В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета и т.д. может быть рассмотрен как система – сложное образование включающее составные части, элементы и связи между ними. Элемент в данном случае означает минимальную, далее неделимую часть данной системы.
Совокупность связей между элементами образует структуру системы, устойчивые связи определяют упорядоченность системы. Связи по горизонтали – координирующие, обеспечивают корреляцию системы, ни одна часть системы не может измениться без изменения других. Связи по вертикали – связи субординации, одни элементы системы являются более значимыми, чем другие, и подчиняются им. Система обладает признаком целостности – это означает что все ее составные части, соединяясь в целое, образуют нечто обладающее качествами, не сводимыми к качествам отдельных элементов. Согласно современным научным взглядам все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. В естественных системах выделяют два больших класса систем: системы живой и неживой природы. Принято так же выделять три уровни строения материи.
Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины от долей миллиметра до километров и временные измерения от долей секунды до лет.
Микромир – мир предельно малых непосредственно ненаблюдаемых объектов, пространственная размерность от 10-8 см. до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с.
Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световыми годами, а время миллионами и миллиардами лет.
В развитии биологии выделяют три основных этапа. Первый – систематики (Карл Линней), второй – эволюционный (Чарльз Дарвин), третий – микробиологии.
Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.
Первое. Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.
Второе. Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию.
Третье. Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешние раздражители – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.
Четвертое. Живые организмы способны не только изменяться, но и усложняться. Они могут создавать новые органы, отличающиеся от породивших их структур.
Пятое. Живое способно к самовоспроизведению. Шестое. Живые организмы способны передавать потомкам заложенную в них информацию, содержащуюся в генах – единицах наследственности. Эта информация в процессе передачи может видоизменяться и искажаться. Это предопределяет изменчивость живого. Седьмое. Живые организмы способны приспосабливаться к среде обитания и своему образу жизни.
Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное определение сущности живого: Жизнь есть форма существования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.
Структурный или системный анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен и имеет сложную структуру. Условно на основе критерия масштабности можно выделить следующие уровни организации живого вещества:
- Биосферный. Включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.
- Уровень биогеоценозов. Отражает структуры, состоящие из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс – экосистему.
- Популяционно-видовой уровень. Образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.
- Организменный и органно-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 особенности специализации клеток, а также внутриклеточные структуры.
- Молекулярный уровень. Отражает особенности химизма живого вещества, а также механизмы и процессы передачи генной информации.
Живая клетка является фундаментальной частицей структуры живого вещества. Она является простейшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе способностью переносить генетическую информацию. Клеточная теория была создана немецкими учеными Теодором Шванном и Матиасом Шлейденом. Ее основное положение состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению. Исследования в области цитологии показали, что все клетки осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции и могут передавать наследственную информацию. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни в обновленном виде, или гибелью. Вместе с тем выяснилось, что клетки весьма многообразны, они могут существовать как одноклеточные организмы или в составе многоклеточных. Срок жизни клеток может не превышать нескольких дней, а может совпадать со сроком жизни организма. Размеры клеток сильно колеблются: от 0,001 до 10 см. Клетки образуют ткани, несколько типов тканей – органы, группы органов, связанные с решением каких-либо общих задач называются системами организма. Клетки имеют сложную структуру. Она обособляется от внешней среды оболочкой, которая, будучи неплотной и рыхлой, обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром, обмен с ним веществом, энергией и информацией. Метаболизм клеток служит основой для другого их важнейшего свойства – сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клеток, присущее всей живой системе, называют гомеостазом. Гомеостаз, то есть постоянство состава клетки, поддерживается метаболизмом, то есть обменом веществ. Обмен веществ – сложный, многоступенчатый процесс, включающий доставку в клетку исходных веществ, получение из них энергии и белков, выведение из клетки в окружающую среду выработанных полезных продуктов, энергии и отходов.
В настоящее время к миру живого относят также вирусы, которые не имеют клеточной структуры. Кроме того, существуют также некоторые организмы с клеточным строением, клетки которых не имеют типичной структуры. Это так называемые прокариоты, их клетки не имеют ядер. Прокариоты являются историческими предшественниками организмов с развитыми клетками. К ним относят бактерии и сине-зеленые водоросли. Нити нуклеиновых кислот у этих клеток расположены не в ядре, а в цитоплазме.
