С. М. Розов Введение. Предмет Естествознания Естествознание

Южные материки около 1 млрд лет назад также оказались объединенными во второй суперконтинент – Гондвану. Так, в это время Амазонская плита причленилась к Бразильской платформе и через нее – к Центральной Африке. Одновременно Южная Африка спаялась с Центрально-Африканской платформой. К ней же причленилась и Западная Африка. Восточная Гондвана, включая Австралию, Антарктиду и Индию, оказалась причлененной к восточной окраине Африканского мегащита.

Между Лавразией и Гондваной находился океан Тетис, а всю остальную поверхность Земли занимал океан Панталасса.

Намагниченность древних магматических пород на разных материках имеет разную направленность на полюса, но если совместить материки воедино, то общее направление магнитного поля совпадает! Это является наиболее убедительным доказательством существования в прошлом Пангеи и процесса дрейфа материков.

Убедительным доказательством происходящего сейчас (несколько сантиметров в год) расширения Атлантического океана является осадконакопление, которое составляет в районе Срединно-Атлантического хребта несколько миллиметров, а в зоне желобов и субдукции достигает сотен метров.

200 млн лет назад началось образование Атлантического океана — Африка, Европа и Америки начали расходиться, возник Срединно-Атлантический хребет, рождающий новую океаническую кору. Одновременно с этим Индостан начал перемещаться от Африки к Азии и врезался в нее, вызвав поднятие самых высоких гор на Земле — Гималаев. Движение Индостана и поднятие Гималаев продолжается и до сих пор.

Сейчас зоны спрединга – это в основном Атлантика, кольцевая зона вокруг Антарктиды, Восточно-Тихоокеанская – юг Азии и Зондские острова, А также Аравийско-Индийская. В этих зонах океан расширяется.

Зоны субдукции, или погружения океанической коры под материковые плиты, лежат в основном по тихоокеанским побережьям обоих Америк – это Восточно-Тихоокеанская зона. Еще одна сильная зона субдукции – Азиатско-Австралийская, проходящая между южной оконечностью Азии и Австралией.

Тихий океан сейчас закрывается, а Атлантический — наоборот, расширяется. Скорости расширения и закрывания немного различаются: Тихий океан становится меньше на 5 см в год; расширение Атлантики не превышает 2-х см в год.

Перемещение плит — это циклический процесс, вызванный тепловой конвекцией в мантии Земли. Под толстой материковой корой происходит накопление тепла. Это приводит к возникновению горячих точек внутри материка — тепло магмы прорывается наружу, возникают зоны вулканической активности. Эти зоны все более расширяются, в земной коре возникают расколы. На этом месте образуются рифтовые долины, приводящие, в конечном итоге, к расколу континента. В рифтовых долинах возникают зачатки океанической коры, далее происходит ее спрединг. Глубокий раскол материковой плиты заполняется водами океана, который продолжает расширяться, растаскивая в стороны части материка. Со временем под тонкой океанической корой мантия охлаждается, процессы спрединга океанической коры затухают. Океаническая кора начинает погружаться под материковые плиты в возникающих зонах субдукции. Океан начинает закрываться. При закрытии океана континенты сближаются, наползают друг на друга — в точках их соприкосновения идут процессы горообразования. Продолжительность этого цикла — приблизительно 500 млн лет.

Существование и развитие неживой природы определяется сложными физико-химическими процессами, фундаментальными и для живой природы. Однако, с появлением живых организмов (принципиально отличающихся по своим свойствам от тел наживой природы) начинают осуществляться биологические процессы, имеющие специфический характер и подчиняющиеся новым законам — биологическим. Таким образом, физико-химические процессы в живой природе являются фундаментальными, первичными, а биологические, возникающие на их основе, — производными, вторичными.

Таким образом, характерной чертой субстрата жизни является его структурная организация. Живое вещество, построенное из тех же химических элементов, что и неживое, характеризуется чрезвычайной сложностью химических соединений, обусловленной определенной упорядоченностью на молекулярном уровне. Упорядоченность в пространстве сопровождается упорядоченностью во времени, обеспечивающей строгую последовательность процессов, протекающих в живых системах.

