6.2. Сущность, строение и происхождение жизни.

Первое, что интересует биологические науки – это вопрос о сущности жизни, о том, чем живое отличается от неживого. Определить теоретически сущность жизни весьма трудно, хотя обыденное мышление наглядно и просто различает живое и неживое. Современная наука, стремясь определить сущность жизни, идёт по пути перечисления необходимых и существенных признаков живых организмов, подчёркивая, что только в своей совокупности они дают представление об их специфике. К таковым признакам относят следующее.

▪ Живые организмы имеют сложную упорядоченную структуру. Уровень их сложности и организованности значительно выше, чем в неживых системах.

▪ Для поддержания уровня своей сложности и упорядоченности, живые организмы через биохимические процессы должны активно взаимодействовать с окружающей средой, обмениваясь с

ней веществом и энергией как неравновесные открытые системы. Основную роль в осуществлении обмена веществ, или метаболизма, в живых организмах играют белковые соединения, способные к высокому химизму, то есть активному взаимодействию с другими веществами. Благодаря такому обмену, организм постоянно воспроизводит свой состав на молекулярном, клеточном, тканевом и т.д. уровнях. Распад организма невозможен, пока такой обмен осуществляется. В этом заключается антиэнтропийный характер поведения организма, сущности живого.

▪ Живые организмы, в отличие от неживого, активно реагируют на воздействия внешней среды (бегут, нападают или изменяют форму), и хорошо приспособлены к ней. Это свойство реакции на раздражимость связано с тем, что живые организмы способны накапливать и различными способами кодировать информацию об опыте поведения в окружающей среде и при взаимодействии с другими организмами.

Стадии развития живого вещества

▪ Живые тела, в отличие от неживых, способны к изменению и усложнению своей структуры (форм, химического состава, органов) и функций.

Это видно не только из общей эволюции организмов от одноклеточных и простых к многоклеточным и высшим (филогенез), но и в индивидуальном развитии от зародыша к зрелому организму. При этом онтогенез повторяет филогенез.

▪ Живые организмы, эволюционируя, проявляют способность к размножению, к воспроизведению себе подобных с передачей потомству информации, необходимой для жизни, развития и размножения. Эта информация закодирована в генах, образуемых из нуклеиновых кислот – единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Но передача наследственной информации неадекватна – потомок похож на родителя, но видоизменён, так как содержание наследственной информации подвержено разного рода случайным мутациям (от лат. – «изменение»). Через механизмы наследственности и изменчивости организмы «корректируют» степень приспособления к условиям жизни, как за счёт отбора, так и выживаемости. В результате сохраняется оптимальное соотношение между численностью вида и жизненными возможностями среды.

Если обобщённо выразить изложенное с помощью системного подхода, можно определить живые организмы как открытые неравновесные органические макросистемы (содержащие большое число атомов и молекул), способные к самоорганизации, самовоспроизведению и эволюции. Функционально важнейшими веществами этих систем являются белки (высокомолекулярные органические вещества, состоящие из аминокислот) и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), обеспечивающие биосинтез белка как основу жизнедеятельности и передачу наследственных признаков.

По современным представлениям жизнь возможна не только на основе белковых и нуклеиновых соединений. Теоретически допускается жизнь на основе кремневых соединений, на основе электронно-металлических систем. Даётся определение жизни, которое связано с возможностью использовать информацию в целях самовоспроизводства (Ф.Типлер, 1995). Проблема понимания сущности жизни остаётся дискуссионной и не имеет окончательного решения.

Жизнь имеет сложное строение. Несмотря на чрезвычайное многообразие форм жизни (известно около 0,5 млн. видов животных, несколько тысяч видов грибов, бактерий, микробов), учёные подразделяют их на разные уровни (подсистемы), исходя из критерия масштабности и степени усложнения в процессе происхождения и развития.

◦ Молекулярный уровень изучается молекулярной биологией. Элементарной единицей этого уровня являются гены, представленные молекулами ДНК, несущими коды наследственной информации и ответственными за синтез белков. Важная роль в этом принадлежит также РНК. На этом уровне собственно живой системы ещё нет, но присутствует функция кодирования генной информации, которая несёт в себе программы жизнедеятельности организма.

◦ Клеточный и субклеточный уровень отражает процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения. Именно клетка, будучи собственно живой системой, составляет фундаментальную основу всего живого.