Общепризнано, что структуры, управляющие жизнедеятельностью клетки, расположены в ядре в длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), исходной единицей которых является ген (от греч. «рождающий»).
Что именно позволяет нам отделять живое от неживого? Существует несколько принципиально отличающихся друг от друга подходов к решению вопроса, что такое жизнь. Один из них - это так называемая "механистическая теория жизни". В соответствии с ней при достаточном знании законов физики и химии можно составить четкое представление о том, что такое жизнь, какова ее природа и происхождение. Более того, исходя из этих знаний, можно синтезировать живой организм из неживой материи.
Согласно теории диалектического материализма, в природе существуют различные уровни движения материи, подчиняющиеся разным законам. Жизнь - есть особая форма движения материи, которая возникает как новое качество на определенном этапе исторического развития. Поэтому она обладает свойствами, отличающими ее от неорганического мира и ей присущи особые, специфические закономерности, не сводимые к физико-химическим законам неживой природы. В познании жизни важно установить именно ее качественные отличия от других форм движения материи. Согласно представлениям, основанным на принципах идеализма, живые и неживые системы различны в самой своей сути. Иными словами, живое отличается от неживого самим "свойством жизни" или "жизненной силой", которая есть нематериальная сверхъестественная субстанция. Этой идее витализма (от лат. vitalis - жизнь) придерживались многие ученые, например Г. Дриш, И. Мюллер, Г. Шталь и другие. Еще Аристотель предложил понятие энтелехии, означающее осуществление какой-либо возможности бытия, а также движущий фактор этого осуществления, то есть "жизненную силу". Она и есть то трансцендентное регулирующее начало, которое управляет явлениями жизни. Кроме того, существует целый ряд синтетических подходов, на которых мы останавливаться не будем. Для живых организмов (под словом "организм" мы будем понимать любой живой объект) характерен ряд свойств, отличающих их от неживых тел.
В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в неживые объекты, однако их соотношение различно. Основными биогенными элементами являются Н, С, О, N. Помимо них важны Na, Mg, Cl, P, S, К, Fe, Ca и др. Кроме того, все живые организмы построены из четырех основных групп органических веществ: нуклеиновых кислот, белков, углеводов и липидов, или жиров.
Все живые организмы имеют определенную организацию, структурной и функциональной единицей которой для всех организмов (кроме вирусов) является клетка.
Организмы представляют собой открытые системы, являющиеся устойчивыми лишь при условии непрерывного доступа к ним веществ и энергии извне. При этом живая система постоянно находится в состоянии динамического равновесия
Живые организмы обладают способностью поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов. Недостаток поступления каких-либо питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а избыток вызывает прекращение синтеза этих веществ.
Раздражимость - способность организма отвечать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями. Всякое изменение окружающей организм, среды является раздражителем, а реакция организма - проявлением раздражимости. Сочетания раздражитель - реакция могут накапливаться в виде опыта и использоваться в дальнейшей деятельности.
Для живых организмов характерна способность передавать признаки и свойства в неизмененном виде из поколения в поколение с помощью носителей информации молекул ДНК или РНК.
Способность организмов приобретать новые признаки и свойства называется изменчивостью. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора.
При размножении организмы воспроизводят себе подобных. Это свойство теснейшим образом связано с явлением наследственности.
Новый организм возникает, в большинстве случаев, в результате слияния половых клеток (гамет) в ходе процессов онтогенеза. Развитие сопровождается ростом. В процессе роста и развития постепенно возникает специфическая структурная организация индивида. Продолжительность жизни особей ограничена процессами старения, приводящими в конечном итоге к смерти.
Все живые организмы существуют не только в пространстве, но и во времени. Филогенез есть необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся появлением новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Все то огромное многообразие живых существ, которое мы наблюдаем на Земле, есть результат эволюции.
