ЖИЗНЬ И ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ - ЭВОЛЮЦИЯ И ЭКОЛОГИЯ

Група в ViberГрупа в Facebook

БИОЛОГИЯ пособие для поступающих в вузы
Том ІІ ботаника, анатомия и физиология, эволюция и экология 2018 год

Жизнь на Земле зародилась около двух или четырех миллиардов лет назад. Толчком научного изучения мира живого послужило создание в прошлом веке трех главных научных систем, в которых вскрыты различные аспекты единства живой материи.

1. Клеточная теория Шванна и Шейдена (1838).

2. Закон наследственности Менделя (1856).

3. Теория эволюции путем естественного отбора Дарвина и Уоллеса (1858).

Критерии живой материи

Между двумя состояниями материи, живым и неживым, существуют некие различия, которые можно считать непременными критериями живой материи. Перечислим важнейшие из них.

1. Обмен веществ как между компонентами живой системы, так и между нею и окружающей средой.

2. Самовоспроизведение, т. е. система сама воспроизводит себя и поддерживает свою целостность, используя для этого элементы окружающей среды с более низкой упорядоченностью.

3. Эволюционная непрерывность. Жизнь есть процесс, начинающийся от некоторого простого уровня и спонтанно усложняющийся в результате последовательных событий, которые мы называем эволюцией.

4. Пространственная компактность, которая достигается за счет организации деталей живого механизма на молекулярном уровне, так что невероятно высокая организация материи умещается в очень сжатом объеме.

5. Энергетическая экономичность. КПД живых систем значительно превышает КПД машин, созданных человеком.

6. Универсальность углерода как материала для скелета биологических молекул.

7. Вода как универсальный растворитель для живой системы.

8. Нуклеиновые кислоты как стабильные хранители наследственной информации.

9. Белки как катализаторы и регуляторы в биологических системах.

10. Макроэргические фосфаты как аккумуляторы энергии.

Таким образом, можно перечислить еще много других критериев живых систем, и все они будут необходимы, однако недостаточны для “полного” понимания такого явления, как жизнь. Исходя из этого, мы можем дать лишь относительно истинные определения понятию “жизнь”.

Определение сущности жизни

Историческое определение сущности жизни (по Ф. Энгельсу): “Жизнь — есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном обновлении химических составных частей этих тел”.

Определение сущности жизни с позиции физиологии: “Жизнь — это совокупность процессов, совершающихся в энергетически открытой и саморегулируемой системе, важнейшими компонентами которой являются белок, нуклеиновые кислоты, фосфорорганические соединения, а характернейшим способом существования является самообновление химического состава, происходящее благодаря обмену веществ с окружающей средой, обеспечивающее живому существу пластичность, относительную устойчивость, а также самоохранение путем воспроизведения себе подобных”.

Определение сущности жизни с позиции генетики: “Система может быть названа живой, если она обладает специфичностью или информацией, которую можно передавать потомству, кроме того, информация может претерпевать изменения, с тем чтобы измененная информация или специфичность также передавалась потомству”.

Обобщенное определение сущности жизни: “Жизнь — это активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфической структуры”.

Упорядоченность живых систем

Из вышесказанного прослеживается одна из характерных черт живых систем как рабочих механизмов, заключающаяся в том, что они тяготеют к локальному повышению упорядоченности, усваивая простые молекулы и создавая из них сложные соединения, имеющие упорядоченное строение. Однако организмы берут извне не упорядоченность, а энергию: растения — в виде квантов света, животные — в виде малоокисленных соединений, которые можно сжечь в процессе дыхания. За счет этой энергии они строят свою индивидуальную упорядоченность, пренебрегая чужой.

