Концепции современного естествознания (стр. 3 )

Картина распределения химических элементов на Земле, являющейся «колыбелью» жизни, существенно отличается от их распределения во Вселенной (см. выше). Почти 99% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов, среди которых, кстати, мы не найдем наиболее распространенных во Вселенной водорода и гелия. Эту восьмерку составляют кислород (около 47%), кремний (около 27,5%) и далее алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний. Естественным представляется вывод о том, что природой отобран весьма узкий круг элементов для построения неживой материи.

Оказывается, что подобная тенденция проявляется и в составе живых организмов, более 97% общей массы которых составляют всего шесть элементов, называемых органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Как видим, за исключением кислорода, здесь фигурируют совсем другие элементы.

Этим, однако, отбор элементов в природе не ограничивается. Среди известных в настоящее время примерно 8 млн. химических соединений около 97% – органические соединения, состоящие в основном из уже упомянутых шести органогенов, и только 3% – неорганические соединения. На фоне такой асимметрии вполне обоснованным выглядит предположение о том, что в процессе предбиологической подготовки природа создавала как можно более широкий спектр органических соединений для того, чтобы не были ограничены возможности их самоорганизации.

Безусловно, следует обратить внимание на то, что состав элементов-органогенов не связан с распространенностью элементов на Земле. Действительно, распространенность углерода, азота, фосфора и серы весьма невелика – около четверти процента по массе. Тем не менее, углерод, доля которого составляет около 0,1%, является важнейшим органогеном.

Итак, органогенами оказались отнюдь не те элементы, запасы которых в природе были велики, принцип отбора состоял в другом. Прежде всего, для самоорганизации органических соединений потребовались элементы, способные к образованию прочных и, следовательно, энергоемких связей с другими элементами, причем связей лабильных, т. е. подвижных, способных к перестройке. Такой лабильностью обладает углерод. Атомы углерода способны выполнять роли и акцептора, и донора электронов, образовывать как ионные, так и ковалентные связи, причем эти связи могут быть как одноэлектронные, так и с задействованием двух, трех, четырех и шести электронов. Высокой лабильностью отличаются также такие органогены, как азот, фосфор и сера. Что же касается кислорода и водорода, то им отведена роль элементов, выполняющих противоположные функции – окисления и восстановления.

Подобный отбор происходил в процессе эволюции и в отношении химических соединений. В результате лишь несколько сотен из миллионов органических соединений входят в состав живой материи, а из более чем 150 известных аминокислот лишь 20 служат мономерными звеньями, из которых построены всё белки. А ведь только в организме человека содержится более миллиона различных белков. Можно только поражаться тому, какое разнообразие живой материи возникло из минимума элементов и соединений.

Данные, которыми располагает современная биохимия, свидетельствуют о том, что принцип отбора «строительного материала» в ходе химической эволюции состоял в поддержании химической деятельности тех соединений, которые проявляли себя активными и селективными катализаторами, обеспечивая при этом упорядочение в расположении фрагментов органических структур. Считается, что, начиная с определенного состояния, при котором уже существовало определенное «стартовое» количество как неорганических, так и органических соединений, роль катализа в предбиологической эволюции необычайно возросла. Начались естественный отбор и сохранение активных соединений, которые получались различными химическими путями и обладали широким спектром каталитических возможностей.

2.6. Самоорганизация химических систем

Для функционального похода к изучению проблемы предбиологической эволюции характерна концентрация внимания на исследовании закономерностей процессов самоорганизации биологических структур с позиции теории систем. Сторонники этого подхода не рассматривают биологический аспект проблемы, а стремятся выявить пути моделирования процессов развития и специфических свойств органической материи и живых систем.

