Науки о живой природе

4. Биологические явления. Формы и уровни жизни

В результате великих открытий второй половины нашего века биология вышла на молекулярный уровень изучения своих объектов и явлений, и естествознание обрело контуры целостной науки, исследующей единую природу во всех ее проявлениях. Биология по сложности в несколько раз превосходит химию и в несравненно большее число раз - физику.

Революционное потрясение, которое пережило естествознание с выходом изучения живой материи на молекулярный уровень сравнимо лишь с переворотами, произведенными Н. Коперником и И. Ньютоном, повлиявшими на переосмысление картины мира.

4.1. Традиционная или натуралистическая биология. Биологическая система Линнея

Объектом изучения традиционной биологии всегда была и остается живая природа в ее естественном состоянии. Эта мысль принадлежит Эразму Дарвину. Эразму Дарвину (деду великого Ч.Дарвина), принадлежит и термин Храм природы. Всякий входящий в этот Храм, должен был испытывать трепет и благоговение перед красотой и совершенством созданий Природы, а познающий ее тайны - приобщение к премудрости Творца, ее создавшего.

Традиционная биология имеет давние истоки своего зарождения. Они восходят к средним векам, а становление ее в самостоятельную науку, получившую название натуралистическая биология, приходится на XVIII -XIX вв. Методами биологии стало тщательное наблюдение и описание явлений природы, а главной задачей - их классификация.

Первый этап истории натуралистической биологии ознаменовался первыми классификациями животных и растений.

Вершиной искусственной классификации стала система, созданная К. Линнеем (1707-1778 гг.). Все его труды были посвящены грандиозной систематизации растительного мира по произвольно выбранным, зачастую единичным признакам. Однако она четко отображала закономерности, реально существующие в природе, и позволяла выделять растения в отдельные группы. К. Линней называл эти группы таксонами. С именем этого ученого связано введение бинарной номенклатуры с обозначением рода и вида, а также принцип иерархического соподчинения таксонов и их наименования - классы, отряды, роды, виды, разновидности.

Более близкими к природе были системы, созданные позже А. Л. Жюссе (1748-1836), О. П. Декандолем (1778-1841) и Ж.Б. Ламарком (1744-1829).

Труд Ж. Б. Ламарка "Естественная история растений " (1803) был построен по принципу развития от простого к сложному. В нем ученый акцентировал внимание на происхождении отдельных групп растений и пытался установить родственные связи между разными группами растений.

"Первая инвентаризация" животного мира велась несколько иным способом. Биологи составляли фундаментальные сводки энциклопедического характера. Примерами могут служить труды К. Гесснера (1516-1565) "История животных", Р. Реомюра (1683-1757) "Мемуары по истории насекомых" и особенно 44-томный труд Ж. Брюффона (1707 - 1788) и его соавторов "Естественная история".

Одной из первых классификаций животных является классификация, созданная К. Линнеем и представленная в его работе "Система природы" (1758 г.). Эволюционный подход к классификации царства животных применили несколько позже Ж. Б. Ламарк (1801 и 1809гг.), С. И. Жоффруа (1805-1861 гг.) и Ж. Кювье (1769-1832 гг.).

Становление традиционной биологии - это зарождение комплексного или системного подхода к исследованию природы, поскольку объектом исследования натуралистов была и остается живая природа в ее целостном и нерасчлененном виде, во всем ее многообразии и сложности. Поэтому можно говорить, что первым традиционалистам было свойственно стихийное, т.е. неосознанное системное мышление.

В наши дни традиционная биология не утратила своего значения. Напротив, ее роль возросла, т.к. перед человечеством возникли совершенно новые экологические проблемы. А ведь экология - это наука, исследующая взаимоотношения организмов, как между собой, так и со средой их обитания. Традиционная биология является источником фактов, почерпнутых из наблюдений реальности, ее объект изучения - целостная живая природа, воспринимаемая как единая нерасчлененная система во всем ее многообразии.

4.2. Физико-химическая биология

Название физико-химическая биология имеет два смысла. Во-первых, это понятие означает, что предметом исследования данного направления науки являются объекты живой природы, которые изучаются на физико-химическом уровне, т. е. на молекулярном и надмолеклярном уровнях. С другой стороны, сохраняется и первоначальное значение этого термина: использование физико-химических методов для расшифровки структур и функций живой природы на всех уровнях ее организации. Так или иначе, физико-химическая биология в наибольшей степени содействовала сближению биологии с точными науками и становлению естествознания как единой науки о Природе.

Биологи-экспериментаторы, в принципе, уже давно использовали различные точные физико-химические методы в своей работе. Среди них были Л. Пастер (1822-1895), И. М. Сеченов (1829-1905), И.П. Павлов (1849-1936), И. И. Мечников (1845-1916) и многие другие. Именно они проложили путь к раскрытию сущности процессов жизнедеятельности живых организмов.