Согласно второму закону термодинамики — одному из фундаментальных законов физической Вселенной — клетка (организм) использует лишь часть общей энергии, содержащейся в химических соединениях, так называемую свободную энергию, остальная же часть энергии рассеивается в виде тепла. Соотношение между этими величинами можно выразить уравнением: Н= G+ ТS, из которого видно, что изменение общей энергии (ΔН) складывается из изменения свободной энергии (ΔG) и изменения той части энергии, которая рассеивается в виде тепла (в этом уравнении Т — температура по Кельвину; S — энтропия системы). Итак, энтропия представляет часть общей энергии, которая не может быть использована в данной системе. Здесь S служит мерой необратимости реакции. Согласно второму закону термодинамики энтропия изолированной системы стремится к некоторому максимальному значению, при котором достигается равновесие и жизнедеятельность в биологических системах прекращается. Если приложить энергию, чтобы перевести биологические процессы с более низкого энергетического уровня на более высокий, то энтропия уменьшается. Однако такого рода процессы термодинамически невозможны, если они не связаны с другой системой, в которой энтропия соответствен-

но увеличивается, тем самым компенсируя се уменьшение и первой системе.

Какими же свойствами должна обладать живая система дня поддержания упорядоченности, т. е. понижения энтропии? На современном этапе развития науки такими свойствами считают:

1. Существование живых форм как открытых систем, вследствие чего обеспечивается поступление извне определенных химических соединений (т. е. дополнительной энергии). Таким образом, живая система способна функционировать за счет свободной энергии, поступающей из внешней среды.

2. Живые формы являются слабо или сильно неравновесными системами. Отсюда следует, что живые системы совершают постоянную работу против термодинамического равновесия за счет свободной энергии.

3. В живых системах все процессы периодические. В общем смысле ритм выступает как тип связи происходящих событий, интегрирующий и организующий отдельные компоненты в единое, целое, функционально организованное образование.

4. Живые системы — нелинейные системы. Нелинейность означает, что имеется несколько степеней свободы в развитии того или иного биологического процесса.

5. Живые системы подчиняются законам управления. Механизм управления обеспечивает переход из одного состояния организма в другое. Существует несколько уровней управления регуляции морфогенетических процессов в живых формах:

а) метаболический, к которому относятся все процессы, находящиеся под общим контролем функциональных белков;

б) оперонный, охватывающий системы управления, изменяющие скорость синтеза биополимеров;

в) клеточный, представляющий генетические системы, у которых продолжительность основных состояний сравнима с продолжительностью клеточного цикла;

г) онтогенетический — организменный, представляемый как совокупность клеточных генетических систем, взаимодействующих между собой на разных уровнях через эффекторы и специализированные агенты;

д) психологический, осуществляемый за счет внушения. У высших животных и человека этим органом управления является нервная система, и прежде всего головной мозг, его большие полушария.

Основные биологические принципы

В последнее время делаются попытки выявить и сформулировать основные концепции и логические связи, характеризующие живые системы в отличие от неживых, и рассмотреть вытекающие из них общефилософские представления. И хотя всеобъемлющая теория жизни в настоящее время по существу отсутствует, имеются теоретические осмысления, дающие аксиоматическую интерпретацию жизни. Заслуживает внимания система принципов (аксиом) биологии по Б. М. Медникову.

I принцип. Все живые организмы должны быть единством фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающегося по наследству из поколения в поколение.

Согласно этому принципу по наследству передается не структура, а описание структуры и инструкции по ее изготовлению.

II принцип. Наследственные молекулы синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения.

Различают следующие процессы матричного синтеза: 1) репликацию (ДНК —> ДНК); 2) транскрипцию (ДНК —> РНК); 3) трансляцию (РНК —> белок).

III принцип. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными.

Из этого принципа вытекает, что принципиально невозможно достаточно точно определить координаты и импульсы частиц, атакующих гены (по принципу Гейзенберга), а значит, возникновение мутаций непредсказуемо и ненаправлено.

IV принцип. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипов многократно усиливаются и подвергаются отбору условиями внешней среды.

Принцип усиления означает, что размножение клетки — носительницы мутации какого-нибудь гена, ведет последовательно к умножению гена, умножению мРНК, умножению специфического белка. Отбор, таким образом, действует не прямо на изменение генетических программ, а на фенотипы, в которых каждое изменение в миллиарды миллиардов раз усиливается. Здесь отбор выступает в качестве “демона Дарвина”, т. е. предотвращает повышение энтропии, сохраняя структурную организацию живых систем.








Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Все материалы доступны по лицензии Creative Commons — «Attribution-NonCommercial»

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

© 2014-2020 Все права на дизайн сайта принадлежат С.Є.А.