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. 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. Существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени; поддержание жизни связано с самовоспроизведением.
Любой вид состоит из особей, каждая из которых рано или поздно погибает, но благодаря самовоспроизведению жизнь вида не прекращается. Размножение – это свойство организмов воспроизводить себе подобных на основе информации, закодированной в молекулах ДНК и РНК. Живые организмы передают потомству свою качественную определенность и родовую идентичность. В основе авторепродукции лежат сложные микропроцессы образования новых молекул и их структур на основе информации, закодированной в специальный бионоситель – ДНК.
Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органоиды клеток (митохондрии) после деления аутентичны со своими прототипами. Самовоспроизведение, следовательно, тесно связано с наследственностью – способностью организмов обеспечивать передачу признаков, свойств, особенностей развития из поколения в поколение, что обусловливает биологически значимую преемственность поколений.
Изменчивость и развитие. Под изменчивостью понимают способность организмов приобретать новые признаки и свойства на основе изменения молекул ДНК. В процессе воспроизводства репродукция молекул ДНК происходит не с абсолютной точностью; возникают различные мутации (под действием внешних и внутренних факторов). Все эти факторы приводят к тому, что новое поколение живых организмов не в точности копирует предыдущее поколение. Благодаря этому свойству происходит отбор наиболее приспособленных к конкретным условиям существования особей и появление новых видов организмов. 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. 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 органической и неорганической средой. 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. Неотъемлемым свойством природы является последовательная закономерная смена циклов. Периодические изменения в окружающей среде оказывают существенное влияние на живую природу и на собственные жизненные ритмы живых организмов. В живых системах ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций с различными периодами их активизации: суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы спячки у некоторых млекопитающих и др. Ритмичность обеспечивает согласование функций организма и окружающей среды, т.е. эволюционный механизм приспособления к периодически изменяющимся условиям существования.
Саморегуляция. Все живые организмы способны поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов в постоянно меняющихся условиях окружающей среды. Недостаток каких-либо питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а при избытке какого-либо вещества его синтез прекращается.
Например, уменьшение количества клеток в ткани (в результате травмы) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток, а после восстановления количества клеток до нормального возникает сигнал о снижении интенсивности клеточного деления.
Дискретность (прерывистость, разделенность). Дискретность представляет собой всеобщее свойство материи, обозначающее прерывистость. Жизнь на Земле существует в виде дискретных или изолированных форм особей. Например, каждый вид живых организмов состоит из отдельных особей. Тело животного состоит из отдельных органов, органы – из отдельных клеток, клетки – из органелл, органеллы из биомолекул.
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.
Обозначенные свойства живого объединяют все его проявления. Однако очевидно, что тождество всего живого мировоззренчески очень значимо в лишь пределах противопоставления его неживой материи. В реальности это тождество внутренне противоречиво и выражено в следующих уровнях организации живой материи.
Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.
Клеточный. Клетка – структурная и функциональная единица, а также единица развития всех живых организмов, обитающих на Земле. На клеточном уровне сопрягаются передача информации и превращение веществ и энергии.
Организменный. Элементарной единицей организменного уровня служит особь, которая рассматривается в развитии – от момента зарождения до прекращения существования – как живая система. На этом уровне возникают системы органов, специализированных для выполнения различных функций.
Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания. Популяция – надорганизменная система. В этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования – процесс микроэволюции.
Биогеоценотический. Биогеоценоз – совокупность организмов разных видов и различной сложности организации с факторами среды их обитания. В процессе совместного исторического развития организмов разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые сообщества.
Биосферный. Биосфера – совокупность всех биогеоценозов, система, охватывающая все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов.
Загадка появления жизни на Земле с незапамятных времен волнует людей. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему, высказывались разнообразные гипотезы и концепции. Некоторые из них получили широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания.
Концепция креационизма имеет самую длинную историю в культуре человечества, так как практически во всех мифологических и религиозных системах возникновение жизни рассматривается как акт сверхъестественного творения.
Концепция креационизма, по существу, научной не является, т.к. предлагает положения, даже не предполагающие доказательства. Частью креационистского мировоззрения является витализм.