Наиболее широкое распространение в биологии получили метод меченых атомов (используемый для наблюдения за передвижением и превращением веществ в живом организме), методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии (позволяющие исследовать крупные молекулярные компоненты и субмикроскопические структуры в живых клетках); хроматографические методы (используемые при биохимических исследованиях), спектральные методы и методы зондирования в тканях (позволяющие следить за работой живых органов -ЯМР-томография; УЗИ-томография, оптические зонды и т.д.). Широкое внедрение компьютеров позволило автоматизировать экспериментальные установки и привело к созданию большого количества различных томографов - компьютерной аппаратуры, позволяющей послойно анализировать любой орган или клеточный органоид, не нанося ему вреда.

В отличие от физики и химии, биология пока не располагает такими интегрированными теоретическими знаниями о многообразии живой природы, которые могли бы составить базу для теоретической биологии. На сегодняшний день это достаточно сложная задача. Ведь для создания теоретической биологии необходимо осуществить синтез всех обширных знаний из всех областей биологии и, проанализировав все эти знания о живом, выделить существенные закономерности, которые были бы присущи всем уровням организации живой материи. При этом следует особенно подчеркнуть тот факт, что речь идет именно о живой, а не мертвой материи и потому в науке теоретической биологии должна быть дана характеристика жизни, не сводимая к физике или химии.

Вместе с пищей живые организмы поглощают бесчисленное множество органических и минеральных соединений, которые претерпевают биохимические превращения в живом организме и затем (в виде продуктов распада) выводятся вновь в окружающую среду. Строительным материалом для живых клеток являются макромолекулы: белки, фосфолипиды, жиры, нуклеиновые кислоты. Гормональная регуляция, осуществляемая в организме, производится так же химическим путем. А химическое учение основано на конкретных физических закономерностях. Вот и получается, что и без физики в биологии "далеко не уедешь"!

Объединение биологии с химией породило новую науку - биохимию, - целью которой является изучение структуры и свойств биомолекул одновременно с их метаболизмом в живых тканях и органах, т. е. с изменениями этих молекул внутри живого организма. В числе открытий, сделанных биохимиками, - выяснение принципов переноса энергии в клетке, расшифровка механизмов, регулирующих основные пути метаболизма, установление роли мембран, рибосом и других ультраструктурных элементов клеток, выяснение того факта, что последовательность аминокислот определяет пространственную структуру белков, а, следовательно, и их биологические функции, познание молекулярных основ генетики. По сути, биохимия пытается объяснить все существующие явления, происходящие в клетке или в живых жидкостях и тканях на языке, понятном химикам.

На стыке биохимии, биологии и физики в 1950 гг. возникла новая наука - биофизика. Целью этой науки является объяснение ряда биологических явлений с точки зрения физики. Методами биофизики было дано объяснение механизмам мышечного сокращения, проведения нервного импульса, актов ферментативного катализа; предложены модели многих автоколебательных процессов, наблюдаемых в биологии, объяснены тайны фотосинтеза. Биофизиков можно встретить сегодня в любой биологической лаборатории, начиная с экологической и заканчивая лабораторией молекулярной генетики.

Биофизика и биохимия осуществили давнюю мечту биологов об объединении знаний о структуре и функциях организма в целом.

4.3. Эволюционная биология. Теория эволюции Ч. Дарвина

В наше время сформировалась достаточно самостоятельная область знаний - эволюционная биология.

Ч. Дарвин создал свою теорию, будучи типичным натуралистом: его учение - плод пристальных наблюдений над живой природой в самых различных ее проявлениях. Весьма скромные в его времена знания о химическом составе организмов и процессах обмена веществ не имели для него сколько-нибудь существенного значения. Тем не менее, одних только наблюдений и описаний оказалось достаточно, чтобы родилась главная идея, переросшая затем в целостную теорию - идея естественного отбора. Ч. Дарвину удалось выявить такие факты, которые при их обобщении как оказалось, имеют универсальное значение. Идея развития (или эволюции), а также исторический метод были взяты на вооружение всем естествознанием.

Облик эволюционной биологии как науки сложился в результате объединения двух потоков знаний: самого эволюционного учения и знаний, полученных другими науками относительно эволюции и ее механизмов. Содержание эволюционной биологии постоянно расширяется. Новые научные достижения в молекулярной биологии, цитологии (науке о строении и функционировании живых клеток), палеонтологии способствуют этому.

4.4. Формы и уровни жизни

Все объекты живой и неживой природы по строению представляют собой системы, для которых характерно иерархическое соподчинение входящих в них элементов, т. е. структурных уровней организации. Самые элементарные из них относятся к области познания физики, - это электроны, протоны, другие элементарные частицы. Затем идут атомные уровни, молекулярные уровни, изучением которых занимаются как физика, так и химия. За молекулярным уровнем следует субмолекулярный, - уровень исследования работы макромолекул как единого целого; и так далее, вплоть до уровня организмов и сообществ из них. Каждый нижележащий уровень располагается как бы в оболочке вышележащего уровня и сохраняет его особенности. Действительно, молекулярный состав мембраны клетки будет отличаться, например, от молекулярного состава ядра клетки, а конкретный химический элемент будет всегда иметь свое, отличное от других строение электронных оболочек. Конкретизация знания об объекте предполагает суммирование знаний о его строении на всех уровнях знаний. А изучение каждого уровня организации живой материи должно иметь биологический смысл, т.е. должно быть направлено на изучение феномена жизни, а не просто структуры ее физико-химической организации.

