Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

247

доросли, грибы и др. Все остальные одноклеточные, а тем более

находилась в ином состоянии, нежели многоклеточные

организмы, начиная от низших и кончая высшими, построены из

позднее возникших эу кариотных клеток. Эту классификацию

пришлось, однако, пересмотреть после открытия архебактерий,

особенность которых состоит в том, что их клетки в чем-то сход-

ны, с одной стороны, с прокариотами, а с другой – с эукариота-

ми. На этом основании в настоящее время различают три типа

онтогенетического уровня организации живых систем, которые

представляют собой три линии развития живого мира: 1) прока-

риоты, или эубактерии; 2) эукариоты и 3) архебактерии.

По-видимому, эти три линии развития исходят из единой

первичной минимальной живой системы, которую можно назы-

вать протоклеткой. Предполагают, что она обладала всеми

основными свойствами, характерными для живых организмов. К

ним относят прежде всего способность к обмену с окружающей

средой – признак, присущий всем открытым системам. С нею

непосредственно связана способность протоклетки к метабо-

лизму, т.е. осуществлению биохимических реакций, сопровож-

дающихся усвоением необходимых для роста клетки веществ и

удалением использованных продуктов реакций. Дальнейшее

функционирование и развитие клетки предполагает также нали-

чие у нее способности к делению и почкованию. К этим призна-

кам многие исследователи добавляют дополнительные свойст-

ва, но все ученые признают, что протоклетка отнюдь не была

какой-то бесструктурной массой, а представляла собой доста-

точно организованную целостность, которую можно охарактери-

зовать как первичную живую тотему. Предполагают также, что

протоклетка по важнейшим своим структурно-функциональным

свойствам нe была подобна современным одноклеточным про-

кариотам, а обладала некоторыми признаками, аналогичными

свойствам эукариотных клеток.

По вопросу происхождения эукариотных клеток существуют

две основные гипотезы. Сторонники аутогенной гипотезы счита-

ют, что такие клетки могли возникнуть путем дифференциации и

усложнения слабо структурированных клеточных образований,

подобных прокариотам. Защитники другой, симбиотической, ги-

потезы полагают, что эукариотные клетки образовались путем

симбиоза нескольких прокариотных клеток, геномы которых вне-

дрились в клетку-хозяина, причем, по одной версии, они способ-

ствовали постепенному превращению последней в эукариотную

248

клетку (рис.4.1), а по другой – она уже обладала некоторыми

свойствами эукариотов.

Рис.4.1. Современная схема строения эукариотической

живой клетки. Видно расположение различных

клеточных компонентов

Структурный подход к анализу первичных живых систем на

онтогенетическом уровне, о котором шла речь выше, нуждается

в дополнительном освещении функциональных особенностей их

жизнедеятельности и обмена веществ. Среди них особого вни-

мания заслуживает исследование трофических, или пищевых,

потребностей организмов. Для этого необходимо проследить

ваимоотношения организмов с окружающей средой в рамках

соответствующей экологической системы. Именно поэтому изу-

чение структуры и основных типов питания уже давно привлека-

ло внимание ученых. Они выделили прежде всего два главных

типа питания.

К автотрофному типу относились организмы, кото-

рые не нуждались в органической пище и могли жить либо

за счет ассимиляции углекислоты (бактерии), либо фо-

тосинтеза (растения). Ко второму, гетеротрофному,

249

типу принадлежали все организмы, которые не могли

жить без органической nuщи.

По вопросу о том, какой тип питания возник в начале ста-

новления живых систем, мнения расходятся. Одни ученые не без

основания полагают, что сначала появился автотрофный тип,

поскольку сложные органические вещества, необходимые для

гетеротрофного питания, могли образоваться лишь после того,

как автотрофные организмы создали для этого необходимые

условия. Другие исследователи считают, что гетеротрофное пи-

тание появилось раньше автотрофного. Такого допущения, в

частности, придерживается в своей гипотезе происхождения

жизни А.И. Опарин, полагая, что уже первичный «бульон», в ко-

тором зародилась жизнь, содержал органические соединения как

питательную среду для дальнейшего развития.

