Сущность жизни. 3

 

 

План

1.  Отличие   живых  систем  от  неживых   систем.

2. Основные  концепции  происхождения   жизни.

3. Основные  аргументы  различных  концепции   происхождения  жизни.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сущность  жизни и биологическая картина  мира.

На фоне возникновения  и развития косной материи возникло и  стало развиваться такое  удивительное явление, как жизнь. В  настоящее время описано более 1 млн. видов животных, около 0,5 млн. видов растений, сотни тысяч видов грибов, более 3 тысяч  видов бактерий. Подсчитано, что не менее 1 млн. видов пока остаются неописанными. Вопрос о сущности и происхождении жизни всегда имел для человека не только познавательный интерес, но и огромное значение для формирования мировоззрения. Возникновение и развитие живых существ вплоть до появления такого  феномена, как человек, – одна из центральных проблем естествознания.  Живые организмы существенно отличаются от неживых систем. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Рассмотрим сущность понятия «жизнь». Многочисленные формулировки сущности жизни можно свести к двум основным:

1) жизнь определяется  субстратом, носителем свойств (например,  белком);

2) ее трактуют  как совокупность специфических  физико-химических процессов. Например, Аристотель определял  жизнь  как питание, рост и одряхление; Г. Тревиранус – как стойкое единообразие процессов при различии внешних влияний; М. Биша – как совокупность функций, сопротивляющихся смерти; И.П. Павлов – как сложный химический процесс; Ф. Энгельс – как способ существования белковых тел, значимым моментом которого является обмен веществ с окружающей средой.  Одно из наиболее полных определений жизни с учетом современного уровня знаний дал отечественный ученый М.В. Волькенштейн. По его мнению, существующие на Земле живые тела представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и

нуклеиновых кислот. Здесь подчеркивается значение нуклеиновых  кислот, обеспечивающих преемственность признаков и свойств.  В основе описания феномена жизни лежат пять фундаментальных концепций, составляющих основу биологической картины мира: клеточная теория, эволюционное учение, генетика,  представления о гомеостазе и о преобразовании биологической  энергии. Клеточная теория базируется на представлениях о том,  что все основные механизмы и химия всех клеток во всех земных  организмах сходны; клетки происходят от ранее существовавших  клеток, которые размножаются путем клеточного деления. Эта  теория описывает строение клеток, их деление, взаимодействие с  внешней средой, состав внутренней среды и клеточной оболочки,  механизм действия отдельных частей клетки и их взаимодействия  между собой. Согласно эволюционному учению, наследственные  признаки изменяются из поколения в поколение в пределах популяции через естественный отбор и генетический дрейф. В рамках  генетической теории рассматриваются представления о том, что  признаки живых организмов передаются из поколения в поколение вместе с генами, которые закодированы в ДНК. При этом информация о строении живых существ, или генотип, используется  клетками для создания фенотипа, наблюдаемых физических или  биохимических характеристик организма. Согласно представлениям о гомеостазе, физиологические процессы позволяют организму поддерживать постоянство своей внутренней среды независимо от изменений во внешней среде. Наконец, в рамках биоэнергетических взглядов (следует отличать от вненаучных  биоэнергетических практик) принимается, что атрибутом любого  живого организма является энергия и ее преобразование, существенное для состояния этого организма.

Свойства  живых организмов.  Живым организмам присущи определенные свойства. Часто эти свойства в той или иной степени характерны и для неживой природы, что подчеркивает единство  эволюционных процессов. Однако проявление этих свойств и их  совокупность не схожи у живых и неживых объектов. Именно  это – совокупность и характер проявления – как раз и определяет  сущность жизни. Рассмотрим ряд свойств живых организмов в  сравнении со свойствами неживых объектов .

- Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Элементный состав неживой природы наряду с кислородом  представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и так далее. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород, и, кроме того, живые организмы построены в основном из четырех крупных групп сложных органических молекул – биологических полимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, жиров,  которые редко встречаются в неживой природе. 

