Предельное состояние по отношению к иерерхизации называют аттрактором (или простым аттрактором), а предельное состояние по отношению к деиерархизации – странным аттрактором.

Простой аттрактор – это предельное состояние, к которому тяготеет порядок.

Странный аттрактор – это предельное состояние, к которому тяготеет хаос.

Сущность процесса чередования иерархизации и деиерархизации, стремление к все более интегрированным формам порядка и к все более дифференцированным формам хаоса заключается в осуществлении суперотбора. Это означает поиск совершенно новых тезауруса, детектора и селектора. Примерами такого суперотбора могут служить: гегелевская спираль, миф о вечно возрождающемся и погибающем Фениксе и т.п.

Конечным результатом суперотбора является последовательный синтез порядка и хаоса.

Таким образом, мы видим, что синергетика имеет мощный методологический и эвристический потенциал. Она позволяет выдвигать и развивать новые нестандартные подходы, которые стимулировали бы решение самых насущных проблем.

Однако следует иметь в виду, что синергетический стиль мышления – это современный и вместе с тем исторический конкретный (ограниченный) стиль мышления, содержащий элементы, которые в будущем будут сняты, пересмотрены, развиты в каких-то иных формах. Лишь по истечении определенного исторического периода в развитии науки можно будет определить истинный масштаб и глубину синергетической концепции.

Лекция № 12. Понятие жизни и ее возникновение. Уровни биологических структур.

Биология – это наука о возникновении и закономерностях развития и существования живых организмов. Сам термин “биология” был введен Ж.Б.Ламарком. Предмет биологии – биологическая форма движения материи (живые организмы).

Жизнь возникла на Земле приблизительно 3,5 –4 млрд. лет назад в результате длительной химической эволюции. Существует ряд концепций возникновения жизни. Наиболее известными, из которых являются:

Креационизм – божественное сотворение жизни. Согласно этой теории, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом. Этой теории придерживаются почти все последователи религиозных учений. В 1650 году архиепископ Ашер из Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 года. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей упоминающихся в библейской генеалогии, от Адама до Христа. С точки зрения математики это имеет смысл, однако, при этом получается, что Адам жил в то время, когда на Ближнем Востоке (по данным археологических раскопок) уже существовала хорошо развитая городская цивилизация. Процесс божественного сотворения мира мыслится всеми религиями как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для наблюдения и воспроизведения. Этого уже достаточно, чтобы вынести концепцию божественного сотворения за рамки научного подхода.

Самопроизвольное зарождение жизни – жизнь возникала неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте. Эту теорию также поддерживал древнегреческий философ Аристотель, так как он на основе собственных наблюдений связывал все организмы в непрерывный ряд – “лестницу природы”. Аристотель считал, что некоторые частицы вещества содержат некое “активное начало”, которое при подходящих условиях может создать живой организм. Такое “активное начало”, полагал Аристотель, есть в оплодотворенном яйце, но также и в солнечном свете, тине, гниющем мясе и проч.

Ван Гельмонт (1577-1644) – знаменитый ученый своего времени поставил эксперимент, в результате которого ему якобы удалось создать мышей за три недели для чего ему понадобилась грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы, а так же человеческий пот. В 1688 году итальянский биолог Франческо Реди подверг сомнению теорию спонтанного зарождения жизни. Реди показал, что маленькие белые червяки, появляющиеся на гниющем мясе, - это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он показал, что жизнь может возникнуть только изпредшествующей жизни (концепция биогенеза).

Теория стационарного состояния – жизнь существовала всегда. Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если изменялась, то очень мало; виды также существовали всегда. У каждого вида есть две возможности – либо изменение численности, либо вымирание. Оценки возраста Земли тоже изменялись – от 6000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5000 х 10 6 лет по современным оценкам, основанным на учете скорости радиоактивного распада. Более современные методы дают более высокую оценку возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала вечно. Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых останков может указать на время появления или вымирания того или иного вида. Они приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб латимерию. По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода 70 млн. лет назад. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Вывод о вымирании тех или иных видов чаще всего оказывается неверным – считают представители данной теории.

Теория панспермии – жизнь занесена на нашу планету извне. Эта теория выдвигает идею внезапного происхождения жизни. Она не предлагает никакого механизма ее происхождения, а просто переносит проблему возникновения в какое-то другое место Вселенной. Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время в разных частях Вселенной. Возможно, жизнь, когда –то была занесена на Землю в виде замороженных молекул органического вещества на кометах, метеоритах или астероидах. Попав в благоприятные условия, жизнь начала эволюционировать на Земле, образовывая разные сложные структуры. При изучении материалов метеоритов и комет в них были обнаружены многие “предшественники живого” – такие вещества как цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые возможно сыграли роль “семян”, падавших на Землю. Однако доводы в пользу теории панспермии пока не кажутся ученым достаточно убедительными. Сторонниками этой теории были такие известные ученые как С.Аррениус, В.И.Вернадский и др. Так наш соотечественник В.И.Вернадский в своих “Философских мыслях натуралиста” подчеркивал, что если в самых различных философских системах вопрос о космической природе жизни ставился и ставится многократно, то сейчас он должен быть поставлен и в науке. Многие научные дисциплины: космология, астрофизика, космохимия, палеонтология,, биофизика и другие – дают основание для вывода о том, что жизнь представляет собой результат естественной эволюции Вселенной, что живые структуры многочисленными нитями связаны с ближним и дальним космосом.