Первоначальная простая классификация основных типов

питания и разделения организмов на автотрофов и гипертрофов

в дальнейшем подверглась изменениям и уточнениям, в которых

выявлялись такие важные факторы, как способность организмов

синтезировать необходимые вещества для роста (витамины,

гормоны и специфические ферменты), обеспечивать себя энер-

гией, источниками получения углерода, азота и водорода; зави-

симость от экологической среды и т.п. Таким образом, сложный и

дифференцированный характер трофических потребностей ор-

ганизмов свидетельствует о необходимости целостного, систем-

ного подхода к изучению живых систем и на онтогенетическом

уровне. Такая целостность, взаимосвязь и взаимодействие вы-

ступают в общей форме функциональной системности, которая

находит выражение в согласованном функционировании различ-

ных компонентов одноклеточных и многоклеточных организмов.

При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют

согласованному функционированию других, обеспечивая тем

самым единство и целостность в осуществлении всех процессов

жизнедеятельности всего организма. Подобная функциональная

системность в специфических формах выступает и на других

уровнях организации живых организмов.

Уровни организации живых систем

Онтогенетический уровень организации, как мы видели, от-

носится к отдельным живым организмам – одноклеточным и

250

многоклеточным. Его называют также организменным уровнем,

поскольку при этом речь идет о структуре и функциях отдельного

организма без учета его связей и взаимодействий с другими ор-

ганизмами. Поскольку минимальной живой системой служит

клетка, постольку на этом уровне уделяется такое большое вни-

мание анализу структуры и функционирования различных кле-

точных образований.

Популяционный уровень начинается с изучения взаи-

мосвязи и взаимодействия между совокупностями особей

одного вида, которые имеют единый генофонд и занима-

ют единую территорию. Такие совокупности, или, скорее,

системы живых организмов составляют определенную

популяцию. Очевидно, что популяционный уровень выхо-

дит за рамки отдельного организма, и поэтому его назы-

вают надорганизменным уровнем организации.

Приведенное общее определение популяции дает возмож-

ность отличать организменный уровень живого от надорганиз-

менного. Сам термин «популяция» был введен одним из основа-

телей генетики – Вильгельмом Иогансеном (1857–1927), который

с его помощью отличал генетически неоднородную совокупность

организмов от однородной, которую он называл «чистой лини-

ей».

В дальнейшем этот термин и обозначаемое им понятие при-

обрели более глубокий смысл. Многие современные ученые ха-

рактеризуют популяцию не столько как простую совокупность

отдельных организмов, сколько как целостную их систему, в ко-

торой они непрерывно взаимодействуют друг с другом и с окру-

жающей средой. Благодаря этому они оказываются способными

к трансформациям, изменению своего ареала и, самое главное,

к развитию.

Популяции представляют собой первый надорганизменный

уровень организации живых существ, который, хотя и тесно свя-

зан с их онтогенетическим и молеку лярными уровнями, но каче-

ственно отличается от них по характеру взаимодействия состав-

ляющих элементов, ибо в этом взаимодействии они выступают

как целостные общности организмов. По современным пред-

ставлениям, именно популяции служат элементарными едини-

цами эволюции. Второй надорганизменный уровень организации

живого составляют различные системы популяций, которые на-

зывают биоценозами.

251

Они являются более обширными объединениями живых су-

ществ и в значительно большей мере зависят от небиологиче-

ских, или абиотических, факторов развития.

Третий надорганизменный уровень организации содержит в

качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени

характеризуется зависимостью от многочисленных земных и

абиотических условий своего существования (географических,

климатических, гидрологических, атмосферных и т.п.). Для его

обозначения академик В.Н. Сукачев (1880–1967) ввел термин

биогеоценоз.

Четвертый надорганизменный уровень организации возни-

кает из объединения самых разнообразных биогеоценозов и

теперь обычно называется биосферой.