Проблема различной степени упорядоченности и организованности живой материи возникла у натуралистов еще в XVIII - XIX в. Первым толчком к ее проявлению послужило провозглашение в 1830-е годы клеточной теории. А в 1846 г. М. Шлейден - один из основателей этой теории - сформулировал положение о существовании живых тел "различного порядка организованности". Незадолго до этого Э. Геккель выдвинул гипотезу, согласно которой протоплазма клетки не однородна, а состоит из каких-то надмолекулярных частиц, названных им пластидулами. С одной стороны утверждалась идея дискретности, т. е. делимости целого на структуры более низкой организации, а с другой - этим структурам приписывалась постоянная и самостоятельная функция.

В первой половине XIX в. в биологии появляется история теории систем. Одна из первых ее страниц была посвящена редукционизму, согласно которому все высшее сводится к низшему, процессы жизнедеятельности - к совокупности их физико-химических реакций. Противников "редукционистов" называли виталистами. "Виталисты" утверждали, что органическое целое невозможно свести к простой сумме его частей, и оно управляется божественной силой. Несколько в стороне находились взгляды экспериментирующих биологов, придерживавшихся физиологического детерминизма. Так К. Бернар, полагал, что все структуры и процессы в многоклеточном организме определяются внутренними причинами организма, поиском которых необходимо заниматься ученым.

В 1920 годы американские философы Г. Браун и Р. Селларс разработали новое понятие структурные уровни. Согласно их теории, эти уровни различаются не только классами сложности, но и закономерностями их функционирования. Они выдвинули идею иерархической соподчиненности уровней, вхождение каждого последующего уровня в предыдущий с образованием единого целого, в котором низкий уровень "виден" в самом высшем. Так родилась концепция многоуровневой иерархической "матрешки".

4.5. Молекулярно-генетический уровень

Существует три главные проблемы, которые стали объектом исследования на молекулярном уровне:

1. Происхождение жизни.

2. Молекулярно-генетический подход к изучению эволюции.

3. Изучение молекулярных основ воспроизводства жизни и процессов жизнедеятельности.

4.5.1. Происхождение жизни

Целая эпоха в истории изучения проблемы происхождения жизни связана с трудами А.И. Опарина и его учеников. Пик исследований ученого приходится на 1950-70 годы, хотя основополагающий его труд "Происхождение жизни" был опубликован еще в 1924 г. Уже в нем были изложены все те идеи, которые составили основу гипотезы Опарина. Главная из них - зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой.

Опарин предложил новую идею химической эволюции, - когда под воздействием сильнодействующих физико-химических факторов (температуры, ультрафиолетового и рентгеновского излучения, электрических разрядов большой мощности и атмосферного давления) происходит самопроизвольное превращение ряда неорганических соединений в органические "кирпичики жизни" - аминокислоты, нуклеозиды и нуклеотиды, простейшие полисахариды и в молекулы АТФ, способные запасать химическую энергию.

Идея химической эволюции в 1920 годах "носилась в воздухе". Подобного рода эксперименты были распространены во многих лабораториях мира. Это не удивительно, - химия в то время была в зените славы и процветания. Однако, перед учеными, поддержавшими идею химической эволюции, сразу же возник риторический вопрос: а что произошло раньше - аминокислоты и белки или же молекулы, ответственные за воспроизводство живого - нуклеотиды и нуклеозиды. Гипотезы, утверждавшие первичность структуры, наделенной способностью к обмену веществ при участии ферментов объединялись в термине голобиоз, а гипотезы, утверждающие первичность молекулярной системы, включающей в себя генетический код, назывались генобиоз.

Одной из сильных сторон гипотезы Опарина является то, что она находится в соответствии с гипотезой эволюции добиологической (неживой) материи и зарождение жизни представлено в ней как закономерный процесс. Вторая сильная сторона - возможность экспериментальной проверки основных положений гипотезы в лабораторных условиях. Однако есть и слабые стороны рассматриваемой гипотезы. Например, гипотеза Опарина допускала возможность самовоспроизведения доклеточных структур при отсутствии молекулярных систем с функциями генетического кода. Поэтому при синтезе аминокислот в лабораторных условиях дополнительно допускалось введение в "первичный бульон" химически сложных готовых "блоков", например, ферментов, без которых реакция не шла. В последние годы представители научной школы А.И. Опарина, оставаясь, в основном, на позициях его гипотезы, признают нерешенность главного вопроса всей проблемы - что именно является движущей силой саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической? Иными словами, в рамках гипотезы. Опарина не удается объяснить главную проблему: причину того таинственного скачка от неживой материи к живой, который и знаменует собой начало жизни в том "земном" виде, в котором она нам известна.

Креационистские (от лат. creatio - создаю) теории, в отличие от естественнонаучных гипотез объясняли происхождение жизни, существованием Бога - Создателя, основывая свое учение на Библии: "И сказал Бог: да произрастит земля зелень, траву, сеющую семя, дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод, в котором семя его на земле. И стало так". (Бытие, гл.1, стих 11).

