3 ОРГАНИЗАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОГО ВРЕМЕНИ И ФЕНОМЕН ЖИЗНИ

Под биологическим временем, также как и под биологическим пространством, следует, на мой взгляд, понимать то время (или пространство), которое занимает (заполняет, организует, осмысливает и т.д.) та или иная биологическая система: клетка, организм, популяция, экосистема, биосфера. В этом смысле биологическое время не противостоит физическому, также как биологическая форма движения не противостоит физической форме, а лишь организует ее.

Организация времени в биологических системах характеризуется прежде всего многоуровневостью, простираясь от упругих колебаний молекул ферментов или скачкообразного движения органелл под воздействием микротрубочек, т.е. того, что А.Фултон (1987) называла "хореографией клетки", и до периодических массовых вымирании видов в биосфере. В этих пределах заключены еще, по меньшей мере, пять временных масштабов: клеточное деление, онтогенез многоклеточного организма, развитие популяции, экологическая сукцессия и эволюция видов.

Столь детально проработанная организация времени жизнью наводит на мысль о глубокой внутренней связи этих двух феноменов. Для проверки такого предположения наметим основную канву анализа феномена жизни.

В биологии хорошо известен принцип Реди (Вернадский, 1965), согласно которому спонтанное возникновение "живых" состояний в физико-химических системах невозможно в том смысле, что крайне маловероятно. Однако при помощи тех или иных биологических систем этот процесс происходит постоянно: метаболизм, рост, размножение. Следовательно, перенормировка вероятностей, в результате которой крайне маловероятные состояния становятся не только возможными, но и почти неизбежными, осуществляется биосистемами, а значит, детерминируется со стороны более высокого структурного уровня. Иными словами, имеет место детерминация целым или омникаузальная детерминация, в противоположность партикаузальной, при которой части детерминируют структуру и поведение целого. Такая омникаузальная перенормировка вероятностей, как отмечалось многими авторами (хотя, как правило, в неявной форме), характерна для всех уровней биологической иерархии от клетки и до биосферы.

Математическим описанием перенормировки вероятностей может служить уравнение Бейеса (Налимов, 1979). Если рассматривать это уравнение в качестве формальной модели, встает проблема поиска тех реальностей, которые стоят за этой моделью, что вполне аналогично поиску скрытых параметров в квантовой механике, бессмысленность которого становится все более и более очевидной (Rohhrlich, 1983). Однако в квантовой механике гипотетические скрытые параметры предполагаются универсальными для всех квантовомеханических явлений, в биологии же ситуация совсем иная. Здесь для различных уровней иерархии можно ожидать действия сил совершенно различной природы. В самом деле, трудно предположить, что одни и те же силы или параметры обеспечивают порядок молекул в клетке, изгибы зародышевых листков в эмбрионе и изменения видов в процессе эволюции биосферы. В результате, на этом пути мы вынуждены отказаться от рассмотрения жизни как единого феномена.

Если же рассматривать уравнение Бейеса не как формальную модель, а в качестве теории, которая отражает саму сущность жизни как процесса перенормировки вероятностей, то мы неизбежно приходим к мысли о реальности функции состояния для макроуровня ( -функции), действующей в качестве вероятностного фильтра. В этом случае перенормировка вероятностей на всех уровнях от клетки и до биосферы сводится к мутипликативному взаимодействию функций состояния для соответствующих макро- и микроуровней. У прокариотной клетки функцией состояния на микроуровне будет ψ-функция, т.е. квантовомеханическая функция состояния.

Функции состояния микро- и макроуровней не тождественны друг другу только в том случае, если функция макросостояния маркирована (обозначена) в макромире. Но коль скоро жизнь существует, -функция каждой биологической системы маркирована прежде всего для нее самой. Без этого жизнь просто не могла бы воспроизводиться. Ведь каждый самовоспроизводящийся объект не только воспроизводит, но и обозначает (отождествляет) самого себя (Шаров, 1988). Иными словами, любая биологическая система обладает аутосемантикой, которая позволяет ей поддерживать и воспроизводить самое себя в процессе аутомониторинга. Кроме того, -функции биологических систем нелокальны во времени, т.е. их настоящее обладает некоторой временной "толщиной", внутри которой отдельные микросостояния (события) образуют определенную последовательность ("сюжет").

