Глава 17. Основные формы, свойства и уровни организации живой материи

17.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАУКИ О ЖИВОМ И РАЗВИТИЕ ТРАДИЦИОННОЙ БИОЛОГИИ

Биология (греч. bios «жизнь» + logos «понятие, уче­ние») — это наука о живом, его строении, формах актив­ности, связях организмов с неживой природой и друг с другом, имеет определенные объективные закономер­ности. Ее цель — познание феномена жизни. Биология занимается изучением различных видов живой природы и их взаимоотношений друг с другом и с внешней средой. Сейчас она интенсивно развивается. Пока существует в трех направлениях, имеющих одну цель и один объект исследования — традиционная или натуралистическая биология, физико-химическая биология и эволюционная биология. Это условное деление не связано с историей развития этой науки. Ведутся поиски объединительного начала для создания теоретической биологии, и весьма вероятно, что оно будет найдено с помощью системного подхода в рамках единого естествознания.

Базу накопления биологических знаний и аграрной культуры заложили приемы селекции, стимулированные становлением земледелия и скотоводства. Древние цивили­зации накопили много сведений о растениях и животных, одомашнили овец, свиней, уток, крупный рогатый скот. В эпоху образования классов въщелтг.съмедицина, требую­щая специальных знаний и навыков, и изменилось отноше­ние к человеку. Формировались традиции лечебного ис­пользования трав, цветов, отваров плодов, коры деревьев, минералов, животных жиров и пр. Совершенствовались хирургические приемы, массаж и иглоукалывание. Книд-

ская школа испытывала влияние восточной медицины, часть ее трудов вошла в «Свод Гиппократа». Алкмеон начал анатомировать трупы животных, описал зрительный нерв и развитие куриного эмбриона. Он считал мозг органом мышления и ощущений, изучал роль ведущих к нему нервов. Гиппократ отделял медико-биологические знания от магии, знахарства, колдовства и пр. Он считал жизнь единым процессом, выделяя роль среды и наследственности в возникновении болезней, а его ученик, Герофил, выше всего ставил наблюдения и опыт. В практической медицине тогда уделялось внимание фармакологии, действию раститель­ных лекарственных препаратов. Уже тогда люди задумы­вались о том, как особенности живых организмов пере­даются потомкам.

Традиционная биология, соответствующая классичес­кой направленности познания, явилась во многом источ­ником конкретных знаний о живой Природе. Пока успехи физики, химии и техники не открыли возможности для ученых, она была описательной наукой о формах и видах растительного и животного царства. Совокупность рас­тений называют флорой, а совокупность животных -фауной. Объект изучения традиционной биологии—живая природа в ее естественном состоянии. Эразм Дарвин ввел даже отдельный термин «Храм природы», отражающий благоговение перед совершенством ее созданий и ее Создателем. В современное время вклад традиционной биологии в биологию и все естествознание растет, ведь она

168

изучает нерасчлененную природу во всем многообразии связей.

Проявления жизни на Земле чрезвычайно многооб­разны, образуя ее живую оболочку. Первые живые орга­низмы на Земле появились 2-4 млн лет назад, а более 1 млрд лет назад растения и животные начали раздельное сущест­вование и развитие от единого предка. Для изучения такого огромного мира живой природы нужно произвести класси-I фикацию по каким-либо сходным группам. Как сказал Гете ! устами Мефистофеля: «Чтобы разобраться в бесконечном, надо сперва различать, а потом сравнивать». Этим зани­мается часть биологии, называемая систематикой, и ее значение трудно переоценить. На Земле идентифицировано почти 2 млн видов животных и растений, из которых большая часть уже вымерли, но есть и еще не открытые.

Основы биологической классификации заложил еще Аристотель, его учение о материи и форме основано на наблюдениях за живой природой. Организм—законченное целое, реализация формы. Каждая часть организма выпол­няет функцию, составляющую цель его существования. Вещества органов — это материя, а рост — реализация скрытых в ней возможностей. Аристотель исследован строение более 500 животных, отметив общий план строе­ния высших животных и описав их внешний вид, рассказал об их образе жизни, нравах. Вместе со своим учеником Геофастом он разделил животных на водные, земные и воздушные, а растения — на травы, деревья и кустарники. Такую классификацию называют естественной. Теофаста считают основоположником ботаники, он выделил одно­дольные и двудольные растения, от него пошли термины— плод, сердцевина, околоплодник. Аристотель высказывался о единстве живой природы и возможности ее развития, хотя отрицал эволюцию органического мира. Он одним из первых высказал догадку о существовании переходных форм между растениями и животными и ввел в биологию идею о расположении существ (от минералов до человека) на определенной шкале.

