Концепции современного естествознания

                          Реконструкция начального периода  формирования Земли, возраст которой  составляет около 5 млрд лет, показал наличие необходимых условий  (температуры, давления, состава атмосферы и гидросферы и др.), и активных факторов воздействия ( разряды молний, ультрафиолетовое излучение солнца, распад радиоактивных веществ в земной коре, высокая температура раскаленной лавы, падение метеоритов), обусловивших  возникновение простейших органических веществ в ходе реакций между неорганическими веществами. Экспериментально доказано много путей полимеризации в естественных условиях возникших аминокислот с образованием простейших белковых молекул.

                          Гипотеза Опарина разрабатывала возможный механизм синтеза природных органических веществ в первичном океане, в котором возникшие углеродистые соединения образовали «первичный бульон» из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот, обладающих свойством самовоспроизведения себе подобных. Ключевым моментом жизнеспособности этой гипотезы стало доказательство способности этих сложных химических систем, размножаться, которая потребовалась на достаточно раннем этапе химической пред биологической эволюции. Дело в том, что при синтезе органики без участия организмов обычно образуется слишком пестрая смесь самых разнообразных веществ, что препятствует соединению подобных друг другу молекул (аминокислот) в полимерную макромолекулу (белок). Поэтому механизм самовоспроизводства был необходим для выделения в первоначальном «бульоне» некоторых преобладающих разновидностей молекул.

                           Способности к самовоспроизводству  обладают не только биологические,  но также физические и химические  системы. Например, рост кристалла – это процесс постоянного воспроизводства определенной структуры атомов на растущей грани кристалла В химии, известны автокаталитические реакции, в которых продукт реакции одновременно является ее катализатором: каждая новая молекула продукта ускоряет синтез таких же молекул. Можно предположить, что, обладая подобными свойствами, пред биологические структуры обрели способность к  самовоспроизводству (авторепликации) и благодаря этому размножились в большом числе копий. Самый вероятный механизм авторепликации – матричная сборка, когда каждый участок исходной, большой молекулы- полимера   имеет химическое сродство, к малым, молекула-мономерам, похожим на него самого. В результате, когда все участки полимерной молекулы захватят из окружающего раствора подходящие мономеры,  из них формируется новая макромолекула, подобная исходной (матрице). При этом, сразу возникает и естественный отбор: размножаются в больших количествах те макромолекулы в растворе, которые быстрее захватывают мономеры и строят из них свою копию. Так же естественно возникают и мутации:  из-за  некоторых отклонений в избирательности химического связывания мономер, присоединившийся к данному участку макромолекулы, может и не быть его точной копией, а синтезируемая макромолекула в целом будет несколько отличной от исходной матрицы.

                              В предложенной  в 1960-х гг. А.П.Руденко  общей теории химической эволюции, как саморазвитии каталитических  систем, ее основной закон гласит, что с наибольшей скоростью  и вероятностью происходят те эволюционные изменения катализатора, которые приводят к максимальному увеличению его активности. В математической теории самоорганизации молекул, построенной в 1970-х гг. нобелевским лауреатом  М.Эйгеном процесс полимеризации мономеров и обратный распад полимеров в открытых системах приводит к абсолютному преобладанию одного полимера  с примесями его мутантных форм. При изменении параметров внешней среды, преимущество получает та мутантная форма, которая лучше отвечает новым условиям. Она и становится новым основным видом. Очевидно, что в этом случае наблюдается звено эволюции. Подобная химическая эволюция макромолекул была осуществлена в конце 60-х гг. в эксперименте с вирусом, заражающим кишечную палочку. За 74 цикла химического синтеза  , периодически укорачивая время их проведения и сделав таким образом главным критерием отбора скорость синтеза, когда преимущество получали мутантные формы  РНК вируса с более короткой и быстрее собирающейся молекулой, удалось вывести молекулы РНК длина которых была в 6 раз меньше первоначальной, а скорость размножения в 15 раз больше. Правда, вирусы утратили способность заражать бактериальные клетки и сохранили единственный ген из четырех, отвечающий за самовоспроизводство, приспособившись к новым условиям среды.

Итак, можно выделить четыре наиболее вероятных этапа  при переходе от неживой материи  к живой:

1. Синтез из неорганических веществ, исходных низкомолекулярных органических соединений в условиях первичной восстановительной атмосферы, лишенной кислорода.
2. Формирование из образовавшихся органических соединений в первичных водоемов Земли, высокомолекурных соединений – углеводородов, биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и липидов (жиров и жироподобных веществ, состоящих из спиртов и жирных кислот).
3. Образование полимерных агрегатов.
4. Самосборка и самоорганизация сложных органических соединений, налаживание процессов обмена веществ и воспроизводства структур стабильного состава, приведшие к образованию первичных организмов (протобионтов).  

                           Источники энергии для химических  реакций включали: солнечное и  космическое излучение, электрические  разряды атмосферы, тепло вулканов  и радиоактивного распада земных  недр. Условием абиогенного образования  низкомолекулярных органических соединений было отсутствие свободного кислорода во избежание окисления исходных и промежуточных веществ, а также отсутствие живых организмов, которые сразу же  разрушали бы органические соединения или использовали их.

