Современная биология

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Современная биология

1. Организация живой материи

Удивительная красота природы, ее богатейший растительный и животный мир, гармония живой и неживой природы - все это наводит на мысль: живая материя неотделима от неживой, в недрах которой рождается все живое, постоянно пополняя ее, и, кажется, жизненный круговорот в природе существует изначально и вечно. Но все же, если отвлечься от поверхностного и эмоционального восприятия красоты и гармонии природы, можно прийти и к несколько другому выводу - все-таки в начале образовалась неживая материя, породившая живую, которая проявляется в самых разнообразных формах. Как это произошло и когда - пока трудно даже предполагать.

В процессе формирования Земли вначале образовалась неживая материя, которая дала начало живой. Считается, что переход от неживой материи к живой произошел после возникновения двух основополагающих жизненных систем - системы обмена веществ и системы воспроизведения материальных основ жизни. В современных организмах обе системы достигли высочайшего уровня совершенства.

Кроме упомянутых жизненных систем можно назвать и другие признаки живых организмов, отличающие их от объектов неживой природы: рост и развитие, наследственность, изменчивость, саморегуляция.

Система обмена веществ поддерживает равновесное состояние живого организма (гомеостаз). Такая сложная задача решается путем избирательного усвоения нужных организму веществ из внешней среды и синтеза собственных биоорганических соединений (белков, липидов, углеводов). При этом организм постоянно выводит конечные продукты обмена веществ. Система обмена веществ обеспечивает взаимосогласованные биохимические реакции синтеза и расщепления белков. Можно только завидовать тому, как экономно и рационально осуществляет природа функцию обмена веществ во всех живых организмах - от одноклеточных простейших до высших организмов. Неслучайно многие ученые с давних времен стремятся создать лабораторию, подобную живому организму.

Система воспроизведения материальных основ жизнисодержит в закодированном виде полную информацию для развития и воспроизведения живого организма. Ключевая роль при этом принадлежит природному полимерному соединению - дезоксирибонуклеиновой кислоте(ДНК), выполняющей функции носителя генетической информации и рибонуклеиновой кислоте(РНК), которая служит для передачи информации от ДНК к местам синтеза белков.

Несмотря на существенные различия между живой и неживой материей, их объединяет то, что в состав клеток живых организмов входят те же химические элементы, которые встречаются и в неживой природе.

Так, 75-85% массы клетки составляет вода, 10-20% - белки, 1-5% - жиры, 0,2-2% - углеводы, 1-2% - нуклеиновые кислоты, 0,1-0,5% - низкомолекулярные органические соединения, 1-1,5% - неорганические вещества. И все эти органические и неорганические соединения состоят из 80 химических элементов Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Химических элементов, свойственных только живой материи, в природе не существует. Это и есть одно из доказательств общности живой и неживой материи.

В современном естествознании живая природа рассматривается с позиции уровней организационной сложности живой материи. Объектом изучения каждой из биологических наук является определенный уровень организации живого. Принято выделять следующие уровни организации живой природы:

Молекулярно-генетический.

Клеточный.

Организменный.

Популяционно-видовой.

Биогеоценотический.

Биосферный.

На молекулярно-генетическом уровне биология изучает молекулярную структуру и взаимодействие жизненно важных органических соединений. В первую очередь, к ним относятся носители генетической информации и белки.

Носители генетической информации. Хранение и передачу наследственной информации в живых организмах обеспечивают природные органические полимеры - нуклеиновые кислоты. Различают их две разновидности - ДНК и РНК. В состав ДНК входят азотистые основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц), дезоксирибоза С5Н10О4 и остаток фосфорной кислоты. В состав РНК вместо тимина входит урацил (У), а вместо дезоксирибозы - рибоза (С5Н1005). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые состоят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримидиновых (урацил, тимин и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезоксирибозы).

Молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных (не имеющих ядра) клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль.

Структурная модель ДНК в виде двойной спирали впервые предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком, удостоенными вместе с английским биофизиком М. Уилкинсоном, получившим рентгенограмму ДНК, Нобелевской премии в 1962 г.

Нуклеотиды соединяются в цепь посредством ковалентных связей. Образованные таким образом цепи нуклеотидов объединяются в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нуклеотид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый - с цитозиновым. При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним и наоборот. Подобную пару образуют гуанин и цитозин. Такие пары оснований, как и нуклеотиды, называются комплементарными, а сам принцип формирования двухцепочной молекулы ДНК - принципом комплементарности. Число нуклеотидных пар, например, в организме человека составляет 3 - 3,5 млрд. нуклеотидов. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клеток и индивидуальные признаки организмов. Определенное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код.