При этом биологическое настоящее имеет разную для разных систем продолжительность в физическом времени. Для клетки "толщина" настоящего минимальна, для биосферы  максимальна. Но на всех уровнях биологическое настоящее включает как физическое прошлое, так и физическое будущее, в том числе и прошлое-будущее на уровне микросостояний, которые принадлежат к предшествующему уровню биологической иерархии. Причем физическое настоящее делит биологическое настоящее на память и преадаптацию или целеполагание. В целом же биологическое настоящее, точнее его целостный образ, тот "сюжет", о котором говорилось выше, представляет собой -функцию на данном уровне иерархии. Эта -функция является, в свою очередь, элементарные событием (и, соответственно, элементарной временной единицей) в структуре биологического настоящего следующего уровня иерархии и т.д., вплоть до настоящего биосферы, "толщина" которого охватывает сотни миллионов лет.

Такая сложная, многоуровневая и при этом целостная временная структура является крайне редким, почти уникальным феноменом. Помимо жизни, мы встречаем его, пожалуй, только в музыке, где временная "толщина" настоящего на низшем уровне соответствует периоду звуковых колебаний, определяющему высоту звука, а далее вверх следуют иерархические уровни временной организации, соответствующей тактовой (ритмической) структуре музыки, затем структуре музыкальных фраз и пауз между ними и, наконец, структуре всего Музыкального произведения (например, последовательности и длительности частей в сонате или симфонии). И все эти уровни связаны в единое целое: любое изменение "толщины" настоящего на низшем уровне дает фальшь, разрушающую цельность восприятия. Чтобы избежать этого, оркестранты, ответственные прежде всего за низшие уровни временной иерархии, перед началом концерта настраивают свои инструменты, а дирижеру, чьей задачей является правильная интеграция нижних уровней (нот и ритма) в верхние (музыкальные фразы, части и опус в целом), проигрывает в своем сознании все произведение, как бы вбирая в себя всю "толщину” его настоящего, что позволяет ему затем детерминировать в этих позиций исполнение оркестром отдельных частей и фраз.

Столь далеко идущие аналогии позволяют рассматривать жизнь как своего рода овеществленную музыку. И наоборот, музыка есть, видимо, один из наиболее адекватных языков для описания биологических систем, да и вообще -функций, что было продемонстрировано, в частности, при изучении размерных спектров океанического зоопланктона (Михайловский, 1989).

Таким образом, отношение между жизнью и временем примерно такое же, как отношение между архитектором и пространством. Если архитектор заполняет пространство линиями, плоскостями, конструктивными элементами и архитектурными деталями, тем самым организуя его в целостный образ, то жизнь организует время, заполняя его различными событиями, последовательность которых создает образ на каждом уровне иерархии, а в совокупности  целостную иерархию времен, образов и “сюжетов”.

УПРАВЛЕНИЕ СОБСТВЕННЫМ ВРЕМЕНЕМ БИОСИСТЕМ

Лаборатория хронобиологии НИИ Физики Ростовского университета

Для понимания специфики биологического времени, причин разной скорости биологических процессов и возможности управления собственным временем биосистем важно учитывать особенности сохранения устойчивости биосистем и направленности биологических процессов.

Первая особенность. Биосистемы - это целостные иерархические системы с дискретной иерархической временной организацией. Их устойчивость термодинамически предопределена на каждом уровне некоторыми диапазонами допустимых отклонений от идеальной гармонии согласования скоростей функциональных и структурных восстановительных процессов. Десинхронозы, фазовые, системные и иерархические, энергетически не выгодны. Устойчивость энергетически оптимальной временной организации биосистем определена эволюцией временной организации внешней среды. Любая патология на любом уровне характеризуется тем или иным десинхронозом, т.е. рассогласованием фаз и скоростей разных функциональных и структурных процессов одного или нескольких смежных уровней. По степени, характеру и виду десинхроноза можно диагностировать и прогнозировать состояние любой биосистемы. Коррекция временной организации, устранение десинхронозов возможны как под влиянием естественных ритмов внешней среды (без антропогенных экологических искажений), так и путем адекватных многочастотных искусственных воздействий. Управление устойчивостью биосистем через араметры ее временной организации  естественный и мягкий способ без нарушения регуляторных систем и интегральной целостности самой биосистемы.

Вторая особенность. На каждом уровне биологической организации существует энергетическая параметрическая зависимость величины и знака функциональной индукции пластических (восстановительных) процессов. Иначе, в фазу положительного энергобаланса возможен избыточный анаболизм, рост, развитие, активная перестройка, сукцессия, прогрессивное эволюция. В фазу энергетического дефицита, вызванного либо предшествующим увеличением энергозатрат, либо снижением энергопродукции, сохраняют устойчивость, наоборот, те системы, в которых преобладает пассивное снижение энергозависимых процессов, торможение активности, движения, анабиоз, сон, зимняя спячка, климакс, регресс, пассивная адаптация и т.д.

