Тема 10. Живая и неживая природа. Особенности живой природы.

Отличия живой природы от неживой. Единство химического состава и молекулярная хиральность. Дискретность и сложная иерархическая структурная организация. Обязательность жизни в сообществе (социальность). Целостность и динамическое состояние внутренней среды (гомеостаз). Способность к саморегуляции (авторегуляции). Необратимость процессов. Направленность биологических процессов на устойчивую асимметричную гармонию. Антиэнтропийность или динамическая неравновесность процессов. Статистичность процессов (индивидуализация организма). Ритмичность процессов. Многообразие и унификация. Самовоспризведение. Наследственность. Эволюционное развитие. Раздражимость. Приспособляемость.

 

Вопрос об отличии живого и неживого до сих пор остается дискуссионным. Вместе с тем представляется возможным выделить ряд функций, обеспечивающих сохранение жизни (обмен веществ, размножение и развитие, раздражимость и возбудимость, движение т.п.), а также фундаментальных свойств живых систем. Эти основные свойства:

Единство химического состава и молекулярная хиральность. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Элементный состав неживой природы Земли наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород, и, кроме того, живые организмы построены в основном из четырех крупных групп сложных органических молекул-биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, жиров, а также других биологически активных веществ, которые редко встречаются в неживой природе. Как белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством – молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиральностью, то есть оптической активностью, связанной с дисимметрией строения молекул.

Дискретность и сложная иерархическая структурная организация. Рассматривая любые явления и свойства живой и неживой природы, мы обязательно приходим к проблеме целого и части – наблюдаемые объекты являются частями целого и, в свою очередь, состоят из каких-то других частей. На каждом уровне организации выделяют элементарную единицу и элементарные явления. Элементарная единица – это структура, закономерное изменение которой приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей молекулярно-генетического уровня является ген, клеточного – клетка, организменного – особь, популяционного – совокупность особей одного вида – популяция. Совокупность элементарных единиц и явлений на соответствующем уровне отражает содержание эволюционного процесса. Переход от одного уровня к другому происходит скачкообразно, дискретно. В этой связи иерархия биологической материи может рассматриваться в двух основных направлениях. Во-первых, это разделение живой материи по ее структурированности: молекула, органоид, клетка, ткань, орган, организм, популяция, вид, биоценоз, биогеоценоз, биосфера, ноосфера. Во-вторых, это дифференциация по типу получения энергии (царства растений, грибов, животных, вирусов) и степени развития (от низших организмов к высшим, например, – от амеб до человека).

Обязательность жизни в сообществе (социальность). Каждая отдельная структурная единица живой материи не может существовать изолированно, отдельно от особей своего и других видов. Это относится к любым уровням жизни. Даже само присутствие многочисленных особей вида приводит к его сохранению при гибели части сообщества. Погибающая часть, например, амеб, выполняет общественную функцию отвлечения от выживающих особей, которые за счет размножения не дадут исчезнуть виду. У более высокоорганизованных животных социальность становится настолько очевидной, что, например, часть насекомых так и называют общественными. Многим видам животных присуще разделение труда, семейная структура, поведенческая взаимопомощь и т.д. Экологам известны многочисленные и разнообразные формы сотрудничества различных организмов, которые относятся к общественным отношениям: симбиоз, паразитизм и т.д. Это сотрудничество осуществляется в рамках единого глобального круговорота веществ и энергии, вне рамок которого нет жизни на Земле. Кроме того, для успешного (сохраняющего вид) размножения всегда необходим некоторый минимум численности особей для получения достаточного разнообразия форм для последующего эволюционного отбора.

Целостность и динамическое состояние внутренней среды (гомеостаз). Гомеостаз – это способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять динамическое относительное постоянство состава и свойств. Термин предложил У. Кеннон в 1929 г. для характеристики состояний и процессов, обеспечивающих устойчивость организма. Явления гомеостаза наблюдаются на разных уровнях биологической организации. В неживой природе нет механизмов поддержания постоянства внутренней среды при активном внешнем воздействии.