Ген (от греч. genos - род, происхождение) - единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (совокупность всех его генов) - генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организме - мутациям.

Генетический код обладает удивительными свойствами. Главное из них - триплетность: одна аминокислота, являющаяся структурной единицей молекулы белка кодируется тремя рядом расположенными нуклеотидами - триплетом, называемым кодоном. При этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Другое не менее важное свойство - код един для всего живого на Земле. Это свойство генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Для молекул ДНК характерно важное свойство удвоения - образования двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых идентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией и происходит в процессе деления клеток. Репликация включает в себя разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотидов. В начале репликации две старые цепи начинают раскручиваться и отделяться друг от друга. Затем по принципу комплементарности к двум старым цепям пристраиваются новые. Так образуются две идентичные двойные спирали. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передает ее по наследству от поколения к поколению.

Кодирование генетической информации и репликация молекул ДНК - два важнейших взаимосвязанных процесса, составляющих основу развития и воспроизведения живых организмов.

Генная технология. В конце XX в. родилась новая отрасль молекулярной биологии и генетики - генная инженерия, основная задача которой заключается в конструировании новых, не существующих в природе сочетаний генов. В последнее время эта отрасль называется генной технологией. Она открывает возможности выведения новых сортов культурных растений и высокопродуктивных пород животных, создания эффективных лекарственных препаратов и т.д.

Структура и функции белков. Наряду с носителями генетической информации в жизнедеятельности всех живых организмов значительную роль играют белки. «Жизнь - способ существования белковых тел» - отмечал Ф. Энгельс.

Белки - важнейшая составляющая живых клеток - представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот. Аминокислоты - органические соединения, в состав которых входят карбоксильные группы СООН, аминогруппа NH2 и углеводородный радикал. По своей структуре белки относятся к полимерам. Их молекулы имеют форму длинных цепей, состоящих из повторяющихся молекул - мономеров.

Химическая связь --СО--NH--, соединяющая в молекулах белков аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, называется пептидной связью.

Все активные организмы, будь то растения, животные, бактерии или вирусы, содержат белки, построенные из одних и тех же аминокислот. Поэтому в любой пище содержатся те же аминокислоты, которые входят в состав белков организмов, потребляющих пищу.

Белки - это природные органические соединения, состоящие из макромолекул, относительная молекулярная масса которых составляет от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Каждая аминокислота белка содержит специфическую для нее группу. Аминокислоты образуют своеобразный алфавит из 20 букв, которые объединяются в группы (слова), определяющие молекулярную структуру белка и его биологическую функцию.

В определении «белки - это полимеры, построенные из 20 разных аминокислот» содержится их неполная характеристика. В лабораторных условиях не составляет труда в растворе аминокислот получить пептидные связи и сформировать длинные молекулярные цепи. Однако в таких цепях расположение аминокислот хаотическое и образовавшиеся молекулы отличаются друг от друга. В то же время в каждом, из природных белков порядок расположения отдельных аминокислот всегда один и тот же. А это означает, что при синтезе белка в живой системе используется информация, в соответствии с которой формируется вполне определенная для каждого белка последовательность аминокислот, определяющая пространственную структуру белка.

Образование молекул белков в клетках из аминокислот называется биосинтезом. В процессе биосинтеза белков определяющую роль играет генетическая информация об их структуре. Биосинтез белков состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции. Транскрипция - это синтез молекул всех типов РНК на одной из цепей молекулы ДНК при помощи ферментов РНК-полимеразы. Трансляция - перевод информационной РНК в последовательность аминокислот. Сборка одной молекулы белка, состоящей из 200-300 аминокислот, происходит за 1-2 мин и требует сравнительно больших затрат энергии.

В последнее время в результате расшифровки генетического кода разработаны методы определения последовательностей аминокислот в белках. В лаборатории удалось синтезировать некоторые виды белков, идентичных природным аналогам, что весьма важно для развития современной биотехнологии.

Белки - основа кожи, шерсти, шелка и других натуральных материалов, важнейшие компоненты пищи человека и корма животных. Со второй половины XX века для получения пищевых и кормовых белков применяется микробиологический синтез.

Функции белков. Во всех живых организмах белки играют исключительно важную роль: они участвуют в построении клеток и тканей (пластические белки), являются биокатализаторами (ферменты), регулируют обмен веществ и энергии (гормоны), выполняют защитную роль (иммуноглобулины).

Таким образом, белки принимают участие во всех биологических процессах, составляющих основу жизнедеятельности живых организмов.

Клеточный уровень организации живой материи.Все живые существа (как животные, так и растения) состоят из клеток. Из клеток строятся ткани, из тканей - различные органы и их системы.

