1.3. Структурные уровни живого

Структурный, или системный, анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространенным является выделение на основе критерия масштабности следующих уровней организации живого.

• Биосферный - включающий всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой. На этом уровне биологической наукой решается такая, в частности, проблема, как изменение концентрации углекислого газа в атмосфере. Используя этот подход, ученые выяснили, что в последнее время концентрация углекислого газа возрастает ежегодно на 0,4%, создавая опасность глобального повышения температуры, возникновения так называемого «парникового эффекта».

• Уровень Биогеоценозов выражает следующую ступень структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.

• Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. А затем на этой основе можно будет поддерживать оптимальную численность популяции. Этот уровень также чрезвычайно важен для исследования путей исторического развития живого, его эволюции.

• Организменный и органно-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.

• Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

• Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.

Разделение живой материи на уровни является, конечно, весьма условным. Решение конкретных биологических проблем, таких, как регуляция численности вида, опирается на данные о всех уровнях живого. Но все биологи согласны в том, что в мире живого существуют ступенчатые уровни, своего рода иерархии. Представление о них наглядно отражает системный подход в изучении природы, который помогает глубже понять ее.

Фундаментальной же основой, так сказать первокирпичиком живого мира, является клетка. Ее исследование помогает уяснить специфику всего живого.

1.4. Клетка как “первокирпичик” живого, ее строение и функционирование. Механизм, управления клеткой

Своего рода “первокирпичики” имеются на каждом из основных уровней организации природы.

Так, на уровне, изучаемом физикой, роль таких “первокирпичики” играют фундаментальные частицы - кварки, которые не имеют внутренней структуры. Это мельчайшие частицы вещества - поля, точное местонахождение которых трудно определить даже самыми точными приборами.

В сфере химических наук место “первокирпичики” занимают уже более крупные частицы - атомы различных химических элементов, которые стали признаваться делимыми, имеющими внутреннюю структуру лишь с конца XIX в. Причем атом - более устойчивая, стабильная частица, чем кварк.

Есть подобная фундаментальная частица и в биологии. Это - живая клетка. Именно она является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации - важнейшей основы эволюционного развития живого мира.

Создание клеточной теории, основы которой были заложены немецкими учеными Т.Шванном и М.Я.Шлейденом, стало одним из крупнейших достижений биологии XIX в. Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению. Это положение стало еще одним свидетельством единства происхождения и развития всех видов живого.

Многочисленные исследования в области цитологии - новой биологической науки, специально занимающейся исследованием живой клетки, показали, что все клетки имеют некоторые общие свойства не только в строении, но и в функциях. Так, клетки осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции своего состояния, могут передавать наследственную информацию.

Вместе с тем выяснилось, что клетки весьма многообразны. Они могут существовать как одноклеточные организмы (амебы), а также в составе многоклеточных. У клеток разный срок существования. Так, некоторые клетки пищевода отмирают у человека через несколько дней после появления, а срок жизни нервных клеток может совпадать с продолжительностью жизни человека. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни, но уже в обновленном виде, или гибелью.

Размеры клеток колеблются от одной тысячной сантиметра до 10 см, что, правда, встречается очень редко.

Клетки образуют ткани (нервная, мышечная и т.д.), а несколько типов тканей - органы (сердце, легкие и пр.). Группы органов, связанные с решением каких-то общих задач, называют системами организма.

Клетка имеет сложную структуру. Она обособляется от внешней среды оболочкой, которая, будучи неплотной и рыхлой, обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром, обмен с ним веществом, энергией, информацией. Обмен веществ, обеспечиваемый клетками, - важнейшее свойство всего живого. Это свойство в биологической литературе называют метаболизмом клеток.

Метаболизм в свою очередь служит основой для другого важнейшего свойства клетки - сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клеток, присущее всей живой системе, называют гомеостазом. Гомеостаз, т.е. постоянство состава клетки, поддерживается обменом веществ, или метаболизмом.

