Концепции современного естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТИХООКЕАНСКИЙ ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЙ

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. БИОЛОГИЯ

А.П. Анисимов

ВЛАДИВОСТОК 2000 г

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ТЕМА 1. КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМНОЙ МНОГОУРОВНЕВОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ

1.1 Системная организация

1.2 Уровни организации живой материи

1.3 Молекулярно-генетический уровень

1.4 Онтогенетический уровень

1.5 Популяционно-видовой уровень

1.6 Биогеоценотический уровень

ТЕМА 2. КОНЦЕПЦИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ СУЩНОСТИ ЖИЗНИ

2.1 Механицизм и витализм в истории биологии

2.2 Живая материя и ее основная форма движения. Обмен веществ и энергии в живой системе

2.3 Трансформация и использование энергии

2.4 Белки - структурно-функциональная основа жизни

2.5 Опора и движение

2.6 Транспорт веществ

2.7 Ферментативный катализ (биокатализ)

2.8 Защитные реакции. Иммунитет

2.9 Сигнализация. Гормональная и нервная регуляция

ТЕМА 3. КОНЦЕПЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЖИЗНИ

3.1 Самовоспроизведение - важнейшее свойство жизни. Общая схема онтогенеза

3.2 Преформизм и эпигенез в истории эмбриологии

3.3 Генотип и фенотип организма. Центральная догма молекулярной биологии

3.4 Репликация ДНК и размножение клеток

3.5 Формы размножения организмов. Клонирование

3.6 Развитие организма

ТЕМА 4. КОНЦЕПЦИЯ САМОРЕГУЛЯЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

4.1 Саморегуляция и гомеостаз

4.2 Внутриклеточная саморегуляция

4.3 Саморегуляция многоклеточного организма

4.4 Саморегуляция в экосистемах

ТЕМА 5. КОНЦЕПЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ. ФИЛОГЕНЕЗ

5.1 Проблема самоорганизации и наука синергетика

5.2 Возникновение жизни на земле

5.3 Этапы развития жизни на земле и современное биоразнообразие

5.4 Факторы биологической эволюции

5.5 Происхождение и эволюция человека

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ БИОЛОГИИ

Биология - совокупность наук о жизни, о живой природе (греч. bios - жизнь, logos - учение). Современная биология - очень разнообразная и развитая область естествознания. Различают ряд частных биологических наук по объектам исследования, такие как зоология (о животных), ботаника (о растениях), микробиология (о бактериях), вирусология (о вирусах), и другие, еще более мелкие подразделения (орнитология - о птицах, ихтиология - о рыбах, альгология - о водорослях и т.д.). Другое подразделение биологических наук - по уровням организации и свойствам живой материи: молекулярная биология и биохимия (химические основы жизни), генетика (наследственность), цитология (клеточный уровень), эмбриология, биология развития (индивидуальное развитие организмов), анатомия и физиология (строение и принципы функционирования организмов), экология (взаимоотношения организмов с окружающей средой), теория эволюции (историческое развитие живой природы).

Живой мир очень многообразен. Существует около 2 млн видов животных, около 500 тыс. видов растений, сотни тысяч грибов, тысячи видов и еще больше штаммов (разновидностей) бактерий. Многие виды еще не описаны. Структурная сложность, типы питания, жизненные циклы, исторический возраст этих групп организмов очень сильно различаются (сравните хотя бы организацию и образ жизни человека и его домашних спутников - таракана, комнатного растения, микробов и вирусов). Но все организмы должны иметь нечто общее, что отличало бы их от неживой природы. Это - обмен веществ и энергии, способность к размножению и развитию, изменчивость и адаптивная эволюция. Выявлением и характеристикой этих общих свойств живых организмов и их системных комплексов с неживой природой занимается так называемая общая биология. По сути перед общей биологией стоит задача познать сущность жизни, ответить на вопрос - что есть жизнь. Именно эта общая концептуальная часть биологии предлагается в современной модели гуманитарного образования. Для чего это нужно?

ЗНАЧЕНИЕ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ

Теоретическое и гуманитарное значение общей биологии состоит прежде всего в формировании материалистического мировоззрения. Основной вопрос философии - о соотношении материи (бытия) и сознания - по сути вопрос биологический. От выбора позиции (что первично - материя или сознание) складывается либо материалистическое, либо идеалистическое понимание природы и общества, формируются принципиально разные подходы в пользовании объектами природы, в оценке социальных явлений, в выработке политических стратегий. К сожалению, многие политики и даже философы с необыкновенной легкостью отдают свои предпочтения различным (часто просто модным) идеалистическим построениям, порой даже не задаваясь вопросом о том, что такое материя. Развитие реальной демократии и свободы совести в нашей стране породили волну совершенно неосмысленного обращения людей к мистике, астрологии и прочим маргинальным проявлениям культуры. В то время как огромный массив накопленных реальных научных знаний остается для большинства населения неизвестным и невостребованным. Задачи средней школы в этом плане выполняются с низкой эффективностью. Поэтому общее естественнонаучное просвещение студентов гуманитарных специальностей стало актуальной задачей современного образования именно в плане становления научного мировоззрения.

Другая гуманитарная задача биологии состоит в формировании у современного человека экологического мышления, суть которого заключается в осознании себя частью природы и понимании необходимости охранять и рационально использовать природные ресурсы. Актуальность задачи несомненна, если учесть, что по некоторым прогнозам нынешние темпы и технологии промышленного освоения Земли уже через 50-100 лет приведут к необратимым изменениям среды обитания человечества. Это означало бы постепенное вымирание человека и большинства других объектов живой природы как биологических видов (что случилось, например, с динозаврами) и, в лучшем случае, замещение современных экологических сообществ новыми, более приспособленными к измененной среде обитания. Таким образом, понимание основ биологии и экологии необходимо каждому человеку и в особенности его технократической, гуманитарной и политической элите с целью сохранения и устойчивого развития биосферы Земли.

