Сущность живого, его основные признаки

Дать точное определение жизни весьма непросто. И это люди поняли очень давно. Современная биология при описании живого идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.

К числу свойств живого обычно относят следующие:

1.Живые организмы характеризуются сложной, упорядо­ченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.

2. Живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядо­ченности. Большая часть организмов прямо или косвенно ис­пользует солнечную энергию.

3. Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Если толкнуть камень, то он пассивно сдвигается с мес­та. Если толкнуть животное, оно отреагирует активно: убежит, нападет или изменит форму. Способность реагировать на внешние раздражения — универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных.

4. Живые организмы не только изменяются, но и усложня­ются. Так, у растения или животного появляются новые ветви или новые органы, отличающиеся по своему химическому со­ставу от породивших их структур.

5. Все живое размножается. Эта способность к самовоспро­изведению, пожалуй, самая поразительная способность живых организмов. Причем потомство похоже, и в то же время чем-то отличается от родителей. В этом проявляется действие меха­низмов наследственности и изменчивости, определяющих эво­люцию всех видов живой природы.

6.Сходство потомства с родителями обусловлено еще од­ной замечательной особенностью живых организмов - переда­вать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содер­жится в генах - единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Вот почему потомки похо­жи на родителей.

7. Живые организмы хорошо приспособлены к среде оби­тания и соответствуют своему образу жизни. Строение крота, рыбы, лягушки, дождевого червя полностью соответствует ус­ловиям, в которых они живут.

Обобщая и несколько упрощая сказанное о специфике живого, можно отметить, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Из совокупности этих признаков вытекает следующее обоб­щенное определение сущности живого:

жизнь - есть форма сущест­вования сложных, открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению.

Фундаментальной основой, так сказать первокирпичиком живого мира, является клетка. Своего рода первокирпичики имеются на каждом из ос­новных уровней организации природы. Так, на уровне, изучаемом физикой, роль таких первокирпичиков играют фундаментальные частицы - кварки, которые не имеют внутренней структуры. В сфере химических наук - уже более крупные частицы - атомы различных химических элементов. Есть подобная фундаментальная частица и в биологии. Это - живая клетка. Именно она является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации - важнейшей основы эволюционного развития живого мира.

Создание клеточной теории, основы которой были заложе­ны немецкими учеными Т. Шванном и М.Я. Шлейденом, стало одним из крупнейших достижений биологии XIX в. Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все рас­тительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению и свойствам. Так, клет­ки осуществляют обмен веществ, способны к саморегуляции сво­его состояния, могут передавать наследственную информацию. Вместе с тем выяснилось, что клетки весьма многообразны. Они могут существовать как одноклеточные организмы (амебы), а также в составе многоклеточных. У клеток разный срок существования. Так, некоторые клетки пищевода отмирают у человека через несколько дней после появления, а срок жизни нервных клеток может совпадать с продолжительностью жизни человека. Жизненный цикл любой клетки завершается или делением и продолжением жизни, но уже в обновленном виде, или гибелью. Размеры клеток колеблются от одной тысячной сантиметра до 10 см, что, правда, встречается очень редко.

Клетки образуют ткани (нервная, мышечная и т.д.), а не­сколько типов тканей — органы (сердце, легкие и пр.). Группы органов, связанные с решением каких-то общих задач, называ­ют системами организма.

Клетка имеет сложную структуру. Она обособляется от внешней среды оболочкой, которая, будучи неплотной и рых­лой, обеспечивает взаимодействие клетки с внешним миром, обмен с ним веществом, энергией, информацией. Обмен ве­ществ, обеспечиваемый клетками, — важнейшее свойство всего живого. Обмен веществ в биологической литературе называют метаболизмом клеток. Метаболизм в свою очередь служит основой для другого важнейшего свойства клетки — сохранения стабильности, ус­тойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клеток, присущее всей живой системе, называют гомеостазом, т.е. постоянством состава клетки, которое поддерживается обменом веществ, или метаболизмом.

Обмен веществ — сложный, многоступенчатый процесс, включающий доставку в клетку исходных продуктов, получение из них энергии и белков, выведение из клетки в окружающую среду выработанных полезных продуктов, энергии и "вредных отходов производства".

Но кто же в клетке обеспечивает управление всем этим сложным многоступенчатым процессом? Исчерпывающий ответ на этот вопрос пока не найден. Но общепризнанно, что все нити управления внутриклеточным об­меном находятся в особых структурах, как правило, в ядре клетки, в очень длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), исходной структурной единицей которых являет­ся ген. Это своего рода природное кибернетическое устройство, содержащее инструкцию, информацию, коды, определяющие характер всей деятельности клетки как по обмену веществ, так и по самовоспроизведению.

