9. Концепции и принципы биологического естествознания
9. Концепции и принципы биологического естествознания
9.1. Объекты биологического познания и структура биологических наук
Исторически биология развивалась как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях растительного и животного мира. Это позволяет в начале XXI века определить ее как совокупность наук о живой природе, многообразии существовавших и существующих живых организмов, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает закономерности, возникающие в живых системах во всех их проявлениях (метаболизм или обмен веществ, наследственность, изменчивость, рост, раздражимость, подвижность, приспособляемость и др.).
В биологии, как ни в какой другой науке, важнейшую роль играли и играют методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала, заложенные впервые Аристотелем, затем продолженные К. Линнеем (1707–1778 гг.), Ж. Бюффоном (1707–1788 гг.), Ж. Ламарком (1744–1829 гг.), Э. Сент-Илером (1772–1844 гг.) и великим Ч. Дарвином (1809–1882 гг.). Структуру биологии как науки, как обширной совокупности наук сегодняшнего дня, можно рассматривать с нескольких точек зрения классификации и систематизации: по объектам, по свойствам, по уровням организации живого, выделять в ней основные этапы и биологические парадигмы.
По объектам исследования биологию подразделяют на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.
По свойствам, проявлениям живого допускается следующая классификация биологических наук: морфология — наука о строении живых организмов; физиология — наука о функционировании организмов; молекулярная биология — наука о микроструктуре живых тканей и клеток; биоэкология — наука об образе жизни сообществ растительного и животного мира, их взаимосвязях с окружающей средой; генетика — наука о наследственности и изменчивости.
По уровню организации живых организмов выделяют: анатомию — науку о макроскопическом строении животных и человека; гистологию — науку о строении тканей; цитологию — науку о строении живых клеток.
Исторически в биологии свершились три этапа: 1-й — систематики (К. Линней); II-й — эволюционный (Ч. Дарвин); III-й — биологии микромира (Т. Мендель, 1822–1884 гг.), каждый из которых порождал соответствующую биологическую парадигму (научно-исследовательскую программу).
Выявленные в ходе изучения живого масштабы позволяют дать следующую иерархию (структуру) уровней организации живых систем, в которой отражены их сложность и закономерности функционирования:
1. Биосферный — рассматривающий целостность всех живых организмов и окружающей среды, порождающий глобальную экологию планеты.
2. Уровень биогеоценозов — структурный уровень единства флоры и фауны (биоценоза) с населяемой географической областью планеты. (Данное определение биогеоценоза предложил выдающийся советский биолог В. Н. Сукачев; употребляется как синоним экосистемы)
3. Популяционно-видовой уровень — образующийся свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.
4. Организменный или органо-тканевый уровень — все об отдельных особях: строение; физиология; поведение; функции органов и тканей.
5. Клеточный и субклеточный уровни — отражающие особенности функционирования и специализацию клеток, внутриклеточных особенностей.
6. Молекулярный уровень, на котором решаются проблемы генетики, генной инженерии и биотехнологий.
Не имея возможности осветить все аспекты биологических структур и концепций, остановимся лишь на особо значимых.
9.2. Гипотезы возникновения жизни и генетического кода
Первыми поставили как научную проблему и выдвинули гипотезу абиогенного синтеза органических соединений в условиях первобытной Земли русский биохимик А. И. Опарин (1894–1980 гг.), английский физиолог Дж. Холдейн (1860–1936 гг.) и английский физик Дж. Вернон (1901–1971 гг.). Сложность проблемы самой жизни, непонимание многих факторов и явлений, имеющих место на уровне клеток и организмов (возникновение матричного механизма, универсальность генетического кода при отсутствии универсальности белков, особенности структуры ДНК и др.)» заставила многих ученых зачастую обращаться к фантастическим гипотезам и теориям происхождения жизни. Так возникли гипотезы типа: жизнь создана Богом; занесена на Землю из космоса; внеземное послание других цивилизаций; генетический код как реликт, попавший на Землю от живых систем предыдущего цикла Вселенной, и т. д.
В проблеме происхождения жизни есть трудно разрываемая круговая проблема; для саморепродукции нуклеиновых кислот — основы генетического кода (будем считать этот факт хорошо известным каждому) — необходимы ферментные белки, а для синтеза белков — нуклеиновые кислоты; вот круг и замкнулся. Что первично: белки или нуклеиновые кислоты, «курица или яйцо»? Все существующие концепции происхождения жизни разделяются на две — голобиоз и генобиоз. Голобиоз основывается на первичности структур типа клеток, способных к элементарному обмену. Это концепция Опарина и его последователей. Генобиоз, напротив, первичными признает системы со свойствами генетического кода. Это концепция Дж. Холдейна, гипотеза так называемого «голого гена». Проблема противостояния концепций сводится к вопросу первичности или старшинства — генетической репродукции перед метаболизмом или, наоборот, метаболизма перед генетической репродукцией. Но как бы ни разрешилась эта проблема в будущем, сейчас надо принимать во внимание твердо установленные факты: диссимметрию или хиральность нуклеиновых кислот ДНК и РНК как фундаментальный признак живой материи, первичность молекулы РНК (сейчас уже под глубоким вопросом), наличия у нее автокаталитической способности, совмещения в ней черт фенотипа и генотипа. Но поиск ответов на вопрос надо вести и в других направлениях, особо принимая во внимание, что хиральность и первичность РНК не могли возникнуть в ходе длительной эволюции, а, скорее всего, возникли скачком, сразу, вдруг, за конечное время, в считанные годы, месяцы, сутки или, может быть, даже часы!