Практическое значение биологии состоит в том, что она является научной основой всех технологий производства продовольствия. Возможности экстенсивного воспроизводства продуктов питания на Земле практически исчерпаны. Целинные земли России и Казахстана, освоенные в 50-е и 60-е годы нашего столетия, явились чуть ли не последними резервами пахотных земель. Огромные площади ежегодно выводятся из сельскохозяйственного использования в результате их засоления, опустынивания, превращения в дно искусственных водоемов при строительстве гидроэлектростанций. По этим причинам современное сельское хозяйство обречено развиваться на основе интенсивных технологий. Простое возделывание овощей или пшеницы, выращивание скота, птицы и т.п. требует знания условий и динамики их размножения и роста, особенностей минерального и органического питания, совместимости с другими культурами, отношения к сорнякам, паразитам, бактериям и вирусам, которыми буквально кишит наша общая среда обитания. Особое значение в 20 веке приобрели методы генетических модификаций и селекции объектов сельскохозяйственного производства. Выведение новых пород животных и сортов растений, приспособленных к конкретным местным условиям - давняя практика. Но современная селекция не может базироваться на основе проб и ошибок, она использует точные, математизированные законы генетики. В процветающих фермерских хозяйствах США и других развитых стран селекционно-генетическая работа столь же обычна и обязательна, как и ежедневная уборка коровника или прополка грядок. Генетик здесь одна из самых востребованных профессий. В последние годы быстрыми темпами развиваются и новые биотехнологии, основанные на генной и клеточной инженерии, клонировании, получении трансгенных (с пересаженными генами), или генетически модифицированных (GM), организмов. Освоенные вначале на бактериях, эти методы уже используются для получения химерных животных и растений с заранее спланированными свойствами. И хотя GM-технологии в растениеводстве и животноводстве встречают у потребителей настороженный прием, по сути речь идет о биотехнологической революции, о формировании новой культуры и практики природопользования. И все эти вопросы находятся в поле исследования современной биологии.

Совершенно особое гуманитарно-практическое значение имеет биология как теоретическая основа медицины. Причины и механизмы большинства патологий (болезней) кроются в нарушениях работы генов и их продуктов - клеточных белков. Понять эти причины и механизмы - значит наполовину решить и проблему их устранения или лечения больного человека. Взаимодействие клеток с вирусами, сожительство с бактериями, формирование иммунитета к новым и новым антигенам, возникновение неконтролируемого ракового роста клеток, молекулярная природа памяти, развитие наркозависимости, причины старения ... - это огромный и нескончаемый перечень проблем, решаемых сегодня медико-биологической наукой.

Отдельной главой стоит производство современных лекарств, в котором химики-фармацевты все более уступают место молекулярно-клеточным биологам. Геннно-клеточные инженерные технологии способны дать экологически и генетически чистые лекарства, а пересаженные гены могут вообще устранить хроническую болезнь, например, сахарный диабет.

В последние годы впрямую встала и проблема искусственного производства человека. Искусственное оплодотворение (при необходимости преодолеть мужское бесплодие) - давно и успешно решаемая задача. Но появилась принципиально новая технология зачатия и размножения путем клонирования потомства вообще без мужских половых клеток. Пока это сделано на животных (в Японии с 1990 г. выводят клонированных коров, в Великобритании получена знаменитая овечка по кличке Долли), но и в отношении человека методических препятствий для клонирования уже нет. Зато возникает масса чисто гуманитарных, этических и даже юридических проблем, решать которые можно имея хотя бы общее понимание биологического существа дела.

МЕТОДЫ БИОЛОГИИ

Говоря о методах науки в широком смысле, имеют в виду не конкретные технологические приемы (методики), а методологические принципы, подходы к изучению объектов, явлений, их связей. В общем методы биологии те же, что и в других естественных науках.

Процесс научного познания принято разделять на две стадии: эмпирическую и теоретическую. Это разделение не абсолютно, так как эмпирическая стадия всегда развивается на основе предсуществующих теорий или гипотез, а на теоретической стадии обычно возникает необходимость в эмпирической проверке выдвигаемых новых гипотез.

На эмпирической стадии используются следующие методы.

Наблюдение - изучение объектов живой природы в естественных условиях существования. Это - непосредственное наблюдение (в буквальном смысле) за поведением, расселением, размножением животных и растений в природе, визуальное или инструментальное определение характеристик организмов, их органов, клеток, химический анализ состава и обмена веществ. Для этих целей в современной биологии применяют как традиционные средства полевых исследований - от бинокля до глубоководных аппаратов с видеокамерами ночного видения, так и сложное лабораторное оборудование - микроскопы, в том числе спектральные и электронные, биохимические анализаторы, радиоактивные метки, ультрацентрифуги, разнообразную измерительную аппаратуру.

Экспериментальный метод (опыт) предполагает исследования живых объектов в условиях экстремального действия факторов среды - измененной температуры, освещенности или влажности, повышенной нагрузки, токсичности или радиоактивности, измененного режима или места развития (удаление или пересадка генов, клеток, органов, интродукция животных и растений, космические полеты и т.п.). Экспериментальный метод позволяет выявить скрытые свойства, потенции, пределы адаптивных (приспособительных) возможностей живых систем, степень их гибкости, надежности, изменчивости.

Сравнительный (исторический) метод выявляет эволюционные преобразования биологических видов и их сообществ. Сопоставляют анатомическое строение, химический состав, структуру генов и другие признаки у организмов разного уровня сложности. При этом исследуются не только ныне живущие организмы, но и давно вымершие, сохранившиеся в виде окаменелых останков в палеонтологической летописи.

