Концепции современного естествознания. Учебное пособие-1

Шаров и Ю. Ефремов нашли старые фотографии этого объекта, из которых следовало, что он значительно изменил свой блеск за короткое время. Поскольку допустить слаженное изменение яркости современная астрофизика не позволяет, был сделан вывод о том, что излучает не сама звезда, входящая в состав иной галактики, а какой-то другой объект, чья мощность излучения соответствовала мощности галактического ядра. Именно эти объекты и были названы квазарами.

В целом, говоря о современном состоянии космологической теории, можно, не смотря на ее значительные успехи, привести слова выдающегося советского ученого И.С. Шкловского: «Все же многое, может быть, самое важное, остается загадочным и непонятным».

Тема 5. Живые системы

5.1. Отличия живой и неживой природы

На первый взгляд, отличить живой организм от неживого объекта чрезвычайно просто. Живое питается, размножается, дышит, движется, неживое лишено этих качеств. Поэтому на ранних этапах развития науки вопрос об отличии живой и неживой природы в принципе не ставился. Однако с развитием биологии ученым пришлось усомниться в, казалось бы, очевидных вещах. Критерий питания как характерной особенности живых систем признается неудовлетворительным, когда выясняется, что питание представляет собой всего лишь один из многочисленных способов поддержания внутренней структуры системы за счет поставляемой извне энергии. Многие неживые системы обладают этой характеристикой. Дыхание представляет, по сути, одну из разновидностей питания. Способность к движению также не является критерием отличия — многие неживые системы двигаются, в то время как многие живые организмы, напротив, такой способностью не обладают. Долгое время считалось, что критерий размножения является достаточным для отделения живых систем от неживых. В самом деле, способностью к воспроизводству себе подобных обладают только живые существа. Однако, если использовать этот критерий, обнаружится, что далеко не все живые системы могут называться живыми. Например, человечеству издавна известны примеры близковидового скрещивания животных,

71

таких как, скажем, лошадь и осел. В результате такого скрещивания получается вполне жизнеспособное потомство — мулы. Однако они способностью к размножению не обладают. Получается, что животные, на протяжении тысячелетий известные человеку, на самом деле не являются живыми существами.

В настоящее время приняты критерии отличия живой материи от неживой

по нескольким параметрам.

1.Живые организмы характеризуются высоким уровнем организации внутреннего строения. Молекулы, из которых состоят живые системы, по своей структуре гораздо сложнее молекул неживой природы.

2.Живые организмы являются открытыми системами. Любой организм нуждается в притоке и усвоении внешней энергии (в первую очередь — солнечной, которая прямо или косвенно используется во всех живых системах).

3.Живые организмы адаптируются к окружающей среде. Способность реагировать на внешние раздражения изначально присуща живым системам. Ответ на внешний раздражитель (стимул) называется реакцией живого организма. Набор подобных реакций является основой поведения живой системы.

4.Живые системы обладают способностью к развитию. Эта способность заложена в каждом организме благодаря определенной информации, содержащейся в генетическом материале.

Каждый из этих критериев отличия сам по себе может принадлежать как живым, так и неживым системам, но в комплексе в большинстве случаев они дают картину различия живых и неживых систем. Вирусам, например, свойственны некоторые, но не все эти отличия. Неживые объекты могут обладать одним или несколькими из перечисленных выше свойств, но не всеми одновременно. Кристаллы в насыщенном растворе могут расти, кусочек металлического натрия быстро движется на поверхности воды, капля масла, помещенная в смесь глицерина и спирта в определенной пропорции, выпускает псевдоподии и передвигается наподобие амебы.

Одним из существенных критериев живых систем является наличие в них особенных высокоорганизованных молекул. К таким молекулам относят, во-первых, белки, во-вторых, нуклеиновые кислоты. Наличие этих двух видов молекул (а в некоторых случаях — даже одного вида) позволяет с достаточной уверенностью говорить о живой природе содержащих их систем.

Белки — сложные высокоорганизованные молекулы, состоящие из ряда более простых соединений — аминокислот. Представление о сложности белковой молекулы может дать формула гемоглобина — белка, отвечающего за перенос кислорода и

72

питательных веществ кровью: C3032 H4816 O872 № 780 S8 Fe4 . И это еще не самая крупная белковая молекула. Для удобства биологи оперируют не полными формулами белка, а его аминокислотной структурой. В настоящее время известны около сорока аминокислот, из которых в человеческом организме встречаются примерно двадцать пять. Каждая аминокислота представляет собой отдельную молекулу, способную к установлению особого рода связей с другими аминокислотами. Такие связи называются

пептидными.

