Содержание Сущн ость живого, его основные признаки. 4 Отличие живого от неживого. 7 Многогранность живого. 7 Критерии живых систем. 9 Эволюция форм жизни. 17 За счет чего функционирует энергетика всего живого? 20 Начало жизни на Земле. 22 Вещественная основа жизни. 23 Организации живых систем. 25 Развитие современной концепции биохимического единства всего живого. 28 Список литературы. 31 Первые живые существа появили сь на нашей планете около 3 млрд. лет назад. От этих ранних форм возникло бе счисленное множество видов живых организмов, которые, появившись, процв етали в течение более или менее продолжительного времени, а затем вымира ли. От ранее существовавших форм произошли и современные организмы, обра зующие четыре царства живой природы: более 1,5 млн. видов животных, 500 тыс. вид ов растений, значительное количество разнообразных грибов, а также множ ество прокариотических организмов. Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими систем ами различной структурной организации и разного уровня соподчинения, и ли согласованности. Из курса ботаники и зоологии известно, что все живые организмы состоят из клеток. Клетка, например, может быть и отдельным орг анизмом, и частью многоклеточного растения или животного. Она бывает дов ольно просто устроенной, как бактериальная, но и значительно более сложн о, как клетки одноклеточных животных – Простейших. Как бактериальная кл етка, так и клетка Простейших представляет собой целый организм, способн ый выполнять все функции, необходимые для обеспечения жизнедеятельнос ти. А вот клетки, входящие в состав многоклеточного организма, специализ ированны, т.е. могут осуществлять только одну какую-либо функцию и не спос обны самостоятельно существовать вне организма. У многоклеточных орга низмов взаимосвязь и взаимозависимость многих клеток приводит к созда нию нового качества, неравнозначного простой их сумме. Элементы организ ма – клетки, ткани и органы – в сумме ещё не представляют собой целостны й организм. Лишь соединение их в исторически сложившемся в процессе эвол юции порядке, их взаимодействие, образует целостный организм, которому п рисущи определенные свойства. Сущность живого, его осн овные признаки. Интуитивно мы все понимаем, что есть живое и что – мертвое. О днако при попытке определить сущность живого возникают трудности. Так, о дин из авторов предложил следующее «глубокомысленное» определение: жи вой организм – это тело, слагаемое из живых объектов; неживое тело – сла гаемое из неживых объектов. Но кроме подобных, явно бессодержательных определений, представляющих собой, по сути, тавтологию, имеют и другие, бо лее содержат ельные. Однако и они на поверку оказываются неполными и потому уязвимыми. Широко известно, например, определение, данное Ф.Энгел ьсом, что жизнь – это способ сущес твования белковых тел, существенным моментом которого является постоя нный обмен веществ с окружающей их внешней природой. И все же живая мышь и горящая свеча с физико-химической точки зрения находятся в одинаковом с остоянии обмена веществ с внешней средой, равно потребляя кислород и выд еляя углекислый газ, но в одном случае – в результате дыхания, а в другом – в процессе горения. Этот простой при мер показывает, что обмениваться веществами с окружающей средой могут и мертвые объекты. Таким образом, обмен веществ является хотя и необходимы м, но недостаточным критерием определения жизни, впрочем, как и наличие б елков. Из всего сказанного можно сделать вывод, что дать точное определение жиз ни весьма непросто. И это люди поняли очень давно. Так, французский филосо ф-просветитель Д. Дидро писал: «Я могу понять, что такое агрегат, ткань, сос тоящая из крохотных чувствительных телец, но живой организм!... Но целое, с истема, представляющая собой единый организм, индивидуум, сознающий себ я как единое целое, выше моего понимания! Не понимаю, не могу понять, что эт о такое!» Современная биология при описании живого идет по пути перечисления осн овных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только сово купность данных свойств может дать представление о специфике жизни. К числу свойств живого обычно относят следующие: Ё Живые организмы характери зуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значи тельно выше, чем в неживых системах. Ё Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядочен ности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечну ю энергию. Ё Живые организмы активно реагируют н а окружающую среду. Если толкнуть камень, то он пассивно сдвигается с мес та. Если толкнуть животное, оно отреагирует активно: убежит, нападет или и зменит форму. Способность реагировать на внешние раздражения – универ сальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных. Ё Живые организмы не только изменяютс я, но и усложняются. Так у растения или животного появляются новые ветви и ли новые органы, отличающиеся по своему химическому составу от породивш их их структур. Ё Все живое размножается. Эта способно сть к самовоспроизведению, пожалуй, самая поразительная способность жи вых организмов. Причем потомство и похоже, и в то же время чем-то отличается от родителей. В этом проявляется дей ствие механизмов наследственности и изменчивости, определяющих эволюц ию всех видов живой природы. Ё Сходство потомства с родителями обу словлено ещё одной замечательной особенностью живых организмов – пер едавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, раз вития и размножения. Эта информация содержится в генах – единицах насле дственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический мате риал определяет направление развития организма. Вот почему потомки пох ожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько ви доизменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на роди телей, но и отличаются от них. Ё Живые организмы хорошо приспособле ны к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. Строение крота, рыбы, лягушки, дождевого червя полностью соответствует условиям, в котор ых они живут. Обобщая и несколь ко упрощая сказанное о специфике живого, можно отметить, что все живые ор ганизмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в приро де, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут, не размножаются. Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное определе ние сущности живого: жизнь есть форма существования сложных, открытых си стем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими фу нкциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кис лоты Вольенштейн М. В. Современная физика и биология. // Вопросы философии. 1989. №8. С.9. . И, наконец, ещё более краткое определение жизни предложил американский ф изик Ф. Типлер в своей сенсационной книге «Физика бессмертия». «Мы не хот им, - пишет он – привязывать определение жизни к молекуле нуклеиновой ки слоты, потому что можно вообразить себе существования жизни, которая к э тому определению не подходит. Если к нам в космический корабль явится вн еземное существо, химическую основу которого составляют не нуклеинова я кислота, то нам все равно захочется признать его живым». Жизнь, по мнению Типлера, представляет собой лишь информацию особого рода: «Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естест венным отбором» Физика бессмертия. Интервью с Ф. Типлером. // Зелен ый мир. Спец. вып. №29. 1996. с.13. . Но если это так, то жизнь-информац ия является вечной, бесконечной и бессмертной. И хотя с этим определение м согласны далеко не все, его несомненная ценность состоит в попытке выд елить из всех критериев жизни в качестве главного – способность живых о рганизмов сохранять и предавать информацию. Учитывая сохраняющуюся дискуссионность категории жиз ни, анализ ее признаков следует дополнить рассмотрением структуры живо го, составляющих его элементов, частей. Отличие живого от неживого. Есть несколько фундаментальных отличий в вещественно м, структурном и функциональном планах. В вещественном плане в состав жи вого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные орган ические соединения, называемые биополимерами, - белки и нуклеиновые кисл оты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточны м строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизво дство самих себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых систем ах. Но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-то во спроизводит их, а они сами. Это принципиально новый момент. Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ, способн остью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, с пособностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т.д . Неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность. «Все живые существа должны или действовать, или погибнуть. Мышь должна находи ться в постоянном движении, птица летать, рыба плавать и даже растение до лжно расти» Селье Г. От мечты к открытию. – М., 1987. – с.32. . Многогранность живого. Предбиологические структуры, представляющие собой ги гантские органические макромолекулы, являются пределом химической эво люции вещества. Следующий и принципиально иной уровень сложности в орга низации материи по сравнению с атомарно-молекулярном уровнем – это жив ая материя, живая природа, Жизнь во всех ее формах является объектом биол огии, поэтому, имея в виду все живое, можно говорить о биологическом уровн е организации материи. Живая природа (коротко – жизнь) – это такая форма организации материи н а уровне макромира, которая резко отличается от других форм сразу многим и признаками. Каждый из этих признаков может служить для разграничения ж ивой и неживой природы, а соответственно – основой для определения, что есть жизнь. Существенными оказываются все эти признаки. Ни одним из них н ельзя пренебречь. Прежде всего любой живой объект является системой – совокупностью вза имодействующих элементов, которая обладает свойствами, отсутствующими у элементов, образующих этот объект. Для последующего анализа живого во спользуемся определением жизни, которое дал академик М.В. Волькенштейн: «Жизнь есть форма существования макроскопических гетерогенных открыт ых сильнонеравновесных систем, способных к самоорганизации и самовосп роизведению». Рассмотрим отдельные положения этой формулировки. Микроскопичность живого означает, что любой живой организм, начиная с ба ктерии, или же его самостоятельно функционирующая подсистема должна со держать большое число атомов. Иначе упорядоченность, необходимая для жи зни, разрушилась бы флуктуациями. Гетерогенность означает, что организм образован из множества различны х веществ. Открытость живой системы проявляется в непрерывном обмене энергией и в еществом с окружающей средой. Самоорганизация возможна лишь в открытых сильнонеравновесных системах. Помимо отмеченных ключевых особенностей живых систем следует указать на другие важные свойства живых организмов. Сходство химического состава всех живых организмов. Элементный состав живого определяется главным образом шестью элементами: кислород, углер од, водород, азот, сера, фосфор. Кроме того, живые системы содержат совокуп ность сложных биополимеров, которые для неживых систем не характерны (бе лки, нуклеиновые кислоты, ферменты и др.) Живые системы существуют конечное время. Свойство самовоспроизведения сохраняет биологические виды. Конечность живых систем создает условия их сменяемости и совершенствования. Свойство всего живого – раздражимость – проявляется в виде реакции жи вой системы на информацию, воздействие извне. Живая система обладает дискретностью – состоит из отдельных (дискретн ых) элементов, взаимодействующих между собой. Каждый из них также являет ся живой системой. Наряду с дискретностью живой системе присуще свойств о цельности – все ее элементы функционируют только благодаря функцион ированию всей системы в целом. Критерии живых систем. Рассмотри подробнее критерии, отличающие живые системы от объектов неживой природы, и основные характеристики процессов жизнеде ятельности, выделяющие живое вещество в особую форму существования мат ерии. Особенности химического состава . В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение различных элементов в жив ом и неживом неодинаково. Элементный состав неживой природы наряду с кис лородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т. д. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемент а – углерод, кислород, азот и водород. Однако в живых телах эти элементы у частвуют в образовании сложных органических молекул, распространение которых в неживой природе принципиально иное по количеству, как по колич еству, так и по существу. Подавляющее большинство органи ческих молекул окружающей среды представляют собой продукты жизнедеят ельности организмов. В живом веществе несколько основных групп органич еских молекул, характеризующихся определенными специфическими функци ями и в большинстве своей представляющих собой регулярные полимеры. Во-п ервых, это нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, свойства которых обеспечива ют явления наследственности и изменчивости, а также самовоспроизведен ие. Во-вторых, это белки – основные структурные компоненты биологически х мембран и клеточных стенок, главные источники энергии, необходимой для обеспечения процессов жизнедеятельности. И наконец, огромная группа ра знообразных так называемых «малых молекул», принимающих участие в мног очисленных и разнообразных процессах метаболизма в живых организмах. Метаболизм. Все живые организмы с пособны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее вещества, н еобходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности. В неживой природе также существует обмен веществами, однако при небиоло гическом круговороте веществ они просто переносятся с одного места на д ругое или меняется их агрегатное состояние: например смыв почвы, превращ ение воды в пар или лед. В отличие от обменных процессов в неживой природе у живых организмов ори имеют качественно иной уровень В круговороте органических веществ сам ыми существенными стали процессы превращения веществ – процессы синт еза и распада. Живые организмы поглощают из окружающей среды различные вещества. Всле дствие целого ряда сложных химических превращений вещества из окружаю щей среды уподобляются веществами живого организма и из них строится ег о тело. Эти процессы называются ассимиляцией, или пластическим обменом. Другая сторона обмена веществ – процессы диссимиляции, в результате ко торых сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, н еобходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют энер гетическим обменом. Обмен веществ обеспечивает гомеостаз организма, т.е. неизменность химич еского состава и строения всех частей организма, и как следствие, постоя нство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды. Единый принцип структурной организации . Все живые организмы, к какой бы систематической группе они ни о тносились, имеют клеточное строение. Клетка, как уже указывалось выше, яв ляется единой структурно-функциональной единицей, а также единицей раз вития всех обитателей Земли. Репродукция . На организменном ур овне самовоспроизведение или репродукция, проявляется в виде бесполог о или полового размножения особей. При размножении живых организмов пот омство обычно похоже на родителей: кошки воспроизводят котят, собаки – щенят. Из семян тополя опять вырастает тополь. Деление одноклеточного ор ганизма – амебы – приводит к образованию двух амеб, полностью схожих с материнской клеткой. Таким образом, размножение – это свойство организмов п роизводить себе подобных. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и к летки, органеллы клеток (митохондрии, пластиды и др.) после деления сходны со своими предшественниками. Из одной молекулы ДНК при ее удвоении образ уются две дочерние молекулы, полностью повторяющие исходную. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, т.е. обра зование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в посл едовательности нуклеотидов ДНК. Следовательно, самовоспроизведение – одно из основных свойств живого, тесно связанное с явлением наследствен ности. Наследственность . Наследственн ость заключается в способности организмов передавать свои признаки, св ойства и особенности развития из поколения в поколение. Признаком назыв ают любую особенность строения на самых различных уровнях организации живой материи, а под свойствами понимают функциональные особенности, в о снове которых лежат конкретные структуры. Наследственность обусловлен а специфической организацией генетического вещества (генетического ап парата) – генетическим кодом. Под генетическим кодом понимают такую орг анизацию молекул ДНК, при которой последовательность нуклеотидов в ней определяет порядок аминокислот в белковой молекулу. Обеспечивается яв ление наследственности стабильностью молекул ДНК и воспроизведение ее химического строения (редупликацией) с высокой точностью. Наследственн ость обеспечивает материальную преемственность (поток информации) меж ду организмами я в ряду поколений. Изменчивость Это свойство как б ы противоположно наследственности, но вместе с тем тесно связано с ней, т ак как при этом изменяются наследственные задатки – гены, определяющие развитие тех или иных признаков. Если бы репродукция матриц – молекул Д НК – всегда происходила с абсолютной точностью, то при размножении орг анизмов осуществлялась бы преемственность только существовавших преж де признаков, и приспособление видов к меняющимся условиям среды оказал ось бы невозможным. Следовательно, изменчивость – это способность орга низмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которой лежат изм енения биологических матриц. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора, т.е. отбора наиболее приспособленных особей к конкретны м условиям существования в природных условиях, что в свою очередь, приво дит е появлению новых форм жизни, новых видов организмов. Рост и развитие . Способность к разв итию – всеобщее свойство материи. Под развитием понимают необратимое н аправленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественно состояние объекта, вс ледствие которого изменяется его состав и структура. Развитие живой фор мы существования материи представлено индивидуальным развитием, или о нтогенезом, и историческим развитие, или филогенезом. На протяжении онтогенеза постепенно и последовательно проявляются инд ивидуальные свойства организмов. В основе этого лежит поэтапная реализ ация наследственных программ. Развитие сопровождается ростом. Независ имо от способа размножения все дочерние особи, образующиеся из одной зиг оты или споры, почки или клетки, получают по наследству только генетичес кую информация, т.