КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. БИОЛОГИЯ

А.П. Анисимов

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. БИОЛОГИЯ

ВЛАДИВОСТОК

2000 г.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................................. 3

СЕГМЕНТ 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ БИОЛОГИИ.................................................................................... 3

СЕГМЕНТ 2. ЗНАЧЕНИЕ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ...................................................................................... 3

СЕГМЕНТ 3. МЕТОДЫ БИОЛОГИИ........................................................................................................... 5

СЕГМЕНТ 4. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ....................................... 7

ТЕМА 1. КОНЦЕПЦИЯ СИСТЕМНОЙ МНОГОУРОВНЕВОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ............... 8

СЕГМЕНТ 5. СИСТЕМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ.......................................................................................... 8

СЕГМЕНТ 6. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ............................................................. 9

СЕГМЕНТ 7. МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ.......................................................... 10

СЕГМЕНТ 8. ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ................................................................................. 12

СЕГМЕНТ 9. ПОПУЛЯЦИОННО-ВИДОВОЙ УРОВЕНЬ.................................................................... 14

СЕГМЕНТ 10. БИОГЕОЦЕНОТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ......................................................................... 15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ТЕМЕ 1......................................................................................................................... 16

ТЕМА 2. КОНЦЕПЦИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ СУЩНОСТИ ЖИЗНИ...................................................... 17

СЕГМЕНТ 11. МЕХАНИЦИЗМ И ВИТАЛИЗМ В ИСТОРИИ БИОЛОГИИ.................................... 17

СЕГМЕНТ 12 ЖИВАЯ МАТЕРИЯ И ЕЕ ОСНОВНАЯ ФОРМА ДВИЖЕНИЯ. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В ЖИВОЙ СИСТЕМЕ......................................................................................................................................................... 19

СЕГМЕНТ 13. ТРАНСФОРМАЦИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ........................................... 22

СЕГМЕНТ 14. БЕЛКИ – СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОСНОВА ЖИЗНИ.................. 26

СЕГМЕНТ 15. ОПОРА И ДВИЖЕНИЕ...................................................................................................... 27

СЕГМЕНТ 16. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ.................................................................................................. 28

СЕГМЕНТ 17. ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ (БИОКАТАЛИЗ).................................................. 29

СЕГМЕНТ 18. ЗАЩИТНЫЕ РЕАКЦИИ. ИММУНИТЕТ.................................................................... 31

СЕГМЕНТ 19. СИГНАЛИЗАЦИЯ. ГОРМОНАЛЬНАЯ И НЕРВНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ................... 33

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ТЕМЕ 2......................................................................................................................... 37

ТЕМА 3. КОНЦЕПЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЖИЗНИ. ОНТОГЕНЕЗ 38

СЕГМЕНТ 20. САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ - ВАЖНЕЙШЕЕ СВОЙСТВО ЖИЗНИ. ОБЩАЯ СХЕМА ОНТОГЕНЕЗА 38

СЕГМЕНТ 21. ПРЕФОРМИЗМ И ЭПИГЕНЕЗ В ИСТОРИИ ЭМБРИОЛОГИИ............................. 39

СЕГМЕНТ 22. ГЕНОТИП И ФЕНОТИП ОРГАНИЗМА. ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ 41

СЕГМЕНТ 23. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК И РАЗМНОЖЕНИЕ КЛЕТОК................................................. 43

СЕГМЕНТ 24. ФОРМЫ РАЗМНОЖЕНИЯ ОРГАНИЗМОВ. КЛОНИРОВАНИЕ.......................... 46

СЕГМЕНТ 25. РАЗВИТИЕ ОРГАНИЗМА................................................................................................ 50

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ТЕМЕ 3......................................................................................................................... 55

ТЕМА 4. КОНЦЕПЦИЯ САМОРЕГУЛЯЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ......................................................... 57

СЕГМЕНТ 26. САМОРЕГУЛЯЦИЯ И ГОМЕОСТАЗ............................................................................ 57

СЕГМЕНТ 27. ВНУТРИКЛЕТОЧНАЯ САМОРЕГУЛЯЦИЯ.............................................................. 58

СЕГМЕНТ 28. САМОРЕГУЛЯЦИЯ МНОГОКЛЕТОЧНОГО ОРГАНИЗМА................................. 61

СЕГМЕНТ 29. САМОРЕГУЛЯЦИЯ В ЭКОСИСТЕМАХ..................................................................... 65

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ТЕМЕ 4......................................................................................................................... 73