Любой из названных подходов требует количественного учета и математического описания структур и явлений. Биология все более становится точной наукой, хотя выявляемые в ней закономерности носят обычно вероятностный характер и описываются методами вариационной статистики. Это означает, что то или иное событие не строго детерминировано (предопределено), а ожидается с той или иной степенью вероятности. На основе выявляемых статистических закономерностей можно осуществлять математическое моделирование биологических процессов и прогноз их развития. Например, можно построить модель состояния жизни в водоеме через энное время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников и др.). Такие приемы стали возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов кибернетики - науки об управлении.

Системный метод , как и кибернетический подход, относится к категории новых междисциплинарных методов исследования. Живые объекты рассматриваются как системы, то есть совокупности элементов с определенными отношениями. С учетом иерархичности живых систем каждый объект может рассматриваться одновременно как система и как элемент системы более высокого порядка. Поэтому принципы системной организации справедливы для всех уровней - от макромолекул до биосферы Земли.

Широкое развитие системного движения в современной науке, в том числе и в биологии, означает постепенный переход от анализа к синтезу. Анализ - это дискретный подход, углубление в структуру и функции отдельных элементов системы -внутри клетки, внутри организма, внутри экологического сообщества. Синтез означает интегративный подход, изучение целостных характеристик системы - клетки, организма, биоценоза. Исследование всегда совершается сначала от общего к частному - анализ, а потом от частного к общему, но на новом уровне познания этого общего -синтез. С аналитическим подходом в биологии связаны открытия химической и микроструктурной организации живых объектов, выяснение видового разнообразия среди животных, растений, микроорганизмов, выявление генетической неоднородности организмов внутри популяций и другие внутренние характеристики систем. Постепенно объем накопленных аналитических данных становился достаточным для перехода к их синтезу. Так возникли синтетическая теория эволюции, нейро-гуморальная физиология, современная иммунология, молекулярно-клеточная биология, новая мегасистематика организмов, основанная на их комплексной характеристике - от экологии и анатомии до молекулярной генетики. Решается актуальная задача современного естествознания - создание целостной биологической картины мира.

Повышение интереса к синтезу в науке свидетельствует о переходе от эмпирической к теоретической стадии познания. От получения фактов, через их обобщение начинается выдвижение новых гипотез, далее обычно следует их повторная эмпирическая проверка (новые наблюдения, эксперименты, сравнения, моделирования). Эмпирическая проверка ведет либо к опровержению гипотезы, либо к ее подтверждению с той или иной степенью вероятности. Высоко достоверные гипотезы становятся законами, из них слагаются теории. Но и эти законы, теории носят относительный характер, так как рано или поздно могут быть пересмотрены.

Материал нашего пособия как раз и содержит такие общие теоретические, концептуальные положения современной биологии, хотя в определенной мере мы будем приводить и их эмпирические обоснования. Для начала сформулируем эти положение в общем виде, чтобы яснее были видны конечные цели и пути нашего экскурса в общую биологию.

ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ

Та или иная естественнонаучная концепция представляет некую взаимосвязанную группу понятий, гипотез, теорий, объясняющих какое-нибудь фундаментальное явление или свойство природы. Основные биологические концепции объясняют феномен и свойства жизни. К настоящему времени еще не сложилась какая-либо определенная система биологических концепций. Разные авторы формулируют и комбинируют их по-разному, хотя суть от этого обычно не страдает.

Мы предлагаем свой вариант из пяти концептуальных обобщений современной биологии.

Концепция системной многоуровневой организации жизни: все живые объекты являются системами разного уровня сложности. Биологические системы образуют непрерывную иерархию уровней структурно-функциональной организации.

Концепция материальной сущности жизни: жизнь материальна, ее физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. В философском смысле это означает первичность материи и вторичность сознания (материализм).

Концепция биологической информации и самовоспроизведения жизни: живые организмы воспроизводятся на основе собственной (генетической) информации при взаимодействии с внешней (эпигенетической) информацией. Результатом этого взаимодействия является индивидуальное развитие организмов (онтогенез).

Концепция саморегуляции живых систем: живые системы поддерживают относительное постоянство своих внутренних связей и условий функционирования (гомеостаз) на основе сочетания прямых положительных и обратных отрицательных связей.

Концепция самоорганизации и биологической эволюции: живой мир возник в результате самоорганизации из неживых химических систем и претерпевает необратимое историческое развитие (филогенез) на основе наследственной изменчивости и естественного отбора популяций организмов, наиболее приспособленных к меняющимся условиям среды.

Предложенная схема не является перечнем биологических дисциплин и в этом смысле не соответствует традиционному построению учебников по обшей биологии (наиболее типичный план включает последовательно главы по биохимии и молекулярной биологии, цитологии, биологии индивидуального развития, генетике, теории эволюции, экологии). Формулируя концепции, мы использовали синтетический подход, хотя некоторые из них базируются преимущественно на одной-двух ключевых дисциплинах. Учащимся предлагается самим, используя общедоступную учебную литературу и комбинируя информацию из разных глав, найти дополнительный материал по предложенным концепциям современной биологии.

ТЕМА 1. КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМНОЙ МНОГОУРОВНЕВОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ

Сегмент 5. Системная организация. Сегмент 6. Уровни организации живой материи. Сегмент 7. Молекулярно-генетический уровень. Сегмент 8. Онтогенетический уровень. Сегмент 9. Популяционно-видовой уровень. Сегмент 10. Биогеоценотический уровень. Заключение по теме 1.