                         Наиболее разработанной гипотезой механизма превращения неживых пред биологических систем в живые, является коацерватная  (микросферная) концепция Опарина. Согласно этой теории:  за двести миллионов лет непрерывного отбора, обладающие амфотерностью молекулы белка, способные образовывать коллоидные гидрофильные комплесы, (способные притягивать к себе молекулы воды, формирующие вокруг них  эмульсионные оболочки), превратились в устойчивые структуры, обладающие мембранами, отграничивающими смеси органических веществ от окружающей среды, в простейший биологический организм – протоклетку. Являясь открытой самовоспроизводящейся системой, обменивающейся энергией и веществом с внешней средой, клетка стала универсальной основой  последующей  биологической эволюции.

3. Строение  и структура клетки, её место  и роль в живой природе. Основные, структурные уровни и формы организации биологических систем.

                           За три миллиарда лет существования на нашей планете живое вещество  развилось в несколько миллионов видов и все они - от бактерий до человека – состоят из клеток. Клетка - это минимальная, живая структура, которая способна усваивать пищу, самосохраняться и расти, размножаться путем деления, воспроизводя себе подобные, соответственно заложенной в ней информации. В 1665 году Гук в изданной книге сообщил об открытии им клеточного строения живого вещества. В конце 17 века Левин Гук при двухсоткратном увеличении наблюдал одноклеточные организмы, т.н. бактерии. Клеточная теория, или цитология сложилась в 19 веке, когда Броун в 1833 году открыл ядро растительных клеток, затем ботаник Шлейден  исследовал клеточную природу растительных тканей, а немецкий биолог Шванн, изучавший животные ткани в 1839 году впервые сформулировал основные положения о клеточном строении всех растительных и животных организмов. Тогда же, чех Ян Пуркене ввел понятие протоплазмы, осознав, что именно это клеточное содержимое, а не стенки клетки является живым веществом. Позже протоплазму клетки стали разделять на цитоплазму и ядро. В 1855 году  Вирхов установил, что все клетки образуются в результате деления других клеток, а затем он же и Геккель выяснили, что хранение и передача наследственных признаков осуществляется  с помощью клеточного ядра. В 1865 году Мендель открыл существование индивидуальных наследственных факторов (генов), что позже способствовало развитию цитогенетики.

                        Более высокое разрешение, не  доступное для световых микроскопов  и достигнутое в 30–годы 20 века  с помощью электронного микроскопа резко продвинуло изучение структуры клетки. Стало ясно, что клетка – это открытая, самовоспроизводящая химическая система, поддерживающая баланс со средой, поглощающая из вне необходимые вещества и выводящая наружу использованные и вредные вещества. Границей клетки, отделяющей её от внешней среды и регулирующей обмен, является  плазматическая мембрана. В каждой клетке содержится генетический материал в форме ДНК, регулирующий жизнедеятельность и самовоспроизведение, и цитоплазма. Размеры клеток измеряются в микрометрах (мкм) – млн.долях метра и в нанометрах (нм) – млрд.долях. Например, соматическая животная клетка средних размеров имеет 10-20 мкм в диаметре, растительная 30-50мкм,            бактерии - 2 мкм. Клетки существуют как самостоятельные организмы (простейшие бактерии) или входят в состав многоклеточных организмов. Половые клетки служат для размножения, соматические (греч.-тело) клетки различаются по строению и функциям: нервные, мышечные, костные, образуя те или иные ткани – мышечные, кожные и др. Каждый орган состоит из многих тканей, каждая ткань образуется особыми клетками.

                          Структура клетки включает органеллы  (ядро, секреторные гранулы, мембрана  и др.), выполняющие свой набор  функций  через химические  реакции, каждая из которых катализируется специальным белком – ферментом. Такая структура клетки позволяет организовать тысячи клеточных ферментов и сделать функционирование клетки целенаправленным. Функциональная специализация клеток в разных органах организма достигается не различием в их строении, а усиленным развитием тех или иных свойств, присущих почти всем типам клеток.

                           Понятие организм можно употреблять  к простейшим устойчивым образованиям, имеющим химические различия  внутренней и внешней среды, что и произошло с появлением мембраны. Это событие стало первым ароморфозом, т.е. точкой бифуркации в процессе биологической эволюции, поднимающей уровень биологической организации на принципиально новую качественную ступень. Древнейшие окаменелости микроорганизмов с клеточной оболочкой насчитывают возраст около 3,5 млрд лет. Т.е., жизнь на Земле возникла на едва сформировавшейся твердой земной коре в виде первых организмов – одноклеточных сине-зеленых водорослей и бактерий, доживших до наших дней и играющих большую роль в современной биосфере. Бактерии научились использовать энергию, выделяющуюся при окислении неорганических соединений в бескислородных условиях, существовавших на молодой планете. Другими словами, первые обитатели Земли не ели и не дышали. Азот, составляющий 78% современной атмосферы, залежи самородной серы, курские и криворожские железорудные месторождения – все это результаты жизнедеятельности бактерий.