Необходимость привлечения методов математического моделирования, теории управления нестационарными процессами вызвана, в частности, развитием исследований в области нестационарной химической кинетики, которая базируется на теории самоорганизации открытых каталитических систем. Для процессов, происходящих в таких системах, характерны скачкообразные переходы между различными нестационарными режимами, устойчивая направленность против равновесия. Поэтому такие процессы представляют особый интерес с точки зрения открытия тайн предбиологичесой и биологической эволюции.

Развитие общей теории химической эволюции и биогенеза приводит к выводу о том, что в основе химической эволюции лежит саморазвитие каталитических систем, т. е. именно катализаторы являются основными эволюционирующими структурами. Можно говорить о естественном отборе в ходе химических реакций наиболее активных каталитических центров. Что же касается каталитических центров, активность которых уменьшается, то они выключаются из процесса, как не приспособленные для «выживания». По мере того, как отобранные катализаторы многократно видоизменяются, переходя на всё более высокие уровни организации, эволюционирует и сама химическая реакция. Это обусловлено, с одной стороны, изменением состава и структуры катализатора, с другой – вызванным этим изменением разветвлением реакции, сопровождающимся появлением новых и продолжением саморазвития прежних катализаторов.

Источником необходимой для самоорганизации и самоусложнения энергии, поддерживающей неравновесное состояние системы, является сама базисная химическая реакция, поэтому преимущество при отборе получают каталитические системы, развивающиеся на основе реакций с максимальным выделением энергии.

Достижения эволюционной химии дают материал для выдвижения в достаточной степени обоснованных гипотез как об основных направлениях предбиологической (химической) эволюции, так и о механизме уникального качественного скачка, положившего начало биологической эволюции. То сочетание условий, которое сложилось на Земле к этому моменту, в полном объеме воспроизвести невозможно. Ясно, однако, что на протяжении более чем 3 млрд. лет живое порождается только живым. Проникновение в глубину живой материи показывает ее чрезвычайную сложность и удивительную целесообразность на любом структурном уровне. Познавая эту сложность, наука нащупывает тропинку к тому единственному и неповторимому событию в истории нашей планеты, когда необходимые для возникновения жизни условия обрели признак достаточности.

3. КОНЦЕПЦИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИВОЙ МАТЕРИИ И ЭВОЛЮЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

3.1. Развитие биологических знаний

Человек начал познавать живую природу поистине с незапамятных времен, что было вызвано его жизненными потребностями, в первую очередь в пище. Однако только в период античности были предприняты первые попытки изучения и систематизации живых организмов. Со времен Аристотеля биология прошла длительный и извилистый путь развития, выдвинувшись к концу ХХ в. на позицию если и не безоговорочного лидера, то, безусловно, одного из лидеров естествознания и современной науки в целом.

С позиций сегодняшнего дня биология представляет собой совокупность наук о живой природе, т. е. обо всём многообразии существующих и существовавших живых организмов, их происхождении, строении, развитии и распространении, связях между собой и с неживой природой. Биология изучает как общие, так и частные закономерности многочисленных проявлений жизни в природе. Поэтому структура биологии может рассматриваться с различных точек зрения.

В зависимости от объектов исследования биология подразделяется на ботанику, зоологию, антропологию, вирусологию, бактериологию, палеонтологию, имеющие каждая свои разделы и подразделы.

В соответствии с уровнем организации живых объектов биология может быть разграничена на анатомию (изучение макроскопического строения животных), гистологию (исследование строения живых тканей), цитологию (изучение строения клеток живых организмов), молекулярную биологию (исследование молекулярного строения живой материи).

По проявлениям свойств живой материи в биологии выделяют: морфологию (науку о строении живых организмов), физиологию (науку о функционировании организмов), микробиологию (изучающую микроструктуру живого), генетику (исследующую механизмы наследственности и изменчивости), экологию (изучающую условия существования живых организмов и их взаимодействие с окружающей средой).

В биологии существуют, возникают и развиваются также направления, отражающие стремление к целостному (синтетическому) познанию живой природы. К таким направлениям относятся систематика растений и животных, эволюционное учение, учение о биосфере.

