Особенности биологического уровня организации материи

Современное естествознание представляет собой совокупность наук, которые тесно связаны между собой и отражают единый, гармоничный мир природы. А поскольку этот мир не только един, но и многообразен, каждая из естественных наук имеет свой объект, изучает то или иное его проявление. Одной из таких наук наряду с физикой и химией является биология, изучающая живую материю. Именно через биологическую проблематику естествознание наиболее близко подходит к объектам социально-гуманитарных наук и в ряде случаев, как это имеет место при изучении проблем биоэтики, сливается с ними.

Удивительная красота природы, ее богатейший растительный и животный мир, гармония живой и неживой природы — все это наводит на мысль: живая материя неотделима от неживой, в недрах которой рождается все живое, постоянно пополняя ее, и, кажется, жизненный круговорот в природе существует изначально и вечно. Но все же, если отвлечься от поверхностного и эмоционального восприятия красоты и гармонии природы, можно прийти и к несколько другому выводу — все-таки в начале образовалась неживая материя, породившая живую, которая проявляется в самых разнообразных формах. Как это произошло и когда — пока трудно даже предполагать. По-видимому, переход неживой материи к живой произошел после возникновения двух основополагающих жизненных систем — системы обмена веществ и системы воспроизведения материальных основ жизни.

Выяснением строения, функций, происхождения, распространения и развития огромного многообразия, вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, установлением их связей друг с другом и с неживой природой занимается биология. Современная биология — это совокупность наук о живой природе.

На начальном этапе развития биология носит описательный характер, получив, позднее, название — традиционная биология. Достижением традиционной биологии явилось создание классификации многообразного растительного и животного мира. Многие из подобных классификаций, ведущие свою историю из средневековья, сохраняют свою актуальность до сих пор.

Наиболее значительной была классификация растительного и животного мира, созданная К. Линнеем — шведским естествоиспытателем. Им подробно описано около 1500 растений, а бинарная номенклатура для обозначения рода и вида, в которую практически не было внесено никаких изменений, дошла до наших дней.

Свой принцип классификации, основанный на сходстве максимального числа признаков, с применением математических методов, выдвинул французский ботаник М. Адамсон (1727−1806).

Различные классификации продолжают появляться до сих пор, как продолжает развиваться и традиционная биология, так как обладает основным преимуществом — возможностью накапливать научный материал в ходе непосредственного наблюдения за объектом изучения — живой природой.

Важное свойство живой природы — постоянное развитие — определило развитие еще одного направления в биологии — эволюционной биологии. Свое начало она берет с зарождения теории эволюции Ч. Дарвина. По мере продолжения исследований теория Дарвина претерпела ряд изменений, возникли разные направления, уточняющие и дополняющие ее.

По мере усложнения объекта изучения со все более глубоким проникновением вглубь живой материи биология брала на вооружение методы исследования, зародившиеся в физике и химии. В связи с этим в 1970;х годах возникает термин «физико-химическая биология».

Внедрение физических и химических методов способствовало развитию экспериментальной биологии, у истоков которой стояли Г. Гельмгольц, Л. Пастер, И Сеченов, И. Павлов и другие ученые.

Экспериментальная биология постигает сущность процессов в живой материи при помощи физических и химических методов, прибегая к расчленению целостности живого организма, чтобы раскрыть механизм его функционирования.

Живые организмы представляют собой весьма сложный объект для исследований, и технические средства способны облегчить проникновение в глубь живой материи для раскрытия ее тайн.

В современных организмах системы материи достигли высочайшего уровня совершенства. Одна и та же их физико-химическая природа для всех живых организмов независимо от их сложности дает основание полагать, что «древо жизни произрастало из одного черенка».

Названные жизненные системы обусловливают основные признаки: рост и развитие, наследственность, изменчивость, саморегуляция и т. п. Поэтому, вне всякого сомнения, наличие системы обмена веществ и воспроизведения материальных основ жизни — главное отличительное свойство живых организмов.

Система обмена веществ поддерживает равновесное состояние живого организма. Такая сложная задача решается путем отбора и синтеза, нужных организму веществ. При этом из организма выводятся все не усвоенные им вещества. Система обмена обеспечивает взаимосогласованные в высшей степени биохимические реакции синтеза и расщепления белков. Можно только завидовать тому, как экономно, филигранно и рационально осуществляет природа функцию обмена веществ во всех живых организмах — от простейшей клетки до высших организмов. Не случайно многие ученые с давних времен стремятся создать лабораторию живого организма.

