Особенности биологического уровня организации материи

 

1. Концепции происхождения живого.

Во многих определениях жизни  указывается ведущее свойство, которое  отличает живое от неживого. Аристотель относит к таким свойствам  питание, рост, одрехление. Павлов определяет жизнь, как сложный химический процесс. Апарин – как особую очень сложную  форму движения материи. Энгельс  – как способ существования белковых молекул. Современное определение жизни звучит так: Жизнь – это макромолекулярная открытая система, которой свойственна иерархическая организация, способность к самовозо-бновлению, обмен веществ и тонко регуляторный процесс.

Попытаемся выделить ряд  наиболее заметных, ярких характеристических признаков живого.

1. Стремление  к независимости от изменяющейся  внешней среды. 

Это признак исходит из поведения неживых систем, описанных  принципом Ле-Шателье, законом инерции  в механике, принципом Ленца в  электромагнетизме. Живое реализует  это стремление разными способами. Например, созданием искусственной  среды обитания мембранами (клетка), кожей, шкурой, стенами и т.п. Поддержание  в этой искусственной среде заданных параметров по температуре (теплокровные животные), химическому составу. Обновление внутренней структуры.

Стремление к свободе  человека – это проявления того же явления. Борьба народов за самоопределение  – это социальные отголоски принципа Ле-Шателье. В живом принцип Ле-Шателье  может и нарушаться в связи  со способностью живого оценивать характер внешнего воздействия. Если воздействие  негативное, то ему оказывают сопротивление. Если же воздействие желательное, то сопротивление не оказывается.

2. Размножение  и экспансия.

Самоизоляция организма  внутри некоторого замкнутого объема компенсируется экспансией вида, стремлением  занять всю окружающую среду. Этот процесс  реализуется через размножение. Неограниченное размножение подобно  биологическому взрыву. Одноклеточные  водоросли за 8 дней неограниченного  размножения способны достигнуть объема  соизмеримого с объемом Земли.

Экспансия живого вещества корнями уходит в растущие кристаллы, сталактиты, но в живом это свойство возросло до невероятных размеров, ограниченных только ресурсами.

3. Неравновесность  состояния. Обмен веществ. Стремление  преобразовать и окружающую среду.

Обмен веществ - это могучая  геологическая сила (Вернадский). Живое  вещество Земли за год пропускает через себя и преобразует количество химических элементов, соизмеримое  с массой земной коры. Это свойство в неживой материи (косной) очень  слабо выражено и может быть обнаружено, например, в каталитических процессах, протекающих на поверхности глин. Окружающая среда это ресурс, потребляемый живым веществом. Интенсивность  обмена веществ усиливается способностью живого активно искать ресурсы (питание). Клетка перемещается в сторону увеличения концентрации пищи. Растения тянутся  к свету, воздуху, к воде. Следы таких же явлений можно обнаружить в коллоидных системах: движение частиц в градиентном поле, поглощение мелких капель крупными.

4. Способность  к регенерации. Возрастание устойчивости.

Живые системы постоянно  заменяют морально устаревшее или изношенное «оборудование». Процессам распада, дезинтеграции противопоставляются  процессы восстановления испорченного и разрушенного. Клетка периодически заменяет белки (ферменты) . Организмы восстанавливают хвосты, ногти, кожу, волосы, стенки желудка. Человек полностью обновляется в течение нескольких месяцев. Именно регенерация является той основой, которая позволяет существовать живым объектам.

 

 

 

 

2. Современные концепции происхождения жизни

При таких признаках живого, людей еще в глубокой древности интересовало как появилась жизнь? Где та грань, через которую природа перешагнула при переходе от неживого к живому? Почему живые системы для своего построения выбрали молекулы лишь с определенной пространственной организацией. Проблема происхождения живого решалась довольно просто, пока ученые находились в счастливом неведении относительно сущности живого, как, впрочем, и того, что представляла собой Земля в младенчестве.

По современным научным  представлениям, жизнь — это процесс  существования сложных систем, состоящих  из больших органических молекул  и неорганических веществ и способных  самовоспроизводиться, саморазвиваться  и поддерживать свое существование  в результате обмена энергией и веществом  с окружающей средой. Таким образом, биологическая наука стоит на материалистических позициях. Однако вопрос о происхождении жизни  еще окончательно не решен.