Клетка представляет собой элементарную живую систему, основу строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки могут существовать как самостоятельные организмы (простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов. Размеры клеток варьируются в пределах от 0,1 - 0,25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Тело взрослого человека состоит из 1015 клеток, а число различных видов клеток у человека - более 200.

Клетка способна питаться, расти и размножаться, вследствие чего ее можно считать живым организмом. Составляющие ее части лишены жизненных функций. Клетки, выделенные из различных тканей живых организмов и помещенные в специальную питательную среду, могут расти и размножаться, что широко используется в исследовательских и прикладных целях.

Термин «клетка» впервые предложил в 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук для описания ячеистой структуры наблюдаемого под микроскопом среза пробки. Утверждение, что все ткани животных и растений состоят из клеток, составляет сущность клеточной теории. В экспериментальном обосновании клеточной теории важную роль сыграли труды немецких ученых-ботаников Маттиаса Шлейдена (1804-1881) и Теодора Шванна (1810-1882).

Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во внешнем виде и функциях, все клетки состоят из трех основных частей - плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, содержащего носитель генетической информации. Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли - цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой - клеточной стенкой. Кроме того, они включают пластиды - цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску.

Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние. При делении дочерней клетке передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию материнской клетки, для чего вначале число хромосом в клетке удваивается и затем каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. Такой процесс деления клеток, обеспечивающий равное распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.

Не все клетки многоклеточного животного или растения одинаковы. Видоизменение клеток происходит постепенно в процессе развития организма. Каждый организм развивается из одной клетки - яйца, которое начинает делиться, и в конечном результате образуется множество отличающихся друг от друга клеток - мышечные, кровяные и др. Различия клеток определяются, прежде всего, набором белков, синтезируемых данной клеткой. Например, клетки желудка синтезируют пищеварительный фермент пепсин. Во всех клетках растений или животных имеется полная генетическая информация для построения всех белков данного вида организма, но в клетке каждого типа синтезируются лишь те белки, которые ей нужны.

В зависимости от наличия или отсутствия клеточного ядра все организмы делятся на две группы - прокариоты (клетки без ядра)и эукариоты(клетки с ядром).К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам - все остальные организмы - простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты бывают одноклеточными и многоклеточными. Прокариоты все одноклеточные. Отдельное место в классификации живых организмов занимают вирусы.

Организменный уровень организации живой материи Следующий, более сложный, комплексный уровень организации жизни на Земле - организменный. Он связан с жизнедеятельностью отдельных биологических особей, дискретных индивидов. Индивид, особь - неделимая и целостная единица жизни на Земле.

В многообразной земной органической жизни особи имеют различное морфологическое содержание: одноклеточные, состоящие из ядра, цитоплазмы, множества органелл и мембран, макромолекул и т.д. Здесь и многоклеточная особь, образованная из миллионов и миллиардов клеток. Сложность многоклеточных особей неизмеримо выше сложности одноклеточных. Но и одноклеточная, и многоклеточная особи обладают системной организацией и выступают как единое целое.

Причем важно то, что характеристика особи не может быть исчерпана рассмотрением физико-химических свойств макромолекул, входящих в его состав. Невозможно разделить особь на части без потери «индивидуальности». Это позволяет назвать организменный уровень особым уровнем организации жизни. Таким образом, на организменном уровне единицей жизни служит особь - с момента ее рождения до смерти.

Развитие особи, последовательность морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом от образования зародышевой клетки до смерти, составляет содержание процесса онтогенеза. Онтогенез -- это рост, перемещение отдельных структур, дифференциация и усложнение интеграции организма. По сути, онтогенез - это процесс реализации наследственной информации, закодированной в управляющих структурах зародышевой клетки, а также испытания, проверки согласованности и работы управляющих систем во времени и пространстве, приспособления особи к среде.

Причины развития организма в онтогенезе являются предметом обстоятельного и интенсивного изучения эмбриологами, биохимиками, генетиками. Многие отрасли биологии изучают процессы и явления, происходящие в особи, согласованное функционирование ее органов и систем, механизм их работы, взаимоотношения органов, поведение организмов, приспособительные изменения и т.п. Пока не создана общая теория онтогенеза, не ясны все причины и факторы, определяющие строгую организованность этого процесса. Имеющиеся результаты позволяют понять только отдельные процессы, обеспечивающие индивидуальное развитие организма. Прежде всего, это касается изучения дифференциации, т.е. образования разнообразных, специализированных для выполнения определенных функций частей организма. Онтогенез определяется деятельностью механизмов саморегуляции, согласованно реализующих наследственные свойства и работу управляющих систем в пределах особи.