ТЕМА 5. КОНЦЕПЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ. ФИЛОГЕНЕЗ 75

СЕГМЕНТ 30. ПРОБЛЕМА САМООРГАНИЗАЦИИ И НАУКА СИНЕРГЕТИКА........................ 75

СЕГМЕНТ 31. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ................................................................... 77

СЕГМЕНТ 32. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ И СОВРЕМЕННОЕ БИОРАЗНООБРАЗИЕ 82

СЕГМЕНТ 33. ФАКТОРЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ............................................................ 91

СЕГМЕНТ 34. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА.................................................... 97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ТЕМЕ 5.......................................................................................................................... 102

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................ 103

ВВЕДЕНИЕ

Сегмент 1. Предмет и задачи биологии

Сегмент 2. Значение общей биологии

Сегмент 3. Методы биологии

Сегмент 4. Основные концепции современной биологии

СЕГМЕНТ 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ БИОЛОГИИ

Биология - совокупность наук о жизни, о живой природе (греч. bios - жизнь, logos - учение). Современная биология - очень разнообразная и развитая область естествознания. Различают ряд частных биологических наук по объектам исследования, такие как зоология (о животных), ботаника (о растениях), микробиология (о бактериях), вирусология (о вирусах), и другие, еще более мелкие подразделения (орнитология - о птицах, ихтиология - о рыбах, альгология - о водорослях и т.д.). Другое подразделение биологических наук - по уровням организации и свойствам живой материи: молекулярная биология и биохимия (химические основы жизни), генетика (наследственность), цитология (клеточный уровень), эмбриология, биология развития (индивидуальное развитие организмов), анатомия и физиология (строение и принципы функционирования организмов), экология (взаимоотношения организмов с окружающей средой), теория эволюции (историческое развитие живой природы).

Живой мир очень многообразен. Существует около 2 млн видов животных, около 500 тыс. видов растений, сотни тысяч грибов, тысячи видов и еще больше штаммов (разновидностей) бактерий. Многие виды еще не описаны. Структурная сложность, типы питания, жизненные циклы, исторический возраст этих групп организмов очень сильно различаются (сравните хотя бы организацию и образ жизни человека и его домашних спутников - таракана, комнатного растения, микробов и вирусов). Но все организмы должны иметь нечто общее, что отличало бы их от неживой природы. Это - обмен веществ и энергии, способность к размножению и развитию, изменчивость и адаптивная эволюция. Выявлением и характеристикой этих общих свойств живых организмов и их системных комплексов с неживой природой занимается так называемая общая биология. По сути перед общей биологией стоит задача познать сущность жизни, ответить на вопрос - что есть жизнь. Именно эта общая концептуальная часть биологии предлагается в современной модели гуманитарного образования. Для чего это нужно?

СЕГМЕНТ 3. МЕТОДЫ БИОЛОГИИ

Говоря о методах науки в широком смысле, имеют в виду не конкретные технологические приемы (методики), а методологические принципы , подходы к изучению объектов, явлений, их связей. В общем методы биологии те же, что и в других естественных науках.

Процесс научного познания принято разделять на две стадии: эмпирическую и теоретическую. Это разделение не абсолютно, так как эмпирическая стадия всегда развивается на основе предсуществующих теорий или гипотез, а на теоретической стадии обычно возникает необходимость в эмпирической проверке выдвигаемых новых гипотез.

На эмпирической стадии используются следующие методы.

Наблюдение - изучение объектов живой природы в естественных условиях существования. Это - непосредственное наблюдение (в буквальном смысле) за поведением, расселением, размножением животных и растений в природе, визуальное или инструментальное определение характеристик организмов, их органов, клеток, химический анализ состава и обмена веществ. Для этих целей в современной биологии применяют как традиционные средства полевых исследований - от бинокля до глубоководных аппаратов с видеокамерами ночного видения, так и сложное лабораторное оборудование - микроскопы, в том числе спектральные и электронные, биохимические анализаторы, радиоактивные метки, ультрацентрифуги, разнообразную измерительную аппаратуру.