Одна из последних гипотез, переросшая к началу XXI века в теорию о происхождении жизни, основана на идее Н. К. Кольцова о матричном синтезе протоклеток и их структурных элементов на кристаллах апатита. Предложена она была четверть века тому назад владивостокскими учеными биологом Э. Я. Костецким и геологом В. В. Чернобровкиным. Они обратили внимание на следующие эмпирические факты: присутствие минерала апатита в живых системах в составе зубов и костей, наличие сходства периодичности в 3,4 А0 (1 А0 = 10-8 см, величина примерно равная размерам атома, получившая название ангстрем в честь шведского физика Ангстрема) в элементарной ячейке апатита и двойной спирали ДНК. Это дало основание выдвинуть гипотезу и затем построить теорию абиогенного синтеза нуклеиновых кислот, белков, нуклепротеидов и полисахаридов ни матрице апатита как основном источнике неорганического фосфата.
Гипотеза Костецкого и Чернобровкина учитывает также тот фундаментальный факт, что все клеточные элементы и целые организмы являются жидкокристаллическими гомеостатическими структурами. Исходя из сказанного, можно вести речь о реальных механизмах возникновения жизни, основываясь на твердофазных эффектах в минеральных и жидких кристаллах. Участие минералов в процессе возникновения жизни делает его закономерным, а время процесса весьма кратким (за конечное время, но никак не за многие миллионы или миллиарды лет). В клетках, какими мы их знаем сегодня, все элементы системы так тесно связаны друг с другом, самоорганизованы, что отсутствие даже одного из них, нарушает работу всей системы.
Первичные пробионты, по-видимому, должны были представлять собой хорошо упорядоченные образования. Возникает вопрос: а не были ли предшественники первичных протоклеток органическими кристаллами? Ведь кристаллы — это образования, способные к самосборке (о самосборке в живых организмах говорил и академик Николай Семенов), кроме того, в них имеется некоторая характерная периодичность, нарушаемая дефектами. Последние (дефекты) делают кристаллы потенциально высокоинформационными, поскольку могут приводить к образованию множества стабильных альтернативных конфигураций, что является необходимым условием для хранения информации. Кстати, американский физик Ф. Типлер как-то заявил: «Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором». Предполагаемый механизм синтеза первичных пробионтов, а кроме того, и их компонентов, также объясняет теория Э. Костецкого. Рассмотрим этот механизм.
Как мы уже отмечали ранее, возраст Земли (4,6 млрд лет) почти не отличается от возраста живых систем и оценивается в 4,2–4,0 млрд лет. При этом считается, что эукариотические (т. е. клетки с ядром) и прокариотические (т. е. клетки без ядра) клетки имеют близкий возраст. Время возникновения жизни совпадает с прогрессивным метаморфозом базальтовой коры, формированием гранитной оболочки и уходом плотной первичной атмосферы. Поверхность Земли тогда была нагрета до 600–700 °C, а из недр Земли шло активное выделение элементов восстановительной газовой фазы в виде свободных радикалов. В этот момент из остаточного магматического расплава шло формирование пегматитов (апатит, кальцит, слюда, кварц, полевой шпат и др.). Апатит обычно сокристаллизуется с этими минералами. Его решетка в этот период достаточно подвижна, в кристалле происходит диффузное замещение элементов решетки свободными радикалами элементов газовой фазы, чему способствуют атомные радиусы основных элементов решетки апатита, превосходящие размеры атомов газовой фазы в 3–5 раз. В явлениях диффузного замещения ключевая роль принадлежит температуре, космическим, ядерным и ультрафиолетовым излучениям, действующим на кристалл сверху, и полю напряжений, создаваемому газовой фазовой, действующему на кристалл снизу.
Все эти факторы ослабляют кристаллическую решетку и усиливают миграцию ее элементов и облегчают проникновение внутрь кристалла малых атомов газовой фазы. Синтез, по-видимому, происходил при температурах около 200 °C в безводной среде. В силу того, что в одной элементарной ячейке апатита есть несколько каналов проникновения газовых частиц, одновременно могло синтезироваться несколько органических молекул и между ними могли возникать взаимодействия. Нельзя исключать того, что вокруг одной ячейки могли синтезироваться сразу несколько, вплоть до 6 пар, цепей ДНК с белком, т. е. мог реализовываться вариант появления в одной протоклетке разного числа хромосом. В ходе однонаправленного синтеза (снизу-вверх), возникающий органо-минеральный комплекс будущей пробиотической системы получает в наследство от минерального кристалла все его естественные параметры, определяюшие и составляющие диффузный процесс в кристалле, а именно: воздействие сложнейшей и одновременной системы квантов света, электронов, протонов, ядерных излучений, рН, тепла и пр., т. е. основы будущего метаболизма и гомеостаза в клетке. Шла, как это можно образно отметить, естественная тренировка будущей клетки.
