Различают несколько уровней структурной организации материи. Все они являются объектами изучения различных физических, химических и биологических дисциплин. Явления, протекающие на макромолекулярном, клеточном уровне изучает биологическая химия.
Дать определение понятию «живое», провести четкую границу, отделяющую живое от неживого, весьма непросто. Ведь все живые организмы состоят из «неживых» молекул, обладающих признаками неживой материи; их свойства и поведение описываются законами физики и химии. Вместе с тем, живые организмы обладают рядом отличий, присущих исключительно живой материи.
Важнейшей отличительной особенностью является наличие у живых организмов биологического обмена веществ, представляющего собой совокупность происходящих в них химических превращений. Биологический обмен веществ принято называть метаболизмом (греч. «метаболе» — перемена). При всем многообразии живых организмов, населяющих Землю, основные метаболические процессы и у микроорганизмов, и у растений, и у животных, и у человека протекают по сходным механизмам, что свидетельствует о единстве всего живого.
Живые организмы неразрывно связаны с окружающей средой, из которой они получают различные компоненты, необходимые для осуществления процессов жизнедеятельности. Они подвергают их всевозможным метаболическим превращениям, а затем выделяют в окружающую среду конечные продукты обмена.
Биологический обмен веществ состоит из двух противоположных процессов — ассимиляции (лат. "assimilatio " — уподобление), или анаболизма (греч. «анаболе» — подъем), и диссимиляции (лат. "dissimilaiiu" — расподобление), или катаболизма (греч. «катаболе» — сбрасывание).
Ассимиляция представляет собой совокупность процессов синтеза веществ в живом организме, т. е. процессов образования самой живой материи. Диссимиляция, напротив, является совокупностью процессов разрушения веществ. Конечные продукты диссимиляции живые организмы выделяют в окружающую среду, а промежуточные продукты наряду с веществами, поступающими из окружающей среды, используют как строительный материал в процессах ассимиляции.
Ассимиляция и диссимиляция представляют собой две стороны единого процесса биологического обмена веществ, благодаря которому непрерывно происходит самообновление живого организма.
Другой особенностью живой материи является высокий уровень ее структурной организации. Практически все живые организмы имеют клеточное строение. Различают клетки микроорганизмов, органов и тканей растений и животных. Однако при всем своем многообразии все клетки обладают рядом общих морфологических признаков, что является еще одним свидетельством единства всего живого на Земле.
В структурной организации клетки различают несколько уровней. Первый уровень составляют молекулы небольших размеров — аминокислоты, азотистые основания, моносахариды, жирные кислоты и др., которые являются материалом для построения макромолекул — белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов. Макромолекулы составляют второй уровень структурной иерархии в организации клетки. Из них формируются мембраны и внутриклеточные органеллы — ядро, митохондрии, рибосомы, лизосомы и др., образующие третий уровень структурной организации клетки.
Важнейшей органеллой клетки является Ядро — место хранения наследственной информации и центр управления всеми процессами, протекающими в клетке. Ядро заключено в двумембранную оболочку, пронизанную ядерными порами, через которые оно обменивается различными веществами с цитоплазмой.
Цитоплазма — обязательный компонент живой клетки, представляющий собой внутреннюю полужидкую среду, в которой протекают важные метаболические процессы. Структуру цитоплазмы поддерживает разветвленная эндоплазматическая сеть — система ограниченных мембраной мельчайших трубочек, образующих транспортные пути, по которым внутри клетки перемещаются вещества. Пронизанная мембранами цитоплазма объединяет в одно целое ядро и все цитоплазматические органеллы, обеспечивая их взаимодействие.
С мембранами некоторых участков эндоплазматической сети связаны рибосомы — очень мелкие органеллы, не имеющие мембранного строения. На рибосомах осуществляется сложный процесс биосинтеза белков. Это «фабрики белка». Многие рибосомы свободно лежат в цитоплазме. Некоторые внутриклеточные органеллы имеют собственные рибосомы.
Снаружи цитоплазму окружает тонкая оболочка — цитоплазматическая мембрана, обладающая, как и все биологические мембраны, свойством избирательной проницаемости для веществ, поступающих в клетку и выводящихся из нее. Поступление веществ в клетку часто происходит против градиента концентрации.
Клетки растений, в отличие от животных клеток, окружены прочной целлюлозно-пектиновой оболочкой — клеточной стенкой, располагающейся поверх цитоплазматической мембраны. Клеточные стенки служат растениям каркасом, обеспечивающим их механическую прочность, защищая клетки от повреждений.