К настоящему времени в живой природе обнаружено и описано более миллиона видов животных, около полумиллиона видов растений, свыше ста тысяч грибов (обособленная группа низших растений, изучаемых микологией), множество бактерий и вирусов. Удивительно, но, несмотря на многовековую историю изучения живой природы, она исследована еще далеко неполностью: по некоторым оценкам, количество не описанных видов живых организмов близко к миллиону.

Биология исторически сложилась как описательная наука и во многом остается таковой и сегодня, обогатившись достижениями эволюционного учения и молекулярной биологии. Соответственно, в истории развития биологии можно выделить три основных этапа:

• этап систематики, связанный с именем выдающегося шведского естествоиспытателя Карла Линнея;

• эволюционный этап, основоположником которого является английский естествоиспытатель ;

• этап проникновения в биологию микромира, пионером которого был австрийский биолог Грегор Иоганн Мендель.

Каждый из этих этапов был отмечен глубоким изменением основ биологического учения, болезненной сменой биологических парадигм.
Не всё еще ясно, особенно в теории биологической эволюции, у которой и сегодня есть немало противников. Однако общий прогресс биологии очевиден, и выдающиеся открытия ХХ в. вселяют уверенность в том, что сегодняшние загадки природы рано или поздно перестанут быть таковыми.

3.2. Феномен живой материи

Наиболее фундаментальный характер носит, конечно же, загадка феномена жизни. Об этом косвенным образом свидетельствуют трудности с формулировкой этого феномена. В течение определенного времени претендовало на исчерпывающий характер определение, сформулированное Фридрихом Энгельсом, согласно которому жизнь – это способ существования белковых тел, осуществляющих постоянный обмен веществ с окружающей их внешней средой. Можно, однако, с уверенностью говорить о том, что и обмен веществ, и белковое строение необходимы, но не достаточны для исчерпывающего определения.

Современная биология, определяя живое, идет по пути перечисления совокупности основных признаков (свойств) живых организмов, только совместно дающих представление об их специфике. К основным признакам живой материи она относит следующие:

• Живые организмы имеют сложную упорядоченную структуру, уровень организации которой значительно выше, чем у неживых систем.

• Живые организмы поддерживают и развивают свою упорядоченность за счет энергии (в основном солнечной), получаемой ими из окружающей среды.

• Живые организмы адекватно приспособлены к среде своего обитания и образу жизни, который они ведут.

• Живые организмы размножаются, порождая подобные себе живые организмы, в которых сохраняются основные черты вида, но проявляется определенная изменчивость. Единство наследственности и изменчивости обеспечивает эволюцию живых организмов.

• Живые организмы передают своему потомству заложенную в них информацию, необходимую для жизнедеятельности, развития и размножения. Эта информация сосредоточена в генах – внутриклеточных микроструктурах, являющихся носителями наследственности.

Обобщая совокупность этих свойств, можно сформулировать понятие жизни как форму существования упорядоченных открытых
(т. е. взаимодействующих с окружающей средой) систем, обладающих способностью к самоорганизации и самовоспроизведению. На энтропийном языке это означает, что живая материя поддерживает свою высокую упорядоченность, или минимальный уровень энтропии, заимствуя упорядоченность из окружающей среды и отдавая в нее произведенную знтропию.