Согласно Библии, вслед за растениями Бог создавал животных из воды: "И сотворил Бог рыб больших и всякую душу животных пресмыкающихся, которых произвела вода по роду их, и всякую птицу пернатую по роду ее. И увидел Бог, что это хорошо. И благословил их Бог, говоря: плодитесь и размножайтесь, и наполняйте воды в морях и птицы да размножатся на земле" (Бытие, гл. 1, стихи 21 - 22).

Затем, в соответствии со своим замыслом, Создатель производит "зверей земных по роду их, и скот по роду его, и всех гадов земных по роду их". (Бытие, гл.1, стихи 25).

В креационистской теории сотворения мира животный и растительный миры создаются сразу по желанию Бога во всей своей красе и во всем разнообразии. Каждый род и вид флоры и фауны уникальны с самого рождения, потому что являются воплощением Божественного Плана, а не случайной стихии природы. Воля и энергия Творца служат первым толчком для превращения неживой материи ("воды" и "земли") в живую. Эволюционная идея превращения одного рода в другой путем естественного отбора с позиций этой теории представляется ненужной: природа изначально была создана в совершенной гармонии с окружающим миром.

Ну, а гипотеза биологов об эволюции человека из общих с обезьянами предков с точки зрения креациониста, звучит и вовсе кощунственно. Ведь Бог создал людей по своему образу и подобию и поставил их над всей природой: "... И да владычествуют они над рыбами морскими, и над птицами небесными, и над скотом, и над всею землею, и над всеми гадами, пресмыкающимися по земле". (Бытие, гл.1, стих 26)

Впрочем, русский ученый В.И. Вернадский (1863-1945) решал этот вопрос совершенно иначе. Он, не будучи креационистом, "вынес" зарождение жизни, за пределы земной поверхности, считая, что жизнь на нашу планету была "занесена" из космоса. Утверждая, что живое на Земле может порождаться только живым. Он придерживался "принципа Реди", сформулированного в 1668 г. итальянским ученым - врачом Ф. Реди: "Все живое происходит только из живого". Сегодня развитие естествознания не опровергает, а во многом подтверждает идеи В.А. Вернадского.

4.5.2 Современное развитие эволюционной теории Ч. Дарвина. Молекулярно-генетический подход

Термин "эволюция" был впервые введен в лексику биологии швейцарским ученым Ш. Боннэ в 1762г., т. е. задолго до опубликования своего труда Ч. Дарвиным. Причем Ш. Боннэ понимал под этим термином не только идею развития, но и представления о роли изменчивости и отбора в становлении новых форм живого. Эти представления претерпевали изменения с течением времени.

В настоящее время различают три типа изменчивости.

Наследственная изменчивость - это изменчивость, обусловленная возникновением новых генотипов (аналог "неопределенной изменчивости" Ч. Дарвина.).

Ненаследственная изменчивость - это изменчивость, которая отражает изменения не генотипа, а фенотипа под влиянием условий внешней среды (аналог "определенной изменчивости" Ч. Дарвина).

Онтогенетическая изменчивость - это изменчивость, отражающая изменения в ходе индивидуального развития всего организма (онтогенеза) или изменчивость отдельных клеток в процессе их дифференциации (т.е. при формировании их индивидуальных отличий в процессе жизненного цикла).

Современный эволюционизм - это не только дарвинизм в его изначальном виде, а многогранное комплексное учение, сформировавшееся за годы, прошедшие со времен создания теории Ч. Дарвина. В 1930-1940 годах появилась на свет новая синтетическая теория эволюции. Она представляет собой синтез дарвинской концепции естественного отбора с генетикой и экологией. Существуют два основных отличия синтетической теории эволюции от теории Ч. Дарвина. Это, во-первых, - признание в качестве элементарной единицы эволюции не организма и даже не вида, а местной популяции и, во-вторых, - выделение двух типов эволюции: микроэволюции и макроэволюции. Микроэволюция обозначает совокупность эволюционных процессов в популяциях, сопровождающихся изменением генофонда и образованием новых видов. Макроэволюция (или филогенез) - это эволюционные преобразования, протекающие в течение длительного исторического периода и приводящие к образованию надвидовых таксонов. Микроэволюция доступна для непосредственного изучения в лабораторных условиях, макроэволюция - нет, вследствие ее исторической протяженности. Изучение микроэволюции возможно посредством наблюдения за изменениями животных и растений в природе. Изучение же макроэволюции требует дополнительных исторических источников для исследования. Такие данные предоставляли смежные биологические дисциплины: сравнительная морфология, палеонтология и эмбриология. В настоящее время ученые перешли на изучение эволюционных процессов на молекулярно-генетическом уровне. Объектами исследований ученых стали белки и нуклеотиды, изъятые из ныне живущих организмов, так и из геологических слоев залегания ископаемых. Главной проблемой макроэволюции является расшифровка последовательности филогенеза и наследственных связей между организмами. Эта наука постоянно развивается, у нее большое биологическое будущее. Достижения в этой области знаний непосредственно связаны с прогрессом в области молекулярной биологии и генетики.