В эпоху Возрождения формировались стандарты, критерии и нормы изучения живой природы. Реформация способствовала возрождению эллинских взглядов на бытие и природу человека, новая нравственность основывалась на развитии естественных свойств человека вне зависимости от религиозных убеждений. Поскольку человек — «венец творения» — алхимия настроилась на поиск и изготовление лекарств; развивалась медицина; создавались «аптекарские сады», конезаводы и зоопарки. Леонардо да Винчи описал поведение птиц в полете, способ соединения костей суста­вами, деятельность сердца и зрительной функции глаза, открыл щитовидную железу. А.Везалий заложил основы научной анатомии, В.Гарвей открыл кровообращение, Дж.Борелли, описав механизмы движения животных, выделял большую роль нервов в осуществлении движения и заложил основы физиологии, а Дж.Майов сравнивал горение и дыхание.

Изобретение микроскопа дало сильнейший импульс развитию биологии. Биологические знания с XVII в. стреми­тельно дифференцировались — последовательно выде­лялись анатомия, физиология, ботаника, зоология. А. ван Левенгук обнаружил мир микроорганизмов. В трудах Р.Гука, Н.Грю, Я.Гельмота и др. получила развитие анато-

мия растений, были открытыклеточный и тканеви уровни организации растений, сформулированы первь догадки о роли листьев и солнечного света в питанирастений. Совершенствование методов искусственное опыления закладывало предпосылки генетики. В XVII сложился своеобразный синтез анатомии и физиологи* предвосхищающий структурно-функциональный подхоА Научная методология и методики исследования органк ческого мира начинали формироваться. Накоплении материал требовал обобщения.

Созданием систем классификации животных i растений в XVIII в. завершился первый этап натуралиста ческой биологии. В начале века английский биолог Дж.Ре£ описал более 18,6 тыс. видов растений, введя понятия род v вид. Он считал, что «один вид никогда не зарождается ол семян другого вида», т.е. к одному виду относится группа сходных организмов, происходящих от сходных предков. Сходные признаки—строение рогов или копыт. Шведский ученый КЛинней уточнил понятие «вид», добавив способ­ность «детям» давать плодовитое потомство. Он описал более 10 тыс. видов растений и более 4 тыс. видов живот­ных, ввел терминологию и иерархический порядок опи­сания видов и наименования — класс, отряд, род, вид. Так, класс включает несколько отрядов, отряд — несколько родов, род — несколько видов. В животном мире Линней выделил 6 классов (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, насекомые, черви). Эти группы Линней назвал таксонами. С той поры вид — важнейший таксон, хотя сначала в основу разграничения видов были положены морфологические различия — определенный план строе­ния. Сам Линней считал эту классификацию поверхностной, но его бинарная номенклатура (вид, род) практически сохранилась. Вслед за бинарным обозначением вида (роди вид) обычно указывают первооткрывателя вида и год открытия.

При создании естественной классификации выявляли некое «сродство» растений, но организация живого долго не связывались с зависимостью от истории его развития, так как считалось, что живой мир неизменен и создан Богом. Линней считал, что меняться могут только разно­видности, а виды неизменны, поскольку «видов столько, сколько различных форм сотворила предвечная сущность». Ж.Бюффон изложил свою концепцию трансформизма (на уровне ограниченной изменчивости видов под влиянием окружающей среды) животного мира в своей «Естест­венной истории» — 36-томной энциклопедии.

После Линнея Ж.Кювье ввел понятие о типе животных и описал несколько типов. Ламарк выделил в природе тела организованные, живые, и неорганизованные, неживые. В «Естественной истории растений» (1803 г.) он обращал внимание на происхождение и выделение родственных групп растений. Отметив существование промежуточных разновидностей, сходство ряда черт у животных разных видов, изменение видовых форм при переходе в новые условия, при окультуривании или одомашнивании, Ламарк распределил их по классам несколько иначе, чем Линней. Он разделил животных на позвоночных и беспозвоночных, выделил в отдельные классы паукообразных и кольчатых червей, обосновывал идею о путях происхождения человека от обезьяноподобных предков (1809 г.). Затем, после

169

введения понятия «семейство», виды стали объединять в роды, роды — в семейства, семейства — в отряды, от­ряды — в классы, классы — в типы, типы — в царства. Немецкий ученый Э.Геккель разделил живой мир на цар­ства — прошиты, животные и растения. Затем появи­лись надцарства и подцарства и т.п. После работ Геккеля стали говорить и о генеалогических древах и стволах. Из одного ствола происходят классы, отряды, семейства, роды.