Экспериментальный метод (опыт) предполагает исследования живых объектов в условиях экстремального действия факторов среды - измененной температуры, освещенности или влажности, повышенной нагрузки, токсичности или радиоактивности, измененного режима или места развития (удаление или пересадка генов, клеток, органов, интродукция животных и растений, космические полеты и т.п.). Экспериментальный метод позволяет выявить скрытые свойства, потенции, пределы адаптивных (приспособительных) возможностей живых систем, степень их гибкости, надежности, изменчивости.

Сравнительный (исторический) метод выявляет эволюционные преобразования биологических видов и их сообществ. Сопоставляют анатомическое строение, химический состав, структуру генов и другие признаки у организмов разного уровня сложности. При этом исследуются не только ныне живущие организмы, но и давно вымершие, сохранившиеся в виде окаменелых останков в палеонтологической летописи.

Любой из названных подходов требует количественного учета и математического описания структур и явлений. Биология все более становится точной наукой, хотя выявляемые в ней закономерности носят обычно вероятностный характер и описываются методами вариационной статистики. Это означает, что то или иное событие не строго детерминировано (предопределено), а ожидается с той или иной степенью вероятности. На основе выявляемых статистических закономерностей можно осуществлять математическое моделирование биологических процессов и прогноз их развития. Например, можно построить модель состояния жизни в водоеме через энное время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников и др.). Такие приемы стали возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов кибернетики - науки об управлении.

Системный метод , как и кибернетический подход, относится к категории новых междисциплинарных методов исследования. Живые объекты рассматриваются как системы , то есть совокупности элементов с определенными отношениями. С учетом иерархичности живых систем каждый объект может рассматриваться одновременно как система и как элемент системы более высокого порядка. Поэтому принципы системной организации справедливы для всех уровней - от макромолекул до биосферы Земли.

Широкое развитие системного движения в современной науке, в том числе и в биологии, означает постепенный переход от анализа к синтезу. Анализ - это дискретный подход, углубление в структуру и функции отдельных элементов системы - внутри клетки, внутри организма, внутри экологического сообщества. Синтез означает интегративный подход, изучение целостных характеристик системы - клетки, организма, биоценоза. Исследование всегда совершается сначала от общего к частному - анализ, а потом от частного к общему, но на новом уровне познания этого общего - синтез. С аналитическим подходом в биологии связаны открытия химической и микроструктурной организации живых объектов, выяснение видового разнообразия среди животных, растений, микроорганизмов, выявление генетической неоднородности организмов внутри популяций и другие внутренние характеристики систем. Постепенно объем накопленных аналитических данных становился достаточным для перехода к их синтезу. Так возникли синтетическая теория эволюции, нейро-гуморальная физиология, современная иммунология, молекулярно-клеточная биология, новая мегасистематика организмов, основанная на их комплексной характеристике - от экологии и анатомии до молекулярной генетики. Решается актуальная задача современного естествознания - создание целостной биологической картины мира.

Повышение интереса к синтезу в науке свидетельствует о переходе от эмпирической к теоретической стадии познания . От получения фактов, через их обобщение начинается выдвижение новых гипотез, далее обычно следует их повторная эмпирическая проверка (новые наблюдения, эксперименты, сравнения, моделирования). Эмпирическая проверка ведет либо к опровержению гипотезы, либо к ее подтверждению с той или иной степенью вероятности. Высоко достоверные гипотезы становятся законами, из них слагаются теории. Но и эти законы, теории носят относительный характер, так как рано или поздно могут быть пересмотрены.

Материал нашего пособия как раз и содержит такие общие теоретические, концептуальные положения современной биологии, хотя в определенной мере мы будем приводить и их эмпирические обоснования. Для начала сформулируем эти положение в общем виде, чтобы яснее были видны конечные цели и пути нашего экскурса в общую биологию.