Гомеостаз позволял избежать высокой дефективности в решетке, а значит и в будущей пробиотической системе, после ее перехода из кристаллического состояния в жидкокристаллическое. Структурные элементы будущих протоклеток полностью повторяют особенности кристаллической решетки, ее дефекты, изоморфизм, наличие включения других минералов. Так, предполагается, что бездефектные области решетки апатита соответствуют неинформативной части ДНК (в основном сателитной, баластной) — вот естественное объяснение известного факта; дефектная же область соответствует информативной зоне ДНК. Места повышенной дефективности и сокристаллизации в апатите (см. выше) предпочтительны для формирования матричного механизма будущих протоклеток, которое, в отдельных случаях, не порождает двойной спирали ДНК, но и не запрещает формирование цепей РНК (считается, что они возникли первыми), нуклеотидных фрагментов типа АТФ, белков, так или иначе связанных с КНК или с их фрагментами (будущих ферментов).
Предложенный Э. Костецким механизм формирования органо-минеральных комплексов будущих протоклеток позволяет ответить на некоторые непростые вопросы, стоящие в проблеме возникновения жизни. Например, сами по себе отпадают вопросы:
1. О синтезе биополимеров в воде.
2. О создании упорядоченной живой системе, действующей против законов термодинамики, особенно против ее второго начала, — часть энергии отдается вовне за счет смены типов связей в решетке и замены решетки на жидкокристаллическую.
3. О возникновении структурной асимметрии (хиральности) биомолекул.
4. О возникновении матричного механизма синтеза пробионтов.
5. О возникновении универсального генетического кода (из-за синтеза на единой матрице апатита), при отсутствии универсальности в строении других структур из-за сокри-сталлизации с другими минералами и их различной дефективностью.
6. Об особенностях структуры ДНК эукариот (сателитность, умеренная повторяемость, уникальность) из-за особенностей решетки апатита, и не позволяющей живым системам избавляться в течение миллиардов лет от балластной ДНК, в силу необходимости поддержания гомеоста-тического состояния возникших на кристалле живых систем, и некоторые другие, не менее важные вопросы об особенностях происхождения жизни.
Движущей силой дальнейшей эволюции проток леток, по-видимому, были, прежде всего, такие изменяющиеся факторы внешней среды Земли, как рН, температура и, в связи с этим, качество энергии (ее слабовыраженная энт-ропийность, роль которой мы отмечали в главе 3), кон-центрация ионов и кислорода в морской воде, наличие органического материала, симбиотические процессы и катастрофы на Земле.
Хотелось бы отметить еще одну современную гипотезу о происхождении жизни, высказанную русским геологом Ю. А. Колясниковым, основанную на особой роли воды. Многие разделяют мнение, что вода — главный минерал мироздания, имеющий уникально простой состав, но загадочную структуру, до конца пока не познанную. Использование воды, точнее, ее структурных сверхсжатых тетра-меров (особых образований из четырех молекул воды), обусловлено наличием в них распределенных поровну правых и левых Н-связей (водородных связей), т. е. обусловлено хиральностью тетрамеров. Еще давно П. Кюри, Л. Пастер и В. Вернадский полагали, что хиральность живого вещества есть следствие диссиметрии окружающей среды, в данном случае — воды. Доказано в последнее время, что в концентрированных растворах кремнезема и биополимеров тетрамерная вода образует правые и левые спиральные цепочки, в которых, благодаря электрической дипольности входящих в их состав молекул воды, может быть записана некая информация. Используя такие уникальные свойства воды, Ю. Колясников обосновывает свою гипотезу биопоэза, в которой первоначально синтезируется левовращающая, т. е. хиральная, аминокислота, а затем идет синтез Сахаров — основы нуклеиновых кислот, на правых спиральных цепочках. Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов сопровождался генерацией водных димеров и неумолимо вел к образованию сложных нуклепротеидных комплексов, с записью в их примитивной РНК возникающего однозначного генетического кода.
Помимо этих гипотез, необходимо упомянуть также о гипотезе академика Эрика Галимова, изложенной им в книге «Феномен жизни» в 2001 году, в которой началом жизни признается появление бескислородной молекулы аденина. Отмечается, что ферментативный катализ и репликация кодирующих молекул являются непременными свойствами живых систем. Поэтому искать надо модели изначального возникновения автокаталитических и самореплицирующих систем. Начало биогенеза тогда следует связывать с возникновением элементарной стационарной химической ячейки. Первым шагом в этом направлении является появление молекулы или молекулярной системы, которая бы обеспечила трансформацию энергии внешней среды в химическую энергию. Далее необходимо, чтобы с химической реакцией, доставляющей энергию, могли сопрягаться химические реакции, способные к созданию низкоэнтропийного продукта, т. е. реакции, идущие с усложнением организации. Молекулой № 1 в этой гипотезе признается аденозинтрифосфат (АТФ) и молекулой № 2 транспортная РНК t-PHK), которые, однако, возникают в разное время и в разных условиях (местах), что делает их объединение проблематичным.
Нельзя не указать и на идеи, изложенные американским физиком и биофизиком Ф. Дайсоном в его книге «Происхождение жизни». В ней он, основываясь на анализе обширного материала, пришел к выводу, что очередность в возникновении биополимерных структур могла быть иной, чем ее предлагают другие авторы. По Дайсону, сначала возникла примитивная клетка, затем ферменты и только потом гены. Дайсон полагает, что: 1) на первых этапах живые организмы представляли собой метаболические ячейки без механизма репликации; 2) огромное разнообразие живых организмов возникло на основе сравнительно небольшого ассортимента молекул органических веществ; 3) «центральная догма» современной биологии (ДНК — РНК — белки) о ключевом положении нуклеиновых кислот и их первичном возникновении полностью несостоятельна.