- Обмен веществ. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой–поглощают из нее необходимые вещества и выделяют продукты жизнедеятельности. Обмен веществ – двусторонний процесс: во-первых, в результате ряда  сложных химических превращений вещества из окружающей среды уподобляются органическим веществам живого организма и из  них строится его тело; во-вторых, сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство  с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для  реакций биосинтеза. Обмен веществ обеспечивает постоянство  химического состава и строения всех частей организма и, как  следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, т.е. обеспечивает гомеостаз. В неживой природе также существует обмен веществ. Но небиологический круговорот веществ сводится к простому переносу их с одного места на другое или изменению их агрегатного  состояния, например, превращению воды в пар или лед. 

 - Самовоспроизведение (репродукция) и наследственность. При  размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей: кошки воспроизводят котят, собаки – щенят, из семян  одуванчика вырастает одуванчик. Таким образом, размножение - это свойство организмов воспроизводить себе подобных. В основе  самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в ДНК. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органоиды клеток после деления сходны со своими предшественниками; так, из  одной молекулы ДНК при ее удвоении образуются две дочерние  молекулы, полностью повторяющие исходную. Следовательно, самовоспроизведение тесно связано с наследственностью – способностью организмов обеспечивать передачу признаков,  свойств, особенностей развития из поколения в поколение, что  обусловливает преемственность поколений. Изменчивость, развитие и рост. Под изменчивостью понимают способность организмов приобретать новые признаки и свойства  на основе изменения молекул ДНК. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора и соответственно  предпосылки для развития и роста живых организмов. Развитие - необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние систем. Развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием организмов  (онтогенез) и историческим развитием видов (филогенез).  В процессе развития постепенно и последовательно формируется  специфическая структурная организация живого организма, а увеличение его массы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток. Филогенез, или эволюция в целом, – это необратимое и направленное развитие живой  природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом эволюции является  все многообразие живых организмов на Земле.

- Раздражимость и энергозависимость. Любой организм неразрывно связан с окружающей средой: извлекает из нее необходимые  вещества, подвергается воздействию неблагоприятных факторов  среды, вступает во взаимодействие с другими организмами и т.д.  В процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство раздражимости – избирательной реакции на  внешние воздействия. Всякое изменение окружающих организм

условий среды  представляет собой по отношению  к нему раздражение, а реакция  организма на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости.  Кроме того, живые организмы обладают свойством энергозависимости; это открытые для поступления энергии системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Живые организмы существуют до тех пор, пока получают энергию и материю из окружающей среды.

- Ритмичность – еще одно следствие тесного взаимодействия живой и неживой природы. В природе повсюду распространены колебательные процессы: океанские приливы и отливы, смена дня и ночи, фаз Луны, чередование времен года, периодическое увеличение солнечной активности, цикличность геологических процессов. Периодические изменения в окружающей среде оказывают существенное влияние на живую природу и на собственные  ритмы живых организмов. В живых системах ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия): суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых  млекопитающих (суслики, ежи, медведи) и др. Ритмичность обеспечивает согласование функций организма и окружающей среды,  т.е. приспособление к периодически изменяющимся условиям существования. Например, сезонные и суточные ритмы выработались как приспособление живых организмов к геофизическим  циклам среды.

- Саморегуляция (авторегуляция) – способность живых организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов. При этом  недостаток поступления каких-либо питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а при избытке какого-либо вещества его синтез прекращается. Например, понижение  концентрации такого фермента, как АТФ – универсального аккумулятора энергии в клетке, служит сигналом, запускающим  процесс его синтеза; при восполнении запаса АТФ синтез его  прекращается. Уменьшение количества клеток в ткани (например, в результате травм) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток; восстановление количества клеток до нормального дает сигнал о прекращении интенсивного клеточного  деления.