Рассматривая специфику живого, необходимо обратить внимание на одно чрезвычайно любопытное обстоятельство. Аминокислоты, из которых построена материальная основа живых организмов, – белки, как выяснилось еще благодаря исследованиям Л. Пастера, встречаются в природе в двух формах, различающихся только пространственной конфигурацией. Их молекулы являются зеркальными отображениями друг друга, т. е. они зеркально симметричны. Для этих органических веществ характерна оптическая активность, что проявляется во вращении плоскости поляризации проходящего через них оптического излучения (света). В зависимости от своей конфигурации молекулы аминокислот вращают плоскость поляризации света в противоположных направлениях. Поэтому они условно делятся на правовращающие и левовращающие. Явление такого рода называется оптической изомерией, оно является следствием пространственной изомерии молекул.
В опытах Л. Пастера было обнаружено, что белки живого происхождения содержат только один вид изомеров – левовращающие, в то время как в белках абиогенного происхождения оба вида изомеров представлены в равных долях. Неожиданный и удивительный факт! Здесь мы встречаемся с еще одним случаем нарушения изначальной симметрии, которое, по-видимому, характерно для решающих этапов эволюции Вселенной. Вновь налицо выбор, сделанный природой в пользу одной из двух равновероятных субстанций, как и в случае с выбором между веществом и антивеществом в пользу первого.

Эта аналогия не случайна: поскольку животные и человек получают так называемые незаменимые (не синтезируемые организмами) аминокислоты с пищей, то, обладай они противоположной изомерией, организм не смог бы их принять. Подобная несовместимость в чем-то сродни аннигиляции вещества и антивещества.

Построение белков исключительно из одного вида изомеров – важная и однозначно формулируемая черта живого и только живого. Ведь выполнение основных функций живых систем обусловлено наличием в их составе таких веществ, как белки и нуклеиновые кислоты.
В принципе, однако, возможно существование жизни на другой химической основе, отличной от той, на которой построены живые организмы Земли. Поэтому в последние годы появились определения жизни, связанные с важнейшим, пожалуй, ее критерием – способностью живых организмов к получению, сохранению и передаче информации.

Вопрос об исчерпывающей полноте тех или иных определений философской категории жизни носит дискуссионный характер. Поэтому для углубления понимания специфики живого полезно рассмотрение структурных уровней организации живых систем.

3.3. Уровни организации живой материи

Представления о структурных уровнях организации живой материи сложилось во многом под влиянием клеточной теории строения организмов. Для развития биологи, так же как для физики и химии, характерен поиск последних, неделимых единиц организации (в данном случае – живой материи). До середины прошлого века такой единицей считалась клетка. Гипотеза о наличии у клетки субмикроскопической структуры, выдвинутая немецким биологом Эрнстом Геккелем, предвосхитила открытие молекулярно-генетического уровня
биологических систем.

Современная биология, добившаяся выдающихся научных достижений именно в исследованиях на молекулярно-генетическом уровне, выделяет уровни организации живой материи на основе признака масштабности.

• Молекулярно-генетический уровень составляет предмет молекулярной биологии, изучающей механизмы передачи наследственной информации и развивающей методы генной инженерии.

• Клеточный уровень определяет специализацию клеток и их способность к делению и отпочковыванию.

• Органо-тканевый уровень отражает строение и функции органов и тканей живых организмов.

• Организменный (онтогенетический) уровень связан с проявлением признаков отдельных особей животных и растений.

• Популяционно-видовой уровень образован совокупностью особей одного вида, которые, скрещиваясь между собой, поддерживают численность популяции и обеспечивают ход эволюционного процесса.

• Уровень биогеоценоза представляет собой всю совокупность живых организмов (животного и растительного происхождения), занимающих вместе с соответствующими компонентами неживой природы определенную область Земли.

• Биосферный уровень охватывает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их неживой природной средой.

Структурирование живой материи по уровням организации, хотя и является в некоторой степени условным, отражает структуру разделов современной биологии и системный подход к изучению природы, базирующийся на принципе эволюции. При всём при этом клеточный уровень, клетка занимает особое положение в этой иерархии, поскольку именно с клетки начинается самостоятельное функционирование живой материи. Только с возникновения клетки отсчитывается наукой возникновение жизни, поскольку живая клетка – наименьшая система, несущая все необходимые и достаточные свойства живой материи.

