Уровни организации живой материи

Вернемся к макромолекулам. Это ещё не живая материя, но организована уже очень сложно, как по структуре, так по комплексу внутренних процессов. Поэтому те молекулы, что лежат в фундаменте жизненной иерархии, мы будем именовать биополимерами. Речь идет об углеводах, липидах, белках и нуклеиновых кислотах. И, конечно же, о воде. Уникальность их природного бытия определяется тем, что биополимеры способны существовать в растворах в упорядоченной конформации. Иными словами, они способны принимать различные пространственные формы в результате свободного вращения отдельных своих фрагментов вокруг простых связей. В зависимости от окружения конформации легко переходят друг в друга. Эта уникальная способность к адаптации с сохранением устойчивости предопределяет природную роль биополимеров. Основа раствора - вода. Это вообще уникальное и бесподобное вещество. Молекулы воды сильно полярны, и потому она растворяет огромное количество других веществ, а некоторые просто расщепляет на ионы (электролитическая диссоциация), у воды есть ещё одна особенность. Минимальный объем она принимает при +4 °C, при отклонении температуры в обе стороны вода расширяется. Поэтому водоемы не промерзают до дна, чему способствуют также малая теплопроводность и огромная теплоемкость воды. Она - вместилище жизни, даже наши человеческие тела на 65% состоят из воды.

У каждого вида макромолекул в структуре живой клетки множество специфических функций. Углеводы обеспечивают текущее питание биообъектов более высоких уровней; они же

Концепции научного познания составляют иногда «питательный резерв». Расщепление их протекает быстро. К углеводам относят полисахариды (гликоген, крахмал, целлюлоза) и полимеры из моносахаридов (глюкоза и фруктоза). Наряду с питательными функциями некоторые углеводы выполняют роль строительных материалов. Сложные углеводы играют заметную роль в явлениях клеточного взаимодействия, например выполняют функцию «узнавания» при формировании тканей или при оплодотворении. Липиды (жироподобные вещества) - основной компонент биологических мембран, своего рода универсальный «строительный материал». Молекулы липидов не полярны, в воде они совсем не растворяются. Химически большинство липидов - производные высших жирных кислот (группа - СООН), спиртов или альдегидов. Наряду со строительными функциями липиды являют собой стратегический запас энергии. При их окислении образуется АТФ - аденозинтрифосфат, нуклеотид, универсальный переносчик и основной аккумулятор химической энергии в живых клетках. К липидам относят также стероиды (кортизон, холестерол). Обширный класс биополимеров образуют белки, они же протеины - высокомолекулярные соединения, построенные из остатков аминокислот. Они участвуют в обмене веществ, в развитии и строении организмов. Белки - это настолько сложно и многообразно, что невозможно построить их однозначную классификацию. По функциям в организме их можно приблизительно разбить на структурные (коллаген), каталитические (ферменты, напр. амилаза), транспортные (гемоглобин, альбумин), регуляторные (гормоны инсулин и адреналин), защитные (токсины и антитела типа иммуноглобулина и антигена). В скобках указаны типичные представители, те, что на слуху. Белки, имея строго упорядоченную устойчивую структуру, обладают наивысшей из всех биополимеров способностью к адаптации. Они наилучшие «конформанты», именно этот фактор и обуславливает их сверхзначимую биологическую активность. Биополимеры, образованные из остатков нуклеотидов, носят название нуклеиновых кислот. Из известных нуклеотидов уже упоминался АТФ. В составе нуклеотидов обязательно есть азотистое основание, остатки фосфорной кислоты и один из двух структурообразующих углеводов. В зависимости от углевода различают кислоты дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК). ДНК обеспечивают запись и хранение генетического кода, РНК управляет синтезом белков. Характерно, что матричная репликация хромосомной ДНК в делящейся клетке начинается с локального расплетения двойной спирали и образования «репликаторной вилки», своего рода точки бифуркации, с неизвестно каким финишем и управлением.

