Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

ла к появлению новой науки —

генной

инженерии, целью

кот(

рой является создание новых форм организмов с заданным

свойствами, конструирование новых, не существующих в пр]

роде сочетаний генов с помощью генетических и

биохимичесга

методов. Процесс генной инженерии сводится к видоизменени

ДНК, которой кодируется производство белка с нужными

сво|

ствами, на чем базируются все современные биотехнологии.

С помошью рекомбинантной ДНК можно синтезирован

разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичны

организмов) для направленного синтеза белка. Так, в 1978

был синтезирован инсулин — белок для лечения диабета.

Нуа

ный ген был введен в плазмиду и внедрен в обычную

бактерию.

Генетики работают над созданием безопасных вакцин от

В1

русных инфекций, так как традиционные вакцины представляю

собой ослабленный вирус, который должен вызывать

выработк

антител, и их введение связано с определенным риском. Генна

инженерия позволяет получить ДНК, кодирующую

поверхност

ный слой вируса. В этом случае иммунитет вырабатывается, н(

заражение организма исключено.

Химически приготовленные последовательности ДНК

можн(

использовать для выявления генетических дефектов,

говорящш

о предрасположенности организма к какому-то заболеванию

Есть надежда, что генетические болезни будут излечиваться

пу

тем замещения дефектных генов или введения генов, получен

ных

методами генной инженерии.

Огромную роль генная инженерия играет в охране окру

жающей

среды. С этой целью созданы микроорганизмы

дш

очистки сточных вод, переработки отходов и отбросов

предлри

ятий, а также бактерии, очищающие воду от примесей нефти.

Также генная инженерия позволяет сохранять ценные поро-

ды скота. Законсервированный ген нужной породы можно вве-

сти в организм любой другой породы и получить его развитие в

этом организме.

В генной инженерии рассматривается вопрос о продолжении

жизни и возможности бессмертия путем изменения генетиче-

ской программы человека. В этих целях можно увеличить за-

щитные ферментные функции клетки, оберегать молекулы ДН

от различных повреждений, связанных как с нарушением обм

на веществ, так и с влиянием окружающей среды. Кроме того,

ученым удалось открыть пигмент старения и создать специал

ный препарат, освобождающий клетки от него. Было также за-

мечено, что

момент деления клетки уменьшаются теломеры —

426

особые хромосомные структуры, расположенные на концах кле-

точных хромосом. Дело в том, что при репликации ДНК специ-

альное

веществе

— полимераза — идет по спирали ДНК, снимая

с нее копию. Но копировать ДНК полимераза начинает не с са-

мого начала, а оставляет каждый раз недокопированный кон-

чик. Поэтому с каждым последующим копированием спираль

ДНК укорачивается за счет концевых участков, не несущих ни-

какой информации, — теломер. Как только теломеры исчерпы-

ваются, при последующих копированиях начинает сокращаться

часть ДНК, несущая генетическую информацию, что и является

причиной старения клеток. В

1997

г. в США и Канаде был про-

веден эксперимент по искусственному удлинению теломер с ис-

пользованием вновь открытого клеточного фермента — теломе-

разы, способствующей нарашиванию теломер. После удлинения

геломер клетки обрели способность многократно делиться, пол-

ностью сохраняя свои нормальные свойства и не превращаясь в

раковые клетки.

В последнее время стали широко известны успехи генных

инженеров в области клонирования — точного воспроизведения

того или иного живого объекта из соматической клетки в опре-

деленном количестве копий. При этом выращенная особь гене-

тически неотличима от родительского организма.

Получение клонов у организмов, размножающихся посредст-

вом партеногенеза, без предшествующего оплодотворения,. не

является чем-то особенным и давно используется генетиками. У

высших организмов также известны случаи естественного кло-

нирования — рождение однояйцевых близнецов. Но искусст-

венное получение клонов высших организмов связано с серьез-

ными трудностями. Тем не менее, в феврале 1997 г. в лаборато-

рии Яна

Вильмута

в Эдинбурге был разработан метод клониро-

вания млекопитающих, и с его помощью была выращена овечка

Долли. Для этого у овцы породы Шотландской черномордой

извлекли яйцеклетки, поместили их в искусственную питатель-

ную среду и удалили из них ядра. Затем взяли клетки молочной

железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет,

несущие полный генетический набор. Эти клетки через некото-

рое,

время слили с безъядерными яйцеклетками и активировали

их развитие посредством электрического удара. Развивающийся

зародыш в течение шести дней рос в искусственной среде, после

чего эмбрионы были трансплантированы в матку приемной ма-

тери, где и развивались до рождения. Но из 236 опытов успешным

оказался лишь один — выросла овечка Долли.

427

После этого

Вильмут

заявил о принципиальной

возможное!

клонирования человека, вызвавшей самые оживленные

диску!

сии не только в научной среде, но и в парламентах многих

стра]

Ведь такая возможность связана с очень серьезными

моральна

ми, этическими и юридическими проблемами. Не случайно

некоторых странах уже приняты законы, запрещающие

клон!

рование человека. Ведь большинство клонированных

эмбриощ

гибнет. Кроме того, велика вероятность рождения уродов.

"П

что такие опыты аморальны, да и просто опасны с точки

зрен*

сохранения чистоты вида

Нолю

5ар1еп5.

То, что риск

слишко

велик, подтверждается информацией, пришедшей в начале 2002 г,

сообщающей о заболевании овечки Долли артритом —

болезньк

не характерной для овец.