Биохимическая эволюция – жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. Земля возникла приблизительно 4,5 – 5 млрд. лет назад. Облик Земли мало, чем напоминал современный. Температура на поверхности Земли составляла 4000 – 8000 0С. По мере того как Земля остывала углерод и тугоплавкие металлы конденсировались и образовывали земную кору. Атмосфера Земли тоже была не такой как сегодня. Легкие газы – водород, гелий, азот, кислород, аргон – уходили из атмосферы, так как еще слабое гравитационное поле Земли не в состоянии было их удерживать. Однако другие соединения удерживались: вода, аммиак, двуокись углерода, метан. Пока температура на Земле не упала ниже 100 0С вода находилась в парообразном состоянии. Отсутствие в атмосфере кислорода, как это не парадоксально, было условием для возникновения жизни.

Гипотеза возникновения жизни на Земле А.И.Опарина.

В 1923 году А.И.Опарин высказал мнение, что органические вещества, возможно, углероды могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза доставляла интенсивная солнечная радиация (ультрафиолет) падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. В океанах постепенно накопились органические вещества, и образовался тот “первичный бульон”, в котором и могла возникнуть жизнь. Подобную мысль высказывал также Ч.Дарвин еще в 1871 году.

Воспроизвести в экспериментальной установке условия ранней Земли попытались в 60 годах 20 века Стэнли Миллер и Орджел. Им удалось синтезировать ряд аминокислот, аденин, рибозу и др. Теория Опарина получила широкое признание, но она оставила нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Опарин считал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежит белкам. Белки способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов – притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы обособляются от массы воды, образуя эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом создает сгустки (коацерваты). Коацерваты обмениваются с окружающей средой веществами и избирательно накапливают различные соединения. Разнообразие состава “первичного бульона” в разных местах привело к различиям в химическом составе коацерватов и поставляло сырье для естественного отбора. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы липидов могла возникнуть примитивная клетка. Мало убедительными в рамках этой теории выглядит гипотеза самовоспроизведения живых организмов.

Все же центральной проблемой возникновения жизни на Земле является появление механизма наследственности. Жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации (механизмкопирования генетического кода). Любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других сложных органических соединений – это еще не живой организм. Так английский биолог Ф.Крик, расшифровавший код ДНК и получивший за это Нобелевскую премию, считает: “если это не фантазия, то мыслящее существо служит только орудием для распространения Истинного Разума, скрывающегося в крупинке рибонуклеиновой кислоты (РНК). Это ДНК творит цивилизацию! Наше тело и разум вместе с их духовными и физическими усилителями – это только орудие того (занесенного, очевидно, несколько миллионов лет назад на нашу Землю) Зародыша, который имеет задачу овладеть нашей Галактикой или нашей частью Вселенной”. Доводом в пользу этой довольно- таки фантастической гипотезы служит наличие в белке молибдена в количестве непропорционально большем, чем имеется его на Земле, что может свидетельствовать о космическом генезисе ДНКи жизни на нашей планете.

Информационная гипотеза происхождения жизни В.П.Казначеева. Согласно этой гипотезе жизнь возникает в результате передачи информации (посредством электромагнитных волн, полей) из космоса. Эта информация является толчком, своего рода руководством для начала целенаправленной перестройки, перегруппировки сложных органических (углеводородных) молекул. Это привело к появлению особых молекул аминокислот, на основе которых возникли клетки, и развилась жизнь. То, что информация воспринимается живыми организмами (и неживыми) и они действуют в соответствии с ней было показано В.П.Казначеевым на следующем опыте. Было взято две изолированных колбы с живыми культурами (микроорганизмами). Микроорганизмы в одной колбе заразили бактериями. Каково же было удивление ученого, когда вскоре во второй колбе заболели микроорганизмы с такими же симптомами как в первой.

Мы предположили, что чтобы возникла жизнь должна была каким-то образом возникнуть клетка (простейший одноклеточный организм).

3,5 млрд. лет назад на Земле возникла первая живая система – протклетка или геном прокариота. На ее основе возникли прокариоты – клетки лишенные ядер, точнее четко обособленных ядер. Молекула ДНК в этих клетках не отделена от основной части клетки, а как бы размазана по клетке. К организмам, состоящим из прокариот относятся бактерии, вирусы, грибы, сине-зеленые водоросли.

Через 1,5 млрд. лет после прокариот возникают эукариоты. Эукариоты – это клетки, содержащие отчетливо выделенные ядра, где находится ДНК. Основная масса одноклеточных, а тем более многоклеточных структур, начиная от низших и кончая высшими состоит из эукориотных клеток.