Вместе с тем до сих пор не известно, почему в онтогенезе строго определенные процессы происходят в должное время ив должном месте. Одна из важнейших проблем современной биологии - выявление закономерностей регуляции внутриклеточных процессов, функций клетки и механизма включения генов в процессе клеточной дифференцировки, ведь в процессе развития каждой клетки в ней работают только те гены, функция которых необходима для развития данной ткани (органа).

Популяционно-видовой уровень организации живой материи Особи в природе не абсолютно изолированы друг от друга, а объединены более высоким рангом биологической организации. Это популяционно-видовой уровень. Он возникает там и тогда, где и когда происходит объединение особей в популяции, а популяций в виды. Популяции характеризуются появлением новых свойств и особенностей в живой природе, отличных от свойств молекулярно-генетического и онтогенетического уровней.

Хотя популяции состоят из множества особей, они целостны. Их целостность в отличие от целостности молекулярно-генетического и онтогенетического уровней обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссоздается через обмен генетическим материалом в процессе полового размножения. Виды -это системы популяций. Популяции и виды как надындивидуальные образования способны к существованию в течение длительного времени и к самостоятельному эволюционному развитию Популяции выступают как элементарные, далее неразложимые эволюционные единицы, представляющие собой генетически открытые системы, так как особи из разных популяций иногда скрещиваются и популяции обмениваются генетической информацией. На популяционно-видовом уровне особую роль играет свободное скрещивание между особями внутри популяции и вида. Виды являются генетически закрытыми системами, поскольку в природе скрещивание особей разных видов в подавляющем большинстве случаев не ведет к появлению плодовитого потомства.

Если популяция - основная элементарная структура на популяционно-видовом уровне, то элементарное явление на этом уровне - изменение генотипического состава популяции, а элементарный материал - мутации. В синтетической теории эволюции выделены элементарные факторы, действующие на этом уровне: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция и естественный отбор. Каждый из этих факторов может оказать определенное воздействие на популяцию и вызвать изменения в генотипическом составе популяции.

Популяции и виды, а также протекающий в популяциях процесс эволюции всегда существуют в определенной природной среде, конкретной системе, которая включает в себя биотические и абиотические факторы. Такая система получила название «биогеоценоз» - элементарная единица следующего (биогеоценотичес-кого) уровня организации жизни на Земле.

Биогеоценотический уровень организации живой материи. Популяции разных видов взаимодействуют между собой. В ходе взаимодействия они объединяются в сложные системы - биоценозы. Биоценоз - совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования и характеризующихся определенными взаимосвязями между собой. Совокупность растений, входящих в биоценоз, называют фитоценозом, а совокупность животных - зооценозом. Компоненты, образующие биоценоз, взаимозависимы. Изменения, касающиеся только одного вида, могут сказаться на всем биоценозе и даже вызвать его распад.

Высокоорганизованные организмы для своего существования нуждаются в более простых организмах. Поэтому каждый биоценоз неизменно содержит как простые, так и сложные компоненты. Биоценоз только из бактерий или деревьев никогда не сможет существовать, как нельзя представить биоценоз, населенный лишь позвоночными или млекопитающими. Таким образом, низшие организмы в биоценозе - это не какой-то случайный пережиток прошлых эпох, а необходимая составная часть биоценоза.

Биоценозы характеризуются биомассой, продукцией и структурой (пространственной, видовой, пищевой). В ходе развития биоценоза растет его биомасса, усложняется структура, увеличивается продукция. Только знание всех закономерностей биоценоза позволяет рационально использовать продукцию биоценозов без их необратимого разрушения.

Биоценозы входят в качестве составных частей в еще более сложные системы (сообщества) - биогеоценозы. Биогеоценоз (экосистема, экологическая система) - взаимообусловленный комплекс живых и абиотических компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергией. Абиотическими компонентами биогеоценозов являются атмосфера, солнечная энергия, почва, вода, химические компоненты, включенные в биотический круговорот. Биогеоценоз - одна из наиболее сложных природных систем, продукт совместного исторического развития в относительно однородной абиотической среде многих видов растений и животных, в ходе которого все компоненты приспосабливались друг к другу.

Биогеоценоз - это целостная система. Виды в биогеоценозе действуют друг на. друга не только по принципу прямой, но и обратной связи (в том числе посредством изменения ими абиотических условий). Выпадание одного или нескольких компонентов биогеоценоза может привести к разрушению его целостности, что часто ведет к необратимому нарушению равновесия и гибели биогеоценоза как системы. В целом жизнь биогеоценоза регулируется силами, действующими внутри самой системы, т.е. можно говорить о его саморегуляции. В то же время биогеоценоз представляет собой незамкнутую систему, имеющую каналы вещества и энергии, связывающие соседние биогеоценозы. Обмен веществом и энергией между ними может осуществляться в разных формах: газообразной, жидкой и твердой, а также в форме миграции животных.