◦ Организменный и органо-тканевый уровень отражает признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, развитие (онтогенез), а также строение органов и тканей живых существ. На этом уровне единицей жизни выступает особь – с момента рождения до смерти.

◦ Популяционно-видовой уровень возникает, когда происходит объединение особей в популяции, а популяции – в виды. Популяции – сообщества особей одного вида, которые скрещиваются и воспроизводят себя в потомстве. Она уже способна к отбору, скрещиванию, сохранению результатов изменчивости. Поэтому по современным представлениям именно популяции служат элементарными единицами эволюции. Вид – основная таксономическая (от греч. – «расположение» и «закон») единица классификации всех растительных и животных организмов. Возникает вид как совокупность популяций, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и характеризуется общей морфологией и генофондом (типичной наследственной программой). Вид обособлен от других нескрещиваемостью в естественных условиях, поэтому «границы» его чётко фиксированы.

◦ Уровень биоценозов (от греч. – «жизнь» и «общий»). Биоценозы – совокупность растительных, животных и микроорганизмов, населяющих одно и то же пространство суши или воды, взаимодействующих между собой, приспособленным к сосуществованию и единым условиям обитания. Благодаря обмену веществ и энергией между природой и организмом возникает экосистема – единый комплекс, образованный живыми организмами и средой обитания – атмосферой, почвой, водоёмом и т.п. В экосистеме живые и неживые компоненты связаны между собой необходимым образом, участвуя в единых процессах обмена и образуя, таким образом, биогеоценозы.

◦ Биосферный уровень включает всю совокупность организмов в единстве с природной средой обитания в планетарном масштабе. Биосфера включает в единую целостную систему все организмы, их деятельность, все продукты этой деятельности, весь комплекс органических и неорганических ресурсов природы, используемых жизнью. В биосфере осуществляется кругооборот органического вещества (биотический круговорот),в которую активно вторгается практическая деятельность современного человечества, нарушая и ставя под угрозу функционирование и развитие биосферы.

При всём многообразии живых систем, основополагающей для них элементарной единицей выступает клетка, которую называют ещё «фабрикой жизни». Как «атом» биологии, клетка обладает всеми признаками живого, в том числе свойством передавать наследственную информацию. Согласно клеточной теории, основы которой были заложены ещё в 1838 г. (М.Шлейден, Т.Шванн), все живые организмы от амёбы до человека состоят из клеток, сходных по своему строению и химическому составу, что свидетельствует о единстве их происхождения и указывает на связь и единство живой и неживой природы. Вещественный состав клеток: вода (около 80%), минеральные соли и органические соединения (липиды, углеводы, белки, нуклеиновые кислоты и т.д.), каждое из которых выполняет свои функции.

Выяснилось, что клетки могут иметь как общие характеристики (обмен веществом и энергией с внешней средой – метаболизм, саморегуляция, самовоспроизведение, историческое развитие, наследственность), так и специфичные (разный срок жизни, различие размеров, время их деления, особенности функций). Однако все клетки обладают внутренней устойчивой структурой: в середине её находится плотное пузырчатое образование – ядро, которое плавает в полужидкой цитоплазме, имеющей и другие включения, а всё вместе заключено в неплотную рыхлую клеточную оболочку (мембрану), которая избирательно пропускает вещество, энергию и информацию вовнутрь клетки и из неё во внешнее пространство.

Схема клетки.

Через обмен веществ клетка способна к сохранению (гомеостазу) своего состава и структуры. Обмен веществ идёт через сложные биохимические процессы и сопровождается не только усвоением, но и выделением веществ. Управление внутриклеточными процессами совершается ядром, где закодированы соответствующие программы в структурах ДНК и РНК, входящих в гены.

Клетка животных.

Существуют клеточные организмы с отсутствующим ядром клетки – прокариоты. Это бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и др. Нити молекул нуклеиновых кислот расположены у них не в ядре, а в цитоплазме. Исторически они являются предшественниками вполне развитых, имеющих ядро клеток – эукариотов, из которых построены все остальные одноклеточные, а тем более многоклеточные организмы. Овладение законами «работы» клетки сулит человечеству достижения не менее значимые, чем открытие атома.

Важным для биологии является также вопрос о происхождении жизни. В современной культуре существует два основных подхода к решению этого вопроса: религиозный, креационистский и научный, эволюционистский.

Креационистский (от лат. – «сотворение») подход, основанный на вере, утверждает, что мир, в том числе мир живого, был сотворён сверхъестественным существом – Богом, из ничего в неизменном виде. Идея такого, однократного творения, недоступна экспериментальной проверке и выходит за рамки научного исследования.