С одной стороны, живая материя целостна, определенным образом организована, подчиняется ряду специальных, только для нее характерных законов. С другой стороны, она дискретна, так как любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и тесно взаимосвязанных элементов. Помимо названных, иногда выделяют и чисто физиологические свойства, присущие живому, такие как подвижность, рост, выделение и т. д.
Интенсивное проникновение эволюционной парадигмы в биологию началось в конце XVIII в. благодаря работам французского биолога Ламарка. Ламарк объяснил изменчивость видов взаимодействием двух факторов: влияния внешней среды (питание, климат, упражнение органов) и наследственности. Проблемы, поставленные Ламарком, были успешно разрешены Ч. Дарвином в его работе «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859), которая заложила основу учения о биологической эволюции. Это наука о причинах, движущих силах и закономерностях изменения и развития живых организмов. Эволюционное учение является теоретической основой современной биологии. С точки зрения теории эволюции все многообразие живой природы является результатом действия трех взаимосвязанных факторов: наследственности, изменчивости и естественного отбора. Эти выводы теории эволюции базируются на следующих наблюдениях. Во-первых, в любой популяции животных наблюдается изменчивость составляющих ее особей. Во-вторых, некоторые из этих изменений получены от родительских особей, другие являются результатом приспособления к окружающей среде и приобретены в течение жизни. В-третьих, рождается, как правило, гораздо большее число организмов, чем доживает до стадии размножения. Причем выживают те организмы, которые обладают сочетанием признаков, повышающих вероятность их выживания и размножения. Если эти признаки закреплены в генах, они передаются потомству. Наиболее ярко эволюционные процессы проявляются на уровне популяций (длительно существующих групп особей, устойчиво сохраняющихся на протяжении жизни многих поколений).
Виды, как правило, состоят из нескольких популяций, хотя бывают и исключения. Появление элементарных эволюционных изменений в популяции, то есть ее новых устойчивых признаков, передающихся по наследству через несколько поколений, зависит от следующих эволюционных факторов. Первое. Перестройка генов – мутационный процесс. Является основой разнообразия особей в популяциях, но он основан на случайности и не определяет направление эволюции. Второе. Популяционные волны – резкие колебания численности особей, они могут резко менять число встречающихся мутаций, создавая те или иные предпосылки для эволюционных изменений. Третье. Изоляция – возникновение препятствий, уменьшающих возможности обмена генетической информацией с другими группами особей данного вида. Она выступает как фактор, закрепляющий начальную стадию дифференциации генофонда обособившейся группы. Четвертое. Естественный отбор – выживание и оставление потомства.
Этот фактор действует на всех стадиях развития особи, причем отбор закрепляет именно те особенности, которые полезны данному виду как целому. Эти признаки могут быть вредны для особи, но полезны для популяции. Таким образом, весь ход эволюции видов ведет к тому, что признаки, обеспечивающие выживание в данных условиях, встречаются в популяции все чаще от поколения к поколению, определяя направление развития вида. Эволюция есть направленный процесс исторического изменения живых организмов. Указанные факторы действуют не только на популяционном и видовом уровне как микроэволюци, но также и на надвидовом уровне как макроэволюция, образуя новые виды и классы живого. Современная сложная структура живого является результатом продолжавшейся миллионы лет макро- и микроэволюции. Комплекс представлений о макро- и микроэволюции, сложившийся к середине ХХ в., стали называть синтетической теорией эволюции.
Генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. Она является научной основой для разработки методов селекции, то есть создания новых пород животных, видов растений и т.д. Основными направлениями исследований ученых-генетиков в ХХ в. стали:
- Изучение элементарных материальных структур, которые являются носителями генетической информации, единицами наследственности.
- Исследование механизмов и закономерностей передачи генетической информации.
- Изучение механизмов реализации генетической информации, ее претворение в конкретные признаки и свойства организма.
- Выяснение причин и механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.
Крупнейшие открытия современной генетики связаны с установлением способности генов к перестройке – мутирование. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Одним из результатов мутаций может быть появление организма нового вида – мутанта. Причины мутаций до конца не выяснены. Однако установлены основные факторы, вызывающие мутации, так называемые мутагены. Одним из наиболее опасных видов мутагенов являются вирусы.