8.2 Принципы биологической эволюции

В развитии биологии выделяют три основных этапа:

1.сис­тематики (К.Линней);

2. эволюционный (Ч. Дарвин);

3. биологии микромира (Г.Мендель).

Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого. На протяжении тысячеле­тий господствовало объяснение, согласно которому все виды организмов были созданы однажды в их нынешних формах и больше никогда не изменя­лись. Так сказано в Библии, таких же взглядов придерживался Аристотель. Именно под влиянием этой идеи о неизменности всего живого биологическая парадигма долгое время сводилась лишь к описанию многочисленных видов животных и растений. Причем это описание ограничивалось характеристикой только внешних, бросающихся в глаза при­знаков. Такова была и наиболее совершенная для своего вре­мени, но оставшаяся в рамках старой парадигмы и потому во многом искусственная, классификация, предложенная знаме­нитым шведским естествоиспытателем К. Линнеем.

Используя рациональные методы, ряд ученых, например Бюффон во Франции, Э. Дарвин (дед Ч. Дарвина) в Англии, И.В. Гете в Германии, М.В. Ломоносов в России при­шли к выводу, что организмы, населяющие Землю, не неиз­менны, а претерпевают эволюцию. Этот вывод позволили им сделать обнаруженные в разных местах Земли ископаемые ос­татки странных животных и растений, совершенно не похожие на современных. Парадигма искусственной систематизации сменилась принципами естественной классифи­кации, основанной на теории эволюции и исходившей не толь­ко из внешнего сходства форм, но и из общности происхожде­ния, родства. Интенсивное проникновение эволюционной идеи в биологию началось в конце XVIII века, благодаря работам выдаю­щегося французского биолога Ж.Б. Ламарка Он известен не только тем, что предложил впервые термин "биология". Ламарк объяснил изменчивость видов двумя факторами: влиянием внешней среды (питание, климат, упражнение органов) и на­следственности.

Проблемы, поставленные Ламарком, были успешно решены Ч. Дарвином. В своей знаменитой работе "Происхождение ви­дов путем естественного отбора", вышедшей в 1859 г., он, обоб­щив отдельные эволюционные идеи, создал стройную, разверну­тую теорию эволюции.

Современная физика обосновывает концеп­цию универсальной эволюции. Согласно этой теории развитие Вселенной предстает как ряд последовательных эволюционных этапов, начиная с так называемого Большого взрыва через пе­риод эволюции неживой материи к биологической эволюции, а от нее к этапу исторической эволюции человека и общества.

С точки зрения теории эволюции, все многообразие живой природы является результатом действия трех взаимосвязанных факторов: наследственности, изменчивости и естественного отбора.

Эти выводы теории эволюции, или ее основные принципы, базируются на следующих трех наблюдениях.

1. В любой популяции, виде животных наблюдается измен­чивость составляющих ее особей. В этом можно убедиться, сравнивая, например, одного человека с другим.

2 .Некоторые из этих изменений имеют генетическую осно­ву, т.е. унаследованы от родительских особей, получены уже при рождении, а другие являются результатом приспособления к окружающей среде, приобретены в течение жизни.

3. Рождается, как правило, значительно большее число ор­ганизмов, чем доживает до размножения; многие гибнут на стадии семян, зародышей, птенцов, личинок. Причем выжива­ют те организмы, которые обладают сочетанием генов, повы­шающих вероятность их выживания и размножения, а также вырабатывают в течение своей жизни некоторые признаки, способствующие выживанию.

Отсюда вытекает главный вывод, что весь ход эволюции ви­дов ведет к тому, что генетические и иные признаки, обеспечи­вающие выживание, встречаются от поколения к поколению все чаще в данном виде, определяя главное направление его развития. Механизм действия факторов эволюции лучше всего виден на примере развития уровня популяции живых организмов.

Популяция — это длительно существующие группы особей, устойчиво сохраняющиеся на протяжении жизни многих поко­лений. Популяции могут занимать территории разной протяженно­сти, в зависимости от размеров особей и их численности. Виды, как правило, состоят из нескольких популяций.

Появление элементарных эволюционных изменений в по­пуляции, т.е. ее новых устойчивых признаков, передающихся по наследству через несколько поколений, зависит от следую­щих эволюционных факторов: перестройки носителей наслед­ственности - генов, популяционных волн (резких колебаниях численности особей из-за различных при­родных колебаний), изоляции и естест­венного отбора.