Уравновешенная, взаимосвязанная и стойкая во времени система -- биогеоценоз является результатом длительной и глубокой адаптации составных компонентов. Устойчивость его пропорциональна многообразию его компонентов: чем многообразнее биогеоценоз, тем он, как правило, устойчивее во времени и пространстве. Например, биогеоценозы, представленные тропическими лесами, гораздо устойчивее биогеоценозов в зоне умеренного или арктического поясов, так как они состоят из гораздо большего множества видов растений и животных.

Первичной биотической основой для сложения биогеоценозов в данных абиотических условиях (почва, вода и др.) служат автотрофы -- зеленые растения и микроорганизмы, хемосинтетики, производящие органическое вещество. Автотрофные растения и микроорганизмы представляют жизненную среду для гетеротрофов - животных, грибов, большинства бактерий, вирусов. Поэтому границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами фитоценозов. Но и животные впоследствии начинают играть важную роль в жизни растений: они осуществляют опыление, распространение плодов, участвуют в круговороте веществ и т.д. Так складывается биогеоценотический комплекс, который может существовать веками.

Биосферный уровень. Вся совокупность связанных между собой круговоротом веществ и энергии биогеоценозов на поверхности нашей планеты образуют мощную систему биосферы Земли. Верхняя граница жизни в атмосфере достигает примерно 25-30 км, нижняя граница в земной коре сосредоточена в самом верхнем ее слое-до 10м. (Отдельные виды микроорганизмов встречаются в нефтеносных слоях на глубине до 3 км.) В гидросфере (океаны и моря) зона, богатая живыми организмами, занимает слой воды до 200 м, но некоторые организмы обнаружены и на максимальной глубине глубоководных океанских впадин - до 11 км. Таким образом, «пленка жизни» на Земле достаточно тонкая - всего около 40 км. Она ограничена интенсивным потоком губительных ультрафиолетовых лучей за пределами озонового слоя в тропосфере и высокой температурой земных недр (на глубине 3 км она может достигать 100 °С).

Благодаря деятельности растений биосфера стала аккумулятором солнечной энергии. Живые организмы представляют собой самую важную биохимическую силу, которая преобразует земную кору. Более 90% всего живого вещества приходится на наземную растительность, которая в свою очередь составляет 97% биомассы суши. А общая масса живого вещества в биосфере оценивается в 2-1018г(в пересчете на сухое вещество). Масса же биосферы в целом составляет 31024г.

Масштабы деятельности живых организмов поистине грандиозны. О них свидетельствуют тысячеметровые толщи известняка, огромные залежи каменного угля, мощные биогенные породы и т.п. Живые организмы способны усваивать из среды обитания различные химические элементы: железо (железобактерии), кальций (многие моллюски и т.д.), кремний (водоросли пр.), йод (губки), ванадий (асцидии) и др. Именно живое вещество определило состав атмосферы, осадочных пород, почвы, гидросферы.

Между неорганической и органической материей на Земле существует постоянный кругооборот вещества и энергии, в котором проявляется закон сохранения массы и энергии: каждое живое существо благодаря следующим цепям питания (особенно бактериям) после окончания жизненного цикла возвращает природе все, что взяло от нее в течение жизни. Именно кругооборот вещества и энергии обеспечивает продолжительность существования жизни, потому что иначе на Земле запасы необходимых элементов были бы очень быстро исчерпаны. Рассматривая биосферу Земли как единую экологическую систему, можно убедиться, что живое вещество Земли существенно не уменьшается и не увеличивается в массе, а только переходит из одного состояния в другое.

В современную эпоху преобразующая деятельность человека по своей мощности сравнилась с геологическими процессами. На Земле практически не осталось таких мест, где бы не сказывалось влияние практической деятельности человека. При этом использование природных ресурсов обычно происходит без учета закономерностей функционирования биосферы. Это влечет за собой загрязнение среды обитания, уничтожение лесов, эрозию почв, вымирание видов животных и растений и др. Под угрозой оказывается развитие биосферы - человечество вступает в период глобального экологического кризиса. Выход из него возможен только на пути изучения законов биосферы и строгого следования им в деятельности человека.

Раздел биологии, изучающий экологические системы (биоценозы, биогеоценозы) называется биогеоценология. Основателем ее был выдающийся отечественный ученый В.Н. Сукачев, учение о биосфере создал наш великий мыслитель В.И. Вернадский.