Внутриклеточные мембраны образуют клеточные органеллы, в которых локализуются различные биохимические процессы. Так, Митохондрии — двумембранные органеллы — отвечают за обеспечение клетки энергией. Это «силовые станции» клетки. Лизосомы — одномембранные пузырьки — содержат ферменты, разрушающие белки, углеводы, жиры и другие компоненты клетки после ее отмирания либо прекращения функционирования некоторой ее части. Это органеллы «самопереваривания» клетки. Пластиды — специфические двумембранные органеллы растительных клеток — служат для протекания процесса фотосинтеза (хлоропласты), накопления запасных питательных веществ (лейкопласты), каротиноидов (хромопласты). Аппарат Гольджи, образованный ограниченными мембраной стопками цистерн, переходящими по краям в пузырьки, участвует в построении клеточной стенки растительных клеток, а также служит для накопления чужеродных веществ, подлежащих удалению из цитоплазмы. Вакуоль — ограниченный мембраной мешок, заполненный клеточным соком (водным раствором различных соединений) — служит резервуаром воды, местом скапливания конечных продуктов обмена веществ, а также вместилищем ряда запасных веществ. Вакуоль поддерживает давление растительной клетки. Нередко она занимает до 90% объема зрелой клетки.
Если нарушается внутренняя структурная организация клетки, то такая клетка погибает. В ней перестают протекать процессы, присущие живой клетке, хотя ее химический состав при этом не изменяется.
Группы клеток, совместно выполняющие общие функции и обладающие сходным строением и происхождением, образуют ткани живых организмов. В теле высших растений различают шесть групп тканей.
Образовательные, или меристематические (греч. «меристос» — делимый), ткани обеспечивают рост растения на протяжении всей его жизни. Покровные ткани защищают растения от неблагоприятных воздействий внешней среды. Основные, или паренхиматические (греч. «пара» — рядом + «энхима» — разлитое), ткани составляют основную массу тела растений, в которой располагаются другие ткани. Механические ткани образуют прочный каркас, препятствующий повреждению органов растений. Специализированные структуры растения, способные выделять различные вещества, образуют выделительные ткани.
У высших растений развита система проводящих тканей, объединяющих все органы растения в единое целое. Различают два типа проводящих тканей — ксилему (греч. «ксилон» — дерево) и флоэму (греч. «флоэтос» — кора). По ксилеме поглощенные корневой системой вода и растворенные в ней минеральные вещества поднимаются вверх через стебель растения к листьям. В противоположном направлении из листьев по флоэме в остальные части растения направляются органические вещества.
Следующая особенность живой материи состоит в том, что не только отдельные внутриклеточные органеллы, клетки, ткани и органы живого организма выполняют определенные функции, но даже молекулы. Каждая молекула, необходимая клетке, играет свою роль в ее жизнедеятельности. Вещества, образующие неживую природу, не наделены специфическими функциями.
Еще одной важной особенностью живой материи является ее способность обеспечивать постоянный приток энергии в клетку для поддержания процессов жизнедеятельности организма. Клетка, извлекая энергию из питательных веществ, расходует ее на процессы биосинтеза новых необходимых клетке веществ, на совершение механической работы, на транспорт веществ через клеточную мембрану и др. Зеленые растения в качестве дополнительного источника энергии используют энергию Солнца.
Энергетические процессы в клетке протекают иначе, чем в неживой природе. Механизмы преобразования энергии в ходе жизнедеятельности организмов изучает специальная дисциплина — биоэнергетика.
Характерной особенностью живых организмов является также то, что все асимметричные молекулы — аминокислоты, сахара, органические кислоты и др. — встречаются в живой природе только в виде L — или только в виде D-изомеров. В неживой природе с одинаковой частотой встречаются как L-, так и D-формы асимметричных молекул.
Наконец, еще одно отличительное свойство живых организмов заключается в их способности к размножению и сохранению из поколения в поколение своего вида. Объекты неживой природы не способны к самовоспроизведению.
Для функционирования живого организма необходимы не только постоянный приток питательных веществ и энергии, но и информация о его развитии во времени. Все процессы в клетках живых организмов управляются. Они протекают не хаотично, а строго скоординировано. Жизнь, таким образом, представляет собой триединый поток веществ, энергии и информации.
Итак, хотя биохимические процессы в живых организмах осуществляются с участием тех же частиц, что и химические процессы в неживой природе, биологическая форма движения материи принципиально отличается от химической.