Как видим, гипотез и мнений о начале происхождения жизни много. Но мы будем считать, как данность, что необходимая нам клетка, как элементарная единица жизни, возникла. В процессе эволюции обмена веществ (метаболизма) в клетке и выработки ею энергии, можно выделить 4 этапа или фазы. Первый — ферментация, побочным продуктом которой является углекислый газ. Второй этап — гексозомонофосфатный цикл, в ходе которого выделяется водород и углекислый газ и который является одним из первых примеров метаболического расщепления воды в физиологическом процессе, дающем клетке необходимую ей энергию. Третий этап — фотофосфорилирование, т. е. непосредственное использование солнечной энергии для выработки фосфатов, в том числе, таких, как аденозинтрифосфат (АТФ), обладающих высокой энергией. На этом этапе развития одноклеточные организмы научились вырабатывать пигмент — хлорофилл, с помощью которого образуется энергия света. Это привело к четвертому, самому важному и фундаментальному этапу, — этапу фотосинтеза. Клетка начала поглощать солнечный свет для синтеза глюкозы, выделяя в качестве побочного продукта молекулярный кислород. Таким образом, кислород начал попадать в атмосферу.
Существует, однако, одна необычная гипотеза о появлении кислорода в атмосфере, высказанная русским геофизиком О. Сорохтиным. Он полагает, что первый кислород в атмосфере появился и продолжает появляться в нашу эпоху из-за расплавления окислов, в основном окислов железа, достигших, при опускании вместе с мантией, границы ядра Земли. Освободившись из окисла, кислород идет вверх, встречает снова неокисленное железо, захватывается им, идет опять вниз к границе мантии, расплавляется, снова освобождается и так до тех пор, пока путь вверх к поверхности Земли и далее, в атмосферу, не становится свободным! Кстати, как полагает автор гипотезы, когда все процессы в недрах Земли закончатся, примерно через 2 млрд лет, весь кислород, постепенно, конечно, выйдет наружу, и тогда давление в атмосфере достигнет значений 1–2 тысяч атмосфер!
9.3. Концепции начала и эволюции жизни
Поскольку жизнь появилась наверняка, когда появилась первая клетка, то отсчет жизни необходимо вести от клетки. Жизнь клеток формировала окружающую среду и самих клеток, так утверждает основная гипотеза в учении о биосфере В. И. Вернадского. Клетки, первоначально примитивные и недифференцированные по возможностям и способностям, все же немного (флуктуационно, как это положено для возникновения всего нового и необычного) по этим функциям, т. е. способностям и возможностям, отличались.
В первобытную эпоху атмосфера Земли состояла из вулканических газов, отравленных метаном и аммиаком, не было тогда ни кислорода, ни углекислого газа — ничего иного, что необходимо для поддержания жизни (подробности см. в книге академика Э. М. Галимова. «Феномен жизни», 2001). Без риска ошибиться, можно утверждать, что только в океане могла развиться жизнь, в котором она представлена неисчислимым разнообразием форм, начиная с появившихся, по меньшей мере, 4,2–4,0 млрд лет назад и кончая сегодняшними, находящимися в единстве с прошлым.
Океан того времени представлял собой что-то вроде органического бульона, в котором могло происходить все то, что привело в конечном итоге к образованию клетки. Но жизнь навеки осталась связанной с океаном. В организмах большинства морских беспозвоночных циркулирует раствор ионов, который, по существу, является морской водой. Кровь позвоночных по ионному составу близка морской воде, разведенной в 3–4 раза, что, по предположению ряда ученых, соответствует составу морской воды далекого прошлого, того, когда у наших предков образовалась закрытая система кровообращения.
Планктон, прежде всего сине-зеленые водоросли (первые одноклеточные организмы), которые существуют и поныне, в допалеозойскую эру наполнил атмосферу кислородом (но не исключаем, что кислород мог поступать из недр Земли, в соответствии с гипотезой российского геофизика О. Сорохтина, как мы укажем в следующем пункте) в количестве, достаточном для эволюции многоклеточных уже за 10 млн лет до кембрийского периода, т. е. 600–650 млн лет назад. Скелеты и раковины мельчайшего одноклеточного планктона — радиолярии и фораминиферы — сформировали в тот период дно Мирового океана.
Следующим шагом в эволюции многоклеточных организмов следует считать возникновение растений и животных. Это происходило в несколько этапов. На первом этапе клетки просто объединялись в колонии, в которой каждая клетка оставалась относительно самостоятельной. В колонии, например, в португальском кораблике, возникла специализация клеточных организмов. По крайней мере, в португальском кораблике таких разновидностей специальных организмов четыре: первый выполняет функции плавника, второй щупальца — орудия лова, третий — пищеварительного тракта, и четвертый отвечает за функцию размножения.
По мере дальнейшей «специализации» живые организмы, входящие в состав более крупного организма, утратили свою индивидуальность. У него стала образовываться полая сфера, имеющая два слоя: энтодерму (внутренний слой) и эктодерму (наружный слой), и ротовое отверстие, ведущее в центральную, пищеварительную, полость. Такова элементарная структура, являющаяся основой строения тела всех кишечно-полостных, например, медуз.
Структура животных совершенствовалась, образовывался средний слой — мезодерма, и сформировалась полость тела (как у червей). Позднее из эктодермы образовались нервная система и другие органы. Сначала же произошла его перестройка, а именно, возник слой, защищающий мягкие тела животных (кишечнополостных), но не приведший к образованию ненужных им в водах океана тканей. Это произошло позднее и при участии мезодермы: когда началась миграция живых существ из океана, тогда развился внутренний скелет (появились хордовые, позвоночные).