1.1 Системная организация

В первой половине 20 века была создана общая теория систем. Основным ее автором является австрийский биолог и философ Людвиг фон Берталанфи (1901-1972; основные труды - 1931-1968).

Согласно общей теории систем все объекты природы и общества являются системами. Системы бывают космические, физические, технические, биологические, социальные, экономические и др. Все многообразие природных объектов принято делить на микромир - атомы и их элементарные частицы, макромир - от молекул до материков и океанов и мегамир - космические объекты и их системные объединения. Живые системы относятся к макромиру. Что же такое система?

Система - это совокупность элементов, связанных определенными отношениями и взаимодействующих по определенным законам композиции. Вся совокупность структурных и функциональных отношений и взаимодействий составляет организацию системы. Организация системы как правило иерархична, то есть имеет несколько соподчиненных уровней. Живые объекты - типичные системы, имеющие структурную и функциональную упорядоченность, то есть определенную организацию и иерархию.

В категориях философии понятия «элемент» и «система» соотносятся как часть и целое. Общефилософский закон определяет, что целое больше суммы его частей. Это означает, что совокупность и взаимодействие частей (элементов) создает у целого(системы) некоторые новые качества, отсутствующие у исходных частей (элементов). Такие новые качества, свойства определяются как эмерджентные свойства системы (в буквальном смысле - вновь появляющиеся, непредвиденные свойства). В случае с биологическими системами эти новые качества представляют собой разные проявления жизни. И как мы увидим далее, сама жизнь - это эмерджентное, качественно новое свойство, появляющееся на определенном уровне системной организации.

Теоретически системы могут быть открытыми или закрытыми - в зависимости от того, открыты или закрыты они для обмена с внешней средой веществом, энергией и информацией. Современное естествознание не находит абсолютно закрытых систем, хотя степень открытости безусловно варьирует. Таким образом, системный подход предполагает единство открытой системы с окружающей средой через посредство полупроницаемой пограничной поверхности (рис.1). Понятие «пограничной поверхности» очень условно, так как может выражать совершенно различную по природе форму изоляции. Например, оболочка клетки или обшивка корабля выполнены из смеси или сплава химических веществ (белково-липидная пленка, стальные листы), птичья стая или студенческая группа объединены неуловимыми отношениями взаимопомощи или письменным распоряжением декана, солнечная система никаких оболочек не имеет, но удерживает свои границы за счет гравитационного поля.

Как уже отмечено, биологические системы отвечают всем общесистемным характеристикам - структурным, функциональным, топологическим и др. Они как правило хорошо структурированы, функционально специализированы, географически или экологически изолированы и представляют сложные многоуровневые иерархии.



1.2 Уровни организации живой материи

Живая материя представляет иерархию взаимосвязанных и взаимоподчиненных уровней организации. Иначе говоря - жизнь имеет многоуровневую организацию.

Между прочим, это означает, что любая система может рассматриваться как элемент более высокого уровня организации и, наоборот, элемент представляет систему для более низких уровней организации. То есть каждый уровень является одновременно и системой и элементом. Например, человек как организм является системой, состоящей из элементов-органов, и в то же время он сам является элементом - членом определенной популяции людей. Такой подход справедлив к любому живому объекту. В целом же принято рассматривать четыре уровня организации живых систем, что в значительной степени условно, так как в них можно выделить множество подуровней (табл. 1).

Обозначенные в таблице уровни и подуровни представляют так называемые логические системы, они отражают сложность и иерархию структурно-функциональной организации биосистем в настоящее время. Кроме того, можно выделить исторические системы, условные объединения организмов, начиная с популяций, отражающие историю их происхождения и развития в ходе эволюции. Это -вид, род, семейство, отряд (порядок), класс, тип (отдел), царство, империя.

Таблица 1. Уровни и подуровни организации живых систем

Уровни	Подуровни
Молекулярно-генетический	Органическая молекула Макромолекула, в том числе ген Макромолекулярный комплекс, в том числе вирус Органоид клетки
Онтогенетический	Клетка Ткань Орган Организм
Популяционно-видовой	Популяция Вид
Биогеоценотический	Сообщество, биоценоз Биогеоценоз Биосфера

Дадим краткую характеристику структурно-функциональных (логических) уровней организации живых систем.

1.3 Молекулярно-генетический уровень

На уровне макромолекул степень сложности систем, по сравнению с обычными молекулами, растет. Однако этот уровень еще не достаточен для возникновения полноценной жизни.

Макромолекулами принято называть очень крупные, обычно полимерные (многозвенные) молекулы. В живых организмах различают четыре типа макромолекул: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты (рис. 2). Они образуют химическую основу клеток, хотя некоторые углеводы и белки входят также в состав межклеточного вещества, обычно вместе с солями (основное вещество хряща, кости). Рис. 2. Структура основных макромолекул.

УГЛЕВОДЫ, МОНОСАХАРИДЫ, ДИСАХАРИД, ПОЛИСАХАРИД



ПОЛИ ПЕПТИД (БЕЛОК )

-с-с-с-с-с-с-с-с-с-с-с-с-с-

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ КОМПЛЕМЕНТАРНОЕ СПАРИВАНИЕ НУКЛЕОТИДОВ , В МОЛЕКУЛЕ ДНК

Углеводы бывают простые - моносахариды (такие как глюкоза, лактоза) и сложные - полисахариды, образованные сотнями и тысячами соединенных моносахаридов. Некоторые полисахариды выполняют опорную функцию - целлюлоза (клетчатка) у растений, хитин у раков, насекомых, грибов. Но в основном углеводы используются как топливо для получения энергии (см. Тему 2).