Таблица 1 (к сегменту 6).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ТЕМЕ 1

Все объекты природы являются системами. Живые системы имеют разную степень сложности - от молекул до биосферы - и представляют в совокупности многоступенчатую иерархию уровней организации. Каждый уровень организации жизни имеет свои специфические свойства, закономерности структуры, функции, развития, приобретает новые качественные характеристики. Принципиальный качественный скачок наблюдается при переходе от макромолекулярных комплексов к клеткам - появляется качество жизни как свойство определенного уровня сложности материи . Наиболее устойчивыми живыми системами являются клетка, организм, биогеоценоз.

Что же это за новое качество - жизнь? В чем ее сущность, отличие от «нежизни»? Этот принципиальный общенаучный вопрос мы рассмотрим в следующей теме.

Рис. 5

Рассмотрим несколько подробнее реакции энергетического обмена. Независимо от исходного источника энергии все организмы - как аутотрофы, так и гетеротрофы - сначала переводят энергию в удобное для дальнейшего использования состояние. Это - так называемые макроэргические (богатые энергией) связи в молекулах аденозинтрифосфорной кислоты - АТФ (рис. 5). Образуются молекулы АТФ из аденозин ди фосфорной (АДФ) или аденозин моно фосфорной (АМФ) кислоты и свободных молекул фосфорной кислоты, но при непременном поглощении внешней энергии - солнечной или химической (эндотермическая реакция). Количество энергии, запасенное в макроэргической связи, на порядок больше, чем в обычных связях, например, внутри молекулы глюкозы, поэтому в составе АТФ энергию удобно хранить и транспортировать в пределах клетки. В местах потребления этой энергии АТФ распадается на АДФ и фосфат (при крайней необходимости даже на АМФ и два фосфата), а освобожденная энергия расходуется на ту или иную работу - синтез глюкозы в хлоропластах растительных клеток, синтез белков и других макромолекул, транспорт веществ в клетку и из клетки, движение и др. (см. рис. 5 и 6). АДФ (АМФ) и фосфат могут снова соединиться, захватив очередную порцию внешней энергии, а потом разрушиться и отдать энергию в работу. Циклические преобразования АТФ многократно повторяются. Таким образом, АТФ выступает в качестве универсального переносчика энергии внутри клетки, своеобразной разменной монетой в энергетических платежах за внутриклеточные процессы.

Рис. 6

После того, как нам стала ясна роль АТФ и ее цикл, вся проблема клеточной энергетики сводится к пониманию первичных источников энергии и механизмов ее перевода в АТФ. В общем виде ситуация такова: у фотосинтетических аутотрофных организмов синтез АТФ из АДФ и фосфата генерируется солнечной энергией, у гетеротрофов - энергией от окисления пищевых продуктов (см. рис. 5). Таким образом, растениям для синтеза АТФ нужен свет, животным и человеку нужна органическая пища.

Свет является первичным источником энергии, он используется в реакциях фотосинтеза у растений. По конечной сути реакция фотосинтеза довольно проста:

6СО ₂ + 6H ₂ O + энергия света = С ₆ Н ₁₂ О ₆ + 6О ₂ (рис. 6): с помощью энергии света из углекислого газа и воды синтезируется 6-углеродное органическое вещество - глюкоза (моносахарид), и в качестве «лишнего» продукта образуется кислород, который уходит в атмосферу. На самом деле реакция более сложная, она состоит из двух стадий: световой и темновой. Сначала на свету с помощью особого Mg-содержащего белка хлорофилла вода расщепляется на кислород и водород, а энергия водорода передается на синтез АТФ. Только потом, в темновой стадии, водород соединяется с углекислым газом и образуется глюкоза. При этом часть АТФ расщепляется, отдавая энергию глюкозе.

Глюкоза вместе с минеральными веществами, поступающими в растение из почвы (азот, сера, фосфор, железо, магний, кальций, калий, натрий и др.), становится основой для более сложных синтезов - образуются полисахариды, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, из которых строятся рабочие структуры клеток. Но и эти синтезы, как и синтез глюкозы, требуют энергетических затрат. Прямое использование света здесь невозможно (эволюция не создала таких энергетических переходов), поэтому некоторая часть глюкозы тратится как энергетический субстрат, то есть глюкоза становится вторичным источником энергии. Глюкоза расщепляется и отдает энергию - сначала на синтез АТФ, а после расщепления АТФ - на биосинтезы макромолекул (рис. 6). Значительная часть АТФ, как уже сказано выше, расходуется на другую работу - транспорт веществ, движение клетки и др.

Наиболее эффективно глюкоза расщепляется с участием кислорода: C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ = 6CO ₂ + 6H ₂ O + энергия. По химической сути это - полное окисление (горение! ) глюкозы. В живой клетке это «горение» происходит замедленно, поэтапно, так что энергия выделяется малыми порциями, и большая ее часть (около 55 %) используется на синтез АТФ, остальная рассеивается в виде тепла. Полное окисление одной молекулы глюкозы обеспечивает синтез 38 молекул АТФ. Поскольку кислород для окисления мы вдыхаем с атмосферным воздухом, то и на химическом уровне окисление глюкозы кислородом называют дыханием.

На рис. 6 все описанные процессы схематично показаны для аутотрофной растительной клетки. Ее главная черта - способность к фотосинтезу, который обеспечивает первый этап построения органического вещества, в форме глюкозы. Но и дыхание в полной мере присуще растениям, так как именно этот процесс извлекает энергию из глюкозы (а также из жиров и лишних белков), переводит ее временно в АТФ и далее в сложные макромолекулы. Эта же схема, но с изъятием реакции фотосинтеза, соответствует и гетеротрофному метаболизму животных клеток. В этом случае глюкоза (а также другие углеводы, жиры, трофические белки и др.) поступают в клетку извне в готовом виде. Часть этих материалов идет на дыхание (в топку, для извлечения энергии через синтез АТФ), а часть - после некоторой переделки - на синтез новых макромолекул как строительный материал. Таким образом, пища у гетеротрофов (то есть и у нас с вами) имеет двойное назначение - энергетическое и пластическое (строительное).

На рис. 6 следует обратить внимание на единство процессов энергетического и пластического (строительного) метаболизма клетки. Энергия поглощается из внешней среды, преобразуется в АТФ прежде всего для осуществления строительных процессов, для построения живой материи. Или обратно: построение живой материи, то есть синтез макромолекул из простых неорганических веществ, возможен только с поглощением внешней энергии. Точки пересечения стрелок энергетического и пластического обмена означают места сопряжения энергетического и пластического метаболизма. В живой клетке таких мест очень много. Сопряжение светового потока и синтеза глюкозы (реакция фотосинтеза) происходит в хлоропластах - специальных органоидах растительных клеток, сопряжение дыхания (окисления глюкозы) и синтеза АТФ - в митохондриях, сопряжение распада АТФ и синтеза клеточных белков - в рибосомах и т. д. (см. сегменты 7 и 8 - о строении клетки, а также рис. 3).

С точки зрения обсуждаемой проблемы - материальной сущности жизни - все рассмотренные процессы обмена веществ и энергии в клетке представляют простые физико-химические реакции. Мы не углублялись в механизмы преобразования энергии в хлоропластах и митохондриях, но если бы сделали это, то убедились бы в их изначально физической сущности. Основные события здесь связаны с распадом атомов водорода на элементарные заряженные частицы - протоны (Н+) и электроны (е-) и их индуцированным переносом по разные стороны мембраны внутри хлоропластов и митохондрий. В этих органоидах, как в электрических батарейках, создается разность электрических потенциалов порядка 0, 2 вольта, которая при необходимости реализуется в электрический (протонный) ток, а этот ток, в свою очередь, вращает и активирует ферменты синтеза АТФ. Аналогичные физико-химические преобразования мы увидим и в других клеточных структурах.

Рис. 7

Главное, что следует вынести из описания мышечной функции, это понимание простой физико-химической сущности движения, которая сводится к изменению объемной формы молекулы белка миозина. Эта форма, или третичная структура, в свою очередь зависит от силы химических связей внутри молекулы. При энергетическом разряде от распада молекулы АТФ сила связей резко, но кратковременно изменяется - молекула «вздрагивает» (сгибается и тут же разгибается), совершая работу. Суть реакции миозина настолько проста, что воспроизводится in vitro («в стекле», в пробирке, то есть в искусственных условиях) на чистых белках, выделенных из клеток, или даже на мертвых клетках при добавлении АТФ. Добавим, что аналогичный механизм движения, но с другими белками, известен для ресничек и жгутиков, которыми снабжены многие одноклеточные организмы (например, инфузория), сперматозоиды, некоторые покровные (эпителиальные) ткани. Итак, движение - важное проявление жизни - имеет вполне материальную сущность.