Не так давно были обнаружены архебактерии, клетки, которых чем-то сходны как с прокариотами, так и с эукариотами. Архебактерия – это переходная форма от прокариот к эукариотам.

Формы возникших со временем организмов были чрезвычайно многообразными. На сегодняшний день ученым известно и описано 1,5 млн. видов животных, 0,5 млн. видов растений, сотни тысяч микроорганизмов (микробов, вирусов, бацилл), количество которых постоянно увеличивается.

Регулярное научное исследование живых организмов началось в 18 веке. В это время возникают первые систематизации и классификации материала, накопленного учеными биологами за многие века. Живые организмы в основном классифицировались по сходству внешних признаков и выполняемых функций. Биология в то время развивалась как описательная наука о многообразных формах и видах растительного и животного царства. Первой известной классификацией растений была классификация Карла Линнея (1707-1778), а классификацией животных – классификация Жоржа Бюффона (1707-1788). Они считали, что виды живых организмов были созданы однажды Творцом в их нынешнем виде и больше никогда не изменялись. Задача ученого состоит в том, чтобы исследовать и добросовестно описать эти виды. Поэтому-то первые классификации не учитывали происхождения и развития живых организмов. Тем не менее, они способствовали объединению всего известного биологического знания и его анализу. Обобщение и систематизация знаний об отдельных видах и родах растений и животных требовали перехода от искусственных классификаций к естественным, то есть таким, где основой классификации должен стать принцип генезиса, происхождения, а, следовательно, переход к теории эволюции.

В 19 веке появляются первые эволюционные теории. Применительно к живым организмам эволюцию можно определить как развитие сложных организмов из предшествующих с течением времени.

Французский биолог Жан Батист Ламарк (1744-1829) в 1809 году выдвинул гипотезу о механизме эволюции, в основе которой лежали две предпосылки: упражнение и неупражнение частей организма и наследование приобретенных признаков. Изменения среды могут вести, по его мнению, к изменению форм поведения, что вызовет необходимость использовать некоторые органы или структуры по-новому или более интенсивно (или перестать ими пользоваться). В случае интенсивного использования эффективность и величина органа будут возрастать, а при неиспользовании может наступить его дегенерация и атрофия. Эти признаки, приобретенные индивидуумом в течение жизни, согласно Ламарку, наследуются, то есть передаются потомкам. Так, с точки зрения ламаркизма, длина шеи и ног жирафа – результат того, что многие поколения его некогда коротконогих и короткошеих предков питались листьями деревьев, за которыми им приходилось тянуться все выше и выше. Незначительное удлинение шеи и ног, происходящее в каждом поколении, передавалось следующему поколению, пока эти части тела не достигли своей нынешней длины. Перепонки между пальцами у водоплавающих птиц возникли в результате постоянного раздвигания пальцев и растяжения кожи между ними при плавании в поисках пищи или для спасении от хищников. Взгляды Ламарка не получили широкого распространения. Ламарк был прав, когда подчеркивал роль условий жизни в возникновении изменений у данной особи. Например, усиленные занятия физкультурой увеличивают у особи объем мышц, но этот признак не является генетическим, то есть не может быть передан потомству.

Сторонником эволюционистской теории был и Жорж Кювье (1769-1832), который выдвинул теорию катастроф. Согласно этой теории в мире периодически происходят глобальные катастрофы, которые уничтожают все виды живого. После катастрофы живое вновь возрождается к жизни, но уже в более совершенных формах, таким образом, идет процесс прогрессивного развития живого. Причины и закономерности возникновения катастроф не объяснимы и не предсказуемы.

Эволюционная теория Ламарка явилась важной исторической предпосылкой для возникновения научной теории эволюции Чарльза Дарвина (1809-1882). Об этой теории пойдет основательный разговор в следующей лекции.

В середине 19 века мельчайшей, последней единицей живой материи стала рассматриваться клетка. Из клеток мыслились построенными все живые системы различного уровня организации. Создателями клеточной теории были немецкие биологи МаттиасШлейден (1804-1881) и Теодор Шванн (1810-1882).

Многие ученые задавали в то время себе вопрос, от каких именно структур (в молекуле) зависят специфические свойства живых организмов? Или чем отличается живое вещество от неживого? Изучая структуру белков, то есть то, из чего состоит клетка, ученые выяснили, что в состав белков входит 20 аминокислот, соединенных между собой длинными полипептидными связями. Всего же аминокислот известно более 100, однако, в состав живых белков входят только 20 из них. Характерная особенность аминокислот, содержащихся в живыхсистемах состоит в том, что все они являются лево вращательнымиизомерами, хотя существуют и изомеры правого вращения. Впервые это явление обнаружил знаменитый французский микробиолог Луи Пастер (1822-1895). Пастер обнаружил, что такие аминокислоты (лево вращательные изомеры) способны отклонять луч света влево, а потому являются оптически активными веществами, вследствие чего их и назвали изомерами. У молекул же неорганических веществ оптическая активность отсутствует и построены они совершенно симметрично, тогда как для некоторых органических веществ и всех живых организмов свойственна асимметрия.