Так сходство строения и эволюционные связи посте­пенно входили в систематику мира живой природы. Для классификации существуют различные методы, сейчас широко используются молекулярно-генетические методы с использованием ЭВМ. В традиционной биологии проти­востоят целостный подход и редукционизм, соответст­вующие витализму и механицизму, а также телеология и механистический детерминизм. В настоящее времязначение натуралистической биологии вновь возросло в связи с экологическими проблемами.

Физико-химическая биология включает в себя изу­чение тех же объектов живой природы, но с использованием физико-химических методов. В первой половине ХГХ в. эти методы стали использовать для изучения жизни (ГДэви, ЮЛибих), и физиология отделилась от анатомии; тогда же возникла бактериология, которая благодаря трудам Л.Пастера, Р.Коха, И.И.Мечникова, переросла в микро­биологию. Сформировались смежные дисциплины — био­химия и биофизика. В 1865 г. появилась работа Г.Менделя «Опыт над растительными гибридами», в которой было установлено существование генов и сформулированызакономерности, относимые теперь к законам наследст­венности. После повторного их открытия в 1900 г. родилась и генетика. В 40-50-е годы XX в. в качестве объектов стали использовать микроорганизмы, и поток новых знаний привел к изучению явлений жизни на молекулярном уровне. Возможности исследований существенно выросли после открытия нуклеиновых кислот—дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК), а также соединений, содержащих фосфорную кислоту (например, аденозинтри-фосфат—АТФ), гормонов, ферментов, вирусов, биосинтеза белка и т.д. В1944 г. была открыта генетическая роль ДНК, в 1953 г. — ее структура, в 1961 г. — расшифрован генети­ческий код, в 2001 г. — геном человека. Складывалось объединение молекулярных биологии и генетики, назы­ваемоефизико-химической биологией. .

В своем большинстве биологические специализиро­ванные дисциплины развивались путем редукции (дроб­ление сложных явлений на простые, в основе которых физические и химические законы). Физико-химическими методами пользовались Л.Пастер, И.М.Сеченов, И.П.Пав-

лов, сумевшие проникнуть в суть многих процессов жизне­деятельности. Арсенал методов существенно расширился, обеспечив резкий взлет биологической науки. Ныне широ­ко используются многие методы: рентгеноструктурный анализ, метод меченых атомов, электронная микроскопия, спектральные и хроматографические методы, различные зондирования, томография и др.

Эволюционная биология активно развивается и выво­дит биологию на лидирующее положение в естествознании. И Ламарк и Бюффон считали неорганическое вещество умершим, т.е. прошедшим через воздействие жизни. Ла­марк отмечат важность длительности истории планеты дня образования жизни (1809 г.), и, утверждая связь организации живого и истории его развития, стал использовать эволю­ционный подход к классификации животного мира. Позже стали появляться и эволюционные идеи не только в систе­матике, но и в эмбриологии, созданной трудами КВольфа, К Бэра и других. Переход от трасформизма к эволюцио­низму в биологии происходил в конце XVIII в. Во второй половине ХГХ в. благодаря Ч Дарвину в биологию вошел исторический подход, который превращал биологию в науку, способную объяснять происхождение и функциони­рование многообразных живых систем. Идея естественного отбора как механизма, позволившего «отбраковывать ненужные формы» и образовывать новые виды, нанесла смертельный удар телеологии в естествознании и утвер­дила рациональный смысл в биологии. Содержание эволю­ционной биологии стремительно расширяется. Этому способствовали знания, полученные в других научных дисциплинах. В последние годы наблюдается мощный всплеск построения и исследования самых разнообразных кибернетических моделей, используемых для постижения эффективно функционирующих живых организмов, форми­руется научная дисциплина—эволюционная кибернетике.