                           Однако более эффективной и  перспективной оказалась другая биоэнергетика, основанная на использовании свободного кислорода – фотосинтезе, с помощью которого стало возможным получать ресурсы (углекислый газ) для синтеза органических веществ непосредственно из воздуха, отдавая взамен молекулярный кислород. Дата этого ароморфоза, определившего все последующее развитие земной жизни, остается не ясной. Низкая скорость обмена веществ у примитивных микроорганизмов определила промежуток в 1,5 млрд. лет, чтобы содержание кислорода в воздухе достигло 1,0% от современного значения. Но этот рубеж – точка Пастера, будучи достигнутым, радикально изменил ход событий. Во-первых, дыхание стало эффективным способом обеспечения организма энергией, многократно ускоряя обмен веществ и темпы эволюции. Во-вторых, из кислорода О-2 в верхних слоях атмосферы образовался озон О-3, защищающий от ультрафиолетового излучения солнца, что дало организмам возможность подняться в богатый питательными веществами и солнечной энергией приповерхностный слой океана, а затем и выйти на сушу. В-третьих, накопление химически активного свободного кислорода увеличило давление отбора на первые организмы, будучи для них токсичными ядовитыми отходами их же собственной жизнедеятельности. Этот первый глобальный экологический кризис в истории Земли положил конец абсолютной монополии существовавших   2 млрд. лет примитивных одноклеточных – прокариотов (безъядерных клеток) и способствовал очередному ароморфозу, происшедшему 1,3 млрд. лет назад – возникновению эукариотов (клеток, содержащих ядра). В ядре клеток была сосредоточена наследственная информация и механизм для ее передачи, что еще через 350 млн. лет сделало возможным половое размножение, которое перемешивая гены разных особей, обеспечивает мгновенный переход любого индивидуального «изобретения» (мутации) в генофонд популяции. Это повысило гибкость реагирования популяции и вида в целом на изменение условий жизни и ускорило эволюцию. Очередным, после возникновения эукариотов, крупным ароморфозом был переход на более высокий уровень организации- многоклеточность. Первыми эту попытку предприняли еще 3 млрд лет назад сине-зеленые водоросли, оставившие окаменевшие отпечатки своих колоний. Но в полной мере  это удалось около 1 млрд. лет назад, в конце докембрийского периода (геологическое время от возникновения Земли до 570 млн.лет назад) лишь эукариотам, сформировавшим крупные организмы со специализированными группами клеток. 650 млн.лет назад моря уже были населены кораллами, медузами, плоскими, кольчатыми червями и др. организмами.                

                          Общей чертой докембрийских существ было отсутствие твердых элементов (панциря, скелета, зубов или шипов), что свидетельствует об отсутствии хищников, питающихся другими организмами. Вопросы  исследования пищевых (трофических) потребностей организмов являются важнейшими. Существует два главных типа питания. К автотрофному типу относятся организмы, которые не нуждаются в органической пище и могут жить либо за счет ассимиляции углекислоты (бактерии), либо фотосинтеза (растения). Ко второму, гетеротрофному, типу принадлежат все организмы, которые не могут жить без органической пищи. По вопросу о том, какой тип питания возник в начале становления живых систем, мнение ученых принципиально расходится. Современный же системный подход смягчает разделение организмов на автотрофов и гетеротрофов, учитывая способность организмов синтезировать необходимые вещества для роста (витамины, гормоны, ферменты) обеспечивать себя энергией, источниками получения углерода, азота, водорода.

                         Возникший мир отдельных живых организмов – одноклеточных и многоклеточных стал первым организменным или как его еще называют онтогенетическим уровнем организации  живой материи. Применительно к нему, доминантным является подход, исследующий структуру и функцию отдельного организма, начиная с клетки, без учета его связей и взаимодействий с другими организмами. Однако, развитие живого мира необходимо привело к возникновению надорганизменных уровней организации живых существ, исследование которых потребовало уже иных подходов. 

                        Первым надорганизменным уровнем организации живых существ является популяционный уровень, который начинается с изучения взаимосвязи и взаимодействия между общностями особей одного вида, имеющими единый генофонд и занимающими общую территорию. Такие относительно изолированные общности, являющиеся целостными системами живых организмов и составляют определенную популяцию. Очевидно, что популяционный уровень выходит за рамки отдельного организма и поэтому, его называют надорганизменным уровнем организации живых структур. Сам термин «популяция» был введен в научный оборот одним из основателей генетики – Вильгельмом Иогансеном, который обозначал им генетически неоднородную совокупность организмов, отличая ее от однородной, называемую им «чистой линией». В дальнейшем это понятие приобрело глубокий смысл, характеризующий популяцию не столько как простую совокупность отдельных организмов, сколько как целостную их систему, в которой они непрерывно взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Именно благодаря этому, они становятся способными к трансформациям, изменению своего ареала  и, самое главное – к развитию.