Всю историю, эволюцию организменной жизни, можно проследить в трех измерениях. Во-первых, в диахронном, или временном, измерении. Во-вторых, в синхронном измерении, полагая, что все или почти все формы жизни, которые когда-либо существовали, существуют и теперь. И, в-третьих, в минрохронном измерении, что обусловлено рекапитуляцией (повторением) предковых форм в индивидуальном развитии эмбрионов большинства ныне живущих организмов.
В первом измерении жизнь предстает по вертикали, во временной шкале, во втором измерении жизнь предстает как бы по горизонтали, начиная путь от простейших организмов к наиболее сложным, а вот третье измерение сжимает все эти эпохи жизни до периода вынашивания плода.
Биологические науки точно установили, что в первом, в диахронном измерении, в палеозойскую эру, в докембрийский период (эпоху) (не ранее 600 млн лет назад) появились губки; в кембрийский (500–600 млн лет назад) — трилобиты, моллюски и первые ракообразные; в ордовик (425–500 млн лет назад) — двустворчатые моллюски, наутилоиды и первые позвоночные, первые рыбы; в силурийский период (405–425 млн лет назад) — коралловые рифы; в девон (345–405 млн лет назад) — многочисленные рыбы и земноводные, появление насекомых; в каменноугольный период (280–245 млн лет назад) — гигантские насекомые; в пермский период (230–280 млн лет назад) вымирают трилобиты, процветают пресмыкающиеся. В мезозойскую эру в триасе (181–230 млн лет назад) — появляются первые млекопитающие; в юр и мел (63— 181 млн лет назад) — время расцвета и вымирания динозавров. И, наконец, в кайнозойскую эру в третичном периоде (1-63 млн лет назад) млекопитающие распространились на суше, и в раннем четвертичном периоде появился человек (около 5–1 млн лет назад), переживший четыре ледниковых периода в эти годы становления и возмужания.
Можно отметить два выдающихся момента в указанной эволюции. Первый — происхождение позвоночных от простых сидячих (неподвижных) форм, появившихся путем фильтрации, и второй момент — переход от рыбы к земноводному. Тела сидячих организмов, практически пищеварительная система, прикреплялись ножкой к морскому дну, тогда как другие ножки направляли плавающие пищевые частицы в ротовое отверстие. В ходе эволюции совершенствовался их аппарат фильтрационного питания, так что, в конце концов, он превратился в ряд жаберных щелей, первичной функцией которых было не дыхание, а питание. В какой-то момент эволюции после почкования и образования личинок, передвигаясь в поисках подходящего места, личинка с крупной головой с жабрами и мускулистым хвостом, усиленным продольной желеобразной хордой — нотохордой (прообразом позвоночника), быстро переходила во взрослую форму оболочника, которая не всегда сопровождалась сидячей стадией, а иногда заменялась на свободно плавающую.
Связующим звеном между рыбами и земноводными является целакант (родственник кистеперых рыб). У целакантов из парных плавников развились конечности, тогда же образовалось что-то вроде легких, в результате чего они приспособились для дыхания и передвижения на суше, поэтому и смогли развиться земноводные.
Во втором, «синхронном» измерении эволюции, можно взять, например, сложную, с ответвлениями пищевую цепь. Тогда мы увидим, как мельчайшие растения, диатомные водоросли и всевозможные жгутиковые, которые и составляют фитопланктон, плавают в поверхностных водах, как мельчайшие животные — веслоногие рачки, криль или личинки крабов — поедают этот фитопланктон. А их, в свою очередь, поедают более крупные рыбы, например, скумбрия или сельдь, заканчивающие свое существование в желудках еще более крупных рыб, таких как тунец или меч-рыба. Вообще, только одна рыба из 10 000 не заканчивает свою жизнь в пасти другой. Можно также, в синхронном измерении, расположить все живые существа в зависимости от места обитания и т. д.
В третьем, микрохронном измерении, наиболее впечатляющим является развитие зародыша человека. Зародыш проходит все стадии мельчайшего существа, похожего на головастика, хордового, хрящевого анималькуля, прежде чем станет позвоночным, и стадии организма, дышащего жабрами, прежде чем появятся легкие. У каждой из стадий этого быстрого развития имеется соответствующая прошлому пространственно-временная точка (прямо можно сказать — мировая точка в пространстве Минков-ского). Так, например, у плода человека сердце развивается как простое расширение главного кровеносного сосуда. Расширенный участок разделяется на четыре части, расположенные одна за другой. Затем сосуд перекручивается назад и приобретает шаровидную форму (шар наиболее совершенная симметричная форма из пространственных), причем два отдела складываются (ушки предсердий) над двумя другими (желудочками). Это и есть сердце.
Такую же сложную, из трех измерении, модель можно построить и для всей биосферы, включая океаны, где жизнь зародилась, пресноводные водоемы, где она развилась так мощно.