Таким образом, в функционировании и развитии живой при-

роды особенно наглядно и убедительно выступают ее целост-

ность и системность, которые проявляются в существовании

различных иерархических уровней ее организации. При этом

каждый новый уровень характеризуется особыми свойствами и

закономерностями, не сводимыми к закономерностям прежнего,

низшего уровня.

Поскольку основу надорганизменных уровней организации

живого составляют популяции, целесообразно несколько под-

робнее остановиться на их характеристике.

Изучением популяций и биоценозов занимается интенсивно

развивающаяся в последние годы отрасль биологической науки,

называемая популяционной биологией. Одна из основных про-

блем, которую она призвана решить, заключается в установле-

нии пространственной структуры и объемов популяций. Опреде-

лить границу между популяциями чрезвычайно трудно, так как в

силу подвижности компонентов популяции, т.е. составляющих ее

организмов, происходит непрерывное перемешивание ее насе-

ления. Другая трудность – в наличии внутри популяций различ-

ных группировок и в существовании популяций разных рангов.

В рамках популяционной биологии исследуются также весь-

ма важные проблемы метаболического взаимодействия между

популяциями и биоценозами, которые относятся прежде всего к

изу чению их трофических, или пищевых связей. Именно на этой

основе происходит разграничение популяций и биоценозов. Оно

состоит в том, что популяции представляют собой незамкнутые,

открытые метаболические системы, которые могут существовать

252

и развиваться только при взаимодействии с другими популяция-

ми. В отличие от них биоценозы – относительно замкнутые ме-

таболические системы, в которых обмен и круговорот веществ

могут осуществляться между входящими в биоценоз популяция-

ми. Однако эта замкнутость имеет ограниченный и относитель-

ный характер хотя бы потому, что разные биоценозы взаимодей-

ствуют между собой. Для характеристики трофического взаимо-

действия популяций и биоценозов существенное значение имеет

общее правило, согласно которому, чем длиннее и сложнее пи-

щевые связи между организмами и популяциями, тем более

жизнеспособной и устойчивой является живая система любого

(надорганизменного) уровня. Отсюда становится ясным, что с

биологической точки зрения на таком уровне решающее значе-

ние приобретает трофический характер взаимодействия между

составляющими живую систему элементами. Популяции, как

отмечалось выше, являются элементарными единицами микро-

эволюции и составляют основу надорганизменных уровней орга-

низации живых организмов, поэтому необходимо рассмотреть

теории, описывающие возникновение и развитие живых орга-

низмов.

Происхождение жизни

Вопрос о происхождении жизни – один из самых трудных в

современном естествознании. В первую очередь потому, что мы

сегодня не можем воспроизвести процессы возникновения жизни

с такой же точностью, как это было миллиарды лет назад. Ведь

даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь мо-

делью, приближением, безусловно, лишенным ряда факторов,

сопровождавших появление живого на земле. И тем не менее

наука успешно решает вопрос о происхождении живого, прово-

дит многочисленные исследования, постоянно расширяет наши

представления о зарождении жизни. Это вполне понятно – про-

блема жизни лежит в фундаменте всех биологических наук и, в

значительной мере, всего естествознания.

Сложность и малоизученность проблемы зарождения жизни

на Земле долгое время служили питательной почвой для все-

возможных религиозных легенд и мифов. Как известно, еще в

далекой древности религия предлагала свои варианты возник-

новения жизни – сотворение живого «всевышним творцом», «бо-

253

гом-создателем». Однако развитие науки, исследование неиз-

вестных ранее природных явлений, открытие важных законов

природы постепенно подтачивали религиозное толкование и

объяснение мира. И хотя сегодня любые попытки примирить

религиозные утверждения с научными данными выглядят аб-

сурдными, богословы прилагают немало усилий, чтобы «согла-

совать» научные теории с идеей божественного творения.

Материалистические теории возникновения жизни распола-

гают сейчас многими прямыми и косвенными научными доказа-

тельствами своей правоты. С помощью совершеннейших прибо-

ров и методов моделируются и изучаются отдельные этапы воз-

никновения живого органического вещества. И можно уверенно

утверждать: недалеко время, когда в лабораториях ученых поя-

вятся первые крохотные живые клетки. Тем самым будет окон-

чательно доказан естественный характер скачка от неживого к

живому.

