ЛЕКЦИЯ №6. ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ ИДЕИ РАЗВИТИЯ В БИОЛОГИИ

История идеи развития в биологии делится на 5 основных этапов:

1.Период от античной натурфилософии до первых биологических дисциплин.

Здесь наблюдается фундаментальный принцип науки о живом – принцип историзма.

2.Систематизация накопленного в ботанике и зоологии материала.

3.Опубликование Дарвином труда «Происхождение видов» в 1859 г.

Если XVIII в. с полным основанием можно назвать веком Ньютона, когда возник научный метод, которому сегодня мы обязаны всеми достижениями современной науки, то век XIX, надо согласиться в этом с Больцманом, следует назвать веком Дарвина. Создание эволюционной теории тоже было революцией. В биологию пришли идеи движения и развития. Это период революционного перелома в биологии, связанный с возникновением целых отраслей эволюционной биологии.

4. Переход к систематическому экспериментальному изучению отдельных факторов эволюции, формированию новых направлений в генетике и экологии. Этот период длился с начала XX в. до середины 30-х гг. XX в.

5. Период всеобъемлющего синтеза знаний о факторах, движущих силах и закономерностях в эволюции. Этот период берет свое начало в 40-х гг. и продолжается до настоящего времени.

КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИВОГО

Первая идея, которая была выдвинута, – это идея самопроизвольного зарождения жизни. Эмпедокл, например, считал, что все дышащее обязано своим существованием самозарождению отдельных органов – рук, ног, лап, голов, сердец, которые затем, случайно комбинируясь, складывались в тела и достигали в конце концов вполне удачных комбинаций.

Лет за сто до него Анаксимандр с поразительной для своего времени прозорливостью утверждал, что путь к высшим организмам природа начинала с более примитивных, и, пожалуй, впервые выдвинул идею эволюции природы. Но и он за исходную субстанцию брал сложный природный продукт – морской ил. По его мнению, живые существа зародились во влажном иле, который когда-то покрывал землю. Когда Земля стала высыхать, влага скапливалась в углублениях, в результате чего образовывались моря, а некоторые животные вышли на сушу. Среди них были разнообразные существа, в чреве которых развивались люди. Когда люди выросли, покрывавшая их чешуйчатая оболочка развалилась.

Эта идея самопроизвольного зарождения организмов, видимо, представлялась многим поколениям наших далеких предков очень убедительной, так как просуществовала, не меняясь, долгие века. Самопроизвольное зарождение лягушек, мышей, саламандр, ягнят и т.п. из различных материальных образований, в том числе гниющей земли, отбросов и иных объектов, рассматривалось многими выдающимися умами и мыслителями: Аристотелем, Коперником, Декартом, Галилеем, и именно благодаря этому идея имела столь широкое распространение и просуществовала так долго.

Гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса

Немецкий ученый Г. Рихтер (1865 г.) разработал гипотезу занесения живых существ на Землю из космоса. Зародыши могли попасть на Землю вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого, которая породила все многообразие земной жизни. Эта концепция называлась концепцией панспермии. Ее разделяли такие ученые, как Г. Гельмгольц, У. Томсон, что способствовало ее широкому распространению среди ученых. Но она не получила научного доказательства, так как примитивные организмы или зародыши должны были погибнуть под действием ультрафиолетовых и космических лучей.

Гипотеза Опарина

В 1924 г. вышла книга «Происхождение жизни» советского ученого А.И. Опарина, где он теоретически и экспериментально доказал, что органические вещества могут образовываться абиогенным путем при действии электрических зарядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, метана и др. Под влиянием различных факторов природы эволюция углеводородов привела к образованию аминокислот, нуклеотидов и их полимеров, которые по мере увеличения концентрации органических веществ в первичном бульоне гидросферы способствовали образованию коллоидных систем, которые, выделяясь из окружающей среды и имея неодинаковую внутреннюю структуру, по-разному реагировали на внешнюю среду. Превращению углеродистых соединений в химический период эволюции способствовала атмосфера с ее восстановительными свойствами, которая потом стала приобретать окислительные свойства, что свойственно атмосфере и в настоящее время.

Современные концепции происхождения жизни

Сегодня проблема происхождения жизни исследуется широким фронтом различных наук. В зависимости от того, какое наиболее фундаментальное свойство живого исследуется и преобладает в данном изучении (вещество, информация, энергия), все современные концепции происхождения жизни можно условно разделить:

1. Концепция субстратного происхождения жизни (ее придерживаются биохимики во главе с А. Опариным).

2. Концепция энергетического происхождения (И. Пригожин, А. Волькенштейн)

3. Концепция информационного происхождения (ее развивали А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов, Д.С. Чернавский и др.).

Из конкретных концепций, получивших сегодня признание, кроме гипотезы Опарина о путях эволюции обмена веществ можно выделить концепцию о передаче наследственной информации английского ученого Д. Холдейна (1892–1964), имевшего труды по генетике, биохимии, применению математических методов в биологии.

Все концепции ставят целью определить тот низший порог, с которого начинает действовать естественный отбор на биологическом уровне, а значит, начинают функционировать биологические законы. Однако ниже этой границы действуют другие законы – закономерности эволюционной химии, т.е. совсем иная форма естественного отбора.