Естественнонаучные модели происхождения жизни
Естествознание всегда оказывало значительное воздействие на развитие гуманитарных наук. Особенно мощным это воздействие стало сейчас - в эпоху научно-технической революции. Изучение естествознания способствует выработке ориентиров, установок, ценностей рационализаторского отношения к миру, природе, обществу, человеку.
Это очень важно именно в наше время, когда накатывается новая очередная историческая волна мифологизации культуры, массовое сознание реформируется, в нём всё чаще ставятся под сомнение достижения, ценности и возможности научного познания мира, когда происходит всплеск интереса к мистицизму, расцвет оккультизма, магии, астрологии; когда бегство от материализма к мистике, от науки к мифу стало модой. В этих условиях приобретает особую значимость утверждение идеалов научнорационализаторского отношения к действительности, на которых построена вся наша цивилизация.
Жизнь на Земле чрезвычайно многообразна. Она представлена ядерными и доядерными одно- и многоклеточными существами. Богатейший мир многоклеточных представлен тремя царствами - грибами, растениями и животными. Одним из наиболее трудных и в то же время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Учёные сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад.
Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой эволюции жизни.
Происхождение жизни - одна из трёх важнейших мировоззренческих проблем наряду с проблемами происхождения нашей Вселенной и проблемой происхождения человека.
Попытки понять, как возникла и развивалась жизнь на Земле, были предприняты ещё в глубокой древности. Существует пять концепций возникновения жизни:
- Креанизм - божественное сотворение живого.
- Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества.
- Концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда.
- Концепция внеземного происхождения жизни.
- Концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.
Религиозно-идеалистический подход исходил из того, что возникновение жизни на Земле не могло осуществиться естественным, закономерным, объективным образом. Жизнь является следствием божественного, творческого акта, и потому всем существам свойственна особая, независимая от материального мира, жизненная сила, которая направляет все процессы жизни.
В основе второго, материалистического подхода, лежало представление о том, что под влиянием естественных факторов живое может возникнуть из неживого, органическое из неорганического. Несмотря на свою примитивность, первые исторические формы концепции самозарождения сыграли прогрессивную роль в борьбе с креанизмом. Идея самозарождения получила широкое распространение в средневековье и эпоху Возрождения, когда допускалась возможность самозарождения не только простых, но и довольно высокоорганизованных существ, даже млекопитающих (например, мышей из тряпок).Невозможность произвольного зарождения жизни была доказана целым рядом опытов. Применение микроскопа в биологических исследованиях способствовало открытию большого разнообразия одноклеточных организмов. На этой основе вновь возродились старые идеи произвольного самозарождения простейших существ. Окончательно версия о самозарождении была развенчана Л.Пастером в середине XIX в. Он показал, что не только в запаянном сосуде, но и в незакрытой колбе с S образной горловиной хорошо прокипячённый бульон остаётся стерильным, потому что через такую горловину не могут проникнуть микробы. Так было доказано, что новый организм в наше время может появиться от другого живого существа.
Появление жизни на Земле пытались объяснить и занесением её из других космических миров. Естествознание XX в. Сделало шаг вперёд в изучении жизни, её проявлений на Земле и за её пределами. Сейчас уже определённо выяснено, что «азбука» живого сравнительно проста. В любом существе, живущем на Земле, присутствует 20 аминокислот, 5 оснований, 2 углевода и один фосфат. Существование небольшого числа одних и тех же молекул во всех живых организмах убеждает нас, что всё живое должно иметь единое происхождение.
Отрицание возможности самозарождения жизни в настоящее время не противоречит представлениям о принципиальной возможности развития органической природы и жизни в прошлом из неорганической материи.
Не исключается возможность занесения определённых пред посылочных факторов жизни на Земле из Космоса. Однако в изученной пока человеком части Вселенной, только на Земле они привели к формированию и расцвету жизни. К концу XX в. Осталась наиболее перспективной пятая концепция.
Что нужно, чтобы появилось и могло существовать живое существо?
Происхождение жизни на Земле явилось третьим значительным этапом в ряду происхождения нашей вселенной и происхождения Земли. Существовало масса теорий и гипотез о возникновении жизни на Земле.