4.5.3 Изучение молекулярных основ воспроизводства жизни и процессов жизнедеятельности

Две современные биологические науки - молекулярная генетика и молекулярная биология занимаются изучением смежных научных вопросов, связанных с основными проблемами структуры и функционирования живой природы на молекулярно-генетическом уровне.

Наиболее важные открытия, сделанные в области молекулярной биологии и молекулярной генетики:

1. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот.

2. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка.

3. Открытие молекулярно-генетических механизмов изменчивости.

4. Изучение молекулярных основ обмена веществ.

4.6.1. Законы генетики Менделя. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот

В XVIII и XIX веках делалось немало попыток выяснить, как передаются признаки из поколения в поколение. Но начало генетике как науке было положено чешским ученым Г. Менделем, который скрещивал между собой различные сорта гороха и наблюдал за изменениями их окраски, формы, вида и др. признаков. Мендель определил, что у получаемых гибридов в первом поколении одни признаки подавляют другие. Например, желтый цвет семян доминирует над зеленым цветом, гладкая поверхность семян над морщинистыми и т. д. Каждому из наследуемых признаков Мендель поставил в соответствие материальную частичку живого, передаваемого из поколения в поколение, - элементарную носительницу информации, и назвал ее геном. Изучая поведение и характер взаимодействия различных генов по их проявлению в потомстве, Мендель открыл свои знаменитые законы скрещивания генов и сделал доклад на собрании Брюнского общества естествоиспытателей. Но в течение почти 35 лет в мире не было ни одного ученого, который мог бы по достоинству оценить работу ученого и продолжить его исследования. Они были "настолько хорошо забыты наукой", что в 1900 г. три исследователя - де Фриз в Голландии, Корренс в Германии и Чермак в Австрии, проводя свои исследования по делению клеток, вторично, независимо друг от друга, открыли законы Менделя. Честь и хвала им, что позже, обнаружив статью ученого, они уступили приоритет своего открытия законов наследственности их первооткрывателю - Менделю, высоко оценив его научный подвиг.

В начале XX в. было установлено, что описанные Менделем генетические факторы находятся в хромосомах клеточного ядра.

Параллельно с генетиками биохимики изучали химический состав ядер живых клеток. Впервые молекулы ДНК были выделены из ядер лейкоцитов швейцарским биохимиком Ф. Мишером во второй половине прошлого века. Первоначально он назвал выделенное вещество нуклеином (от лат. nucleus - ядро). Затем, работавший в той же лаборатории, А. Коссель обнаружил, что в состав нуклеиновых кислот входят пуриновые и пиримидиновые основания и простейшие углеводы. В начале 1900 годов в лаборатории П. Левина в США был расшифрован углеводный компонент этих нуклеиновых кислот.

В установлении роли ДНК в клетках также было несколько этапов. Особенно усиленно разработкой этого вопроса занимались американские ученые. В 1944 г. именно в США группе ученых-микробиологов О. Звери, К. Мак-Леоду и М. Мак-Карти удалось установить, что свободная молекула ДНК обладает трансформирующей активностью, т.е. способностью переносить свойства от одного организма к другому. Это было революционное открытие, родившее новую науку, изучавшую вопросы наследственности на молекулярном уровне. Центральное место в этой науке отводилось исследованию роли ДНК. ДНК, являясь "хранительницей" материальной основы генетической информации, контролирует биосинтез белка в клетках и отвечает за изменчивость клеток и передачу наследственной информации от одной клетки к другой.

4.8.2. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка

И все же рождение новой науки - молекулярной генетики связывают с опытами двух американцев Дж. Бидла и Э. Тэйтума. В 1941 г. они установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Появилась знаменитая фраза: "Один ген - один белок".

Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. В 1952 году Дж. Бидл, Э. Тэйтум и Дж. Ледерберг были удостоены Нобелевской премии за эти исследования. А в 1962 г. Нобелевская премия была присуждена Ф. Крику и Дж. Уотсону за установление молекулярного строения ДНК. Напомним, что согласно модели Уотсона - Крика генетическую информацию в ДНК несет последовательность расположения четырех оснований: А, Т, Г и Ц. Необходимо было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот? Решил эту, казалось бы, неразрешимую проблему русский по происхождению американский физик-теоретик Г. Гамов. Он предложил для кодирования одной аминокислоты использовать сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственного материала, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодон. В 1961 г. гипотеза Г. Гамова была подтверждена американскими экспериментальными исследователями Ф. Криком и др. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при создании белков.

А вот расшифровка механизма репликации ДНК, т. е. самоудвоения молекулы ДНК, произошла почти сразу после открытия модели строения ДНК. Уотсоном и Криком, предложенной этими учеными. Согласно их теории матричная ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек или нитей, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплементарной к ней. Термин комплементарность означает, что синтез новой цепи происходит таким образом, что последовательность нуклеиновых оснований в одной цепи однозначно определяет их последовательность в другой цепи.