Каждая из этих двух противоположных стратегий сохранения устойчивости не может не сменяться другой в соответствии с ритмами колебаний и распределения потоков энергии. В зависимости от преобладания пассивной или активной стратегии сохранения устойчивости на соответствующем уровне увеличивается или уменьшается скорость биологических процессов. Устойчивость биосистемы при избытке энергии сохраняется за счет поддержания устойчивости элементов, но при недостатке — за счет избирательной элиминации части элементов. Следствием последней стратегии является временный иерархический десинхроноз - рассогласование соотношения скоростей процессов разных уровней.

Третья особенность. Биологически адекватными сигналами (биологическими кодами) являются многочастотные сигналы, в спектре которых соотношение частот соответствует иерархии периодов биоритмов целостной иерархической биосистемы. Только такие сигналы способны устойчиво изменять уровни биологических функциональных и структурных процессов и устранять возникающие в биосистеме десинхронозы. Воздействие с одной, даже резонансной, частотой демпфируется гомеостатическими колебательными контурами ниже- и вышележащих уровней, смежных к адресуемому. Дискретная временная организация биосистем и многочастотность биологических кодов объясняют высокую помехоустойчивость биосистем и их чрезвычайную чувствительность к биологически и эволюционно значимым сигналам.

Из рассмотренных особенностей следует возможность управления собственным биологическим временем биосистем с помощью так называемых биоуправляемых биоритмологических многочастотных воздействий. Изменение скорости биологических процессов и возникновение тех или иных десинхронозов по любой причине проявляется в рассогласовании скоростей потоков их энергетического обеспечения. Для восстановления временной гармонии необходима такая спектральная структура внешнего воздействия, при которой обеспечивается максимальное отношение энергозатрат на внешние рабочие процессы относительно внутренних регуляторных. Данный критерий направленности обеспечивает более значительное увеличение внешних энергозатрат относительно внутренних регуляторных при активной стратегии сохранения устойчивости и более значительное снижение регуляторных энергозатрат относительно снижения внешних рабочих при пассивной стратегии сохранения устойчивости (стратегии экономичности). Данный критерий оказывается справедливым для любых биологических процессов на всех уровнях биологической организации.

В первом случае (активная стратегия сохранения устойчивости) увеличивается скорость биологических процессов, во втором (стратегия экономичности) — замедляется. Собственное время биосистемы зависит как от плотности потока входной энергии, так и от энергоемкости и лабильности соответствующих ей процессов. Многочастотные воздействия, соответствующие иерархии периодов биоритмов в устойчивых (гармонических) состояниях биосистем, позволяют корректировать соотношение скоростей разных иерархических уровней биосистемы и скоростей разных процессов одного ее уровня. Данная закономерность выражается в обнаруженном нами явлении многочастотного параллельного резонансного захвата, характерного только для живых систем.

Экспериментальное подтверждение возможности управления собственным временем биосистемы получено нами в модельных опытах на одиночной живой клетке и при биоуправляемом способе хронофизиотерапии различных болезней у человека. Модуляция лазерного, электрического, магнитного и других воздействий синхронно с сигналами датчиков пульса, дыхания и других биоритмов пациента увеличивала по сравнению с обычными методами физиотерапии лечебный эффект и его стабильность. В месте патологии в результате такого лечения наблюдалась нормализация параметров ритмов кровотока и согласование его с ритмами центрального кровотока. Восстановление временной гармонии сопровождается обнаруженным экспериментально эффектом тканевой памяти. Устранение десинхронозов в месте патологии с помощью аппаратов для биоуправляемой хронофизиотерапи серии "Гармония" происходила за счет коррекции периодов ритмов и, следовательно, собственного времени биосистемы на соответствующих уровнях. В опытах на живой клетке с помощью многочастотных воздействий с равномерным увеличением частот, но сохранением их отношения, ускорение собственного времени сопровождалось стабильным увеличением биосинтеза белка, а уменьшение - снижением содержания белка и биосинтеза белка в клетке. С помощью устройства для автоматизации дыхательной гимнастики по пульсу "Консонанс" согласованием продолжительности фаз дыхательного цикла с ритмами пульса удается корректировать биологическое время и эффективно управлять функциональным состоянием человека - снижать психо-эмоциональное напряжение или, наоборот, увеличить тонус и активность.