Система воспроизведения материальных основ жизни содержит в закодированном виде полную информацию для развития и воспроизведения живого организма. Ключевая роль при этом принадлежит природному полимерному соединению — дезоксирибонуклеиновой кислоте, выполняющей функции носителя генетической информации и рибонуклеиновой кислоте, которая служит для передачи информации от хромосом к местам синтеза белков.

Рассматривая вопрос о зарождении живых организмов, следует назвать еще одну важнейшую отличительную особенность, связанную с оптической активностью органических веществ живых организмов, т. е. способность поворачивать плоскость поляризации либо влево, либо вправо. Все белковые молекулы живых организмов поворачивают плоскость поляризации влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию— L-конфигурацию, а молекулы нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) — только вправо, т. е. обладают правой, или D-конфигурацией. Этот факт тем более удивителен, что при синтезе органических соединений аналогичного состава в лабораторных условиях образуется примерно одинаковое число молекул с правой и левой конфигурацией, поэтому их плоскость поляризации не поворачивается. Смесь органических молекул обеих конфигураций называется рацематом. Предполагается, что в преджизненный период образования органических соединений существовал только рацемат.

Молекулы с одинаковым химическим составом могут отличаться своей пространственной структурой, как левая и правая рука. Свойство молекул не совмещаться со своим отображением в плоском зеркале называется хиральностью, которая является необходимым условием оптической активности. При зарождении жизни произошла сортировка молекул, появилась хиральность и белки с L-конфигурацией, а ДНК и РНК с D-конфигурацией. Для объяснения такого процесса французский ученый Луи Пастер (1822—1895), основоположник микробиологии, открывший оптическую активность вещества живых организмов, выдвинул гипотезу: зеркальная асимметрия живых систем обусловлена асимметрией Вселенной.

В настоящее время из 20 канонических аминокислот, образующих белки, 19 существуют в живых организмах только в «левой» форме. Теоретически возможно существование «правой» жизни, на эту тему одним известным учёным под псевдонимом «М.Владимиров» опубликован научно-фантастический рассказ «Остров зеркального отражения».

Отдавая должное широте взглядов выдающегося ученого, еще в XIX в. связавшего жизнь на Земле и Вселенную в единое целое, следует отметить: асимметрия Вселенной нарушила бы симметрию любого органического вещества независимо от природы его происхождения. В развитие гипотезы Пастера выдвигались разные предположения, одно из которых сводилось к утверждению существования каких-то агентов, оказывающих асимметричное воздействие на молекулы живых организмов. Однако обнаружить такие агенты пока не удалось. Согласно современным представлениям о происхождении жизни на Земле, выбор органическими молекулами определенного вида зеркальной симметрии послужил главной предпосылкой их выживания и последующего самовоспроизводства. Однако вопрос, как и почему произошел такой выбор, — до сих пор остается одной из самых больших загадок естествознания.

Несмотря на существенные различия между живой и неживой материей, их объединяет то, что в состав клеток живых организмов входят те же химические элементы, которые встречаются и в неживой природе.

Все объекты живой и неживой природы можно представить в виде определенных систем, имеющих свои особенности организации и индивидуальные свойства.

Учитывая уровень организации, можно выделить иерархию структур организации объектов живой и неживой природы. Подобная иерархия структур начинается с элементарных частиц и заканчивается организациями живых организмов и сообществами — высшими формами организации.

На разную степень организации живой материи указывали ученые разных времен. Так, в прошлом веке, М. Шлейден — немецкий ботаник — утверждал, что существует различный порядок организованности живых тел. Э. Геккель — немецкий биолог-эволюционист — выдвинул гипотезу о неоднородности протоплазмы клетки. По его мнению, она состоит из субмикроскопических частей.

Таким образом, в биологии, как и в физике, химии, утверждалась идея дискретности живой материи, делимости ее на составные части более низкой организации.

С усложнением знаний перед биологами с особой силой встал вопрос о том, от каких структур зависят специфические свойства живых организмов? Попытка решить эту задачу вызвала продолжение исследований и желание проникнуть в глубь клетки и клеточных структур.