Классическим определением жизни стала формулировка Ф. Энгельса: «Жизнь - это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка», И далее: «... обмен веществ состоит в поглощении веществ, химический состав которых изменяется, которые ассимилируются организмом и остатки которых выделяются вместе с порожденными в процессе жизни продуктами разложения самого организма». Этот тезис дополняется весьма существенным примечанием самого Ф. Энгельса: «И у неорганических тел может происходить подобный обмен веществ, который и происходит с течением времени повсюду, так как повсюду происходят, хотя бы и очень медленно, химические действия. Но разница заключается в том, что в случае неорганических тел обмен веществ разрушает их, в случае же органических тел он является необходимым условием их существования». Определение Ф. Энгельса намного опередило свое время и можно только поражаться тому, как при состоянии науки того времени ему удалось увидеть главное и указать на самое принципиальное в характеристике сущности живого.

Выдающийся биохимик нашего времени академик В.А.Энгельгардт отмечал, что «в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого. Тенденция к упорядочению, к созданию порядка из хаоса есть ни что иное, как противодействие энтропии». Более образно по этому поводу высказывался выдающийся физик XX века Э. Шредингер: «Живой организм может избегнуть состояния максимальной энтропии, которое представляет собой смерть, только путем постоянного извлечения отрицательной энтропии из окружающей его среды. Отрицательная энтропия вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той положительной энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив».

Обобщая достижения современного естествознания в области теории открытых диссипативных систем, известный биофизик М.В. Волькенштейн определил живые тела, существующие на Земле, как «открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, состоящие из биополимеров: белков и нуклеиновых кислот». Живое никогда не бывает в состоянии термодинамического равновесия и постоянно совершает работу против достижения равновесия. Термодинамическое равновесие для живого — это смерть.

Но все высказанные выше характеристики и определения живого справедливы в той или иной мере и по отношению ко многим другим неживым неравновесным системам. Кристаллы самовоспроизводятся — наращивают сами себя, многие природные неживые системы с отрицательными обратными связями саморегулируются, вихревые потоковые системы создают порядок из хаоса и производят работу против термодинамического равновесия.

У живых и неживых неравновесных систем нет принципиальных отличий — свойства всех неравновесных систем подчиняются одним и тем же законам, но живые системы являются из всех неравновесных систем самыми сложными:

• 
  Через живые системы постоянно проходят огромные потоки информации — до 10²⁶ бит.
  
• 
  Живые системы обладают сложнейшей саморегуляцией — только на биохимическом уровне они содержат более 50 тыс отрицательных обратных связей.
  
• 
  Живые системы представлены огромным биоразнообразием — более 10 млн видов живых организмов.
  
• 
  Биологические системы обладают удивительно развитыми способностями к изменчивости и прогрессивной эволюции, способностями к самоусложнению ради более эффективного сохранения своего состояния неравновесия.
  
• 
  Живые системы обладают способностью к опережающему отражению — они активно собирают информацию об окружающей среде и на ее основании предвидят будущие события и выдают опережающие реакции. Они как бы несут в себе элементы будущего в настоящем.
  
• 
  Живые системы имеют огромное число уровней организации — такого числа нет ни у одной неживой неравновесной системы.
  

К настоящему времени сложилось представление об уровнях организации живого как конкретном выражении иерархической упорядоченности. Жизнь на Земле представлена организмами определенного строения, принадлежащим к определенным систематическим группам (популяция, вид), а также сообществам разной сложности (биогеоценозы, биосфера). В свою очередь, организмы характеризуются молекулярной, клеточной, тканевой, органной структурностью. Каждый организм, с одной стороны, состоит из единиц подчиненных ему уровней организации (органов, тканей и т.д.), с другой - сам является единицей в составе надорганизменных биологических систем (популяций, видов, биогеоценозов, биосферы в целом).

Существование жизни на всех уровнях определяется структурой низшего уровня. Например, характер клеточного уровня организации определяется молекулярным и субклеточным уровнями; организменного - клеточным, тканевым, органным; популяционно-видового — организменным и т.д. Следует отметить большое сходство дискретных единиц на низших уровнях и все возрастающее различие на высших уровнях.

По подходу к изучению биологических систем выделяют следующие уровни организации живой материи на базе разных способов структурно-функционального объединения составляющих элементов:

На клеточном уровне функционируют три основных механизма воспроизведения и реализации генетической информации — репликация (удвоение молекулы ДНК), транскрипция (синтез комплементарной РНК на матрице генного участка ДНК) и трансляция (синтез молекулы белка).

Существует так называемая Основная догма молекулярной биологии — она определяет направление потоков передачи генетической информации в клетке. Информация передается от ДНК к ДНК во время репликации; от ДНК к РНК и обратно во время транскрипции и обратной транскрипции; и от РНК к белку во время трансляции. Передача информации от белка к РНК или ДНК НИКОГДА не происходит ни у одного живого организма. Механизмов для такой передачи информации в живой клетке не существует.

Репликация транскрипция трансляция

ДНК ↔ ДНК ↔ РНК → Белок

На клеточном уровне происходит два основных процесса, необходимых для самовоспроизведения жизни — митоз — деление клетки с сохранением числа хромосом и генов, и мейоз — редукционное деление, необходимое для производства половых клеток — гамет. В мейозе также происходит рекомбинация генетического материала клетки — хромосомная и кроссинговерная, дающая рекомбинационную изменчивость.

На клеточном уровне функционируют три основные энергетические цепи, обеспечивающие клетку и организм энергией.

Первый из них — фотосинтез. Это фотолитическое восстановление углерода из углекислого газа, сопряженное с переносом электронов на кислород молекулы воды и высвобождением свободного кислорода. Фотосинтез, которым владеют растения и синезеленые водоросли — практически единственный путь получения всей биосферой энергии и органических соединений (за исключением хемосинтезирующих бактерий, окисляющих соединения серы и др.). При этом используется световая энергия Солнца, поступающая на Землю. Только благодаря фотосинтезу Земля имеет в своей атмосфере свободный кислород. Фотосинтез происходит у растений — в хлоропластах, у синезеленых — в тилакоидах. У растений около 100 генов, кодирующих ферменты, необходимые для осуществления фотосинтеза, находятся в хлоропластном геноме. Остальные несколько сотен необходимых для фотосинтеза генов расположены в ядерном геноме.

Все живые организмы (за исключением анаэробных бактерий) обладают двумя основными механизмами извлечения энергии, запасенной в процессе фотосинтеза в сахарах (глюкоза) и подобным им соединениям. Это гликолиз и окислительное фосфорилирование. В результате этих процессов химическая энергия глюкозы переводится в энергию химической связи в молекуле АТФ — аденозинтрифосфата — универсального поставщика энергии внутри клетки.

Гликолиз – это цепь из нескольких десятков ферментативных реакций, в результате которых глюкоза превращается либо в ацетат — уксусную кислоту, либо в этиловый спирт, или схожие с ними относительно простые соединения. Этот процесс идет без доступа свободного кислорода, в его результате выделяется углекислый газ. Наиболее яркий пример гликолиза — процесс брожения, обеспечиваемый одноклеточными грибами – дрожжами.

Но гораздо более эффективным в смысле получения энергии оказывается окислительное фосфорилирование. Этот процесс идет в биохимическом цикле, называемом циклом Кребса, или циклом трикарбоновых кислот. В цикле Кребса потребляется свободный кислород атмосферы и глюкоза окисляется им до углекислого газа и воды. Происходит полное сгорание глюкозы. В цикле Кребса на одну молекулу глюкозы синтезируется в 14 раз больше молекул АТФ, чем при гликолизе. Цикл Кребса происходит на мембранах митохондрий — особых клеточных органелл, также, как и хлоропласты, имеющих свой собственный геном. Но в геноме митохондрий находится только около десятка генов, кодирующих ферменты окислительного фосфорилирования. Остальные несколько десятков генов — до ста, необходимых для этого процесса, давно в процессе эволюции были перенесены в ядерный геном.

Все популяции вида объединены общими генными потоками – между ними, если не существует особых барьеров изоляции, то так или иначе происходит обмен генами, и они представляют из себя единое целое, называемое генофондом вида. На уровне популяций работает много биологических дисциплин: популяционная генетика, экология, этология, изучающая взаимоотношения особей внутри вида. Видовой уровень в биологии очень обширен — общая биота Земли насчитывает до 10 млн видов.

По Вернадскому, нельзя рассматривать организм отдельно от среды его обитания. Биосфера представляет из себя единую систему: это тонкая земная оболочка, связанная с космосом — в ней происходит поглощение энергии Солнца. Жизнь в биосфере полностью зависит от процессов фотосинтеза. Все организмы в биосфере делятся на фототрофов, гетеротрофов — растительноядных и хищников, и деструкторов, разлагающих органические остатки. В биосфере формируются глобальные пищевые цепи. В биосфере происходит биологический круговорот веществ. Часть веществ биосферы оседает, формируются осадочные породы, месторождения угля, известняка, торфа. Биосфера является основным фактором, формирующим природный ландшафт Земли.

Человек создал новый уровень организации живого — социальный, включающий в себя коллективную память. На новом уровне организации возникли новые законы — законы развития социума. Но по сути — социализация — это продолжение прежнего общего пути развития биологических организмов, новый уровень в ряду глобальных биологических объединений: эукариотическая клетка – многоклеточный организм – социум.

Репликацию ДНК осуществляет фермент ДНК-полимераза. Этот фермент способен наращивать ДНК только на 3΄– конце. Молекула ДНК антипараллельна, разные ее концы называются 3΄-конец и 5΄ - конец. При синтезе новых копий на каждой нити одна новая нить удлиняется в направлении от 5΄ к 3΄ , а другая – в направлении от 3΄ к 5-концу. Однако 5΄ конец ДНК-полимераза наращивать не может. Поэтому синтез одной нити ДНК, той, которая растет в "удобном" для фермента направлении, идет непрерывно (она называется лидирующая или ведущая нить), а синтез другой нити осуществляется короткими фрагментами (они называются фрагментами Оказаки в честь ученого, который их описал). Потом эти фрагменты сшиваются, и такая нить называется запаздывающей, в целом репликация этой нити идет медленней. Структура, которая образуется во время репликации, называется репликативной вилкой.

Если мы посмотрим на реплицирующуюся ДНК бактерии, а это можно наблюдать в электронном микроскопе, мы увидим, что у нее вначале образуется "глазок", затем он расширяется, в конце концов, вся кольцевая молекула ДНК оказывается реплицированной. Процесс репликации происходит с большой точностью, но не абсолютной. Бактериальная ДНК-полимераза делает ошибки, то есть вставляет не тот нуклеотид, который был в матричной молекуле ДНК, примерно с частотой 10^-6. У эукариот ферменты работают точнее, так как они более сложно устроены, уровень ошибок при репликации ДНК у человека оценивается как 10^-7 – 10 ^-8 . Точность репликации может быть разной на разных участках геном, есть участки с повышенной частотой мутаций и есть участки более консервативные, где мутации происходят редко. И в этом следует различать два разных процесса: процесс появления мутации ДНК и процесс фиксации мутации. Ведь если мутации ведут к летальному исходу, они не проявятся в следующих поколениях, а если ошибка не смертельна, она закрепится в следующих поколениях, и мы сможем ее проявление наблюдать и изучить. Еще одной особенностью репликации ДНК является то, что ДНК-полимераза не может начать процесс синтеза сама, ей нужна «затравка». Обычно в качестве такой затравки используется фрагмент РНК. Если речь идет о геноме бактерии, то там есть специальная точка называемая origin (исток, начало) репликации, в этой точке находится последовательность, которая распознается ферментом, синтезирующим РНК. Он относится к классу РНК-полимераз, и в данном случае называется праймазой. РНК-полимеразы не нуждаются в затравках, и этот фермент синтезирует короткий фрагмент РНК – ту самую «затравку», с которой начинается синтез ДНК.