зываемую ионной. Атомы также могут объединить свои электроны. Такая связь называется ковалентной.

Химия раньше физики подошла к изучению сложных систем и открыла цепные реакции еще до того, как в физике был обнаружен радиоактивный распад. Теория разветвленных цепных реакций дала начало новому направлению исследований – химической физике, дисциплине, промежуточной между физикой и химией.

Важнейшее практическое значение имеет органический синтез. Синтезировано огромное количество веществ, которые до этого находились лишь в природном состоянии – различные лекарства, витамины, удобрения, каучук и т. д. Ведутся работы по выработке технологии создания материалов не только из неорганических соединений, но и из растительного сырья

В ХХ веке получило развитие новое направление – биохимия. Она стремится объяснить функционирование какого-либо уровня организации материи сведением его на более низкий уровень, на котором ищутся причины этого функционирования. Например, функционирование живых тел пытаются объяснить на молекулярном уровне. Биохимию называют химией живых организмов. Она является фундаментом для физиологии и выполняет объяснительную роль для всех биологических процессов.

Тема 3. ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

Концепция эволюционизма. Эволюционизм с позиций Ч. Дарвина: изменчивость, наследственность

Используя рациональные методы, ученые пришли к выводу, что организмы, населяющие Землю, не неизменны, а претерпевают эво-

36

люцию. Этот вывод позволил им сделать обнаруженные в разных местах Земли ископаемые остатки странных животных и растений, совершенно непохожие на современных.

Интенсивное проникновение эволюционной парадигмы в биологию началось в конце XVIII века. Французский биолог Ламарк в 1809 г. выдвинул гипотезу о механизме эволюции, в основе которой лежали две предпосылки: упражнение и неупражнение частей организма и наследование приобретенных признаков. Проблемы, поставленные Ламарком, были успешно решены Ч. Дарвином. В своей знаменитой работе «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859), он, обобщив отдельные эволюционные идеи, создал стройную, развернутую теорию эволюции. В теории эволюции Дарвина эволюция рассматривается как постоянный процесс изменения видов – результат влияния естественного отбора на незначительные унаследованные отличия.

Основные принципы эволюционной теории Ч. Дарвина:

•первый принцип постулирует, что изменчивость является неотъемлемым свойством живого;

•второй принцип раскрывает внутренние противоречия в развитии живой природы и утверждает, что, с одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометрической прогрессии, а с другой, – выживает и достигает зрелости лишь небольшая часть потомства;

•третий принцип обычно называют принципом естественного отбора, который играет фундаментальную роль в теории эволюции не только Дарвина, но и всех теорий, появившихся позднее. Естественный отбор постоянно распространяет по всему свету мельчайшие изменения, отбрасывая неприспособленные, сохраняя устойчивые.

Механизм эволюционного процесса и его движущая сила заключаются в действии естественного отбора, который является результатом взаимодействия популяций и окружающей их среды. Есте-

37

ственный отбор характеризуется как процесс выживания наиболее приспособленных и уничтожения неприспособленных организмов.

Критерии устойчивости и оптимальности структур в биологических процессах

Механизм действия факторов эволюции лучше всего виден на примере развития уровня популяции живых организмов. 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.

Появление элементарных эволюционных изменений в популяции, то есть 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.

Наблюдениями зоологов и ботаников установлено, что нередко близкородственные виды, обитающие в различных частях земного шара, отличаются друг от друга хорошо выраженными признаками, не имеющими явного адаптивного значения. Такие неадаптивные особенности благодаря действию генетико-автоматических процессов могут распространяться на большие популяции и включаться затем в видовые особенности организмов. Генетико-автоматические процессы – один из факторов органической эволюции. Они связаны с естественным отбором и по отношению к нему имеют подчиненное значение. Однако в некоторых специфических условиях роль генетикоавтоматических процессов в эволюции может быть существенной. Следовательно, преобразование популяций происходит под влиянием естественного отбора и генетико-автоматических процессов.

38

Другим важным фактором является изоляция. Под изоляцией в генетике популяций понимается любое нарушение случайного скрещивания (панмиксии). Изоляция – широко распространенное всеобщее явление природы. В природе не существует популяций, которые не были бы в той или иной степени изолированы друг от друга.

Изоляция, ограничивая панмиксию или величину популяции, представляет собой тем самым один из важных факторов эволюции. Изоляцию делят на три основные формы: географическую, биологическую и экологическую. Географическая изоляция – результат разделения группы родственных организмов какой-либо физической преградой (морем, рекой, горой, пустыней, ледником и т. д.).

Биологическая изоляция делится на генетическую и физиологическую. При генетической изоляции ограничивается или полностью исключается свободное комбинирование генов. Физиологическая изоляция, будучи генетически обусловленной, проявляется, например, в избирательности спаривания или опыления, специфического опыления насекомыми, в действии безусловных рефлексов и т. д.

Экологическая изоляция возникает в результате того, что разные группы организмов, обитающие в одной географической области, занимают различные местообитания. Она может быть обусловлена и тем, что у разных групп организмов одной популяции период размножения не совпадает во времени, то есть приходится на различные сезоны года.

Популяция может подвергаться давлению миграции, в результате которого границы между популяциями сглаживаются, а генетическое разнообразие возрастает.

Основным фактором, направляющим эволюционные изменения, является естественный отбор. 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.

39

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.