Вода и биополимеры - это нулевой уровень в организации живой материи. Первый уровень живого - клетка. Системное качество по сравнению с простым сообществом биополимеров очевидно - способность к воспроизводству себе подобных. Подобие при этом весьма относительное; дочерние клетки, образующиеся при митозе, схожи по строению друг с другом и материнской клеткой, но в деталях различны. Например, при митозе наборы хромосом идентичны, но количество и состав белков всегда различны. Видимо, в природе нет абсолютно идентичных клеток. Клетки бывают разные: животные и растительные, с ядром и без ядра, со стенкой из липидов и без нее. По размерам клетки вполне относимы к макромиру. Минимальные - порядка 0,1-0,25 мкм (бактерии), но есть и очень большие, например яйца птиц (до 155 мм!). Продолжительность жизни - самая разная. Минимальное время жизни внутри человеческого организма 1-2 дня, максимальное совпадает со временем жизни организма.

Характерно следующее:

  • - невозможность для нас предсказать, когда данная клетка начнет делиться, и будет ли она делиться вообще. Управлять мы можем только вероятностью деления в ансамблях;
  • - начавшееся деление ядра не обязательно приведет к репликации двух клеток. Иногда наступает непредсказуемая гибель;
  • - в сложных биообъектах клетки обретают «специализацию».

Следующий уровень организации живой материи есть организм. Бактерии и протисты - это одноклеточные организмы, остальные - многоклеточные. Человек - сложнейшая система из 1012 - 1015 клеток, не считая бактерий. Системное свойство организма - способность адаптироваться к определенному образу жизни, в том числе и к довольно сильным изменениям внешней среды. Именно эта способность лежит в основе различия просто клетки и одноклеточных организмов. Если нет определенного набора условий - клетка погибает, а организм изменяет себя, регулируя прежде всего скорость течения внутренних процессов. Организмы в естествознании принято делить на пять классов, или «пять царств».

Первое царство образуют монеры - одноклеточные, с очень простым строением (бактерии). Они бывают полезные («разрушители») и вредные, но это по отношению к нам, людям. Второй класс - протисты. Они тоже одноклеточные, но с очень сложной структурой (водоросли и простейшие грибы). Самые интересные из них - диатомеи. Они имеют «броню» из SiO? и живут на дне морей. Есть ещё динофлагеллаты - они способны испускать люминесцентное излучение. Их знают некоторые купальщики («вода светится») и геологи, поскольку отмирающие колонии динофлагеллатов есть основа запасов нефти. Сработали время и давление. Третье «царство» - растения. Здесь уже очень четко выражено «разделение труда» между клетками. Важнейший признак растений - наличие «проводящих тканей», системы сверхкапиллярных трубочек, по которым вода и питательные вещества переносятся из одной части растения в другую. Когда вы добываете березовый сок - его вам доставляют специализированные клетки растений. По степени сложности растения разделяют на мхи, папоротники, голосемянные и цветковые. Далее следует царство животных. Это губки, медузы, черви, моллюски, членистоногие, рыбы, рептилии, птицы, млекопитающие, насекомые. К этому же классу принадлежим и мы. Последнее царство - это грибы. Здесь плесень, шляпочные грибы, лишайники. Их функция - разрушение мертвых организмов, освобождение биогенных элементов.

Первый из надорганизменных уровней - популяция. Она представляет собой совокупность (сообщество) всех представителей данного вида, занимающие область проживания («ареал обитания») в данное время. Напомним, что вид - организмы одинаковых функций и примерно одинакового строения. Определение не очень точное, но пока биология не математизирована, все определения будут нечеткими. У популяции общий генофонд. Это и определяет системный эффект популяции: в природе она являет собой единицу процесса микроэволюции, способную реагировать на изменение среды перестройкой своего генофонда. Именно на уровне популяции происходит возникновение новых видов. Основа здесь - мутационная изменчивость, создающая новые признаки. Эта изменчивость - своего рода «творческий источник» адаптации организмов. Иногда рассматриваемый уровень именуют «популяционно-видовым». Этот термин имеет право на существование, поскольку на одном и том же месте живут популяции разных видов. Вместе с тем носителем системного эффекта выступает популяция, в ней возникают новые виды.