Более 50 лет вопрос о происхождении жизни разрабатыва-

ется крупнейшими учеными, начиная с А.И. Опарина, Б.С. Хол-

дейна. Крупный вклад в это решение внесли Дж. Оро, Г. Меллер,

Дж. Бернал, В. Г. Фесенков, Понаперума и другие.

Рассматривая вопрос о происхождении жизни, нельзя ос-

тавлять в стороне космические процессы, приведшие к образо-

ванию самой Земли и других планет Солнечной системы. Исто-

рия жизни и история Земли неотделимы друг от друга. Именно в

этих и последующих процессах развития нашей планеты закла-

дывались условия будущего существования жизни – диапазоны

температур, влажности, давлений, уровни радиации и т.п.

Как известно из предыдущих бесед, в настоящее время об-

щепринятой гипотезой о происхождении Земли и всей Солнеч-

ной системы является предположение о том, что наша Земля и

все планеты сконденсировались из космической пыли, распола-

гавшейся в окрестностях Солнца. Скорее всего, частицы пыли

состояли из железа с примесью никеля либо из силикатов (ве-

ществ, в состав которых входит широко распространенный на

Земле кремний), например, силикатов магния, и каждая частица

была окружена льдом. Конечно, кроме пыли везде присутствовал

газ. И газ, и частицы пыли пронизывались солнечной радиацией.

При этом весьма вероятно, что на внешних участках Сол-

нечной системы газы могли конденсироваться, образуя различ-

ные летучие органические соединения, в которых присутствует

254

основной элемент всех живых организмов – углерод. Посте-

пенно Солнце разогревало их, газы снова испарялись, но неко-

торая часть их под действием излучений превращалась в менее

летучие углеводороды (соединения углерода с водородом) и

соединения азота.

Возможно, что именно пылевые частицы, окруженные обо-

лочками из органических соединений, объединяясь, образовали

сначала астероиды, а затем планеты. Известно, например, что

гиганты Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Уран – в основ-

ном состоят из метана, водорода, аммиака и льда – веществ,

служащих основой всех сложнейших органических соединений.

С другой стороны, общая поверхность пылинок была очень

велика. А это значит, что на ней могли образоваться различные

соединения углерода и азота – прямых предшественников жиз-

ни. Данное предположение доказывается тем, что ряд органиче-

ских соединений найден в метеоритах, например, аденин – био-

логически очень важное азотистое основание. Он был также

искусственно получен в лаборатории при условиях, которые ими-

тировали первичную атмосферу Земли. А, скажем, органические

соединения, играющие большую роль в обмене веществ живых

организмов, – щавелевую, муравьиную и янтарную кислоты уда-

лось искусственно получить при облучении водных растворов

углекислоты.

Первичная атмосфера Земли, как и других планет, содержа-

ла, очевидно, метан, аммиак, водяной пар и водород. Воздейст-

вуя в лаборатории на смесь этих газов электрическими разряда-

ми, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением,

ученые получили сложные органические вещества, входящие в

состав живых белков, – глицин, аланин и другие.

Таким образом, сейчас не приходится сомневаться в том,

что под воздействием электрических разрядов, световой и ульт-

рафиолетовой радиации еще до образования Земли или на са-

мой первой стадии ее существования из неорганических соеди-

нений мог возникнуть ряд довольно сложных органических ве-

ществ. Образовавшиеся органические вещества – это уже пер-

вый шаг на пути к жизни.

Какие же элементы являются основными слагаемыми живо-

го, его «кирпичиками»? Это в первую очередь углерод, кислород,

азот и водород. В живой клетке, например, по весу содержится

около 70% кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота,

255

затем идут фосфор, калий, хлор, сера, кальций, натрий, магний,

железо. Их количество в клетке не превышает десятых долей

процента. Далее следуют медь, цинк, йод, фтор и другие эле-

менты, присутствующие в тысячных и десятитысячных долях

процента.

