Признаки живой материи и происхождение жизни

Выделяют следующие основные признаки живой материи: 1) способность к метаболизму; 2) сложность, высокий уровень структурной организации живой материи. Единицей биологической активности организма считается клетка: молекулы → мембраны, субклеточные органеллы → клетки → ткани → органы → организм; 3) изменчивость – способность к самостоятельному реагированию на воздействие окружающей среды изменением химического состояния и функционирования; 4) способность к точному воспроизведению за счет передачи наследственной информации.

Жизнь на планете существует в виде особой оболочки – биосферы. Известны три основных идеи происхождения жизни на Земле.

1. Идея панспермии, согласно которой жизнь, представляет собой явление космического масштаба (Г. Гельмгольц, С. Аррениус, В.И. Вернадский, У. Томпсон). Появление ее на Земле объясняется проникновением на планету зародышей, постоянно путешествующих в космическом пространстве.

2. Идея абиогенеза (Э. Геккель) связывает проблему происхождения жизни на Земле путем образования сложных органических макромолекул (белков, нуклеиновых кислот) из простых в отсутствие живых существ. В ХХ веке была доказана принципиальная возможность абиогенного синтеза достаточно сложной биоорганики (С. Миллер, С. Фокс), в эксперименте были созданы модели протобионтов (коацерваты А.И. Опарина и Д. Холдейна, микросферы С. Фокса).

3. Создание теории самоорганизующихся систем на основе неравновесной термодинамики И. Пригожина. Согласно этой теории представляется возможным образование упорядоченных (высоко информатизированных) макромолекул из неупорядоченной массы вещества-предшественника с использованием механизмов матричного синтеза и естественного отбора. Узловые моменты развития жизни.

1. Предполагается, что при возрасте планеты в 4,5-4,6 млрд. лет пригодные для жизни водоемы появились 4,0-3,8 млрд. лет тому назад. В этот период в абиогенных условиях функционируют отбирающиеся, самосохраняющиеся и изменяющиеся в сторону увеличения сложности организации системы гиперциклы (по М. Эйгену). Для них реальны автокатализ (самовоспроизведение), закономерные взаимопереходы высоко- и низкоэнергетических соединений (круговороты энергии и вещества), принципиальная перспектива повышать свою сложность на основе вновь создаваемой информации. На основании этих процессов могли сложиться основные атрибуты жизни – самовоспроизведение, самоорганизация, наследственность, случайная (мутационная) изменчивость, естественный отбор.

2. Появление прокариот 3,1 млрд. тому назад знаменует оформление жизни как проявление биосферы. В этот период возникают хемо- и фотоавтотрофы, гетеротрофы, детритофаги. Происходит стабилизация интенсивности мутационного процесса на уровне 10^-5-10^-7 мутаций на 1 локус ДНК за поколение. Названный уровень сохраняется и сегодня от кишечной палочки до человека. Благодаря чрезвычайной точности при репликации генома человека, включающего 3∙10⁹ нуклеотидных пар, возможно примерно 3 информационных искажения (мутации) на реплицирующий геном. В это же время формируются: 1) системы репаративного синтеза ДНК; 2) системы формирования нативной структуры белков и выбраковки молекул с неправильной трехмерной структурой с помощью белков теплового шока (шаперонов) и протеолиза убиквитин-меченых аномальных белков.

3. В интервале 1,9-1,7 млрд. лет тому назад концентрация кислорода в атмосфере Земли превысила 1% (точка Пастера), что позволило развивать механизмы аэробного гликолиза и тем самым поднять биоэнергетику живых организмов на качественно новый уровень. В это время развивались специализированные органеллы – митохондрии, которые стали не только «энергетическим сердцем» клетки, но и инициатором ее запрограммированной гибели методом апоптоза.