Рис. 8

Хотя ферменты и понижают многократно энергию активации соответствующих реакций, для их осуществления все же требуется определенная энергия. Энергия может генерироваться окислительно-восстановительными кофакторами - такими, как НАД, ФАД или гем. Ферменты класса синтетаз (лигазы) способны расщеплять молекулу АТФ до АДФ и фосфата и используют выделенную энергию на свою конформационную перестройку (см. сегмент 13 и рис. 5). После произведенной работы по синтезу сложного вещества большая часть энергии не исчезает и не уходит в виде тепла - она лишь переходит в новые химические связи синтезируемого вещества. Впоследствии - в случае расщепления этого вещества - энергия может быть снова извлечена для производства другой работы.

Даже не вдаваясь в детали ферментативного катализа, видно, что эта важнейшая биологическая функция реализуется как сумма простых физико-химических реакций. Важнейшие из них - стереохимическое молекулярное узнавание субстрата ферментом и конформационная перестройка молекулы белка-фермента, суть которой, как и в реакциях мышечного сокращения или активного транспорта, состоит в обратимом изменении силы химических связей внутри молекулы. Изучение зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации фермента и субстрата показало, что в простейших случаях она описывается уравнением Михаэлиса-Ментен. Из этого следует, что в основе ферментативных реакций лежат те же законы и принципы, на которых основаны обычные химические реакции. Однако единая теория ферментативного катализа до сих пор не разработана, так как механизмы протекания ферментативных реакций очень сложны, многофакторны и разнообразны, зависят от большого числа переменных величин, от взаиморасположения ферментов на мембранах и в ряде случае пока не поддаются математическому описанию. В этом и проявляется эмерджентная специфика биологических реакций как специфика нового уровня сложности (см. сегмент 5).

Рис. 9

Нервная регуляция происходит с помощью особых нервных клеток (нейронов), имеющих длинные отростки и связанные в нервные цепи или сети разной сложности. Нервная регуляция имеется уже у гидр и медуз - наиболее простых многоклеточных животных, а наивысшего развития достигает у позвоночных, особенно у человека с его развитым головным и спинным мозгом, вегетативной системой ганглиев и локальными скоплениями нейронов во внутренних органах. Буквально каждый участок тела пронизан нервными отростками и их разветвленными окончаниями, что позволяет организму иметь информацию о состоянии условий среды во всех его точках и управлять этими состояниями - как правило с участием гормональной регуляции. На основе нервных связей формируются сложные программы внутренней регуляции органов, поведения и высшей нервной деятельности.

Наиболее сложным проявлением высшей нервной деятельности у человека выступает сознание как высший уровень психической активности. Важнейшей функцией сознания является мышление с его основными операциями абстрагирования, обобщения, опосредствования и др. Мышление направлено на осознание существа предметов и явлений, созидание новых идей, мысленное построение действий и предвидение их последствий. Мышление представляет высшую форму активного отражения объективной реальности.

Способна ли современная наука объяснить природу нервной деятельности, понять тонкие механизмы работы мозга? В нейробиологии остается много вопросов и белых пятен, поскольку речь идет о самой сложной форме проявления жизни, но элементарные процессы изучены достаточно хорошо. Как уже сказано выше, структурной единицей нервной ткани является нервная клетка - нейрон. Нейроны имеют многочисленные разветвленные связи, особенно сложные в коре головного мозга. Связи распространяются, с одной стороны, на чувствительные рецепторы (кожные, зрительные, слуховые, обонятельные, рецепторы внутренних органов), а с другой - на все регулируемые исполнительные органы (мышцы, пищеварительный тракт, железы и др.). Элементарным явлением в нервной регуляции выступает рефлекс - ответная реакция органа (организма) на внешнее или внутреннее раздражение, осуществляемая через нервную систему (рис. 10). Представление о рефлексах было выдвинуто еще в 17 веке французским натуралистом и философом Р. Декартом, относившим их к автоматическим непроизвольным действиям. Российский физиолог И.М. Сеченов в 1863 г. утверждал, что «все акты сознательной и бессознательной жизни по способу происхождения суть рефлексы». В 20 веке эта концепция была развита И. П. Павловым в учении о безусловных и условных рефлексах. Многочисленные и разнообразные рефлексы слагаются в сложные поведенческие акты, инстинкты, на их основе и развивается вся высшая нервная деятельность. У низших животных преобладают наследственно закрепленные безусловные рефлексы. а у человека доминируют приобретенные условные рефлексы, закрепляемые в процессах обучения, воспитания, трудовой деятельности.

