Основные этапы становления идеи развития в биологии

     Так что же такое жизнь, живая природа? Интуитивно мы понимаем, что есть живое и что есть мертвое. Но при попытке определить сущность живого возникают определенные трудности. К числу необходимых и существенных свойств живого относят следующие.

    1. Живые организмы являются высокоорганизованными структурами. Уровень их организованности значительно выше, чем тот, который достигнут неживыми системами. Это своего рода острова упорядоченности в окружающем их океане беспорядка. Высшим проявлением этого важнейшего свойства всего живого является человек и созданный им социальный, общественный организм, наиболее ярким выражением упорядоченности которого являются выработанные людьми общечеловеческие нормы нравственности.

     2. Но для того чтобы поддержать достигнутый уровень упорядоченности, живые системы могут существовать только как неравновесные и незамкнутые, открытые. Они должны постоянно взаимодействовать с окружающей их неживой средой, заимствуя у нее вещества, энергию и перерабатывая их в необходимые для поддержания жизни формы. Для осуществления этого обмена живые организмы прямо или косвенно используют солнечную энергию. Основную роль в осуществлении обмена веществ, или метаболизма, в живых организмах играют белковые соединения, замечательным свойством которых является их высокий химизм, т.е. способность к активному взаимодействию с другими веществами. Глубокое осознание неразрывной связи живого с окружающей природной средой является необходимой предпосылкой решения современной цивилизацией возникших перед ней острых экологических проблем.

     3.Живые организмы в отличие от неживых в процессе своего развития быстро усложняются. Это свойство к усложнению и дальнейшему совершенствованию проявляется не только на уровне развития всего мира живого и составляющих его групп, т.е. в филогенезе, но и в процессе развития каждого отдельного организма, т.е. в онтогенезе, Так, у растения или животного в ходе его индивидуального развития появляются новые ветви или новые органы, отличающиеся не только по своей форме, но и по-своему химическому составу от породивших их структур. Причем формы развития на этих двух уровнях как бы повторяют друг друга; как говорят биологи, «онтогенез повторяет филогенез». Развитие человеческого эмбриона (онтогенез), например, как бы воспроизводит в миниатюре всю историю эволюции человеческого рода (филогенез).

     4. Еще одним уникальным признаком живого является его способность к самовоспроизведению, размножению. Эта способность живых организмов оценивается как самое существенное их свойство. На химическом уровне этот признак живого связан с особыми свойствами самовоспроизведения, копирования, которыми обладают входящие в состав всех живых организмов наряду с белками нуклеиновые кислоты. Именно эти химические структуры обеспечивают способность живых организмов передавать потомкам информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Данная информация содержится в образуемых из нуклеиновых кислот генах – мельчайших единицах наследственности, локализованных во внутриклеточных структурах. Именно генетический материал определяет целенаправленное, упорядоченное развитие организма. Вот почему потомки оказываются похожими на родителей. Однако в процессе передачи информации потомству ее содержание не остается неизменным, оно подвергается разного рода случайным воздействиям, изменяется, перестраивается, искажается, или, как говорят биологи, мутирует. Под влиянием мутаций потомки оказываются не только похожими на родителей, но и отличаются от них, чем и обеспечивается развитие видов. На базе этих основных признаков может быть сформулировано следующее краткое определение сущности живого.

     Жизнь – есть форма существования высокоорганизованных неравновесных, открытых систем, в структуре которых решающую роль играют белки и нуклеотиды; эти системы способны к обмену веществ, самовоспроизведению путем передачи наследственной информации и изменчивости на основе мутаций. Ныне существующий на нашей планете мир живой природы чрезвычайно разнообразен. Чтобы разобраться в его составе, выявить закономерные связи между составляющими его частями, биологическая наука применяет метод классификации растений и животных, используя для этой цели различные основания. На основе определенных критериев выделяются разные уровни, подсистемы живого мира. Наиболее часто в современной биологии для классификации уровней организации живого используется критерий масштабности. . По этому основанию в мире живого обычно выделяются следующие уровни:

    1. Биосферный – включающий всю совокупность живых организмов Земли, существующих в тесной связи с окружающей природной средой. На этом уровне биологической наукой решается такая, например, актуальная проблема, как регулирование процесса концентрации углекислого газа в атмосфере. Исследуя биосферный уровень организации живого, ученые выяснили, что в последнее время в результате значительного усиления хозяйственной активности и слабой природоохранной деятельности концентрация углекислого газа в атмосфере планеты стала возрастать. В результате возникла опасность глобального повышения температуры, возникновения так называемого «парникового эффекта», увеличения в ряде районов количества осадков до масштабов Всемирного потопа.