Поэтому намного более перспективным направлением ис

следования является изучение генома (всей совокупности генов

человека. В 1988 г. по инициативе Дж. Уотсона была создан

международная организация «Геном человека», которая объе

динила множество ученых из разных стран и поставила задач

расшифровки всего генома человека.

Это

грандиозная задача

так как число генов в организме человека составляет от 50 д<

100 тысяч, а весь геном — это более 3 млрд нуклеотидных пар

Считается, что первый этап данной программы —

расшифровю

последовательности расположения нуклеотидных пар — буде

завершен к 2005 году. Уже проведена работа по созданию «атла

са»

генов, набора их карт. Первая такая карта была составлена

Д.

Коэном

и Ж. Доссе. В окончательном варианте она была пред-

ставлена в 1996 г. Ж.

Вайсенбахом.

Вайсенбах, изучая под мик

роскопом хромосому, с помощью специальных маркеров поме

чал ДНК различных ее участков. Затем он клонировал эти уча-

стки, выращивая их на микроорганизмах, и получал фрагмент

ДНК — последовательность нуклеотидов одной цепочки ДНК

из которой состояли хромосомы. Таким образом, им было лока-

лизовано 223 гена и выявлено 30 мутаций, приводящих к 200

заболеваниям: гипертонии, диабету, глухоте, слепоте, злокачест-

венным опухолям.

Основные достижения этой программы, пусть даже и не за-

конченной, — возможность выявления генетической патологии

на ранней стадии беременности, создание генотерапии, лечение

наследственных болезней с помощью генов. Вначале выясняют,

какой ген оказался дефектным, затем получают нормальный ген и

вводят его во все больные клетки. При этом очень важно отсле-

дить, чтобы введенный ген работал под контролем механизмов

428

клетки, иначе мы получим раковую клетку. Уже есть первые боль-

ные,

вылеченные таким образом. Правда, пока не ясно, насколь-

радикально они излечены и не вернется ли болезнь в буду-

щем. Также не ясны отдаленные последствия такого лечения.

Конечно, использование биотехнологии и генной инженерии

имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Об этом

говорит опубликованный в 1996 г. Федерацией европейских

микробиологических обществ меморандум. Принятие меморан-

дума

связано с тем, что широкая общественность с подозрением

и враждебностью относится к генным технологиям. Страх вызы-

вает возможность появления генетической бомбы, способной

исказить геном человека. Говорят о том, что широкое внедрение

новых технологий может привести к появлению неизвестных по-

ка заболеваний и созданию биологического оружия. И наконец, в

последнее время широко обсуждается вопрос распространения

трасгенных продуктов питания, созданных путем внедрения ге-

нов, блокирующих развитие вирусных или грибковых заболева-

ний. Уже созданы и продаются трансгенные помидоры и кукуру-

за. На рынок поставляются хлеб, сыр и пиво, приготовленные с

помощью трансгенных микробов. Такие продукты устойчивы по

отношению к вредным бактериям, обладают улучшенными каче-

ствами — вкусом, питательной ценностью, крепостью и т.д. Так,

в Китае выращивают устойчивые к вирусам табак, томаты и

сладкий перец. Известны трансгенные томаты, устойчивые к

бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к

грибкам. Но до сих пор неизвестны отдаленные последствия ис-

пользования таких продуктов, прежде всего их воздействие на ор-

ганизм и геном человека.

Конечно, за двадцать лет использования биотехнологий не

случилось ничего из того, что опасаются люди. Все новые мик-

роорганизмы, созданные учеными, менее болезнетворны, чем их

исходные формы. Ни разу не произошло вредного или опасного

распространения рекомбинантных организмов. Тем не менее,

ученые тщательно следят за тем, чтобы трансгенные штаммы не

содержали генов, которые после их переноса в другие бактерии

могут дать опасный эффект. Существует теоретическая опасность

создания новых видов бактериологического оружия на основе

генных технологий. Поэтому ученые должны учитывать этот риск

и содействовать развитию системы надежного международного

контроля, способного зафиксировать такие работы; разрабатывать

документы, регламентирующие применение подобных техноло-

гий, правила безопасности в лабораториях и промышленности, а

429

также правила внесения генетически модифицированных

орга-1

низмов в окружающую среду. Таким образом, сегодня

считается^!

что при соблюдении соответствующих правил и

предосторожно!

сгей

польза, приносимая генными технологиями,

перевешивает|

риск возможных отрицательных последствий.

17.4. Онтогенетический уровень

Как было отмечено выше, на этом уровне изучается жизне-

деятельность отдельных биологических особей, индивидов.

ним относятся и одноклеточные организмы, состоящие из ядра,

цитоплазмы, органелл и мембран, и многоклеточные особи, об-

разованные из огромного множества клеток. Сложность много-

клеточных организмов превосходит сложность одноклеточных,

но и те и другие обладают системной организацией и выступают

как единое целое. Таким образом, на онтогенетическом уровне

единицей жизни служит особь. Ведь понять ее специфику, исхо-

дя только из физико-химических свойств макромолекул,

невоз-

можно. Так выявляется специфика онтогенетического уровня

жизни — изучение организма как единого целого, системы. Это

организменный уровень жизни.

Становление Сегодня наукой установлено точно, что ми-

клеточной теории

нимальной

живой системой является клетка.

Наука,

изучающая живую клетку, называется

цитологией.

Она изучает строение клеток, их функционирование

как элементарных живых систем, исследует функции отдельных

клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, при-

способление их к условиям среды и др. Также цитология изучает

особенности специализированных клеток, становление их особых

функций и развитие специфических клеточных структур. Таким

образом, современная цитология может быть названа физиоло-

гией клетки.

