Биология как естественная наука

Фундаментальные свойства живой материи

Лекция 14

Для расслабления и снижения мышечного напряжения целесообразно использовать методы психорегулирующей нагрузки.

Растягивающие упражнения необходимо выполнять по наибольшей амплитуде и при этом резких движений надо избегать, и только заключительные повторения можно выполнять резко. В этом случае, как правило, мышцы уже адаптировались к растягиванию.

Жизнь на Земле как природное явление изу­чается комплексом естественнонаучных дис­циплин, объединенных названием биология. Предметом биологии является огромное мно­гообразие вымерших и ныне населяющих Зем­лю живых существ, их строение и функции, происхождение, распространение и развитие, связи друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные за­кономерности, присущие живой материи во всех ее проявлениях и свойствах. Человек, его анатомическое строение, физиология, поведе­ние, конечно, тоже изучаются биологически­ми науками. Однако специфические вопросы, связанные с отражением внешнего мира в соз­нании человека, с человеческой субъективно­стью, относятся к гуманитарным наукам.

Выделяют три этапа развития биологии.

1 этап – натуралистический или этап систематики. Еще Аристотель (384-322 до н.э.) предпринял первую попытку классификации растений и животных. Основоположником научной классификации живых организмов стал шведский естествоиспытатель и врач Карл Линней (1707-1778), создатель единой системы растительного и животного мира, обобщившей и в значительной степени упорядочившей биологические знания всего предыдущего периода. Одной из главных заслуг Линнея стало определение понятия биологического вида, внедрение в активное употребление биноминальной (бинарной) номенклатуры (род + вид).

2 этап – физико-химический, на котором жизнь изучалась на клеточном и молекулярно-генетическом уровне. Следует упомянуть таких ученых, как Луи Пастер (1822-1895), открывшем микробную сущность инфекций и Теодор Шванн (1810-1882), разработавшим клеточную теорию строения живых организмов.

3 этап – этап эволюционной биологии. Следует отметить создателя первого учения об эволюции Жана Батиста Ламарка (1744-1829), Чарльз Дарвин (1809-1882) разработал эволюционную теорию происхождения видов. В своей теории, первое развёрнутое изложение которой было опубликовано в 1859 году в книге «Происхождение видов» (полное название: «Происхождение видов путём естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь»), основной движущей силой эволюции Дарвин назвал естественный отбор и неопределённую изменчивость. Грегор Мендель (1822-1884) стал первооткрывателем законов наследственности. Август Вейсман (1834-1914) и Томас Морган (1866-1945) разработали хромосомную теорию наследственности.

До настоящего времени описано примерно две трети существующих видов, а именно: около 2 000 000 видов животных, 320 000 видов растений, 200 000 видов грибов и 10 000 видов бактерий.

В основе биологических процессов лежат физико-химические закономерности. Нет ни одного биологического явления, которое бы противоречило фундаментальным законам фи­зики и химии. Материальная основа жизни — это прежде всего взаимодействие электрически заряженных частиц, образующих атомы и молекулы ве­щества. Влияние остальных фундаментальных взаимодей­ствий — сильного, слабого и гравитационного — в биологи­ческих процессах несравнимо меньше, чем электромагнит­ного.

И все же считать биологию одним из разделов химии или физики, где изучаются белки и нуклеиновые кисло­ты, нельзя, так как на биологическом уровне организа­ции материи появляются новые закономерности, кото­рых просто не могло быть на более низком иерархиче­ском уровне.

Долгое время биология была в основном эмпирической областью естествознания, занимающейся наблюдением, систематизацией, классификацией объектов и явлений живой природы, установлением феноменологических за­кономерностей в этой области. Первые систематические попытки познания законов живой природы были сдела­ны еще в античные времена (Аристотель, Гиппократ). Ре­волюцией в биологии стало изобретение микроскопа. С его помощью Р. Гук в 1668 г. открыл клеточное строение рас­тений, А.Левенгук в 1672 г. впервые наблюдал мир мик­роскопических организмов, в том числе бактерий. Одним из главных достижений XVIII века в биологии стало созда­ние К. Линнеем в 1735 г. системы классификации расте­ний и животных. Этой системой пользуются до сих пор. XIX век ознаменовался новыми великими открытиями: клеточная теория Т. Шванна (1839), законы наследствен­ности Г. Менделя (1865) и, наконец, эволюционное уче­ние Ч. Дарвина (1859).