Ныне существующий на нашей планете мир живой природы чрезвычайно разнообразен. Чтобы разобраться в его составе, выявить закономерные связи между составляющими его частями, биологическая наука применяет метод классификации растений и животных, используя для этой цели различные основания. На основе определенных критериев выделяются разные уровни, подсистемы живого мира. Наиболее часто в современной биологии для классификации уровней организации живого используется критерий масштабности. По этому основанию в мире живого обычно выделяются следующие уровни:

• — Биосферный — включающий всю совокупность живых организмов Земли, существующих в тесной связи с окружающей природной средой. На этом уровне биологической наукой решается такая, например, актуальная проблема, как регулирование процесса концентрации углекислого газа в атмосфере. Исследуя биосферный уровень организации живого, ученые выяснили, что в последнее время в результате значительного усиления хозяйственной активности и слабой природоохранной деятельности концентрация углекислого газа в атмосфере планеты стала возрастать. В результате возникла опасность глобального повышения температуры, возникновения так называемого «парникового эффекта».
• — Уровень биогеоценозов выражает следующую ступень структуры живого. Под биогеоценозами понимаются участки Земли с определенным составом тесно взаимосвязанных живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.
• — Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. На этой основе соответствующими службами обеспечивается поддержание оптимальной численности популяций. Этот уровень также важен с точки зрения исследования путей исторического развития живого, его эволюции. эволюция эксперимент биологический уровень материя
• — Организменный и органо-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.
• — Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.
• — Молекулярный уровень составляет объект исследований молекулярной биологии, одной из важнейших задач которой является изучение механизмов передачи наследственной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.

Разделение живой материи на уровни, конечно же, весьма условно. Оно имеет значение лишь как инструмент биологического исследования. Решение же конкретных биологических проблем, например регулирования численности того или иного вида животных, опирается на данные о всех уровнях живого, которые теснейшим образом связаны друг с другом. Однако все биологи согласны с тем, что в мире живого существуют ступенчатые уровни, своего рода иерархии. Представление о них как раз и отражает системный подход к изучению природы, который помогает глубже понять ее.

Фундаментальная частица в биологии — это живая клетка. Именно она является мельчайшей системой, обладающей всей совокупностью свойств живого, в том числе и свойством, передавать наследственную информацию.

Создание клеточной теории, основы которой были впервые изложены в 1838 г. немецкими учеными М. Шлейденом и Т. Шваном, стало одним из крупнейших достижений биологической науки XIX в.

Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все живые организмы от амебы до человека состоят из клеток, сходных по своему строению. Это положение стало еще одним свидетельством единства происхождения и развития всех видов живого.

Многочисленные исследования в области цитологии — биологической науки, специально занимающейся исследованием живой клетки, показали, что все клетки имеют некоторые общие свойства не только в строении, но и в функциях. Так, все они осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции своего состояния, могут передавать наследственную информацию.

Вместе с тем выяснилось, что клетки специализированы и весьма многообразны. Они могут существовать как одноклеточные организмы, а также в составе организмов многоклеточных, где их число может достигать нескольких миллиардов, как, например, у человека.

У клеток разный срок существования. В частности, некоторые клетки пищевода отмирают у человека через несколько дней после появления, а срок жизни нервных клеток может совпадать с продолжительностью жизни человека. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни, но уже в обновленном виде, или гибелью.

Разнообразны и размеры клеток: они колеблются от одной тысячной сантиметра до 10 см.

Специализированные группы клеток образуют различные ткани организма: нервную, мышечную и др. А несколько типов тканей формируют органы: сердце, легкие и т. д. Группы органов, связанные с решением каких-то общих задач, называются системами организма.

Многообразием функций клетки обусловлена ее сложная структура. Клетка обособляется от окружающей среды оболочкой, которая, будучи неплотной и рыхлой, обеспечивает ее взаимодействие с внешним миром — обмен с ним веществом, энергией и информацией. Обмен веществ, или метаболизм, клеток важнейшее свойство всего живого.

Обмен веществ — сложный, многоступенчатый процесс. Он включает доставку в клетку исходных продуктов, получение из них энергии и белков, выведение из клетки в окружающую среду выработанных полезных продуктов, энергии и «вредных отходов производства».

Метаболизм в свою очередь служит основой для другого важнейшего свойства клетки — сохранения стабильности, устойчивости ее внутренней среды. Это свойство клеток, также присущее всей живой системе, называют гомеостазом.

