Возникновение и эволюция жизни

Многогранность живого

Предбиологические структуры, представляющие собой гигантские органические макромолекулы, являются пределом химической эволю­ции вещества. Следующий и принципиально иной уровень сложности в организации материи по сравнению с атомарно-молекулярным уров­нем — это живая материя, живая природа. Жизнь во всех ее фор­мах является объектом биологии, поэтому, имея в виду все живое, можно говорить о биологическом уровне организации материи.

Живая природа (коротко — жизнь) — это такая форма организации материи на уровне макромира, которая резко отличается от других форм сразу многими признаками.

Прежде всего, любой живой объект является системой — со­вокупностью взаимодействующих элементов, которая обладает эмерджентными (возникающими) свойствами, отсутствующими у элементов, образующих этот объект. Для последующего анали­за живого воспользуемся определением жизни, которое дал акаде­мик М.В. Волькенштейн: «Жизнь есть ферма существования мак­роскопических гетерогенных открытых сильнонеравновесных систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению». Рассмотрим отдельные положения этой формулировки.

Микроскопичность живого означает, что любой живой организм, начиная с бактерии, или же его самостоятельно функционирующая подсистема должны содержать большое число атомов. Иначе упоря­доченность, необходимая для жизни, разрушилась бы флуктуациями.

Гетерогенность означает, что организм образован из множества различных веществ.

Открытость живой системы проявляется в непрерывном обмене веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Само­организация возможна лишь в открытых сильнонеравновесных си­стемах.

Сходство химического состава всех живых организмов. Эле­ментный состав живого определяется главным образом шестью эле­ментами: кислород, углерод, водород, азот, сера, фосфор. Кроме того,

 

жквые системы содержат совокупность сложных биополиме­ров, которые для неживых систем не характерны (белки, нуклеи­новые кислоты, ферменты и др.).

Свойство самовоспроизведения сохраняет биологические виды. Конечность живых систем создает условия их сменяемости и совер­шенствования.

Свойство всего живого — раздражимость — проявляется в виде реакции живой системы на информацию, воздействие извне.

Живая система обладает дискретностью — состоит из отдель­ных (дискретных) элементов, взаимодействующих между собой и цельностью — все ее элементы функционируют только благодаря функционированию системы в целом.

Триединство концептуальных уровней познания в современной биологии

Биологию можно определить как науку о живом, о строении жи­вой материи и процессах с ее участием, формах и развитии живого, о распространении живых организмов и их природных сообществ, вза­имосвязях живой и неживойприроды.

Одна из особенностей биологии связана с тремя концептуальными уровнями биологического знания. Сосуществуют одновременно три «образа» биологии: описательно-натуралистическая (иное назва­ние — традиционная) биология, физико-химическая биология и эволюционная биология.

Традиционная биология имеет самую долгую историю. Ее ме­тод — тщательное наблюдение и описание явлений природы, а глав­ная задача — их классифицирование. Объектом изучения традици­онной биологии была и остается живая природа в ее есте­ственном состоянии и нерасчлененной целостности.

Физико-химическая биология сформировалась благодаря экс­периментальным тенденциям, существовавшим в науке издавна (по­этому иногда это направление именуют еще и экспериментальной - биологией). В настоящее время методами экспериментальной биологии исследуется молекулярный уровень живого, а также структура и функции живых систем на всех остальных уровнях организации.

Эволюционная биология. С того времени, как в биологии было в полной мере осознано неотъемлемое и наиболее характерное свой-

ство живого — его способность развиваться и совершенствоваться, концепция эволюции получила в ней самостоятельное значение и обусловила формирование отдельного направления — эволюцион­ной биологии. Ее истоки лежат в традиционной биологии. Ч. Дар­вин создал теорию естественного отбора, будучи типичным натура­листом. Современная эволюционная биология имеет задачей последовательное развитие представлений об увеличении мно­гообразия и сложности живого, включая раскрытие деталей механизма эволюции и научное решение проблемы происхож­дения жизни.

На сегодняшний день теоретическая биология только форми­руется. Главная проблема будущей теоретической биологии — созда­ние единой теории живого.

Структурные уровни организации живых систем

Жизни, как природному явлению, присуща своя иерархия уровней организации, определенная упорядоченность, соподчиненность этих уровней. Открытие клетки как элемента живых структур и представ­ление о системности, цельности этих структур стали основой последу­ющего построения иерархии живого.

Концепция структурных уровней живого включает представле­ние об иерархической соподчиненное™ структурных уровней, систем­ности и органической целостности живых организмов.

Молекулярно-генетический уровень. Это тот уровень органи­зации материи, на котором совершается скачок от атомно-молекуляр-ного уровня неживой материи к макромолекулам живого.

Белки — органические соединения, входящие в состав всех Живых организмов. Белки являются биополимерными макромоле­кулами, так как состоят из большого числа повторяющихся и сходных по структуре низкомолекулярных соединений (мономеров). Переста­новки и различные сочетания мономеров в длинных полимерных це­пях обеспечивают построение множества вариантов молекул белка и придают ему разнообразные свойства. В состав белка входит 20 ами­нокислот-мономеров.

Характерным физическим свойством аминокислот, содержащихся в живых системах, является то, что все они способны поворачивать

 

влево плоскость поляризации светового луча. В свою очередь, это означает, что свойством живой материи является ее молекуляр­ная асимметричность, подобная асимметричности левой и правой рук. Опираясь на такую аналогию, это свойство живого назвали молекулярной хиральностью (от греч. спег — рука).