Комплексом биологических наук в настоящее время представлена биология. Различие наук может быть по объектам исследования — вирусология, бактериология, ботаника, зоология, антропология. С позиции проявлений свойств живой материи различают морфологию (науку о функционировании организмов), молекулярную биологию (изучающую микроструктуру тканей и клеток), генетику (науку о законах наследственности и изменчивости), экологию (науку о взаимосвязи растений и животных с окружающей средой). Уровень организации исследуемых объектов отражен в отдельных науках — анатомии (макро­строение организмов), гистологии (строение тканей), цито­логии (строение клеток). Использование методов смежных дисциплин привело к созданию физико-химической био­логии, биофизики, биохимии, астробиологии и др.

17.2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОЙ МАТЕРИИ

Биологический уровень организации материи очень сложен, его нельзя свести к закономерностям других естественных наук, и принципы живого нельзя вывести из принципов физики и химии. Существует несколько под­ходов к определению живого вещества.

1. Сторонники витализма — учения, основанного на признании наличия в организмах управляющей ими не материальной сверхъестественной силы («души»), считают

жизнь явлением уникальным, которое невозможно объяс­нить физико-химическими процессами. В основе такого взгляда — удивительная сложность строения и целесооб­разность поведения живых организмов.

От древности идет представление о энтехеяии, одушев­ляющей «грубую материю тела» и обеспечивающей организ­мам целенаправленное поведение. Древние египтяне и греки предполагали наличие нескольких «одушевляющих»

170

начал, часть из которых продолжает существовать и после смерти тела. Долгое время люди считали, что эти начала обеспечивают «грубой материи тела» память, мышление и целенаправленные действия. Готеостаз — одна из целе­направленных реакций, если считать поддержание меха­низма жизнедеятельности целью, тогда как внешние и внутренние силы этому противодействуют. Разные способы подержания жизни у разных живых существ—это разные механизмы гомеостаза. Эволюция этих механизмов, направ­ленная на большую независимость жизни от внешних условий,—это развитие организмов. Но объяснения особен­ностей живого через поиск цели остались достоянием истории науки, они равноценны объяснению: «Луна светит, чтобы освещать мне путь» или «Растения и животные существуют для того, чтобы обеспечивать нас пищей».

2. Представители редукционного подхода считаютвозможным использовать законы физики и химии для объяснения процессов жизнедеятельсти. Было проверено многократно, что эти законы не нарушаются в биологи­ческих системах, но это не означает, что все свойства ивого могут быть ими описаны. Они, наоборот, отрицают целенаправленность строения и поведения. И гомеостаз — основу жизни — они объясняют на основе законов неживой природы. Так, терморегуляция теплокровных осуществ­ляется по принципу обратной связи (выделение пота при повышении температуры). Аналогом такого поведения считают управляемое радаром зенитное орудие. Согласно Н.Винеру, определенный тип целенаправленной деятель­ности обеспечивается контролируемым использованием и переработкой информации, поэтому не так важны детали этих перерабатывающих устройств. Сходство между чело­веком и машиной в этом отношении было отражено и в названии книги Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» (1949 г.), существенно изме­нившей мировоззрение.

Сторонники этого подхода изучают клеточное строение и функционирование организмов. Бактерии и сине-зеленые водоросли относят к протокариотам (от греч. protos «первый»), так как их клетки не имеют оформленного ядра, а ДНК находится прямо в цитоплазме и не окружена мембраной. Зеленые растения, грибы, слизевики и живот­ные относятся к группе эукариотов (греч. ей... «хорошо, полностью») и имеют ядро, т.е. их генетический материал окружен двойной мембраной и образует определенную клеточную структуру. Первые эукариоты, по-видимому, произошли от протокариотов около 3 млрд лет назад, или в конце докембрийского периода.

Диаметр клетки бактерий около 1 мкм, поэтому их часто называют микробами. Они освоили самые разные среды обитания и широкий диапазон температур. Числен­ность бактерий даже в очень небольшом объеме вещества очень высокая, например, в 1 г парного молока их более 3000 млн. Бактерии, как и грибы, разрушают органическое вещество и участвуют в круговороте веществ, играя особую роль в биосфере. Они валшы для плодородия почв и в очистных сооружениях, участвуют в процессе пищеварения, применяются в производстве антибиотиков, используются с различными целями в биотехнологии и генной инженерии. ДНК бактерий представлена одиночными кольцевыми

молекулами длиной около 1 мм, каждая из молекул состоит примерно из 5 млн пар нуклеотидов, или нескольких тысяч генов (в 500 разменыие, чем у человека).

