Основні властивості живої матерії
Біологічний рівень організації матерії дуже складний, його не можна звести до закономірностей інших наук, і принципи живого не можна вивести з принципів фізики та хімії. Існує кілька підходів до визначення живої речовини.
1. Прибічники віталізму — вчення, заснованого на при знанні наявності в організмах керуючої ними нематеріальної надприродної сили («душі»), вважають життя явищем унічним, яке неможливо пояснити фізико-хімічними процесами . В основі такого погляду — дивовижна складність будови та доцільність поведінки живих організмів.
Від давнини йде уявлення про ентехелію, що одушевлює «грубу матерію тіла» і забезпечує цілеспрямовану поведінку. Стародавні єгиптяни і греки припускали наявність кількох «надихаючих» початків, частина з яких продовжує існувати і після смерті тіла. Довгий час люди вважали, що ці початки забезпечують «грубій матерії тіла» пам'ять, мислення та цілеспрямовані дії.Гомеостаз- одна з цілеспрямованих реакцій, якщо вважати підтримку механізму життєдіяльності метою, тоді як зовнішні та внутрішні сили цьому протидіють. Різні способи підтримки життя різних живих істот — це різні механізми гомеостазу. Еволюція цих механізмів, спрямовану велику незалежність життя від зовнішніх умов, — це розвиток організмів. Але пояснення особливостей живого через пошук мети залишилися надбанням історії науки, вони рівноцінні пояснення: «Місяць світить, щоб висвітлювати мені шлях» або «Рослини та тварини існують для того, щоб забезпечувати нас їжею».
2. Представники редукційного підходу вважають можливим використовувати закони фізики та хімії для пояснення процесів життєдіяльності. Булоперевірено багаторазово, що ці закони не порушуються в біологічних системах, але це не означає, що всі властивості живого можуть бути ними описані. Вони, навпаки, заперечують цілеспрямованість будови та поведінки.
І гомеостаз – основу життя – вони пояснюють на основі законів неживої природи. Так, терморегуляція теплокровних здійснюється за принципом зворотного зв'язку (виділення поту при по-
підвищення температури). Аналогом такої поведінки вважають керовану радаром зенітну зброю. Відповідно до Н. Вінера, певний тип цілеспрямованої діяльності забезпечується контрольованим використанням та переробкою інформації, тому не такі важливі деталі цих переробних пристроїв. Подібність між людиною і машиною в цьому відношенні було відображено і в назві книги Вінера «Кібернетика, або управління та зв'язок у тварині та машині» (1949), що істотно змінила світогляд.
Прихильники цього підходу вивчають клітинну будову та функціонування організмів. Бактерії та синьо-зелені водорості відносять допротокаріотів(від грец.protos— перший), тому що їх клітини не мають оформленого ядра, а ДНК знаходиться прямо в цитоплазмі і не оточена мембраною. Зелені рослини, гриби, слизовики та тварини відносяться до групиеукаріот(від грец.їй. —добре, повністю) і мають ядро, тобто їх генетичний матеріал оточений подвійною мембраною і утворює певну клітинну структуру. Перші еукаріоти, мабуть, походять від протокаріотів близько 3 млрд років тому, або в кінці докембрійського періоду.
Діаметр клітинибактерійблизько 10 -6 м, тому їх часто називають мікробами. Вони освоїли різні середовища проживання і широкий діапазон температур. Чисельність бактерій навіть у дуже невеликому обсязі речовини дуже висока, наприклад, 1г парного молока їх понад 3000 млн. Бактерії, як і гриби, руйнують органічну речовину та беруть участь у кругообігу речовин, граючи особливу роль у біосфері. Вони важливі для родючості ґрунтів та в очисних спорудах, беруть участь у процесі травлення, застосовуються у виробництві антибіотиків, використовуються з різними цілями у біотехнології та генній інженерії. ДНК бактерій представлена одиночними кільцевими молекулами довжиною близько 10 -3 м, кожна з молекул складається приблизно з 5 млн. пар нуклеотидів, або кількох тисяч генів (у 500 разів менше, ніж у людини).