2. Концепция биосферы

В буквальном переводе термин «биосфера» обозначит сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831-1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности «пространство жизни», «картина природы», «живая оболочка Земли», его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов образовании земной коры, был Ж. Б. Ламарк (1744-1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже XIX--XX вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и всеони свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой - сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863-1945).

Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В. И. Вернадский определяет как совокупность живых организмов.

Кроме растений и животных, В.И. Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается прежде всего в создании многочисленных новых видов культурных растении и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

По мнению В.И. Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;

явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела.

Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И.Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты. Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно поэтому В.И. Вернадский считает, чтоживые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является комическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основномклимат на планете, а последний в свою очередь -жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814-1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах - геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;

в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется прежде всего «в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества вкосное вещество биосферы и обратно»;

только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашлиобъяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч. Дарвина (1859 г.);

живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к нейи, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

В.И. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет исвой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости cm изменения среды.

Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в упрощенной модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы "не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше"1. В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.

Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т. д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.

Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической деятельностью человечества.

Переход от биосферы к ноосфере.Превращение разума и труда человечества в геологическую силу планетного масштаба происходило в рамках биосферы, составной частью которой они являются. В.И. Вернадский в своих исследованиях неизменно подчеркивал, какое огромное воздействие человечество оказывает на расширение жизни путем создания новых культурных видов растений и животных. Опираясь на его идеи о биогеохимической основе биосферы, французский математик и философ Эдуар Леруа (1870-1954) ввел в 1927 г. понятие ноосферы, или сферы разума, для характеристики современной геологической стадии развития биосферы. Его позицию разделял также крупнейший Французский геолог и палеонтолог Пьер Тейяр де Шарден (1881-1955), впоследствии в своем труде «Феномен челочка» определивший ноосферу как одну из стадий эволюции мира. Признавая, что эта стадия, как и сам человек, является результатом тысячелетней истории развития органического мира, он считал движущей силой эволюции целеустремленное сознание - «ортогенез».

В отличие от него В.И. Вернадский рассматривает возникновение сознания как закономерный результат эволюции биосферы, но, однажды возникнув, оно затем начинает оказывать все возрастающее влияние на биосферу благодаря трудовой деятельности человека.

Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше.

Первоначальные представления о направленности эволюционного процесса в сторону возникновения мыслящих существ и признания геологической роли человечества высказывались многими учеными и до В.И. Вернадского. Так, уже в XVIII в. известный французский естествоиспытатель Ж. Бюффон высказал идею о царстве человека, которая в XIX в. была развита основателем современной геологии Жаном Луи Агассисом (1807-1873). Хотя эти идеи и опирались на признание все возрастающей роли человечества в изменении лика Земли, но не были связаны с принципом направленности эволюции живого вещества биосферы.

Этот принцип в качестве эмпирическогообобщения выдвинул американский ученый Джеймс Дана (1813-1895), который еще до появления труда Ч. Дарвина впервые четко заявил, что эволюция живого вещества идет в определенном направлении. Основываясь на своих исследованиях ракообразных и моллюсков, Д. Дана пришел к выводу, что на протяжении по крайней мере двух миллиардов лет происходили усовершенствование и рост центральной нервной системы животных, начиная от ракообразных и кончая человеком. Этот процесс он назвал цефализацией, при которой достигнутый уровень организации нервной системы никогда не снижается. Хотя при этом возможны и остановки, и скачки, но направление эволюции не идет вспять. Его последователь Де Конт, основываясь на принципе направленности эволюции, назвал эру, связанную с появлением на Земле и человека, психозойской. Ближе к нашему времени известный русский геолог А.П. Павлов (1854-1929), оценивая чрезвычайно возросшую роль человечества как мощного геологического фактора, в последние годы жизни настойчиво говорил об антропогенной эре в эволюции биосферы. Подобных высказываний можно было бы привести много, но за немногими исключениями они ограничиваются лишь констатацией разрозненных фактов, не рассматривают их в системе и не дают им теоретического объяснения.

Концепция Вернадского впервые привела все известные эмпирические факты, данные и результаты в единую целостную систему знания, которая убедительно объясняет, какие факторы способствовали переходу от биосферы к ноосфере. Она основывается на признании решающей роли человеческой деятельности, труда и мысли в эволюции биосферы, а через последнюю и в изменении происходящих на Земле геологических процессов и лика Земли в целом. Важно подчеркнуть, что В.И. Вернадский не ограничивается исследованием влияния трудовой, производственной деятельности на процессы, происходящие в биосфере и на земной поверхности. Хорошо сознавая, что труд представляет собой целесообразную деятельность, основанную на мысли и воле, он указывает, что ноосфера, или сфера разума, будет все больше и больше определять не только прогресс общества, но и эволюцию биосферы в целом, а через нее и процессы, совершающиеся на Земле. Недаром он рассматривает мысль как планетное явление.

