Первоначально казалось, что фундаментальную основу жизни составляют именно белковые молекулы. Но с химической точки зрения ни сам белок, ни его составные части не представляют ничего уникального. Дальнейшие исследования, направленные на изучение механизмов воспроизводства и наследственности, позволили выявить то специфическое, что отличает на молекулярном уровне живое от неживого. Наиболее важным было выделение веществ из ядра клетки, обладающих свойствами кислот и названных нуклеиновыми (то есть ядерными) кислотами. Один тип этих кислот получил широко используемое сокращенное название РНК (рибонуклеиновые кислоты), другой - ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты). Удалось доказать, что ДНК обладает способностью сохранять и передавать наследственную информацию организмов. В 1953 г. была расшифрована структура ДНК. Оказалось, что молекула ДНК состоит из двух мономерных цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие пары электрических проводов. ДНК, находящиеся в клетке, разделены на участки — хромосомы. Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты и белковые молекулы организма. Участок молекулы ДНК, содержащий информацию об одном из набора белков организма, называют геном. Гены расположены в хромосомах.
Изучение строения и функции молекул нуклеиновых кислот стало возможным лишь при использовании физических методов и представлений. Молекулярная биология, изучающая биологические объекты и процессы на молекулярном уровне, — один из наиболее ярких примеров современной тенденции к интеграции научного знания.
Клеточный уровень. Любой живой организм состоит из клеток. В простейшем случае — из единственной клетки (бактерии, амебы). Клетка является мельчайшей элементарной живой системой и является первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения всех организмов. Клетки всех организмов сходны по строению и составу веществ. Всеми сложными многоступенчатыми процессами в клетке управляет особая структура, как правило, находящаяся в ее ядре и состоящая из длинных цепей молекул нуклеиновых кислот.
Клетки обладают разнообразием форм, размеров, функций. Существуют клетки, не содержащие ядра - прокариоты (безъядерные клетки). Исторически они являются предшественниками клеток с развитой структурой, то есть клеток, имеющих ядро — эукариотов.
«На общедоступном языке мы можем назвать ядро администратором клетки. Две главные черты роднят его с администраторами: оно стремится плодить себе подобных и успешно отражает все наши попытки узнать, чем же именно ядро занимается. Только попытавшись обойтись без него, мы узнаем, что оно действительно работает». (Д. Мэйзи. Строение и функции биологических структур.)
Следует отметить, что к миру живого относятся также и вирусы ~ мельчайшие бесклеточные организмы размером примерно в 50 раз меньше бактерий. Они находятся на границе между живой и неживой материей. Не имея клеточной структуры, они способны ее воспроизводить, внедряясь в среду чужих клеток.
Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым уровнем организации образует живую ткань. Из тканей состоят различные органы живых организмов.
Организменный уровень. Система совместно функционирующих органов образует организм. В отличие от предыдущих уровней на организменном уровне проявляется большое разнообразие живых систем. Организменный уровень именуют также онтогенетическим.
Популяционно-видовой уровень образован совокупностью видов и популяций живых систем. Популяция — это совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом (совокупностью генов). Она является надорганизменной живой системой, так же, как и вид, состоящий обычно из нескольких популяций. На этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс.
Биоценотический уровень образован биоценозами — исторически сложившимися устойчивыми сообществами популяций, связанных друг с другом и окружающей средой обменом веществ.
Биосферный уровень организации живого: совокупность биоценозов образует биосферу Земли.
Отдельные структурные уровни живого являются объектами изучения для отдельных биологических наук, то есть условными разграничителями биологического знания. Так, молекулярный уровень изучается молекулярной биологией, генетикой; клеточный уровень служит объектом для цитологии, микробиологии; анатомия и физиология изучают жизнь на тканевом и организменном уровнях; зоология и ботаника имеют дело с организменным и популяционно-видовым уровнями; экология охватывает биоценотический и биосферный уровни.
