Биологическая химия или предбиология

 

Биологическая химия как интегративное направление на стыке биологии и химии берет свое начало в самом конце XIX века. Уже на рубеже веков были открыты и синтезированы сложные органические соединения, играющие важнейшую роль в строении и функционировании клетки. Были изучены белки, уровни их организации и их функции, липиды, их энергетическая и мембранная функции, структурная и энергетическая функции углеводов. Нуклеиновые кислоты начали активно изучаться лишь после того, как в 1953 году английский кристаллограф Ф. Крик и американский биохимик Д. Уотсон методами рентгеноструктурного анализа установили пространственную структуру молекулы, несущей в себе информацию о наследственных свойствах организмов – дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК).

Химия сделала очень многое для вскрытия природы биологических процессов. Ею выявлена роль:

- хлорофилла в фотосинтезе;

- гемоглобина как основы процесса дыхания;

- химическая природа работы мозга и передачи нервного возбуждения;

- энергетика внутриклеточных процессов и в организме;

- материальные основы регулятивного и наследственного механизмов;

- структура, строение и функции нуклеиновых кислот и других сложных соединений, входящих в состав клетки.

Огромное значение химические исследования имеют для выявления клеточного метаболизма (обмена веществ) - совокупности большого числа сопряженных химических реакций, которые протекают синхронно, в строгой последовательности. В результате образуются длинные цепи реакций, способствующих самосохранению и самовоспроизведению всех организмов.

Химией установлена решающая роль катализа в самоорганизации жизни на предбиологической стадии эволюции материи. В процессе перехода к простейшим формам жизни происходил дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для биосистем. Из 110 известных нам химических элементов, в космосе господствуют только 2 элемента – водород и гелий. Для строительства биосистем природа использовала:

- 6 наиболее важных элементов - органогенов (C, H, O, N, P, S);

- 12 элементов, которые принимают участие в некоторых процессах – натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель;

- 20 – которые участвуют в построении и функционировании отдельных узкоспецифических систем.

Наиболее распространенными из органогенов являются С, О и Н, доля остальных невелика.

Строгий отбор элементов для строительства биосистем предъявляет особые требования к элементам-органогенам:

- способность образовывать прочные энергоемкие связи;

- лабильность т.е. способность к образованию различных связей.

На этом основании углерод, способный к образованию прочных и разнообразных химических связей, созданию разнообразных соединений с другими элементами и длинных цепей, был «отобран» природой как органоген номер 1. Он стал основным строительным материалом живого вещества.

 

БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

 

Общие представления

На сегодняшний день нет достаточно четкого определения, что такое жизнь. С точки зрения материалистической философии жизнь - это особая форма движения материи. С биологической точки зрения жизнь - это особая форма существования белковых структур.

С точки зрения системно-синергетического подхода жизнь - это форма существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизведению (М. Волькенштейн).

Это определение является наиболее полным, так как отражает принципиальное отличие живой материи от косной. По сравнению с последней, жизнь - это качественно новая форма организации материи, основные свойства которой - способность усваивать энергию Солнца за счет фотосинтеза и воспроизводить из неживого живое.

Структурная организация живого и проблемы самоорганизации обсуждались в предыдущих разделах. Только необходимо добавить, что в живых системах процессы саморегуляции осуществляются на уровне активного обмена веществом, энергией и информацией. Это связано с тем, что реакции живого организма на воздействие среды носят опережающий характер.

Элементарная единица такого организма - клетка. Ей присущи все признаки живого - обмен веществ, раздражимость, самоорганизация, саморегуляция, самовоспроизведение, передача наследственных признаков. Она является самоорганизующейся биохимической системой, состоящей из большого числа согласованно функционирующих органоидов. Клетка, хотя и обладает всеми функциями живого, не способна к самостоятельному существованию (за исключением одноклеточных организмов) в открытой среде. Основа клетки - сложнейшие биополимеры, играющие важные функциональные роли в системе сопряженных автокаталитических циклов, составляющих основу жизнедеятельности живых организмов.

Важное проявление жизни биологической системы - деление клетки. С ростом клетки ухудшаются условия питания ее элементов, что должно привести к замедлению процессов жизнедеятельности. Кроме того, рост клетки связан с построением копий каждого ее элемента. Вследствие этого снижаются возможности управления внутренними процессами. Эти явления приводят к повышению энтропии клетки и способствуют ее переходу в неустойчивое состояние, выход из которого - деление материнской клетки на две дочерние. Наиболее благоприятные условия для деления складываются в момент удвоения массы, при этом лишняя энтропия сбрасывается в окружающее пространство и образовавшиеся две новые системы вновь обретают устойчивость до очередного момента деления. Отдельной клетке в отличие от одноклеточного организма практически невозможно выжить в одиночку. В средах с определенными условиями они образуют колонии. Однако и здесь после нескольких делений клетки часто гибнут, так как их жизнь зависит от сигналов других клеток, а на уровне колонии отсутствует управление. В энерго-энтропийном плане более выгодным, чем колония, является объединение клеток в более сложные структурные образования - многоклеточные системы: ткань, орган, органная система, многоклеточный организм. В рамках организма осуществляется саморегулирование, появляются механизмы управления. При этом увеличение структурной сложности и упорядоченности системы компенсирует рост энтропии, связанный с увеличением числа ее элементов. Разные подсистемы сложных организмов развиваются с разной скоростью и используют разные стратегии. Поэтому оптимальная согласованность их взаимодействия достигается только в определенный временной промежуток, по истечении которого компенсаторные возможности организма, определяемые его генотипом, снижаются. Рассогласованность функционирования органных систем усиливается нарастанием рассогласования биохимических процессов на клеточном уровне. Становится невозможным эффективное управление процессами при данной системной организации, что ведет к нарушению целостности организма и его разрушению.

Подобный механизм действует на видовом, групповом и популяционном уровнях. Любое сообщество, любая совокупность взаимодействующих живых организмов (сообщество бактерий, насекомых, косяк рыб, стая птиц, стадо млекопитающих) имеют свои специфические формы самоорганизации. Это может быть пирамидальная структура (как у муравьев или пчел), на вершине которой находится матка, либо структура с вычленением элитных особей (вожаков), обретающих абсолютную власть над стадом. Самоорганизация живых организмов происходит под воздействием объективных законов природы и энергии, поступающей по пищевым цепям.

При наличии в среде обитания неограниченных ресурсов и благоприятных условий рост численности любого вида подчиняется экспоненциальному закону. Однако в процессе эволюции Земли природно-климатические условия изменяются, и порой существенно, рано или поздно уменьшается количество ресурсов, необходимых для поддержания его целостности. Борьба за ресурсы порождает внутривидовую и межвидовую конкуренцию, что повышает энтропию системы. Вид теряет свою устойчивость. Адаптируясь к изменившимся условиям, он вынужденизменяться. Если этого не происходит, то он вообще вымирает, как это случилось с древними гигантскими растениями и животными.