Естественный отбор является основным фактором, направ­ляющим эволюционные изменения. Именно он определяет маги­стральную линию исторического развития живого, формирует у живых организмов оптимальные способности к выживанию и самовоспроизведению. Причем отбор закрепляет и те особенности, которые полезны данному виду как целому. Эти признаки могут быть вредны для особи, но полезны для популяции: отгоняя врага, ужалив­шая его пчела гибнет, но спасает пчелиную семью, семейный запас меда.

Таким образом, весь ход эволюция видов ведет к тому, что генетические и иные признаки, обеспечивающие выживание, встречаются от по­коления к поколению в данной популяции все чаще, определяя на­правление развития вида. Т.е. эволюция есть направленный процесс истори­ческого изменения живых организмов.

Ныне эволюционное учение видит свою главную задачу в том, чтобы на основе углубленного познания механизма эво­люционных процессов предсказывать конкретные возможности эволюционных преобразований и на этой основе управлять эволюционным процессом. Все возрастающую роль в выполне­нии данной задачи играет одна из наиболее перспективных от­раслей биологической науки — генетика.

                                              8.3 Проблемы генетики

Выделение и быстрое развитие в XX в. генетики как от­расли биологической науки определяется прежде всего открытием в конце XIX в. определенных законов, кото­рым подчиняется механизм наследственности, что сдела­ло возможным целенаправленную селекцию растений и животных.

Генетика изучает два фундаментальных свойства живых систем - наследственность и изменчивость, то есть способность живых организмов передавать свои признаки и свойства из по­коления в поколение, а также приобретать новые качества.

Важным этапом в развитии генетики стало от­крытие роли ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) в передаче наследственной информации в 30-х годах XX века. Началось раскрытие генетических законо­мерностей на молекулярном уровне, зародилась новая дисцип­лина - молекулярная генетика. Признаки и свойства организма, передающиеся по наслед­ству, фиксируются в генах - участках молекулы ДНК (или хромосомы), определяющих возможность развития одного элементарного признака или синтез одной белковой молекулы. По химическому составу — это нуклеи­новые кислоты, в составе которых основную роль играют азот и фосфор. Гены располагаются, как правило, в ядрах клеток. Они имеются в каждой клетке, и поэтому их общее количество в крупных организмах может достигать многих миллиардов. По своему назначению гены — своего рода "мозговой центр" всего организма. Совокупность всех признаков организма называется феноти­пом. Совокупность всех генов одного организма называется генотипом.  Эти открытия, термины и их определения связаны с именем одного из основоположни­ков генетики В. Иогансена.

В основу генетики легли закономерности наследственности, обнаруженные австрийским биологом Грегором Менделем при прове­денной им серии опытов по скрещиванию различных сортов гороха. Согласно его гипотезе наследование носит дискретный характер. Наследование признаков идет в ре­жиме расщепления, поэтому возможно появление гибридов с несмешивающимися признаками. Эта гениально простая схема, развившаяся последствии в стройную теорию, объяснила одним разом все эмпирические факты. Открытия Г. Менделя были по достоинству оценены только после его смерти, а в России — значительно позже, чем в других странах. Дальнейшее развитие теория наследственности получила в хромосомной теории Моргана.

Существование различных видов жизни, казалось бы, отрицает саму идею ее единства. Благодаря открытию структуры ДНК стало понятно, каким образом возникло множество жизненных форм. Главными строительными блоками живого организма являются белки, образуемые внутри клеток путем соединения 20 разных аминокислот в разной последовательности. Существуют тысячи возможных вариантов их соединения, дающий тысячи разных белков. К 1950 году уже было установлено, что молекула ДНК - тот материал, который контролирует производство белков и наследственные черты всего живого.

В 1953 году американскими учеными Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком было сделано важнейшее открытие ХХ века, совершившее настоящий переворот в современной биологии. Задача определения структуры молекулы ДНК была невероятно трудной, поскольку молекулы живых организмов большие и сложные. Но она была блестяще решена, и в апреле 1953 года в научном журнале “Природа” была опубликована короткая, из 900 слов, статья, в которой предлагалась структура двойной спирали: две скручен­ные вместе спирали скрепляются двумя типами пар оснований аденин-тимин и цитозин-гуанин. Открытая Уотсоном и Криком структура ДНК подсказала, каким образом при делении клетки происходит передача наследственной информации и как ДНК определяет структуру белков организма. При размножении две спирали старой молекулы ДНК рас­ходятся, и каждая становится матрицей для воспроизводства новых цепей ДНК. Удвоение молекул ДНК происходит с удивитель­ной точностью, новая молекула абсолютно идентична старой.