Обмен веществ - сложный, многоступенчатый процесс, включающий доставку в клетку исходных продуктов, получение из них энергии и белков, выведение из клетки в окружающую среду выработанных полезных продуктов, энергии и «вредных отходов производства».

Следует отметить, что в последнее время к миру живого относят также и вирусы, которые не имеют клеточной структуры (бесклеточные организмы). Кроме того, существуют также некоторые организмы с клеточным строением, клетки которых не имеют типичной структуры (отсутствует ядро). Это так называемые прокариоты, безъядерные клетки. Они исторически являются предшественниками вполне развитых, имеющих ядро клеток, впервые появившихся около 3 млрд. лет тому назад - эукариотов. К прокариотам, т.е. древнейшим, безъядерным видам клеток относятся бактерии, сине-зеленые водоросли. Эти организмы имеют в своем составе нити молекул нуклеиновых кислот, которые у них, как и у всех других клеток, выполняют управленческую функцию, только они расположены не в ядре, а во внутриклеточной жидкости, в цитоплазме.

Несмотря на относительную простоту организации, безъядерные клетки способны выполнять все свойственные типичным клеткам функции, включая обмен веществ, поддержание стабильности и т.п.

Но кто же в клетке обеспечивает управление всем этим сложным многоступенчатым процессом?

Исчерпывающий ответ на этот вопрос пока не найден. Но общепризна-но, что все нити управления внутриклеточным обменом находятся в особых структурах, как правило, в ядре клетки, в очень длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), исходной структурной единицей которых является ГЕН. Это своего рода природное кибернетическое устройство, содержащее инструкцию, информацию, коды, определяющие характер всей деятельности клетки как по обмену веществ, так и по самовоспроизведению. Именно гены обеспечивают важнейшие метаболические и наследственные функции клетки, как и всего организма в целом.

Открытие в XX в. структуры и функционирования генетического аппарата клетки в развитии биологии сыграло такую же роль, как и открытие атомного ядра в физике. Если открытие ядра позволило человеку овладеть практически неисчерпаемыми запасами энергии, то открытие генов дало возможность людям вмешиваться в свойства живой клетки, управлять механизмами наследственности, практически решать задачи клонирования (копирования) живых организмов.

В заключение, однако, следует отметить, что сам по себе структурный подход при всем своем значении не может дать полного представления о сущности живого. Поэтому он должен быть дополнен диалектическим подходом, рассмотрением возникновения и развития живого.

1.5. Принципы биологической эволюции. Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. На протяжении тысячелетий господствовало элементарное объяснение, которое состояло в том, что будто бы все виды организмов были созданы однажды в их нынешних формах и больше никогда не изменялись. Так сказано в Библии, таких же взглядов придерживался Аристотель. Служители христианской церкви до сих пор верят, что все многообразие организмов, населяющих Землю, явилось результатом акта божественного творения мира за шесть дней, а любое другое объяснение они воспринимают как оскорбление своей религиозной веры.

Именно под влиянием религиозной идеи о неизменности всего живого биологическая парадигма долгое время, вплоть до XVIII в., сводилась лишь к описанию многочисленных видов животных и растений. Причем это описание ограничивалось характеристикой только внешних, бросающихся в глаза признаков. Такова была и наиболее совершенная для своего времени, но оставшаяся в рамках старой парадигмы и потому во многом искусственная, классификация, предложенная знаменитым шведским естествоиспытателем К.Линнеем.

Однако человек устроен так, что он осваивает мир, не полагаясь только на религиозную веру. Он пытается понять его также и с помощью разума, опираясь на знания, полученные путем размышлений, логических доказательств.

Используя рациональные методы, ряд ученых, например Ж.Л.Л.Бюффон во Франции, Э.Дарвин (дед Ч.Дарвина) в Англии, И.В.Гете в Германии, М.В.Ломоносов в России пришли к выводу, что организмы, населяющие Землю, не неизменны, а претерпевают эволюцию. Этот вывод позволили им сделать обнаруженные в разных местах Земли ископаемые остатки странных животных и растений, совершенно не похожие на современных. Находки поражали воображение людей. Им пытались дать то или иное объяснение. Некоторые высказывали даже такое предположение, что ископаемые - это не остатки вымерших организмов, а некие предметы, которые Господь поместил в горные породы, чтобы людям интереснее было жить на свете.