Совокупность популяций, совместно населяющих ареал обитания, участок суши или водоема, принято называть биоценозом. Биоценоз есть живой компонент биогеоценоза - системы, включающей в себя биоценоз и косный (неживой) компонент в виде самой земной поверхности, слоя атмосферы, солнечного излучения. Если организмы и популяции в основном приспосабливаются к условиям обитания, то сообщество популяций способно изменить среду обитания. Поэтому при системном анализе уровней организации живого целесообразно рассматривать живое в его взаимодействии с неживой природой. Термин «биогеоценоз» введен основоположником биогеоценологии академиком В.Н. Сукачевым в 1940 г. Хотя биогеоценозы обладают относительной устойчивостью состава и стабильностью границ, их нельзя считать «замкнутыми системами». Это динамические системы, постоянно усложняющие свои внутренние процессы и структуру. Их системное качество - формирование внутренних структур: пространственной (ярусность лесов), поКонцепции научного познания пуляционно-видовой и трофической (пищевой). Наличие этих взаимодействующих структур обеспечивает и устойчивость биогеоценозов, и их развитие. Здесь особенно интересны агробиоценозы, то есть сообщества, создаваемые и регулируемые человеком. Некоторым аналогом биогеоценоза служит понятие экосистемы. Этот термин, введенный в 1935 г. А. Тенсли, более многозначен и может означать какую-то часть биоценоза или биогеоценоза. Например, в качестве экосистемы можно анализировать обитаемую космическую станцию, пруд или даже гниющий в лесу пень со всеми населяющими его организмами. Понятие «экосистемы» очень удобно при анализе стационарного бытия квазизамкнутых структур. Такими моделями охотно пользуются экологи при изучении локальных объектов. При анализе же эволюции уровней организации материи необходимо системное понятие биогеоценоза, особенно с учетом того, что именно биогеоценоз служит «кирпичиком» следующего уровня организации - биосферного.

Системное сообщество биогеоценозов мы называем биосферой. Название придумал Э. Зюсс в 1875 г. Эго единая сверхсистема включает в себя и живое, и неживое. Это надсистема, и потому определение её системного качества есть одна из проблем. Вообще единичные надсистемы - Вселенная в целом, биосфера и техносфера на планете Земля - пока что трудно осознаваемы, поскольку мы не можем взглянуть на них «извне». А находясь внутри, понять назначение («системное качество») невозможно. Есть такая теорема Геделя. По В.И. Вернадскому, биосфера - это область жизни в пределах обитания живого, обладающая огромной геологической силой. Биосфера способна и будет определять будущее планеты.

Физически биосфера включает часть атмосферы до высот 20-25 км («озоновый экран»), часть литосферы и всю гидросферу. Нижняя граница до глубины 3 км на суше и 2 км ниже дна океана. Относить ли к биосфере обитаемые космические станции - пока неясно, граница здесь открыта. Живое вещество по массе составляет примерно одну миллионную часть, но именно эта часть в силу своей активности определяет глобальное развитие биосферы. Распределено оно в биосфере очень неравномерно. Источник энергии в общем-то один - это солнечная энергия. Биосфера - система динамическая, поддержание её гомеостаза зависит от антропогенного воздействия. В 1944 г. В.И. Вернадский высказал мысль о переходе биосферы в ноосферу, то есть в состояние, когда эволюция биосферы управляется разумом. Эволюционные перспективы биосферы и ноосферы не очень ясны и составляют сейчас предмет интенсивных научных исследований. Некоторые грани этой проблемы мы обсудим в заключительном разделе. Ясно лишь одно - на уровне биосферы и ноосферы пути развития неживой (косной) и живой материи неразделимы, как и интеграция в их познании. Принятая схема раздельного изучения уровней организации живого и косного есть не более чем модель в «нулевом приближении».

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >