Жизнь, основа возникновения и организация

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 свойствам живого обычно относят следующие:

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

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

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

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.

Все живое размножается. Эта способность к самовоспроизве­дению, пожалуй, самая поразительная способность живых организ­мов. Причем потомство и 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.

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. Генетический материал определяет направление развития организ­ма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информа­ция в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отлича­ются от них.

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. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.

И наконец, еще более краткое определение жизни предложил американский физик Ф. Типлер в своей сенсационной книге "Физика бессмертия". Он пишет, что не надо привязывать определение жизни к молекуле нуклеиновой кислоты, потому что можно вообразить себе существование жизни, которая к этому определению не подходит. Если к нам в космический корабль явится внеземное существо, химическую основу которого составляют не нуклеиновая кислота, то нам все равно захочется признать его живым. Жизнь, по мнению Типлера, представляет собой лишь информацию особого рода, которая сохраняется естественным отбором. Но если это так, то жизнь (информация) является вечной, бесконечной и бессмертной. И хотя с этим определением согласны далеко не все, его несомненная ценность состоит в попытке выделить из всех критериев жизни в качестве главного- способность живых организмов сохранять и передавать информацию.

Учитывая сохраняющуюся дискуссионность категории жиз­ни, анализ ее признаков следует дополнить рассмотрением структу­ры живого, составляющих его элементов, частей.

Структурный, или системный, анализ обнаруживает, что мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространенным являет­ся выделение на основе критерия масштабности следующих уров­ней организации живого.

Биосферный уровень включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой. На этом уровне биологической наукой решается такая, в частности, проблема, как изменение концентрации углекислого газа в атмосфере. Используя этот подход, ученые выяснили, что в последнее время концентрация углекислого газа возрастает ежегодно на 0,4 %, создавая опасность глобального повышения температуры, возникновения так называемого "парникового эффекта".

Уровень биогеоценозов выражает следующую ступень структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.

Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. А затем на этой основе можно будет поддерживать оптимальную численность популяции. Этот уровень также чрезвычайно важен для исследования путей исторического развития живого, его эволюции.

Организменный и органо-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, физиологию, поведение, а также строение и функции органов и тканей живых существ.

Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.

Разделение живой материи на уровни является, конечно, весьма условным. Решение конкретных биологических проблем, таких как регуляция численности вида, опирается на данные о всех уровнях живого. Но все биологи согласны в том, что в мире живого существуют ступенчатые уровни, своего рода иерархии. Представление о них наглядно отражает системный подход в изучении природы, который помогает глубже понять ее. Фундаментальной же основой, так сказать первокирпичиком живого мира, является клетка. Ее исследование помогает уяснить специфику всего живого. 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. Это мельчайшие частицы вещества - поля, точное местонахождение которых трудно определить даже самыми точными приборами.

В сфере химических наук место первокирпичиков занимают уже более крупные частицы - атомы различных химических элементов, которые стали признаваться делимыми, имеющими внутреннюю структуру лишь с конца XIX в. Причем атом - более устойчивая, стабильная частица, чем кварк.

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. Это положение стало еще одним свидетельством единства происхождения и развития всех видов живого.

Многочисленные исследования в области цитологии, новой биологической науки, специально занимающейся исследованием живой клетки, показали, что все клетки имеют некоторые общие свойства не только в строении, но и в функциях. 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 (нервную, мышечную 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. Это свойство 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. Гомеостаз, т.е. постоянство состава клетки, 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".

Следует отметить, что в последнее время к миру живого относят также и вирусы, которые не имеют клеточной структуры (бесклеточные организмы). Кроме того, существуют также некоторые организмы с клеточным строением, клетки которых не имеют типичной структуры (отсутствует ядро). Это так называемые прокариоты, безъядерные клетки. Они исторически являются предшественниками вполне развитых, имеющих ядро клеток, впервые появившихся около 3 млрд. лет тому назад - эукариотов. К прокариотам, то есть древнейшим, безъядерным видам клеток относятся бактерии, сине-зеленые водоросли. Эти организмы имеют в своем составе нити молекул нуклеиновых кислот, которые у них, как и у всех других клеток, выполняют управленческую функцию, только они рас­положены не в ядре, а во внутриклеточной жидкости, в цитоплазме.

Несмотря на относительную простоту организации, безъядерные клетки способны выполнять все свойственные типичным клеткам функции, включая обмен веществ, поддержание стабильно­сти и т.п. 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. Именно гены обеспечивают важнейшие метаболические и наследственные функции клетки, как и всего организма в целом.

История развития жизни на Земле подразделяется на эры и периоды (системы), составляющие 3,5 млрд. лет (табл. 2).

Таблица 2

Абсолютный возраст, миллионы лет назад	Эра	Период (система)	Важнейшие события в эволюции жизни, уровни развития живого
0 – 1 1 – 25 25 – 70	Кайнозойская	Антропоген Неоген Палеоген	Человек Австралопитек Обезьяны
70 – 140	Мезозойская	Мел	Полуобезьяны. Вымирание динозавров. Выход на первый план млекопитающих
140 – 185	Юра	Первые птицы
185 – 225	Триас	Господство пресмыкающихся
225 – 270	Пермь	Наземные позвоночные животные
270 - 320	Палеозойская	Карбон (каменноугольный)	Первые пресмыкающиеся Расцвет папоротниковых
320 – 400	Девон	Папоротники, хвощи. Предки современных форм рыб
400 – 420   420 – 480   480 – 570	Силур   Ордовик   Кембрий	Массовый выход растений, а потом животных на сушу Панцирные рыбы – первые позвоночные животные Членистоногие, иглокожие, медузы

Продолжение табл. 2

Абсолютный возраст, миллионы лет назад	Эра	Период (система)	Важнейшие события в эволюции жизни, уровни развития живого
570 – 1200   1200 – 1500   1500 – 1900	Протерозойская	Синий   Енисей   Саян	Многоклеточные животные (медузы, губки, черви) Многоклеточные водоросли   Начало бурного развития жизни
1900 – 2700	Архейская	Не расчленена	Одноклеточные водоросли и бактерии
2700 – 3500	Катархейская	Не расчленена	Бактериоподобные одноклеточные организмы Предполагаемые простейшие, доклеточные формы жизни

В Южной Африке найдены остатки, принадлежавшие уже оформившимся организмам, жившим 3,1 млрд. лет назад. Это бактериоподобные образования. В более поздних отложениях (с возрастом в 2,7 млрд. лет) в Южной Родезии (на территории современного государства Зимбабве) найдены водорослевые известняки, биогенное происхождение которых не вызывает сомнений. В отложениях с возрастом 1,9 млрд. лет в районе озера Онтарио (Канада) найдены хорошо сохранившиеся остатки растений, напоминающих сине-зелёные водоросли. С этого времени, относящегося к началу протерозойской эры (периоду саян), начинается бурное развитие жизни. Но это все еще было время господства одноклеточных водорослей и бактерий. А вот уже в период енисей (1500 1200 млн. лет назад) начали встречаться первые многоклеточные водоросли, вслед за которыми в синийский период (1200 - 570 млн. лет назад) появились первые многоклеточные животные: медузы, губки, черви. Миллиард лет назад жизнь на Земле была уже достаточно разнообразной.

В течение протерозоя (190 - 570 млн. лет назад) за счет фотосинтеза растений состав атмосферы Земли резко изменился: существенно увеличилось количество свободного кислорода и уменьшилась масса углекислоты, перешедшей в огромные отложения углекислого кальция (толщиной в несколько сотен метров), образовавшиеся при участии водорослей. Поскольку свободный кислород оказался сильнейшим ядом для неприспособленных к нему организмов, многие их виды вымерли. От тех же видов, которые приспособились к жизни в кислородной атмосфере, произошли все современные аэробные организмы.

Указанный исторический факт ярко демонстрирует, что биосфера как целостная система всех живых организмов вместе со средой их обитания обусловливает характер и направление эволюции отдельных видов. Более того, раз возникнув, биосфера наложила абсолютный запрет на новые попытки самозарождения жизни из неживой материи. Не менее показательно и то, что появление многоклеточных организмов тоже стало неодолимым препятствием на пути дальнейшего развития одноклеточных в том же направлении. Эволюция жизни необратима и неповторима. С появлением живых организмов полную силу набрал естественный отбор как ведущий фактор эволюции. По приблизительным расчетам американского па­леонтолога Д. Симпсона, за всю историю Земли существовало при­мерно 500 млн. видов организмов, а сейчас насчитывается (тоже примерно) 2 млн. Это значит, что к настоящему времени выжили лишь 0,4 % всех когда-либо существовавших биологических видов.

Проследим дальнейший ход развития жизни. Палеозойская эра начинается с кембрия (570 - 480 млн. лет назад), получившего название по месту первой находки остатков жизни этого периода. Суша в это время оставалась безжизненной (за исключением прибрежных мест, где пробивались водоросли и растения, похожие на мхи). В море обильно произрастали сине-зеленые и красные водоросли, обитали животные: первые членистоногие (трилобиты, некоторые длиной до полуметра), иглокожие (морские звезды, голотурии), черви, медузы, гидроидные полипы.