Рис. 10

Известны и биофизические принципы работы нейронов. По отросткам нейронов сигналы могут передаваться на большие расстояния за сотые доли секунды. Коснитесь рукой горячего предмета - тут же последует рефлекторный ответ. А, между прочим, сигнал успевает пробежать по чувствительным нервным волокнам от пальцев в спинальные ганглии и далее в спинной мозг, переключиться на другие нервные клетки и вернуться к мышцам, отдергивающим руку от горячего предмета (см. рис. 10). Установлено, что передача сигнала по нервному волокну осуществляется с помощью электрических токов и электромагнитных полей, генерируемых в поверхностной мембране нейрона.

Рассмотрим схему генерации и проведения нервного импульса (рис. 11).

Рис. 11

Изначально благодаря работе ионных насосов (см. сегмент 16, активный транспорт ионов) на мембране нервной клетки накапливается разность потенциалов (плюс снаружи, минус изнутри), достигающая 80 милливольт. Основным носителем внешнего положительного заряда являются ионы натрия. При раздражении участка мембраны раскрываются белковые поры, по которым ионы натрия устремляются в клетку (по закону простой диффузии). Поток заряженных частиц, в данном случае - поток ионов натрия по водно-белковому каналу, представляет электрический ток. Как хорошо известно, электрический ток порождает вокруг проводника электромагнитное поле; то же самое происходит в электромоторе на обмотках ротора. Возникшее электромагнитное поле тут же перебрасывается на соседние белковые поры, раскрывая их для ионов натрия. Порождается цепная реакция от одной поры к другой, которая распространяется вдоль всего нервного волокна. Завершается передача нервного импульса раздражением мембраны на кончике волокна и выбросом порции медиатора - вещества, возбуждающего следующую клетку. Если это будет мышечная клетка, последует сократительная реакция с участием микронитей и миозина (см. сегмент 15 и рис. 7). В соматической нервной системе сигналы проходят особенно быстро, так как большие отрезки волокон покрыты так называемой миэлиновой оболочкой, и электромагнитное поле «перескакивает» через эти участки, а не «ползет» по всем порам мембраны. Ситуация сравнима с той, когда лошадь под всадником или хищник, преследующий добычу, переходят с бега рысью в галоп.

Заметим, что электрической возбудимостью и проводимостью обладают и другие ткани, в частности мышечные пучки сердца. Это позволяет организовать его ритмичную, бесперебойную и в известной мере автономную работу. В случае остановки сердца, если в нем не произошли сильные структурные нарушения, восстановить работу можно разрядами электрического тока, что и делается в экстренной медицине.

Электрическая активность проводников мозга, сердца и других органов слагается в некоторое суммарное биополе каждого отдельного органа и всего организма. Это электромагнитное поле легко регистрируется и служит ценным диагностическим признаком при выявлении заболеваний сердца и мозга (электрокардиография, электроэнцефалография). Особо чувствительные люди - экстрасенсы - способны улавливать своими рецепторами колебания чужого биополя и даже ставить некоторые диагнозы.