Совершенно очевидно, что с точки зрения физики, рассматривающей в качестве неделимой основы материи такие фундаментальные частицы, не имеющие внутренней структуры, как кварки, клетка далека от предела первооснов материи. Это же относится и к уровню химии, для которой первооснову составляют атомы химических элементов. В биологии же фундаментальной частицей является живая клетка, с нее начинается феномен жизни. Подобно тому, как молекула является носителем свойств вещества, клетка представляет собой первый структурный уровень, обладающий свойствами живого вещества.

Развитие клеточной теории, у истоков которой стояли немецкие биологи Теодор Швайн и Маттиас Якоб Шлейден, явилось одним из важнейших достижений биологии ХIХ в. Основной ее вывод состоит в положении, утверждающем, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, близких по своему строению. Отсюда с высокой достоверностью следует единство происхождения и развития всех видов живой материи.

Исследования в области цитологии показали, что все живые клетки осуществляют обмен веществ с окружающей средой, обеспечивают саморегуляцию своего состояния, сохраняют и передают наследственную информацию. В то же время клетки могут быть весьма многообразными. Они отличаются размерами (в пределах трех порядков), длительностью жизненного цикла (от нескольких часов до десятков лет). Именно на уровне клетки имеет место гомеостаз (сохранение стабильности внутренних условий), обеспечиваемый за счет метаболизма – обмена веществ с окружающей средой.

Метаболизм представляет собой весьма сложный процесс, включающий транспортировку в клетку из окружающей среды необходимых продуктов, извлечение из них запасов энергии и белка, выведение в окружающую среду продуктов жизнедеятельности в виде отходов (шлаков) и полезных с точки зрения развития организмов веществ.

Клетки имеют весьма сложную структуру. От внешней среды они отделены мембранной оболочкой, которая в силу своей проницаемости регулирует взаимодействие клетки с внешней средой, включающее обмен с ней энергией, веществом и информацией. Система обмена веществ и система воспроизводства материальной структуры клетки – основополагающие в живой природе. Эти системы являют собой пример исключительно сложной и в то же время целесообразной организации. При этом существенно, что физико-химическая основа таких систем одинакова у всех живых организмов – от амебы до человека. Этот факт служит достаточно убедительным свидетельством тому, что всё огромное многообразие жизни произросло из общего корня – протоклетки (от греч. – πρωτος – первый).

Благодаря применению современных физико-химических методов исследования, таких как электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, метод изотопных индикаторов, удалось получить богатую информацию относительно устройства клеток, механизмов движения и превращения в них веществ. Одним из важнейших достижений, связанных с использованием физико-химических методов, является мембранная теория, объясняющая механизм работы особой оболочки клетки (мембраны) на основе электромагнитного взаимодействия ионов калия, натрия, хлора и других. Интересно, что мембрана, способная эффективно «накачивать» в клетку и «выкачивать» из нее продукты обмена веществ (в зависимости от знака своего электрического потенциала), одновременно столь же эффективно служит барьером, предохраняющим клетку от проникновения чуждых ей веществ.

3.4. Механизм биологической наследственности

Безусловно, выдающимся успехом в познании структуры клетки и живой материи вообще стало открытие в 1953 г. английским биофизиком Френсисом Криком и американским биохимиком Джеймсом Уотсоном структуры носителей наследственности.

Было известно, что в составе клетки (в ее центральной области – ядре) имеются так называемые нуклеиновые кислоты. В их состав входят простые углеводы (моносахариды) двух видов: дезоксирибоза и рибоза. Соответствующие кислоты стали называть дезоксирибонуклеиновыми и рибонуклеиновыми, или, сокращенно, ДНК и РНК. Сегодня эти аббревиатуры знает практически каждый, кто учился хотя бы в средней школе.

Дж. Уотсон и Ф. Крик выдвинули, а затем экспериментально подтвердили гипотезу относительно строения молекулы ДНК как носителя наследственной информации и построили ее модель – знаменитую двойную спираль.