Таким образом, оценивая гармонию иерархии временной организации, нарушения согласования собственных времен на разных уровнях биосистемы и корректируя их с помощью многочастотных биологически адекватных воздействий, возможно эффективно диагностировать, прогнозировать состояния биосистем на разных уровнях и управлять жизнедеятельностью.

Структура биологического настоящего и детерминация будущим

Коль скоро, в полном соответствии с “бритвой Оккама”, отбросить гипотезу о существовании некой “жизненной силы” и, следовательно, принять, что в живом организме нет ничего, кроме атомов и сил взаимодействия между ними, мы с неизбежностью приходим к выводу, что среди всего множества микросостояний этого ансамбля атомов есть такие, которые соответствуют живому макросостоянию ансамбля. С другой стороны, исходя из широко известного принципа Реди, утверждающего невозможность абиогенеза (Вернадский, 1940), спонтанное возникновение микросостояний, соответствующих жизни, невозможно в том смысле, что крайне маловероятно.

Однако в живых системах такие микросостояния возникают постоянно в процессах метаболизма, роста и размножения. Отсюда следует, что даже на уровнях “микромир (атомы и молекулы) — мир под микроскопом (клетки)” макросостояние (жизнь) определяет микросостояния, обеспечивающие поддержание жизни, а не наоборот, как это обыкновенно бывает в физике и химии. На более высоких уровнях организации живого это тем более очевидно и уже неоднократно отмечалось рядом исследователей.

Первым в этом ряду был, пожалуй, эмбриолог Г.Дриш, сформулировавший в начале нашего века свой знаменитый принцип, согласно которому судьба клетки зародыша (т.е. ее дальнейшее развитие, которое положит начало определенной ткани или органу взрослого организма) зависит, во всяком случае на ранних этапах эмбриогенеза, только от положения этой клетки в эмбрионе как целом (Дриш, 1915). В этот же ряд можно поставить и принцип эквифинальности Л. фон Берталанфи (Bertalanffy, 1962), утверждающий, что в развивающихся биологических системах различные, подчас весьма различные, начальные состояния приводят в результате развития к одному и тому же конечному (финальному) состоянию. Подобная эквифинальность, противоположная как бифуркации, так и переходу к термодинамическому равновесию (поскольку финальное состояние не только не равновесно, но, как правило, значительно дальше от равновесия, чем любое из исходных), может быть обеспечена лишь в том случае, когда целое детерминирует поведение своих частей. Без такого рода детерминации трудно себе представить и существование в биологических системах креодов, постулированное К.Х.Уоддингтоном. Креод, по Уоддингтону, представляет собой устойчивую канализованную траекторию развития системы как целого, и только целое может обеспечить устойчивость такой траектории, управляя соответствующим образом аналогичными траекториями своих частей (Уоддингтон, 1970).

Это явление, когда целое определяет поведение своих частей, было выделено нами в качестве одного из отличительных свойств живого и названо омникаузальностью (Михайловский, 1984) в противоположность партикаузальности, т.е. детерминации целого со стороны его частей, характерной для физико-химических систем.

Важнейшим отличием омникаузальных систем от партикаузальных является смена знака энтропии. В партикаузальных системах энтропия, по определению Дж. фон Неймана, равна “количеству (микроскопической) информации, которая теряется при (макроскопическом) описании” (Нейман, 1956). Но в омникаузальных системах макросостояние, как будет показано ниже, информационно богаче любого отдельного микросостояния. Поэтому при переходе с микро- на макроуровень информация не теряется, а приобретается, что и приводит, как было показано ранее (Михайловский, 1981), к отрицательной величине энтропии в таких системах.

Необратимость давно стала «камнем преткновения» многих физиков и философов. Одни из них считают ее результатом взаимодействия большого числа обратимых элементарных процессов, другие связывают ее с невоспроизводимостью граничных и начальных условий, третьи – с некоммутативностью процедуры измерений и невозможностью в связи с этим возврата в исходное состояние, четвертые – с нарушением симметрии некоторых физических законов при перемене знака времени, пятые – со статистической природой времени и т.д.