Особая роль в живых организмах принадлежит углероду.

Говорят, что жизнь на нашей планете «углеродная», т.е. в осно-

ве всех органических соединений и веществ организмов лежит

углерод.

Могли ли быть соединения, составляющие основу жизни,

построены на каком-либо другом элементе, а не на углероде?

Подумаем, на каком. Металлы для этой цели вряд ли подойдут:

они не могут сами образовывать студневидные, насыщенные

водой подвижные и разнообразные структуры. Соединяясь с

кислородом, металлы дают, как правило, прочные соединения,

где процессы воспроизведения невозможны. У металлов и ме-

таллических систем весьма велика электропроводность. Поток

электронов в них встречает очень малое сопротивление, и для

того чтобы регулировать его, разбивать на более мелкие потоки,

направлять их по различным структурам, запасать энергию, по-

надобились бы невообразимые ухищрения. Правда, ионы ме-

таллов переменной валентности оказались практически полез-

ными и используются в жизненных циклах для регулируемой

передачи электронов.

В числе возможных кандидатов на роль основного элемента

жизни мог бы оказаться кремний. Его соединения могут быть

студневидными, но число их сравнительно невелико, и они либо

весьма нестойки, либо активны только при очень высоких темпе-

ратурах.

Углеродные же соединения обладают целым рядом свойств,

делающих их незаменимыми в качестве основных соединений

жизни. Прежде всего, число органических соединений, образо-

ванных на основе углерода, огромно (несколько десятков мил-

лионов), и они активны при сравнительно небольших температу-

рах. Атомы углерода в молекулах могут образовывать длинные

цепи, имеющие вид скрученных спиралей, просто извитых цепо-

чек и т.д. Сравнительно небольшие перестройки молекул угле-

родных соединений значительно меняют их химическую актив-

ность, которая возрастает также при наличии разного рода ката-

лизаторов. «Длинная» молекула углеродных соединений в слу-

чае необходимости может служить проводником и регулятором

256

потока электронов. Если же углерод соединяется с такими эле-

ментами, как водород, кислород, азот, фосфор, сера, железо, то

новообразование обладает замечательными каталитическими,

строительными, энергетическими, информационными и многими

дру гими свойствами. Перечисленные и ряд иных качеств углеро-

да делают его единственно достойным кандидатом на роль ос-

новного элемента жизни.

Все элементы («кирпичики») живого принадлежат к наибо-

лее у стойчивым и распространенным во Вселенной веществам.

Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и об-

ладают малым атомным весом.

Соединения, образованные такими «кирпичиками», должны

легко растворяться в воде. Этим свойством обладают, например,

соединения калия, а также натрия, которые составляют необхо-

димый компонент жизни.

Наша планета богата водой. В то же время Земля располо-

жена на таком расстоянии от Солнца, что необходимая для жиз-

ни вода находится в жидком, а не в твердом или газообразном

состоянии, как на других планетах. Иначе говоря, наша

планета – та «золотая середина» в Солнечной системе, которая

наиболее подходит для зарождения жизни. Ученые считают, что

на Земле имелся и имеется наилучший интервал температур,

необходимый для зарождения и существования живого.

Является ли Земля тем единственным космическим телом,

на котором возможна жизнь? По-видимому, нет: ведь только в

нашей Галактике имеется примерно 150 миллиардов звезд. И

вполне вероятно, что в ней существуют космические тела, на

которых возможна жизнь.

Итак, первый шаг на пути к возникновению жизни заключал-

ся в образовании органических веществ из неорганического

космического «сырья» при определенном уровне температуры,

влажности, радиации, давлении и т. д. Этот процесс протекал в

соответствии с законами астрофизики и химии. Без всякого вме-

шательства «надприродных» сил совершалось и дальнейшее

усложнение органических веществ. На этой стадии, по-

видимому, уже начал действовать предварительный отбор тех

соединений, которые позднее явились составными частями пер-

вых организмов. Другими словами: из множества образовавших-

ся веществ сохранялись лишь наиболее устойчивые и способ-