Среди них миф о «творческом акте сотворения мира Богом», описанный в Библии, гипотезы Аристотеля, Эпикура и Демокрита. Исследования Луи Пастера в 19-м веке окончательно подтвердили ошибочность представлений происхождения жизни как о спонтанном самозарождении. Правда, они не дали окончательных выводов о происхождении жизни.
И только 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества ученый А. И. Опарин с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения жизни. Его доклад «О возникновении жизни» стал исходной точкой нового взгляда на вечную проблему нашего появления на Земле. Необходимо подчеркнуть, что независимо от Опарина к таким же выводам пришел английский ученый Дж. Холдейн.
Общим во взглядах Опарина и Холдейна было объяснение возникновения жизни в результате химической эволюции. Оба они подчеркивали огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался «первичный бульон».
В 1924 г. в книге А.И.Опарина впервые была сформулирована естественнонаучная концепция, согласно которой возникновение жизни - результат длительной эволюции на Земле: сначала химической, затем биологической. С позиций современной науки жизнь возникла из неживого вещества в результате эволюции материи, являющейся результатом естественных процессов, происходивших во Вселенной. Жизнь - это свойство материи, которое ранее не существовало и появилось в особый момент истории нашей планеты Земля. Жизнь возможна только при определённых физических и химических условиях.
Жизнь возникла не тогда, когда образовались очень сложные органические соединения, а тогда, когда начал действовать механизм редупликации. Начало жизни на Земле - появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. На границе между коацерватами - сгустками органических веществ - могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть клетка, способная к росту.
Таким образом, завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, с переходом к матричному синтезу белка. Это было величайшим качественным скачком в эволюции материи. Однако механизм такого перехода пока не ясен. Основная трудность здесь состоит в том, что для удвоения нуклеиновых кислот нужны белки, а для создания белков - нуклеиновые кислоты. По этому поводу существуют разные гипотезы, но все они так или иначе не полны. В настоящее время наиболее перспективными являются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации, синергетики. Синергетика изменила представление о мире, развитие понимается как процесс становления качественно нового, того, что ещё не существовало в природе и предсказать которое невозможно. Как показывает синергетика энергия имела для возникновения жизни не меньшее значение, чем вещество.
Следующим шагом в организации должно быть образование мембран, которые отделяли смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка - «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. В проблеме возникновения жизни ещё много неопределённого, она ещё далека от своего окончательного разрешения. Знание условий, которые способствовали возникновению жизни на Земле, позволяют понять почему в наше время невозможно появление живых существ из неорганических систем. В нашу эпоху отсутствуют условия для синтеза. Теперь живые существа появляются только вследствие размножения.
Состав клетки: 70% кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Почти в каждой из клеток человека синтезируется свыше 10000 разных белков. Первичные живые организмы были анаэробными (жили без кислорода) питались и воспроизводились за счёт «органического бульона», возникшего из неорганических систем. С « кислородной революцией» связан переход от прокариотов (клетки у которых нет ядра) к эукариотам (есть ядро, где сосредоточены хромосомы). Прокариоты - это простые, выносливые организмы, обладающие высокой способностью к быстрому размножению, легко приспосабливающиеся к изменяющимся условиям природной среды. Клетки без ядра напоминают нынешние бактерии и сине-зелёные водоросли. Возраст самых древних организмов около 3 млрд. лет.
Зарождение жизни не произошло само по себе, а совершилось благодаря определенным внешним условиям, сложившимся к тому времени. Главное условие возникновения жизни связано с массой и размерами нашей планеты. Доказано, что если масса планеты больше чем 1/20 массы Солнца, на ней начинаются интенсивные ядерные реакции.
Следующим важным условием возникновения жизни являлось наличие воды. Значение воды для жизни исключительно. Это обусловлено ее специфическими термическими особенностями: огромной теплоемкостью, слабой теплопроводностью, расширением при замерзании, хорошими свойствами кА растворителя и др.
Третьим элементом явился углерод, который присутствовал на Земле в виде графита и карбидов. Из карбидов при их взаимодействии с водой образовывались углеводороды.