Функции белков в живых организмах чрезвычайно обширны и разнообразны. Строительная функция заключается в использовании белковых молекул для строительства отдельных структур живой клетки. Клеточная оболочка, ядро, митохондрии — все эти структуры состоят из белка. Транспортная функция — перенос кислорода, питательных веществ, а также продуктов распада от одних органов и тканей к другим. Примером здесь может быть уже упоминавшийся гемоглобин, который переносит кислород, всасывающийся в кровь, к различным органам и тканям. Трофическая функция заключается в поставлении белками определенного вида биологической энергии и некоторых веществ. Например, все аминокислоты, из которых состоят белки человека, делятся на воспроизводимые — те, которые могут быть синтезированы в организме, — и невоспроизводимые. Для поддержания структуры белка невоспроизводимые аминокислоты должны поступать извне с пищей. Они могут содержаться либо в белках животного, либо растительного происхождения. Каталитическая функция — регулирование скорости химических реакций, идущих в организме. Живые системы отличаются способностью осуществлять некоторые химические реакции, для протекания которых в естественной среде понадобилось бы значительное время, за очень сжатые промежутки времени. Например, при некоторых реакциях в клетке выделяется перекись водорода — ядовитое вещество, разрушающее клеточную стенку. Она разлагается в присутствии железа, но чрезвычайно медленно. Однако благодаря ферменту каталазе (молекула которого содержит один атом железа) этот процесс ускоряется в десятки тысяч раз. Понадобилось бы триста лет для того, чтобы один атом железа вне живой клетки расщепил такое количество перекиси водорода, которое молекула каталазы расщепляет за одну секунду. Белки, выполняющие каталитическую функцию в организме, называются ферментами. Ни один химический процесс в организме, ни одна биохимическая реакция не происходит без участия ферментов. Информационная функция белков будет рассмотрена ниже, она тесно связана с организацией нуклеиновых кислот.

73

Нуклеиновые кислоты впервые были выделены в 1870 г. Мишером из клеточных ядер, что и дало их название (от лат. nucleus — ядро). Существуют два основных вида нуклеиновых кислот — рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). В

настоящее время выделены несколько различных видов ДНК и РНК, отличающихся по своему строению. Как и молекулы белка, молекулы нуклеиновых кислот состоят из более простых образований, называемых нуклеотидами. Различают два вида нуклеотидов (иногда они называются основаниями) — пуриновые и пиримидиновые. К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин, к пиримидиновым — цитозин, тимин и урацил. В состав РНК входят аденин, гуанин, цитозин и урацил, в ДНК вместо урацила используется тимин. Молекулы нуклеиновых кислот построены из линейных цепей нуклеотидов, соединенных эфирной связью.

Структура ДНК была открыта в 1953 г. американскими биологами Дж. Уотсоном и Ф. Криком, за что эти ученые получили нобелевскую премию.

Основной функцией нуклеиновых кислот является информационная. В

наибольшей степени это относится к ДНК, которая, согласно современным представлениям, является основным носителем генетической информации живых организмов. ДНК представляет собой двойную спираль, каждая ветвь которой состоит из нуклеотидов. Было доказано, что основания могут образовывать химические связи только попарно — аденин с тимином, а цитозин с гуанином. Эфирные связи между двумя цепочками спирали ДНК не являются очень прочными, и под воздействием определенных белков в процессе деления клетки начинают рваться. Разрыв этих связей приводит к возможности замещения оснований до полной пары. Химическая реакция, обеспечивающая разрыв двойной спирали ДНК именно в нужный момент в нужном месте, происходит благодаря выполнению белками— ферментами своей информационной функции, о которой было сказано выше. Каждая из образовавшихся одиночных цепочек достраивается до двойной за счет нуклеотидов, находящихся в цитоплазме клетки. В результате образуются две молекулы, являющиеся точной копией исходной ДНК. Крайние цепочки представляют в данной схеме первичную молекулу ДНК, а средние — дочерние, образованные в результате ее удвоения. Процесс удвоения ДНК называется репликацией. Две цепи ДНК отделяются друг от друга, и около каждой из них возникает тождественная или, как говорят биологи, комплементарная цепь. При построении новой цепи нуклеотиды располагаются в ней совершенно определенным образом, т.к. пурины и пиримидины исходной молекулы образуют связи с комплементарными им пиримидинами и пуринами и тем самым выстраивают их в

74

комплементарной старой цепи последовательности. Затем новая и исходная цепи закручиваются одна вокруг другой, образуя новую молекулу ДНК.