Роль химических реакций в биологических процессах

Природа в процессе эволюции живых организмов создала своеобразные химические технологии необычайной эффективности. Уже давно было установлено, что основой химии живого являются каталитические химические реакции, то есть биокатализ. Химизм живой природы являлся идеалом для исследователей: «Подражание Живой природе есть химизм будущего!». Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия. Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, то есть примерно при 5–40°С.

Ферменты можно определить как биологические катализаторы. Биокатализаторы обладают высокой селективностью (избирательностью) – один фермент катализирует обычно только одну реакцию. По принципу биокатализаторов создаются искусственные катализаторы.

Биокатализ нельзя отделить от проблемы биогенеза (происхождения жизни). Задача изучения и освоения всего многообразия каталитических процессов в живой природе – это пролог эволюционной химии.

40

Речь идет о проявлении самоорганизации в химическом процессе. Здесь понятие «самоорганизация» означает такое изменяющееся состояние химической системы, которому присущи все более высокие уровни сложности и упорядоченности. Проблема биологической самоорганизации (и биологической эволюции) оказывается самым непосредственным образом связанной с проблемой химической самоорганизации (и химической эволюции). Одна из задач химии, а именно самого новейшего ее направления – эволюционной химии, – понять, как из неорганической материи возникает жизнь. Поэтому эволюционную химию можно назвать «предбиологией».

Возникает вопрос: по каким признакам химическая эволюция отобрала малую часть элементов в число органогенов? Это, вопервых, способность образовывать достаточно прочные, энергоемкие химические связи. Во-вторых, образуемые связи должны быть достаточно лабильными, то есть изменчивыми, перестраиваемыми.

Каким образом из минимума химических соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс – биосистема? В связи с этой проблемой уже могут быть сделаны следующие предварительные выводы:

1.На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствует. Высокие температуры и радиация обеспечивают энергию, необходимую для активации любых химических взаимодействий.

2.Первые проявления катализа возникают при смягчении условия (температура менее 5 000 К). Роль катализаторов возрастала по мере того, как физические условия становились все менее экстремальными.

3.После достижения некоторого минимального набора неорганических и органических соединений роль катализа начала резко возрастать.

4.В ходе дальнейшей эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.

41

5.Следующим фрагментом эволюции, сшивающим химическую

ибиологическую линии эволюции, являются развитые полимерные структуры типа РНК и ДНК, выполняющие роль каталитических матриц, на которых осуществляется воспроизведение себе подобных структур.

Эволюционная химия совместно с другими естественными науками постепенно подступает к расшифровке механизма предбиологической эволюции и зарождения живого, а вместе с этим – и к созданию новейших технологий на принципах, заимствованных у живой природы.

Жизнь, ее определение, основа живых организмов – клетка, метаболизм в живой природе

Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшествующих предбиологических структур возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ (метаболизма) и системы воспроизводства живой клетки. Пока невозможно сказать, как конкретно происходило это развитие. В современной природе мы наблюдаем конечный результат того качественного скачка, который привел к образованию живой клетки, и последовавший за этим процесс биологической эволюции.

Что такое живое и чем оно отличается от неживого? Можно указать несколько фундаментальных отличий в вещественном, структурном и функциональном планах. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами: белки и нуклеиновые кислоты. В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя.

42

Отличие заключается также в наличии обмена веществ, способности к росту и развитию, способности к движению, раздражимости, приспособленности к среде и т. д. Кроме этого, неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность.

Обобщая и несколько упрощая сказанное, можно отметить, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Таким образом, можно сказать, что жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению.

Начало жизни на Земле – появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам. На границе между сгустками органических веществ (коацерватами) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам сохранность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту. С появлением мембран, отделяющих смеси органических веществ от окружающей среды образуется клетка – «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого.

Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы.

Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Почти в каждой из клеток человека синтезируется свыше 10 000 разных белков.

43

Живая клетка – фундаментальная частица, являющаяся мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации.

Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению. Это свидетельство единства происхождения и развития всех видов живого.

Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни, но уже в обновленном виде, или гибелью.

Обмен веществ, обеспечиваемый клетками, – важнейшее свойство всего живого. Это свойство называют метаболизмом клеток, служащим основой для сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки.

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, “вредных отходов производства”.

На уровне клетки реализуются важнейшие процессы, обеспечивающие развитие организма:

•оплодотворение при половом размножении;

•воспроизводство в клетке по матрице определенных веществ и структур;

•деление клеток, в результате которого организм растет из одной оплодотворенной яйцеклетки.

44

Концепции возникновения жизни на Земле. Уровни организации живых систем, многообразие живых организмов

Существует пять концепций возникновения жизни: 1) креационизм – божественное сотворение живого; 2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества; 3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которым жизнь существовала всегда; 4) концепция панспермии – внеземного происхождения жизни; 5)концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

Первая концепция является религиозной и к науке никакого отношения не имеет. В результате ряда экспериментов Луи Пастер окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения и доказал справедливость принципа «живое из живого» (живое может возникнут только из живого). Третья гипотеза из-за своей умозрительности всегда имела немного сторонников.

К началу ХХ века господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет «предшественников живого» – органических соединений, которые (возможно) сыграли роль «семян».

У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному, происхождение жизни – результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Согласно другой точке зрения, происхождение жизни – результат закономерной эволюции материи.

Согласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты, в том числе и живые организмы, представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организован-

45