3. Живая клетка — это сложная высокоупорядоченная система. Опытным путем установлено, что в ней непре­рывно совершается синтез крупных молекул из мелких и простых — анаболические (греч. anabole «подъем») реак­ции, на которые затрачивается энергия, и их распад — катаболические (греч. katabole «сбрасывание вниз») реакции. Совокупность этих реакций в клетке и естьпроцесс метаболизма. Для его поддержания необходим непрерывный приток энергии, и для живого более важна химическая форма энергии. Биологи часто выделяютосновные наблюдаемые свойства, отличающие живое от неживого и отражающие специфику биологической формы движения материи.

Самовоспроизведение (репродукция) — одно изважнейших свойств, поддерживающее существование видов и определяющее специфику жизни. Оно может быть многократным, информация о нем закодирована в моле­кулах ДНК На молекулярном уровне самовоспроизведение происходит на основе матричного синтеза ДНК, програм­мирующей синтез белков, определяющих специфику орга­низма. На других уровнях — огромным разнообразием форм и механизмов, вплоть до образования клеток.

Иерархичность организации отражает возможности системного подхода к пониманию строения и жизнедея­тельности. Клетки—как единицы организации—специфи­чески организованы в ткани, ткани — в органы, органы — в системы органов. Организмы сорганизованы в популяции, популяции — в биоценозы, а биоценозы—в биогеоценозы, являющиеся элементарными единицами биосферы.

Упорядоченность структуры на молекулярном уров­не приводит к образованию молекулярных и надмолеку­лярных структур, отличающихся упорядоченностью в пространстве и во времени. В отличие от объектов неживой природы упорядоченность живого происходит за счет внешней среды, в которой уровень упорядоченности снижа­ется. И процессы, ведущие к упорядоченности живого, идут с локальным уменьшением энтропии. Живые системы в развитии способны к самоорганизации, к упорядочиванию структур, к росту разнообразия.

Регуляция процессов осущестляется в химическихреакциях при помощи механизма обратной связи. В регу­ляции активности клеток принимают участие гормоны, обеспечивающие химическую регуляцию. Внутри клеток реакции синтеза и распада идут с участием ферментов, синтезируемых внутри самих клеток.

Размножение и рост. Рост организмов происходит путем увеличения их массы за счет размеров и числа клеток. Развитие — представлено индивидуальным разви­тием {онтогенезом) и историческим {филогенезом), и одинаково важны наследственность и изменчивость. Развитие, сопутствующее росту, прояштается в усложнении структуры и функций. В онтогенезе формируются признаки в процессе взаимодействия генотипа и среды. В филогенезе появляется большое разнообразие организмов и целесооб­разность. Эти процессы регулируются и подвержены гене­тическому контролю. В отличие от объектов неживой

171

природы—кристаллов, которые растут, присоединяя новое вещество к поверхности, живые организмы растут за счет питания изнутри, причем живая протоплазма образуется при ассимиляции питательных веществ. Вьгасивание вида или его бессмертие обеспечиваются сохранением призна­ков родителей у потомства, возникшего путем размноже­ния. Передаваемая следующему поколению информация закодирована в молекулах ДНК и РНК

Гомеостаз (греч. homoios «подобный, одинаковый» + stasis «неподвижность, состояние»). Живые организмы, обитающие в непрерывно метающихся внешних условиях, поддерживают постоянство своего химического состава и интенсивность течения всех физиологических процессов с помощью авторегуляционных механизмов, при этом сохра­няется необходимая ритмичность в периодических изме­нениях интенсивности.

Обмен веществ и энергии обеспечивает гомеостаз и является условием поддержания жизни организма. Полу­чается из внешней среды энергия в форме солнечного света, затем химическая энергия преобразуется в клетках для синтеза ее структурных компонент, осмотической работы по обеспечению транспорта веществ через мембрану и механической работы по передвижению организма и сокра­щению мышц.

Питание — источник энергии и веществ, необходимых для жизнедеятельности. Растения усваивают солнечную энергию и самостоятельно создают питательные вещества в процессе фотосинтеза. У грибов, животных (и человека), некоторых растений и большинства бактерий — гетеро­трофное (греч. heteros «другой» = в рус. «разный» + trophe «пища») питание: они расщепляют с помощью ферментов органические вещества и усваивают продукты расщеп­ления. Выделение—это выведение из организма конечных продуктов обмена с окружающей средой. Общее свойство открытых систем — обмен энергией и веществом с внешней средой — имеет свои особенности.