В основе цитологии лежит утверждение, что все живые орга-

низмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и про-

дуктов их жизнедеятельности, так как элементарной единицей жи-

вого и основной единицей строения и развития всех живых су-

ществ является клетка. Новые клетки образуются путем деления

существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическо-

му составу и обмену веществ. Активность организма как целого

слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

Перечисленные нами положения современной цитологии

почти не отличаются от основных положений клеточной теории,

430

созданной немецкими учеными Т.

Шванном

и М.

Щлейденом.

Но

они не являются единственными авторами этой теории, они

лишь смогли ясно и убедительно сформулировать ее положения.

А открытие существования клеток и их исследование начинаются

в конце XVII в. с изобретением первого микроскопа. Впервые

клетка была описана английским ученым Робертом

Гуком,

когда

он рассматривал

^кусочек

пробки. Поскольку его микроскоп был

не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле

стенками отмерших клеток. Потребовалось почти

двести

лет, что-

бы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а

ее

внутреннее содержимое. Среди предшественников клеточной

теории также следует назвать А.

Левенгука,

показавшего, что тка-

ни многих растительных организмов построены из клеток, он же

описал эритроциты, одноклеточные организмы и бактерии.

Значительное продвижение в изучении клеток произошло в

начале XIX в., когда их стали

рассмотривать

как индивидуумы,

обладающие жизненными свойствами. В 1830-е годы было от-

крыто и описано клеточное ядро, что привлекло внимание уче-

ных к содержимому клетки. Тогда же удалось увидеть деление

растительных клеток. На основе этих исследований и была созда-

на клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии

XIX в. Именно она дала решающие доказательства единства всей

живой природы, послужила фундаментом для развития эмбрио-

логии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также пони-

мания индивидуального развития организмов.

Таким образом, с появлением клеточной тео-

рии

«оболочечный»

период в цитологии за-

кончился. Клетку стали представлять в виде

комка протоплазмы с ядром внутри (термин

«протоплазма»

был предложен в 1840 г. для обозначения всего,

что находилось внутри клеточных стенок). К концу XIX в. были

обнаружены составные части протоплазмы — митохондрии, сет-

чатый аппарат, нуклеиновые кислоты. Тогда же было изучено

деление клеток.

По современным представлениям, клетки могут существо-

вать как самостоятельные организмы (например, простейшие) и

в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки,

служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела).

Соматические клетки различаются по строению и функциям —

существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки.

Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бак-

терии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). В живом организме

431

Строение

и размножение

клеток

находятся миллиарды разнообразных клеток (до

форм

которых может быть самой причудливой (паук, звезда,

снежиню

пр.).

Несмотря на большое разнообразие клеток и их функций, во

они состоят из трех основных частей —

плазматической

мембра

ны,

контролирующей переход вещества из окружающей среды

клетку и обратно; цитоплазмы с разнообразной структурой

клеточного ядра, в котором содержится генетическая информа-

ция. Кроме того, все животные и некоторые растительные клет

ки содержат

центриоли

~ цилиндрические структуры, образую

щие клеточные центры. У растительных клеток также есть кле-

точная стенка (оболочка) и пластиды — специализированны

структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зави

сит окраска клетки.

Клеточная мембрана состоит из двух слоев молекул

жиропо

добных веществ, между которыми находятся молекулы белков

Мембрана поддерживает нормальную концентрацию солей

внут

ри клетки. При повреждении мембраны клетка погибает.

Цитоплазма представляет собой водно-солевой раствор из

ферментов и других веществ в растворенном и взвешенном со-

стояниях. В цитоплазме располагаются органеллы, окруженные

своими мембранами:

. митохондрии — мешковидные образования с дыхательны-

ми ферментами, в которых высвобождается энергия;

• рибосомы — органеллы, состоящие из белка и РНК, с по-

мощью которых идет синтез белка;

• эндоплазматическая сеть

-—

общая внутриклеточная цир-

куляционная система, по каналам которой осуществляется

транспорт веществ; на мембранах этих каналов находятся

ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки;

•

клеточный

центр,

состоящий из двух центриолей. С него

начинается процесс деления клетки;

• ядро — важнейшая часть всех клеток (кроме бактериаль-

ных), в которой находятся хромосомы — длинные ните-

видные тельца, состоящие из ДНК и присоединенного к

ней белка. Поэтому ядро хранит и воспроизводит генети-

ческую информацию, а также регулирует процессы обмена

веществ в клетке.

Клетки растут и размножаются путем деления на две дочер-

ние клетки. При этом дочерним клеткам передается полный на-

бор хромосом, несущих генетическую информацию. Перед деле-

нием число хромосом удваивается. Такое деление клеток, обеспе-

432

Типы клеток

и организмов

чивающее

одинаковое распределение генетического материала

между дочерними клетками, называется митозом.

Многоклеточные организмы также развиваются из одной

клетки — яйца. Но в процессе его деления клетки видоизменя-

ются. Это приводит к появлению множества разных клеток —

мышечных, нервных, кровяных и т.д. Разные клетки синтезиру-

ют разные белки. Тем не менее, в каждой клетке многоклеточ-

ного организма есть полная генетическая информация для по-

строения всех белков, нужных для этого организма.