Из рассмотрения механизмов биологической сигнализации видно, что в их основе лежат элементарные физико-химические процессы. Белково-углеводные рецепторы клеточных мембран стереохимически распознают различные сигнальные молекулы - аттрактанты и репелленты, гормоны и медиаторы. Восприятие света, а значит и зрительных образов, основано на электромагнитном возбуждении белковых рецепторов в мембранах светочувствительных клеток - колбочек и палочек - в сетчатке глаза. Во всех случаях реагирующие молекулы претерпевают обратимую конформационную денатурацию. В передачу сигналов часто вовлекаются ферментативные реакции, где рабочим моментом также является конформационная перестройка. Практически все сигнальные и регуляторные процессы происходят с затратой энергии. Солнечная энергия в клетках растений генерирует синтез глюкозы, окисление глюкозы у животных дает энергию для синтеза молекул АТФ. Из макроэргических связей АТФ энергия переходит в работу - превращается в другие химические связи, в электрическую, световую, механическую энергию и рассеивается в космос в виде остаточного тепла. Как и другие виды жизнедеятельности, сигнализация, гормональная и нервная деятельность представляют варианты существования и преобразования материи - вещества и поля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ТЕМЕ 2

Жизнь материальна, ее физико-химическую основу составляет обмен веществ и энергии. Материя, в том числе живая - это объективная реальность, она существует вне сознания, вне духа, независимо от какой-либо «жизненной силы». Материя первична, тогда как сознание вторично, производно от материи, то есть представляет свойство живой материи, одну из форм ее движения. Движение - всеобщее свойство материи. Это даже больше, чем свойство - это ее способ существования. В этом смысле невозможно разделить саму живую материю и ее функциональные проявления, в том числе невозможно разделить живой мозг и его продукт - сознание. Жизнь - это особенная форма движения особенно сложно устроенной материи, качественно (эмерджентно) отличная от форм движения неорганической материи. Это новое качество - жизнь - порождается как сумма свойств составляющих элементов. Количество переходит в качество, целое оказывается больше суммы его частей. Аналогично - формы организации и движения социальных систем отличны от форм организации и движения отдельных живых индивидуумов. Современная биология имеет достаточно фактических оснований для материалистического объяснения сущности жизни.

Рис. 12

Важно то обстоятельство, что как отдельные клетки, так и целые организмы воспроизводят в поколениях прежний план организации и «образ жизни». Долгоживущие нервные клетки восстанавливают одни и те же органоиды, эритроциты во всех поколениях остаются эритроцитами, лейкоциты - лейкоцитами, а дети в целом похожи на родителей. В чем причина этого сходства? Где и в каком виде содержится и как реализуется информация о строении и свойствах организма? Успехи современной генетики, цитологии, эмбриологии дают на эти вопросы достаточно ясные ответы. Для контроля развития используется два источника информации: внутренний - генетический и внешний - эпигенетический. Однако прежде, чем углубиться в эти понятия, посмотрим на проблему исторически и увидим, что путь к пониманию «золотой середины» лежал, как это обычно бывает, через непримиримый антагонизм альтернативных суждений.

Рис. 13

Таким образом ДНК (ген) выполняет роль матрицы (шаблона, образца) для синтеза белка. Информационная РНК служит промежуточной матрицей, то есть рабочей копией гена. В целом в молекулярной биологии выполняется принцип: один ген - один белок.

Почему именно ДНК выбрана Природой для кодирования структуры белков, не известно. В 20-х годах Российский биолог Н.Кольцов высказал идею о самовоспроизведении белков по матричному принципу. В отношении матричного принципа догадка была гениальной, но роль матрицы, как выяснилось позднее, выполняют не сами белки, а молекулы ДНК - полимера совершенно не похожего на полипептидные цепи белков. Согласно одной из новых гипотез (Костецкий, 1999) уже в момент зарождения жизни на Земле на основе перестройки кристаллов природного минерала апатита сразу возник комплекс ДНК и простого белка. Кристаллы апатита изначально имели многочисленные искажения кристаллической решетки («мутации»), что и послужило первичным источником разнообразия генов и, соответственно, белков. В последствии искажения нарастали, возрастало разнообразие структур и функциональных свойств белков. Таким образом, ДНК-белковое соответствие является изначальным свойством жизни.

Рис. 14

Репликация (от латинского replicatio - повторение) означает процесс матричного синтеза молекулы ДНК, ведущий к ее самовоспроизведению (удвоению). Материнская молекула ДНК раскручивается и с

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