Здесь следует вернуться несколько назад, к тому времени, когда в 1865 г. Г. Мендель установил, что наследственная информация передается дискретными порциями, названными впоследствии генами. Ген, этот своеобразный квант наследственности, рассматривался как единица наследственного материала, ответственная за формирование того или иного элементарного признака. Но вот что представляет собой ген как материальное образование стало ясно только с выяснением роли ДНК в механизме наследственности.

Установлено вполне достоверно, что генам соответствуют отдельные участки молекул ДНК, точнее, единицей генетического кода является тройка рядом расположенных нуклеотидов (фосфорных соединений, входящих в состав ДНК). Эти тройки, или триплеты, называемые кодонами, в совокупности составляют генетический код, определяющий порядок расположения 20 различных аминокислот в том или ином полипептиде (белке).

Молекула ДНК состоит из сахара (дезоксирибозы), фосфорной кислоты и двух цепочек комплементарно спаренных нуклеотидов (аденина, цитозина, гуанина и тимина), закрученных одна вокруг другой в спираль. Аденин (А) одной цепочки (нити) ДНК всегда взаимодействует с тимином (Т), а гуанин (G) – с цитозином (С) другой. Эти пары и называются комплементарными. Поскольку кодирование обеспечивается четырьмя основаниями (по три в кодоне), всего может быть 64 триплета. Кодоны расположены в линейной последовательности, т. е. друг за другом. Как правило, каждый из кодонов содержит информацию, необходимую для синтеза определенной аминокислоты. Контролируя образование белков, гены управляют соответствующими химическими реакциями в организме.

Передача генетического кода в клетке происходит в два этапа. Первый из них (так называемая транскрипция) происходит в ядре и состоит в синтезе молекул информационной (матричной) РНК из свободных рибонуклеотидов на соответствующих участках молекул ДНК. Исключительно важная роль при этом отведена определенным ферментам, которые обеспечивают расщепление двойной спирали ДНК, синтез РНК и восстановление ДНК. В результате содержащая генетический код последовательность нуклеотидов ДНК дублируется в виде соответствующей последовательности нуклеотидов информационной (матричной) РНК. Молекула РНК отличается от ДНК по одному нуклеотидному основанию – место тимина в ней занимает урацил (U), комплементарный к аденину.

Второй этап (трансляция) протекает в особых клеточных частицах – рибосомах, функция которых состоит в синтезе белков. Записанная на информационной РНК последовательность кодонов (троек нуклеотидов) переводится в последовательность аминокислот, из которых синтезируется белок.

После транскрипции молекула ДНК, спаривая расщепленные основания, сохраняет наследственную информацию и остается в ядре клетки, а матричная РНК, «переписав» хранимую в ДНК информацию, покидает ядро и переносит ее в рибосомы, где при посредничестве специфической транспортной РНК происходит синтез белков (полипептидов). В каждой клетке имеется 20 разновидностей транспортной РНК, каждая из которых содержит один триплет (называемый антикодоном) и транспортирует определенную аминокислоту. За счет комплементарного спаривания каждого антикодона с соответствующим кодоном матричной РНК аминокислоты выстраиваются в полипептидную цепочку, которая затем ферментативно отделяется от РНК и поступает в цитоплазму совместно с другими полипептидами или самостоятельно. возникший полипептид функционирует в качестве структурного или ферментативного белка, принимая участие в процессах обмена веществ.

Важнейшая особенность функционирования генетического аппарата была открыта французскими микробиологами Франсуа Жакобом, Жаком Моно и Андре Львовым, которые установили, что по своим функциям все гены разделены на регуляторные, кодирующие структуру наследственности, и структурные, кодирующие синтез продуктов обмена веществ (метаболитов). За счет этого обеспечивается выполнение организмами их важнейших функций: воспроизводства и обмена веществ с окружающей средой. И всё это происходит на уровне клетки.