Четвертым необходимым условием являлась внешняя энергия. Такая энергия на земной поверхности имелась в нескольких формах: лучистая энергия Солнца, в частности ультрафиолетовый свет, электрические разряды в атмосфере и энергия атомного распада природных радиоактивных веществ.
Когда на Земле возникли вещества подобные белкам, начался новый этап в развитии материи — переход от органических соединений к живым существам.
Первоначально, органические вещества находились в морях и океанах в виде растворов. В них не было какого-либо строения, какой-либо структуры. Но когда подобные органические соединения смешивались между собой, из растворов выделялись особые полужидкие, студенистые образования — коацерваты. В них концентрировались все находящиеся в растворе белковые вещества.
Хотя коацерватные капельки были жидкие, они обладали определенным внутренним строением. Частицы вещества в них были расположены не беспорядочно, как в растворе, а с определенной закономерностью. При образовании коацерватов возникали зачатки организации, однако, еще очень примитивной и неустойчивой. Для самой капельки эта организация имела большое значение. Любая коацерватная капелька была способна улавливать из раствора, в котором плавает, те или иные вещества. Они химически присоединялись к веществам самой капельки. Таким образом, в ней протекал процесс созидания и роста. Но в любой капельке наряду с созиданием существовал и распад. Тот или иной из этих процессов, в зависимости от состава и внутреннего строения капельки, начинал преобладать.
В результате, в каком-нибудь месте первичного океана смешались растворы белково-подобных веществ и образовались коацерватные капельки. Они плавали не в чистой воде, а в растворе разнообразных веществ. Капельки улавливали эти вещества и росли за их счет. Скорость роста отдельных капелек была неодинакова. Она зависела от внутреннего строения каждой из них.
Если в капельке преобладали процессы разложения, то она распадалась. Вещества, ее составляющие, переходили в раствор и поглощались другими капельками. Более или менее длительно существовали лишь те капельки, в которых процессы созидания преобладали над процессами распада.
Таким образом, все случайно возникающие формы организации сами собой выпадали из процесса дальнейшей эволюции материи. Каждая отдельная капелька не могла расти беспредельно как одна сплошная масса — она распадалась на дочерние капельки. Но каждая капелька в то же время была чем-то отлична от других и, отделившись, росла и изменялась самостоятельно. В новом поколении все неудачно организованные капельки погибали, а наиболее совершенные участвовали в дальнейшей эволюции материи. Так в процессе возникновения жизни происходил естественный отбор коацерватных капелек. Рост коацерватов постепенно ускорялся. Причем научные данные подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем.
В конечном итоге усовершенствование коацерватов привело к новой форме существования материи — к возникновению на Земле простейших живых существ. Вообще, исключительное разнообразие жизни осуществляется на единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов.
Основные химические элементы, из которых построена жизнь, — это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов.
Например, атомы водорода, углерода, кислорода и азота имеют небольшие размеры и образовывают устойчивые соединения с двух и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. А образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими химическими особенностями углерода.
Сера и фосфор присутствуют в относительно малых количествах, но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор — составная часть нуклеиновых кислот.
Строение первых живых организмов хотя и было гораздо совершеннее, чем у коацерватных капелек, но все же оно было несравненно проще нынешних живых существ. Естественный отбор, начавшийся в коацерватных капельках, продолжался и с появлением жизни. В течение долгого времени строение живых существ все более улучшалось, приспособлялось к условиям существования.
Вначале пищей для живых существ были только органические вещества, возникшие из первичных углеводородов. Но с течением времени количество таких веществ уменьшилось. В этих условиях первичные живые организмы выработали в себе способность строить органические вещества из элементов неорганической природы — из углекислоты и воды. В процессе последовательного развития у них появилась способность поглощать энергию солнечного луча, разлагать за счет этой энергии углекислоту и строить в своем теле из ее углерода и воды органические вещества. Так возникли простейшие растения — сине-зеленые водоросли. Остатки сине-зеленых водорослей обнаруживаются в древнейших отложениях земной коры.