В зависимости от типа клеток все организмы

делятся на две группы:

• прокариоты ~ клетки, лишенные офор-

мленного ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядер-

ной мембраной и не организованы в хромосомы. К прока-

риотам относятся бактерии;

• эукариоты — клетки, содержащие ядра. Кроме того, в них

есть митохондрии

—

органеллы, в которых идет процесс

окисления. К

эукариотам

относятся

простейшие,

грибы, рас-

тения и животные, поэтому они могут быть одноклеточ-

ными и многоклеточными.

Таким образом, между прокариотами и эукариотами есть

существенные отличия в структуре и функционировании гене-

тического аппарата, клеточных стенок и мембранных систем,

синтезе белка и т.д. Предполагается, что первыми организмами,

появившимися на Земле, были прокариоты. Так

считалось

до

1960-х годов, когда углубленное изучение клетки привело к от-

крытию

архебактерий,

строение которых сходно как с

прокарио-

тами, так и с эукариотами. Вопрос о том, какие одноклеточные

организмы являются более древними, о возможности существо-

вания некой первоклетки, из которой потом появились все три

линия развития клетки, до сих пор остается открытым.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на суще-

ствование двух основных типов ее питания, что позволило все

организмы разделить на два вида:

• * автотрофные организмы

—

они не нуждаются в органиче-

ской пище и могут жить за счет хемосинтеза (бактерии) или

фотосинтеза (растения), то есть сами производят необхо-

димые им питательные вещества;

• гетеротрофные организмы — это все организмы, которые

не могут обходиться без органической пищи.

Позднее были уточнены такие важные факторы, как способ-

ность организмов синтезировать необходимые вещества

(вита-

433

мины, гормоны и т.д.), обеспечивать себя энергией,

зависимостьЬ

от экологической среды и др. Таким образом, сложный и

диф-я

ференцированный

характер трофических связей

свидетельствует!

о необходимости системного подхода к изучению жизни и наГ

онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция

функциональной системности

П.К.

Анохина, в соответствии с ко-

торой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласо-

ванно функционируют различные компоненты систем. При этом

отдельные компоненты способствуют согласованному функцио-

нированию других, обеспечивая тем самым единство и целост-

ность протекания всех процессов жизнедеятельности организма.

Функциональная системность также проявляется в том, что

процессы на низших уровнях организуются функциональными

связями на высших уровнях. Особенно заметно функциональная

системность проявляется у многоклеточных организмов.

ии™.

атлии

.<>

Многоклеточные организмы делятся на три

многоклеточные _ .,

организмы царства: грибы, растения и животные. Их

жизнедеятельность, а также работа отдель-

ных частей изучается физиологией. Он изучает также различные

функции живого организма, их связь между собой, регуляцию и

приспособление к внешней среде, происхождение и становление

в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По

сути дела, физиология изучает процесс онтогенеза — развитие

организма от рождения до смерти. Этот процесс описывается на

основе знаменитого биогенетического закона, сформулированно-

го Э. Геккелем, автором термина

«онтогенез».

Биогенетический закон утверждает, что онтогенез в краткой

форме повторяет филогенез, то есть отдельный организм в

сю-

ем индивидуальном развитии в сокращенной форме

проюдит

все

стадии развития своего вида.

Таким образом, онтогенез представляет собой реализацию

наследственной информации, закодированной в зародышевой

клетке, а также проверку согласованности всех систем организ-

ма во время его работы и приспособления к окружающей среде.

Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей.

Ткани — это группа физически объединенных клеток и меж-

| клеточных веществ для выполнения определенных функций.

Их изучение является предметом гистологии. Ткани могут

образовываться как

из

одинаковых, так и из разных клеток. На-

пример, у животных из одинаковых клеток построен плоский

434

эпителий, а из разных клеток — мышечная, нервная, соедини-

тельная ткани.

Органы — это относительно крупные функциональные еди-

ницы, которые объединяют

раз

гичные

ткани в те или иные фи-

зиологические комплексы.

Внутренние органы есть только у животных, у растений они

отсутствуют. В свою очередь органы входят в состав более круп-

ных единиц — систем организма. Среди них выделяют нервную,

пищеварительную, сердечно-сосудистую, дыхательную и другие

системы.

Собственно живой организм представляет собой особую внут-

реннюю среду, существующую во внешней среде. Он образуется

в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов од-

ного организма) с фенотипом (комплексом внешних признаков

организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального раз-

вития). Таким образом, организм представляет собой стабильную

систему внутренних органов и тканей, существующих во внеш-

ней среде.

Поскольку условия внешней среды постоянно меняются, жи-

вые организмы должны на них реагировать, но сохранять при этом

стабильность своей внутренней среды. По этой причине живые

организмы являются открытыми системами с гомеостатическими

обратными связями. Подобная мысль была высказана еще в сере-

дине

XIX

в. французским биологом К.

Бернаром,

а термин

«гом'ео-

стаз» — введен в 1932 г. американским физиологом У.

Кэнноном.

Таким образом, организмы поддерживают свою жизнедеятельность

за счет постоянного обмена веществом и энергией с окружающей

средой. При этом процесс метаболизма регулируется посредством

механизмов гомеостаза, поддерживающих все клеточные, ткане-

вые, организменные и поведенческие показатели на оптимальных

уровнях. Например, в организмах животных такими регуляторами

являются железы внутренней секреции, нервная система, которые

в свою очередь управляются из соответствующих центров головно-

го и спинного мозга.

17.5.

Популяционно-биоценотический

уровень жизни

Это

надорганизменный уровень организации жизни, систем

живых организмов. В действительности этот уровень разбивается

на два подуровня — популяционный и биоценотический уровни.