4.8.3. Открытие молекулярно-генетических механизмов изменчивости

На молекулярно-генетическом уровне существует несколько механизмов изменчивости. Среди них - мутации генов - механизм непосредственного преобразования самих генов, находящихся в конкретной хромосоме при сильном внешнем воздействии. При этом механизме порядок расположения генов в хромосоме не изменяется. Мутации (изменения) генов являются основными "поставщиками" материала для прямого действия отбора.

К другому типу механизмов можно отнести рекомбинацию генов, т. е. создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сами гены не изменяются, а происходит перемещение генов с одного участка хромосомы на другой или же обмен генами между двумя хромосомами. Это так называемая классическая рекомбинация генов, которая имеет место главным образом у высших организмов при половом процессе. При этом не происходит уменьшения или увеличения общего объема генетической информации, он остается неизменным.

Однако существует еще один тип изменчивости генов - нереципрокная рекомбинация или неклассическая рекомбинация генов, при которой происходит увеличение общего объема генетической информации. Этот тип изменчивости возникает за счет включения в геном клетки новых, привнесенных извне генетических элементов, которые носят название трансмиссивные (англ. - переносимые) генетические элементы. Начало изучения этого механизма изменчивости было положено в 1952г., когда П. Ледерберг и Н.Циндер открыли явление трансдукции (лат. - перемещения) генов. Суть этого явления состоит в возможности переноса молекул ДНК не в "голом виде", как при трансформации, а в составе вирусов, бактерий.

В последнее время этот вид рекомбинации был тщательно изучен. Было обнаружено несколько типов трансмиссивных генов, различающихся структурой генома и способом связывания с хромосомой клетки-хозяина. Среди них - плазмиды - сложные генетические элементы в виде двухцепочной кольцевой ДНК, широко распространенные в клетках живых организмов, в том числе и высших. Это самые активные переносчики генетической информации. Именно им мы "обязаны" тем, что после длительного использования каких-либо лекарств, наступает "привыкание" к этим лекарствам. Патогенные бактерии, с которыми мы боремся медикаментозным путем, связываются с плазмидами, придающими этим бактериям устойчивость, и новое лекарство перестает действовать на бактерии.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возникла новая наука - генная инженерия, целью которой стало создание новых форм организмов, в том числе и высших, наделенных свойствами ранее у них отсутствующих. Теоретическую основу этой науки составляет создание рекомбинантных (гибридных) молекул с новыми (нужными) свойствами. Наука вторглась в самое святое - создание новых живых организмов и научилась управлять этим процессом.

4.8.4. Изучение молекулярных основ обмена веществ

Существует три основных типа обмена веществ (метаболизма): Катаболизм или диссимиляция - процесс расщепления сложных органических соединений, сопровождающийся выделением химической энергии при разрыве химических связей. Эта энергия запасается в фосфатных связях АТФ.

Амфоболизм - процесс образования в ходе катаболизма мелких молекул, которые затем принимают участие в строительстве более сложных молекул.

Анаболизм или ассимиляция - разветвленная система процессов биосинтеза сложных молекул с расходованием энергии АТФ.

Все три типа метаболизма к настоящему времени полностью расшифрованы. Не последнюю роль сыграла при этом фундаментальная для всего естествознания идея единства состава и механизмов функционирования живой природы независимо от уровня организации представляющих ее структур. Эта идея получила название концепции биохимического метаболизма, получившая свое распространение благодаря голландским микробиологам А.Клюйверу и Г Донкеру.

В настоящее время накоплен богатый фактический материал о том, каким образом осуществляется регулировка метаболизма в клетках. Изучается специфика биокатализа (ферментативного катализа) и разрабатываются теоретические механизмы действия различных ферментов. Открыты так называемые аллостерические ферменты, в которых имеется два центра связывания с молекулами: один - связывающий и распознающий исходный субстрат, т.е. вещество, вступающее в данную реакцию, а другой - распознающий конечный и промежуточный продукты реакции. Второй центр, связываясь с продуктом реакции, изменяет свою конформацию (пространственную структуру), что влияет на скорость биокатализа. Поэтому эти ферменты названы еще иначе: регулирующие ферменты или эффекторы.

Еще один способ регуляции биохимических процессов в живой клетке был обнаружен при исследовании механизмов передачи ионов через клеточную мембрану в 60-е годы. Оказалось, что часть химических веществ переносится через мембрану клетки в направлении противоположном естественному ходу. Т.е. получается так, что молекулы ряда веществ устремляются не в то место, где их немного, а, наоборот, - против их концентрационного потенциала. Клетка как бы "накапливает" такие молекулы. Такой вид "транспорта" называется активным и осуществляется за счет использования энергии расщепления фосфатных связей АТФ.