4. Развитие современной концепции биохимического единства всего живого
Пока в биологии не существовало методов физико-химического исследования и сколько-нибудь ясных теоретических концепций, сущность живого сводили к наличию некоей «таинственной силы», благодаря которой развивается и воспроизводится все живое. Такой подход к пониманию живого называют витализмом. Витализм уводил исследователей по ложному пути и не способствовал постижению принципов функционирования живых организмов. Эти принципы были раскрыты на пути детального изучения процессов обмена веществом, энергией и информацией в живых системах разного уровня организации, начиная от клетки и заканчивая биосферой.
Углубление современных знаний о происхождении жизни проводит к появлению различных теорий предбиологической эволюции. Существует несколько точек зрения на саму природу образования жизни на Земле.
Первая заключается в следующем: жизнь возникла на Земле из неживых (минеральных) форм.
Следовательно:
а) жизнь представляет собой направленный вектор эволюции от неживого к живому;
б) грань живого и неживого весьма резка, а сама жизнь крайне неустойчива и может в любой момент вернуться в область неживого;
в) живое из неживого — событие почти невероятное! Особенно если учесть, что на близко расположенных планетах признаки жизни не обнаружены.
Вторая посылка: жизнь получила развитие на Земле. Это означает, что:
а) жизнь является порождением Космоса, а Земля предоставила лишь необходимые условия для ее развития (в космическом пространстве на орбите между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов, из которого к нам на Землю попадают некоторые разновидности метеоритов (хондриты), содержащие весьма высокие (до нескольких процентов) концентрации углерода неорганического происхождения, из которого возможен синтез первоосновы жизни - аминокислот;
б) преджизненная основа — весьма устойчивое образование, раз она может преодолевать громадные расстояния в Космосе;
в) сущность принципа Пастера-Реди (живое только от живого);
г) жизнь — не такое уж редкое событие во Вселенной.
По гипотезе английского астрофизика Джеймса Джинса (1877-1946) предполагается, что жизнь — это плесень, возникающая на поверхности небесных тел. Это парадоксальное утверждение было наиболее естественным объяснением возникновения жизни.
Анализируя феномен живого вещества, можно заключить, что он препятствует вырождению материи во Вселенной, так как часть ее бесструктурного состояния переходит в структурное, понижая энтропию системы. Фотосинтез - прекрасная иллюстрация этому.
Переход от неживого к живому осуществился после того, как на базе предшествующих предбиологических структур возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ (метаболизма) и системы воспроизводства живой клетки. Пока невозможно сказать, как конкретно происходило это развитие. В современной природе мы наблюдаем конечный результат того качественного скачка, который привел в образованию живой клетки, и последовавшего за этим процесса биологической эволюции.
Изучение указанных систем дало важнейший попутный результат: сформировалась фундаментальная для всего естествознания идея единства состава и механизмов функционирования живой природы независимо от уровня организации составляющих ее структур. Эта идея, зародившаяся еще в 19 веке, обрела вид законченной концепции биохимического единства живого в 1920-х гг., благодаря трудам голландских микробиологов А. Клюйвера и Г. Донкера. К настоящему времени эта концепция обоснована результатами всесторонних исследований, которые исчерпывающе демонстрируют единство всего живого по самым фундаментальным свойствам: схожесть химического состава, свойство хиральности живого, универсальная роль аденозинтрифосфата (АТФ) в качестве аккумулятора и переносчика биологически запасенной энергии; универсальность генетического кода и др.
5. Функционирование энергетики живого
Все функции живых систем, требующие расходования энергии, должны обеспечиваться ею от некоторых внешних источников. Ими являются органические вещества с запасенной в них химической энергией. Часть организмов синтезирует эти вещества внутри себя из неорганических веществ. Например, из углекислого газа и воды под действием солнечного света (такой процесс называется фотосинтезом) или в процессе окисления (хемосинтез в некоторых бактериях). Эти организмы называют автотрофами. Большинство автотрофов — это зеленые растения, осуществляющие фотосинтез. Другая часть организмов (например, все животные и человек), называемых гетеротрофами, приспособилась к потреблению энергии из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами.
Питательные органические вещества, поглощаемые гетеротрофами, обладают большей упорядоченностью (меньшей энтропией), чем выделяемые продукты обмена. Организмы гетеротрофов переносят упорядоченность из внешней среды в самих себя. Для автотрофов эта же цель достигается путем выполнения внутренней работы за счет энергии электромагнитного излучения солнца.