Однако некоторые ученые сделали из этих открытий другие выводы:

они выступали как создатели первых концепций об эволюции всего живого на Земле. Тем самым осуществилось предвидение К.Линнея, который, критически относясь к собственной концепции, считал, что «искусственная система служит лишь до той поры, пока не найдена естественная».

И действительно, такая пора скоро настала: парадигма искусственной систематизации сменилась принципами естественной классификации, основанной на теории эволюции и исходившей не только из внешнего сходства форм, но и из общности происхождения, родства.

Интенсивное проникновение эволюционной парадигмы в биологию началось в конце XVIII в. благодаря работам выдающегося французского биолога Ж.Б.Ламарка. Он известен не только тем, что предложил впервые термин «биология». Ламарк объяснил изменчивость видов двумя факторами:

влиянием внешней среды (питание, климат, упражнение органов) и

наследственности.

Проблемы, поставленные Ламарком, были успешно решены Ч.Дарвином. В своей знаменитой работе «Происхождение видов путем естественного отбора», вышедшей в 1859 г., он, обобщив отдельные эволюционные идеи, создал стройную, развернутую теорию эволюции.

С тех пор теория эволюции остается самым плодотворным продуктом биологической мысли за все время ее существования. Но время от времени, однако, появляются мыслители, объявляющие, что Дарвин был неправ. И все же до сих пор не появилось другой, сколько-нибудь значимой теории, которая дала бы объяснение многим загадочным фактам, как это сделала теория эволюции Ч.Дарвина. Более того, сегодня она находит все новые области применения. Так, современная физика обосновывает концепцию универсальной эволюции. Согласно этой теории развитие Вселенной предстает как рад последовательных эволюционных этапов, начиная с так называемого Большого взрыва через период эволюции неживой материи к биологической эволюции, а от нее к этапу исторической эволюции человека и общества.

Учение о биологической эволюции есть наука о причинах, движущих силах и закономерностях изменения и развития живых организмов. Эволюционное учение является теоретической основой современной биологии, обобщает результаты, полученные частными биологическими науками.

С точки зрения теории эволюции, все многообразие живой природы является результатом действия трех взаимосвязанных факторов: наследственности, изменчивости и естественного отбора.

Эти выводы теории эволюции, или ее основные принципы, базируются на следующих трех наблюдениях.

В любой популяции, виде животных наблюдается изменчивость составляющих ее особей. В этом можно убедиться, сравнивая, например, одного человека с другим.

Некоторые из этих изменений имеют генетическую основу, т.е. унаследованы от родительских особей, получены уже при рождении, а другие являются результатом приспособления к окружающей среде, приобретены в течение жизни.

Рождается, как правило, значительно большее число организмов, чем доживает до размножения; многие гибнут на стадии семян, зародышей, птенцов, личинок. Причем выживают те организмы, которые обладают сочетанием генов, повышающих вероятность их выживания и размножения, а также вырабатывают в течение своей жизни некоторые признаки, способствующие выживанию.

Отсюда вытекает главный вывод, что весь ход эволюции видов ведет к тому, что генетические и иные признаки, обеспечивающие выживание, встречаются от поколения к поколению все чаще в данном виде (популяции), определяя главное направление его (ее) развития.

Механизм действия факторов эволюции лучше всего виден на примере развития уровня популяции живых организмов. Правда, долгое время считалось, что эволюционные изменения лучше всего изучать на примере развития отдельного вица растений или животных. Но затем пришли к выводу, что из-за сложности структуры вида, его разновидности, неравномерности географического распределения лучше всего эволюционные процессы проявляются на популяционном уровне.

Популяция - это длительно существующие группы особей, устойчиво сохраняющиеся на протяжении жизни многих поколений. Именно здесь активно происходят обмен генетическим материалом, процессы естественного отбора и другие изменения. Именно здесь интенсивно осуществляется случайное, свободное скрещивание. В то же время популяция так или иначе изолирована от соседних совокупностей особей данного вида.

