УД. Холдейна «живыми или полуживыми объектами» назывались большие молекулы, способные к созданию своих копий. Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров -- белков и нуклеиновых кислот. Вещество обрело тем самым важнейшее свойство самовоспроизведения и вступило в новую фазу эволюции -- фазу самоорганизации через самовоспроизведения. Здесь большое значение имело образование молекулярного языка биополимеров. Элементарный язык биологической системы -- это химический язык. Он имеет алфавит, состоящий из различных сортов нуклеотидов и аминокислот. Он позволяет выстраивать последовательности символов различной длины -- единицы мутации, кодирования и рекомбинации. Возникали все более сложные репликативные системы, конкурировавшие друг с другом.
Возникновение протоклеток положило начало биологической эволюции вещества. После того, как углеродистые соединения образовали "первичный бульон", могли уже организоваться биополимеры -- белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самопроизводства себе подобных. Механизм естественного отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ -- из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению. Как показывает синергетика, энергия имела для возникновения жизни не меньшее значение, чем вещество. Некоторые из первых стадий эволюции к жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия.
Начало жизни на Земле положило появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Однако до сих пор остаются неясными детали перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе между коарцерватами -- 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 примитивная клетка, способная к росту. Следующим шагом в организации живого должно было стать образование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка -- "единица жизни", главное структурное отличие живого от неживого.
Основные этапы биогенеза. Процесс биогенеза включал три основных этапа: возникновение органических веществ, появления сложных полимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), образование первичных живых организмов. Клетка -- основная элементарная единица жизни, способная к размножению, в ней протекают все главные обменные процессы (биосинтез, энергетический обмен и др.). Поэтому возникновение клеточной организации означало появление подлинной жизни и начало биологической эволюции.
Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы. Огромное значение для биологических процессов в клетке имеют ферменты. Синтез белка осуществляется в клетке. Величина клеток -- от микрометра до более одного метра. Клетки могут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т. д.). Большинство из них обладают способностью восстанавливаться, но некоторые, например, нервные -- нет или почти нет.
На рисунке 1 изображено "дерево" эволюции жизни на нашей планете.
Рассмотрим подробнее особенности эволюции на клеточном уровне организации жизни. Наибольшее различие существует не между растениями, грибами и животными, а между организмами, обладающими ядром (эукариоты) и неимеющими его (прокариоты). Последние представлены низшими организмами -- бактериями и сине-зелеными водорослями (цианобактерии, или цианеи), все остальные организмы -- эукариоты, которые сходны между собой по внутриклеточной организации, генетике, биохимии и метаболизму.
Различие между прокариотами и эукариотами заключается еще и в том, что первые могут жить как в бескислородной (облигатные анаэробы), так и в среде с разным содержанием кислорода (факультативные анаэробы и аэробы), в то время как для эукариотов, за немногим исключением, обязателен кислород. Все эти различия имели существенное значение для понимания ранних стадий биологической эволюции. Сравнение прокариот и эукариот по потребности в кислороде приводят к заключению, что прокариоты возникли в период, когда содержание кислорода в среде изменялось. Ко времени же появления эукариот концентрация кислорода была высокой и относительно постоянной. Первые фотосинтезирующие орга-змы появились около 3 млрд лет назад, а значительное количество данных об ископаемых эукариотах позволяет сказать, что их возраст составляет около 1,5 млрд лет. Можно предположить, что первая микрофлора и первая микрофауна появились 3,3--4 млрд лет назад. Первыми микроорганизмами могли быть бактерии или примитивные водоросли. В дальнейшем важную роль начали играть трофические связи. Основанием возникшей трофической цепи служили автотрофные растения, которые производили молекулярные структурные единицы из воды и молекул газа под действием солнечного света. Они медленно изменяли состав атмосферы. Из неассимилирующих организмов шанс на выживание имели лишь паразиты на протофлоре. Так появился принцип гетеротрофии, под которым понимают любой организм (травоядный, плотоядный или всеядный), который питается другими организмами.
Возникновение содержащей кислород атмосферы, начавшееся 2 млрд лет назад, глубоко изменило условия существования жизни. Для живых существ той далекой эпохи кислород был высокотоксичным газом, который в результате процесса окисления мог привести к разрушению органических молекул. Мутация и отбор помогли преодолеть и эту смертельную угрозу: возникли живые организмы, снабженные сначала примитивными органами, а впоследствии жабрами и легкими, которые развили высокоэффективные механизмы обмена веществ для атмосферы, содержащей кислород.
Собственно биологическая эволюция начинается с возникновения клеточной организации и в дальнейшем идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточной организации, разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.
Основные положения естественно-научной теории происхождения жизни следующие:
1.органические вещества сформировались из неорганических под действием физических факторов среды;
2. органические вещества взаимодействовали, образуя все более сложные вещества, в результате чего возникли ферменты и самовоспроизводящиеся системы -- свободные гены;
3. свободные гены соединялись с другими высокомолекулярными органическими веществами;
4. вокруг них стали образовываться белково-липидные мембраны;
5. возникли клетки;
6. из гетеротрофных организмов развились автотрофные. Основные этапы развития жизни на Земле представлены в таблице 1.
Вопрос о закономерном или случайном характере возникновения живых существ является самым трудным для принятия различных концепций происхождения жизни. В гипотезе Опарина жизнь рассматривается как закономерный результат эволюции материи во Вселенной. Альтернативные гипотезы происхождения, отрицающие это положение, постулируют либо предопределенный (американский биофизик Кеньон), либо случайный характер возникновения первичных организмов.
Таблица 1
Основные этапы развития жизни на Земле
Реальная шкала времени | Относительная шкала времени | Этапы развития жизни | |
3,5-4 млрд лет н. | 1 января | Процессы приведшие к образованию органических молекул | |
1 февраля | Свидетельства существования первых бактерий | ||
1 марта | Бактериальные колонии | ||
3 млрд лет н. | 1 апреля | Нитчатые фотосинтезирующие водоросли | |
1 мая | Рост разнообразия бактерий | ||
2,5 млрд лет н. | 1 июня | Высокое разнообразие бактерий | |
2 млрд лет н. | 1 июля | Развитие сложноорганизованных клеток | |
1,5 млрд лет н. | 1 сентября | Первые клетки, характерные для живых и высших растений | |
1 млрд лет н. | 1 октября | Рост разнообразия жизненных форм в морях, появление всех типов беспозвоночных | |
500 млн лет н. | 1 ноября | Начало освоения суши, первые челюстно-ротые рыбы, развитие позвоночных | |
300 млн лет н. | 1 декабря | Развитие млекопитающих, динозавры, амфибии | |
100 млн лет н. | Господство млекопитающих | ||
11 млн лет н. | 31 декабря 8 часов | Начало эволюции человека | |
5 млн лет н. | 16 часов | Ископаемые останки людей | |
23 ч 59 м 58 с | Начало промышленной революции |
Если группа атомов в присутствии источника энергии образует некую стабильную структуру, то она имеет тенденцию к сохранению структуры. Самая ранняя форма конкуренции состояла в отборе стабильных форм и отбрасывании нестабильных. В этом нет ничего таинственного.
Одна из главных причин кризиса в решении проблемы происхождения жизни -- отсутствие четкой границы между тремя понятиями: жизнь, живое и часть живого. Причем очень трудно одновременно изучать структуру и функцию: когда изучается структура (физико-химическими методами), то исчезает функция и наоборот.
Возраст самых древних организмов -- клеток без ядер -- составляет около 3 млрд. лет. Около 2 млрд. лет тому назад в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25--30 тыс. видов. Самые простые из них -- амебы, инфузории с ресничками. Примерно 1 млрд. лет тому назад появились первые многоклеточные организмы, и произошел выбор растительного и животного образа жизни.
Таким образом, эмпирические факты и теоретические концепции науки достаточно убедительно указывают, что современному уровню научного знания соответствует абиогенный характер возникновения и развития жизни. В рамках этой концепции предбиологическая эволюция имеет три фазы: первая -- фаза элементарных полимеров, когда происходит абиогенный синтез простейших органических соединений, вторая фаза -- полимеризация, ведущая к образованию предшественников нынешних живых клеток; третья -- биохимическая фаза, в которой совершается возникновение генетического кода, биосинтез закодированных белков и переход к биологической эволюции.
2. Классификация уровней биологических структур и организации живых систем
Клетка -- естественная крупника жизни, как атом -- естественная крупинка неорганизованной материи.
Тейяр де Шарден
Рассмотрение явлений живой природы по уровням биологических структур даст возможность изучения возникновения и эволюции живых систем на Земле от простейших и менее организованных систем к более сложным и высокоорганизованным. Первые классификации растений, наиболее известной из которой была система Карла Линнея, а также классификация животных Жоржа Бюффона носили в значительной мере искусственный характер, поскольку не учитывали происхождения и развития живых организмов. Тем не менее, они способствовали объединению всего известного биологического знания, его анализу и исследованию причин и факторов происхождения и эволюции живых систем. Без такого исследования невозможно было бы, во-первых, перейти на новый уровень познания, когда объектами изучения биологов стали живые структуры сначала на клеточном, а затем на молекулярном уровне. Во-вторых, обобщение и систематизация знаний об отдельных видах и родах растений и животных требовали перехода от искусственных классификаций к естественным, где основой должен стать принцип генезиса, происхождения новых видов, а следовательно, разработана теория эволюции. В-третьих, именно описательная, эмпирическая биология послужила тем фундаментом, на основе которого сформировался целостный взгляд на многообразный, но в то же время единый мир живых систем.
Уровни организации живого - объекты изучения биологии, экологии и физической географии - показаны на рисунке 2.
Экология
Биология Аутэкология Синэкология Физическая география
27
Рис.2. Уровни организации живого
Представления о структурных уровнях организации живых систем сформировалось под влиянием открытия клеточной теории строения живых тел. В середине прошлого века клетка рассматривалась как элементарная единица живой материи, наподобие атома неорганических тел. Проблема строения живого, изучаемого молекулярной биологией, coвершила научную революцию с середины нашего столетия. Во второй половине XX в. были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней.
Каждая клетка содержит в середине плотное образование, названное ядром, которое плавает в "полужидкой" цитоплазме. Все они вместе заключены в клеточную мембрану. Клетка нужна для аппарата воспроизводства, который находится в ее ядре. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать. Основное вещество клетки -- белки, молекулы которых обычно содержат несколько сот аминокислот и похожи на бусы или браслеты с брелочками, состоящими из главной и боковой цепей. У всех живых видов имеются особые белки, определяемые генетическим аппаратом.
Попадающие в организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются им для построения собственных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие реакциями. Хотя в состав белков человеческого организма входят 20 аминокислот, но совершенно обязательны для него только 9 из них. Остальные, по-видимому, вырабатываются самим организмом. Характерная особенность аминокислот, содержащихся не только в человеческом организме, но и в других живых системах (животных, растениях и даже вирусах), состоит в том, что все они являются левовращающими плоскость поляризации изомерами, хотя в принципе существуют аминокислоты и правого вращения.
Дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в них то специфическое, что отличает живое от неживого. Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава ядра клетки богатого фосфором вещества, обладающего свойствами кислоты и названного впоследствии нуклеиновой кислотой. В дальнейшем удалось выявить углеводный компонент этих кислот, в одном из которых оказалась Д-дезоксирибоза, а в другом Р-рибоза . Соответственно этому первый тип кислот стали называть дезоксири-бонуклеиновыми кислотами, или сокращенно, ДНК, а второй тип - рибонуклеиновыми, или кратко РНК кислотами.
Роль ДНК в хранении и передаче наследственности была выяснена после того, как в 1944 г. американским микробиологам удалось доказать, что выделенная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию. В 1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о строении молекулы ДНК как материального носителя информации. В 1960-е гг. французскими учеными Франсуа Жакобом и Жаком Моно была решена одна из важнейших проблем генной активности, раскрывающая фундаментальную особенность функционирования живой природы на молекулярном уровне. Они доказали, что по своей функциональной активности все гены разделяются на "регуляторные", кодирующие структуру регуляторного белка, и "структурные гены", кодирующие синтез ферментов.
Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем которой являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электрических проводов. Напоминает винтовую лестницу. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном. Гены расположены в хромосомах (части ядер клеток). Было доказано, что основная функция генов состоит в кодировании синтеза белков. Механизм передачи информации от ДНК к морфологическим структурам дал известный физик-теоретик Г.Гамов, указав, что для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Молекулярный уровень исследования позволил показать, что основным механизмом изменчивости и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне. Мутация -- это частичное изменение структуры гена. Конечный эффект ее -- изменение свойств белков, кодируемых мутантными генами. Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а накапливается. Мутации вызываются радиацией, химическими соединениями, изменением температуры, наконец, могут быть просто случайным. Действие естественного отбора проявляется на уровне живого, целостного организма.
Поскольку минимальной самостоятельной живой системой можно считать клетку, постольку изучение онтогенетического уровня следует начать именно с клетки. В настоящее время различают три типа онтогенетического уровня организации живых систем, которое представляют собой три линии развития живого мира:
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