Разгадка генетического кода объяснила истоки наследственных болезней. Единственной ошибки в порядке построения оснований в ДНК может быть достаточно, чтобы прервать процесс образования нормального белка. Всего у человека 100 000 генов, в структуре которых может встречаться по меньшей мере 12 ошибок, возникающих как правило случайно. Большая часть этих ошибок не имеет серьезных последствий, однако некоторые вызывают генетические болезни. Современный уровень генетики дает шанс исправить эти ошибки. Однако проводимые эксперименты по генной терапии пока не позволили вылечить не одну из серьезных генетических болезней.

Важнейшими задачами, которые решают сегодня ученые-генетики в тесном контакте с практиками-селекционерами, яв­ляются выбор оптимальной системы скрещивания и эффектив­ного метода отбора, управление развитием наследственных признаков. В области медицины генетика способствует, в частности, разработке мероприятий по защите человека от вредного мутагенного воздействия окружающей среды.

Крупнейшее открытие современной генетики связано с ус­тановлением способности генов к перестройке, изменению. Эта способность называется мутированием (от лат. mutatio — мута­ция, изменение). Мутации для организма бывают полезными, вредными или же нейтральными. Одним из результатов мута­ций может быть появление организма нового вида — мутанта.

Причины мутаций до конца не выяснены. Однако установлены основные факторы, вызы­вающие мутации. Это так называемые мутагены, рождающие изменения. Известно, например, что мутации могут вызываться некоторыми общими условиями, в которых находится организм: его питанием, температурным режимом и т. д. Вместе с тем они зависят и от некоторых экстремальных факторов, таких, как дей­ствие отравляющих веществ, радиоактивных элементов, в резуль­тате которых количество мутаций увеличивается в сотни раз, причем возрастает оно пропорционально дозе воздействия. В последнее время в связи с загрязнением ок­ружающей среды, повышением фонда радиации возрастает число стихийных вредных мутаций, в том числе и у человека. Ежегодно в мире рождается около 75 млн. детей. Из них 1,5 млн., т.е. около 2%, — с наследственными болезнями, вызванными мутациями. С наследственностью связана предрасположенность к раку, туберкулезу, полиомиелиту. Известны вызываемые теми же факторами дефекты нервной системы и психики, такие, как слабоумие, эпилепсия, шизофрения и т.п.

Одним из наиболее опасных видов мутагенов являются ви­русы (от лат. virus — яд). Вирусы — мельчайшие из живых су­ществ. Их можно рассмотреть только в электронный микроскоп. Они не имеют клеточного строения, не способны сами синтези­ровать белок, поэтому получают необходимые для их жизнедея­тельности вещества, проникая в живую клетку и используя чу­жие органические вещества и энергию. У человека вирусы вы­зывают множество заболеваний, включая грипп и СПИД.

СПИД — синдром приобретенного иммунодефицита вы­зывается особым вирусом. Попадая в клетки крови и мозга, он встраивается в генный аппарат и парализует их защитные свой­ства. Зараженный вирусом СПИДа человек становится безза­щитным перед любой инфекцией. До сих пор не разработаны даже теоретические подходы к решению такой задачи, как очи­стка генетического аппарата клеток человека от чужеродной вирусной информации.

Опираясь на достижения современной генетики, крупный вклад в развитие селекции, создание новых сортов растений, пород животных, борьбу с их болезнями внесли выдающиеся отечественные биологи Н.И. Вавилов, И.В. Мичурин, Н.П. Дубинин, Н.В. Тимофеев-Ресовский.

В процессе развития биологии и ее практического использования встает ряд острых проблем, требующих специального этического осмысления. Первоочередной среди них стала угроза уничтожения всех форм жизни на Земле, ответствен­ность за которую несут не только политики, но и ученые, особен­но физики, химики, биологи. Исследования в области генной инженерии также вызывает тревогу. Например, целесообразность поддержания жизни смертельно больного человека, допустимость использования человеком его "права на смерть", проведения научных экспериментов над жи­вотными и людьми, наконец, целесообразность применения гене­тики для клонирования (копирования) животных и людей.

Так, весной 1997 г. общественное мнение Великобритании бы­ло буквально потрясено известием о том, что доктор И. Вилмут с группой ученых биологического института в Эдинбурге получил искусственным путем ягненка по имени Долли. Причем, как было заявлено, эта тех­нология потенциально применима и к людям. При­мечательно, что под давлением общественного мнения британ­ское правительство было вынуждено незамедлительно прекра­тить финансирование программы, выполняемой учеными Эдинбурга.