Несмотря на эти достижения, биологи всегда «с зави­стью» смотрели на физику с ее фундаментальными теоре­тическими законами и огромным эвристическим потен­циалом. А возможна ли вообще теоретическая биология? Этот вопрос особенно остро встал во второй половине XX века после выдающихся открытий в области биофизики, био­химии, генетики, молекулярной биологии. Некоторые ученые отвечают на него отрицательно, считая, что в био­логии нет «абсолютных явлений», все клетки и другие структуры уникальны, а любое явление — лишь звено в эволюционной, цепи изменяющихся форм, однозначно моделировать которую невозможно.

Однако все больше и больше исследователей придер­живается другого мнения: теоретической биологии еще нет, но она возможна. Просто мы еще не знаем всех прин­ципов, которые лежат в ее фундаменте. Чрезвычайная сложность биологических объектов не позволяет описать явление, именуемое «жизнь», короче, чем при его непо­средственном наблюдении. Другими словами, пока неяс­но, как построить абстрактную модель жизни. Тем не ме­нее движение в направлении создания теоретической био­логии в последнее время ускорилось.

А что думают о биологии, в том числе теоретической, физики и химики? И те, и другие всегда старались вклю­чить специфическое поведение живых объектов в сферу своих интересов. У химиков достижения на этом пути оказались более значительными. В 1953 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон предложили модель структуры ДНК (двой­ную спираль), что сразу объяснило многие ее свойства и биологические функции. С этой модели фактически на­чалась молекулярная генетика. Многочисленные откры­тия в области каталитической химии прояснили функции различных белков в процессе функционирования живых структур. Ученые-биохимики научились целенаправлен­но манипулировать на уровне клеточных компонентов, вмешиваясь в «святая святых» биологических объектов — генетический аппарат. Именно в биологию текут сейчас огромные финансовые потоки, особенно в богатых, разви­тых странах. А в средствах массовой информации говорят о биологии как науке XXI века.

Серьезные достижения принес XX век и в область био­физики. Среди наиболее ярких открытий можно назвать установление физических механизмов слуха и зрения, ионных механизмов возбуждения и торможения нервных клеток и др. Однако основное внимание физиков XX в. было направлено на выяснение того, какие биологические процессы могут быть сведены к физиче­ским, а какие — нет.

Как будет показано ниже, живое отличается от косно­го (неживого) способностью активно поддерживать свой фантастический пространственно-временной порядок, активно «сопротивляться» внешним и внутренним фак­торам, стремящимся разрушить этот порядок, перевести его в беспорядок, как того требует второе начало термо­динамики. Некоторым даже стало казаться, что высокий порядок живых систем «противоречит» законам физи­ки. Поэтому так важны оказались примеры поведения физических объектов, которые могли самопроизвольно образовывать высокоупорядоченные структуры. Для это­го такие системы должны активно взаимодействовать со своим окружением, находиться далеко от состояния теп­лового равновесия, нелинейно реагировать на внешние и внутренние воздействия. Хрестоматийными примерами таких объектов являются конвективные ячейки Бенара, автоволны и т. п. Родилось целое направление в науке, которое изучает особенности самоорганизующихся сис­тем в физике, химии, биологии и других естественных и гуманитарных науках. Это направление называется синергетикой.

14.2 Что такое жизнь?

Интуитивно все представляют себе, что такое жизнь. Мы знаем, что сами живы, что живы деревья во дворе, что жива наша кошка (или собака), а вот камень, лежащий на дороге, нет. Однако попробуйте выразить эти интуитив­ные представления в виде строгого определения, и сразу возникают проблемы, с которыми ученые и философы не могут справиться вот уже 2500 лет.