е. возможность проявить те или иные признаки. В процессе развития возникает специфическая структурная организация индивида, а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементар ных структур клеток и самих клеток. Филогенез, или эволюция, - это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным ус ложнением жизни. Результатом эволюции является все многообразие живых организмов на Земле. Раздражимость . Любой организм нера зрывно связан с окружающей средой: извлекает из нее питательные веществ а, подвергается воздействию неблагоприятных факторов среды, вступает в о взаимодействие с другими организмами и т.д. В процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство избирательно реагиров ать на внешние воздействия. Это свойст во носит название раздражимости. Всякое изменение окружающих организм условий среды пре дставляет собой по отношению к нему раздражение, а его реакция на внешни е раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости. Реакция многоклеточных животных на раздражимость осущ ествляется через посредство нервной системы и называется рефлексом. Организмы, не имеющие нервной системы, например простейшие или растения , лишены и рефлексов. Их реакции, выражающиеся в изменении характера движ ения или роста, принято называть таксисами или тропизмами, прибавляя при их обозначении название раздражителя. Например, фототаксис – движение в направлении к свету; хемотаксис – перемещение организма по отношению к концентрации химических веществ. Каждый род таксиса может быть положи тельным или отрицательным в зависимости от того, действует раздражимос ть на организм притягивающим или отталкивающим образом. Под тропизмами понимают определенный характер роста, который свойстве нен растениям. Так, гелиотропизм (от греч. « helios » - Солнце) означает рост наземных частей растений (стебля, листьев) по направлению к Солнцу, а геот ропизм (от греч « geo » - Земля) – рос т подземных частей (корней) в направлении к центру Земли. Для растений характерны также настии – движения частей растительного организма, например движение листьев в течение светового дня, зависящее от положения Солнца на небосводе, раскрытие и закрытие венчика цветка и т.д. Дискретность . Сам о слово дискретность произошло от латинского « discretus », что означат прерывистый, разделенны й. Дискретность – всеобщее свойство материи. Так, из курса физики и общей химии известно, что каждый атом состоит из элементарных частиц, что атом ы образуют молекулу. Простын молекулы входят в состав сложных соединени й или кристаллов и т.д. Жизнь на Земле также проявляется в виде дискретных форм . Это означает, что отдельный организм или иная биологическая система (ви д, биоценоз и др.) состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных ил и отграниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимо действующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Например, любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи образует пространственно отграниченные о рганы, которые, в свою очередь, состоят из отдельных клеток. Энергетическ ий аппарат клетки представлен отдельными митохондриями, аппарат синте за белков – рибосомами и т.д. вплоть до макромолекул, каждая из которых мо жет выполнять свою функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность строения организма – основа его структурной уп орядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов (молекул, ферментов, органоидов клетки, целых клеток) без прекращения выполняемой функции. Ди скретность вида предопределяет возможность его эволюции путем гибели или устранения индивидов с полезными для выживания признаками. Авторегуляция. Это способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающ ей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенс ивность течения физиологических процессов – гомеостаз. При этом недос таток поступления каких-либо питательных веществ мобилизует внутренни е ресурсы организма, а избыток вызывает запасание этих веществ. Подобные реакции осуществляются разными путями благодаря деятельности регулят орных систем – нервной, эндокринной и некоторых других. Сигналом для вк лючения той или иной регулирующей системы может быть изменение концент рации какого-либо вещества или состояния какой-либо системы. Ритмичность . Периодические изме нения в окружающей среде оказывают глубокое влияние на живую природу и н а собственные ритмы живых организмов. Ритм – это, в общих чертах, повторение одного и того же события или воспро изведение одного и того же состояния через равные промежутки времени. В биологии под ритмичностью понимают периодические изм енения интенсивности физиологических функций и формообразовательных процессов с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до год а и столетия). Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у челов ека; сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих (сусли ки, ежи, медведи) и многие другие. Ритмичность направлена на согласование функций орган изма с окружающей средой, т.е. на приспособление к периодически меняющим ся условиям существования. Энергозависимость. Живые тела представляют собой «отк рытые» для поступления энергии системы. Это понятие заимствовано из физ ики. Под «открытыми» системами понимают динамические, т.е. не находящиес я в состоянии покоя системы, устойчивые лишь при условии непрерывного до ступа к ним энергии и материи извне. Таким образом, живые организмы сущес твуют до тех пор, пока в них поступают энергия и материя в виде пищи из окр ужающей среды. Следует отметить, что живые организмы в отличие от объект ов неживой природы отграничены от окружающей среды оболочками (наружна я клеточная мембрана у одноклеточных, покровная ткань у многоклеточных ). Эти оболочки затрудняют обмен веществ между организмом и окружающей с редой, сводят к минимуму потери вещества и поддерживают пространственн ое единство системы. Таким образом, живые организмы резко отличаются от объектов физики и хим ии – неживых систем – своей исключительной сложностью и высокой струк турной функциональной упорядоченностью. Эти отличия придают жизни кач ественно новые свойства. Живое представляет собой особую ступень разви тия материи. Многочисленные определения сущности жизни можно свести к двум основны м. Согласно первому, жизнь определяется субстратом – носителем ее свойс тв, например белком. Вторая группа определений оперирует совокупностью специфических физико-химических процессов, характерных для живых сист ем. Классическое определение Ф. Энгельса: «Жизнь есть способ существова ния белковых тел, существенным моментом которого является постоянный о бмен веществ с окружающей их природой, причем с прекращением этого обмен а веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» - лишь фо рмально может быть отнесено к первой категории, так как Энгельс имел в ви ду не собственно белки, а структуры, содержащие белок. С другой стороны, об мен веществ также не может служить единственным критерием жизни, да и са м нуждается в объяснении при посредстве жизни. В самом общем виде жизнь можно определить как активное, идущее с затрато й полученной извне энергии поддержание и самовоспроизведение специфич еской структуры. Эволюция форм жизни. Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нын ешние бактерии и сине-зеленые водоросли. Возраст таких самых древних орг анизмов коло 3 млрд. лет. Их свойства: 1. подвижность; 2. питание и способность запасать пищу и энергию; 3. защита от нежелательных воздействий; 4. размножение; 5. раздражимость; 6. приспособление к изменяющимся внешни м условиям; 7. способность к росту. На следующем эта пе (приблизительно 2 млрд. лет тому назад) в клетке появляется ядро. Однокл еточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25-30 тыс. видов. Самые п ростые из них – амебы. Инфузории имеют ещё и реснички. Ядро простейших ок ружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит хромосомы и нуклео ли. Ископаемые простейшие – радиолярии и фораминиферы – основные част и осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигатель ным аппаратом. Примерно 1 млрд. лет тому назад появились первые многоклеточные организм ы, и произошел выбор растительной деятельности – фотосинтез – создани е органического вещества из углекислоты и воды при использовании солне чной энергии, улавливаемой хлорофиллом. Продукт фотосинтеза – кислоро д в атмосфере. Возникновение и распространение растительности привело к коренному из менению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободног о кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, созда ли атмосферу, содержащую свободный кислород, которые не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультр афиолетовым лучам к поверхности Земли. Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре гран диозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а р азвитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных поро д, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов. К важным свойствам живых систем относятся: 1. Компактность. В 5*10 -15 гр. ДНК, содержащейся в оплодотворенно й яйцеклетке кита, заключена информация для подавляющего большинства п ризнаков животного, которое весит 5*10 7 г р. (масса возрастает на 22 порядка). 2. Способность создавать порядок из хао тического теплового движения молекул и тем самым противодействовать в озрастанию энтропии. Живое потребляет отрицательную энтропию и работа ет против теплового равновесия, увеличивая, однако, энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено живое вещество, тем более в нем скрытой э нергии и энтропии. 3. Обмен с окружающей средой веществом, э нергией и информацией. Живое способно ассимилировать полученные извне вещества, т.е. перестраивать их, уподобляя собственным материальным стру ктурам и за счет этого многократно воспроизводить их. 4. В метаболических функциях большую ро ль играют петли обратной связи, образующиеся при автокаталитических ре акциях. «В то время как в неорганическом мире обратная связь между «след ствиями» (конечными продуктами) нелинейных реакций и породившими их «пр ичинами» встречается сравнительно редко, в живых системах обратная свя зь (как установлено молекулярной биологией), напротив, является скорее п равилом, чем исключением» Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. – с.209. . Автокатализ, кросс-катализ и автоингибиция (процесс, пр отивоположный катализу – если присутствует данное вещество, оно не обр азуется в ходе реакции) имеет место в живых системах. Для создания новых с труктур нужна положительная обратная связь, для устойчивого существов ания – отрицательная обратная связь. 5. Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химическ их компонентов и динамики протекающих в живом превращении. Живые систем ы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности и аси мметрии в пространстве и времени. Структурная компактность и энергетич еская экономичность живого – результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне. 6. В самоорганизации неживых систем мол екулы просты, а механизмы реакций сложны; в самоорганизации живых систем , напротив, схемы реакций просты, а молекулы сложны. 7. У живых систем есть прошлое, у неживых его нет. «Целостные структуры атомной физики состоят из определенного ч исла элементарных ячеек, атомного ядра и электронов и не обнаруживают ни какого изменения во времени, разве что испытывают нарушения извне. В слу чае такого внешнего нарушения они, правда, как-то реагируют на него, но есл и нарушение было не слишком большим, они по прекращению его снова возвра щаются в исходное положение. Но организмы – не статические образования . Древнее сравнение живого существа с пламенем говорит о том, что живые ор ганизмы, подобно пламени представляют собой такую форму, через которую м атерия в известном смысле проходит как поток» Гейзенберг В. Цит. Соч. – С.233. . 8. Жизнь организма зависит от двух факто ров – наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменч ивости, зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида. Интересен, что сейчас жизнь на Земле не могла бы возникнуть из-за кислоро дной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жи знь находится в процессе постоянной эволюции. 