Популяции могут занимать территории разной протяженности, в зависимости от размеров особей и их численности. Размер территории может колебаться от нескольких сотен метров до сотен километров. Существует и некоторая минимальная для того или иного вида численность популяции крупных животных. Так, длительное существование популяции крупных животных (например, лосей), состоящей всего из нескольких сотен животных, невозможно. При такой или меньшей численности популяция в результате неизбежных случайных колебаний может сократиться до нуля. Для исчезновения популяции достаточно сокращения одного из полов (самцов или самок) настолько, чтобы стала затруднительной встреча особей для размножения.

Виды, как правило, состоят из нескольких популяций, хотя бывают и исключения (белый медведь в Арктике). Появление элементарных эволюционных изменений в популяции, т.е. ее новых устойчивых признаков, передающихся по наследству через несколько поколений, зависит от следующих эволюционных факторов: перестройки носителей наследственности - генов, популяционных волн, изоляции и естественного отбора.

Перестройка генов, или мутационный процесс, является основой разнообразия особей в популяциях. Но этот процесс все же не является решающим фактором эволюции. Будучи основан на случайности, он не определяет ее направления.

То же самое можно сказать и о популяционных волнах, т.е. резких колебаниях численности особей из-за различных природных колебаний: урожай, засуха, похолодание и т.п. Этот фактор также не определяет направления эволюции. Однако он может резко менять число редко встречающихся мутаций, создавая те или иные новые предпосылки для эволюционных изменений.

Изоляция, или возникновение барьеров, препятствий, уменьшающих возможности обмена генетической информацией с другими группами особей данного вида, выступает как фактор, закрепляющий начальную стадию дифференциации генофонда обособившейся группы. Но и изоляция не задает направления эволюционному процессу, хотя и выполняет роль его мощного усилителя.

Естественный отбор является основным фактором, направляющим эволюционные изменения. Именно он определяет магистральную линию исторического развития живого, формирует у живых организмов оптимальные способности к выживанию и самовоспроизведению. Результаты естественного отбора проявляются в ходе смены многих поколений. Объектом отбора являются отдельные виды живого. Особь, прошедшая отбор, тем самым вносит свой вклад в генофонд популяции. Отбору подвергаются все признаки свойства живого. Он действует на всех стадиях развития особи и имеет четкую направленность - повышение способности к выживанию, к оставлению потомства. Причем отбор закрепляет и те особенности, которые полезны данному виду как целому. Эти признаки могут быть вредны для особи, но полезны для популяции: отгоняя врага, ужалившая его пчела гибнет, но спасает пчелиную семью, семейный запас меда.

Учитывая все сказанное, можно сформулировать главный вывод: весь ход эволюции видов ведет к тому, что генетические и иные признаки, обеспечивающие выживание, встречаются от поколения к поколению в данной популяции все чаще, определяя направление развития вида.

Таким образом, эволюция есть направленный процесс исторического изменения живых организмов. Указанные факторы действуют не только на популяционном и видовом уровне, как микроэволюция, но также и на надвидовом уровне как макроэволюция, образуя новые виды, классы живого.

Современная сложная структура живого является как раз результатом и отражением продолжавшейся миллионы лет микро- и макроэволюции.

Комплекс представлений о микро- и макроэволюции, сложившийся к середине XX в., стали называть синтетической теорией эволюции. Но и в ее современном виде она не догма. Нужна огромная работа исследователей, чтобы здание эволюционной теории, основы которого были заложены Ч.Дарвином, приобрело завершенный вид.

Ныне эволюционное учение видит свою главную задачу в том, чтобы на основе углубленного познания механизма эволюционных процессов предсказывать конкретные возможности эволюционных преобразований и на этой основе управлять эволюционным процессом. Все возрастающую роль в выполнении данной задачи играет одна из наиболее перспективных отраслей биологической науки - генетика.