Липиды, или жироподобные вещества, имеют длинные «хвосты» из углеродно-водородных единиц, прикрепленные к «головке» - видоизмененной молекуле глицерина. Хвосты отталкивают воду (гидрофобны), поэтому два слоя липидных молекул, обращенные друг к другу хвостами, образуют водо- и иононепроницаемую пленку - мембрану. Из мембран построены оболочки клеток и некоторых внутриклеточных органоидов. Кроме того, липиды, как и углеводы, заключают в себе много энергии и используются в качестве топлива.

Белки - основные биополимеры, так как выполняют большинство жизненных функций (см. Тему 2). Белковая цепь - полипептид - сложена из большого числа (50-100-500 и более) мономеров - аминокислот (включают аминогруппу -NH2 и кислотную группу -COOH). Имеется 20 разновидностей аминокислот, и чередование их беспорядочно (но строго определенно для каждого вида белка), так что возможное разнообразие белковых цепей бесконечно велико, что и дает возможность белкам выполнять очень разные функции. Наибольшим разнообразием отличаются белки-ферменты - катализаторы биохимических реакций.

Нуклеиновые кислоты (от латинского nuсleus - ядро) впервые были выделены из клеточных ядер и представляют самые сложные макромолекулы. Различают дезоксирибонуклеиновую кислоту - ДНК и рибонуклеиновую кислоту - РНК. ДНК -двухцепочечный полимер, РНК - одноцепочечный. Мономерами в обоих случаях являются довольно крупные и сложные молекулы - нуклеотиды. ДНК хранит информацию о структуре всех клеточных белков, РНК способствует ее реализации в момент синтеза новых белков (подробнее об этом см. Тему 3). Фрагмент ДНК, кодирующий структуру одной молекулы белка, называется геном.

Макромолекулы обычно объединяются в макромолекулярные комплексы, или даже в особые структуры, называемые органоидами клетки (по аналогии с органами сложного организма). Типичными органоидами являются рибосомы -элементарные структуры, ведущие синтез белка, миофибриллы - сократимые нити в мышечных клетках, митохондрии - производители клеточной энергии, хромосомы -хранители ДНК, то есть генов.

Макромолекулы и их комплексы, гены, клеточные органоиды отвечают за отдельные свойства жизни - наследственность, синтезы, движение, энергетический обмен и др., но и эти свойства могут проявляться только в системе целостной клетки. Даже вирусы, которые считаются внеклеточными формами жизни, вне клетки представляют фактически макромолекулярные кристаллы, не способные размножаться, синтезировать белки, усваивать энергию. Поэтому некоторые ученые вообще не считают вирусы живыми образованиями.

Таким образом, отдельные молекулярно-генетические структуры не обеспечивают того критического уровня сложности, который можно было бы назвать полноценной жизнью.

1.4 Онтогенетический уровень

Онтогенез - это индивидуальное развитие организма, начиная от одной клетки (зиготы, образующейся при слиянии яйцеклетки и сперматозоида) до взрослого многоклеточного существа со множеством специализированных тканей и органов. Необходимость объединения этих подуровней в один онтогенетический уровень вызвана двумя причинами. Во-первых, зигота - по сути обычная клетка - уже представляет организм, хотя и на одноклеточной стадии развития. Во-вторых, в природе существуют не только многоклеточные, но и одноклеточные организмы как животного, так и растительного свойства - амеба, инфузория, эвглена, хлорелла и др. Бактерии - особо мелкие и безъядерные (прокариотные) клетки - тоже самостоятельные организмы, хотя живут обычно колониями. Так что понятия «клетка» и «организм» в определенных случаях совпадают.

Из сказанного следует очень важный вывод: клетка является наименьшей, то есть элементарной живой системой, так как ей присущи все свойства живого организма, свойства жизни как явления. Клетка, как и многоклеточный организм способна питаться, поглощать энергию, синтезировать вещества, двигаться, реагировать на раздражители, размножаться, приспосабливаться и д.т. Этому способствует достаточно высокая степень структурной дискретности - внутреннее расчленение клетки на органоиды, изолированные отсеки - особенно выраженная у высших, эукариотных клеток (рис. 3).

Рис. 3. Схема организации про- и эукариотной клеток.

Существует нерешенная проблема клеточного уровня (подуровня), связанная с наличием в природе двух типов клеточной организации - прокариот и эукариот. Прокариоты (доядерные) - это мелкие (около 1 мкм) клетки, не имеющие ядра и других органоидов, типичных для эукариот. Наследственное вещество - ДНК - лежит свободно в цитоплазме, а прочие функциональные блоки тоже представлены небольшими макромолекулярными комплексами без оболочек. К прокариотам относятся все бактерии и так называемые сине-зеленые водоросли. Эукариоты (с настоящим ядром) - крупные (10-50 и более мкм) клетки, в которых ДНК в форме хромосом заключена в ядре и большинство рабочих структур, ферментов организовано в изолированных органоидах. Изолирующую роль для ядра и органоидов выполняют такие же липидно-белковые мембраны, как и мембрана клеточной поверхности. Эукариотную организацию имеют одноклеточные простейшие (амеба, инфузория и другие) и клетки многоклеточных организмов: грибов, растений, животных, включая человека. Суть проблемы не в размерных и даже не в структурных различиях двух типов клеток, а в том, что некоторые органоиды эукариотных клеток, такие как митохондрии и хлоропласты, похожи на прокариот - бактерий и сине-зеленых водорослей. Они имеют собственную ДНК, аппарат синтеза белка (рибосомы), систему энергообеспечения и, таким образом, мало зависят от других структур клетки, в частности от ядерной ДНК. На этом основании разработана симбиотическая гипотеза о происхождении эукариотной клетки на основе симбиоза (взаимовыгодного объединения) некогда самостоятельных прокариотных клеток. В таком случае про- и эукариотные клетки не только по уровню сложности, но и по происхождению должны представлять разные - низший и высший - подуровни клеточного уровня организации. Этот пример показывает, что приведенная и общепринятая система уровней организации жизни не отражает всей сложности отношений между уровнями и подуровнями. Да и число подуровней можно увеличить, поскольку иерархическая сложность систем на самом деле значительно богаче.

