذسازی و نساجی
رشته‌های سلولزی در دیواره‌های نخستین، پسین و اطراف یاخته‌های نگهبان
-
گلیکوژن
ذخیره‌ای
جانوران و قارچ‌ها
انسان (کبد و ماهیچه)
منبع ذخیرهٔ گلوکز در جانوران
-

مولکول‌های زیستی: لیپیدها

لیپیدها ترکیبات آلی‌ای هستند که عمدتاً از کربن، هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده‌اند، اما نسبت این عناصر در لیپیدها با کربوهیدرات‌ها متفاوت است. برخی انواع لیپیدها مانند فسفولیپیدها دارای فسفر نیز هستند.

1. تری‌گلیسریدها

ساختار: هر مولکول تری‌گلیسرید از یک مولکول گلیسرول و سه اسید چرب ساخته شده است.
انواع: چربی‌ها و روغن‌ها که فراوان‌ترین لیپیدهای غذایی هستند.
نقش زیستی:
میزان انرژی آزادشده از سوختن یک گرم چربی (تری‌گلیسرید) تقریباً دو برابر انرژی آزادشده از همان مقدار کربوهیدرات است.
تری‌گلیسریدها فراوان‌ترین لیپیدهای موجود در غذا هستند.
گوارش این ترکیبات در بدن انسان، عمدتاً در دوازدهه، با کمک صفرا، آنزیم لیپاز لوزالمعده و حرکات روده انجام می‌شود.

2. فسفولیپیدها

ساختار: مشابه تری‌گلیسریدها هستند، اما به‌جای یکی از اسیدهای چرب، دارای گروه فسفات-اند.
نقش زیستی: جزء اصلی غشای یاخته‌ای محسوب می‌شوند.
این ترکیبات همراه با کلسترول در ترکیب صفرا نیز حضور دارند.
تصویر

3. کلسترول

نوعی لیپید است که عملکردهای متنوعی در بدن دارد:
شرکت در ساخت غشای یاخته‌های جانوری.
نقش در ساخت انواعی از هورمون‌ها.
مشارکت در ساختار لیپوپروتئین‌هایی مانند LDL و HDL.
مقایسه انواع لیپیدها و نقش‌های زیستی آنها
نوع لیپید
ساختار اصلی
نقش‌های زیستی کلیدی
محل عمده حضور/عملکرد
ویژگی مهم
تری‌گلیسریدها
یک گلیسرول، سه اسید چرب
ذخیره انرژی (فراوان‌ترین لیپید غذایی)
بافت چربی، غذاها
انرژی‌زایی دوبرابر کربوهیدرات‌ها
فسفولیپیدها
یک گلیسرول، دو اسید چرب، یک گروه فسفات
جزء اصلی غشای یاخته‌ای
غشای یاخته‌ای، صفرا
دارای فسفر
کلسترول
ساختار استروئیدی
جزئی از غشای جانوری، پیش‌ساز هورمون‌ها، تشکیل لیپوپروتئین‌ها
غشای یاخته‌های جانوری، خون (LDL, HDL)، صفرا
خاص یاخته‌های جانوری

مولکول‌های زیستی: پروتئین‌ها

پروتئین‌ها از چهار عنصر اصلی: کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن تشکیل شده‌اند.

ساختار

پروتئین‌ها از زنجیره‌هایی از آمینواسیدها ساخته شده‌اند.
آمینواسیدها واحدهای سازندهٔ پروتئین‌اند که با پیوندهای خاصی به یکدیگر متصل می‌شوند و ساختارهای پیچیده‌ای را شکل می‌دهند.

نقش‌های زیستی

این دسته از مولکول‌ها در فرایندهایی چون حرکت ماهیچه، انتقال مواد در بدن (مثل آلبومین که در انتقال دارو در خون نقش دارد)، عبور ترکیبات از غشا و تسریع واکنش‌های زیستی مشارکت دارند. آنزیم‌ها نیز که نوعی پروتئین هستند، با کاهش انرژی فعال‌سازی، سرعت انجام واکنش‌های شیمیایی را افزایش می‌دهند.
تصویر

مولکول‌های زیستی: نوکلئیک‌اسیدها

نوکلئیک اسیدها ترکیباتی هستند که از عناصر کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و فسفر تشکیل شده‌اند.
نوکلئیک اسیدها شامل دنا (DNA) و رنا (RNA) هستند.
دنا نوعی نوکلئیک‌اسید است که اطلاعات وراثتی موجودات زنده را در خود ذخیره می‌کند.
تصویر