2.2.Мир живого как система систем

В основе современной биологической картины мира лежит представление о том, что мир живого – это грандиозная система высокоорганизованных систем. Любая система состоит из совокупности элементов (компонентов) и связей между ними (структуры), которые объединяют данную совокупность элементов в единое целое. Биологическим системам свойственны свои специфические элементы и особенные типы связей между ними.

Живые объекты, системы в природе относительно обособлены друг от друга (особи, виды, популяции). Любая особь многоклеточного животного состоит из клеток, любая клетка и одноклеточные существа – из определенных органелл. Органеллы образуются дискретными, обычно высокомолекулярными, органическими веществами. Биологические системы предельно индивидуализированы. Среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяций, видов и др. Это способствует их адаптации к внешней среде.

Вместе с тем сложная организация невозможна без целостности. Целостность системы означает несводимость свойств системы к сумме свойств ее элементов. Целостность порождается структурой системы, типом связей между ее элементами. Биологические системы отличаются высоким уровнем целостности.

Живые системы – открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом, энергией и информацией со средой. Для живых систем характерны отрицательная энтропия (увеличение упорядоченности), способность к самоорганизации.

Динамические процессы в биологических системах, их самоорганизация, устойчивость и переходы из стационарного состояния в нестационарное обеспечиваются различными механизмами саморегуляции. Саморегуляция – это внутреннее свойство биологических систем автоматически поддерживать на некотором необходимом уровне параметры протекающих в них процессов. Системы органического мира организованы иерархически и представлены большим количеством уровней структурно-функциональной организации. На каждом уровне складываются свои специфические механизмы саморегуляции, основанные, как правило, на принципе обратной связи, когда отклонение некоторого параметра от необходимого уровня приводит к «включению» функций, которые ликвидируют дисбаланс, возвращая данный параметр к нужному уровню. Любая биологическая система способна пребывать в различных стационарных состояниях. Это позволяет ей, с одной стороны, функционировать в определенных отношениях независимо от среды, а с другой – адаптироваться к среде при соответствующих условиях

Кроме стационарных, биологические системы имеют автоколебательные состояния, когда значения параметров колеблются во времени с определенной амплитудой. Такие состояния являются основой периодических биологических процессов, биологических ритмов, биологических часов и др.

2.3.Концепции происхождения жизни

Взгляды на проблему происхождения жизни на Земле менялись с течением времени. В истории науки существовало большое количество самых разнообразных гипотез и концепций, некоторые из них получили весьма широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания. К таким концепциям происхождения жизни относят:

1. теорию стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

2. креационизм, утверждающий, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения;

3. теорию самопроизвольного зарождения жизни, основывающуюся на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества;

4. теорию панспермии, утверждающую, что жизнь занесена на Землю из космоса;

5. теорию случайного однократного происхождения жизни;

6. теорию биохимической эволюции.

Такое разнообразие взглядов вызвано тем обстоятельством, что воспроизвести или экспериментально подтвердить ту или иную гипотезу зарождения жизни сегодня невозможно.

Теория стационарного состояния

Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно, а вместе с ней – различные виды живого. При этом какие-то из видов при изменении условий окружающей среды вымерли, какие-то переместились в новые биологические ниши, а какие-то резко меняли численность. Большая часть аргументов в пользу этой теории основана на исследованиях палеонтологов, выявивших исчезновение некоторых видов животных в процессе эволюции, отсутствие следов переходных звеньев между разными видами живых организмов и все более высокими оценками возраста Земли.

Теория креационизма

Она имеет самую древнюю историю, так как практически во всех политеистических религиях возникновение жизни рассматривается как акт божественного творения, свидетельством чего служит наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Эти взгляды разделяют многие религиозные учения европейской цивилизации. Процесс божественного сотворения мира и живого недоступен для наблюдения, и божественный замысел недоступен человеческому пониманию.

Интересно был решен в креационизме вопрос о продолжительности акта творения мира. В Библии сказано, что бог сотворил мир в шесть дней. Некоторые христианские теологи верят, что это были обычные дни по 24 часа. Другие богословы относятся к библейским текстам как к аллегориям и считают, что каждый день творения занимал тысячу лет. Но во всех случаях все рассуждения базируются лишь на вере в библейские откровения, сомневаться в истинности которых, в отличие от научных истин, нельзя.