Дальнейшие исследования, направленные на изучение механизмов - воспроизводства и наследственности, позволили выявить то специфи­ческое, что отличает на молекулярном уровне живое от неживого. Наиболее важным было выделение веществ из ядра клетки, обладаю­щих свойствами кислот и названных нуклеиновыми (то есть ядер­ными) кислотами. Один тип этих кислот получил широко использу­емое сокращенное название РНК (рибонуклеиновые кислоты), другой — ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты). Удалось доказать, что ДНК обладают способностью сохранять и передавать наслед­ственную информацию организмов. В 1953 г. была расшифрована структура ДНК. Оказалось, что молекула ДНК состоит из двух моно­мерных цепей, идущих в противоположных направлениях и закручен­ных одна вокруг другой наподобие пары электрических проводов. ДНК, находящиеся в клетке, разделены на участки — хромосомы. Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой стро­ятся аминокислоты и белковые молекулы организма. Участок моле­кулы ДНК, содержащий информацию об одном из набора бел­ков организма, называют геном. Гены расположены в хромосомах. Молекулярная биология, изучающая биологические объекты и про­цессы на молекулярном уровне, — один из наиболее ярких примеров % современной тенденции к интеграции научного знания.

Клеточный уровень. Любой живой организм состоит из клеток. В простейшем случае — из единственной клетки (бактерии, амебы). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Всеми сложными многоступенчатыми процессами в клетке управляет особая структура, как правило, находящаяся в ее ядре и состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот.

Клетки обладают разнообразием форм, размеров, функций. Суще­ствуют клетки, не содержащие ядра, — прокариоты (безъядерные клетки). Исторически они являются предшественниками клеток с раз­витой структурой, то есть клеток, имеющих ядро, — эукариотов.

Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым уровнем организации образует живую ткань. Из тканей состоят различные орга­ны живых организмов.

Структурные уровни организации живых систем

Организменный уровень. Система совместно функцио­нирующих органов образует организм. В отличие от предыдущих уровней на организменном уровне проявляется большое разнооб­разие живых систем. Организменный уровень именуют также онто­генетическим.

Популяционно-видовой уровень образован совокупностью ви­дов и популяций живых систем. Популяция — это совокупность орга­низмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупное-^ тью генов). Она является надорганизменной живой системой, так же как и вид, состоящий обычно из нескольких популяций. На этом уров­не реализуется биологический эволюционный процесс.

Биоценотический уровень образован биоценозами — истори­чески сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связан­ных друг с другом и окружающей средой обменом веществ.

Биосферный уровень организации живого: совокупность био­ценозов образует биосферу Земли.

Отдельные структурные уровни живого являются объектами изу­чения для отдельных биологических наук (молекулярной биологии, генетики, цитологии, микробиологии, анатомии и физиологии, зоологии, ботаники и т.д.)

Развитие современной концепции биохимического единства всего живого

Пока в биологии не существовало методов физико-химического исследования и сколько-нибудь ясных теоретических концепций, сущ­ность живого сводили к наличию некоей «таинственной силы», бла­годаря которой развивается и воспроизводится все живое. Такой подход к пониманию живого называют витализмом. Витализм уво­дил исследователей по ложному пути и не способствовал постиже­нию принципов функционирования живых организмов. Эти прин­ципы были раскрыты на пути детального изучения процессов обме­на веществом, энергией и информацией в живых системах разного Уровня организации, начиная от клетки и заканчивая биосферой.

Существует несколько точек зрения на саму природу образова­ния жизни на Земле.

Первая заключается в следующем: жизнь возникла на Земле из неживых (минеральных) форм.

 

 

Следовательно:

а) жизнь представляет собой направленный вектор эволюции от меживого к живому;

б) грань живого и неживого весьма резка, а сама жизнь крайне неустойчива и может в любой момент вернуться в область неживого;

в) живое из неживого — событие почти невероятное! Особенно если учесть, что на близко расположенных планетах признаки жизни не обнаружены.,

Вторая посылка: жизнь получила развитие на Земле. Это озна­чает, что:

а) жизнь является порождением Космоса, а Земля предоставила лишь необходимые условия для ее развития;

б) преджизненная основа — весьма устойчивое образование, раз она может преодолевать громадные расстояния в Космосе;

в) сущность принципа Пастера — Реди (живое только от живого);

г) жизнь — не такое уж редкое событие во Вселенной.

По гипотезе английского астрофизика Джеймса Джинса (1877— 1946) предполагается, что жизнь — это плесень, возникающая на по­верхности небесных тел. Это парадоксальное утверждение было наи­более естественным объяснением возникновения жизни.

Анализируя феномен живого вещества, можно заключить, что он препятствует вырождению материи во Вселенной, так как часть ее бесструктурного состояния переходит в структурное, понижая энтро­пию системы. Фотосинтез — прекрасная иллюстрация этому.

Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшествующих предбиологических структур возникли и раз­вились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ (метаболизма) и системы воспроизводства живой клетки.

Изучение указанных систем дало важнейший попутный результат: сформировалась фундаментальная для всего естествознания идея единства состава и механизмов функционирования жи­вой природы независимо от уровня организации составляю­щих ее структур. Эта идея, зародившаяся еще в XIX в., обрела вид законченной концепции биохимического единства живого в 1920-х Гг. благодаря трудам голландских микробиологов А. Клюйве-ра и Г. Донкера — это схожесть химического состава, свойство хи-ральности живого, универсальная роль аденозинтрифосфата (АТФ) в качестве аккумулятора и переносчика биологически запасенной энер­гии; универсальность генетического кода и др.