Развертывание жизни. Дарвинизм и неодарвинизм. Первая теория эволюции была сформулирована в начале XIX века Жаном Батистом Ламарком — выдающимся натуралистом-самоучкой, введшим термин «биология». Ламарк оказал сильное влияние на Чарлза Дарвина. Но это влияние уже практически отсутствовало, когда Дарвин опубликовал свою теорию в 1859 г. в фундаментальной работе «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за выживание». Кстати, в другом варианте дополнение к первому, главному названию переводится так: «Сохранение избранных рас в борьбе за выживание» (с латыни раса переводится как род, порода). Следует отметить, что одновременно с этой книгой была опубликована также статья другого англичанина Альфреда Уоллеса «О стремлении разновидностей бесконечно удаляться от первоначального типа», в которой излагались взгляды, абсолютно сходные с взглядами Дарвина, однако без всяких претензий Уоллеса на приоритет, который он безоговорочно отдавал своему более именитому соотечественнику. Теория Дарвина основывалась на двух идеях: случайные мутации и естественный отбор. Центральная мысль дарвинизма заключается в том, что все живые организмы имеют общее начало, общее происхождение. Различие между классической теорией эволюции (дарвинизм) и новыми теориями (неодарвинизм) заключается в разном подходе к рассмотрению динамики эволюции. Согласно утверждениям Дарвина, наследственные характеристики передаются потомкам от их родителей по 50 % поровну в первом поколении; таким образом, во втором поколении наследуется только 25 % характерных признаков и т. д. В этом отношении классическая теория Дарвина имела явный изъян (называемый «кошмар Дженкинса», по имени английского инженера Дженкинса, обратившего на него внимание ученого мира), не согласовываясь с реальной жизнью. Проповедниками дарвинского учения стали Эрнст Геккель и Герберт Спенсер, особенно последний закрепил в нем термин эволюция, хотя сам Дарвин предпочитал это понятие не употреблять.
Решение последней проблемы пришло вместе с открытием Менделем в 1866 году механизма передачи наследственных признаков (но, как известно, работа Менделя и его законы оставались незамеченными в последующие 40 лет, до их переоткрытия). Комбинация идей Дарвина о постепенных эволюционных изменениях живых организмов с генетическим механизмом Менделя и происходит в теории, носящей сейчас название неодарвинизм, или синтетическая теория эволюции. И у дарвинизма, и у неодарвинизма есть слабое звено в их теоретических построениях — долженствование постепенного непрерывного изменения живых организмов.
Как показывают исследования ископаемых организмов, в истории жизни существовали периоды длительностью в сотни тысяч лет и более, на протяжении которых не наблюдались изменения организмов. Период бурного изменения живых организмов на Земле начался примерно 1 миллион лет назад. В связи с этим появилось новое направление в теории — системные представления эволюции. В этой теории возможно спонтанное образование новых форм живых структур. Джеймс Ловлок и Линн Маргулис развили теорию Гея-Земли (ГЗ), которая в общих чертах заключается в том, что нельзя рассматривать развитие живых организмов в отрыве от развития, изменчивости окружающей среды. Согласно ГЗ-теории, нет отдельных живых организмов, есть в целом глобальная система, которая живет, развивается, эволюционирует.
Эволюция через симбиоз. В микробиологии считается, что фундаментальное деление форм жизни заключается не в делении на животные и растительные формы, а деление этих форм по виду клеток — ядерные (эукариоты) и безъядерные (прокариоты). Бактерии, простейшие формы жизни, не имеют клеточного ядра и поэтому называются прокариотами, тогда как клетки, содержащие ядра, называются эукариотами. Одной из ключевых гипотез современной теории эволюции является гипотеза Линн Маргулис о симбиозе. Симбиоз — это тенденция различных организмов жить в тесном содружестве с другими организмами и часто жить внутри других организмов (как, например, это делают бактерии). Согласно гипотезе Л. Маргулис, митохондрии в клетках были в давние времена отдельно существующими бактериями, внедрившимися когда-то вовнутрь клеток другого организма. Предложенный Маргулис эволюционный механизм путем симбиоза, может быть, был более важным и предпочтительным, чем стандартный путь эволюции по Дарвину, который сегодня никак нельзя считать безупречным и безальтернативным другим предлагаемым механизмам.
9.4. Системная иерархия организации живых организмов и их сообществ
Все живые существа (как животные, так и растения) состоят из клеток. Из клеток строятся ткани, из тканей — различные органы и их системы. Клетки животных и растительных организмов имеют примерно одинаковое строение. Важнейшей их частью является ядро. Оно контролирует всю жизнедеятельность клетки: обмен веществ, рост и размножение. Удаление ядра из клетки приводит к ее гибели.
Ядро клетки окружено полужидкой субстанцией — цитоплазмой. Цитоплазма почти всех растений содержит небольшие белковые тельца — пластиды. В пластидах заключен хлорофилл — вещество, которое придает растениям зеленую окраску. Благодаря наличию хлорофилла, растения способны осуществлять процесс, называемый фотосинтезом. В ходе фотосинтеза растения, используя энергию солнечного света, превращают в органическое вещество громадное количество углерода (по подсчетам ученых, около 200 миллиардов тонн ежегодно).
Каждая клетка животных и растений окружена плазматической мембраной. Мембрана играет чрезвычайно важную роль в регулировании содержимого клетки: через нее проходят все питательные вещества и все отходы (продукты секреции) клетки. Растительные клетки, кроме мембраны, снабжены еще плотной клеточной стенкой. Она во многих местах имеет мельчайшего размера отверстия, через которые вещество одной клетки переходит в другую. Клеточная стенка служит опорой растительного организма.
