живых клеток, но в 1897 г. Бухнер получил из дрожжей ферментный экстракт и

провел брожение сахаров в бесклеточной системе, то есть без всякой «жизненной

силы». Сильный удар по витализму нанесло открытие Рубнера: в начале 20 века

он установил, что закон сохранения энергии действует и в органическом, живом

мире.

Однако идея энтелехии не была преодолена окончательно. В начале 20 века

система витализма наиболее полно была изложена Хансом Дришем - видным

немецким биологом и философом. Опираясь на открытые им эмбриональные

регуляции, Дриш утверждал, что развитие организма не сводится к реализации

предустановленного, заранее спланированного экстенсивного (пространственного)

разнообразия, как утверждали механицисты, но происходит переход интенсивного

(непространственного) разнообразия в экстенсивное. Этот переход свойствен

только живым системам и осуществляется под действием специфически витального

фактора - энтелехии.

Заметим, что признание энтелехии, жизненной силы часто ведет к

антропоморфическим образам: учение о субстанциональной душе, психической

силе. На этих понятиях основываются так называемый психовитализм (психизм),

мистицизм. Поддержанию таких понятий способствуют очень большие и пока не

разрешенные трудности в понимании принципов работы мозга, векторов

эмбрионального развития, направленного и «целесообразного» характера

биологической эволюции. Положительное значение витализма состояло в критике

механистических взглядов на биологическую причинность, в стимулировании работ

по биологической информации.

С развитием системного подхода и современного учения о самоорганизации

(синергетики) причины специфической живой организации стали искать не

во внешних силах, а в самопроизвольно и эмерджентно (см. сегмент 5) возникающих

новых свойствах достаточно сложных систем. Специфика живого не

отрицается, но она выводится как естественное свойство наиболее сложно

организованной материи. Некий пороговый уровень сложности органических

гранью, за которой (той «причиной», по которой) возникает качество жизни. В

общефилософском смысле можно говорить о переходе количественных изменений в

качественные. Понять эту качественную специфику - наша дальнейшая задача.

Однако одного философского рационализма (от латинского ratio - разум),

мудрствования здесь мало - нужны достоверные эмпирические (опытные)

знания. Их добывают естественные науки, в том числе биология.

СЕГМЕНТ 12 ЖИВАЯ МАТЕРИЯ И ЕЕ ОСНОВНАЯ ФОРМА ДВИЖЕНИЯ. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И

ЭНЕРГИИ В ЖИВОЙ СИСТЕМЕ

Живая материя имеет в основе те же физические свойства, что и неживая. Понятие

«материя» многогранно. В целом материя представляет

совокупность вещества и поля, которые выступают как разные виды материи.

Веществом называют объекты и системы, обладающие массой покоя. Поле - это виды

материи, не имеющие массы покоя. Например, электромагнитное поле представляет

излучение в форме квантов (порций) энергии. Существует также гравитационное

поле, нейтринное излучение. Между веществом и полем нет строгой границы, так

как элементарные частицы вещества, например электроны, обладают одновременно

корпускулярными и волновыми свойствами (дуализм волны и частицы). Эти базовые

положения квантовой (волновой) механики были сформулированы в 20-30-е годы

20-го века. Выдающимся представителем этой новой науки был датский физик Нильс

Бор.

Живая материя представляет особо сложное вещество и, соответственно, сложное

хотя внутри нее действуют простые физические и химические законы. По уровню

сложности материи разграничиваются и сферы внимания естественных наук. Атомы -

поле деятельности физики, молекулы - объект химии, с уровня макромолекул

начинается биология, так как с этого уровня сложности появляются качественно

новые свойства, характеризующие живую материю.

Биологические макромолекулы - это белки, липиды, углеводы и

нуклеиновые кислоты. Их краткая характеристика уже дана в сегменте 7 и на рис.

2. Подчеркнем еще раз, что белки и нуклеиновые кислоты представляют

апериодические полимеры, так как их мономеры - 20 видов аминокислот в белках и

4 вида нуклеотидов в ДНК и РНК - чередуются беспорядочно. Это и является

источником огромного структурного разнообразия живой материи, какого нет в

неживой природе.

Любая материя существует в движении. В широком смысле под

движением материи понимают ее постоянное развитие, изменение,

преобразование вещества в поле и обратно. Для понимания основной формы

движения живой материи сначала необходимо усвоить важнейшее исходное понятие -

2-ой закон термодинамики. Суть его в том, что в природе изначально

(движение материи) направлены к достижению равновесного состояния.

Это означает переход материи из упорядоченного, структурированного состояния,

когда есть сгустки и разреженные участки вещества и поля, к диффузному,

гомогенному распределению вещества и поля в пространстве. В таком диффузном

состоянии материя имеет минимальную свободную энергию -

энергию, способную совершить работу, и, напротив, максимальную энтропию

-рассеянную долю энергии, не способную к совершению работы. Это правило касается

всех самопроизвольных процессов, в том числе колебательных: горячее тело рано

или поздно остывает (энергия рассеивается); прыгающий мяч снижает амплитуду и в

итоге останавливается и т. д. Эти процессы дезорганизации материи

самопроизвольно необратимы.

Сформулированное 2-ое правило термодинамики полностью справедливо и для

и максимальной энтропией. На рис. 4 эти процессы показаны в левой части

схемы и означают смерть живой материи, ее превращение в неживую.

Рис. 4. Термодинамические процессы в живой материи.

Однако живая материя, пока она действительно живая, остается неравновесной,

структурированной, высоко упорядоченной. В ней имеется свободная, готовая

совершить работу энергия, а энтропия минимальна. Такое состояние

энергию химических связей макромолекул. Концентрация вещества и поля, то

есть повышение внутренней свободной энергии материи происходит в процессе

разнообразных биосинтезов (образования сложных веществ из

простых), сопряженных с поглощением внешней энергии. Это и есть

жизнь - противоположность смерти (правая часть схемы на рис. 4).

Поскольку основной формой внешней энергии для поддержания жизни является

солнечный свет, формулу жизни можно конкретизировать:

Таким образом, взаимодействие потоков простого вещества и энергии в ходе

форму движения живой материи. Этому определению вторят разнообразные

характеристики жизни, как-то:

Жизнь - это специфическая форма движения материи (кругооборот

и трансформации внешней энергии.

Жизнь - это поддержание высокой упорядоченности (низкой

энтропии) в среде с меньшей упорядоченностью (высокой энтропией).

Жизнь препятствует росту энтропии.

Жизнь - это синтез вещества и поля.

Далее мы подробнее остановимся на вопросах биосинтеза веществ и использования

энергии, но не вдаваясь в глубокие детали во избежание потери главной мысли -

о материальной сущности жизни.

СЕГМЕНТ 13. ТРАНСФОРМАЦИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

Итак, материальная сущность жизни проявляется, прежде всего, в непрерывном

обмене веществ и энергии, который происходит между живой системой (клеткой,

организмом, биоценозом) и окружающей его внешней средой. В этом смысле

биологические системы являются открытыми.

Разные организмы потребляют разные виды энергии, в связи с чем их делят

на аутотрофные и гетеротрофные. Аутотрофные организмы

(дословно - самопитающиеся) способны поглощать энергию неживой природы.

Прежде всего это зеленые растения, а также бурые, красные и сине-зеленые

водоросли, использующие солнечный свет для процесса фотосинтеза -

образования органического вещества глюкозы из неорганических воды и углекислого

газа. К аутотрофам относятся также некоторые бактерии, способные к реакциям

хемосинтеза - синтеза органических веществ за счет энергии простых

химических реакций. При этом первичная энергия (солнечная или химическая)

преобразуется в энергию химических связей сложных органических молекул, так

что аутотрофы как бы сами создают себе пищу. Гетеротрофные организмы

аутотрофами, в основном растениями. В составе этой пищи они получают и

энергию, заключенную в химических связях. Если органическое вещество пищи

расщепить на более простые вещества, освобождается энергия. По сути гетеротрофы

получают ту же солнечную энергию, но преобразованную зелеными растениями в

химическую. Отсюда ясна огромная роль растительных организмов как

посредника в энергетическом обеспечении животных и человека. Избавиться от

этой зависимости, получать какую-либо энергию прямо из неживой природы

человечество еще не научилось. И хотя академик В. И. Вернадский выдвигал такую

научную задачу, дальше фантастических произведений дело не продвинулось и вряд

ли продвинется в обозримом будущем. Поэтому для биологов всего мира одной из

приоритетных задач остается понять во всех деталях механизм фотосинтеза, с тем

чтобы максимально интенсифицировать его в растениях и по возможности

воспроизвести в искусственных условиях.

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 аденозиндифосфорной (АДФ) или аденозин

монофосфорной (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

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