Эволюционистский подход, который ищет подтверждения своих идей в достижениях современного естествознания (биохимии, биофизики, молекулярной биологии, генетики и т.д.), утверждает, что жизнь возникла естественным, абиогенным (небиологическим) путём в специфических условиях первобытной Земли. Согласно этому подходу, эволюция в направлении жизни началась около 4 млрд. лет тому назад. К этому времени в результате химической эволюции уже появились: вода, углекислый газ, аммиак, молекулярный водород, кислород и азот, а также цианистый водород, то есть те элементы, которые вошли в структуру живого.

Первоначально атмосфера Земли носила восстановительный, а не окислительный характер, как это имеет место сейчас. Она была богата инертными газами (гелием, неоном, аргоном). При вулканических извержениях карбиды, взаимодействуя с водой, выделяли углеводородные соединения, затем появились простейшие органические соединения и достигли массы, близкой к массе позже возникшей биосферы.

При высокой температуре, от грозовых разрядов и ультрафиолетового излучения, органические соединения усложнялись и образовались углеводы, жиры, аминокислоты и белки с нуклеиновыми кислотами.

В современной науке эти процессы воспроизводятся экспериментально. В этом «первичном бульоне» возможно образование капель с высокой концентрацией полимеров. Отечественный биохимик А.И.Опарин, выдвинув-ший в 1924 г. гипотезу происхождения жизни, назвал их коацерватами (от лат. – «накопление»), или пробионтами. Они способны поглощать различные вещества и увеличиваться в объёме. Путём самоорганизации коацерваты, обладавшие

преимуществами в исполь-

Переход от химической эволюции к биологической зовании вещества и

энергии среды, усложнялись и вырабатывали способность к устойчивости и воспроизведению составных частей, а затем и к самовоспроизведению. Способность к обмену веществ в сочетании с самовоспроизведением привели к возникновению простейших форм жизни. Часть учёных допускает, что некоторые компоненты, необходимые для формирования белков, углеводов, нуклеиновых полимеров, могли быть занесены на Землю из Космоса.

Далее эволюция перешла на клеточный уровень. Первичные живые организмы были анаэробными (от греч. – «не» и «воздух»), то есть жили без кислорода. Питались «органическим бульоном» - органическими веществами, синтезированными химической эволюцией.

Когда «органический бульон» был исчерпан, выжили те, которые выработали способность использовать энергию солнечного излучения, то есть иметь источник энергии, независимый от питательных веществ «бульона». Такие организмы называются автотрофными (от греч. – «сам» и «питание»). Они способны к фотосинтезу, накоплению солнечной энергии «впрок». Фотосинтез сопровождается выделением в атмосферу кислорода, приспособившись к которому, некоторые одноклеточные организмы эволюционировали в аэробов (от греч. – «воздух»), способных существовать только при наличии кислорода.

Ч ерез 1,8 млрд. лет первичная атмосфера сменилась вторичной (кислородной), возник озоновый слой, задерживающий ультрафиолетовое излучение, прекратилось производство «органического бульона», изменился

Развитие во времени различных условий и функций в организации живого вещества на Земле

состав морской воды, анаэробные организмы, неспособные жить в кислородной атмосфере, почти полностью вымерли.

С кислородной революцией закончилась эра господства прокариотов, у которых в клетке не было ядра. Деление их не регулировалось генетическим кодом, поэтому они были высоко вариабельны, быстро размножались и имели высокую выносливость и жизнестойкость.

В новой атмосфере, когда кислородная среда стала стабильной, выживать стали организмы с более жёсткой наследственностью и устойчивостью, её стала обеспечивать генетическая программа. В результате возникли эукариоты – клетки, имеющие ядро. Здесь клетка воспроизводится без существенных изменений, то есть «дочерние» клетки имеют ту же степень выживаемости, что и «материнские».

Далее жизнь развивалась и усложнялась. В настоящее время выделяют следующие эры развития жизни на Земле: архейская эра (начало жизни) → протерозойская эра (одноклеточные, беспозвоночные, водоросли) → палеозойская эра (растения, кистепёрые рыбы, земноводные, насекомые) → мезозойская эра (пресмыкающиеся, млекопитающие) → кайнозойская эра (млекопитающие, птицы, человек). При этом эволюция жизни шла нарастающими темпами, то есть ускорялась во времени.