По и

условиях реальной действительности особи

первый

надор-

не

изолированы друг от друга, а

объединен^

ганизменный

ж*

181

системы более высокого ранга.

Перн

уровень жизни

°й

такой системой и является популяция

—;

совокупность особей одного вида, занимаю-

щих определенную территорию, свободно скрещивающихся меж-

ду собой и частично или полностью изолированных от другая

особей своего вида. Сам термин «популяция» был введен одним

из основоположников генетики В.

Иогансеном,

который назвал так

генетически неоднородную совокупность организмов, отличную

о1

однородной совокупности

—

чистой линии. Позднее этот термин

приобрел более глубокий смысл. Популяция стала считаться цело-

стной системой, непрерывно взаимодействующей с окружающей

средой и способной к трансформации и развитию. Именно попу-

ляции являются теми реальными системами, через которые суще-

ствуют виды живых организмов. С точки зрения современной био-

логии, вид — это система популяций. Это положение было сфор-

мулировано русским биологом С. С, Четвериковым.

Целостность популяций, проявляющаяся в возникновении

новых свойств по сравнению с онтогенетическим уровнем жизни,

обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссоз-

дается через обмен генетической информацией в процессе

поло-4

вого размножения. У каждой популяции существуют

количест-1

венные границы. С одной стороны, это минимальная

численность!

обеспечивающая самовоспроизводство популяции. С другой

сто^

роны, это максимум особей, который может прокормиться

в^

ареале (месте обитания) данной популяции. Популяция как

целое.,

характеризуется такими параметрами, как волны жизни

—

период

дические колебания численности, плотность населения, соотно-

шение возрастных групп и полов, смертность и т.д.

Популяции являются генетически открытыми системами, так

как изоляция популяций не абсолютна и периодически бывает

возможным обмен генетической информацией. Именно

популя-

ции выступают в качестве элементарных единиц эволюции,

из-1

менения их генофонда ведут к появлению новых видов.

Вид, являясь системой популяций, представляет собой гене-

тически закрытую систему. Ведь скрещивание особей разных

;

видов в подавляющем большинстве случаев не ведет к

появле-

нию плодовитого потомства (например, мулы

—

потомство ло-

шадей и ослов, являются стерильными).

Для

популяционного

уровня организации жизни характерна

активная или пассивная подвижность всех компонентов попу-

436

ляции.

Это влечет постоянное перемещение особей — членов

популяции. Необходимо отметить, что никакая популяция не

бывает абсолютно однородной, она всегда состоит из внутрипо-

пуляционных

группировок. Также следует помнить о существо-

вании популяций разных рангов — есть постоянные, относи-

тельно независимые географические популяции, и временные

(сезонные) местные популяции. При этом высокая численность

и устойчивость достигается только в тех популяциях, которые

имеют сложную иерархическую и пространственную структуру,

то есть являются неоднородными, гетерогенными, имеют слож-

ные и длинные пищевые цепи. Поэтому выпадение хотя бы од-

ного звена из

этой,структуры

ведет к разрушению популяции

или потере ею устойчивости.

Биоценозы—

Популяции, представляющие первый надор-

второй

надор-

ганизменный уровень живого и являющиеся

ганизменный единицами эволюции, способными к само-

уровень жизни стоятельному существованию и трансформа-

ции, объединяются в совокупности следую-

щего надорганизменного уровня — биоценозы. Биоценоз — сово-

купность всех организмов, населяющих участок среды с однород-

ными условиями жизни, например лес, луг, болото и т.д. Иными

словами, биоценоз — это совокупность популяций, проживаю-

щих на определенной территории. То есть специфика биоценозов

определяется составом популяций, с одной стороны, и ареалом

обитания этих популяций, с другой,

Данный термин был предложен немецким биологом

К.

Ме-

биусом для обозначения такой совокупности организмов, сущест-

вование которых связано с абиотическими (небиологическими)

факторами среды. Тем не менее этим термином в основном поль-

зуются отечественные ученые. За рубежом более распространен

термин «сообщество».

Биоценоз представляет собой закрытую систему для чужих

популяций, для составляющих его популяций — это открытая

система. Составляющие биоценоз популяции находятся в очень

сложных отношениях. Мы можем увидеть антагонизм, конкурен-

цию, кооперацию, паразитизм. Так, пищевые цепи, формирую-

щиеся внутри биоценозов, являют собой пример антагонизма,

так как выживание одних организмов обеспечивается за счет

гибели других. Например, хищники живут охотой на травояд-

ных, которые в свою очередь питаются растениями. Примерами

конкуренции могут служить отношения, складывающиеся между

хищниками одного биоценоза, которые борются между собой за

437

лучшие

места

обитания, за самку и т.д. Часто мы сталкиваемся с

паразитизмом, при котором паразиты (глисты, насекомые, мик-

роорганизмы) живут за счет своего хозяина (растения или

жи-

вотного). И наконец, можно увидеть кооперацию, симбиоз, ко-

гда организмы разных видов помогают друг другу в

выживании.!

Таковы взаимовыгодные отношения между цветами и

насеко-1

мыми-опылителями, при которых пчелы получают нектар,

необ-1

ходимый

для производства меда, а растения размножаются.

17.6. Биосферный уровень жизни

Биоценозы входят в качестве составных частей в более круп-'

ные и сложные системы — биогеоценозы, представляющие со-

бой третий

надорганизменный

уровень жизни. В свою очередь

биогеоценозы нашей планеты, связанные между собой кругово-

ротом вещества и энергии, в совокупности составляют биосферу

Земли — область распространения жизни.