3.5. Живая клетка – первокирпичик жизни

Изучая живую клетку, нельзя не поражаться тому, насколько сложно и в то же время целесообразно ее устройство. Клетка ограничена клеточной мембраной, состоящей в основном из липидов (проще говоря, жиров), и обладающей избирательной проницаемостью, что позволяет ей регулировать концентрацию в клетке солей, сахаров, аминокислот и других продуктов обмена веществ. Центральную область клетки занимает ее ядро, являющееся центром управления жизнедеятельностью клетки. Ядро также окружено оболочкой из двух мембран и содержит хромосомы – спирали молекул ДНК, несущих генетический код клетки: план и инструкцию ее построения. В центре ядра расположены одна или несколько нуклеолей (ядрышек), играющих основную роль в образовании уже упоминавшихся рибосом.

Пространство между внешней (плазматической) мембраной и ядром заполнено цитоплазмой, в которой «плавают» органоиды – специализированные внутриклеточные структуры. Наиболее важными органоидами являются рибосомы, они содержатся в клетках всех живых организмов, состоят из РНК и белков и играют основную роль в синтезе белка. Важная роль принадлежит также митохондриям, в которых протекают окислительно-восстановительные реакции, обеспечивающие клетку энергией. Цитоплазма клетки пронизана эндоплазматической сетью, представляющей собой систему канальцев и «цистерн», ограниченных мембранами. Она участвует в обменных процессах, обеспечивая транспорт веществ, пропущенных мембраной из окружающей среды, в цитоплазму и их накопление в необходимых количествах.

К важным органоидам относится также комплекс Гольджи – внутриклеточный сетчатый аппарат клеток растений и беспозвоночных, играющий основную роль в формировании ряда продуктов жизнедеятельности клеток. Особая роль отведена центриолям – как правило, двум цилиндрическим структурам, которые располагаются вблизи ядра, а при делении клетки расходятся к ее полюсам, определяя пространственную ориентацию делящихся клеток и тождественное распределение между ними генетического материала.

Перечисленные органоиды содержатся в клетках как животных, так и растительных организмов. Отличительной особенностью растительных клеток является наличие в их цитоплазме особого вида органоидов – пластидов. Пластиды, как правило, содержат пигменты, определяющие окраску клеток, например, в клетках высших растений имеются пластиды зеленого цвета – хлоропласты, играющие важнейшую роль в протекании фотосинтеза.

Для клеток большинства организмов характерно наличие ядра, свидетельствующее об их высоком развитии. Такие клетки (как и состоящие из них организмы) называются эукариотами (от греч. εν – хорошо + греч. καρηον – ядро). Кроме того, в природе встречаются безъядерные клетки, называемые прокариотами (от лат. pro – вместо + греч. καρηον – ядро). Считается, что прокариоты исторически являются предшественниками эукариотов, появившихся на Земле около 3 млрд. лет назад. К прокариотам относятся бактерии, сине-зеленые водоросли, актиномицеты (группа микроорганизмов с чертами организации бактерий и простейших грибов). У прокариотов более примитивное строение, чем у эукариотов, кроме ядра у них отсутствуют также митохондрии, однако безъядерные клетки способны выполнять все типичные функции клетки, включая обмен веществ и размножение. В частности, функцию управления в них обеспечивают те же молекулы ДНК, размещенные непосредственно в цитоплазме. Весьма интересной с точки зрения объяснения механизма перехода от прокариотов к эукариотическим клеткам представляется гипотеза американского микробиолога Линн Маргулис о решающей роли в этом процессе симбиоза различных бактерий-прокариотов. Косвенно подтверждая концепцию коэволюции (см. ниже), эта гипотеза способна пролить свет на хорошо известные данные о том, что растительные клетки в принципе сложнее животных и, следовательно, филогенетически более молоды.

Отдельную нишу в мире живого занимают вирусы – бесклеточные организмы, состоящие из молекул нуклеиновых кислот и белковой оболочки. Не располагая необходимыми для жизни органоидами, вирусы размножаются в живых клетках других организмов, внедряясь в них и используя их ферментативный аппарат.

