§ 9.1. Сущность и уровни организации жизни

Сущность жизни и свойства живых организмов

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 тыс. 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.

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 [19, 20].

◊ 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 т.д. 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, разделенностъ). 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, которые 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 клетки³, 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.

Уровни организации жизни

Мир живой природы представляет собой совокупность биологических систем разного уровня организации и различной соподчиненности. Обычно выделяют несколько уровней организации живой материи [6, 20, 28].

◊ Молекулярный уровень. Различие живых и неживых систем проявляется уже на молекулярном уровне. На уровне функционирования биологических макромолекул (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), а также других важных органических веществ начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма - обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др. В настоящее время выясняется, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации, превращение энергии в живых клетках и другие явления обусловлены структурой и свойствами биологически важных макромолекул (главным образом белков и нуклеиновых кислот). Безусловный интерес представляет так называемая репликация - удвоение молекул ДНК (у некоторых вирусов РНК) при участии специальных ферментов, которая обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передачу ее от поколения к поколению.

◊ Клеточный уровень. Клетка — структурная и функциональная единица, а также единица размножения и развития всех живых организмов, обитающих на Земле. Она может существовать как отдельный организм (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы), так и в составе тканей многоклеточных животных, растений, грибов. Единственное исключение из этого правила — вирусы, представляющие собой неклеточные формы жизни, но вирусы могут проявлять свойства живых систем только в клетках. Содержимое клетки именуется протоплазмой. В каждой клетке имеется генетический аппарат, который обычно заключен в ядре, отделенном мембранами от цитоплазмы.

Клетки различны по величине; так, клетки некоторых бактерий имеют диаметр 0,1-0,23 мкм, а диаметр яйца страуса в скорлупе достигает 155 мм; диаметр большинства эукариотных клеток (с оформленным клеточным ядром, т.е. все клетки, кроме бактерий) составляет 10-100 мкм. Многообразные функции клеток выполняются специализированными внутриклеточными структурами - органоидами. Универсальные органоиды эукариотных клеток в ядре - хромосомы, в цитоплазме - рибосомы, митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, клеточная мембрана. Во многих клетках присутствуют мембранные структуры, способствующие поддержанию формы клетки.

Важнейшими химическими компонентами клетки считаются белки, включая ферменты, которые содержатся как в самой клетке, так и в жидких средах организма. Однако синтезируются они только в клетке, которая осуществляет пространственную организацию химических процессов. Так, процесс клеточного дыхания у всех клеток, кроме бактерий, происходит только на мембранах митохондрий, а синтез белка — на рибосомах. Благодаря концентрации ферментов, упорядоченному их расположению в структурах ускоряются реакции, организуется их сопряжение (принцип конвейера), разделяются разнородные процессы. Для строения клетки характерна микрогетерогенность (микронеоднородность), которая позволяет синтезировать различные вещества из одних и тех же предшественников в одно время в общем микрообъеме. Принцип компактности, присущий метаболизму клетки, особенно выражен в структуре ДНК. Например, ДНК яйцеклетки человека весит 6 · 10~¹² г и при этом кодирует свойства всех белков человека. Внутри клетки непрерывно поддерживается определенная концентрация ионов, отличная от их концентрации в окружающей среде, в результате чего образуются выпячивания клеточной мембраны, которые могут замыкаться и отделяться внутрь клетки в виде пузырьков. Клетки способны захватывать из окружающей их среды капельки с крупными молекулами, включая белки или даже вирусы и небольшие клетки.