9. Способность к избыточному самовоспро изводству. «Прогрессия размножения, столь высокая, что она ведет к борьб е за жизнь и ее последствию – естественному отбору» Дарвин Ч. Соч. Т.3 – М-Л., 1939. – С.666. . За счет чего функционирует энергетика всего живого ? Все функции живых систем, требующие расходования э нергии, должны обеспечиваться ею от некоторых внешних источников. Ими яв ляются органические вещества с запасенной в них химической энергией. Ча сть организмов синтезирует эти вещества внутри себя из неорганических веществ. Например, из углекислого газа и воды под действием солнечного с вета (такой процесс называется фотосинтезом) или в процессе окисления (х емосинтез в некоторых бактериях). Эти организмы называют автотрофами. Бо льшинство автотрофов – это зеленые растения, осуществляющие фотосинт ез. Другая часть организмов (например, все животные и человек), называемых гетеротрофами, приспособилась к потреблению энергии из готовых органи ческих веществ, синтезированных автотрофами. Питательные органические вещества, поглощаемые гетеротрофами, обладаю т большей упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофов переносят упорядоченность (неэнтропию) из внешней среды в самих себя. Для автотрофов эта же цель достигается пут ем выполнения внутренней работы за счет энергии электромагнитного изл учения солнца. Таким образом, назначение метаболизма, то есть обмена веществ живой сист емы с внешней средой, состоит в поддерживании определенного уровня орга низации этой системы и ее частей. Эта цель достигается за счет отбора изв не веществ и энергии, которые обеспечивают химический синтез необходим ых организму соединений, а также вывод из живой системы всего, что не може т быть ею использовано. Метаболизм необходим для противодействия увели чению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой систем е. Между двумя типами организмов – авто- и гетеротрофами – существует пищ евая (трофическая) связь. Живые системы образуют пищевые цепочки: энерги я, накопленная при фотосинтезе растениями, передается через травоядных к хищникам; заключительным звеном пищевой цепочки являются микробы, пер ерабатывающие вещество отмерших организмов в неорганические вещества . В последующем эти молекулы вновь могут участвовать в образовании и жив ых систем. В итоге в биосфере сформировался глобальный круговорот вещес тв, который обусловлен так называемыми биогеохимическими циклами. Осно вными являются циклы обращения в биосфере воды, а также элементов, из кот орых состоят живые системы. Первоисточником энергетического потока, проходящего сквозь все пищевы е цепочки в биосфере, служит энергия солнечного электромагнитного излу чения, попадающая на поверхность Земли в видимом диапазоне (свет). Финало м преобразований в пищевых цепочках является освобождение энергии в ви де тепла при переработке микробами органических остатков. Вся высвобод ившаяся в процессе жизнедеятельности в биосфере энергия возвращается поверхностью Земли в мировое пространство главным образом в виде элект ромагнитного инфракрасного диапазона. В глобальном энергетическом балансе принципиально важно, что энтропия поступающего на Землю коротковолнового излучения меньше, чем энтропия длинноволнового излучения, переизлучаемого нашей планетой. За счет это й отрицательной разности энтропий на поверхности Земли возможно образ ование и поддержание упорядоченных структур (как это происходит и во мно гих других природных системах). Вся биосфера Земли представляет собой вы сокоорганизованную систему, упорядоченность в которой поддерживается за счет отрицательного энтропийного баланса. Начало жизни на Земле. Начало жизни на Земле – появление нуклеиновых кис лот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органически х веществ а простым живым организмам пока неясен. Теория биохимической э волюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе меж ду коацерватами – сгустками органических веществ – могли выстраиват ься молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примит ивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В р езультате включения в коацерват молекулы, способной в самовоспроизвед ению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту. Самое трудное для этой гипотезы – объяснить способность живых систем к самовоспроизведению, т.е. сам переход от сложных неживых систем к просты м живым организмам. Несомненно, в модели происхождения жизни будут включ аться новые знания, и они будут более обоснованными. Но, повторимся, что че м более качественно новое отличается от старого, тем труднее объяснить е го возникновение. Поэтому здесь и говорят о моделях и гипотезах, а не о тео риях. Так или иначе, следующим шагом в организации живого должно было быть обр азование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка – «единица жизни» , главнее структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи хи мических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла п олучить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные б иомолекулы и удалить отходы. Огромное значение для биологических проце ссов в клетке имеют ферменты. Они обладают часто высокой специализирова нностью и могут влиять только на одну реакцию. Принцип их действия в том, ч то молекулы других веществ стремятся присоединиться к активным участк ам молекулы фермента. Тем самым повышается вероятность их столкновения, а, следовательно, скорость химической реакции. Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Почти в каждой из клето к человек синтезируется свыше 10000 разных белков. Величина клеток – микро метра до более одного метра (у нервных клеток, имеющих отростки). Клетки мо гут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т.д.). Большинство из них обладает способностью восстанавливаться, но некоторые, например, нервн ые – нет или почти нет. Вещественная основа жизни. ХХ век привел к созданию первых научных м оделей происхождения жизни. В 1924 году в книге Александра Ивановича Опарин а «происхождения жизни» была впервые сформулирована естественнонаучн ая концепция, согласно которой возникновение жизни – результат длител ьной эволюции на Земле – сначала химической, затем биохимической. Эта к онцепция получила набольшее признание в научной среде. Можно выделить следующие этапы живых систем, начиная с самых простейши х и затем следуя пути постепенного усложнения. В вещественном плане для становления жизни нужен прежде всего углерод. Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремниевой основе. Возможно где-то во Вселенной существует и «кремни евая цивилизация», но на Земле основой жизни является углерод. Чем это обусловлено? Атому углерода вырабатываются в недрах больших зв езд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен со здавать разнообразные (несколько десятков миллионов), подвижные, низкоэ лектропроводные, студенистые, насыщенные водой, длинные скрученные цеп еобразные структуры. Соединения углерода с водородов, кислородом, азото м, фосфором, серой, железом обладают замечательными каталитическими, стр оительными, энергетическими, информационными и иными свойствами. Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к «кирпичика м» живого. Клетка состоит на 7% из кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. В се кирпичики живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространен ным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собо й, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде. По радиоастрономическим данным органические вещества возникали не т олько до появления жизни, но и до формирования нашей планеты. Следовател ьно, органические веществе абиогенного происхождения присутствовали н а Земле уже при ее образовании. При образова нии Земли из космической пыли (частиц железа и силикатов – веществ, в сос тав которых входит кремний) и газа весьма вероятно, что на внешних участк ах Солнечной системы газы могли конденсироваться. Органические соедин ения могли синтезироваться и на поверхности пылинок. Химические и палеонтологические исследования древнейших докембрийских отложений и особенно многочисленные модельные эксперименты, воспроизводящие усл овия, которые господствовали на поверхности первобытной Земли, позволя ют понять, как в этих условиях происходило образование все более сложных органических веществ. Жизнь возможна только при определенных физических и химических услов иях (температура, присутствие воды, солей и т.д.). Прекращение жизненных пр оцессов, например, при высушивании семян или глубоком замораживании мел ких организмов, не ведет к потере их жизнеспособности. Если структура со храняется неповрежденной, она при возвращении к нормальным условиям об еспечивает восстановление жизненных процессов. Также и для возникновения жизни нужны определенные диапазоны темпера туры, влажности, давления, уровня радиации, определенная направленность развития Вселенной и время. Взаимное удаление галактик приводит к тому, что их электромагнитное излучение приходит к нам более ослабленным. Есл и бы галактики сближались, то плотность радиации во Вселенной была бы ст оль велика, что жизнь не могла бы существовать. Углерод синтезирован в зв ездах-гигантах несколько миллиардов лет назад, Если бы возраст, Вселенно й был меньше, то жизнь также не могла бы возникнуть. Планеты должна иметь о пределенную массу для того, чтобы удержать атмосферу. Организации живых систем. С момента возникновения жизни органическая природа на ходится в непрерывном развитии. Процесс эволюции длится уже сотни милли онов лет, и его результатом является то разнообразие форм живого, которо е во многом до конца его не описано и не классифицировано. Жизнь на Земле представлена ядерными и доядерными, одноклеточными и мно гоклеточными существами; многоклеточные, в свою очередь, представлены г рибами, растениями и животными. Любое их этих царств объединяют разнообр азные типы, классы, отряды, семейства, роды, виды, популяции и индивидуумы. Первые представления о системах и уровнях организации живых систем был и заимствованы из опыта изучения живой природы. Следующий, теоретически й шаг в понимании сущности вопросов неизбежно связан с анализом непосре дственно данной живой системы, ее расчленением на отдельные подсистемы и элементы, изучение структуры системы, выявлением различных структурн ых уровней организации живых систем. Можно выделить несколько разных уровней организации живого: молекуляр ный, клеточный, тканевый, органный, онтогенетический, популяционный, вид овой, биогеоцентрический, биосферный. Перечисленные уровни выделены по удобству изучения. При изучении молекулярно-генетического уровня достигнута, видимо, наиб ольшая ясность в определении основных понятий, а также в выявлении элеме нтарных структур и явлений. Развитие хромосомной теории наследственно сти, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и в ирусов вскрыли основные черты организации элементарных генетических с труктур и связанных с ними явлений. Представление о структурных уровнях организации сформировалось под вл иянием открытия клеточной теории строения живых тел. В середине XIX в. клет ка рассматривалась как последняя единица живой материи, наподобие атом а неорганических тел. Л. Пастер высказал мысль, что важнейшим свойством в сей живой материи является молекулярная асимметричность, подобная аси мметричности левой и правой рук. Опираясь на эту аналогию, в современной науке это свойство назвали молекулярной хиральностью (от греч. cheir – «рук а»). Наряду с изучением структуры белка в последние 50 лет интенсивно изучали сь механизмы наследственности и воспроизводства живых систем. Особенно остро этот вопрос встал перед биологами в связи с определением границы между живым и неживым. С тр ого научное разграничение живого и неживого встречает определенные тр удности. Имеются как бы переходные формы от нежизни к жизни. Большие споры возникли вокруг природы вирусов, обладающих сп особностью к самовоспроизводству, но не имеющих возможности осуществл ять процессы, которые мы обычно приписываем живым системам: обмениватьс я веществом, реагировать на внешние раздражители, расти и т.п. В ирусы вне клеток другого организ ма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный ап парат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки организ ма-хозяина и используя его ферментные системы. Очевидно , если считать определяющим свойством живого обмен веществ, то вирусы не льзя назвать живыми организмами, но если таким свойством считать воспро изводимость, то их следует отнести к живым телам. В з ависимости от того, какой признак мы считаем самым важным, мы относим вир усы в живым системам или нет. Как это ни странно но до сих пор нет удовлетворяющего всех определения понятия «жизнь, живое». Переход на молеку лярный уровень исследования во многом изменил представления о механиз ме изменчивости. Согласно доминирующей точке зрения основным источник ом изменений и последующего отбора являются мутации, возникающие на мол екулярно-генетическом уровне. Однако, кроме переноса свойств от одного о рганизма к другому, существуют и другие