Статья: Биологический уровень и биологические концепции формирования материи
В отдельные периоды истории науки давалась различное определение и толкование жизни, начинаясь наивного гилозоизма и механизма, до современных виталистических и кибернетических представлений. Современное понимание жизни наряду с её традиционными атрибутами (увеличение, репродукция, наследственность, изменчивость, борьба за жизнь и естественный отбор) включает также такие показатели, как формирование, информированность, упорядоченность. Для прославления природы в этой или другой форме необходимо принять во внимание в первую очередь и многокачественность и иерархию. Область жизни охватывает различные уровни начиная с молекулярно-генетического и клеточного уровня и заканчивая уровнем организма, далее уровне биогенеценоза и биосферы.
В настоящее время самое конкретное и убедительное определение жизни – характеристика её как особой формы движения, формирующей способ существования высоко формированных молекулярных систем.1 Каждый вид системы и процесса отлича ется только присущими ей законами и закономерностями, структурой и функциями. Этот факт обладает фундаментальной важностью для опровержения односторонних и простых подходов к жизни, взглядов, заменяющих сложное простым (механизм, редукционизм и другие) или простое сложным, точек зрения, отделяющих химию от физики, биологию от физики или химии (витализм и другие).
Жизнь создается совместно с высокомолекулярными физико-химическими системами, содержащими белки и аминокислоты. Эти системы характеризуются единством изменчивости и стабильности. Наука, отделяя сложный белково-аминный комплекс, как специфический вид материальных объектов, характеризует их посредством метаболических реакций, обеспечивающих стабильное существование обмена материй и информаций этих комплексов с окружающей средой. Содержание и структура закономерности, объединяющей биологию, химию и физику, состоит в соответствующих материальных системах – органах, семенах, клетках и биологических процессах, протекающих в их атомно-молекулярном составе.
Как отмечал академик В.А.Энгельгардт, «в биологических процессах саморегулирование явлений происходит не как обмен веществ с простым смещением равновесия в некоторых обратных химических реакциях, а как результат общности химических реакций, которые демонстрируют взятое целиком свойство механизма обратной связи, хотя в отдельности каждая из них не обладает свойством саморегулирования.»1 Фундаментальные свойства живых систем – это их самопроизводство, редупликация, обеспечиваемая посредством молекул аминокисл от – ДНК и РНК. Большинство учёных пришли к мысли о том, что только молекулы РНК – первичные молекулы, представляющие генетический код на предшествующем биологической эволюции этапе, для того чтобы сохранить и передать наследственную информацию генетический аппарат должен быть достаточно устойчивым.
Наряду с такими признаками живых систем как обмен веществ и самовоспроизводство в последнее время отдается преимущество свойству существования молекул в двух противоположных зеркальных формах, в форме оптического стереоизомера. Обнаруженная в XIX веке Луи Пастером оптическая изомерия химических соединений проявляется в том, что активные с точки зрения оптики стереоизомеры вращаются в противоположном поляризационной плоскости падающего на них светового излучения направлении. Несмотря на то, что состав оптических изомерных молекул является одинаковым, различные структурные элементы выстроены так, что в результате порождают как сходные друг с другом, так и отличающиеся друг от друга (как правая рука человека) зеркальные антиподы. Например, в живых системах, в биологических организмах белки содержат только «левые» аминокислоты, никелевые же кислоты – только «левые» сахары. Это означает то, что сформированные из аминокислот белки вращают плоскость поляризации света влево, содержащие сахар никелевые кислоты – вправо.
Современное естествознание, объединяющее в себе сотни наук, изучающее жизнь (общая биология, молекулярная биология, генетика, палеобиология, а также математика, кибернетика, неравновесная термодинамика, синергетика и другие), не отказываясь качественной специфики жизни, открывают её физико-химический механизм. Заостряющая своё внимание только на таких процессах синергетика оказывает ближайшую помощь научным биологам, химикам и физикам в объяснении секретов, законов и эволюции жизни.