Эволюционный процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу - научную мысль социального человечества. Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние - в ноосферу.

Каким же образом человеческая деятельность влияет на процессы в биосфере, как она способствует ее эволюции? Почему именно эта деятельность придает эволюции биосферы направленный характер?

Прежде всего, отметим, что биологическая эволюция присуща лишь живому веществу биосферы, т. е. различным видам растений и животных и, разумеется, человеку в той мере, в какой он развивался до возникновения цивилизации и превращения в Homosapiens(человека разумного). В дальнейшем биологическая эволюция человека переходит в эволюцию социальную.

Эволюция живого вещества биосферы приводит к возникновению новых видов растений и животных, которые, как и остальные виды, неразрывно и непрерывно связаны с окружающей их средой прежде всего питанием и дыханием как наиболее характерными процессами обмена веществ. Такой обмен приводит к миграции, движению атомов от живого вещества к неживому, в особенности к биогенному, в котором живые элементы объединены с неживыми. Нельзя также забывать, что во время эволюции молекулы и атомы живого вещества не остаются неизменными. А все это во многом меняет характер взаимодействия живого вещества биосферы не только с ее неживой частью, но и с остальными сферами оболочки Земли.

В период перехода от биосферы к ноосфере на сцену выступает такой мощный геохимический фактор, как постоянно увеличивающееся количество зеленого живого вещества в биосфере, получаемого посредством расширения посевных площадей и интенсификации земледелия. В результате искусственного отбора новых сортов растений и пород животных значительно ускоряются процессы эволюции, быстрее возникают новые виды. А это в свою очередь в еще большей мере способствует ускорению процессов обмена между живым и косным веществом в биосфере.

По-видимому, постепенный переход к ноосфере начался еще сотни тысяч лет назад, когда человек овладел огнем и стал изготовлять первые, весьма несовершенные еще орудия производства и охоты. Благодаря это он получил огромное преимущество перед животными, но с геологической точки зрения гораздо более важным был длительный процесс приручения диких стадных животных и создания новых сортов культурных растений. Как известно, именно этот процесс положил начало скотоводству и земледелию, которые исторически привели к первому наиболее значительному разделению общественного труда и систематическому обмену его продуктами между разными племенами. В.И. Вернадский указывает:

Человек этим путем стал менять окружающий его мир и создавать для себя новую, не бывшую никогда на планете живую природу. Огромное значение этого проявилось еще и в другом - в том, что он избавился от голода новым путем, лишь в слабой степени известным животным - сознательным, и, следовательно, нашел возможность неограниченного проявления своего размножения.

Что же касается борьбы с животными, то человек одержал в ней победу по существу с изобретением огнестрельного оружия и поэтому теперь он должен предпринимать особые меры, чтобы не допустить истребления всех диких животных. Еще большие усилия необходимы для сохранения самой биосферы в связи с многократно возросшими техногенными нагрузками на нее. В связи с этим возникает общая для всего человечества глобальная проблема сохранения окружающей среды и прежде всего живой природы.

3. Концепции происхождения жизни

Происхождение жизни - один из самых сложных, трудных и в то же время интересных вопросов современного естествознания. В лабораторных условиях до сих пор не удалось воспроизвести процессы возникновения жизни такими, какими они были миллиарды лет назад. Ведь даже тщательно поставленный опыт - лишь модель, приближенно учитывающая условия появления жизни на Земле. Тем не менее, постепенно расширяются представления о зарождении жизни.

Существует несколько концепций происхождения жизни:

Концепция самопроизвольного зарождения жизни на Земле.

Панспермия (от греч. «pan» - все, «sperma» - семя) - жизнь занесена на нашу планету из космоса.

Концепция стационарного состояния (жизнь всегда существовала на Земле).

Креационизм (жизнь была создана Богом в определенное время, и ее эволюция определяется Божественным всеобщим законом).

Концепция биохимической эволюции (жизнь на Земле возникла в результате сложных процессов, подчиняющихся универсальным физическим и химическим законам, господствующим в природе).