В период ордовик (480 - 420 млн. лет назад, по названию одного из кельтских племен) мир жизни пополнился морскими ежами, головоногими моллюсками, мшанками. Особо следует выделить появление панцирных рыб - первых представителей позвоночных животных. В систему (период) силура (420 - 400 млн. лет назад; название тоже по имени одного кельтского племени) произошло важнейшее событие - массовый выход жизни на сушу. По суше распространились псилофиты - споровые растения, напоминающие плауны. Вслед за растениями на суше появились и животные, в частности огромные рако-скорпионы (до 3 м длиной). В девонском периоде (400 - 320 млн. лет назад; название по имени графства Девоншир в Южной Англии) распространились папоротники, хвощи, возникли предки всех современных форм рыб, более разнообразным стал животный мир суши (скорпионы, клещи, насекомые). К концу палеозоя, в периоды карбон и пермь уже существуют наземные позвоночные, питающиеся членистоногими.

Для самой возможности заселения жизнью суши необходимым условием явилось образование большого количества кислорода, превращавшегося в верхних слоях атмосферы в озон, слой кото­рого защитил поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового облучения. Только после этого жизнь могла выйти из воды на сушу.

С триаса (225 - 185 млн. лет назад) начинается мезозой, средняя эра. В этот период возникают настоящие костистые рыбы, происходит, как говорят, взрывное развитие пресмыкающихся. Это время динозавров, гаттерий, черепах, древних крокодилов, ихтиозавров и других рептилий. В юрский период (185 - 140 млн. лет назад) продолжалось развитие рептилий. Некоторые динозавры дости­гали огромных размеров: диплодок - 30 м в длину, стегозавр - более 6 м в высоту. Пресмыкающиеся освоили и море, и сушу, и воздух. Появились первые птицы, продолжалось развитие и распростране­ние млекопитающих.

В конце мезозоя (период мел, 140 - 70 млн. лет назад) происходит резкое изменение живой природы. На суше вымирают все динозавры, летающие ящеры, многие водные пресмыкающиеся. Общепринятого и окончательного объяснения этого процесса нет. Допускается, что в данный период климат стал более континентальным и сухим. Растительный покров стал беднее, а он был основой существования растительноядных ящеров, вымирание которых обусловило вымирание и хищных динозавров. Продолжавшееся около 150 млн. лет господство этих гигантов сменилось выдвижением на первый план жизненного состязания млекопитающих. Произошла очередная крупная перестройка биосферы.

Эра новой жизни - кайнозой - приходится на последние 70 млн. лет. Облик поверхности Земли приблизился к современному. Образовалось Тихоокеанское кольцо вулканов. В морях появились китообразные, ластоногие, крупные двустворчатые моллюски. Суша покрылась лиственными лесами, появились злаки, разнообразнее стал мир млекопитающих. Крупнейшие из них (индрикотерии) дос­тигали 5 м высоты в загривке. 70 млн. лет назад сформировались простейшие представители отряда приматов, в составе которого позже возникли высшие, человекообразные обезьяны (антропоиды). А 5 млн. лет назад появились австралопитеки - обезьянолюди, эво­люция которых примерно 2 - 3 млн. лет назад привела к первым ви­дам рода человеческого. Вид же современного человека (Ноmо-saрiens - человек разумный), наделенного мышлением, языком (ре­чью) и способностью создавать и систематически использовать ис­кусственные орудия труда, имеет возраст в 40 тыс. лет (возможно, что раза в два больше).

Приведенная картина биологической эволюции в основном вполне достоверна, документирована палеонтологическими и архео­логическими находками.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1) Каковы свойства живого?

2) Что такое жизнь (современные определения)?

3) Каков главный критерий жизни?

4) Какой критерий положен в основу выделения уровней организации живого?

5) Какова характеристика биосферного уровня организации живого?

6) Как характеризуется уровень биогеоценозов?

7) Какова характеристика популяционно-видового уровня организации живого?

8) Каковы составляющие организменного и органо-тканевого уровня организации живого?

9) Что отражает клеточный уровень организации живого?

10) Что составляет молекулярный уровень организации живого?

11) Что является первокирпичиком живого?

12) Каковы общие свойства и функции живых клеток всех растительных и животных организмов?

13) В чём выражено многообразие клеток?

14) Что называется системой организма?

15) Какое свойство клеток называется метаболизмом?

16) Какое свойство клеток называется гомеостазом?

17) Какова связь между гомеостазом и метаболизмом?

18) Какие клетки называются прокариотами? эукариотами?

19) Что в клетке обеспечивает управление всем сложным многоступенчатым процессом?

20) Какие эры характеризуют развитие жизни на Земле?

Дата добавления: 2015-08-03