А. П. Садохин концепции современного естествознания второе издание, переработанное и дополненное Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник
| Вид материала | Учебник |
- Г. И. Рузавин Концепции современного естествознания Рекомендовано Министерством общего, 3030.69kb.
- Б. Л. Еремина Второе издание, переработанное и дополненное Рекомендовано Министерством, 7882.78kb.
- Е. Ф. Жукова Второе издание, переработанное и дополненное Редактирование Министерством, 8799.45kb.
- В. И. Кузищина издание третье, переработанное и дополненное рекомендовано Министерством, 5438.98kb.
- В. И. Фомичев Международная торговля 2-е издание, переработанное и дополненное Рекомендовано, 6263.93kb.
- Г. В. Плеханова И. Н. Смирнов, В. Ф. Титов философия издание 2-е, исправленное и дополненное, 4810.28kb.
- Л. М. Клячкин М. Н. Виноградова физиотерапия издание второе, переработанное и дополненное, 2850.23kb.
- А. Г. Кучерена адвокатура второе издание, переработанное и дополненное Допущено Учебно-методическим, 12778.36kb.
- В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 7129.15kb.
- К. Э. Фабри Основы зоопсихологии 3-е издание Рекомендовано Министерством общего и профессионального, 5154.41kb.
Происхождение и сущность жизни
10.1. Сущность жизни
Вопросы о происхождении и сущности жизни стали предметом интереса человека очень давно. Они наряду с вопросами о происхождении Вселенной и человека составляют фундамент нашего мировоззрения. Необходимо отметить, что на самом деле это не два вопроса, а один, сформулированный в двух своих аспектах. И действительно, невозможно узнать, как появилась жизнь на Земле, если не знать, что это такое. В то же время нельзя ответить на вопрос, что такое жизнь, не рассматривая вопрос о ее происхождении. При попытке определить сущность жизни на научном уровне возникают значительные трудности, поскольку есть признаки, общие как для живой, так и для неживой природы, при этом выделить какой-либо существенный и единственный критерий жизни современной науке пока не удалось.
Определение жизни
В современной науке жизнь и живое являются объектом исследования многих естественно-научных дисциплин, начиная с биологии и смежных с нею отраслей научного знания и завершая философией, математикой, рассматривающих абстрактные модели феномена живого, а также физикой, определяющей жизнь с позиций физических закономерностей. Ключевым вопросом многих из этих исследований является вопрос о сущности жизни, рассматриваемый различными естественно-научными направлениями и философскими школами по-разному.
Долгое время в науке существовало два основных подхода к решению этого вопроса — механицизм и витализм. Механистический материализм, характерный для классической науки Нового времени, не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. Поэтому механицизм отождествлял живые организмы со сложными машинами. Однако такой подход
243
неверен в самой своей основе, ведь аналогия между живым существом и машиной не объясняет причину целесообразности живого организма. Целесообразность машин связана с тем, что они целенаправленно создаются человеком для выполнения определенных работ, и потому имеют соответствующее устройство. Но оценивать жизнь с таких позиций, оставаясь в рамках материалистического мировоззрения, нельзя, иначе нам придется признать существование творца всего живого — Бога. Таким образом, механицизм и его более поздняя разновидность — редукционизм всякий раз беспомощно останавливались перед проблемой сущности жизни.
Противоположной точкой зрения выступал витализм (от лат. vitalis — жизненный), который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта творения ее Богом, иным разумным началом и т.д.
На обыденном уровне мы все интуитивно понимаем, что представляет собой живое, а что — неживое. Однако при попытке четко сформулировать определение жизни возникают большие трудности, так как сущность жизни понимается и определяется неоднозначно.
Большинство ученых убеждено, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. До конца 1950-х гг. в научной и философской литературе общепринятым было знаменитое определение Ф. Энгельса, согласно которому жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении их химических составных частей. Но постепенно стало очевидным, что субстратная основа жизни не сводится только к белкам, а функциональная — к присущему белковым телам обмену веществ. Также ученым удалось точно установить, что качественное Отличие живого от неживого заключено в структуре их соединений, в строении и связях, особенностях функций, характеристике и организации протекающих в организме процессов. Кроме того, жизнь отличается динамичностью и лабильностью. Но при этом можно говорить о полном тождестве химических элементов, входящих в состав живого и неживого.
На основании новых данных во второй половине XX в. появились новые определения жизни. Например, определение канадского биолога Г. Селье, в соответствии с которым жизнь понимается как процесс непрерывной адаптации организмов к постоянно изменяющимся условиям внешней и внутренней среды. При этом организм оказывается способным поддерживать стабильность всех своих структур и функций, несмотря на воздействие различных внешних факторов.
244
Современная биология в вопросе о сущности жизни все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом акцент делается на то, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Таково определение жизни Б.М. Медникова. Он называет жизнью активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфических структур, обладающих следующими свойствами: наличие генотипа и фенотипа; репликация генетических программ матричным способом; неизбежность ошибок на микроуровне при репликации, приводящих к мутациям; многократное усиление этих изменений в ходе формирования фенотипа и их селекция со стороны факторов внешней среды.
В этом определении акцент сделан на то, что жизнь связана с воспроизведением характерной для каждого вида упорядоченности. При этом организм воспроизводит себя и поддерживает свою целостность за счет использования элементов окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Чужая упорядоченность организму не нужна, так как это будет означать воспроизведение чуждых для него структур, что приведет к гибели данного организма. Именно это происходит, когда в клетку проникает вирус, заставляющий ее развиваться по его генетической программе. Так возникают болезни, могущие привести к гибели всего организма. Поэтому любой организм имеет иммунную систему, защищающую его от проникновения «чужаков». Сбой в работе иммунной системы очень опасен для любого организма, хотя в некоторых случаях (например, при пересадке органов) иммунитет приходится подавлять искусственно, чтобы избежать отторжения пересаженного органа.
Даже в процессе питания, когда мы поглощаем части растений и животных, в первую очередь идет разрушение чужой упорядоченности. При этом белки расщепляются до аминокислот, сложные углеводы — до моносахаридов, нуклеиновые кислоты — до нуклео-тидов. И лишь после этого организм из этих элементарных «кирпичиков» живого строит те белки и нуклеиновые кислоты, которые необходимы ему. Так что организмы берут извне не готовую упорядоченность, а энергию (растения — свет, животные — малоокис-ленные соединения для их сжигания в процессе дыхания), с помощью которой они воссоздают свою специфическую структуру.
Очевидным фактом в вопросе сущности жизни является то, что живые организмы существенно отличаются от неживых систем. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живым организмам присущи определенные специфические свойства. Часто эти свойства в той или иной степени характерны и для неживой природы, что подчеркивает единство эволюционных процессов. Однако проявление этих свойств и их совокупность не схожи у живых и
245
неживых объектов. Именно совокупность и характер проявления свойств как раз и определяют сущность жизни. Поэтому для того, чтобы понять сущность жизни, необходимо, прежде всего, установить путем сравнительного анализа, что такое живое и чем оно отличается от неживого.Критерии живых систем
Единство химического состава. В состав живых организмов и неживых предметов входят одни и те же химические элементы, однако соотношение элементов в живом и неживом существенно различается. Элементный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д. В живых организмах, как уже отмечалось ранее, 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород. Кроме того, живые организмы построены в основном из четырех сложных органических молекул — биологических полимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и жиров, которые очень редко встречаются в неживой природе.
Обмен веществ. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой: они поглощают из нее необходимые вещества и выделяют продукты своей жизнедеятельности. Обмен веществ — двусторонний процесс: во-первых, в результате ряда сложных химических превращений вещества окружающей среды уподобляются органическим веществам живого организма, и из них строится его тело; во-вторых, сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, т.е. гомеостаз. В неживой природе также существует обмен веществ, но в отличие от обмена веществ, присущего живым организмам, круговорот веществ сводится к их простому переносу с одного места на другое или изменению их агрегатного состояния.
Самовоспроизведение (репродукция) и наследственность. При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей, что дает основания утверждать, что размножение — это свойство организмов воспроизводить себе подобных. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в ДНК. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, а также органоиды клеток после деления сходны со своими прототипами. Следова-
246
тельно, самовоспроизведение тесно связано с наследственностью — способностью организмов к передаче свойств, признаков, особенностей развития из поколения в поколение, что обусловливает преемственность поколений.
Изменчивость и развитие. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора и соответственно предпосылки для развития и роста живых организмов.
Под изменчивостью в естествознании понимают способность организмов приобретать новые признаки и свойства на основе изменения молекул ДНК.
Развитие — это необратимое, направленное, закономерное изменение объектов живой природы.
В результате развития возникает новое качественное состояние живой системы. Развитие жизни как формы существования материи представлено индивидуальным развитием организмов (онтогенез) и историческим развитием видов (филогенез). В процессе развития постепенно и последовательно формируется специфическая структурная организация живого организма, а также происходит увеличение его массы, обусловленое репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток.
Раздражимость. Любой живой организм неразрывно связан с окружающей средой: он извлекает из нее необходимые вещества, подвергается воздействию неблагоприятных факторов среды, вступает во взаимодействие с другими организмами и т.д.
В процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство раздражимости — избирательной реакции на внешние воздействия.
Всякое изменение условий среды, окружающих организм, представляет собой по отношению к нему раздражение, а реакция организма на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости.
Ритмичность. Неотъемлемым свойством природы является последовательная закономерная смена циклов. Периодические изменения в окружающей среде оказывают существенное влияние на живую природу и на собственные жизненные ритмы живых организмов.
В живых системах ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций с различными периодами их активизации (от нескольких секунд до столетия).
247
Примерами ритмичности являются суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих и др. Ритмичность обеспечивает согласование функций организма с окружающей средой, т.е. приспособление к периодически изменяющимся условиям существования.
Саморегуляция. Несмотря на постоянные изменения условий внешней среды, живые организмы сохроняют постояноство своего состава и строения.
Саморегуляция — способность живых организмов поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов в постоянно меняющихся условиях окружающей среды.
При этом недостаток поступления каких-либо питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а их избыток приводит к прекращению синтеза. Например, уменьшение количества клеток в ткани (в результате травмы) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток, а после восстановления количества клеток до нормального возникает сигнал о прекращении интенсивности клеточного деления.
Дискретность. Как уже было отмечено, жизнь на Земле существует в виде дискретных форм, т.е. как биосфера в целом, так и каждый отдельный организм состоят из обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Дискретность строения организма — основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления его путем замены отживших структурных элементов без прекращения выполняемой им функции. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции через гибель или устранение от размножения неприспособленных особей и сохранения особей с полезными для выживания признаками.
Таким образом, в обобщенном и упрощенном виде все отмеченное выше можно выразить в следующих выводах.
Все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе. Естественно, что данные признаки должны быть отражены в определении жизни. Исходя из этого можно предложить следующее определение жизни.
В современном естествознании понятием «жизнь» или «живое» обозначается высшая из природных форм движения материи, которая характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.
248
Важнейшими признаками жизни являются противостояние энтропийным процессам, обмен веществ с окружающей средой, воспроизводство на основе генетического кода и молекулярная хиральность.
10.2. Основные концепции происхождения жизни
Разнообразие концепций происхождения жизни
Загадка появления жизни на Земле с незапамятных времен волнует людей. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему и было высказано большое количество самых разнообразных гипотез и концепций. Некоторые из них получили широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания. К такого рода концепциям происхождения жизни относят:
- креационизм, утверждающий, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения;
- концепцию стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;
- концепцию самопроизвольного зарождения жизни, основывающуюся на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества;
- концепцию панспермии, утверждающую, что жизнь занесена на Землю из космоса;
- концепцию случайного однократного происхождения жизни;
- концепцию закономерного происхождения жизни путем биохимической эволюции.
Такое разнообразие взглядов вызвано тем обстоятельством, что точно воспроизвести или экспериментально подтвердить процесс зарождения жизни сегодня невозможно. Отмеченные теории преимущественно опираются на умозрительные представления как исследователей естественно-научного направления, так и исследователей, придерживающихся теологических взглядов.
Концепция креационизма
Концепция креационизма имеет самую длинную историю, так как практически во всех религиях возникновение жизни рассматривается как акт Божественного творения, свидетельством чего является наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Процесс божественного сотворения мира и живого недоступен для наблюдения, и божественный замысел недоступен человеческому пониманию.
249
Интересно в креационизме был решен вопрос о продолжительности акта творения мира. В Библии сказано, что Бог сотворил мир в шесть дней. Некоторые христианские теологи верят, что это были обычные дни по 24 часа. Другие богословы относились к библейским текстам как к аллегориям и считали, что каждый день творения занимал тысячу лет. Но во всех случаях рассуждения о происхождении жизни базируются лишь на вере в библейские откровения, сомневаться в которых нельзя. Научные же истины в соответствии с принципом фальсификации всегда подвергаются сомнению.
Таким образом, концепция креационизма, по существу, научной не является, ведь она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения жизни, так как все религии требует принимать это положение на веру, без доказательств. Тем не менее, концепция креационизма продолжала и продолжает пользоваться довольно большой популярностью.
Концепция стационарного состояния
Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно, и вместе с ней всегда существовали различные виды живого. При этом какие-то из видов при изменении условий окружающей среды вымерли, какие-то переместились в новые биологические ниши, а какие-то резко поменяли численность. Большая часть аргументов в пользу этой теории основана на исследованиях палеонтологов, выявивших исчезновение некоторых видов животных в процессе эволюции, отсутствие следов переходных звеньев между разными видами живого и все более высокими оценками возраста Земли. Именно поэтому сторонники теории стационарного состояния заявляют, что жизнь на Земле никогда не возникала, а существовала всегда. В разные геологические эпохи менялись лишь формы жизни. Также они считают, что и виды животных никогда не возникали, а также существовали всегда, что у каждого вида есть лишь две возможности существования: изменение численности или вымирание.
Строго говоря, данную теорию нельзя относить к концепциям происхождения жизни, поскольку вопрос о происхождении жизни в ней принципиально не стоит: жизнь рассматривается как вечно существующая.
Концепция самопроизвольного зарождения жизни
Данная концепция также зародилась давно и долгое время была единственной альтернативной креационизму. Идея о самопроиз-
250
вольном зарождении жизни появилась в результате повседневных наблюдений за тем, как в мусорных кучах, гниющих отбросах постоянно появляются личинки, черви, мухи. Поскольку о существовании микроорганизмов в те далекие времена не было ничего известно, то считалось, что все низшие организмы появляются путём самозарождения. Ученые Средневековья, например, допускали, что рыбы могли зародиться из ила, мыши — из грязи, мухи — из мяса и т.д. Подобных взглядов придерживались многие известные ученые (Аристотель, Парацельс, Коперник, Галилей, Декарт и др.), благодаря авторитету которых концепция самопроизвольного зарождения жизни смогла существовать так долго.
Однако начиная с XVII в. стали накапливаться данные, противоречащие такому пониманию происхождения жизни. В 1668 г. итальянский естествоиспытатель и врач Ф. Реди провел серию опытов, которыми доказал, что белые черви в гниющем мясе есть не что иное, как личинки мух. Его опыты были простыми и убедительными. В несколько сосудов он положил кусочки мяса. Часть этих сосудов он оставил открытыми, а часть прикрыл материей, пропускающей воздух. Вскоре в первых сосудах появились личинки мух, а в прикрытых сосудах их не было. Тем самым он доказал невозможность самозарождения червей из гниющего мяса в отсутствие мух. В результате проведенных опытов Реди сформулировал свой знаменитый принцип: «Все живое — от живого». Поэтому Реди стал основоположником концепции биогенеза, утверждавшей, что жизнь возникает только из предшествующей жизни.
Несмотря на убедительность опытов Реди, споры вокруг этой теории продолжались вплоть до середины XIX в., когда знаменитый французский ученый Луи Пастер своими простыми и оригинальными опытами окончательно доказал невозможность самозарождения простых организмов. Опыты Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши. Если же сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, проведя стерилизацию (пастеризацию), то никакого самозарождения не произойдет. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов. Но, опровергнув эту концепцию, Пастер, к сожалению, не предложил никакой другой идеи. Поэтому в середине XIX в. наука не могла ничего сказать о том, как возникла жизнь на Земле.
Концепция самозарождения жизни, несмотря на свою ошибочность, сыграла позитивную роль в развитии естествознания, поскольку опыты, призванные подтвердить ее, помогли получить богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки.
251
Концепция панспермии
Практически одновременно с опытами Пастера немецким ученым Г. Рихтером была высказана гипотеза о занесении живых существ на Землю из космоса, получившая позднее название концепции панспермии (от греч. pan — весь, sperma — семя). Согласно этой гипотезе жизнь в виде «семян» широко распространена в космосе, откуда зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции всего живого, породив таким образом все многообразие земной жизни. То есть данная теория допускала возможность возникновения жизни в разное время в разных частях Галактики и перенесения ее на Землю тем или иным способом. Основную идею концепции панспермии разделяли крупнейшие ученые конца XIX в. У. Томсон (барон Кельвин), Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский и др.
В 1908 г. шведский химик С. Аррениус выдвинул схожую гипотезу происхождения жизни из космоса. Он высказал мысль, что зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планет, дают начало жизни на них. Жизнь на нашей Земле начала свое развитие тогда, когда на нее из Космоса попали зародыши жизни.
Концепция панспермии была поддержана многими известными учеными, что способствовало ее широкому распространению. Довольно большое число сторонников имеет эта концепция и в наши дни. Так, американские астрономы, изучая газовую туманность, отстоящую от Земли на 25 тысяч световых лет, нашли в ее спектре следы аминокислот и других органических веществ. В начале 1980-х гг. американские исследователи обнаружили в Антарктиде осколок породы, выбитой когда-то с поверхности Марса крупным метеоритом. При помощи электронного микроскопа в этом камне были обнаружены окаменевшие останки микроорганизмов, похожие на земные бактерии. Это говорит о том, что в прошлом на Марсе существовала примитивная жизнь, может быть, она есть там и сейчас.
Тем не менее, серьезных аргументов в пользу концепции панспермии нет. При этом существуют серьезные доводы против нее. Дело в том, что, хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей.
Были попытки опровергнуть это положение. Так, голландский ученый М. Гринберг считал, что на нашу планету жизнь была занесена кометами. По его мнению, живые клетки зародились в газовых