Таким образом, концепция креационизма, по существу, научной не является – ведь она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил бог. При этом практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения жизни, так как все религии требуют принимать это положение на веру, без доказательств. Тем не менее, эта концепция продолжает пользоваться популярностью.

Теория самопроизвольного зарождения жизни

Эта теория также зародилась давно, и долгое время бала единственной альтернативой креационизму. Ученые Средневековья допускали, что, например, рыбы могли зародиться из ила, мыши – из грязи, мухи – из мяса. Этих взглядов придерживались многие известные ученые (Аристотель, Парацельс, Коперник, Галилей, Декарт и др.), благодаря авторитету которых эта теория смогла существовать длительный срок.

Однако в 1668 г. итальянский естествоиспытатель и врач Франческо Реди провел серию опытов, которыми доказал, что белые черви, появляющиеся в гниющем мясе не что иное, как личинки мух. Опыты Реди были простыми и убедительными. В несколько сосудов он положил кусочки мяса. Часть этих сосудов он оставил открытыми, а часть прикрыл материей, пропускающей воздух. Вскоре в первых сосудах появились личинки мух, а в прикрытых сосудах их не было. Тем самым он доказал невозможность самозарождения червей из гниющего мяса при отсутствии мух. В результате своих опытов Реди сформулировал знаменитый принцип: «Все живое – от живого». Франческо Реди стал основоположником концепции биогенеза, утверждающей, что жизнь возникает только из предшествующей жизни.

Несмотря на убедительность опытов Реди, споры вокруг этой теории продолжались вплоть до середины XIX века, когда французский ученый Луи Пастер простыми и оригинальными опытами окончательно доказал невозможность самозарождения простых организмов. По мнению Пастера микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда ранее были занесены их зародыши. Если же сосуд с питательной средой стерилизовать, оградив тем самым от попадания в него микроорганизмов, то никакого самозарождения не произойдет. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов.

Концепция самозарождения жизни, несмотря на свою ошибочность, сыграла позитивную роль в развитии естествознания, поскольку опыты, призванные ее подтвердить, помогли получить богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки.

Теория панспермии

Практически одновременно с опытами Пастера немецкий ученый Георг Рихтер предложил гипотезу о занесении живых существ на Землю из космоса, которая позднее была названа концепцией панспермии. Согласно этой гипотезе, зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и затем в ходе эволюции породить все многообразие земной жизни. Иными словами, допускалась возможность возникновения жизни в разное время в разных частях галактики и перенесения ее на Землю тем или иным способом. Основную идею этой концепции разделяли крупнейшие ученые конца XIX века Кельвин, Гельмгольц, Вернадский и др., что способствовало ее широкому распространению.

В 1908 году Сванте Аррениус выдвинул схожую гипотезу. Он высказал мысль, что зародыши жизни существуют во Вселенной вечно, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планет, в частности Земли, дают там начало жизни. Предполагалось также, что вещество Земли в момент ее образования из газопылевого облака уже было «инфицировано» входившими в состав последнего «зародышами жизни».

Довольно большое число сторонников имеет эта концепция и в наши дни. Так, американские астрономы, изучая газовую туманность, отстоящую от Земли на 25 тыс. световых лет, обнаружили в ее спектре следы аминокислот и других органических веществ.

Концепцию панспермии обычно упрекают в том, что она не дает принципиального ответа на вопрос о путях происхождения жизни и лишь отодвигает решение этой проблемы на неопределенный срок. При этом молчаливо подразумевается, что жизнь должна была произойти в некой конкретной точке (или в нескольких точках) Вселенной и далее расселяться по космическому пространству. Однако суть этой концепции заключается вовсе не в романтических межпланетных странствиях «зародышей жизни», а в том, что жизнь как таковая просто является одним из фундаментальных свойств материи и вопрос о происхождении жизни стоит в том же ряду, что и, например, вопрос о происхождении гравитации.

Теория случайного однократного происхождения жизни

В начале ХХ века поиски решения проблемы происхождения жизни продолжались. В 1935 году С. Миллер воспроизвел в колбе газовый состав первичной атмосферы Земли (исходя из состава современных вулканических газов) и при помощи электрических разрядов, имитирующих грозы, синтезировал в ней ряд органических соединений, в том числе аминокислоты. Через некоторое время С. Фоксу удалось осуществить безматричный синтез полипептидов; подобные полипептидные цепи были потом найдены, среди прочей простой органики, в метеоритном веществе. Этим исчерпываются реальные успехи, достигнутые в рамках концепции абиогенеза, если не считать того, что было ясно осознано, по крайней мере, одно фундаментальное ограничение на возможность синтеза «живых» макромолекул из более простых органических соединений.