механизмы изменчивости, важнейш им из которых являются «генетические рекомбинации». В одних случаях, наз ываемых «классическими» они не приводят к увеличению генетической инф ормации, что наблюдается главным образом у высших организмов. В других, « неклассических» случаях рекомбинация сопровождается увеличением инф ормации генома клетки. При этом фрагменты хромосомы клетки-донора могут включаться в хромосому клетки-реципиента, а могут оставаться в латентно м скрытом состоянии, но под влиянием внешних факторов они становятся акт ивными и поэтому могут соединиться с клеткой-реципиентом. Дальнейшее исследование «неклассических» форм генетических рекомбин аций привело к открытию целого ряда переносимых, или «мигрирующих», гене тических элементов. Важнейшим из них являются автономные генетические элементы, названные плазмидами, которые служат активными переносчикам и генетической информации. На основе этих результатов некоторыми учены ми высказано предположение, что «мигрирующие» генетические элементы в ызывают более существенные изменения в геномах клеток, чем мутации. Все это не могло не поставить вопроса: работает ли естественный отбор на молекулярно-генетическом уровне? Появление «теории нейтральных мутаций» ещё больше обострило ситуацию, поскольку она доказывает, что изменение в функциях аппарата, синтезирую щего белок, являются результатом нейтральных, случайных мутаций, не оказ ывающих влияния на эволюцию. Хотя такой вывод и не является общепризнанн ым, но хорошо известно, что действие естественного отбора проявляется на уровне фенотипа, то есть живого целостного организма, а это связано уже с более высоким уровнем исследования. Развитие современной концепции биохимическо го единства всего живого. Пока в биологии не существовало методов физико-химическог о исследования и сколько-нибудь ясных теоретических концепций, сущност ь живого сводили к наличию некоей «таинственной силы», благодаря которо й развивается и воспроизводится все живое. Такой подход к пониманию живо го называют витализмом. Витализм уводил исследователей по ложному пути и не способствовал постижению принципов функционирования живых органи змов. Эти принципы были раскрыты на пути детального изучения процессов о бмена веществом, энергией и информацией в живых системах разного уровня организации, начиная от клетки и заканчивая биосферой. Углубление современных знаний о происхождении жизни приводит к появле нию различных теорий предбиологической эволюции. Существует несколько точек зрения на саму природу образования жизни на Земле. Первая заключается в следующем: жизнь возникла на Земле из неживых (мине ральных) форм. Следовательно: а ) Жизнь представляет собой н аправленный вектор эволюции от неживого к живому; б ) Грань живого и неживого весьма рез ка, а сама жизнь крайне неустойчива и может в любой момент вернуться в обл асть неживого; в ) Живое из неживого – событие почти невероятное! Особенно если учесть, что на близко расположенных планетах признаки жизни не обнаружены. Вторая посылка: жи знь получила развитие на Земле. Это означает, что: а ) Жизнь является порождение м Космоса, а Земля предоставила лишь необходимые условия для ее развития (в космическом пространстве на орбите между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов, из которого к нам на Землю попадают некоторые разновид ности метеоритов (хондриты!) концентрации углерода неорганического про исхождения, из которого возможен синтез первоосновы жизни – аминокисл от; б ) Преджизненная основа – весьма ус тойчивое образование, раз она может преодолевать громадные расстояния в Космосе; в ) Сущность принципа Пастера-Реди (жи вое только от живого); г ) Жизнь – не такое уж редкое событие во Вселенной. По гипотезе англи йского астрофизика Джеймса Джинса (1877-1946) предполагается, что жизнь – это п лесень, возникающая на поверхности небесных тел. Это парадоксальное утв ерждение было наиболее естественным объяснением возникновения жизни. Анализируя феномен живого вещества, можно заключить, что он препятствуе т вырождению материи во Вселенной, так как часть ее бесструктурного сост ояния переходит в структурное, понижая энтропию системы. Фотосинтез – п рекрасная иллюстрация этому. Переходя от неживого к живому осуществился после того, как на базе предш ествующих предбиологических структур возникли и развились зачатки дву х основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ (метаболиз ма) и системы воспроизводства живой клетки. Пока невозможно сказать, как конкретно происходило это развитие. В современной природе мы наблюдаем конечный результат того качественного скачка, который привел к образов ании живой клетки, и последовавшего за этим процесса биологической эвол юции. Изучение указанных система дало важнейшие попутный результат: сформир овалась фундаментальная для всего естествознания живой природы незави симо от уровня организации составляющих ее структур. Это идея, зародивша яся ещё в XIX ве ке, обрела вид законченной концепции биохимического единства живого в 1920- х гг., благодаря трудам голландских микробиологов А.Клюйвера и Г.Донкера. К настоящему времени эта концепция обоснована результатами всесторонн их исследований, которые исчерпывающе демонстрируют единство всего жи вого по самым фундаментальным свойствам: схожесть химического состава, свойство хиральности живого, универсальная роль аденозинтрифосфата (А ТФ) в качестве аккумулятора и переносчика биологически запасенной энер гии; универсальность генетического кода и др. Список литературы. 1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. Курс лекций – М.: Центр, 2000. 2. Захаров В.Б., Мамонтов С .Г., Сивоглазов В.И. Биология: общие закономерности. Учебник для 10-11 кл. общеоб разовательных учебных заведений. М.: Школа-Пресс, 1996. 3. Концепции современного ес тествознания. Учебник. Под ред. профессора В.Н. Лавриненко, профессора В.П. Ратникова. М.: «Культура и спорт». Издательское объединение «ЮНИТИ», 1997. 4. Самыгин С.И., Голубинце в В.О., Любченко В.С., Минасян Л.А. Концепции современного естествознания: эк заменационные ответы. Серия «сдаем экзамен». Ростов-на-Дону: «Феникс», 2001. 5. Чипак Ю.А., Борисов Д.А., Попова Н.С., Сарафа нова Е.В. «Экзамен по курсу концепции современного естествознания». Под ред. Т.В. Макеевой. М.: «приор-издат», 2004.