4.9.2. Деление всего живого мира на прокариоты и эукариоты

В 60-е годы микробиологи Р. Стэниэр и К. Ван-Нил предложили "поделить" весь живой мир по уровню клеточной организации на прокариоты и эукариоты. Проведя детальный анализ структур и функций множества бактерий, ученые обнаружили сходство между некоторыми из них, связанное со строением их клеток. Критериями для них являлись организация генетического аппарата, структура мембран и цитоплазмы, строение органов передвижения и строение клеточной стенки, и, наконец, степень организации самой клетки. Оказалось, что по всем этим критериям, прокариоты отличаются от эукариотов. После 1962 г. целый комплекс наук занимался изучением этой концепции, и было найдено множество подтверждений существования различий между ними, в том числе и на генетическом уровне. Вместе с тем в клетках обоего типа было и много общего, поэтому ученые выдвинули гипотезу, согласно которой прокариоты и эукариоты имеют одного эволюционного предка - архебактерии. Однако, при дальнейшем исследовании оказалось, что эти клетки, совмещавшие признаки как прокариотов, так и эукариотов настолько непохожи на них, что ученым пришлось выделить их в отдельную ветвь - архебактерии.

4.11.1. Учение В. И. Вернадского о биосфере

В 1919 г. В. И. Вернадский дал одно из самых первых своих определений живого вещества: "Под именем живого вещества я буду подразумевать всю совокупность организмов, растительных и животных, в том числе и человека". Впоследствии он уточнял это определение. Уточнения касались суждений о трансформации (преобразовании) различных форм энергии, их роли в функционировании "живого вещества" и роли "живого вещества" в истории химических элементов на Земле. По Вернадскому живое вещество - это то звено, которое соединяет историю химических элементов с эволюцией организмов и человека, а также с эволюцией всей биосферы.

Отмечая характерные отличия живой материи от неживой, В. И. Вернадский, следуя взглядам Л.Пастера, видел основное отличие живого в диссимметрии строения его молекул. Он подчеркивал, что "в соединениях, связанных с жизнью, преобладает или исключительно существует один антипод", т.е. один стереоизомер - левовращающий или правовращающий. Напомним, что главный биологический смысл молекулярной диссимметрии - обеспечение молекулярно-пространственного соответствия при взаимодействии молекул. Известно, что оптические свойства растворов (правое или левое вращение плоскости поляризации поглощаемого раствором света) зависят от пространственного расположения атомов в молекуле исследуемого вещества, причем знак дихроичного вращения прямым образом связан с направлением "закрученности" хромофора - участка молекулы, поглощающего свет.

Что касается происхождения такого фундаментального свойства живого вещества, то подобно Пастеру, Вернадский рассматривал его не как планетарное, а как космическое явление, "наведенное" на живую материю факторами космического порядка.

Космической же он считал и причину зарождения жизни на нашей планете. Он придерживался принципа Ф. Реди, сформулированного итальянским ученым еще в 1668 году: "Все живое происходит только из живого". Вернадский, будучи по образованию геологом и изучая результаты геохимической истории Земли, мог с уверенностью говорить о том, что в истории земли не было геологических эпох, лишенных жизни: " ...Жизнь всегда была и не имела начала".

Эти основополагающие тезисы он уточнял в дальнейшем. Так, в 1940 году Вернадский утверждал:

1. Нигде и ни в каких явлениях, происходящих или когда-либо имевших место в земной коре, не было найдено следов самозарождения жизни.

2. Жизнь, какой она нам представляется в своих проявлениях и в своем количестве, существует непрерывно со времени образования геологических отложений, со времени архейской эры.

3. Нет ни одного организма среди сотен тысяч различных изученных видов, генезис которого не отвечал бы принципу Реди.

Вернадский "вынес" зарождение жизни за пределы земной поверхности.

4.11.2. Многообразие живых организмов - основа организации и устойчивости биосферы

"Биосфера - это один огромный механизм". Автором этого тезиса был отечественный микробиолог С.Н. Виноградский. Смысл его работы "О роли микробов в общем кругообороте жизни" заключался в подтверждении гениальной идеи Пастера: "Все стадии работы смерти обусловлены явлениями жизни". С. Н. Виноградский продемонстрировал незыблемость этой идеи, проанализировав каким образом, происходит глобальный кругооборот разнообразных элементов благодаря деятельности микробов. Вывод из его работы был грандиозен: не будь микробов с их "благородной деятельностью", наша планета оказалась бы погребенной под "останками смерти", т.е. под неразложившимися останками жизни.

Взгляды Виноградского находились в полном соответствии с постулатами теории В. И. Вернадского. Приведем пять постулатов его теории, при помощи которых ученый представлял структуру и функции первичной биосферы.

Постулат первый: "С самого начала биосферы, жизнь в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни". Смысл сказанного ясен: первобытная биосфера изначально была представлена богатым функциональным разнообразием.

Постулат второй: "Организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте... Первое появление жизни должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы".

Постулат третий: "В общем монолите жизни, как бы ни менялись его составные части, их химические функции не могли быть затронуты морфологическим изменением". Смысл приведенных постулатов такой: первичная биосфера была представлена "совокупностями" организмов типа биоценозов, которые и были главной "действующей силой" геохимических преобразований. Морфологические изменения, т.е. изменения в их строении не влияли на их глобальную "химическую функцию".

Постулат четвертый: "Живые организмы своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом непрерывной сменой поколений порождают одно из грандиознейших планетных явлений миграцию химических элементов в биосфере", поэтому "на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас".