Из такой структуры молекулы вытекает, что генетическая информация, содержащаяся в ДНК, закодирована в специфической последовательности нуклеотидов. Каждой аминокислоте, входящей в состав белка, соответствует так называемый триплетный код, или слово, состоящее из трех последовательно расположенных оснований. Число трехбуквенных слов из четырех символов (нуклеотидов) составляет 64, этого вполне хватает для кодирования всех аминокислот. В генетическом коде нет знаков препинания, триплеты читаются один за другим, до тех пор, пока этот процесс не дойдет до определенной комбинации, означающей завершение кодирования. Современные данные позволяют считать, что генетический код является универсальным, т.е. сочетание нуклеотидов, соответствующих определенной аминокислоте, одинаково для всех живых организмов, от бактерий до человека. Экспериментальное подтверждение эта теория получила в 1961 г. Американскому биологу Ниренбергу удалось синтезировать полиурациловую кислоту — нуклеиновую кислоту, состоящую только из урациловых оснований. Когда эту искусственную информационную РНК добавили в раствор ферментов, катализирующих синтез белка, началось включение в белок только одной аминокислоты — фенилаланина. Отсюда был сделан вывод о том, что за синтез этой аминокислоты отвечает комбинация оснований

УУУ. Сейчас расшифрованы триплетные коды большинства аминокислот, входящих в состав белка человека и многих животных. Это дало толчок развитию такой дисциплины как генная инженерия.

5.2. Уровни организации живых систем

Среди живых систем можно увидеть широчайший разброс в структуре их организации. Некоторые такие системы являются очень простыми, как, например, вирусы, состоящие только из оболочки, в которую заключена нуклеиновая кислота (именно поэтому вирусы проявляют свойства живого только попадая в какой-либо живой организм; вне такого организма колонии вирусов ведут себя подобно неживым химическим системам, вплоть до образования кристаллов). Другие системы, напротив, обладают очень сложной и высокоорганизованной структурой. Все живые системы

75

могут быть разделены на несколько уровней, причем эти уровни могут включать в себя как отдельный организм или его части, так и множество организмов.

Первым уровнем организации живых систем является субклеточно-клеточный. Первые биологи занимались изучением целых организмов растений и животных, т.к. долгое время представлялось, что именно организм является структурной единицей живого. Однако изобретение микроскопа позволило открыть мельчайшие частицы, из которых состоят все живые системы (за исключением вирусов). Это открытие подготовило почву для появления в 1838 г. клеточной теории, авторами которой являются немецкие биологи Шлейден и Шванн. Согласно этой теории, клетка представляет собой основную единицу структуры и функций живого.

Изобретение в 1938 г. электронного микроскопа привело к открытию еще более глубокого уровня, который был назван субклеточным. Оказалось, что живая клетка сама представляет собой сложную структуру, в состав которой входят множество подсистем. К тому же при помощи электронного микроскопа удалось получить данные о строении биологических молекул — белков и нуклеиновых кислот, поэтому оказалось возможным выделить молекулярный уровень организации живых систем. Однако и молекулы, и субклеточные структуры только тогда являются действительно живой системой, когда они определенным образом объединены. Такой объединяющей системой и является живая клетка.

Впервые клетки описал Р. Гук (17 век), рассматривая под весьма несовершенным микроскопом срез пробкового дерева. То, что он при этом увидел, было на самом деле лишь стенками умерших клеток. В 1824 г. Дютроше утверждал, что «ткани всех организмов состоят, по существу, из чрезвычайно мелких шаровидных клеток, связанных между собой, по-видимому, только обычными силами адгезии; все ткани и органы животных представляют собой клеточную ткань, различным образом видоизмененную». Еще до этого, в 1809 г. Ламарк писал: «Тело является живым лишь в том случае, если его составные части построены из клеток». В 1931 г. знаменитый физик и физиолог Р. Броун описал первую внутриклеточную структуру — ядро. Таким образом, к 1838 г. — моменту создания теории Шлейдена и Шванна — многие ее положения уже существовали и были доказаны экспериментально.

У разных живых организмов и в различных органах одного и того же организма клетки поразительно разнообразны по своему строению и функциям. Однако все они имеют ряд общих характеристик: каждая клетка окружена плазматической мембраной и содержит внутри себя разнообразные структуры, называемые органеллами. К ним относятся митохондрии, ядро, лизосомы и некоторые другие.