Сущность, основные показатели и структурные уровни живого
Проблема происхождения жизни интересна не только сама по себе, но и с точки зрения различия между с одной стороны живым и неживым, с другой стороны между растениями и животными. В чем сущность живого? В какой степени и как эволюция повлияла на зарождение жизни на Земле? Несмотря на то, что мы интуитивно хорошо понимаем разницу между живым и неживым, в стремлении узнать, что такое жизнь мы встречаемся с очень серьезными изменениями. Результатом этих трудностей явилось то, что целый ряд авторов дал живому определения, не имеющих никакого значения, некоторые же дали определения, не согласующиеся с логическими принципами и носящие тавтологический характер. Например, одно из банальных определений живого гласит следующее: «Живое существо состоит из живых объектов, неживое – из неживых объектов.» Здесь мы наблюдали то, что данное определение не сможет противостоять никакой критике, противоречие логических принципов с описанием, тавтология сущности и содержания. Хотя, немало и содержательных определений в этой области. Однако во время их проверки обнаруживается их незавершённость, половинчатость. Например, определение жизни, данное Ф.Энгельсом: «Жизнь – это способ жизни белковых веществ, который формирует существенный признак постоянного обмена веществ с внешней природой, с окружающим миром.» Незаконченность, половинчатость этого определения в том, что оно может применяться с физико-химической точки зрения, с взгляда обмена веществ и к горящей свечке, и к возможному живому организму: оба из них для своего существования поглощают кислород, выделяют углекислый газ, различие только в том, что у свечки вещества образуются в процессе горения а у живого организма – в процессе дыхания. Приведённый пример показывает, что неживые предметы также принимают участие в обмене веществ окружающей средой. Поэтому в определении, данному жизни и в том числе белковым существам, обмен веществ нельзя принимать как обязательное единственное условие. Являясь в лучшем случае необходимым условием жизни, обмен веществ в то же время не является достаточным её условием.
Из всего сказанного становится ясным, что дать точное определение жизни – довольно сложная работа. Поэтому современная биология подходит к определению живого путём перечисления её основного из показателей, создающих чёткое представление о специфике жизни. Опираясь на этот принцип, мы постараемся ответить на вопрос «что такое живое существо?» путём определения фундаментального показателя, отличающего его от неживого.
У живого и неживого в материальном, структурном и функциональном плане существует целый ряд очень серьезных различий. В материальном плане отличие живого от неживого заключается в том, что в состав живого входят называемые биополимерами белковые и аминовые кислоты (вещества ДНК и РНК), высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения. В структурном плане живое отличается от неживого строением своих клеток. В функциональном плане это различие состоит в том, что для живых существ характерно воспроизводство себе подобных.
Живые организмы обладают сложной, упорядоченной структурой, в сравнении с неживыми системами они характеризуются особенностью формирования на более высоком уровне. Живое, поглощая энергию из окружающего мира, использует её для обеспечения своей упорядоченности на высоком уровне. Большинство организмов используют энергию солнца прямым или косвенным путем. В сравнении с неживыми телами живые организмы более активно противостоят физическим влияниям окружающей среды. Когда мы толкали безжизненный камень, он пассивно двигается с места, когда же мы толкаем животное, оно, активно реагируя на это давление, или бежит от нас, или нападает на нас, или как некоторые живые организмы изменит свою форму. Ответная реакция на внешнее раздражение – важное универсальное свойство всего живого – растений и животных.
Живые организмы не только меняются, но и постепенно осложняются. Так у растений и животных образуются новые ветви и органы, отличающиеся по их химическому составу от создающих их структур.
В отличие от неживых предметов все живые существа размножаются. Высокая способность воспроизводить себе подобных в живом мире является характерной стороной живого. Ч.Дарвин так характеризовал эту особенность живого: «Прогресс размножения настолько высок, что он приводит к борьбе зав жизнь и в итоге – к естественному отбору.»1В мире неживых предметов также существует устойчивость и воспроизводство (например, молекул из атомов, атомов из элементарных частиц и др.). Однако в отличие от неживых пред метов у живых существ происходит процесс в отличие от неживых предметов у живых существ происходит процесс производства подобных себе, живое ничто не создает, они наоборот создают сами себя. Создание себя – признак, присущей только живому. Также в процессе размножения появляется новое поколение, которое похоже на своих родителей, и в то же время главным образом качественно от них отличаются по определенным приметам, особенностям. Специфика механизма влияния наследственности и изменчивости, обусловливающая эволюцию всех видов, которые содержит биосфера, проявляется именно в этом.
Схожесть поколения со своими родителями обуславливает другую поразительную особенность живых организмов – отбор необходимой для отведенной им жизни, размножения и развития информации, передала её последующим поколениям и тем самым сохранение их в отрезках времени более широкого масштаба. Эти информации содержатся в генах – маленьких внутриклеточных структурах, являющихся единицей наследственности. Ориентация развития организма и сходство поколений с родителями строится только на этом генетическом материале. Однако в процессе передачи информации от одного поколения другому и в результате подвержения их изменениям каждое новое поколение не только не похоже на своих родителей, но и определенным своим приметам главным образом от них отличается.