В разное время и в разных культурах рассматривались следующие  идеи:

- креационизм (жизнь была создана Творцом);

- жизнь возникала неоднократно и самопроизвольно из неживого вещества;

- жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

- жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

- жизнь возникла в результате биохимической эволюции.

На сегодня биологи  признают в качестве научного только последний вариант. Панспермия также не противоречит, в принципе, основам наук, однако не является самостоятельной гипотезой, поскольку просто переносит процесс биохимического возникновения жизни в другие, внеземные условия.

2.1. Креационизм

Согласно этой религиозной  концепции, имеющей древние корни, всё существующее во Вселенной, в  том числе жизнь, было создано  единой Силой — Творцом (Рис.1) в результате нескольких актов сверхъестественного творения в прошлом. Организмы, населяющие сегодня Землю, происходят от сотворенных по отдельности основных типов живых существ. Сотворённые виды были с самого начала превосходно организованы и наделены способностью к некоторой изменчивости в определенных границах (микроэволюция). Подобных взглядов придерживаются сегодня последователи фундаменталистских течений в авраамических и некоторых других религиозных учениях.

 Традиционное иудео-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия (Рис.2), вызывало и продолжает вызывать споры. Однако выявляемые в текстах противоречия не делают концепцию творения менее популярной. Религия, рассматривая вопрос о происхождении жизни, ищет ответ главным образом на вопросы «с какой целью?», а не на вопрос «каким образом?». Если наука в поисках истины широко использует наблюдение и эксперимент, то богословие стремится к постижению истины через сверхъестественное откровение и веру. Поэтому креационизм в принципе ненаучен, а попытки сопоставлять его с научными гипотезами являются методологически некорректными. 

Процесс божественного сотворения мира представляется как имевший  место лишь единожды и поэтому  недоступный для наблюдения. В  связи с этим концепция творения не может быть однозначно ни доказана, ни опровергнута и существует наряду с научными гипотезами происхождения  жизни. Вместе с тем буквалистское  прочтение религиозных мифов  о Творении вынуждает обставлять без объяснения огромное количество наблюдаемых биологии взаимосвязей и закономерностей. Поэтому даже среди верующих ученых абсолютное большинство  считает, что Книгу Бытия следует  воспринимать аллегорически.  

Аллегорическая трактовка  явно признается Римской католической церковью. Неявно ее допускает Русская  православная церковь. Однако в Православии  есть течения, которые противятся аллегорическому  толкованию Библии и стремятся противопоставлять  христианское вероучение светской науке. Подобный фундаментализм также свойственен  многим протестантским деноминациям. 

В исламе нет однозначного отношения к креационизму. Фундаменталистские исламские центры настаивают на буквальном понимании легенды о Творении, более умеренные исламские духовные лидеры предпочитают обходить острые углы им находят трактовки священных  текстов, не приводящие к столкновению с данными объективной науки. 

Фактически сегодня отношение  к креационизму является неплохим маркером религиозного фундаментализма. Религиозные  лидеры, настаивающие на принятии креационизма в качестве научной гипотезы, фактически ведут борьбу за признание религиозных  догматов безусловно главенствующими  над любыми данным объективных научных  исследований. Это борьба не имеет  ничего общего с научной полемикой  и является в чистом виде политической деятельностью, направленной на усиление влияния религиозного мышления и  против секуляризации общества.

2. Жизнь возникала неоднократно и самопроизвольно из неживого вещества

Абиогенез - идея о происхождении  живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения  жизни.

На протяжении тысячелетий  люди верили в самопроизвольное зарождение жизни, считая его обычным способом появления живых существ из неживой  материи. Полагали, что источником спонтанного  зарождения служат либо неорганические соединения, либо гниющие органические остатки (концепция абиогенеза). Эта гипотеза была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Идея самозарождения высказывалась также философами Древней Греции и даже более ранними мыслителями, т.е. она, по-видимому, так же стара, как и само человечество. На протяжении столь длительной истории эта гипотеза видоизменялась, но по-прежнему оставалась ошибочной. Аристотель, которого часто провозглашают основателем биологии, писал, что лягушки и насекомые заводятся в сырой почве. В Средние века многим «удавалось» наблюдать зарождение разнообразных живых существ, таких как насекомые, черви, угри, мыши, в разлагающихся или гниющих остатках организмов.