У всех клеток одного организма геном (совокупность генов) не отличается по объему потенциальной информации от генома оплодотворенной яйцеклетки. Это доказывают опыты с пересадкой ядра узкоспециализированной клетки в цитоплазму энуклеированной яйцеклетки, после чего может развиться нормальный организм. Различия свойств клетки многоклеточного организма объясняются неодинаковой активностью генов, что обусловливает дифференцировку клеток. В результате одни клетки становятся возбудимыми (нервные), другие приобретают сократимые белки, образующие миофибриллы (мышечные), третьи синтезируют пищеварительные ферменты или гормоны (железистые) и т.д. Многие клетки полифункциональны; так, клетки печени синтезируют различные белки плазмы крови и желчь, накапливают гликоген и превращают его в глюкозу, окисляют чужеродные вещества (в том числе и многие лекарства). Во всех клетках активны гены общеклеточных функций. Следовательно, сходных признаков в разных клетках значительно больше, чем специальных признаков. Клетки близкого происхождения и сходных функций образуют ткани.

В организме человека около 10¹⁴ клеток. В некоторых тканях количество клеток остается постоянным в течение всей жизни организма. В этих тканях делятся относительно малодифференцированные клетки, резерв которых самоподдерживается, а одна из дочерних клеток дифференцируется. Например, у человека ежедневно погибает около 70 млрд клеток кишечного эпителия и 2 млрд эритроцитов. Во многих других тканях в клеточный цикл входят вполне дифференцированные клетки, и тогда деление клетки не может завершиться до конца, а ограничивается удвоением хромосом или вообще не начинается, и клетка выходит из цикла после некоторого момента. Некоторые ядра не входят в цикл в течение всей жизни дифференцированной клетки (нейроны, волокна скелетных мышц), при этом продолжительность жизни клетки соответствует жизни организма. Минимальная продолжительность жизни клетки (кишечного эпителия) человека -1-2 дня.

Во всех клетках происходит интенсивное обновление веществ и структур. Огромное количество клеток в каждой ткани, объединенных метаболическими и регуляторными процессами, их постоянное внутреннее обновление обеспечивают надежность работы органов многоклеточного организма.

На клеточном уровне основное внимание ученые уделяют проблемам морфологической организации клетки, специализации клеток в ходе развития, функциям клеточной мембраны механизмов и регуляции деления клетки, строению и функциям таких органоидов, как хромосомы, митохондрии, рибосомы, а также другим включениям клетки.

◊ Организменный уровень. Многоклеточный организм представляет собой целостную систему органов и тканей, специализированных для выполнения различных функций. Ткань - совокупность сходных по строению клеток, объединенных выполнением общей функции. Орган - это структурно-функциональное объединение нескольких типов тканей. Например, кожа человека как орган включает эпителий и соединительную ткань, которые вместе выполняют целый ряд функций; из них наиболее значительная — защитная. В рамках организменного (онтогенетического) уровня изучают особь и свойственные ей как целому черты строения и физиологические процессы — механизмы адаптации (акклиматизации) и поведения (в том числе функции центральной нервной системы), а также такие актуальные проблемы, как дифференцировка тканей, т.е. превращение в процессе индивидуального развития организма (онтогенеза) первоначально одинаковых, неспециализированных клеток зародыша в специализированные клетки тканей и органов,

О Популяционно-видовой уровень. Популяция как система надорганизменного порядка - это совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания. В данной системе осуществляются простейшие, элементарные эволюционные преобразования. Популяционная биология изучает факторы, влияющие на численность популяции, проблемы сохранения исчезающих видов, динамики генетического состава популяций, действие факторов микроэволюции и т.д. Для хозяйственной деятельности человека важны такие проблемы популяционной биологии, как контроль численности видов, поддержание оптимальной численности эксплуатируемых и охраняемых популяций.

◊ Биогеоценотически-биосферный уровень. Биогеоценоз - совокупность организмов разных видов и различной сложности организации со всеми факторами среды обитания.

Биосфера - самая крупная единица организации живой материи на Земле. Соответствующая отрасль биологии изучает проблемы взаимоотношений организмов в биоценозах, условия и факторы, определяющие их численность, продуктивность и устойчивость, влияние деятельности человека на сохранение биоценозов и их комплексов. На втором наиболее глобальном (биосферном) подуровне биология решает такие глобальные проблемы, как определение интенсивности образования свободного кислорода растительным покровом Земли, изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, связанного с деятельностью человека.