Основные структурные различия между животными и растительными клетками немногочисленны. Во-первых, животные клетки, в отличие от растительных (исключая низшие растения), содержат небольшие тельца — центриоли, расположенные в цитоплазме. Во-вторых, как уже говорилось, клетки растений имеют в своей цитоплазме белковые образования — пластиды, которых нет у животных. И, в-третьих, клетки растений обладают упомянутой ранее клеточной стенкой, благодаря которой они сохраняют свою форму. Животные клетки располагают лишь тонкой плазматической мембраной и поэтому способны двигаться и менять форму.
Все живые организмы, то есть растения и животные, характеризуются, в той или иной степени, определенными размерами и формой, обменом веществ, подвижностью, раздражимостью, ростом, размножением и приспособляемостью. Перечисленные выше свойства отличают живое от неживых объектов. Определить же, какие существа относятся к растениям, а какие к животным, совсем не просто, как может показаться на первый взгляд. Конечно, знакомые большинству людей такие представители животного мира, как домашние животные, а растительного — различные виды деревьев, кустарников и трав не вызывают особых затруднений.
Однако в природе существует ряд организмов, которые находятся как бы посреди двух царств — растений и животных. Для примера назовем простейшее одноклеточное существо эвглену зеленую. Она двигается как животное, а питается как растение. Таким образом, эвглена представляет собой как бы переходное звено между растительным и животным миром.
Какие же свойства и различия живых организмов позволяют нам относить одни к растениям, другие к животным? Мы уже их назвали при характеристике животных и растений. Повторим еще раз наиболее важные. Во-первых, различия в способе питания, во-вторых, различия в структуре клеток и их способности к росту (у растений, в отличие от животных, некоторые клетки сохраняют способность к активному росту на протяжении всей жизни растительного организма). И, в-третьих, различия в способности к движению: большинство растений прикреплено к одному месту, значительная же часть животных ведет подвижный образ жизни.
Распутать сложную сеть родства организмов, определить степень их родства — вот задача, которую естествоиспытатели стремились разрешить в первую очередь. В результате неустанных поисков ученых в XVII веке появилась классификация, систематика, живых существ, не потерявшая своего значения до сих пор. Ее предложил великий шведский ученый-систематик Карл Линней.
Линней решил дать названия всем растениям и животным, которые были известны в его время. Окончательное завершение эта работа получила в его сочинении «Система природы», опубликованном в 1735 году. Классификацией Линнея, предложенными им названиями растений и животных, до сих пор пользуются ботаники и зоологи всего мира. Самой маленькой систематической единицей у Линнея, а также во всех системах, которые создавались уже после него, стал вид, самой крупной — тип. Во всей сложности и подробностях систематику Линнея и других мы здесь рассматривать не будем, ограничимся минимумом сведений.
Вид — совокупность (популяция) сходных особей, имеющих одинаковое строение и функции. В природе особи одного вида скрещиваются только между собой. Близкородственные виды группируются в следующую, более высокую систематическую единицу — род.
Научное (латинское) наименование животных и растений состоит из двух слов. Это позволяет избежать путаницы при классификации. Двойные названия, первое из которых обозначает род, второе — вид, получили все растения и животные. Так домашнюю кошку (сиамскую, персидскую, абиссинскую и т. п.) Линней назвал Felis domestica. К этому же роду принадлежат «царь зверей» — лев (Felis leo), тигр (Felis tigris), леопард (Felis pardus).
Подобно тому, как виды объединяются в роды, близкие роды составляют семейства, семейства — порядки, или отряды, а последние — классы. Род кошек, род собак и человеческий — все относятся к классу млекопитающих. Классы объединяются в типы. И млекопитающие, и земноводные, и птицы, и рыбы — все принадлежат к типу позвоночных; как сильно они ни разнятся между собой, для всех них характерен один общий признак — позвоночник и костный скелет.
Сегодня ученым известно, что на нашей планете имеется 31 род бактерий; 150 родов (1400 видов) сине-зеленых водорослей (общее число видов водорослей достигает 40 тысяч); около 200 тысяч видов грибов; около 16 тысяч видов лишайников; мхов — свыше 18 тысяч видов. Количество всех видов растений достигает 500 тысяч. Причем не все еще виды растений удалось открыть, и кто знает, какие еще неожиданности ждут исследователей.
Еще больше на Земле животных. Простейших одноклеточных организмов сейчас известно около 15 тысяч видов; кишечно-полостных — от 5 до 9 тысяч; червей плоских — 6500 видов; червей круглых — от 5 до 8 тысяч; червей кольчатых — до 7600 видов; млекопитающих — 12540 видов; птиц — 16 тысяч; пресмыкающихся и земноводных — 9 тысяч; рыб — 20 тысяч видов. А всего видов позвоночных — около 70 тысяч; видов всех животных, населяющих Землю, — более полутора миллионов.
Ученые пока не установили, к какому виду или подвиду животных можно отнести некоторые группы обитателей нашей планеты. В свое время Линней заметил, что все не так просто укладывается в его систему. Невозможно было не обратить внимания на гибриды и помеси, возникшие, очевидно, намного позже «сотворения мира». И верующий, но принципиальный и честный ученый, каким был Линней, высказал крамольные, с точки зрения церкви, мысли о том, что сама природа перемешала и умножила существующие виды. Уже Линней понимал, что весь живой мир в своем существовании проходит несколько ступеней изменений. И хотя шведский ученый не считал себя сторонником эволюционного учения (во времена Линнея это была теория эволюции Ламарка), позже его систематика, многочисленными фундаментальными факторами, помогла Чарлзу Дарвину создать теорию эволюции.
