1. Клеточный уровень исследования живых систем

Своего рода «первокирпичики» имеются на каждом из основных уровней организации природы. Так, на уровне, изучаемом физикой, роль таких «первокирпичиков» играют фундаментальные частицы — кварки, в сфере химических наук — атомы различных химических элементов, которые стали признаваться делимыми лишь с конца XIX в. Есть подобная фундаментальная частица и в биологии. Это — живая клетка.

В середине XIX века клетка рассматривалась как последняя единица живой материи. Из клеток считались построенными все живые системы. Такие идеи высказывал, например, один из создателей клеточной теории Матиас Шлейден (1804 – 1881). Другой выдающийся биолог Эрнст Геккель (1834 – 1919) выдвинул гипотезу, согласно которой протоплазма клетки также обладает определенной структурой и состоит из субмикроскопических частей. Таким образом, в живой системе можно было выделить новый структурный уровень организации.

Эти идеи встречали сопротивление, с одной стороны, последователей редукционизма, стремившихся свести процессы жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций, а с другой — защитников витализма (от лат. vitalis — жизненный), которые пытались объяснить специфику живых организмов наличием в них особой «жизненной силы», которая, якобы, отличает живое от неживого.

Идеи редукционизма находили поддержку со стороны представителей механистического и «вульгарного» материализма, первые из которых пытались объяснить закономерности живой природы с помощью простейших механических и физических понятий и принципов, вторые же стремились редуцировать, или свести эти законы к закономерностям химических реакций, происходящих в организме. Некоторые представители «вульгарных» материалистов (Людвиг Бюхнер, 1824 – 1899, и Якоб Молешотт, 1822 – 1893) даже утверждали, что мозг порождает мысль подобно тому, как печень выделяет желчь.

Многочисленные исследования в области цитологии – биологической науки, занимающейся исследованием живой клетки, показали, что все клетки имеют некоторые общие свойства как в строении, так и в функциях. В первую очередь, ученые исследовали структуру белков и выяснили, что они построены из 20 аминокислот, которые соединены длинными полипептидными связями, или цепями.

Характерная особенность аминокислот, содержащихся в других живых системах, состоит в том, что все они являются левовращающими изомерами, то есть способными вращать плоскость поляризации света влево, хотя в принципе существуют аминокислоты и правого вращения. Каждая из молекул аминокислот, таким образом, является зеркальным отображением другой. Впервые это явление открыл выдающийся французский ученый Луи Пастер (1822 – 1895). Он обнаружил, что вещества биологического происхождения способны вращать поляризованный луч и поэтому являются оптически активными, вследствие чего были впоследствии названы оптическими изомерами.

Л. Пастер высказал мысль, что важнейшим свойством всей живой материи является молекулярная асимметричность, подобная асимметричности левой и правой рук. В современной науке это свойство называют молекулярной хиральностью. Если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отображение, то его организм функционировал бы нормально до тех пор, пока он не стал бы употреблять пищу растительного или животного происхождения, которую он не смог бы переварить. На вопрос, почему именно живая природа выбрала белковые молекулы, построенные из аминокислот левого вращения, до сих пор нет убедительного ответа.

Клетки весьма многообразны. Они могут существовать как одноклеточные организмы (амебы), а также в составе многоклеточных. Некоторые клетки пищевода отмирают у человека через несколько дней после появления, а срок жизни нервных клеток может совпадать с продолжительностью жизни человека.

Размеры клеток колеблются от одной тысячной сантиметра до 10 см.

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 обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром. Обмен веществ, обеспечиваемый клетками (метаболизмом клеток), — важнейшее свойство всего живого. Метаболизм в свою очередь служит основой для другого важнейшего свойства клетки — сохранения стабильности внутренней среды клетки (гомеостаза). В свою очередь, гомеостаз поддерживается обменом веществ, или метаболизмом.

Как же в клетке обеспечивается управление всем этим сложным многоступенчатым процессом? Общепризнанно, что все нити управления внутриклеточным обменом находятся в особых структурах, исходной структурной единицей которых является ген. Это своего рода природное кибернетическое устройство, содержащее информацию, коды, определяющие характер всей деятельности клетки как по обмену веществ, так и по самовоспроизведению.