Способность к саморегуляции (авторегуляции). В процессе саморегуляции живые организмы развиваются, изменяются и усложняются. В отличие от самоорганизации неживых неорганических систем, где молекулы просты, а механизм реакций сложен, в самоорганизации живых систем механизмы просты, а молекулы сложны. Существенна и роль обратной связи организмов с окружающей средой. Для создания и развития новых структур, образования новых органов нужна положительная обратная связь, а для устойчивого состояния – отрицательная обратная связь. Русский физиолог И.П. Павлов (1849-1936), еще до появления теории самоорганизации называл эти процессы в живом организме саморегуляцией. Живой организм способен и к самосохранению, устойчивости своего существования, и к развитию, восприимчивости, и к изменениям. В живом организме на протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на новые. Например, при недостатке поступления каких-либо питательных веществ мобилизуются внутренние ресурсы организма, а при избытке какого-либо вещества его синтез прекращается. Например, понижение концентрации такого фермента, как АТФ – универсального аккумулятора энергии в клетке, – служит сигналом, запускающим процесс его синтеза. При восполнении запаса АТФ синтез его прекращается. Уменьшение количества клеток в ткани (например, в результате травм) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток; восстановление количества клеток до нормального дает сигнал о прекращении интенсивного клеточного деления.

Необратимость процессов. Необратимость живых процессов связана с их открытостью, незамкнутостью, а также – с необратимостью времени. Это свойство живых систем скорее всего индивидуальное (онтогенетическое) и вряд ли относится к эволюции живой материи в целом. Другими словами каждый организм необратимо рождается, развивается, стареет и погибает. Биоценозы всех уровней способны погибать и иногда возрождаться. В длительном геопланетном масштабе эволюции Земли биосферный уровень жизни также конечен.

Направленность биологических процессов на устойчивую асимметричную гармонию, Устойчивы лишь асимметричные живые объекты (что связано с выживанием – биологическая симметрия мертва). С гармонией развития организма, как целого, так и его частей, хорошо согласуется универсальный для современного естествознания принцип дополнительности Бора. Применительно к рассматриваемой проблеме он отвергает возможность понимать жизнь и ее эволюцию путем вычленения и исследования отдельных частей организма: определяя более точно одну сторону живого объекта, мы теряем определенность в понимании другой. Относительно живого организма как целостной системы В. А. Энгельгардт (1891-1984) выделял три признака, характеризующих взаимоотношения между целым и частями:

· возникновение в системе устойчивых связей между целым и частями;

· утрата некоторых свойств частей при вхождении их в состав целого;

· появление у возникающего целого новых свойств, определяемых свойствами основных частей и возникновением новых связей между частями.

Антиэнтропийность или динамическая неравновесность процессов. Еще в 1935 г. Э. Бауэр предложил механизм биологической эволюции, основанный на представлении, что живые системы никогда не бывают в равновесии и выполняют за счет свободной энергии постоянную работу против равновесия, т.е. по существу еще до появления синергетики он рассматривал живой организм как открытую неравновесную систему. Неравновесное состояние живой материи обеспечивается ее молекулярной структурой и обусловлено свободной энергией, присущей данной молекулярной структуре. Образование сложных биологических структур происходит с уменьшением энтропии и увеличением свободной энергии Это физическое требование выступает как ведущий фактор структуризации живых систем на молекулярном уровне. Таким образом, живая природа избегает возрастания энтропии и повышает ее в окружающей среде при общении живого организма с ней. Энтропия – "омертвленная" энергия, которую нельзя превратить в работу. Вспомним еще раз, что по законам классической термодинамики в изолированных системах теплота полностью не переходит в работу, она рассеивается, т.е. процесс идет от порядка к хаосу. Для живых организмов как открытых систем с физической точки зрения акт творения живого будет состоять в спонтанной трансформации тепловой энергии в целенаправленную механическую работу. Следовательно, динамическая неравновесность живых систем свидетельствует об их непременной упорядоченности, так как равновесие соответствует беспорядку, хаосу. Равновесие приводит к смерти живого организма, когда его энтропия максимальна. Энтропия выступает как мера хаоса, неопределенности, усреднения поведения объектов, установления стабильного состояния и даже определенного единообразия. Жизнедеятельность биологических объектов показывает, что они не хотят подчиняться термодинамическому закону для изолированных систем. Одним из биологических законов развития является как раз разнообразие видов биологических организмов, что обязательно должно приводить к уменьшению энтропии.

Статистичность процессов (индивидуализация организма). Это свойство живых организмов связано с их индивидуальной изменчивостью. Под изменчивостью понимают способность организмов приобретать новые признаки и свойства на основе изменения молекул ДНК. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора и соответственно предпосылки для развития и роста живых организмов. Развитие – необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы. В результате развития возникает новое качественное состояние систем. По существу этих качественных состояний ровно столько, сколько особей организмов существует на Земле. Даже однояйцовые близнецы имеют элементы отличий в результате индивидуализации онтогенеза. Таким образом, на Земле существует неисчислимое множество организмов с вероятностным характером поведения, а поэтому описание жизни носит усредненный характер. Возможно, в этой связи биологи практически первыми освоили статистические методы описания природы и теперь даже в математике статистику часто называют биометрией.