с.

-««

....

. Биогеоценоз — это взаимообусловленный

третий напор- комплекс биологических и абиотических фак-

ганизменный

торов. Биологические факторы представле-

уровень

жизни

ны

биоценозами, абиотические — фактора-

ми среды обитания. Часто биогеоценозы на-

зывают экосистемами.

Термин «биогеоценоз» был предложен русским ботаником

В.Н.

Сукачевым. Он обозначил этим термином совокупность од-

нородных природных явлений (атмосферы, горных пород, вод-

ных ресурсов, растительности, животного мира, почвы), распро-

страненных на некотором протяжении земной поверхности,

имеющих определенный тип обмена веществом и энергией ме-

жду ними и окружающими элементами, представляющих проти-

воречивое единство. Представляя собой единство живого и не-

живого, биогеоценоз находится в постоянном движении и раз-

витии, поэтому изменяется с течением времени.

Биогеоценоз — это целостная саморегулирующаяся система.

Выделяется несколько типов подсистем в них. Первичные сис-

темы — продуценты (производящие), непосредственно перераба-

тывающие неживую материю (водоросли, растения, микроорга-

низмы); консументы — вторичный уровень, на котором

вещест-

во и энергия получаются за счет использования продуцентов

(травоядные животные); редуценты — третичный уровень, пред-

ставители которого живут за счет консументов (хищники, пара-

зиты). Через эти уровни в биогеоценозе проходит круговорот

веществ — жизнь участвует в использовании, переработке и вос-

438

становлении различных структур. Но круговорота энергии при

этом не происходит: с одного уровня на другой, более высокий,

переходит около 10% энергии, поступившей на предыдущий

уровень. Обратный поток не превышает 0,5%. Иными словами,

мы видим в биогеоценозе однонаправленный энергетический

поток. Это делает его незамкнутой системой, неразрывно свя-

занной с соседними биогеоценозами. Связь проявляется в раз-

ных формах: газообразной, жидкой, твердой, а также в форме

миграции животных.

Саморегуляция биогеоценозов протекает тем успешнее, чем

разнообразнее составляющие его элементы. От многообразия его

компонентов зависит и устойчивость биогеоценозов. Выпадение

одного или нескольких компонентов из состава биогеоценоза

может привести к необратимому нарушению равновесия и гибе-

ли его как целостной системы. Так, тропические биогеоценозы

в силу огромного количества растений и животных, входящих в

них, намного устойчивее более бедных умеренных или

'арктиче-

ских биогеоценозов. По той же причине озеро, являющееся

природным биогеоценозом с достаточным разнообразием живых

организмов, намного устойчивее пруда, созданного человеком и

не способного существовать без постоянного ухода за ним.

Это вызвано тем, что высокоорганизованные организмы для

своего существования нуждаются в более простых организмах, с

которыми они связаны трофическими цепями. Поэтому

фунда-

ментом любого биогеоценоза являются простейшие и низшие

организмы, большей частью автотрофные микроорганизмы и

растения. Они напрямую связаны с абиотическими компонен-

тами биогеоценоза — атмосферой, водой, почвой, солнечной

энергией, которую перерабатывают и создают органическое ве-

щество. Они же составляют жизненную среду для гетеротроф-

ных организмов — животных, грибов, вирусов, человека. Эти

организмы в свою очередь участвуют в жизненных циклах рас-

тений — опыляют, распространяют плоды и семена. Так проис-

ходит круговорот веществ в биогеоценозе, фундаментальную роль

в нем играют растения. Поэтому границы биогеоценозов чаше

всего совпадают с границами растительных сообществ.

Биогеоценозы являются структурными элементами следую-

щего надорганизменного уровня жизни — биосферного.

В системе современного научного мировоз-

зрения понятие биосферы занимает ключевое

место во многих науках. Сам термин «био-

сфера»

появился в 1875 г. Он был введен австрийским геологом

439

Живое вещество

и биосфера

и палеонтологом Эдуардом

Зюссом

для

обозначения

самостоя!

тельной сферы нашей планеты, в которой существует жизнь]

Зюсс дал определение биосферы как совокупности

организмов!)

ограниченной в пространстве и времени и обитающей на

поЗ

верхности Земли.

Тем не менее, Зюсс не был первооткрывателем, так как

раз-1

работка учения о биосфере имеет довольно длинную предысто-

рию. Одним из первых вопрос о влиянии живых организмов на

геологические процессы рассмотрел Ж.Б. Ламарк в книге

«Гидт

рогеология».

В ней говорилось о том, что все вещества, находя-]

щиеся

на поверхности Земли и образующие ее кору, сформиро-

вались благодаря деятельности живых организмов. Затем был

грандиозный многотомный труд Александра Гумбольдта

«Кос*

мое»,

в котором множество фактов доказывало взаимодействие

живых организмов с теми земными оболочками, в которые они

проникают. Поэтому Гумбольдт рассматривал в качестве единой

оболочки Земли, целостной системы атмосферу, гидросферу и

сушу с обитающими там живыми организмами. Так что Зюсс

лишь предложил термин для уже изучавшегося явления.

Но о геологической роли биосферы, ее зависимости от пла-

нетарных факторов Земли, ее строении и функциях еще не было

сказано ничего. Разработка учения о биосфере неразрывно связа-

на с именем выдающегося российского ученого

В.

И.

Вернадского.

Именно Вернадскому удалось доказать связь органического ми-

ра нашей планеты, выступающего в виде единого нераздельного

целого, с геологическими процессами на Земле, именно он от-

крыл и изучил биогеохимические функции живого вещества.

Ключевым понятием в концепции Вернадского стало живое

вещество, под которым ученый понимал совокупность всех жи-

вых организмов нашей планеты, включая человека. В состав

живого вещества он включал также часть окружающей живое

вещество внешней среды, необходимой для поддержания их

нормальной жизнедеятельности, выделения и части, теряемые

организмами, умершие организмы, а также органические смеси,

находящиеся вне организмов. Важнейшим отличием живого ве-

щества от косной материи Вернадский считал молекулярную

дисимметрию живого, открытую еще Пастером (молекулярную

хиральность,

в современной терминологии). Только используя

это понятие, Вернадскому удалось доказать, что не только ок-

ружающая среда влияет на живые организмы, но и жизнь спо-

собна действенно формировать среду своего обитания. Действи-

тельно, на уровне отдельного организма или биоценоза влияние

440

_изни

на окружающую среду проследить очень сложно. Но

вве-

1Я

новое понятие, Вернадский вышел на качественно новый

фовень анализа жизни и живого — биосферный уровень.

Биосфера

—

это живое вещество планеты (совокупность

всех живых организмов Земли) и преобразованная

им

среда оби-

тания (косное вещество, абиотические элементы), в которую

входят гидросфера, нижняя часть атмосферы и верхняя часть

земной

коры.

Таким образом, это не биологическое, геологическое или

географическое понятие, а фундаментальное понятие биогеохи-

мии —- новой науки, созданной Вернадским для изучения гео-

химических

процессов, проходящих в биосфере при участии

живых организмов. В новой науке биосферой стали называть

один из основных структурных компонентов организованности

нашей планеты и околоземного космического пространства. Это

сфера, в которой осуществляются биоэнергетические процессы

и обмен веществ вследствие деятельности жизни.

Благодаря новому подходу, Вернадский стал рассматривать

жизнь как могучую геологическую силу, действенно формирую-

щую облик Земли. Живое вещество стало тем звеном, которое

соединяло историю химических элементов с эволюцией биосфе-

ры. Введение нового понятия также позволяло поставить и ре-

шить вопрос о механизмах геологической активности живого

вещества, источниках энергии для этого.

Живое и косное вещество постоянно взаимодействуют в био-

сфере Земли — в непрерывном круговороте химических элемен-

тов и энергии. Вернадский писал о биогенном токе атомов, ко-

торый вызывается живым веществом и выражается в постоян-

ном процессе дыхания, питания, размножения. Например, кру-

говорот азота связан с превращением в нитраты молекулярного

азота атмосферы. Нитраты усваиваются растениями, и в составе

их белков попадают к животным. После смерти растений и жи-

вотных их тела попадают в почву, где гнилостные бактерии раз-

лагают органические останки до аммиака, который затем окис-

ляется в азотную кислоту. На Земле идет непрерывное обновле-

ние биомассы (за 7—8 лет), при этом в круговорот вовлекаются

абиотические элементы биосферы. Например, воды Мирового

океана прошли через биогенный цикл, связанный с фотосинте-

зом, не менее 300 раз, свободный кислород атмосферы обнов-

лялся не менее 1 млн раз.

Также Вернадский отмечал, что биогенная миграция химиче-

ских элементов в биосфере стремится к своему максимальному

441

проявлению, а эволюция видов ведет к появлению новых видов

увеличивающих биогенную миграцию атомов. Вернадский

таюи

впервые отметил, что живое вещество стремится к максимально-

му заселению среды обитания, причем количество живого веще.

ства в биосфере остается стабильным на протяжении целых гео-

логических эпох. Эта величина не менялась,

*по

крайней мере

последние 60 млн лет. Количество видов при этом также остава-

лось неизменным. Если в каком-то месте Земли количество ви-

дов убавляется, то в другом месте — прибавляется. В наши дни

исчезновение огромного числа растений и животных связано с

увеличением численности людей и их неразумной

деятельностью

по преобразованию природы. Население Земли растет за счет ги-

бели других

видов.

Благодаря биогенной миграции атомов живое вещество вы-

полняет свои геохимические функции. Современная наука клас-

сифицирует их по пяти категориям:

• концентрационная функция — связана с накоплением опре-

деленных химических элементов как внутри живых орга-

низмов, так и благодаря их деятельности. Результатом это-

го стало появление запасов полезных ископаемых (извест-

няки, нефть, газ, уголь и т.д.);

• транспортная функция — тесно связана с первой

функцией,

так как живые организмы переносят нужные им химиче-

ские элементы, которые затем накапливаются в местах их

обитания;

• энергетическая функция — обеспечивает потоки энергии,

пронизывающие биосферу, что дает возможность осущест-

влять все биогеохимические функции живого вещества.

Важнейшую роль в этом процессе играют растения с их

механизмом фотосинтеза, который преобразует солнечную

энергию в биогеохимическую энергию живого вещества

биосферы;

• деструктивная функция — функция разрушения и перера-

ботки органических останков, в ходе этого процесса нако-

пленные организмами вещества возвращаются в природ-

ные циклы, идет круговорот веществ в природе;

•

средообразующая

функция — преобразование окружающей

среды под действием живого вещества. Мы можем смело

утверждать, что весь современный облик Земли — состав

атмосферы, гидросферы, верхнего слоя литосферы, большая

часть полезных ископаемых, климат — является результа-

том действия Жизни. Так, зеленые растения обеспечивают

442

Землю кислородом и накапливают энергию, микроорга-

низмы участвуют в минерализации органических веществ,

образовании ряда горных пород и почвообразовании.