     2. Уровень биогеоценозов выражает следующую ступень структуры живого. Под биогеоценозами понимаются участки Земли с определенным составом тесно взаимосвязанных живых и неживых компонентов, представляющих единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.

     3. Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида. Его изучение важно для выявления факторов, влияющих на численность популяций. На этой основе соответствующими службами обеспечивается поддержание оптимальной численности популяций. Этот уровень также важен с точки зрения исследования путей исторического развития живого, его эволюции.

     4. 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.

     5. Молекулярный уровень составляет объект исследований молекулярной биологии, одной из важнейших задач которой является изучение механизмов передачи наследственной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.

3 Биоэнергоинформационный обмен

    Термин биоэнергоинформатика был введен д.т.н., профессором МГТУ им. Н. Э. Баумана В. Н. Волченко в 1989 г., когда им и его единомышленниками была проведена первая Всесоюзная конференция по биоэнергоинформатике в Москве (Терминатор. 1993. № 1. С. 45).

   Понятие информации  как сообщения и сама информатика  как наука об информационном  обмене появились недавно. Новое  понятие — биоэнергоинформационный обмен — возникло в сфере биофизики, биоэнергетики и экологии в связи с последними достижениями в этих областях. Изучение его дало основание высказать предположение об информационном единстве Вселенной, о наличии в ней «Информации — Сознания», а не только известных форм материи и энергии. Одним из элементов этой концепции выступает наличие во Вселенной некоторого общего замысла, плана. Эта гипотеза подтверждается современной астрофизикой, согласно которой фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже формы физических закономерностей тесно связаны с фактором структурности Вселенной во всех ее масштабах и с возможностью Жизни. Иначе говоря, Вселенная такова, как это нужно ей для существования Жизни и Сознания в ней самой. Отсюда следует второй элемент концепции биоэнергоинформатика — Вселенную нужно рассматривать как живую систему. А в живых системах фактор Сознания (информации) наряду с материей — энергией должен занимать весьма существенное место. Принципы живого, как правило, связывают со вторым началом термодинамики. Э. Шредингер показал, что живое как бы питается отрицательной энтропией. Однако Л. Больцман писал, что «живое... борется за энтропию», но он имел в виду рост химического или структурного многообразия живого.Причина отмеченных противоречий содержится в том, что термодинамика имеет модель «энергия—вещество» с безликими идеальными частицами — точками для тех структур, а следовательно, и не может быть того информационного поля, которое мы вынуждены вводить. Именно оно обеспечивает структурную изменчивость как живого, так и всей материи во Вселенной.

    Таким образом, можно говорить о необходимости триединства Вселенной: материи, энергии, информации (эти вопросы еще будут затрагиваться и подробно рассматриваться дальше). Но информация здесь не просто сообщение, она глубоко структурирована вплоть до уровня Сознания. Исходя из этого триединства, можно по-новому определить само понятие нетермодинамического равновесия в Природе.

     С учетом концепций биоэнергоинформатики сформулированы основные свойства живых систем Вселенной:

- избирательность информационно-энергетических взаимодействий (наряду с материально-энергетическими), приводящих к иерархическому структурированию вещества, энергии, информации и наличию информационно-энергетического обмена со средой;

- целесообразность рассмотрения энтропии в трех составляющих: энергетической, конфигурационной и структурно-информационной вместо одной для обычных термодинамических систем;

- изменчивость за счет наличия внутренних сил, самопроизвольно реализующих состояние системы;

- живые системы, изменяясь, эволюционируют. По А. Эйнштейну, «жизни присущ элемент истории». Репродуцируемость, или же воспроизведение, упоминаемое обычно как признак живого, присуща и косной природе.

     Неживые технические системы обладают высокой энергетичностью, например, лазерные технологии и термоядерный синтез дают плотность мощности 1010—102 0Вт/см2. В космических лучах при столкновении частиц энергии достигают значений порядка 1012 эВ и выше. Но информативность в перечисленных процессах невелика: десятки — сотни бит. Для информативности суперкомпьютеров известен предел Бреммермана — 1047 бит/с на грамм массы или 1093 бит. При переходе к живым организмам информативность, как структурное разнообразие, несомненно, более высокая, но измерять ее в битах бессмысленно (хотя Д. фон Нейман дал приближенно оценку емкости человеческого мозга в 1019 Мегабайт). В то же время энергетичность клеточных структур (по данным КВЧ-терапии ММ-радиоволнами) составляет 10-5эВ. Таким образом, структурное совершенство живых систем можно оценивать по их информационно-энергетическому показателю. В полевой форме жизни высочайшее информационно-структурное разнообразие достигается почти при нулевой энергетичности системы. Это скорее характерно для Сознания как элемента Вселенной.