Ткани и органы представляют основные промежуточные подуровни между клеткой и организмом. Естественно, что эти подуровни можно выделить только у многоклеточных животных, растений, грибов.

Например, у человека различают эпителиальную (покровную) ткань, мышечную, нервную и соединительную (рыхлую, плотную, хрящевую, костную, кровь и лимфу). Ткани состоят из клеток и межклеточного связующего вещества. Органы состоят из разных тканей. Так, сердце кроме основной мышечной ткани включает рыхлую соединительную, кровь, нервные элементы и эпителиальные оболочки. Головной мозг наряду с нервными клетками содержит питающие их кровеносные сосуды, желудочки, выстланные специальным эпителием. Многие органы объединены в системы органов (пищеварительную, кровеносную и др.).

Наконец, многоклеточный организм, как и отдельная клетка, представляет законченный и устойчивый уровень биологической организации. Организм, или особь, способен к самостоятельному существованию, размножению и развитию.

1.5 Популяционно-видовой уровень

Вид - важнейшая биологическая категория, которая определяется как совокупность особей (организмов), обладающих наследственным сходством по морфологическим, физиологическим, генетическим, эколого-географическим признакам, способных свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Со времен Карла Линнея (выдающийся шведский натуралист 18 века) биологические виды обозначаются двойным наименованием на латинском языке - первое слово обозначает род, второе - вид. Например, Phaseolus vulgaris - фасоль обыкновенная, Passer domesticus - воробей домовый, Homo sapiens - человек разумный.

Главное в определении вида (его главный критерий) - способность особей скрещиваться и, более того, оставлять плодовитое потомство. В диких условиях особи разных видов не скрещиваются. Искусственно можно скрестить лошадь и осла, но их потомство - мул - бесплодно. Так что лошадь и осел - разные виды.

Каждый вид занимает на Земле определенный ареал - территорию или акваторию (эколого-географический критерий вида). Иногда это - небольшой, изолированный участок, например, Манчжурская тайга для амурского тигра. Такие виды называют эндемичными, или эндемиками. В других случаях вид распространен по всему земному шару - виды-космополиты. Чаще ареал вида бывает разорван, вид существует отдельными группировками - популяциями.

Популяция - некоторая изолированная совокупность особей одного вида, длительное время населяющая определенный ареал и способная к свободному скрещиванию. Кроме ареала популяция имеет и определенную экологическую нишу. Если ареал - это адрес популяции, то экологическая ниша - ее образ жизни: состав пищи, враги, водный режим, ярус леса и т.п. Но главное качество популяции как единицы воспроизведения и эволюции биологических видов - доступность ее особей к свободному скрещиванию, то есть свободная комбинаторика родительских генов. Постепенное расхождение генетической структуры популяций рождает новые виды.

Поэтому иногда трудно провести грань между популяцией и видом, поэтому эти категории и рассматриваются в рамках одного уровня организации (подробнее см. тему 5).

1.6 Биогеоценотический уровень

На этом уровне рассматриваются экологические системы: сообщество, биогеоценоз, биосфера.

Сообщество - совокупность популяций разных видов на определенной территории. Обычно специалисты (ботаники, зоологи, микробиологи) выделяют в сообщества объекты определенной категории: растительное сообщество - фитоценоз, сообщество животных - зооценоз, микроорганизмов - микробоценоз. Тогда совокупность всех совместно обитающих сообществ разных видов, представленных на ареале отдельными популяциями, образует высшее сообщество - биоценоз. Популяции разных видов в сообществе или биоценозе тесно взаимодействуют на основе разделения пищи и ярусов, взаимного использования продуктов обмена, отношений хищник-жертва, паразит-хозяин и т. д.

Любое живое сообщество, весь биоценоз способны существовать в определенных условиях внешней среды. Для наземных сообществ это - почва определенного типа, температура, влажность, освещенность; для водных -минеральный состав, соленость и аэрация воды, те же температура и освещенность, глубина, течения и др. Совокупность этих неживых (абиотических) факторов среды обитания сообществ обозначается как биотоп (дословно - место жизни).

Важнейшее обобщение современной экологии состоит в том, что неживая среда и населяющий ее биоценоз обмениваются веществом и энергией, находятся в тесном взаимодействии, поэтому биотоп и биоценоз складываются в единую систему - биогеоценоз. Биогеоценозы - это естественные (природные) экосистемы: лесные, степные, болотные, озерные, речные, морские и др. Но человек создает и искусственные экосистемы - в частности, агроценозы (сельскохозяйственные плантации, птицефабрики, животноводческие фермы и т.п.), аквариумы и рыборазводные пруды, очистные сооружения со специально подобранными сообществами микробов, водорослей, моллюсков-фильтраторов, наконец, космические станции с уникальным внутренним климатом и биологическим равновесием.

Высшим экосистемным объединением на Земле является биосфера - земная оболочка, населенная живыми существами. Основоположником учения о биосфере Земли является выдающийся российский натуралист и философ Владимир Иванович Вернадский (1863-1945). Основная мысль этого учения и созданной Вернадским науки биогеохимии состоит в том, что живой и неживой мир нашей планеты един, организмы и компоненты среды связаны обменом (круговоротом) веществ и энергии. Вершиной творческого наследия Вернадского является его представление о ноосфере - биосфере, обогащенной разумом человека. Разумная деятельность людей активно преобразует состав биосферы и становится все более важным фактором ее необратимой эволюции. Только к концу 20 века человечество начало понимать эту простую истину и задумалось над тем, как сохранить существующее равновесие.