Особое место в мире живого занимают вирусы. Их иногда называют неклеточными организмами, поскольку они не имеют четко выраженной клеточной структуры и существуют, проникая в другие клетки и паразитируя на них.

Следует также отметить, что существуют и некоторые организмы с клеточным строением, которые не имеют типичной для большинства клеток структуры, например прокариоты, безъядерные клетки. Исторически они являются предшественниками вполне развитых, имеющих ядро клеток, так называемых эукариотов. К группе прокариотов, древнейших безъядерных клеток, относятся некоторые организмы, сохранившиеся и поныне, в частности бактерии, сине-зеленые водоросли и др. Не имея ядер, эти организмы тем не менее обладают нитями молекул нуклеиновых кислот, которые у них, как и у всех других клеток, выполняют управленческую функцию; расположены эти нити не в ядре, а во внутриклеточной жидкости, цитоплазме. Несмотря на относительную простоту организации, безъядерные клетки способны выполнять все свойственные типичным клеткам функции, включая обмен веществ, поддержание стабильности и т. п.

Но каким же образом обеспечивается управление всем этим многоступенчатым процессом, происходящим в клетке?

Исчерпывающего ответа на этот вопрос пока нет. Общепризнано, что все нити управления внутриклеточным обменом находятся в особых структурах, как правило, находящихся в ядре клетки в виде очень длинных цепей молекул нуклеиновых кислот. Их исходной структурной единицей является ген. Ген представляет собой своего рода природное кибернетическое устройство, содержащее информацию, инструкции, коды, определяющие характер всей деятельности клетки, как по обмену веществ, так и по самовоспроизведению. Именно гены обеспечивают важнейшие метаболические и наследственные функции клетки, как и всего организма в целом.

Открытие в XX в. структуры и функционирования генетического аппарата клетки сыграло в развитии биологии такую же роль, как открытие атомного ядра в физике. Если открытие атомного ядра позволило человеку овладеть практически неисчерпаемыми запасами энергии, то открытие гена дало возможность людям вмешиваться в свойства живой клетки, управлять механизмом наследственности и, наконец, практически решать задачи клонирования (копирования) живых организмов.

Чрезвычайная сложность организации живой клетки является еще одним убедительным доказательством того, что даже клетка, не говоря уже обо всем мире живого, не могла стать результатом единовременного акта творения, скорее всего это результат длительного процесса биологической эволюции.

Итак, анализируя феномен живого вещества, можно заключить, что он препятствует вырождению материи во Вселенной, так как часть ее бесструктурного состояния переходит в структурное, понижая энтропию системы. Фотосинтез — прекрасная иллюстрация этому.

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 последовавшего за этим процесса биологической эволюции.

Изучение указанных систем дало важнейший попутный результат: сформировалась фундаментальная для всего естествознания идея единства состава и механизмов функционирования живой природы независимо от уровня организации составляющих ее структур. Эта идея, зародившаяся еще в 19 веке, обрела вид законченной концепции биохимического единства живого в 1920;х гг., благодаря трудам голландских микробиологов А. Клюйвера и Г. Донкера. К настоящему времени эта концепция обоснована результатами всесторонних исследований, которые исчерпывающе демонстрируют единство всего живого по самым фундаментальным свойствам: схожесть химического состава, свойство хиральности живого, универсальная роль аденозинтрифосфата (АТФ) в качестве аккумулятора и переносчика биологически запасенной энергии; универсальность генетического кода и др.

• 1. Ахлибинский Б. В. Философские проблемы современного естествознания. — СПб.: ГЭТУ, 2005. — 280 с.
• 2. Кузнецов В. И. и др. Естествознание. — М.: Агар, 2006. -322 с.
• 3. Серебровская К. Б. Сущность жизни: история поиска. — М.: Изд-во Академии МВД РФ, 2004. — 344 с.
• 4. Теория эволюции: наука или идеология. — Абакан, 2006. — 225 с.
• 5. Новые идеи в методологии биологических исследований // Под ред. О. Е. Баксанского. — М.: УРСС, 2007. — 279 с.
• 6. Философия естествознания: Ретроспективный взгляд /Под ред. Ю. В. Сачкова. — М.: ИФРАН, 2007. — 266 с.
• 7. Эзотерический подход к исследованию жизни: Философский анализ /Под ред. Л. Б. Фесенковой. — М.: УРСС, 2007. — 280 с.