76

Основной функцией всех клеток, независимо от их специализации, является осуществление биохимических процессов, обеспечивающих поддержание ее внутренней структуры, рост и размножение. Комплекс этих процессов называется обменом веществ, или метаболизмом. Биохимические реакции обмена веществ принято разделять на анаболические и катаболические. При анаболических реакциях простые вещества соединяются между собой, образуя более сложные молекулы, при катаболических происходит расщепление сложных молекул. Процессы того и другого типа происходят параллельно и взаимосвязано.

Таким образом, несмотря на выделение молекулярного и субклеточного уровней, только живая клетка обладает всеми характеристиками, позволяющими отнести систему к живой материи. Именно поэтому, несмотря на отличие биологических молекул и внутриклеточных органелл от неживой природы, начальным уровнем организации живых систем является именно клеточный. Можно сказать, что без биомолекул и внутриклеточных структур не может быть жизни, но сами по себе они еще не являются жизнью, необходимо, чтобы все эти структуры были объединены в единую систему, и именно живая клетка и является такой системой.

Клетки различаются по своей структуре и функциям, поэтому выделяют два промежуточных уровня их организации: уровень биологических тканей и уровень органов.

Биологической тканью называется совокупность морфологически идентичных клеток. Морфология — наука о структуре живых организмов. Морфологически идентичные клетки, следовательно, это клетки, имеющие одинаковую структуру. В высокоорганизованных живых системах, какими являются многоклеточные организмы, существуют самые разнообразные виды клеток. Объединение таких видов и дает биологическую ткань. Мы можем говорить о мышечной, нервной, эпителиальной (покровной) и других видах тканей, имея в виду, что все они состоят из клеток, чья структура и форма свойственны только данному виду ткани.

Органом называется совокупность функционально идентичных клеток. Орган является более сложным образованием, нежели ткань. Он может состоять как из клеток одного вида, так и разных видов. Например, в таком органе, как сердце, присутствуют клетки мышечной, сосудистой, нервной и других тканей. Орган предназначен для выполнения определенной функции в организме, поэтому его строение зависит прежде всего от задач, стоящих перед ним.

Ткани и органы представляют собой факультативные уровни организации живых систем, поскольку они присутствуют не в каждой такой системе. Например, в

77

одноклеточных организмах их выделить невозможно. Именно поэтому чаще всего говорят, что вслед за клеточным уровнем можно выделить организменный уровень организации.

Организмом называют живую систему, объединенную общим метаболизмом и единым органом управления. В случае с одноклеточными организмами (бактерии, простейшие и т.д.) общий метаболизм не вызывает сомнений, т.к. он протекает всего в одной клетке, но органы управления как таковые у одноклеточных отсутствуют. Тем не менее, даже такие живые системы обнаруживают процессы взаимодействия с окружающей средой по принципу «стимул — реакция», что свидетельствует о наличии определенных систем управления поведением. Можно сказать, что эти системы распределены по всей клетке одноклеточного организма, или, более точно, что сама эта клетка и выполняет, в числе прочих функций, функцию самоуправления.

В многоклеточных организмах, напротив, можно выделить (хотя и не всегда) единый управляющий центр, например, нервная система у животных, однако единый метаболизм представить достаточно сложно. В данном случае следует четко осознавать, что речь идет не о тождественности биохимических процессов во всех клетках живой системы одновременно, а о специфических реакциях каждой клетки, протекающих на благо всей системы в целом.

И одноклеточные, и многоклеточные организмы являются открытыми системами, т.е. они активно взаимодействуют с окружающей средой.

Клеточный и организменный уровни представляют единичные системы, которые являются четко обособленными друг от друга. Существует ряд уровней, на которых объединяются различные организмы, поэтому такие уровни называются надорганизменными уровнями организации живых систем. К таким уровням относятся вид, популяция, биоценоз, биогеоценоз, биосфера, ноосфера.

Видом называется совокупность особей, производящих на свет потомство, способное к дальнейшему воспроизводству. На Земле существует огромное количество видов живых организмов. В настоящее время насчитывается 1,2 млн. видов животных и 0,5 млн. видов растений. Есть виды, очень схожие между собой, в таких случаях возможно межвидовое скрещивание (уже упоминавшиеся лошади и ослы), однако потомство от такого скрещивания не способно к размножению, особи, получающиеся в результате межвидового скрещивания, являются стерильными. Каждому виду соответствует уникальный набор генетической информации, называемый генофондом. Гены каждого вида отвечают за деятельность клеток, синтезирующих специфические белки; ими определяется внешний вид и морфология особей данного вида.