Итак, первоосновой живой материи является клетка, именно она содержит все признаки живого, не только составляя материал для построения многоклеточных организмов, но и реализуясь в виде одноклеточных организмов. Поэтому считается, что организменный (онтогенетический) уровень живых систем начинается именно с клетки. Участвуя в построении более сложных организмов, клетки образуют ткани: у животных – мышечную, нервную, эпителиальную, т. е. кожную, соединительную, а у растений – основную, защитную, проводящую и меристематическую (от греч. μεριοτος – делимый). Последняя обеспечивает способность растений к образованию новых органов. Органы живых организмов образуются из нескольких видов тканей; это, например, сердце, печень, легкие – у животных, корень, стебель, лист – у растений. Они выполняют определенные функции организма. Группы органов, интегрированные для выполнения ряда функций организма (кровообращение, высшая нервная деятельность и др.) образуют системы организма.

Можно говорить, что формирование целостного организма сочетает процесс дифференциации его структур (клеток, тканей, органов) и функций с процессом их интеграции в ходе онтогенеза и филогенеза. Смысл этого утверждения становится понятным, если обратиться к известному биогенетическому закону, сформулированному уже упоминавшимся Э. Геккелем как эмпирическое обобщение множества фактов. Согласно этому закону, индивидуальное развитие особи (онтогенез) является кратким повторением важнейших этапов исторического развития (филогенеза) группы, к которой эта особь относится, т. е. процесса эволюции.

3.6. Возникновение жизни – случайность или закономерность?

Филогенез мира живых организмов имеет весьма и весьма длительную историю. Палеонтологическая летопись Земли фиксирует существование на ней живых организмов уже в течение 3,2 – 3,5 млрд. лет. Возраст же самой Земли оценивается примерно в 4,6 млрд. лет, причем крупные водоемы (моря и океаны), появились около 3,8 млрд. лет назад, о чем можно судить по образованию осадочных пород. Следовательно, феномен возникновения жизни, качественный скачок к ней от неживой органической материи укладывается в относительно короткий в историческом плане промежуток времени – около 0,4 млрд. лет. Более того, по мнению , переход от неживой материи к простейшим формам жизни «поместился» и в того более короткий интервал времени – не более 200 млн. лет.

Зададимся вопросом: может ли возникновение и развитие жизни на Земле быть случайным для Вселенной явлением, результатом случайного совпадения множества маловероятных событий? Современное научное мировоззрение отвечает на этот вопрос отрицательно.

Прежде всего, высочайший уровень структурной и функциональной сложности живой материи, ее упорядоченности и самоорганизации исключают такую случайность. Каждый из этапов образования живой клетки, затем организмов и их восходящего развития и совершенствования является весьма маловероятным событием, а уж совместное выполнение условий, необходимых для реализации этих этапов, вероятность которого равна произведению крайне малых вероятностей, математика уверенно относит к неосуществимым событиям.

Кроме того, следует признать, что развитие Вселенной носит направленный характер, что проявляется в нарастании со временем сложности и упорядоченности материальных структур. Жизнь, являющаяся проявлением высшей формы упорядоченности вещества, может возникнуть только на определенной стадии эволюции Вселенной, причем в тех ее локальных структурах, где действие законов развития природы подготовило необходимые и достаточные условия для выхода на качественно новый уровень организации материи.

Такие условия могут возникать во Вселенной во многих локальных системах, скорее всего на части планет, образовавшихся вблизи звезд типа нашего Солнца. Однако пока наука не располагает данными о внеземных формах жизни. Это, по всей видимости, означает, что необходимые и достаточные для возникновения жизни условия выполняются в «полном комплекте» лишь в ограниченном количестве случаев. Действительно, крайне малая вероятность обеспечения всех без исключения условий для возникновения живой материи представляет собой произведение достаточно малых вероятностей выполнения каждого из этих условий.