Витализм (от лат. vitalis – жизненный) предполагает обусловленность жизненных явлений в биологических системах присутствием в них особой нематериальной, непознаваемой сверхъестественной силы. В трактовке сущности живого витализм исходит из представлений об абсолютности различия явлений органической и неорганической природы. Зарождение витализма происходило во времена античности. Так, древнегреческий философ Платон говорил о бессмертной душе – «психее», оживляющей растительный и животный мир, а его ученик философ и ученый Аристотель выдвинул идею о существовании особой нематериальной силы «энтелехии», управляющей явлениями живой природы. Наиболее ярко витализм проявился во взглядах греческого философа Плотина (204–270), который утверждал наличие в живой природе особого «животворящего духа». Имеется предположение, что им впервые было выдвинуто понятие «жизненной силы», которое было использовано в последующих виталистических теориях.
Современные виталисты пытаются доказать нематериальный характер жизни и невозможность понять ее сущность, утверждая, что живая природа, в отличие от неживой, организуется и управляется особым творческим началом, которое является одним из атрибутов Бога.
Концепция стационарного состояния. Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно, и вместе с ней всегда существовали различные виды живого. При этом одни из них при изменении условий окружающей среды вымерли, другие переместились в новые биологические ниши, а третьи резко изменили численность. Также сторонники данной теории считают, что и виды животных никогда не возникали, а существовали всегда. Строго говоря, эту теорию нельзя относить к концепциям именно происхождения жизни, и ее главный посыл противоречит представлениям об универсальном эволюционизме, в том числе современным представлениям об этапах развития Вселенной. Однако, как можно заметить, обозначенные выше положения вполне согласуются с концептом вечной и бесконечной материи, существующей в абсолютных формах пространства и времени. Понятия «вечность» и «бесконечность» фактически мистичны для конечного мира, поэтому столь вульгарный ответ креационизму, как несотворенность (вечность) конкретных проявлений материи, неабсурден в рамках такого варианта материализма, но противоречит концепции «Большого взрыва».
Концепция самопроизвольного зарождения жизни долгое время была единственной альтернативой креационизму. Считалось, что все низшие организмы появляются путем самозарождения.
Ученые Средневековья, например, допускали, что рыбы могли зародиться из ила, мыши – из грязи, мухи – из мяса и т.д. Эти положения отражали житейский опыт и не противоречили бытовой практике широкой публики.
В середине XIX в. французский ученый Л. Пастер своими опытами окончательно доказал научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов. Но, опровергнув эту концепцию, ученый не предложил никакой другой идеи. Поэтому в середине XIX в. наука не могла ничего сказать о том, как возникла жизнь на Земле.
Концепция самозарождения жизни, несмотря на свою ошибочность, сыграла позитивную роль в развитии естествознания, поскольку опыты, призванные подтвердить ее, помогли получить богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки.
Концепция панспермии. Практически одновременно с опытами Пастера была высказана гипотеза о занесении живых существ на Землю из космоса, получившая позднее название концепции панспермии. Эта теория допускала возможность возникновения жизни в разное время в разных частях Галактики и перенесения ее на Землю тем или иным способом (например, вместе с метеоритами или космической пылью). Концепция панспермии была поддержана многими известными учеными, что способствовало ее широкому распространению.
Основы этой концепции были разработаны немецким биологом Г. Рихтером (1818-1876) и шведским ученым С. Аррениусом (1859–1927). В соответствии с этой теорией в космическом пространстве существуют так называемые «споры жизни», которые, попадая в благоприятные условия на поверхности Земли, могут стать зародышами многочисленных биологических структур.
Прямых свидетельств в пользу космического происхождения жизни в настоящее время не существует. Однако Космос может быть поставщиком низкомолекулярных органических соединений, которые, возможно, находятся в составе выпадающих на Землю метеоритов, частиц близко пролетающих комет и космической пыли. В некоторых из свежевыпавших на Землю метеоритах обнаружен ряд аминокислот, которые могут служить строительным материалом для белковых молекул. Подсчитано, что Земля, проходя через пылевое облако в течение 1 млрд лет, могла получить с космической пылью 1013 кг органического материала.
Тем не менее, серьезных аргументов нет. Есть даже весомые доводы против данной концепции. Дело в том, что, хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей.
Теория биохимической эволюции. Концепция А.И. Опарина. Одним из главных препятствий, стоявших в начале XX в. на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее тогда в науке и основанное на повседневном опыте убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи. Считалось, что природа неорганических веществ совершенно иная, поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ практически невозможно.
Однако после того, как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление об отсутствии связи между органическими и неорганическими веществами оказалось несостоятельным. В результате этого открытия возникли органическая химия и биохимия, изучающие химические процессы в живых организмах.
Кроме того, данное научное открытие позволило создать концепцию биохимической эволюции, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате спонтанных физических и химических процессов.
Исходную основу этой гипотезы составили данные о сходстве веществ, входящих в состав растений, животных, о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.
Эти открытия легли в основу концепции А.И. Опарина, опубликованной в 1924 г. в книге «Происхождение жизни», в которой была изложена принципиально новая гипотеза о происхождении жизни, суть которой сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле – длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. И произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.
Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой:
1) синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы ранней Земли;
2) формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;
3) самоорганизации сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.
Несмотря на всю экспериментальную обоснованность и теоретическую убедительность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.
Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции служит также возможность экспериментальной проверки ее основных положений.
Слабая же сторона концепции – в невозможности объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось.
Эволюционное учение в современном естествознании занимает одно из почетнейших символьных мест, являясь не только универсальным мировоззрением и общенаучной парадигмой, но и непосредственной методологией современного исследовательского процесса.
Эволюционное учение прошло традиционный для любой теории этап становления, в котором можно выделить и процессы накопления эмпирических фактов и попытки их концептуального осмысления. Все ступени этого восхождения отражены в мощной исследовательской литературе. В формате данного повествования мы лишь укажем на то, что в расцветные годы классической науки количественный вал биологических фактов объективно востребовал новое качество их восприятия.
Основная задача науки состояла теперь в освоении огромного накопленного материала, который надо было подвергнуть хотя бы первичной обработке. Возникла необходимость в расчленении явлений природы и их детальном изучении. Среди многих направлений в естествознании важное место начинает занимать систематика.
Первые системы, созданные ботаниками и зоологами XVI-XVIII вв., были искусственными, так как растения и животные группировались по признакам, избранным произвольно (например, по форме плода, окраске венчика и т.д.). Такие системы вносили некоторую упорядоченность, но не отражали родственных связей между организмами.
Вершиной искусственной систематики явилась система, разработанная шведским натуралистом Карлом Линнеем (1707–1778). Он умело обобщил достижения предшественников и дополнил их собственным материалом. Его основные работы «Система природы», «Философия ботаники» посвящены проблемам систематики растений. В предложенной К. Линнеем системе классификации было принято деление растений и животных на несколько соподчиненных групп: классы, отряды, роды, виды и разновидности. Недостатки системы Линнея состояли в том, что при классификации он учитывал лишь 1-2 признака (у растений – число тычинок, у животных – строение дыхательной и кровеносной систем), не отражающих подлинного родства, поэтому далекие роды оказывались в одном классе, а близкие – в разных.
Линней виды считал неизменными, созданными Творцом. Он разделял метафизические представления своего времени о природе.
Работы К. Линнея сыграли важную роль в развитии биологии и способствовали формированию исторического взгляда на природу.
Французский биолог Жан-Батист Ламарк в 1809 г. выдвинул гипотезу о механизме эволюции, в основе которой лежали две предпосылки: упражнение и неупражнение частей организма и наследование приобретенных признаков. Выдающаяся заслуга Ламарка заключается в создании первого эволюционного учения. Он отверг идею постоянства видов, противопоставив ей представление об изменяемости видов. Его учение утверждало существование эволюции как исторического развития от простого к сложному. Впервые был поставлен вопрос о факторах эволюции.
Изменения среды, по его мнению, приводят к изменению форм поведения, что вызовет необходимость использовать некоторые органы или структуры по-новому или более интенсивно (или, наоборот, перестать ими пользоваться). В случае интенсивного использования эффективность и (или) величина органа будет возрастать, а при неиспользовании может наступить дегенерация и атрофия. Эти признаки, приобретенные индивидуумом в течение его жизни, согласно Ламарку, наследуются, то есть передаются потомкам. Хотя теория Ламарка способствовала подготовке почвы для принятия эволюционной концепции, его взгляды на механизм изменения никогда не получали широкого признания.
Однако Ламарк был прав, подчеркивая роль условий жизни в возникновении фенотипических изменений у данной особи. Например, занятия физкультурой увеличивают объем мышц, но хотя эти приобретенные признаки затрагивают фенотип, они не являются генетическими и, не оказывая влияния на генотип, не могут передаваться потомству.
Разрабатывая систематику животных, Ламарк очень точно подметил основное направление эволюционного процесса – постепенное усложнение организации от низших форм к высшим (градация). Но причиной градации Ламарк считал заложенное Всевышним стремление организмов к совершенствованию.