Постепенно становилось очевидным, что всю живую природу можно было бы сравнить с иерархической «лестницей» существ. На нижних ее ступенях — простейшие одноклеточные организмы, на верхних — бесконечно сложные существа, растения, животные и, наконец, человек.
По мере того, как мы знакомимся с жизнью ныне существующих видов, становится ясно, что каждый вид зависит еще и от других живых существ, и от тех условий, в которых он обитает. Итак, жизнь любого вида зависит от многих сложных взаимосвязей, географических особенностей расположения материков и т. д
9.5. Экосистемы, экология и взаимоотношения живых существ
Закономерности взаимоотношений живых существ с окружающей средой изучает специальная наука — экология. В переводе с греческого языка слово «экология» означает; «изучение дома». Иногда «дом», место обитания, бывает самым неожиданным.
Все организмы, существующие на Земле, приспособились к определенному атмосферному давлению. Однако с помощью шаров-зондов удалось обнаружить споры бактерий и плесневых грибков на высоте 33 километров, где давление значительно ниже. Бактерии живут в радиоактивных урановых рудах, в сероводородной среде, даже в таком ядовитом веществе, как концентрированный раствор хлористой сулемы. Бактерии были обнаружены и на глубине 4 тысяч метров — в нефтеносных слоях, и в горячих источниках, богатых борной кислотой. Живые организмы существуют и при гигантских давлениях — на глубине более 10 километров, и в холоде вечных льдов Арктики и Антарктики.
И в знойной, казалось бы, совсем безжизненной Сахаре, где влажность достигает всего 0,5 процента, существует 98 видов бактерий, 28 видов грибов и 84 вида водорослей. Живые существа, некоторые, иногда могут долгое время обходится без воды. Обитающий в Северной Нигерии комар откладывает яйца в мельчайшие щели скал, заполненные водой. Когда маленькие лужицы высыхают, личинки комара приостанавливают свое развитие. Но стоит пройти новому дождю, и они, как ни в чем не бывало, оживают вновь.
Дрожжи и несколько видов бактерий способны существовать даже в бескислородной среде. Личинки комара хирономуса живут и развиваются в воде, содержащей в тысячу раз меньше кислорода, чем обычный воздух. В воде некоторых водоемов бывает в 2 тысячи раз меньше кислорода, чем в воздухе, но и там есть жизнь.
Все живые существа обладают колоссальным биотическим потенциалом, иначе говоря, способны размножаться с такой скоростью, что, если бы их размножению ничто не препятствовало, они наводнили бы собой всю биосферу.
Что же противодействует такому перенаселению? Почему, несмотря на удивительную приспособленность к неблагоприятным условиям, живые организмы все-таки гибнут?
Голод, несчастные случаи, стихийные бедствия, болезни, уничтожение одних видов другими — все, вместе взятые, причины такого рода называют сопротивлением среды. Каждый вид должен был выработать такие качества, которые бы позволяли ему преодолевать это сопротивление среды. На протяжении миллионов или даже миллиардов лет возникла адаптация — приспособленность к окружающим условиям, или та знаменитая «целесообразность», которая поражает воображение и кажется порой сверхъестественной.
Каждая из адаптаций появилась в результате того, что среда постоянно отсеивала неблагоприятные наследственные изменения, появляющиеся у всех без исключения видов растений и животных. Действие естественного отбора не прекращается ни на минуту — выживают только наиболее приспособленные.
Экологи изучают различные типы приспособляемости, и уже выявлены некоторые закономерности, помогающие понять это чудесное свойство всего живого. Известны три основных типа адаптации: структурные изменения — окраски, строения тела отдельных органов и т. п.; физиологические и поведенческие.
Группу организмов, относящуюся к одному или близким видам и занимающую определенную область, в экологии называют популяцией. Популяции входят в состав биоценозов — в совокупность растительных и животных организмов, населяющих участок среды обитания.
Прежде чем продолжить рассмотрение каких-либо конкретных экосистем, определим их основные элементы.
1. Абиотическая (неживая) среда — вода, минеральные вещества, газы, органические вещества неживой природы и гумус.
2. Продуценты (автотрофы) — производители первичной биологической продукции. К ним относят живые существа, способные строить себя из неорганических материалов (углекислого газа, воды, минеральных веществ) в процессе приобретенного и унаследованного с реликтовых времен фотосинтеза.
3. Консументы (они же гетеротрофы) — организмы, являющиеся в пищевой цепи потребителями органического вещества. Консументы первого порядка — растительноядные животные; консументы второго, третьего и т. д. порядков — хищники.
4. Редуценты (от лат. возвращающий, восстанавливающий), они же деструкторы, разлагатели — организмы (сапротрофы), разлагающие мертвое органическое вещество и превращающие его в неорганические вещества, которые в состоянии усваивать другие организмы — продуценты. Редуценты — это бактерии, грибы, прочие микроорганизмы, а также черви, личинки насекомых, другие мелкие почвенные организмы, способные превращать органическое вещество в минеральные соединения. Взаимодействие продуцентов, консументов и редуцентов обеспечивает биотический круговорот. Последний представляет собой непрерывный процесс создания и деструкции органического вещества. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет. В океане циркуляция идет во много раз быстрее, например, масса фитопланктона обновляется каждый день, смена кислорода в атмосфере происходит за 2000 лет.