Ритмичность процессов. Ритмичность – еще одно следствие тесного взаимодействия живой и неживой природы. В природе повсюду распространены колебательные процессы: океанские приливы и отливы, смена дня и ночи, фаз луны, чередование времен года, периодическое увеличение солнечной активности, цикличность геологических процессов. Периодические изменения в окружающей среде оказывают существенное влияние на живую природу и на собственные ритмы живых организмов. В живых системах ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Это суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих (суслики, ежи, медведи) и др. Ритмичность обеспечивает согласование функций организма и окружающей среды, т.е. приспособление к периодически изменяющимся условиям существования. Например, сезонные и суточные ритмы выработались как приспособление живых организмов к геофизическим циклам среды.

Многообразие и унификация. Так как эволюция живого идет через развитие его организации, то ее можно связать с общим законом самоорганизации материи: процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. Это биологический закон дивергенции, который понимают как "расходимость" видов. На это указывал В. А. Энгельгардт, подчеркивая, что энергетика биологических систем характеризуется двумя как будто противоположными чертами – наличием элементов многообразия, с одной стороны, и наличием элементов унификации, с другой. Многообразие состоит в том, что во всех биологических процессах всегда и везде происходит преобразование энергии – превращение квантов света в химическую энергию органических молекул при фотосинтезе, превращение химической энергии в механическую работу при сокращении мышц, выделение теплоты при дыхании, возникновение электрических потенциалов при возбуждении нервной клетки и многое другое. Унификация заключается в том, что непосредственным источником энергии, обеспечивающим все эти процессы, во всех случаях является универсальное химическое соединение – аденозинтрифосфат (АТФ).

Самовоспроизведение. Это одно из главных свойств живой материи, так как без этого процесса понятие "жизнь" исчезает, если не предположить возможности бессмертия. Это не просто процесс, а очень часто конечная цель существования живого организма. Например, тихоокеанские лососи лишь один раз в жизни возвращаются в реки, где откладывают икру и погибают. Их тела сносятся течением, разлагаются и к моменту появления потомства, растворенные органические вещества их родителей уже дают начало кормовым организмам для их детей. В противоположность обыденному мнению в живом мире преобладает бесполое и партеногенетическое (без самцов) размножение. Половой процесс менее распространен и в большей степени присущ высшим и низшим животным, а также цветковым растениям. Очень часто половой процесс многоступенчатый, связан с множеством уникальных приспособлений (физиологические, морфологические, поведенческие и т.д.). Например, у некоторых червей (паоло) в новолуние отрывается часть тела, которая всплывает к поверхности моря и только там происходит их размножение. В южных странах это период обжорства для большинства животных. Процесс воспроизводства особенно сложен у паразитов, так он происходит в телах хозяев при многократной смене формы тела и генетических структур. Однако в эволюционном отношении это, возможно, самые защищенные организмы.

Наследственность. Живые организмы передают потомкам заложенную в их генах информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Ген – единица наследственности, являющаяся мельчайшей внутриклеточной структурой. Генетический материал определяет направление развитие организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько меняется, искажается, что делает потомков отличными от своих родителей. Это происходит по нескольким причинам. Первое – то, что процесс размножения по существу заключается в воспроизводстве (редупликации) основы организма – его ДНК. В бесполом процессе ДНК в дочерних клетках равноценно. При половом размножении новый организм получает как отцовский, так и материнский наследственный материал. Это типичный случай комбинаторики, где в процессе развития действовать будут лишь доминантные (более сильные, все равно материнские или отцовские гены) признаки. Поэтому ребенок может быть похож частью на мать, частью на отца, частью на других предков. Главное, что процесс воспроизводства ДНК –сложнейшее сборочное производство, где возможны ошибки. Последние также инициируются внешними воздействиями (химические вещества, электромагнитное поле, радиация и т.д.) и внутренними причинами (стресс, патологии организма родителей и т.д.). Существуют также врожденные генетические аномалии.