Концепция самопроизвольного зарождения жизни на Земле

Эта концепция оказала большое влияние на развитие биологических представлений о жизни. В основе ее лежит гипотеза, получившая название абиогенеза, в которой утверждается возможность возникновения жизни из неживого вещества. Противоположной абиогенезу является гипотеза биогенеза, категорически отрицающая возможность возникновения живого из неживого. Основной тезис этой гипотезы: живое только от живого. Гипотеза абиогенеза в форме учений была сформулирована в древнем Китае, Вавилоне, Египте и в Древней Греции. Однако именно с именем Аристотеля связывают обычно появление этой концепции. Согласно Аристотелю существует некое активное начало (энтелехия), которое присутствует в зародыше животных, семян растений, в солнечном свете и даже в безжизненных телах. Наличие этого активного начала мира объясняет возможность самозарождения жизни, по Аристотелю: «Таковы факты - живое может возникнуть в результате не только спаривания животных, но и разложения почвы. Так обстоит дело и у растений: некоторые развиваются из семян, а другие как бы зарождаются под действием сил природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений».

В эпоху Средневековья Фома Аквинский (1225-1274) был сторонником этого учения Аристотеля. Он считал, что самозарождение осуществляется ангелами, использующими для этого солнечные лучи, созданные Богом. Гипотеза самозарождения жизни интересовала исследователей эпохи Возрождения и Нового времени. Ряд из них пытался экспериментально доказать справедливость возможности возникновения живого из неживого. Среди подобных попыток особое место занимает опыт голландского ученого Ван Гельмонта (1577-1644). Он описал эксперимент, в котором за три недели якобы создал мышей. Собственную грязную рубашку он положил в темный, плотно закрывающийся шкаф с горстью пшеницы. Через три недели, открыв его, он обнаружил мышей. Следуя Аристотелю, он полагал, что пот его тела на рубашке был «активным началом» для самопроизвольного зарождения мышей. «Опыт» В. Гельмонта положил начало строгому осмыслению понятия эксперимента в науке. Многие сторонники Аристотеля часто приводили сомнительные описания происхождения, например, жаб из утиных трупов или из капель жидкости и т.п. Например, неаполитанский ученый-любитель Джанбатиста делло Горсто опубликовал в 1558 г. книгу под названием «Магия природы», в которой приводится описание местности, где из трупов уток образуются жабы.

В 1688 г итальянский врач, исследователь Ф. Реди (1626-1697) опубликовал книгу под названием «Опыты по самозарождению насекомых». Он привел строгое описание эксперимента по образованию червей в гниющем мясе трупов трех змей. Его вывод гласил: все черви, обнаруженные в мясе, произошли из отложений, сделанных мухами, а не из гниения мяса. Книга Ф. Реди многократно переиздавалась, расширяя круг сторонников биогенеза и критиков концепции самозарождения Аристотеля. Книга Ф.Реди указывала на существенные трудности гипотезы абиогенеза в ее классической форме, которую представляла концепция Аристотеля. Однако открытие голландским ученым-самоучкой Антони ван Левенгуком (1632-1723) микроорганизмов снова возродило интерес к гипотезе абиогенеза, выраженной в ее классической форме в концепции Аристотеля, но уже в XVIII в.

Английский священник Дж. Нидхем (1713-1781) приводил аргументы в пользу гипотезы абиогенеза: микроорганизмы возникают из небиологического материала или тел. Он утверждал, что если баранью подливку и подобные ей настои сначала нагреть, а затем герметически закрыть в сосуде с небольшим количеством воздуха, то нагревание должно убить все микроорганизмы в этом материале. Но в этом же материале снова рождались микроорганизмы, о чем свидетельствовали наблюдения после разгерметизации сосуда.

Итальянский аббат исследователь Ладзаро Спалланцани (1729-1799) провел в 1765 г. эксперимент. Подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их герметично закрыл, после чего снял с огня. Исследовав образовавшиеся жидкости, он не обнаружил в них микроорганизмов. Из этого опыта он сделал вывод, что высокая температура уничтожает все живое и что живое не может возникнуть из неживого.

На этот вывод Дж. Нидхем высказал возражение: чрезмерное нагревание внутри закрытого сосуда убивает очень важные для процесса самозарождения организмов элементы, без которых самозарождение вообще невозможно. Как оказалось в дальнейшем, в этом утверждении Дж. Нидхема содержится определенная доля истины: при сильном нагревании, в присутствии органического вещества, содержащийся в воздухе кислород исчезает, а он необходим для живых микроорганизмов. Спор между представителями абиогенеза и биогенеза разрешился к концу XIX в. в пользу гипотезы биогенеза.

В 1860 г. выдающийся французский микробиолог Луи Пастер (1822-1895) провел ряд точных экспериментов, в основе которых лежали методы Спалланцани. Он доказал, что, несмотря на вездесущность и способность бактерий всюду проникать, заражать живое, тем не менее живое зарождается только из живого. Опровержение гипотезы абиогенеза в ее классической форме, в виде концепции Аристотеля, поставило перед исследователями ряд вопросов: