Живое вещество. Уровни строения. Свойства

Чтобы составить полное представление о совокупности живых организмов, как о живом веществе, необходимо разобраться с его структурой, функциями, связями, и конечно, с происхождением и эволюцией. Последними вопросами займемся немного позднее, а пока остановимся на структуре.

Если помните, то в главе 2.1 мы мысленно делили представителей каждого типа вещества. Сейчас дошла очередь до живых организмов, и в компанию к цветку добавим излюбленное животное всех учебников биологии – лягушку. В наших мысленных экспериментах она нисколько не пострадает, в отличие от кровожадных иллюстраций зоологии.

Как мы уже обсуждали, на атомарно-ионном уровне различий между живым и косным нет. Однако, при дальнейшем «разделении» скоро выяснится, что часть молекул, из которых состоят клетки живых организмов, одинаковы с молекулами косного вещества: это вездесущая вода, минеральные вещества, в основном, соли, органические кислоты. Другая часть - это особые биологические молекулы, состоящие из белков, липидов, углеводов, ДНК, РНК и АТФ. «В основе строения каждого типа биологических молекул различные варианты соединений углерода, кислорода, водорода, серы, фосфора, калия, натрия, азота и уже упоминавшихся микроэлементов». (Стр. 472 – химия).

Мы не будем повторять содержание школьной программы по биологии, у нас несколько иная задача, а именно: ответить на закономерный вопрос - если все планетарное вещество построено из тех же самых химических элементов, то откуда тогда такая огромная разница между живым и косным? Где прочерчена грань между жизнью и смертью? Преодолима ли она?

Биологические молекулы, или как их еще называют биологические полимеры, макромолекулы, либо биоорганические молекулы, очень сложные по своему строению, обладающие уникальными свойствами и взаимопревращений и редупликации и регулирования метаболизма и мн. др.

Но какими бы сложными они не были, каждая из них сама по себе не является единицей жизни. Только сочетание, целостный комплекс всех их свойств, качеств и особенностей вместе с соответствующими условиями существования окружающей среды дает уникальный, жизнеспособный функционал – клетку, которая обладает всеми без исключения свойствами живого. Перефразируя, можно сказать: без среды нет клетки, без клетки нет среды. Что говорит о тесной взаимосвязи живого и внешнего. Действительно, поменяйте мысленно клетки лягушки и цветка, лягушка перестанет быть лягушкой, а цветок цветком, хотя различие в строении клетки растительной и клетки животной не так уж велико, и принцип строения один и тот же: выполняемые функции строго соответствуют условиям среды. Среда питает, и среда определяет судьбу.

Но, как оказалось, не каждая аминокислота и не каждый моносахарид, даже обладая нужной молекулярной формулой, может попасть в живую клетку. Это заметил еще великий французский ученый Луи Пастер в 1848 году. Он открыл явление зеркальной симметрии на молекулярном уровне. Оно получило название диссимметрии или киральности (от греч. «хир» - рука). Киральные молекулы отличаются друг от друга как предмет своего зеркального отражения или как правая рука от левой. В химии их называют оптическими изомерами, из-за того, что растворы, содержащие только один вид изомеров, при пропускании через них поляризованного света, отклоняют этот луч в соответствующую сторону. Два типа оптических изомеров органических молекул получили название D – форма (от лат. dexter – правый) и L – форма (от лат. laevus - «левый»). Касается это свойство α-аминокислот (исключая глицин), т.е. как раз тех двадцати, входящих в состав белков. Все они имеют только L – форму, получается, что вся белковая жизнь на Земле – «левая». Зато глюкоза (а также любой другой из семи изомерных ей сахаров аллоза, альтроза, манноза, гулоза, идоза, галактоза, талоза) в природных соединениях – «правая», т.е. имеет D - форму. По другим источникам, «правая» также рибоза, входящая в состав ДНК и РНК. То есть, благодаря Л. Пастеру, мы имеем совершенно четко обозначенную границу на молекулярном уровне между живым и неживым. Пьер Кюри, ознакомившись с работой Пастера, предположил, что «явление, связанное с какой-нибудь формой диссиметрии, обусловлено различным состоянием пространства». В.И. Вернадский вывел, основываясь на этом и на своих исследованиях косных тел, следующие обобщения:

«В косных естественных телах и в природных явлениях нет различия в химических проявлениях правизны и левизны для одного и того же химического соединения. … В частности, количество правых и левых кристаллических многогранников одного и того же химического соединения, одновременно образующихся в одной и той же среде, - одинаково. …

- Химическое различие правых и левых форм одного и того химического соединения характеризует состояние физического пространства, занятого телом живого организма, и его проявлений в окружающей его среде, в биосфере. … Такие состояния пространства, занятого телом живого вещества, создаются в биосфере только из ранее существовавших живых естественных тел. Получаются рождением (принцип Реди)[6] (О коренном отличии….».

В своей работе «Биогеохимические очерки» (1922-1932)Вернадский подробнейшим образом анализирует позицию биогеохимика при описании им живого вещества и постоянно подчеркивает статистический характер такого описания, как наиболее важный, Любые предположения из нематериальной сферы, т.е. то, что связано с воображением человека, он называл «философскими фикциями», поэтому мы с полным доверием можем отнестись к его выводу, что не только пространство, занимаемое живым организмом, имеет особые свойства, обеспечивающие передачу наследственной информации, но и время для живых организмов исчисляется по-другому, и даже не по законам теории относительности А. Эйнштейна, а по своему, реальному исчислению, которым является смена поколений. «Смена поколений есть своеобразное биологическое проявление времени, резко отличающее одно живое вещество от другого, с различным для каждого масштабом сравнения» (1938 г.).[7]

Именно эти два фундаментальных свойства живого вещества, характеризующие особые состояния пространства (образующее D и L – формы биомолекул) и времени (за единицу измерения берется скорость смены поколений) послужили основой для его дальнейших исследований, расчетов и выводов, особенно касающихся таких вопросов, как происхождение живого вещества и его эволюция. Однако, упомянутым постулатам даже его последователи не придавали должного значения, отнеся их к чудачествам гения. Но современные исследования постоянно подтверждают его правоту, выводя ученых на полностью или частично «вернадскианское» мировоззрение.

Рассуждая о свойствах пространства и времени, мы незаметно перешли на другой уровень строения живого вещества – на организменный, в случае многоклеточного организма ему предшествуют клеточный, тканевый, органный. Однако нас интересует именно организменный, поскольку мы должны «вывести» из всех наших знаний и рассуждений структуру живого вещества.

Живое вещество – это совокупность всех живых организмов. Она может классифицироваться с разных позиций, самая распространенная – это систематика. Все знают, что все живое подразделяется на царства, типы, классы, отряды, семейство, роды и виды. Но систематическая, видовая принадлежность – это качественная ипостась. Поскольку нам важны количественные характеристики состояния биосферы, то живое вещество, как её компонент, интересует нас с позиции биомассы, типа питания, количества видов, численности популяции и т.п. Следовательно, дальнейшие рассуждения пойдут именно в этом русле, но это будет в следующих главах, а пока подведем итоги рассмотренных различий между живым и косным на молекулярном уровне:

- Свойства живых организмов к росту, размножению, движению, дыханию, ассимиляции и диссимиляции и др. обусловлены особыми биоорганическими макромолекулами, составляющими функциональную единицу жизни – клетку.

- Свойство живой клетки, как отдельной единицы жизни обусловлены избирательной проницаемостью её мембран для «кирально чистых» веществ, т.е. для «левых» аминокислот и «правых сахаров».

- Геометрические и временные характеристики пространства, занимаемого живым веществом, отличаются от таковых в пространстве косном, начиная с молекулярного уровня.