Постулат пятый: "Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами". Какие же именно геохимические функции выполняла биосфера, что имел в виду Вернадский? Он сам дал им следующие названия: газовая, кислородная окислительная, кальциевая, восстановительная, концентрационная, разрушение органических соединений, восстановительное разложение, метаболизм и дыхание. Как видим, функций этих было предостаточно: благодаря существованию этих функций у биосферы происходило становление оболочек нашей планеты - атмосферы, гидросферы, литосферы и геосферы. Современная наука о биосфере классифицирует эти функции по пяти категориям: Энергетическая, концентрационная, деструктивная, средообразующая, транспортная.

Длительное время концепция Вернадского о. биосфере замалчивалась, т.к. она не соответствовала господствующей догме А.И.Опарина, утверждавшей идею постепенного морфофункционального усложнения живой материи путем замены одних форм на другие - "более приспособленные".

Подлинное возрождение идей В.И.Вернадского о структуре и функциях как древней, так и современной биосферы произошло в середине 70-х годов, благодаря трудам отечественного биолога Г.А. Заварзина. Его главный вывод состоит в том, что основным фактором становления и функционирования биосферы были и остаются многосторонние трофические связи, установившиеся не менее чем 3,4 -3,5 млрд. лет тому назад и определявшие характер и масштабы круговорота элементов в оболочках Земли.

Из сказанного следует, что ключевую роль в понимании существования живой природы на биосферном уровне играет экологический фактор. Именно ему отводил В.И. Вернадский решающую роль, когда говорил об условиях функционирования и сохранения живого как "единого целого", как "монолита жизни". Особенно четко роль экологического фактора обозначилась тогда, когда биосфера обрела новую форму существования - форму ноосферы.

4.11.3. Понятие ноосферы. Неизбежность перехода биосферы в ноосферу

Все, о чем говорилось выше, касалось биосферы в ее естественном состоянии, когда она существовала и функционировала как подлинный "монолит жизни", самой жизнью создаваемый и управляемый.

Ситуация коренным образом изменилась, когда появился человек. Он выступил как мощная геологическая сила, положившая начало перестройке биосферы: началась эпоха ноосферы.

Термин ноосфера еще в 1927 г. был предложен французскими учеными и философами Э. Леруа и П.Тейяром де Шарденом. Однако, они вложили в этот термин особое содержание, истолковав его как некий надбиосферный "мыслительный пласт", как единый покров, окутывающий планету.

Другое истолкование этому термину дал В. И. Вернадский. Под термином ноосфера он понимал ту часть нашей планеты и околопланетного пространства, которая несет на себе печать разумной деятельности человека. Так же, как и биосфера, ноосфера становится геологической силой, влияющей на все сферы Земли.

Таким образом, В.И. Вернадский расширил учение о взаимном влиянии живых организмов и среды, т. е. представления о предмете экологии, включив в них проблемы воздействия ноосферы на биосферу.

4.11.4. Рациональное использование природных ресурсов и охрана биосферы

В наши дни существует достаточное количество примеров варварского отношения человека к природе. В погоне за сиюминутными выгодами, уничтожается та гармония в биосфере, которая создавалась на протяжении многих тысячелетий. Человек "победил" природу, занявшись ее уничтожением и забывая при этом, что и сам он является частичкой этой природы, а, значит, "победа" над природой означает на деле, самоуничтожение человечества. Научный прогресс, ведущий к повышению уровня жизни людей, сопровождается большими издержками в виде вредных для жизни химических отходов, повышенного электромагнитного и радиоактивного излучения, появления новых, доселе неизвестных болезней типа СПИДа, ухудшения общего здоровья населения планеты. Многие искусственные полимерные материалы и моющие средства вызывают аллергию, а радиоактивное излучение приводит к росту раковых опухолей и мутационным изменениям в генетическом аппарате половых клеток. Рождаются больные дети - заложники комфорта и удобства предыдущих поколений.

Помимо прямого воздействия на ноосферу и человека, технический прогресс разрушает основы всего живого на земле - биосферу и создает реальную угрозу окружающей среде в глобальных размерах: происходит загрязнение атмосферы, земли и воды - результатами непродуманной деятельности человека. Гибнут животные и растения, которые не смогли приспособиться к столь стремительным изменениям в геосфере, а это обозначает, что происходит нарушение тех самых трофических связей, которые существовали в природных популяциях до вмешательства в них человека. Многие виды животных и растений попросту вымирают, другие заносятся в "Красную книгу". Ослабление же внутренней структуры популяций приводит к ослаблению их компенсаторных функций - биосфера уже не справляется с той мощной "нагрузкой", которую "взвалило на ее хрупкие плечи" человечество. Происходит засорение планеты, - нашего дома. Да, поистине сбываются слова Ж. -Б. Ламарка, который еще в 1820 г. пророчески писал: "Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания".

Спасти человечество может только создание целого комплекса мер, которые пока никто не в состоянии применить, т.к. для их реализации необходимы миллиарды. Кроме того, необходимо создание новой комплексной науки, которая бы приблизилась по своим масштабам к учению о биосфере В.И. Вернадского. Такая наука должна включать в себя все, что известно о современном экологическом кризисе, его источниках, масштабах и параметрах, а также путях их устранения.