Эти «факты» считались  весьма убедительными, до тех пор  пока итальянский врач Франческо  Реди (1626–1697) не подошел к проблеме возникновения жизни более строго и не подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. В 1668 г. Реди проделал следующий опыт  (Рис.3). Он поместил мертвых змей в разные сосуды, причем одни сосуды накрыл кисеей, а другие оставил открытыми. Налетевшие мухи отложили яйца на мертвых змеях в открытых сосудах; вскоре из яиц вывелись личинки. В накрытых сосудах личинок не оказалось. Таким образом Реди доказал, что белые черви, появляющиеся в мясе змей когда банка открыта, если мясо закрыть и предотвратить доступ мух, то черви не появятся. Опровергнув концепцию самозарождения, Реди высказал мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).  

Подобных взглядов придерживался  и голландский ученый Антони ван  Левенгук (1632–1723), который, используя  микроскоп, открыл мельчайшие организмы, невидимые невооруженным глазом. Это были бактерии и протисты. Левенгук высказал мысль, что эти крошечные  организмы, или «», как он их называл, происходят от себе подобных. 

Мнение Левенгука разделял итальянский ученый Ладзаро Спалланцани (1729–1799), который решил доказать опытным путем, что микроорганизмы, часто обнаруживаемые в мясном бульоне, самопроизвольно в нем не зарождаются. С этой целью он помещал жидкость, богатую органическими веществами (мясной бульон), в сосуды, кипятил  эту жидкость на огне, после чего сосуды герметично запаивал. В итоге  бульон в сосудах оставался чистым и свободным от микроорганизмов. Своими опытами Спалланцани доказал  невозможность самопроизвольного  зарождения микроорганизмов. 

Противники этой точки  зрения утверждали, что жизнь в  колбах не возникала по той причине, что воздух в них во время кипячения  портится, поэтому по-прежнему признавали гипотезу самозарождения.

Сокрушительный удар по этой гипотезе был нанесен в XIX в. французским  микробиологом Луи Пастером (1822–1895) и английским биологом Джоном Тиндалем (1820–1893). Они показали, что бактерии распространяются по воздуху и что  если в воздухе, попадающем в колбы  с простерилизованным бульоном, их нет, то и в самом бульоне они не возникнут. Пастер пользовался для этого колбами с изогнутым S-образным горлышком (рис.4), которое служило для бактерий ловушкой, тогда как воздух свободно проникал в колбу и выходил из нее.

Существует мнение, что  при извержениях вулканов и с газами, высвобождавшимися из расплавленной магмы, на земную поверхность выносились разнообразные химические вещества, необходимые для синтеза органических молекул. Так, молекулы угарного газа, оказавшись на поверхности минерала пирита, обладающего каталитическими свойствами, могли реагировать с соединениями, имевшими метильные группы, и образовывать уксусную кислоту, из которой затем синтезировались другие органические соединения.

Впервые получить органические молекулы – аминокислоты (Рис.5) – в лабораторных условиях, моделирующих те, что были на первобытной Земле, удалось американскому ученому Стэнли Миллеру в 1952 г. Тогда эти эксперименты стали сенсацией, и их автор получил всемирную известность. В настоящее время он продолжает заниматься исследованиями в области предбиотической (до возникновения жизни) химии в Калифорнийском университете. Установка, на которой был осуществлен первый эксперимент, представляла собой систему колб, в одной из которых можно было получить мощный электрический разряд при напряжении 100 000 В.

Миллер заполнил эту колбу природными газами – метаном, водородом и  аммиаком, которые присутствовали в  атмосфере первобытной Земли. В  колбе, расположенной ниже, было небольшое  количество воды, имитирующей океан. Электрический разряд по своей силе приближался к молнии, и Миллер ожидал, что под его действием  образуются химические соединения, которые, попав затем в воду, прореагируют друг с другом и образуют более  сложные молекулы (Рис.6).

Результат превзошел все ожидания. Выключив вечером установку и  вернувшись на следующее утро, Миллер обнаружил, что вода в колбе приобрела  желтоватую окраску. То, что образовалось, оказалось бульоном из аминокислот  – строительных блоков белков. Таким  образом этот эксперимент показал, как легко могли образоваться первичные ингредиенты живого. Всего-то и нужны были – смесь газов, маленький океан и небольшая  молния.