     Очень важна здесь духовная наработка. Духовность нужно нарабатывать обычными путями: через любовь, красоту, истину, совесть, добро. Задачи биоэнергоинформатики как мировоззрения должны заключаться главным образом в раскрытии физических и, особенно, духовных резервов человека. Высокодуховный человек убежден, что сокровенный смысл жизни — отнюдь не в удовлетворении «непрерывно растущих материальных потребностей». Природа, создавая человека, видимо, рассчитывала на его вклад в самоорганизацию Вселенной, ее Сознание, создание наряду с Гармонией Природы гармонии человеческих творений искусства. Доказывать концепцию биоэнергоинформатики уже не надо. Ее надо развивать.

     4 Биологическая вечность жизни. Метаболизм

     Для того чтобы оценить и рассмотреть понятие «биологическая вечность жизни», необходимо сформулировать определение жизни: «Жизнь — это активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфической структуры». Активное воспроизведение — это такой процесс, когда система сама воспроизводит себя и поддерживает свою целостность, используя для этого элементы окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Пассивный процесс такого рода — отнюдь не признак жизни. Поддержание и воспроизведение структуры живого организма, идущие с затратой энергии, отличает живые существа от других самовоспроизводящихся структур, например, кристаллов. Из поколения в поколение организмы воспроизводят характерную для видов, к которым они принадлежат, упорядоченность, причем с абсолютной точностью. Чужая упорядоченность организму не нужна, и он изо всех сил борется с ней. Например, сохранить пересаженный орган удается только подавив защитные иммунные системы образования антител. Но тогда организм оказывается беззащитным перед любой инфекцией и может погибнуть от нее. Пересаженные органы отторгаются, если они были взяты не у однояйцового близнеца (т.е. генетической копии одного и того же организма).

     Казалось бы, у низших организмов отвращение к чужому порядку меньше. Но даже животные, питаясь другими животными или растениями, начинают с разрушения чужой упорядоченности. Так, белки расщепляются до аминокислот, сложные углеводы — до моносахаридов, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Из этих элементарных «кирпичиков» жизни организмы создают и строят лишь им присущие белки. Каждый организм характерен неповторимой, присущей только ему комбинацией белковых молекул. А уже на этой базе возникает комплекс всех признаков организма — на уровне клеток, тканей, органов. У растений это выражено еще более резко. Вода, набор питательных солей, углекислый газ и свет — при этом комплексе одинаковых факторов из одного семени вырастает роза, а из другого — крапива, каждое растение с присущим ему набором свойств, со своей упорядоченностью.

  Итак, организмы берут извне не упорядоченность, а энергию: растения — в виде квантов света, животные — в виде мало окисленных соединений, которые можно сжечь в процессе дыхания. За счет этой энергии они строят свою «доморощенную» упорядоченность, пренебрегая чужой. Вот почему в определении жизни должно быть «воспроизведение специфической структуры». Жизнь использует свой ресурс, любую возможность для размножения. Это есть «давление жизни». Но даже если численность организмов какого-либо вида остается стабильной, потенциал его размножения — мощный резерв, поставляющий материал отбору.   Живое эволюционирует путем естественного отбора — в этом суть блестящего открытия, сделанного Ч. Дарви-ном и А. Р. Уоллесом в середине XIX столетия. Красота и элегантность современных форм жизни обязана своим происхождением естественному отбору, в результате которого выживали и размножались те организмы, которые случайно смогли приспособиться к своему окружению. Эволюция случайна и непредсказуема. Лишь благодаря гибели огромного количества недостаточно приспособленных организмов, мы со всем, что у нас есть, живем на Земле. Иногда жизнь считают проявлением химической организации, забывая, что ее в организмах не более 10%. Основная же масса биотики — вода, которая выступает не только средой, но и обязательным участником всех биохимических процессов. Если бы вода не выделялась при взаимодействии аминокислот, то не было бы белка, не проходил бы обмен веществ. Без воды невозможна терморегуляция. Но самое главное: водная среда как уникальная по своим упругим свойствам структура позволяет всем определяющим жизнь молекулам реализовать свою пространственную организацию, благодаря левому вращению планеты.