Существуют ли живые системы более высоких уровней организации, чем биосфера Земли? Другими словами - существует ли жизнь вне Земли, в каких-нибудь дальних или ближних космических системах? И совсем тривиально - есть ли жизнь на Марсе? Наука пока не знает ответа на эти вопросы. Ученые предполагают, что по крайней мере на Марсе - ближайшей к нам планете - есть условия если не для жизни, то для переживания простых организмов типа бактерий в состоянии спор. При похожих условиях в ледяных толщах Антарктиды обнаружены микроорганизмы. Но Антарктида когда-то была ближе к экватору Земли, в составе единого материка Гондваны, и жизнь сохранилась здесь от давних времен. Существует ли жизнь на Марсе - должны показать ближайшие исследования этой планеты, в частности, планируемая на начало нового века экспедиция американских астронавтов.

Все объекты природы являются системами. Живые системы имеют разную степень сложности - от молекул до биосферы - и представляют в совокупности многоступенчатую иерархию уровней организации. Каждый уровень организации жизни имеет свои специфические свойства, закономерности структуры, функции, развития, приобретает новые качественные характеристики. Принципиальный качественный скачок наблюдается при переходе от макромолекулярных комплексов к клеткам - появляется качество жизни как свойство определенного уровня сложности материи. Наиболее устойчивыми живыми системами являются клетка, организм, биогеоценоз.

Что же это за новое качество - жизнь? В чем ее сущность, отличие от «нежизни»? Этот принципиальный общенаучный вопрос мы рассмотрим в следующей теме.

ТЕМА 2. КОНЦЕПЦИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ СУЩНОСТИ ЖИЗНИ

Концепция сущности жизни имеет прямое отношение к основному вопросу философии, суть которого в соотношении бытия и сознания, материи и духа. Диалектический материализм решает этот вопрос так: бытие, материя - первичны; сознание, дух - вторичны. То есть сознание как высшее отличие живого от неживого является свойством материи. В таком понимании жизнь есть форма существования особо сложной материи.

Современное понимание материи позволяет полнее охарактеризовать сущность жизни, что мы и сделаем в сегменте 12. В последующих разделах мы объясним с материальных позиций основные функции жизни - использование энергии, движение, транспорт веществ, ферментативный катализ, иммунитет, механизмы сигнализации и нервной деятельности, размножение и другие. Однако прежде полезно дать историческую справку о развитии взглядов на жизнь в среде философов и ученых.

2.1 Механицизм и витализм в истории биологии

Исторически существовало две противоположные точки зрения на этот вопрос - материалистическая и идеалистическая. Первая получила название механицизма, вторая - витализма.

Механицизм (от греческого mechane - орудие, сооружение) объяснял жизнь исходя из обычных механических или физических форм движения и превращения материи. Механицизм - односторонний метод познания, так как основан на признании механической формы движения материи единственно объективной. Было несколько механистических трактовок сущности жизни.

Собственно механицизм - жизнь объяснялась на основе принципов классической ньютоновской механики. Ее каждый прошлый и будущий шаг может быть просчитан. Рождение, жизнь и смерть также циклично закономерны, как восход и заход солнца. Эта трактовка имеет сейчас лишь исторический интерес.

Машинная теория была популярна в 17-18 веках (Декарт и др.). Жизнь представлялась как сумма физических и химических процессов, которые подобно машинным процессам протекают на статичных, неизменных структурах. В этой трактовке отсутствовала идея развития, эволюции. Живой мир рассматривался как сложный физико-химический механизм, работающий в заданном режиме.

Механицизм как физикализм возник в конце 19 - начале 20 веков и получил законченные формы к середине 20 века. Согласно представлениям физикалистов жизнь развивается, но по сути она представляет простые физико-химические процессы. Причем сложнейшие биологические процессы сначала сводятся к более простым химическим, а химические в свою очередь сводятся к еще более простым - физическим. Такие отношения между уровнями разной сложности обозначаются как принцип сводимости (сложные уровни и процессы сводятся к простым). Метод познания, основанный на принципе сводимости, или редукции, называется редукционизмом (от латинского reductio - отодвигание назад, возвращение к прежнему состоянию), так что физикализм в своем методологическом применении выступает как крайняя форма редукционизма. Для физикализма, как и для механицизма в целом, характерно отрицание качественной специфики более сложных материальных образований, поскольку сложное сводится к более простым элементам, целое - к сумме его частей.

Развитию физикализма как естественнонаучного мировоззрения способствовали успехи физики и химии второй половины 19 века и первой половины 20 века, открытие в живых телах свойств и законов движения (в физико-химическом смысле) неорганических тел. Жизнь сводится к процессам обмена веществ и энергии по химическим и физическим законам. Приведем некоторые характерные высказывания видных ученых в духе физикализма.

Бертран Рассел - английский философ, математик, логик; написано в 1951 году: «Нет причины считать, что живая материя подчиняется иным законам, чем те, которые управляют живой материей, и есть достаточные основания полагать, что все поведение живой материи удастся теоретически объяснить средствами физики и химии». Таким образом, надо полагать, биология станет частью физики и химии.

Эрвин Шредингер - австрийский физик, квантовый механик заявил в 1946 году, что «живая материя, хотя она и не отклоняется от установленных к настоящему времени физических законов, вероятно подчиняется и другим, еще не открытым физическим законам, которые, когда они будут ясно показаны, составят такую же неотъемлемую часть физики, как и первые».