Современные биологи доказывают, что универсальной формулы жизни (т.е. такой, которая исчерпывающе отображала бы ее сущность) нет и не может быть. Такое понимание предполагает исторический подход к биологическому познанию как постижению сущности жизни, в ходе чего менялись и сами концепции происхождения жизни и представления о тех формах, в которых такое познание возможно.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ВЕЧНОСТЬ ЖИЗНИ

Для того чтобы оценить и рассмотреть понятие «биологическая вечность жизни», необходимо сформулировать определение жизни: «Жизнь – это активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфической структуры». Активное воспроизведение – это такой процесс, когда система сама воспроизводит себя и поддерживает свою целостность, используя для этого элементы окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Пассивный процесс такого рода – отнюдь не признак жизни.

Поддержание и воспроизведение структуры живого организма, идущие с затратой энергии, отличает живые существа от других самовоспроизводящихся структур, например, кристаллов.

Из поколения в поколение организмы воспроизводят характерную для видов, к которым они принадлежат, упорядоченность, причем с абсолютной точностью. Чужая упорядоченность организму не нужна, и он изо всех сил борется с ней. Например, сохранить пересаженный орган удается только подавив защитные иммунные системы образования антител. Но тогда организм оказывается беззащитным перед любой инфекцией и может погибнуть от нее. Пересаженные органы отторгаются, если они были взяты не у однояйцового близнеца (т.е. генетической копии одного и того же организма).

Казалось бы, у низших организмов отвращение к чужому порядку меньше. Но даже животные, питаясь другими животными или растениями, начинают с разрушения чужой упорядоченности. Так, белки расщепляются до аминокислот, сложные углеводы – до моносахаридов, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов. Из этих элементарных «кирпичиков» жизни организмы создают и строят лишь им присущие белки. Каждый организм характерен неповторимой, присущей только ему комбинацией белковых молекул. А уже на этой базе возникает комплекс всех признаков организма – на уровне клеток, тканей, органов. У растений это выражено еще более резко. Вода, набор питательных солей, углекислый газ и свет – при этом комплексе одинаковых факторов из одного семени вырастает роза, а из другого – крапива, каждое растение с присущим ему набором свойств, со своей упорядоченностью.

Итак, организмы берут извне не упорядоченность, а энергию: растения – в виде квантов света, животные – в виде мало окисленных соединений, которые можно сжечь в процессе дыхания. За счет этой энергии они строят свою «доморощенную» упорядоченность, пренебрегая чужой. Вот почему в определении жизни должно быть «воспроизведение специфической структуры».

Жизнь использует свой ресурс, любую возможность для размножения. Это есть «давление жизни». Но даже если численность организмов какого-либо вида остается стабильной, потенциал его размножения – мощный резерв, поставляющий материал отбору.

Живое эволюционирует путем естественного отбора – в этом суть блестящего открытия, сделанного Ч. Дарвином и А.Р. Уоллесом в середине XIX столетия. Красота и элегантность современных форм жизни обязана своим происхождением естественному отбору, в результате которого выживали и размножались те организмы, которые случайно смогли приспособиться к своему окружению. Эволюция случайна и непредсказуема. Лишь благодаря гибели огромного количества недостаточно приспособленных организмов, мы со всем, что у нас есть, живем на Земле.

Иногда жизнь считают проявлением химической организации, забывая, что ее в организмах не более 10%. Основная же масса биотики – вода, которая выступает не только средой, но и обязательным участником всех биохимических процессов. Если бы вода не выделялась при взаимодействии аминокислот, то не было бы белка, не проходил бы обмен веществ. Без воды невозможна терморегуляция. Но самое главное: водная среда как уникальная по своим упругим свойствам структура позволяет всем определяющим жизнь молекулам реализовать свою пространственную организацию, благодаря левому вращению планеты.

Жизнь – это объемное проявление свойств специфически направленных молекул, самоорганизованных в самовоспроизводящиеся системы в водных средах. Сложные молекулы, обеспечившие появление живых систем, образовались в природе из более простых: метана, аммиака, синильной кислоты, окиси и двуокиси углерода, сероводорода, фосфорного ангидрида и др.

Формирование сложных молекул шло под влиянием жесткого ультрафиолетового излучения, возможно, по нескольким путям в присутствии катализаторов. В качестве последних могли служить металлы магматических выбросов.

Биологическая форма организации материи в своем каноне завоевывает все новые области Вселенной. Однако при этом ее связи с колыбелью – гидросферой – только укрепляются. Вода создала и саму жизнь и всякие условия, создавшие ее симметрию. Возникнув в одной из сфер, при переходе в другую жизнь должна капсулироваться для переноса среды, в которой она родилась. Ни о какой замене внутренних средств не может быть и речи. Они лишь наращиваются. Природа неизменно бережет свои достижения, особенно в информационном плане и при развитии не уничтожает их, а надстраивает уже имеющиеся, если информационная ветвь не имеет тупика. Свои удачи она всегда старается сохранить, проявляя в консерватизме осмотрительность и мудрость.

В растениях вода вместе с двуокисью углерода служит основным строительным материалом при создании крахмала, клетчатки и прочих углеводов.

Границы живого и неживого проходят через молекулы ДНК, в которых содержится программный механизм самовоспроизведения, самокопирования. Этот признак живого есть уже у вирусов, способных в определенных условиях передавать генетическую информацию.

Как животные, так и растительные системы стали объединяться в более сложные многоклеточные системы. Клетки обзавелись ядрами, причем содержимое внутри оболочек обладало всеми свойствами первозданного бульона, имело присущую ему концентрацию органических и неорганических веществ, а также температуру 35–40° С. Некоторые живые организмы со временем выплеснулись с океаном на сушу, но и там сохранили внутри клеток океаническую среду.