Многие органические соединения представляют собой смесь двух оптических изомеров – веществ, имеющих совершенно одинаковые химические свойства, но различающихся оптической активностью. Они по-разному отклоняют луч поляризованного света, проходящий через кристаллы или растворы, и в соответствии с направлением этого отклонения называют право- или левовращающими.

Известно, что все белки на нашей планете построены только из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты – из правовращающих сахаров. Это свойство, называемое хиральной частотой, считается одной из фундаментальных характеристик живого. При любом абиогенном синтезе (например, в аппарате Миллера) образующиеся аминокислоты будут состоять из приблизительно равных (по теории вероятности) долей право- и левовращающих изомеров. В дальнейшем – при синтезе из этого «сырья» белков – перед нами встанет задача: как химическими методами разделить смесь веществ, которые по определению химически идентичны.

Теория биохимической эволюции

Согласно концепции биохимической эволюции, жизнь на Земле возникла в результате физических и химических процессов. В основе этой гипотезы были положены данные о сходстве веществ, входящих в состав растений и животных, о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.

В труде академика А.И. Опарина «Происхождение жизни», опубликованном в 1924 году, была изложена принципиально новая гипотеза происхождения жизни. Суть гипотезы сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле – длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. И произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов, и тем самым химическая эволюция постепенно поднялась на качественно новый уровень и перешла в биохимическую эволюцию.

Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделял три этапа перехода от неживой материи к живой:

- синтез исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы первобытной Земли;

- формирование в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров;

- самоорганизация сложных органических соединений, возникновение и эволюционное совершенствование процессов обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершившееся образованием простейшей клетки.

На первом этапе, около 4 млрд. лет назад, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. В водах первичного океана были растворены различные соли. Кроме того, туда попадали и непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности органические соединения: сахара, аминокислоты, азотистые основания, органические кислоты и т. п. Их концентрация постоянно увеличивалась, и, в конце концов, воды океана превратилось в «бульон» из белковоподобных веществ – пептидов.

На втором этапе, по мере смягчения условий на Земле, под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на химические вещества началось образование сложных органических соединений – биополимеров, которые, постепенно усложняясь, превращались в протобионты (доклеточные предки живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель.

Коацерваты – это комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать из окружающей среды различные органические вещества, растворенные в водах первичного океана, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой.

На третьем этапе в массе коацерватных капель происходил естественный отбор наиболее устойчивых из них в данных условиях среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет, и в результате сохранилась только малая часть коацерватов, но сохранившиеся капли обладали способностью к первичному метаболизму. Достигнув определенных размеров, материнская капля могла распадаться на дочерние, то есть приобретали свойство самовоспроизведения – одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.

Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных и энергетических процессов внутри коацервата. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделявших коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды преобразовались в наружную мембрану, значительно повысившую жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути все более совершенной саморегуляции – вплоть до возникновения первых клеток.

Несмотря на экспериментальную обоснованность и теоретическую убедительность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной концепции является достаточно точное ее соответствие химической эволюции, согласно которой зарождение жизни есть закономерный результат добиологической эволюции материи.

Слабая сторона концепции – это невозможность объяснить момент скачка от сложных органических соединений к живым организмам – ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. На сегодняшний день считается, что решить проблему реконструкции эволюции механизма наследственности без привлечения концепции открытых каталитических систем, достижений молекулярной биологии и генетики не получится.

В настоящее время центральной проблемой в вопросе происхождения жизни на Земле является описание эволюции развития механизма наследственности. Ученые убеждены, что жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации. Любая самая сложная комбинация аминокислот и других органических соединений – это еще не жизнь. Но проблема в том, что появление праДНК вместо коацерватной капли тоже не может считаться началом жизни на Земле. Дело в том, что современная ДНК способна функционировать только при наличии полного набора ферментов.

Таким образом, ученые-биологи, занимающиеся сегодня решением вопроса о происхождении жизни, сводят его к характеристике доклеточного предка – протобионта, его структурных и функциональных особенностей.