Другие живые существа сохранили прежний способ питания, но пищей им стали служить первичные растения. Так возникли в своем первоначальном виде животные.
На заре жизни и растения, и животные были мельчайшими одноклеточными существами, подобными живущим в наше время бактериям, сине-зеленым водорослям, амебам. Большим событием в истории последовательного развития живой природы стало возникновение многоклеточных организмов, т. е. живых существ, состоящих из многих клеток, объединенных в один организм.
Постепенно, но значительно быстрее, чем раньше, живые организмы становились все сложнее и разнообразнее. С образованием сложных ультра молекулярных систем (пробионтов) включающих нуклеиновые кислоты, белки ферменты и механизм генетического кода, появляется жизнь на Земле. Пробионты нуждались в различных химических соединениях — нуклеотидах, аминокислотах и др. Из-за низкой степени генетической информации, пробионты обладали достаточно ограниченными возможностями. Дело в том, что они использовали для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, и если бы жизнь на своем раннем этапе существовала только в форме одного вида организмов, то первичный бульон был бы достаточно быстро исчерпан.
Однако благодаря тенденции к приобретению большого разнообразия свойств, и в первую очередь, к возникновению способности синтезировать органические вещества из неорганических соединений с использованием солнечного света, этого не произошло.
В начале следующего этапа образуются биологические мембраны-органеллы, ответственные за форму, структуру и активность клетки. Биологические мембраны построены из агрегатов белков и липидов, способных отграничить органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной оболочкой.
Предполагается, что образование мембран могло начаться еще в процессе формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к живой материи были необходимы не только мембраны, но и катализаторы химических процессов — ферменты или энзимы. Отбор коацерватов усиливал накопление белково-подобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций.
Результаты отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Система успешно работающих последовательностей нуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновение самоорганизации зависело как от исходных химических предпосылок, так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакция на определенные условия. При самоорганизации отсеивалось множество различных неудачных вариантов, до тех пор, пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не достигли оптимального соотношения с точки зрения естественного отбора.
Благодаря предбиологическому отбору самих систем, а не только отдельных молекул, системы приобрели способность совершенствовать свою организацию. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, который обеспечивал возрастание их информационных возможностей. На последнем этапе эволюции обособленных органических систем сформировался генетический код.
После образования генетического кода эволюция развивается вариациями. Чем дальше она продвигается во времени, тем многочисленнее и сложнее вариации.
Однажды возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами показывая ускорение эволюции во времени. Так, развитие от первичных пробионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн. лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн. лет, приматы выделились за 12-15 млн. лет, для становления человека потребовалось около 3 млн. лет.
Истинная основа жизни образовалась в результате появления клетки, в которой биологические мембраны объединили отдельные органеллы в единое целое. Первые клетки были примитивны и не имели ядра. Но такие клетки существуют и в настоящее время. Удивительно, ведь они появились более 3 млрд. лет назад.
Первые клетки были прообразом всех живых организмов: растений, животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, под воздействием дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствовались и появились специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных — метафитов и метазоа.
В качестве объединяющей зависимости между химической эволюцией переходящей затем в биохимическую и биологическую эволюцию можно привести следующую:
1. атомы
2. простые молекулы
3. сложные макромолекулы и ультра молекулярные системы (пробионты)
4. одноклеточные организмы.
Итак, живой мир сотворен. На это потребовалось более 3 миллиардов лет, и это было самым трудным. Не поддается перечислению огромное количество вариантов развития исходных углеродных соединений. Однако самым важным был результат – возникновение жизни на Земле.
Несмотря на важность знаний, относительно условий, причин и процессов появления жизни на Земле в наше время НТП многие не уделяют этому должного внимания. Хотя для всех должно быть очень ясно, что жизнь, окружающая нас, формировалась в течение такого гигантского периода времени, который просто неподвластен нашему сознанию. И только поэтому, тот ущерб, который уже был нанесен всему живому за прошедший век, пока еще не привел к необратимым последствиям. Однако, благодаря НТП человек сам, не осознавая того, создает все более опасные для всего живого изобретения. И, к сожалению, никто не знает, какое из них будет последним….