4. Период в интервале 2,0-1,5 млрд. лет тому назад – время становления эукариотических организмов. Произошло количественное и качественное увеличение возможности накопления информации в ДНК ядер клеток: если геном прокариот содержит в среднем 10⁵-10⁶ пар нуклеотидов, то у одноклеточных эукариот дрожжей - 10⁷ пар нуклеотидов, а у млекопитающих и птиц - 10⁸-10⁹ пар нуклеотидов.

5. В интервале 600-540 млн. лет тому назад появляются многоклеточные организмы. Развиваются механизмы, контролирующие частичное использование информации ДНК: 1) ДНК в ядрах клеток упаковывается в виде хромосом; 2) возникают диплоидные формы жизни; 3) в различных клетках одного и того же организма при наличии в них одной и той же ДНК за счет функционирования разных участков ДНК (2-10% от всей ДНК) обеспечивается специализация функций. Это период оптимизации соотношений биоэнергетики организмов и их размеров, формирования межклеточных и межтканевых способов нервной и гуморальной регуляции.

6. В периоде 495-445 млн. лет тому назад эволюционно формируются группы позвоночных, для которых на первое место выходят проблемы видоспецифичности, что и привело к появлению системы иммунитета для контроля клеточного и белкового состава организмов.

7. При появлении сухопутных животных (354-290 млн. лет тому назад) и млекопитающих (250-200 млн. лет тому назад) произошла стабилизация величины удельного потребления энергии – 800000 кДж/г живой массы/жизнь. По названному параметру среди млекопитающих человек является исключением – для него эта норма в 4 раза выше.

Согласно В.Н. Ярыгину (2002) в основе эволюции лежит приспособительное свойство живых форм. Адаптация – это структурная, функциональная или поведенческая особенность живой системы, повышающая ее шансы на успех в соответствующем местообитании. Выделяют четыре типа адаптаций, различающихся по уровню реализации и обеспечиваемому результату. Поведенческие адаптации реализуются на уровне целостного организма и обусловливают выживание в определенной среде и использование ее ресурсов; анатомические реализуются на уровне структур и обеспечивают заданный образ жизни; физиологические адаптации реализуются на уровне жизненных функций, приводя к соответствию организма условиям среды обитания; биохимические адаптации реализуются на уровне метаболических функций, гарантируя реальность аналогичных функциональных отправлений в различающихся условиях среды жизни. Отсюда здоровье, мерой которого является жизнеспособность, является интегральным показателем приспособительного потенциала (генеральная адаптация) живого существа.

1.3. Основные разделы и направления в биохимии:

1. Статическая биохимия – изучает химическую природу организма (биоорганическая химия).

2. Динамическая биохимия – изучает превращения химических веществ в организме (метаболизм).

3. Функциональная биохимия – изучает роль превращений химических веществ в организме в проявлении функций клеток, тканей, органов, организма.

Выделяют определенные разделы биохимии по направлениям исследований: техническая биохимия (молекулярные основы хлебопечения, сыроварения, виноделия и пр.); медицинская биохимия (биохимические процессы в организме человека в норме и при патологии), эволюционная биохимия (эволюция обмена веществ в рамках эволюции живых организмов); квантовая биохимия (изучает квантово-физические характеристики метаболитов и их превращений в живом организме); энзимология (изучает структуру, свойства и механизм действия ферментов) и др.

Нарушение здоровья и развитие заболеваний через нарушение метаболизма может быть вызвано следующими факторами: 1) физическими агентами (механическая травма, экстремальная температура, изменение давления, радиация, электрический шок); 2) химическими агентами и лекарствами (токсины, лекарства); 3) биологическими агентами (вирусы, риккетсии, бактерии, грибы, паразиты); 4) гипоксией (кровопотеря, нарушение транспорта кислорода кровью, отравление дыхательными ядами); 5) генетическими факторами; 6) иммунологическими реакциями (анафилаксия, аутоиммунные заболевания); 7) дисбалансом питания (недостаточное и избыточное питание); 8) эндокринным дисбалансом (дефицит и избыток гормонов).