Один из важных показателей, отличающий живое от неживого, состоит в том, что живые организмы хорошо адаптируются к среде обитания и строят свои структуры согласно образу жизни. Например, структурные формы, соответствующие образу жизни кротов, рыб, лягушек, дождевых червей и других живых существ могут служить примерам вышеуказанного.
Живое отличается от неживого также обменом веществ, способностью размножаться и развиваться, составом и активным регулированием функции, способностью двигаться, раздражаться, приспосабливаться к среде и другим. Деятельность, поведение, активность также являются неотделимыми свойствами, атрибутами живого. Г.Селье так характеризовал эту особенность живого: «Все живые существа должны либо действовать, либо исчезнуть. Мышь все время должна двигаться, птица летать, рыба плавать, растение развиваться.»1
Ко всему вышеуказанному о специфике, живого можно добавить то, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе. Неживые же предметы, наоборот, не растут, не размножаются, не питаются и не дышат.
В ряд важных отличительных показателей живого также входит его компактность. Для того чтобы разъяснить мысль и создать представление о компактности живого достаточно только сказать, что у гигантского дельфина массой в примерно 50 тон вся информация расположена в клетке оплодотворённого яйца, масса которой 5-10-15 граммов. Одной из важных отличительных сторон живого является также способность создать порядок, распорядок в хаотическом, беспорядочном движении молекул и тем самым противостоять увеличению энтропии в среде обитания. Живой организм, действующий в противовес тепловому равновесию, однако, вместе с ним участвующий в увеличении энтропии окружающей среды, в ходе своей деятельности требует отрицательной энтропии. С осложнением материального устройства живого соответственно увеличиваются энергия регулирования в нём и количество энтропии.
Один из существенных признаков живого – постоянный обмен веществом, энергий и информацией с окружающей его средой. Ассимилируя получаемое от внешней среды вещество они получают возможность производить живые организмы, соответствующие их материальной структуре, затем за счет этого многократно производить их заново. Зародившийся входе автокаталитической реакции узел обратной связи также играет важную роль в метаболической функции живого.1 Процессы автоингибиции, протекающие противоположно живому автокатализу, кросс катализу и катализу, также оказывают влияние. Для создания новых структур в живых организмах необходима положительная обратная связь, для обеспечения их стойкости требуется отрицательная обратная связь.
Жизнь согласно своей пёстрости, сложности химических компонентов и богатству динамики происходящих в живых организмах превращений намного превосходит другие существующие формы материи. В отличие от неживой материи живые организмы, демонстрируя пример высокой упорядоченности, характеризуются асимметрией отношений пространства и времени.
В сравнении живого и неживого привлекает внимание одна закономерность: молекулы, появляющиеся в процессе самоформирования неживых систем являются относительно простыми, механизм происходящих в них реакций – сложный; схема реакций, происходящих в самоформировании живых систем, является простой, создающиеся молекулы сами по себе намного сложны.
Ещё один важный показатель, отличающий живое от неживого, состоит в том, что время как у живых систем есть прошлое, у неживых систем его нет. В.Хейзенберг так описывал это различие живого и неживого: «Не смотря на то, что целые структуры, состоящие из определенного числа элементарных ячеек атомной физики – ядра атома и электронов, подвергаются определенным нарушением, порождаемым внешней природой, они согласно времени вовсе не изменяются. Конечно, не смотря на то, что они определенным образом отвечают на внешние влияния, они после ликвидации случаев нарушений внешнего влияния большого масштаба возвращаются в изначальное положение. Хотя организмы вовсе не являются не статическими образованьями. В одном из древних сравнений, уподоблявших живые организмы огню, говорится, что их форма такова, что материя в определенном значении слова проходит как поток.» Жизнь организма зависит от 2 факторов – обусловленной генетическим аппаратом наследственности и изменчивости, определенной влиянием окружающей среды, индивидуума. Отметим также такой интересный факт, что жизнь на Земле в таком виде, в котором она находится сейчас, не могла возникнуть в результате обратного влияния кислородной атмосферы и живых организмов. Живая жизнь, зародившись, впервые на Земле 3 миллиарда лет назад, в последующие периоды истории Земли и в процессе эволюции постоянно усовершенствовались и развивались.