Дыхание высвобождает энергию высокоэнергетичес­ких соединений, она запасается в молекулах АТФ, обна­руженных во всех живых клетках. Дыхание относится к процессам метаболизма Ореч. metabole «перемена, превра­щение»), или обмена веществ и энергии.

Раздражимость — избирательная реакция живых существ па изменения внешней и внутренней среды, обеспе­чивающая стабильность жизнедеятельности. Так, расши­рение кровеносных сосудов кожи млекопитающих при повышении температуры среды ведет к рассеиванию тепла в окружающее пространство и восстановлению оптималь­ной температуры тела. Раздражителями могут быть пища, механические воздействия, свет, звук, температура окру­жающей среды, яды, электрический ток, радиоактивность.

Подвижность, или способность к движению, свойст­венна и животным, и растениям, хотя скорости их сущест­венно различаются. Многие одноклеточные могут дви­гаться с помощью особых органоидов. У многоклеточных к движению способны как клетки, так и органоиды в них. В животных, организмах движение осуществляется путем сокращения мышц.

Асимметрия — созидательный и структурообразую­щий принцип жизни. Неживые системы работают по зако­нам симметрии. В классической физике имеют место

172

законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, заряда и пр.), которые связаны со свойствами симметрии пространства и времени. В изолированных системах проис­ходят обратимые процессы, т.е. имеет место симметрия между прошлым и будущим. Замкнутые системы само­произвольно и необратимо стремятся к равновесию, про­цессы идут с ростом энтропии. Законы квантовой физики— есть проявление более глубоких симметрии. Все функ­ционально важные биомолекулы асимметричны: белки состоят из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты содержат правовращающие сахара, да закручена и сама молекула ДНК — двойная спираль. Все процессы происходят с учетом киральности, установлена даже функ­циональная асимметрия мозга человека. Живое — это открытая система, использующая для сохранения упоря­доченности внешний поток энергии и вещества. Жизнь связана с непрерывным нарушением симметрии в отличие от неживых систем.

Дискретность и целостность — два фундаменталь­ных свойства организации жизни на Земле. Нуклеиновые кислоты и белки—целостные соединения, но в то же время дискретны, так как состоят из нуклеотидов и аминокислот. Репликация ДНК — целостный непрерывный процесс, но она дискретна во времени и пространстве, так как в ней участвуют различные ферменты и генетические структуры. Живые объекты в природе относительно обособлены(особи, популяции, виды). Любая особь состоит из клеток, I а клетка и одноклеточные существа — из отдельныхIорганелл. Органеллы — из дискретных, высокомолеку- 1 лярных, органических веществ, которые, в свою очередь, состоят из дискретных атомов, а те — из элементарных частиц. Все эти части и структуры находятся в сложных взаимодействиях, и целостность живой системы отличается от целостности неживой тем, что она поддерживается в процессе развития. И среди живых систем нет двух одина­ковых особей, популяций и видов. Жизнь на Земле прояв­ляется в дискретных формах, причем все формы и части образуют структурно-функциональное единство.

В определении понятия «жизнь» к 80-м годам XX в. сложилось две позиции. Функциональный подход объединял сторонников представлений об организме как о своеоб­разном «черном ящике» (с неизвестной внутренней струк­турой или с не особенно важной), своеобразие которого в наличии «управляющих процессов» передачи информации, Лидеры этого подхода — математики А.АЛяпунов и А.Н,Колмогоров — использовали средства высшей мате­матики в определении специфики жизни, они рассмат­ривали гомеостатические процессы. Их больше интере­совали процессы преобразования информации, и они допус- ; кали возможность и небелковых форм жизни. Сторонники другого, субстанционального, подхода признавали клю­чевым наличие определенных субстанций и определенных I ее структур. К лидерам этого подхода относился и Опарин, > для которого важнейшим было признание наличия обмена веществ, и выдающийся советский биолог В.А.Энгельгардт, Они считали, что изучение проблемы жизни должно осно­вываться на данных химии, а не математики.