То есть любые, пока что неразгаданные формы проявления жизни рано или поздно будут объяснены как физические процессы. Бурное развитие физики второй половины 20 века, открытие новых элементарных частиц и физических полей, успехи кибернетики и теории информации все более полно объясняют сложные материальные взаимодействия в природе, в том числе и в живых организмах, и все меньше тайн остается в понимании сложных биологических процессов. Но сама по себе физико-химическая интерпретация жизненных реакций не давала в прошлом и не дает сейчас ответа но вопрос: где кончается неживая природа и начинается живая? А что предлагали по этому поводу идейные противники механицистов - виталисты?

Витализм (от латинского vitalis - жизненный, живой) утверждает, что живое не сводится только к физико-химическим явлениям, в нем действуют еще и особые «жизненные силы».

Витализм - давняя концепция, его корни, как и корни механицизма, уходят в классическую древность. Великий античный философ Аристотель (IV век до н. э.) ввел понятие «энтелехия», которое противопоставляется «материи» и означает конечную причину, цель, идею о совершенстве формы организма, которая и управляет развитием. По определению Аристотеля живой природе присуща «цель в самой себе».

В начале 18 века немецкий врач и химик Шталь - автор известной в химии теории флогистона, опровергнутой позже Лавуазье - развивал в медицине виталистическую теорию, известную под названием анимизма (от латинского anima -душа, дух). По Шталю главное для живого организма - его душа, она управляет телом и не допускает его распада.

В 19 веке состоялись выдающиеся открытия химии и физики, виталисты быстро теряли своих сторонников. Виталисты утверждали, что органические вещества могут возникать только с помощью «жизненной силы», но уже в 1828 г. Вёлер из неорганических веществ синтезировал мочевину - азотсодержащее органическое вещество животного происхождения. Знаменитый французский микробиолог Луи Пастер считал, что разложение сахара (брожение, дыхание) - особое свойство живых клеток, но в 1897 г. Бухнер получил из дрожжей ферментный экстракт и провел брожение сахаров в бесклеточной системе, то есть без всякой «жизненной силы». Сильный удар по витализму нанесло открытие Рубнера: в начале 20 века он установил, что закон сохранения энергии действует и в органическом, живом мире.

Однако идея энтелехии не была преодолена окончательно. В начале 20 века система витализма наиболее полно была изложена Хансом Дришем - видным немецким биологом и философом. Опираясь на открытые им эмбриональные регуляции, Дриш утверждал, что развитие организма не сводится к реализации предустановленного, заранее спланированного экстенсивного (пространственного) разнообразия, как утверждали механицисты, но происходит переход интенсивного (непространственного) разнообразия в экстенсивное. Этот переход свойствен только живым системам и осуществляется под действием специфически витального фактора - энтелехии.

Заметим, что признание энтелехии, жизненной силы часто ведет к антропоморфическим образам: учение о субстанциональной душе, психической силе. На этих понятиях основываются так называемый психовитализм (психизм), мистицизм. Поддержанию таких понятий способствуют очень большие и пока не разрешенные трудности в понимании принципов работы мозга, векторов эмбрионального развития, направленного и «целесообразного» характера биологической эволюции. Положительное значение витализма состояло в критике механистических взглядов на биологическую причинность, в стимулировании работ по биологической информации.

С развитием системного подхода и современного учения о самоорганизации (синергетики) причины специфической живой организации стали искать не во внешних силах, а в самопроизвольно и эмерджентно (см. сегмент 5) возникающих новых свойствах достаточно сложных систем. Специфика живого не отрицается, но она выводится как естественное свойство наиболее сложно организованной материи. Некий пороговый уровень сложности органических макромолекул - прежде всего белков и нуклеиновых кислот - и является той гранью, за которой (той «причиной», по которой) возникает качество жизни. В общефилософском смысле можно говорить о переходе количественных изменений в качественные. Понять эту качественную специфику - наша дальнейшая задача. Однако одного философского рационализма (от латинского ratio - разум), мудрствования здесь мало - нужны достоверные эмпирические (опытные) знания. Их добывают естественные науки, в том числе биология.

2.2 Живая материя и ее основная форма движения. Обмен веществ и энергии в живой системе

Живая материя имеет в основе те же физические свойства, что и неживая. Понятие «материя» многогранно. В целом материя представляет совокупность вещества и поля, которые выступают как разные виды материи. Веществом называют объекты и системы, обладающие массой покоя. Поле - это виды материи, не имеющие массы покоя. Например, электромагнитное поле представляет излучение в форме квантов (порций) энергии. Существует также гравитационное поле, нейтринное излучение. Между веществом и полем нет строгой границы, так как элементарные частицы вещества, например электроны, обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами (дуализм волны и частицы). Эти базовые положения квантовой (волновой) механики были сформулированы в 20-30-е годы 20-го века. Выдающимся представителем этой новой науки был датский физик Нильс Бор.

Живая материя представляет особо сложное вещество и, соответственно, сложное многофакторное поле. Именно уровень сложности делает материю живой, хотя внутри нее действуют простые физические и химические законы. По уровню сложности материи разграничиваются и сферы внимания естественных наук. Атомы -поле деятельности физики, молекулы - объект химии, с уровня макромолекул начинается биология, так как с этого уровня сложности появляются качественно новые свойства, характеризующие живую материю.

Биологические макромолекулы - это белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты. Их краткая характеристика уже дана в сегменте 7 и на рис. 2. Подчеркнем еще раз, что белки и нуклеиновые кислоты представляют апериодические полимеры, так как их мономеры - 20 видов аминокислот в белках и 4 вида нуклеотидов в ДНК и РНК - чередуются беспорядочно. Это и является источником огромного структурного разнообразия живой материи, какого нет в неживой природе.

...