Исходя из общности необходимых для жизни показателей, мы можем дать следующую обобщенную характеристику живого: жизнь – форма существующих самоформирующихся и воссоздающихся сложных, открытых систем. Важным функциональным веществом этих систем являются аминовые кислоты и белки. По мнению американского физика Ф.Триплера жизнь в лучшем случае является особым видом информации. Он пишет: «Я воспринимаю жизнь как закодированную информацию, которая сохраняется посредством естественного отбора.»1 Если принять эту мысль Триплера за истину, то в этом случае жизнь является вечной, бесконечной и нес кончаемой согласно тому, что она является информацией. Однако с этой идеей согласны не все. Потому что принимаемая всеми необусловленная ценность этой идеи состоит в том, что самый важный из всех известных критериев жизни – способность живых организмов воспринимать информацию, сохранять и передавать последующим поколениям.
Выше мы обсудили показатели, отличающие живое от неживого, и специфику живого. Наряду выяснением показателей, отмечающих живое от неживого, мы должны отметить, что стремление установить между живым и неживым обязательную разницу или отделить их друг от друга. Китайской стеной в науке всегда сталкивалось с большими трудностями. В развитии организмов существовали определенные формы перехода от не жизни и жизни. Например, вирусы вне пределов клеток организмов не обладают ни каким атрибутом. Несмотря на то, что у них есть определенный наследственный аппарат, у них отсутствуют ферментные вещества, необходимые для реализации обмена веществ. Поэтому вирусы только за счет проникновения в клетки организмов и питаясь их ферментами, могут расти и размножаться. В зависимости от важности или неважности принимаемого показателя вирусы можно отнести как живым, так и неживым системам.
В биологии наряду с различием живого и неживого отличие растений и животных приобретает важное значение. Большинство биологов придерживается мнения о том, что процесс деления живого на растения и животных начался приблизительно 750 миллионов лет назад. В голубой период протерозойской эры зародились следующие различия, которые условно разделили растения и животных на 3 группы:
1) Растения и животные отличаются друг от друга по строению клеток и особенностям их развития; 2) растения и животные отличаются друг от друга способом питания; 3) растения и животные отличаются друг от друга способностью передвигаться.
Для того чтобы отнести живой организм к группе растений или животных необходимо принять во внимание все три различия, перечисленные выше. Например, несмотря на то, что коралловые моллюски всю жизнь проводят без движения, принимая во внимание другие свойства, их можно отнести к группе животных; насекомоядные же растения по способу питания можно отнести к группе животных. Между растениями и животными существуют переходные типы, например живое существо, называемое зелёной эвгленой, питаясь как растение оно автотрофно, передвигается как животное, в темноте становится гетеротрофным. Кристаллы размножаются, но не воссоздают себя заново, растения несмотря на то, что сами себя воссоздают, не передвигаются. Наряду с этим некоторые клетки растений способны на протяжении всей жизни организма к активному размножению. В пластидах растений, то есть в белковых телах клеток присутствует вещество хлорофилл, придающее растению зеленый цвет. Его существование связано с космической функцией растения – способностью превращать заново поглощаемую солнечную энергию. Эта функция также определяет строение растения. Австрийский биолог И.Визнер писал по этому поводу, что словно пластическое вещество, плетёт форму растения. Выражаясь словами академика В.И.Вернадского «в биосфере между живым миром и освещающими его солнечными лучами четко видна безраздельная связь.»1
В случае присутствия в клетках животных централов отсутствуют вещества хлорофилл и стенки клетки, мешающие изменению её формы.
Животные живут в такой экологической обстановке в природе, где только в этой обстановке они могут жить и развиваться как биологический вид. Формы передвижения и поведения животных нашли формирование на возможностях, обусловленных строением их тел и природными органами. Ограниченность реальных возможностей взаимного влияния животных и внешнего мира, обусловленных особенностями формирования их тел и форм поведения, определяется в конечной степени их способностью отображения, ограниченностью познавательных возможностей. Животные в масштабах свойств и отношений окружающего мира, приобретающих для них прямое или косвенное биологическое значение чувствуют, воспринимают и представляют. В мысли К. Маркса о том, что «животное прямо посредством своей жизненной деятельности формирует тождественность», выражается ограниченность отношения исключительно животного и окружающего мира.
Рассматривая различие растений и животных по способу питания необходимо отметить, что в то время как большинство растений вещества, необходимые для жизни, поглощают из неорганических соединений, в процессе фотосинтеза животные и растения питаются органическими соединениями, которые получаются в результате процесса фотосинтеза.