В организации живого все указанные свойства прояв­ ляются на всех уровнях. Но каждый из них имеет и своя особенности. I

17.3. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ

Проявления жизни чрезвычайно разнообразны. Струк­турные уровни организации живой материи отражают критерий масштабности мира живой природы. Вслед за известным генетиком И.В.Тимофеевым-Ресовским выде­лим четыре уровня организации живой материи: молеку-ырно-генетический, онтогенетический, популяционно-шдовой и биогеоценозный. При этом критериями должны быть элементарные структуры и явления, которые прояв­ляются на данном уровне. Деление живой материи на уровни весьма условно, но отражает системный подход в изучении природы.

1.Молекулярный илимолекулярно-генетический рвет — предмет молекулярной биологии и генетики. Рождение этих наук отражает интеграционные процессы в современном естествознании. В них изучаются механизмы передачи генной информации, проблемы генной инженерии и биотехнологий. Любая живая система проявляется на уровне взаимодействия молекул.

Основные структуры — коды наследственной инфор­мации — представлены молекулами ДНК Они разделены по длине на элементы кода — триплеты азотистых осно­ваний (гены). Элементарные явления — процессы пере­дачи информации внутриклеточным управляющим сис­темам и связанные с генами мутации. Основные управ­ляющие системы используют матричный принцип, т.е. служат матрицами, рядом с которыми строятся соответст­вующие макромолекулы. Матрицей при синтезе белков в клетках служит заложенный в структуре нуклеиновых кислот определенный код. Знание этого уровня обеспе­чивает понимание процессов и на других уровнях.

Было показано, что живое вещество обладает способ­ностью к саморегуляции, поддерживающей жизнедеятель­ность и препятствующей неуправляемому распаду структур и веществ и рассеянию энергии, тогда как мертвое орга­ническое вещество подвержено самопроизвольному рас­паду. В то же время организму присущи свойства, отличные от свойств составляющих его частей.

2.Онтогенетический уровень — следующий уровень организации жизни, на котором изучается организм как целостная сложная саморегулирующая система, спо­ собная самостоятельно существовать. Внутри него выде­ ляют организменный и органно-тканевый подуровни, отражающие признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живой материи. Онтогенез — процесс реализации наследственной информации, закодированной в зародышевой клетке. Проверяется согласованность ее с работой управляющих систем особи в пространстве и времени жизни на Земле. Термин онтогенез ввел Э.Геккель (1866 г.) для рассмотрения структурной и функциональной организации отдельных организмов.

Особь, индивид — элементарная неделимая единица жизни на Земле. Элементарными структурами являются клетки. Клетка—структурная и функциональная единица, а также единица размножения и развития всех организмов. Клеточный, субклеточный подуровни отражают процессы специализации клеток и внутриклеточных внедрений. Процессы в самой клетке происходят в специализиро-

ЖИВОЙ ПРИРОДЫ НА ЗЕМЛЕ

ванных органоидах. Живая клетка — это сложная высоко-упорядоченная система. Установлено, что в клетке непре­рывно совершается синтез крупных молекул из мелких и простых (анаболические реакции, на которые тратится энергия) и их распад (катаболические реакции). Сово­купность их в клетке есть процесс метаболизма. Особи, изучаемые на этом уровне, не существуют абсолютно изолированно в природе, они объединены на более высоком уровне организации — на уровне популяции.

3. Популяционно-видовой — следующий уровень орга­низации жизни на Земле — образуется, когда относящиеся к одному виду особи сходны по структуре, имеют одина­ковый кариотип (греч. karyon «орех, ядро ореха»; здесь — ядро клетки) и единое происхождение, способны к скре­щиванию и дают плодовитое потомство. Популяция — совокупность особей одного вида, занимающих одну терри­торию и обменивающихся генетическим материалом.Популяция — часть вида, т.е. все составляющие ее особи принадлежат к одному виду. Она более однородна по составу, поскольку между ее особями происходит непре­рывный обмен генами. Популяция—элементарная единица в современной теории эволюции. Элементарное явление — мутация. На популяцию могут оказывать давление ивызывать ее изменение — мутационный процесс, популя-ционные волны, изоляция и естественный отбор. При нарушении изоляции между различными популяциями происходит скрещивание или обмен генами. Этот уровень важен при определении численности популяций и эволюции живого.

Вид — генетически замкнутая система. Поскольку между видами не может быть скрещивания, то возникшая мутация не выйдет за пределы вида. Организмы, обитающие на изолированных островах, образуют подвид, иногда подвид образуют группы популяций.