- Дискретность (прерывистость, разделенность). Жизнь на Земле проявляется в виде дискретных форм, т.е. отдельный организм  или биологическая система (вид, биогеоценоз и др.) состоит из обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Например, любой вид  включает отдельные особи; тело высокоорганизованной особи  образуют пространственно отграниченные органы в свою очередь состоят из отдельных тканей и клеток; энергетический аппарат клетки представлен отдельными митохондриями,  аппарат синтеза белка – рибосомами2 и далее вплоть до макромолекул, каждая из которых может выполнять функцию, лишь будучи пространственно изолированной от других. Дискретность  строения организма – основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления его путем  замены «износившихся» структурных элементов (молекул, ферментов, органоидов клетки, целых клеток) без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции через гибель или устранение от размножения  неприспособленных особей и сохранения особей с полезными для  выживания признаками. 

Каждый из живущих знает, что такое жизнь, и почти каждый хоть раз в жизни  задумывался о ее смысле. Но нет  на свете человека, способного объяснить, что она собой представляет и  зачем дана людям. Тысячи лет мыслители  бьются над этим вопросом, но четкого  и полного определения всеобъемлющего понятия «жизнь» не существует.

Очень трудно дать определение сущности жизни. Все  определения либо не совсем точные, либо не до конца правильные. Энгельс  дал такое определение: жизнь  – способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающий их внешней средой. Но это определение  не совсем правильное. Оно ставит на одну ступеньку и мышку, и горящую  свечу. И одно, и другое потребляет кислород и выделяет углекислый газ.

 Дискуссионным является до сих пор не только вопрос о сущности  жизни, но и теснейшим образом связанная с ним проблема происхождения живого, его зарождения и развития.  Поэтому многие определения сводятся к перечислению свойств  живого. К свойствам относится:

  1. Живые организмы характеризуются сложной и упорядоченной структурой.
  2. Живые организмы получают энергию из окружающей среды и используют ее на поддержание своей упорядоченности.
  3. Живые организмы активно реагируют на окружающую среду.
  4. Все живые организмы не только изменяются, но и усложняются.
  5. Все живые организмы размножаются.
  6. У живых организмов есть особенность передавать информацию своему потомству.
  7. Живые организма хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни.

На основе этих свойств можно дать определение  живому: жизнь – форма существования  сложных, открытых систем, способных  к самоорганизации  и самовоспроизведению.

Структурные уровни организации живого.

Мир живого очень многообразен и имеет сложную  структуру. Можно выделить различные  уровни живого мира:

  1. Биосферный уровень. Он включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой
  2. Уровень биогеоценозов. Состоит из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов.
  3. Популяционно-видовой уровень. Образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.
  4. Организменный и органо-тканевой уровни. Отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.
  5. Клеточный субклеточный уровни. Отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.
  6. Молекулярный уровень. Составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов генной информации.

 Клетка как «первокирпичик» живого

Живая клетка является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в  том числе и носителем генетической информации – важнейшей основы эволюционного  развития живого мира.

Клетки  весьма многообразны. Они могут существовать как одноклеточные организмы, а  также в составе многоклеточных.

Клетки  образуют ткани, а несколько типов  тканей – органы. Обмен веществ, обеспечиваемый клетками, - важнейшее  свойство всего живого.

В заключение отметим, что сам по себе структурный подход не может дать полного представления о сущности живого. Поэтому необходимо рассмотреть возникновение и развитие живого.

Основные концепции происхождения  жизни.

Интерес к  познанию живого возник у человека очень давно.  Этот интерес был  обусловлен не столько любознательностью, сколько необходимостью удовлетворения насущных человеческих потребностей.  Первоначально люди оценивали феномен жизни как одно из великих  чудес, сотворенных всеведущим и всемогущим Богом, замыслы  и дела которого недоступны человеческому разуму. Сотворение  на базе этих основных признаков может быть сформулировано  следующее краткое определение сущности живого.