Эволюционное развитие. Нужно отметить, что эволюционные теории также являются лишь теоретическими моделями возникновения и прогрессивного усложнения живого. Основываясь на современных научных данных, можно говорить о том, что 3-3,5 млрд. лет тому назад появилась качественно новая организация материи, которая обладала удивительной способностью усваивать внешнюю энергию. Возникли организационные формы, способные не только рассеивать энергию, но и накапливать ее. Одновременно эти формы обладали невероятной способностью сохранять свой гомеостаз (внутреннее равновесие, стабильность), высокую степень адаптации к быстро меняющимся условиям. Прокариоты были практически бессмертны. Эта ветвь самоорганизации оказалась тупиковой, но она обеспечила создание газовой оболочки Земли. Эукариоты, более совершенный вид живой материи, обладали кислородным дыханием, что давало им возможность локального снижать энтропиию. При этом они превратились в смертные организмы. С момента появления эукариотов начинается быстрое совершенствование видов и стремительный рост их разнообразия. Формируются генетический код, наследственность, память. Сегодня идея коэволюции (кооперации, взаимодействия) является одной из ведущих в системе проблем происхождения живого. Удивительная согласованность всех видов жизни выступает следствием принципа коэволюции. Живые организмы не только изменяются, но и усложняются. Правда существует большая группа видов, в основном паразитов, которые пошли по пути упрощения (бычий цепень практически сохранил лишь половые органы, а все остальные функции выполняются за счет хозяина).

Раздражимость. Способность реагировать на внешнее раздражение – универсальное свойство всех видов живых существ, как растений, так и животных. Живые организмы реагируют на окружающую среду на основе активной целенаправленной обратной реакции, чаще в виде рефлексов и таксисов. Живым организмам присущи различные таксисы (химический, световой, тепловой, гравитационный и т.д.). Человек сохранил на уровне сознания лишь некоторые из них. Мы реагируем на свет, вкус, запах, звук, прикосновения, гравитацию, тепло, иногда на магнитное поле Земли. Многие другие факторы среды мы или не ощущаем, или оно для непереносимо, например, электричество.

Приспособляемость. Приспособляемость – одно из главных свойств живой материи, отличающих их от косного вещества. В неживой природе эволюция, а значит, и приспособляемость всегда подчиняется физико-химическим законам (например, занятие определенных орбит планетами Солнечной системы). В живой природе кроме этого имеет значение особенности ее собственной структуры. Можно сказать, что живая природа сама является ведущим фактором приспособляемости, которая основана на отборе отдельных особей, наиболее эффективно функционирующих в данных условиях среды. Например, если на Земле наступил стабильно теплый период, то выживают (отбираются неживой и живой природой) организмы, для которых данная температура наиболее эффективна. Может показаться, что и камни будут выживать (не раскалываться) по тем же условиям. Однако живой организм еще должен добывать в этих условиях пищу, убегать от хищников и т.д. Проблема выживания (приспособляемости) собственно не в самой температуре, а в возможности избежать летальных вариантов в конкурентной борьбе. В этом смысле приспособляемость может решить проблему выживания, обходя лимитирующий фактор. Например, животное, которому не комфортно в теплой среде при быстром бегстве от хищника, может обладать более эффективной защитой (рогами, химзащитой, покровительственной окраской и т.д.). Таким образом, приспособляемость живых организмов – свойство комплексное, а не одномерное, линейное.

Отличия живой природы от неживой. Единство химического состава и молекулярная хиральность. Дискретность и сложная иерархическая структурная организация. Обязательность жизни в сообществе (социальность). Целостность и динамическое состояние внутренней среды (гомеостаз). Способность к саморегуляции (авторегуляции). Необратимость процессов. Направленность биологических процессов на устойчивую асимметричную гармонию. Антиэнтропийность или динамическая неравновесность процессов. Статистичность процессов (индивидуализация организма). Ритмичность процессов. Многообразие и унификация. Самовоспризведение. Наследственность. Эволюционное развитие. Раздражимость. Приспособляемость.

 

Вопросы к семинару 1:

1. Особенности живой природы.

2. Единство химического состава и структура живой природы.

3. Гомеостаз и авторегуляция живого.

4. Индивидуация и социальность живых организмов.

5. Направленность живого на гармонию.

 

Вопросы к семинару 2:

1. Многообразия и унификация живой природы.

2. Самовоспроизведение и наследственность.

3. Эволюция живой природы.

4. Живой организм и окружение: раздражимость.

5. Живой организм и окружение: приспособляемость.

 

Дополнительная литература:

Мак-Фарленд Д. Поведение животных. Психобиология, этология и эволюция. М., 1988.

Опарин А.И. Материя -жизнь-интеллект. М., 1977.

Энгельгардт В.А. Познание явлений жизни. М, 1984.