При всей грандиозности задач, которые решают живое веще-

ство и биосфера Земли, сама биосфера (по сравнению с другими

геосферами) представляет собой очень тонкую пленку. Сегодня

принято считать, что в атмосфере микробная жизнь имеет место

примерно до высоты 20—22 км над земной поверхностью, а на-

личие жизни в глубоких океанических впадинах опускает эту

границу до 8—11 км ниже уровня моря. Углубление жизни в

земную кору много меньше, и микроорганизмы обнаружены при

глубинном бурении и в

пластовых

водах не глубже 2—3 км. В

состав биосферы Вернадский

включал:

• живое вещество;

« биогенное вешество — вещество, создаваемое и перерабаты-

ваемое живыми организмами (каменный уголь, нефть, газ

и т.д.);

• косное вещество, образованное в процессах без участия жи-

вого вещества;

• вещества, создаваемые живыми организмами и косными

процессами, и их динамическое равновесие;

• вещества, находящиеся в процессе радиоактивного распада;

• рассеянные атомы, выделяющиеся из земного вещества под

влиянием космических излучений;

• вещество космического происхождения, включающее от-

дельные атомы и молекулы, проникающие на Землю из

космоса.

Разумеется, жизнь в биосфере распространена неравномерно,

существуют так называемые сгущения и разрежения жизни.

Наи-

более густо населены нижние слои атмосферы (50 м от земной

поверхности),

освещенные слои гидросферы и верхние слои

ли-

тосферы (почва). Также следует отметить, что тропические облас-

ти заселены намного плотнее, чем пустыни или ледяные поля

Арктики или Антарктики. Глубже в земную кору, в океан, а так-

же выше в атмосферу — количество живого вещества уменьшает-

ся. Таким образом, эта тончайшая пленка жизни покрывает абсо-

лютно всю Землю, не оставляя ни одного места на нашей плане-

те, где бы не было жизни. При этом нет резкой границы между

биосферой и окружающими ее земными оболочками.

Долгое время идеи Вернадского замалчивались, и вновь к

ким

вернулись лишь в середине

1970-х

годов. Во многом это

про-

443

изошло благодаря трудам российского биолога Г.А.

Заварзиней

который

доказал, что основным фактором становления и

функ!

ционирования

биосферы были и остаются многосторонние

тро4

фические связи. Они установились не менее чем 3,4—3,5 млрд

лет назад и с тех пор определяют характер и масштабы

круговой

рота элементов в оболочках Земли.

В начале

1980-х

гг. английским химиком Джеймсом

ЛавлокоЦ

и американским микробиологом Линн Маргулис была предложена

очень интересная концепция

Геи~3емли.

Согласно ей,

биосфере)

представляет собой единый суперорганизм с развитым гомеоста-

зом, делающим его относительно независимым от

флуктуации

внешних факторов. Но если саморегулирующаяся система Геи-

Земли попадает в состояние стресса, близкое к границам саморе-

гуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к перехо-

ду в новое состояние или даже к полному уничтожению системы.

В истории нашей планеты уже не раз случались такие глобальные

катастрофы. Самой известной из них является исчезновение ди-

нозавров около 60 млн лет назад. Сейчас Земля вновь переживает

глубокий кризис, поэтому так важно продумать стратегию даль-

нейшего развития человеческой цивилизации.

Вопросы для обсуждения

Какие биологические науки вы знаете?

2. Каков предмет биохимии?

3. Чем занимается биофизика?

4. Каковы основные идеи эволюционной биологии? Что она собой пред-

ставляет?

5. Что является основным структурным элементом жизни?

6. Что такое генетический код? Из чего он складывается?

7. Каков механизм воспроизводства ДНК?

8. Как связаны между собой белки и нуклеиновые кислоты?

9. Что такое генная инженерия и биотехнологии?

10. Как вы относитесь к возможности клонирования человека?

11.

Что такое вид и популяция? Чем они отличаются друг от друга?

Глава 18

Происхождение

и сущность

жизни

Вопросы о происхождении и сущности жизни издавна стали

предметом интереса человека в его стремлении разобраться в

окружающем мире, понять самого себя и определить свое место

в мире. Это очень значимые вопросы, так как они, вместе с во-

просами о происхождении Вселенной и человека, составляют

фундамент нашего мировоззрения. Необходимо отметить, что на

самом деле это не два вопроса, а фактически один, сформули-

рованный в двух аспектах. И действительно, невозможно узнать,

как появилась жизнь на Земле, если не знать, что это такое. С

другой стороны, нельзя ответить на вопрос, что такое жизнь, не

рассматривая вопрос о ее происхождении.

18.1. История проблемы

происхождения жизни в биологии

Попытки решить этот важнейший вопрос предпринимались

философами и учеными на протяжении многих веков. Своими

корнями они уходят в эпоху античности. С тех пор прошло бо-

лее двух с половиной тысяч лет, но в биологии существует лишь

шесть концепций, объясняющих происхождение жизни:

• креационизм — сотворение жизни Богом;

• концепция стационарного состояния — идея вечности жизни;

• концепция многократного самозарождения живого из не-

живого вещества;

• концепция панспермии — возникновение жизни из кос-

моса;

• случайное однократное происхождение жизни;

• закономерное происхождение жизни путем химической эво-

люции.

Она имеет самую длинную историю, так как

практически во всех древних политеистиче-

ских религиях выделялся бог, ответственный

за начало

жизни.

В мировых религиях эта функция

приписывав

Концепция

креационизма

445