Основополагающие жизненные системы

Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшественников возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ и системы воспроизводства материальных основ живой клетки.

Назначение обмена веществ — поддерживать уровень упорядоченности организма и его частей. Задача решается путем отбора извне таких веществ, которые после соответствующей их переработки в организме обеспечивали бы протекание синтеза соединений. С другой стороны, эта система выводит из организма все, что не может быть им утилизовано или что появляется как шлак от процессов жизнедеятельности. Система обмена предстает цепью тончайшим образом взаимосогласованных биохимических реакций синтеза и расщепления белковых тел. Лучшие наши химические производства могут только завидовать тому, как экономно, надежно и филигранно точно осуществляет природа функцию обмена у всех своих созданий — от простейшей клетки до высших организмов.

Назначение белков в организме — служить катализаторами для протекающих биохимических реакций, а также выполнять функции клеточных структурных элементов, Белки — это длинные цепочки аминокислот, удерживающихся пептидными связями. Поэтому белки называют также полипептидами. Из огромного числа известных органической химии аминокислот для образования животных и растительных белков природа использовала 20 типов.

Более того, при полной идентичности состава и последовательности аминокислот различия в пространственной структуре молекул белков ведут к различию их физико-химических свойств. Это явление называют изомерией. Характерно, что белки животного происхождения имеют одинаковую изомерию, в то время как белки абиогенного происхождения содержат примерно равные количества молекул любой из двух возможных пространственных структур.

Система воспроизведения содержит в закодированном виде полную информацию, необходимую для построения из запасенного клеткой органического материала нужного в данный момент времени белка. Она же ведает механизмом извлечения и реализации соответствующей программной информации. Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством полимерных соединений — полинуклеотидов. Здесь ключевая роль принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) и рибонуклеиновой кислоте (РНК). Первая является хранительницей генетической информации, заложенной в последовательности оснований вдоль цепи ДНК. Вторая способна «считать» хранимую в ДНК информацию, переносить ее в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные материалы, и строить из них нужные белковые молекулы.

24 апреля 1953 г. официально зафиксирован колоссальный прорыв науки в познании структуры живой материи. В этот день была опубликована статья двух ученых — англичанина Ф.Крика (р. 1916) и американца Дж.Уотсона (р. 1928), раскрывающая структуру носителя наследственности всего живого на Земле — ДНК. Появление этой статьи заявило миру о том, что величайшая тайна природы — зашифрованная программа наследственности — перестала быть тайной.

В последнее время в изучении механизмов работы системы воспроизведения достигнуты крупные успехи. Многое прояснилось, открылись перспективы дальнейших исследований. Но остается вопрос: как могли в ходе химической эволюции сложиться из неживого вещества такие высокоупорядоченные, тонко подогнанные системы, какими предстают перед нами системы обмена веществ и воспроизведения.

Существует одно важное, но пока необъяснимое различие физических свойств живого и неживого вещества, отражающее некую особенность процесса возникновения жизни на Земле. По крайней мере так считают исследователи, изучающие этот феномен. С позиций физики отличительной особенностью органических соединений, порожденных жизнью, служит их оптическая активность, выражающаяся в способности поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света в одном направлении — либо влево, либо вправо — в зависимости от конкретного типа соединений. Так, все белковые молекулы земных организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию (^-конфигурация). А молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК (содержащие в своем составе сахар-рибозу) поворачивают плоскость поляризации проходящего света только вправо, т.е. обладают правой или ^-конфигурацией.

Между тем в неживом веществе того же химического состава реализуется смесь с равновероятным содержанием молекул обеих возможных конфигураций, поэтому поворота плоскости поляризации проходящего через них света не происходит. Предполагается, что оптическая активность органических соединений живого происхождения имеет отношение к происхождению жизни.

Сохранение в процессах, связанных с жизнью, органических молекул только одной из двух возможных пространственных структур, называют хиральностъю, а соответствующим образом отобранные молекулы — хиральными. Хаотическая же смесь органических молекул обеих пространственных конфигураций называют рацематом, а процесс образования такой смеси — рацемизацией. Рацемат, возникающий при абиогенном синтезе органических молекул, — это пример равновесного, симметричного состояния конечного продукта синтеза.

Нет сомнений, что в преджизненный период образования на Земле органических соединений возникал только рацемат. При переходе же к жизни у соответствующих органических соединений вдруг произошла сортировка молекул и возникла хиральность. Как это произошло, почему у белков отсортировались молекулы с L-конфигурацией, а у ДНК и РНК — молекулы с D-конфигурацией? На эти вопросы пока ответа нет. Но качественные предположения можно высказать, опираясь на понимание процессов самоорганизации в природе.

Переход к жизни, рассматриваемый как самоорганизация вещества, мог произойти в условиях, когда открытая система (предшественница биосферы) находилась в крайне неравновесном, критическом состоянии. Присущая биосфере хиральность подтверждает, что именно таким и было состояние перехода. Возникновение хиральности потребовало определенных энергетических вложений, необходимая энергия поступала извне. Что же касается L- и D-конфигураций, то наблюдаемые особенности молекул белков и нуклеиновых кислот биосферы могли возникнуть по чисто случайным причинам, закрепившись затем в генетическом аппарате, но не исключено и то, что здесь присутствуют какие-то пока нам не известные важные для жизни причины. Во всяком случае, установлено, что хиральная чистота живых организмов принципиально важна: полимеры хирально нечистого состава менее прочны, медленнее растут и быстрее разрушаются, чем хирально чистые. Переход от рацемата к хиральности не мог произойти в ходе эволюционного, плавного развития, здесь имел место скачок со всеми характерными чертами самоорганизации вещества, т.е. проявились характерные черты фазового перехода.

Но есть и другая точка зрения. Еще Л.Пастер, первооткрыватель оптической активности вещества живых организмов, высказал предположение, что зеркальная асимметрия жизни есть следствие некоторой асимметрии Вселенной. Отдадим должное широте взглядов ученого, еще в прошлом веке связавшего жизнь и космос в единое целое, Но в этом предположении кроется затруднение: асимметрия Вселенной нарушала бы симметрию любого органического вещества, независимо от его происхождения.

В наши дни точку зрения Пастера пытаются развить, выдвигая предположения о существовании каких-то агентов, оказывающих асимметричное воздействие на вещество организмов. Обнаружить таких агентов пока не удалось, и подобные предположения зависают в неопределенности.1

К числу факторов, влияющих на развитие биосферы, а также экономической системы, относятся способности человека как субъекта, обеспечивающего прогресс во всех сферах жизнедеятельности. В концепциях современного естествознания данная проблематизация раскрывается через рассмотрение генетики и эволюции, а также выявление в них таких составляющих, раскрывающих сущность человека, как эмоции, творчество, работоспособность.

Хотя дарвиновская концепция эволюции и признает существование такой групповой изменчивости, которую организмы приобретают под действием определенного фактора внешней среды, но считает, что только случайные индивидуальные изменения, оказавшиеся полезными, могут передаваться по наследству и тем самым влиять на процесс дальнейшей эволюции.

Опираясь на огромный фактический материал и практику селекционной работы по выведению новых сортов растений и пород животных, Ч.Дарвин сформулировал основные принципы своей эволюционной теории.

Первый принцип постулирует, что изменчивость является неотъемлемым свойством живого.

В природе нельзя обнаружить два совершенно одинаковых, тождественных организма. Чем тщательнее и глубже мы изучаем природу, тем больше убеждаемся во всеобщем, универсальном характере принципа изменчивости. При поверхностном взгляде может, например, показаться, что все деревья в сосновом бору одинаковые, но более внимательное изучение может выявить некоторые различия между ними. Одна сосна дает более крупные семена, другая — в состоянии лучше переносить засуху, третья — обладает повышенным содержанием хлорофилла в иголках, и т.д. При обычных условиях эти различия не оказывают заметного влияния на развитие деревьев. Но в крайне неблагоприятных условиях, указывает Алексей Владимирович Яблоков (р. 1933г.), каждое такое мельчайшее отличие способно стать именно тем решающим изменением, которое и определит, останется ли этот организм в живых или будет уничтожен.

Ч.Дарвин различал два типа изменчивости. К первому, который называется «индивидуальной», или «неопределенной», изменчивостью, он относит ту, которая передается по наследству. Второй тип он характеризует как «определенную», или «групповую», изменчивость, поскольку ей подвержены те группы организмов, которые оказываются под воздействием определенного фактора внешней среды. В дальнейшем «неопределенные» изменения обычно стали называть мутациями, а «определенные» — модификациями.

Второй принцип теории Дарвина заключается в раскрытии внутреннего противоречия в развитии живой природы. Оно состоит в том, что, с одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометрической прогрессии, а с другой -— выживает и достигает зрелости лишь небольшая часть потомства.

Достаточно отметить, что многие растения дают десятки и сотни тысяч семян, а рыбы выметывают от нескольких сот до миллионов икринок. В этих условиях как раз

и развертывается борьба за выживание, которую чаще всего называют борьбой за существование. Однако, как подчеркивал Ч.Дарвин, «борьба за существование» представляет собой метафорическое выражение, с помощью которого характеризуются различные отношения между организмами, начиная от сотрудничества внутри вида против неблагоприятных условий окружающей среды и кончая конкуренцией между организмами в добывании пищи, занятии лучшего места обитания, лидерстве в группе и т.п. В связи с этим часто различают внутривидовую и межвидовую борьбу.

Третий принцип обычно называют принципом естественного отбора, который играет фундаментальную роль в теории эволюции не только Дарвина, но и всех теорий, появившихся позднее.

С его помощью удалось удовлетворительно объяснить, почему из громадного потомства живых организмов выживают и достигают зрелости лишь небольшое количество особей. Дарвин выдвинул гипотезу весьма общего характера, согласно которой в природе существует особый механизм отбора, который приводит к избирательному уничтожению организмов, оказавшихся неприспособленными к существующим или изменившимся условиям окружающей среды. Эти результаты, указывает Дарвин, есть следствия одного общего закона, обусловливающего прогресс всех органических существ, именно — размножения, изменения, выживания наиболее сильных и гибель наиболее слабых.

Разрабатывая учение о естественном отборе, он обращает внимание на такие его характерные особенности, как постепенность и медленность процесса изменений и способность суммировать эти изменения в крупные, решающие, которые в конечном итоге приводят к формированию новых видов. Ч.Дарвин писал:

«Выражаясь метафорически, можно сказать, что естественный отбор ежедневно и ежечасно рассылает по всему свету мельчайшие изменения, отбрасывая дурные, сохраняя и слагая хорошие, работая неслышно и невидимо, где бы и когда бы ни представился к тому случай, над усовершенствованием каждого органического существа в связи с условиями его жизни, органическими и неорганическими».

Самым слабым местом в учении Ч.Дарвина были представления о наследственности, которые подверглись серьезной критике его противниками. Действительно, если эволюция связана со случайным появлением полезных изменений и наследственной передачей приобретенных признаков потомству, то каким образом они могут сохраняться и даже усиливаться в дальнейшем? Ведь в результате скрещивания особей с полезными признаками с другими особями, которые ими не обладают, они передадут эти признаки потомству в ослабленном виде. В конце концов в течение ряда поколений случайно возникшие полезные изменения должны постепенно ослабнуть, а затем и вовсе исчезнуть. Сам Ч.Дарвин вынужден был признать эти доводы весьма убедительными, при тогдашних представлениях о наследственности их невозможно было опровергнуть.

Вот почему в последние годы жизни он стал все больше подчеркивать воздействие на процесс эволюции направленных изменений, происходящих под влиянием определенных факторов внешней среды. Нетрудно понять, что такое изменение взглядов означает, по сути дела, переход на позиции Ж.Б.Ламарка, согласно которым эволюция происходит под управляющим воздействием внешней среды, которая заставляет организмы изменяться в определенном направлении. В связи с этим исчезает необходимость в устранении неприспособленных особей, а тем самым и основной принцип дарвиновской теории эволюции — естественный отбор. Между тем реальные факты свидетельствовали, что такой отбор происходит повсеместно, но сам принцип отбора был обоснован недостаточно убедительно прежде всего относительно передачи наследственных признаков. В дальнейшем были выявлены и некоторые другие недостатки теории Дарвина, касающиеся основных причин и факторов органической эволюции. Эта теория нуждалась в дальнейшей разработке и обосновании с учетом последующих достижений всех биологических дисциплин.1

Биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны, зависит, а с другой — сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача — конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863—1945).