3. Жива клітина – це елементарна організована частина живої матерії та складна високоупорядкована система. Досвідченим шляхом встановлено, що в ній безперервно здійснюються синтез великих молекул з дрібних і простих - анаболические (4) (від грец. anabole - 4 підйом) реакції, на які витрачається енергія, і їх розпад - 3>катаболічні (від грец.katabole -скидання вниз) реакції. Сукупність цих реакцій у клітині і є процес метаболізму. Для його підтримки необхідний безперервний приплив енергії, і для живого важливіша хімічна форма енергії. Біологи часто виділяють основні властивості, що спостерігаються, що відрізняють живе від неживого і відображають специфіку біологічної форми руху матерії.
Самовідтворення (репродукція) може проводитися багаторазово, а генетична інформація про нього закодована у молекулах ДНК. На молекулярному рівні самовідтворення відбувається з урахуванням матричного синтезу ДНК, програмує синтез білків, які визначають специфіку організму, інших рівнях — величезним розмаїттям форм і механізмів, до утворення клітин. Саме різноманітність підтримує існування видів, визначає специфіку життя.
Ієрархічність організаціївідображає можливості системного підходу до розуміння будови та життєдіяльності. Клітини як одиниці організації специфічно організовані тканини, тканини — в органи, органи — до органів. Організми організовані у популяції, популяції – у біоценози, а біоценози – у біогеоценози, що є елементарними одиницями біосфери.
На молекулярному рівні впорядкованість структури призводить до утворення молекулярних та надмолекулярних структур, що відрізняються упорядкованістю у просторі та в часі. На відміну від об'єктів неживої природи, упорядкованість живого відбувається за рахунок зовнішнього середовища, в якому рівень упорядкованості знижується. І процеси, що ведуть до упорядкованості живого, йдуть із локальним зменшенням ентропії. Живі системи у розвитку здатні до самоорганізації, упорядкування структур, зростання різноманітності.
Регуляція процесів здійснюється у хімічних реакціях за допомогою механізму зворотного зв'язку. У регуляції активності клітин беруть участь гормони, які забезпечують хімічну регуляцію. Усередині клітин реакції синтезу та розпаду йдуть за участю ферментів, що синтезуються всередині самих клітин.
Зростання організмів відбувається шляхом збільшення їхньої маси за рахунок розмірів і числа клітин. Розвиток представлено індивідуальним(онтогенезом)та історичним(філогенезом)розвитком, і однаково важливіспадковістьімінливість.Розвиток, супутнє зростання, проявляється в ускладненні структури та функцій. В онтогенезі формуються ознаки у процесі взаємодії генотипу та середовища. У філогенезі з'являється велика різноманітність організмів та доцільність. Ці процеси регулюються і схильні до генетичного контролю. На відміну від об'єктів неживої природи — кристалів, які ростуть, приєднуючи нову речовину до поверхні,живі організми ростуть з допомогою харчування зсередини, причому жива протоплазма утворюється при асиміляції поживних речовин. Виживання виду або його безсмертя забезпечується збереженням ознак батьків у нащадків, що виникли шляхом розмноження. Інформація, що передається наступному поколінню, закодована в молекулах ДНК іРНК.
Обмін речовин та енергії забезпечує гомеостаз та є умовою підтримки життя організму. Спочатку із зовнішнього середовища виходить енергія у формі сонячного світла, потім хімічна енергія перетворюється в клітинах для синтезу її структурних компонентів, осмотичної роботи із забезпечення транспорту речовин через мембрану та механічної роботи з пересування організму та скорочення м'язів.
Живлення є джерелом енергії та речовин, необхідних для життєдіяльності. Рослини засвоюють сонячну енергію та самостійно створюють поживні речовини у процесі фотосинтезу. У грибів, тварин (і людини), деяких рослин і більшості бактерій - гетеротрофне (від грец. heteros - інший + trophe - їжа) харчування: вони розщеплюють за допомогою ферментів органічні речовини та засвоюють продукти розщеплення. Виділення - це виведення з організму кінцевих продуктів обміну з довкіллям. Загальна властивість відкритих систем - обмін енергією та речовиною із зовнішнім середовищем - має свої особливості.