Жизнь есть форма существования высокоорганизованных неравновесных

открытых  систем, в структуре которых решающую роль играют  белки и нуклеиновые  кислоты; эти системы способны к  обмену  веществ, самовоспроизведению  путем передачи наследственной  информации и изменчивости на основе мутаций.  Приведенное определение  жизни в настоящее время является  общепринятым среди биологов. Вместе с тем следует отметить, что  в последнее время появились  и некоторые иные, новейшие формулировки  сущности жизни, которые активно  обсуждаются учеными.  Одно из таких  определений предложил известный  американский

физик Ф. Типлер в своей сенсационной книге «Физика бессмертия  » (1995). «Мы не хотим, — пишет он, — привязывать определение жизни к молекуле нуклеиновой кислоты, потому что можно вообразить себе существование жизни, которая к этому определению не подходит. Если к нам в космический корабль явится внеземное существо, химическую основу которого   составляет не нуклеиновая кислота, то нам все равно захочется признать его живым».  И это произойдет, по мнению Типлера, потому, что жизнь представляет  собой лишь информацию особого рода, которая может  существовать сама по себе, независимо от тех или иных ее химических  носителей. «Я, — заключает американский ученый, — определяю   жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется  естественным отбором».  Однако шок в научном мире вызвало не столько это определение,  сколько защищаемое Типлером положение о существовании  Бога в качестве источника этой информации и возможности воскрешения  мертвых и вечной жизни всех людей, коль скоро эта  жизнь сводится к чистой информации. Именно эти утверждения  американского физика были оценены многими учеными как «удар  по репутации науки», которая традиционно не связывает себя ни с  категорией Бога, ни с другими догматами церкви.

Дискуссионным является до сих пор не только вопрос о сущности  жизни, но и теснейшим  образом связанная с ним проблема происхождения живого, его зарождения и развития.

Основными  историческими концепциями происхождения жизни  являются:

- креационизм  (божественное сотворение);

- гипотеза панспермии (жизнь занесена из космоса);

- биохимическая эволюция;

- постоянное самозарождение, стационарное состояние (жизнь существовала всегда).

Креационистская концепция

Издавна люди пытались найти объяснение многообразию в причудливости мира. На протяжении тысячелетий господствовало элементарное объяснение, которое состояло в том, что будто все виды организмов были созданы однажды в их нынешних формах и больше никогда не изменялось. Так сказано в Библии, таких  же взглядов придерживался Аристотель. Служители христианской церкви до сих  пор верят, что все многообразие организмов, населяющих Землю, явилось  результатом божественного творения мира за шесть дней, а любое другое объяснение они воспринимают как  оскорбление своей религиозной  веры.

Эта концепция, признающая неизменность видов живых  существ и рассматривающая многообразие живого мира как результат его  творения Богом, получила название креационизм.  Именно под  влиянием религиозной идеи и неизменности всего живого биологическая парадигма долгое время, вплоть до XVIII в., сводилась лишь к описанию многочисленных видов животных и растений. Причем это описание ограничивалось характеристикой только внешних, бросающихся в глаза признаков. 

Однако  человек устроен так, что он осваивает  мир, не полагаясь только на религиозную  веру. Он пытается понять его также  и с помощью разума, опираясь на знания, полученные путем размышлений, логических доказательств.

 Концепция биохимической эволюции.

Планета земля появилась  4,6 млрд. лет назад. В начале она была очень горячей. Атмосфера и гидросфера выделялись из недр земли при остывании. Первичная  атмосфера земли не содержала кислорода. В ней были углекислый газ, метан, аммиак, водяные пары. Под воздействием ультрафиолетового излучения, радиации, высокой температуры, электрических разрядов из простейших химических соединений образовались аминокислоты, жирные кислоты, углеводы.  Когда температура упала ниже 100 градусов Цельсий, появились первичные водоемы. Органические вещества скапливались в неглубоких водоемах отсарбировались на поверхности глины.

 Таким  образом, создалась необходимая  их концентрация. Образовались сложные  органические соединения (белки). Появились  коацерваты - это сгустки органических  веществ. Они были способны  к обмену веществ, то есть  они поглощали из окружающей  среды органические молекулы  и выделяли.  Способность к самовоспроизводству появилась в результате захвата из окружающей среды молекулы РНК, образовалась клетка. Данная концепция, согласно которой сначала появилась способность к обмену веществ и лишь, затем способность к самовоспроизведению называется генобиоз. Данной концепции придерживались Опарин и Холдейн.