78

Популяция — совокупность особей одного вида, объединенных общим ареалом. Ареалом называется территория проживания данных особей. Популяции, чей ареал является ограниченным и не пересекается с другими ареалами данного вида,

называются демами или генетическими популяциями. Территориальные границы популяций могут быть расплывчатыми, а число особей, входящих в ее состав, может сильно колебаться во времени. Популяция является основной эволюционной единицей.

Биоценоз — совокупность особей различных видов, объединенных общим ареалом. Биоценозы представляют собой минимальные сообщества живых организмов, которые могут существовать достаточно продолжительное время. Ни один вид живых существ не смог бы выжить без других видов. Этому препятствуют два основных фактора — проблема питания и проблема отходов жизнедеятельности. По типу питания все организмы делятся на автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы — организмы, способные к синтезу органических веществ из неорганических. Автотрофами являются все растения, некоторые простейшие и т.д. Такие организмы синтезируют необходимые для них сложные органические соединения из неорганических, используя для этого энергию солнечного света. Проблема питания, таким образом, для автотрофных организмов заключается лишь в наличии необходимого количества неорганических веществ и солнечной энергии. Однако даже такие системы не смогут существовать обособленно, поскольку ни один вид не может существовать в окружающей среде, загрязненной отходами его жизнедеятельности. Для утилизации этих отходов необходимы другие виды. Например, лиственные деревья не смогли бы развиваться, если бы не существовало бактерий, разлагающих органические останки до такого уровня, что дерево способно использовать в качестве питательных веществ.

Гетеротрофы — организмы, получающие необходимые органические соединения с пищей. Гетеротрофные организмы тем более не могут существовать обособленно, поскольку для их развития необходимы другие виды — поставщики пищи.

Биоценоз как комплекс особей различных видов как раз и способен предоставить условия для их жизни. В устойчивых биоценозах складывается определенное равновесие, в результате чего каждый вид занимает свою собственную нишу обитания и выполняет определенные функции для сохранения этого равновесия.

Биогеоценоз — это биоклиматическая система. В процессе жизни различных видов организмов, объединенных в биоценоз, невозможно не учитывать факторы воздействия на них неживой природы. Температура, влажность воздуха, содержание

79

кислорода в воздухе, высота над уровнем моря, продолжительность светового дня и огромное количество других характеристик влияют на функционирование этой системы. Понятие биогеоценоза представляет собой выражение системного подхода к исследованию живых организмов, оно выражает всю совокупность факторов — как живых, так и неживых систем, — влияющих на процесс жизни. Наиболее крупные и устойчивые биогеоценозы называются биомами. Примерами биомов являются тундра, тайга, океан и др.

Под биосферой подразумевают биологическую оболочку Земли, в нее входят все живые организмы, населяющие нашу планету вместе со средой их обитания. Термин «биосфера» в научный обиход ввел австрийский геолог Э. Зюсс. Биосфера представляет собой сложную динамическую систему, состоящую из двух крупных подсистем — живых организмов и среды их обитания. Элементарной ячейкой биосферы является биогеоценоз. Биосфера показывает, каким образом происходит влияние на живые системы факторов неживой природы, но она же показывает, как происходит и обратное воздействие. Живые системы представляют собой уникальные элементы в макромире, которые видоизменяют его благодаря своим особенностям.

Ноосфера представляет собой систему, состоящую из биосферы и человека как активного участника процессов изменения окружающей среды. Понятие ноосферы было введено в первой трети ХХ века, эта категория активно разрабатывалась такими учеными как Тейяр де Шарден, В.И. Вернадский, А.Л. Чижевский и другими. Эра ноосферы наступает тогда, когда человеческая деятельность достигает таких размеров, что становится сравнимой с планетарными явлениями. К таким явлениям относят ураганы, землетрясения извержения вулканов и т.п. Греческое слово «ноос» переводится как «разум», поэтому ноосферу можно определить как планетарную систему, активным действующим началом которой является человеческий разум. Так, до промышленной революции основным фактором, определяющим состав атмосферы, была жизнедеятельность растений. Только от них зависело процентное содержание в воздухе кислорода и углекислого газа. В ходе развития человеческой деятельности она стала производить все большее влияние на этот процесс, в результате чего в настоящее время состав атмосферных газов значительно изменился, что привело к значительным изменениям климата планеты (см. раздел «Макромир»). Разум человека и его деятельность стали новой геологической силой, которая формирует условия жизни человека как биологического вида. Человек — единственный вид на Земле, способный целенаправленно изменять природные условия. К сожалению, в процессе такого изменения в погоне за сиюминутной выгодой часто упускаются из вида отдаленные

80