За допомогою дихання вивільняється енергія високоенергетичних сполук, що запасається у молекулах АТФ, виявлених у всіх живих клітинах. Дихання відноситься до процесів метаболізму (від грец. Metabole - зміна, перетворення), або обміну речовин і енергії.
Подразливість - виборча реакція живих істот на зміни зовнішнього та внутрішнього середовища, що забезпечує стабільністьжиттєдіяльності. Так, розширення кровоносних судин шкіри ссавців при підвищенні температури середовища веде до розсіювання теплоти в навколишній простір та відновлення оптимальної температури тіла. Подразниками можуть бути їжа, механічні дії, світло, звук, температура навколишнього середовища, отрути, електричний струм, радіоактивність.
Рухливість, чи здатність до руху, властива і тваринам, і рослинам, хоча швидкості їх значно різняться. Багато одноклітинні можуть рухатися за допомогою спеціальних органоїдів. У багатоклітинних до руху здатні як клітини, і органоїди у яких. У тваринних організмах рух здійснюється шляхом скорочення м'язів.
Асиметрія - творчий та структуроутворюючий принцип життя. Неживі системи працюють за законами симмет-
рії. У класичній фізиці мають місце закони збереження (енергії, імпульсу, моменту імпульсу, заряду та ін), які пов'язані з властивостями симетрії простору та часу. В ізольованих системах відбуваються оборотні процеси, тобто має місце симетрія між минулим та майбутнім. Замкнуті системи мимоволі і незворотно прагнуть рівноваги, процеси йдуть зі зростанням ентропії. Закони квантової фізики - прояв глибших симетрії. Усі функціонально важливі біомолекули асиметричні: білки складаються з лівообертаючих амінокислот, а нуклеїнові кислоти містять правообертальні цукру, закручена і сама молекула ДНК - подвійна спіраль. Усі процеси відбуваються з урахуванням кіральності, встановлено навіть функціональну асиметрію мозку людини. Живе – це відкрита система, що використовує для збереження впорядкованості зовнішній потік енергії та речовини. Життя пов'язані з безперервним порушенням симетрії на відміну неживих систем.
Дискретність і цілісність — двафундаментальні властивості організації життя Землі. Нуклеїнові кислоти та білки – цілісні сполуки, але водночас дискретні, оскільки складаються з нуклеотидів та амінокислот. Реплікація ДНК - цілісний безперервний процес, але вона дискретна у часі та просторі, оскільки в ній беруть участь різні ферменти та генетичні структури. Живі об'єкти у природі щодо відокремлені (особи, популяції, види). Будь-яка особина складається з клітин, а клітина та одноклітинні істоти - з окремих орга-нелл. Органели складаються з дискретних, високомолекулярних, органічних речовин, які у свою чергу складаються з дискретних атомів, а ті — з елементарних частинок. Всі ці частини і структури перебувають у складних взаємодіях, і цілісність живої системи відрізняється від неживої цілісності тим, що вона підтримується в процесі розвитку. І серед живих систем немає двох однакових особин, популяцій та видів. Життя Землі проявляється у дискретних формах, причому всі форми та частини утворюють структурно-функціональне єдність.
У визначенні поняття «життя» до 80-х років. XX ст. склалося дві позиції. Функціональний підхід об'єднував прихильників уявлень про організм як про своєрідну «чорну скриньку» (з невідомою внутрішньою структурою або з не особливо важливою), своєрідність якого полягає в наявності «керівних процесів» передачі інформації. Лідери цього підходу - математики А. А. Ляпунов та А. Н. Колмогоров - використовували засоби вищої математики у визначенні специфіки життя, вони розглядали гомеостатичні процеси. Їх більше цікавили процеси перетворення інформації, і вони допускали можливість і небілкових форм життя. Прихильники іншого, субстанційного підходу визнавали ключовим наявність
певних субстанцій та певних її структур. Долідерам цього підходу ставився і Опарін, котрій найважливішим було визнання наявності обміну речовин, і видатний радянський біолог У. А. Энгельгардт. Вони вважали, що вивчення проблеми життя має ґрунтуватися на даних хімії, а не математики. У організації живого всі ці властивості проявляються всіх рівнях. Але кожен із них має і свої особливості.