 Теория саморождения (самоорганизации).

В биологии концепция эволюции имеет давние устойчивые традиции. Облегчить этот процесс, видимо, призвано новое междисциплинарное  научное направление (появившееся  в 70-х гг.) – синергетика. Она претендует на то, что способна описать движущие силы эволюции любых объектов нашего мира.  Под самоорганизацией понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют, по меньшей мере, двум условиям:

а) они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой;

б) они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.  Самый популярный пример образования структур нарастающей сложности – хорошо изученное в гидродинамике явление, названное ячейками Бенара.  Механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова-Жаботинского), формирование живого организма, динамика популяций, рыночная экономика, наконец, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур -  все это пример самоорганизации систем самой различной природы.  Синергетика родом из физических дисциплин – термодинамики, радиофизики. Но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез.

 Концепция панспермии

Изучение  зарождения жизни на Земле представляет собой исследование лишь одного примера  события, которое должно было происходить в мире бессчетное число раз. Поэтому выяснение вопроса о том, как появилась жизнь на Земле, безусловно, должно служить убедительным доводом в пользу теории о существовании жизни и на других объектах Вселенной. Идею панспермии в очень решительной форме – как доставку жизни к мёртвой Земле на космическом корабле – выдвинули Ф. Крик и Л. Оргел.

 Для земной науки оказалась непосильной загадка 100%-ной зеркальной асимметрии биологических молекул. К ней примкнули загадки единства аминокислотного набора, генетического алфавита и кода, «энергетической валюты» в виде АТФ. Комплекс фундаментальных загадок земной жизни довершился отсутствием ожидаемой предбиологической эволюции. Но фундаментальные загадки разом исчезают, если признать целенаправленное занесение первых клеток на Землю извне. Тогда обнаруживается точное соответствие между теоретическими ожиданиями и реальными фактами. Такая же ситуация со взглядами А.И. Опарина. Все перечисленные особенности ранних этапов эволюции (однотипная хиральность биомолекул, одинаковый набор аминокислот, единые генетический алфавит, генетический код и АТФ, отсутствие предбиологической эволюции) противоречат ожиданиям, только если стоять на почве гипотезы А.И. Опарина о зарождении жизни на Земле. Достаточно перейти к гипотезе панспермии, как эти противоречия разом отпадают. 

Заключение

Зарождение  жизни - точка отсчета для развития всего живого мира на Земле. Именно в этот момент начали функционировать  фундаментальные законы существования  живых организмов, которые с ходом  поступательного развития жизни  становились только более многоуровневыми  и дифференцированными. Можно сказать, что понимание причины и механизма возникновения первичных живых форм является тем ключом, который облегчит  проникновение в тайны существования растений, животных и человека, и поможет найти оптимальные подходы к их гармоничному, или органичному, сосуществованию.

Сравнивая первые теории, выдвинутые несколько  десятилетий назад мы видим, как  из набора слабо обоснованных фактами  гипотез, выросла современная теория, как неизмеримо увеличились наши знания. Мы знаем теперь слабые места  исходных гипотетических построений. На многих примерах мы поняли, какие  из этих построений надо отбросить, какие  заслуживают сохранения. В результате отпали многие неясности, мы смогли точнее представить себе, как возникла жизнь.

Жизнь на Земле могла возникнуть естественным путем, и, судя по известным фактам, именно так она и возникла.

 

Список литературы

1.. Лавриненко В.Н., Ратников В.П., Баранов Г.В. Концепции современного естествознания. М.: «Юнити-Диана», 2007.

2.   Концепции современного естествознания : учебник / В.П. Бондарев. – 2_е изд., перераб. и доп. –М. : Альфа_М : ИНФРА_М, 2011. – 512 с. : ил.

3. Макаров В.Н. Концепции современного естествознания. - М.: МОДЭК, 2008.