Дело в том, что определение понятия «жизнь» должно отражать неразрывное единство структурного и функцио­нального компонентов. Если ограничиться функциональ­ным определением и сказать, что живое — это то, что спо­собно ощущать окружающую среду, реагировать на ее из­менения, принимать пищу, расти, воспроизводиться и прочее, то мы немедленно столкнемся с примерами нежи­вых объектов, которые в определенном смысле выполня­ют те же функции; кристалл поваренной соли растет, вос­производится, огонь «питается» топливом и т. д. С другой стороны, давая структурное определение жизни («жи­вое — это то, что состоит из клеток»), мы, например, не увидим «разницы» между живой и мертвой лошадью: и та, и другая состоят из клеток. Значит, надо определить, что такое живая и неживая клетка, и мы снова приходим к комплексу проблем.

Однако и структурно-функциональное определение жизни дать не просто, так как необходимо установить, во-первых, какая структура является «минимальной» для того, чтобы считать ее живой, и, во-вторых, какой фунда­ментальный набор функций соответствует понятию «жи­вая структура».

Возьмем, например, хрестоматийное оп­ределение жизни по Ф. Энгельсу: «Жизнь — это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружаю­щей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». И далее: «...обмен веществ состоит в поглощении веществ, химический состав которых изме­няется, которые ассимилируются организмом и остатки которых выделяются вместе с порожденными в процессе жизни продуктами разложения самого организма».

Ви­димо, Энгельс чувствовал, что понятие «обмен веществ» может быть применено и к объектам неживой природы, поэтому он поясняет: «И у неорганических тел может про­исходить подобный обмен веществ, который и происхо­дит с течением времени повсюду, так как повсюду проис­ходят, хотя бы и очень медленно, химические действия. Но разница заключается в том, что в случае неорганиче­ских тел обмен веществ разрушает их, в случае же орга­нических тел он является необходимым условием их су­ществования». Сейчас это структурно-функциональное определение уже явно не соответствует современному уровню биологической науки. Во времена Энгельса еще ничего не было известно о нуклеиновых кислотах и дру­гих важных биологических компонентах живых систем, ничего не знали и об информационной стороне биологиче­ских процессов.

В XX в. прогресс в биологии сопровождался более глу­боким пониманием феномена жизни. Выдающийся био­химик академик В. А. Энгельгардт отмечал, что «в спо­собности живого создавать порядок из хаотического теп­лового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого. Тенденция к упо­рядочению, к созданию порядка из хаоса есть не что иное, как противодействие росту энтропии». Эта мысль разви­вается одним из создателей квантовой механики физиком Э. Шредингером в его знаменитой книге «Жизнь с точки зрения физики»: «Живой организм может избегнуть со­стояния максимальной энтропии, которое представляет собой смерть, только путем постоянного извлечения от­рицательной энтропии из окружающей его среды. Отри­цательная энтропия — вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобож­дать себя от всей той положительной энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив». В следующем параграфе мы подробнее обсудим эту мысль Шредингера.

Обобщая достижения современного естествознания в области теории открытых диссипативных систем, извест­ный биофизик академик М. В. Волькенштейн определил живые тела, существующие на Земле, как «открытые са­морегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, состоящие из биополимеров: белков и нуклеиновых ки­слот».

И все же, несмотря на большое число высказываний по доводу феномена жизни, безупречно строго определить, что такое жизнь, по-прежнему очень сложно. Поэтому, переходя к анализу специфики жизни, мы не будем стре­миться к математической строгости определений, а сосре­доточимся на кратком описании того, что общего у живых и неживых объектов и чем они отличаются друг от друга. Начнем мы с фундаментальных функций живого, чтобы в дальнейшем при анализе структурной иерархии в живой природе не только понимать, как упорядочена жизнь, но и почему она так устроена.

Дата добавления: 2014-01-04