Число видов на Земле пытались подсчитать многие. Генетик Т.Добржанский насчитал (1953 г.) 1 млн видов животных и 265,5 тыс. видов растений, таким образом, животный мир более разнообразен (по современнымоценкам, видов животных — от 1,5 до 2 млн, видов расте­ний — около 500 тыс.). Но среди животных 75% приходится на долючленистоногих, но не все виды еще открыты.Позвоночных — менее 4%, из них 1/2 — виды рыб, а млекопитающих — еще на порядок меньше. Из 3500 видов млекопитающих 2500 — грызуны. В растительном мире около 150 тыс. видовпокрытосеменных (цветковых)растений, развившихся из голосеменных (семенных папо­ротников или близких к ним растений). Часть папоротников вымерла. К голосеменным относятся и хвойные растения, которые вместе с покрытосеменными — деревьями, кус­тарниками, травами — образуют растительный покров Земли. Водоросли (14 тыс.) идут после грибов (70 тыс.) и мхов (15 тыс.). Такое распределение численности видов на Земле сформировалось путем длительной эволюции. Из соотношения сухопутных (93%) и водных (7%) видов можно заключить, что возможность видообразования на суше была выше, чем в воде, и выход на сушу, носивший выборочный характер, открыл перспективы прогрессивной эволюции. Попутно отметим, что на суше преобладают растения, в воде—животные.

173

Обратимся к соотношениям общих масс видов живой природы, или биомасс. Мировой океан занимает около 70,8% земной поверхности, но его биомасса — всего 0,13% сум­марной массы живых организмов. Масса живого вещества сосредоточена в основном в сухопутных растениях. Орга­низмов, не способных к синтезу, менее 1%, хотя по числу видов они составляют 1/5 всех организмов. На 79% видов животных приходится 1% всей биомассы Земли. Отсюда: чем выше уровень видовой дифференциации, тем меньше соответствующая ему биомасса, и наоборот.

4. Биогеоценозный уровень — следующий уровень структуры живой материи. Популяции разных видов,населяющие участок земной поверхности или водоем с определенными природно-климатическими условиями (среда обитания, или геоценоз), и связанное с ними сооб­щество растений, животных и микроорганизмов образуют неразделимый взаимообусловленный (с динамичными обратными связями) комплекс — биоценоз. Это понятие ввел В.Н.Сукачев (1940 г.). Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функцио­нирования биогеоценозов. Биогеоценоз автономен и само­регулируем и поэтому является элементарной единицей этого уровня и служит средой для входящих в него попу­ляций.

Биомы — крупнейшие наземные сообщества, тесно связанные с определенными природными зонами и поясами. Растения и животные существуют в тесной зависимости от окружающей неживой природы и от других организмов, испытывают на себе их воздействие и приспосабливаются к ним. В процессе исторического развития и естественного отбора на Земле под влиянием конкретных природных факторов сложились различные группы организмов — сообщества, взаимодействующие со своей средой обитания.

Вместе с конкретными участками поверхности, занима­емыми биоценозами, и прилегающей атмосферой они называются экосистемой. По определению А.Тенсли, экосистема — взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов, связанных между собой обменом веществом и энергией. Изучением взаимоотношений сов­местно живущих организмов и их зависимости от внешней среды занимается отрасль биологии — экология. Этот термин предложил в 1866 г. немецкий биолог-эволюционист Э.Геккель, сторонник и пропагандист учения Дарвина.

Совокупность биогеоценозов составляет земную био­сферу, они связаны круговоротом вещества и энергии. В этом круговороте жизнь выступает ведущим фактором (В.И.Вернадский, В.Н.Сукачев). И биогеоценоз—открытая система, имеющая энергетические «входы» и «выходы», которые связывают соседние биогеоценозы.

Биосфера — самый высокий подуровень организации жизни на Земле (термин введен в 1875 г. Э. Зюссом). Эта область активной жизни охватывает нижнюю часть атмо­сферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Вер­надский создал учение о биосфере как об активной обо­лочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов, включая человека, является геохимическим фактором планетарного масштаба и значения. Он выделял в биосфере живое, косное (солнечная энергия, почва и т.д.) я биокосное (органическое) вещества. На уровне биосферы решается такая глобальная проблема как изменение кон­центрации углекислого газа в атмосфере. Установлено, что она растет на 0,4% в год, что создает опасность «парникового эффекта». Рациональное использование природы не мыс­лимо без знания структуры и функционирования биогео­ценозов.