Чтобы разобраться в этом вопросе, коснемся вкратце его истории. Термин «необратимый» впервые появился в трудах основоположников термодинамики в противовес понятию «обратимый». Сначала С. Карно в своих «Размышлениях о движущей силе огня и о машинах способных развивать эту силу», а затем Р. Клаузиус в «Динамической теории теплоты» разными путями показали, что если какая-либо тепловая машина устроена так, что при работе ее в обратном направлении все механические и тепловые эффекты превращаются в противоположные, то она производит максимальное количество работы. Это означало, что в обратимых процессах «затраченная при этом механическая энергия может быть возвращена к первоначальному состоянию». Так возникло и сразу приобрело характер исходного постулата понятие обратимости. Судя по применению этого термина, классики понимали под ним возможность восстановления «движущей силы тепла». В частности, В. Томсон в статье «О динамической теории теплоты» прямо пишет: «Когда теплота или работа получаются с помощью необратимого процесса, происходит расточение механической энергии, и полное возвращение ее в первоначальное состояние невозможно». Поскольку же механическая энергия измеряется величиной работы, которую может совершить тело (система), необратимость в понимании основоположников термодинамики была синонимом потери ею работоспособности (как мы говорим сейчас, «диссипации» энергии). Именно поэтому Р. Клаузиус в своем знаменитом рассуждении о работе двух сопряженных тепловых машин принимает как само собой разумеющееся, что термический КПД η любой необратимой тепловой машины меньше, чем в обратимом цикле Карно при тех же температурах теплоисточника и теплоприемника. В таком случае, заменяя в (1) знак равенства неравенством (<), мы немедленно придем к выводу о том, что при протекании в системе любых необратимых процессов

dS > δQ/Т, (5)

т.е. её энтропия возрастает даже в отсутствие теплообмена системы с окружающей средой. Так возник принцип возрастания энтропии, выражающий существо 2-го закона термодинамики и отражающий одностороннюю направ-ленность самопроизвольных процессов в связи с их необратимостью. Поскольку же необратимы (по той или иной причине) все реальные процессы, энтропия стала мерой «любой и всякой» необратимости, а принцип возрастания энтропии был распространен на все без исключения системы. Такая «абсолютизация» принципа возрастания энтропии выразилась ярче всего в крылатой фразе Р. Клаузиуса: «Энергия Вселенной неизменна. Энтропия Вселенной возрастает».

Немалому числу исследователей такая экстраполяция принципа возрастания энтропии, приводящая к выводу о неизбежной «тепловой смерти Вселенной», казалась крайне неубедительной. Действительно, любые диссипативные процессы необратимы, поскольку в соответствии со 2-м началом термодинамики выделяющаяся при диссипации теплота не может быть целиком превращена в работу. Однако далеко не всякий необратимый процесс диссипативен. В частности, необратим процесс смешения невзаимодействующих газов, находящихся при одинаковой температуре и давлении. Однако он не сопровождается выделением тепла и потерей работоспособности, поскольку система невзаимодействующих газов еще до смешения находилась в полном (термическом и механическом) равновесии. Что же касается Вселенной, то по современным воззрениям «Вселенная в целом всегда неравновесна... она развивается необратимо без стремления перейти в состояние равновесия». Это означает, что во Вселенной наряду с процессами диссипации энергии в одних её областях протекают процессы концентрации энергии в других областях такой системы.

Как следует из вышеизложенного, основоположники термодинамики Р. Клаузиус и В. Томсон понимали необратимость лишь как следствие утраты системой работоспособности (снижения КПД тепловых машин). Эта необратимость является следствием диссипации энергии (перехода ее упорядоченных форм в тепловую). Всякий диссипативный процесс необратим постольку, поскольку «рассеянная» теплота не может быть целиком превращена в работу. Иного рода необратимость, связанная с «разбеганием (ветвлением) траектории», когда при протекании какого-либо нестатического процесса преодолеваются все имеющиеся в системе термодинамические силы, т.е. происходят процессы превращения энергии не только в тепловую, но и в другие ее формы в соответствии с природой преодолеваемых сил (механические, электрические, химические, поверхностные, магнитные и т.п.). В таком случае даже в отсутствие диссипации невозможно возвратиться к началу процесса, обратив знак любого из этих процессов – для этого потребуется уже обращение знака и величины всех термодинамических сил, преодолеваемых в ходе прямого процесса. Это в общем случае так же невозможно, как и удаление всех «метастазов» при раковых заболеваниях. Далее, необратимость может явиться следствием предельного перехода к бесконечному числу частиц вследствие невозможности восстановить первоначальное их распределение. Наконец, необратимость может возникнуть в системе бесконечных размеров типа Вселенной вследствие того, что «сигнал» не возвращается в систему или возвращается в нее с задержкой.

Таким образом, современное содержание понятия необратимости много шире его трактовки Клаузиусом и Томсоном. Эту широту и философское звучание понятию необратимости придал М. Планк, который понимал под ней «невозможность вернуть всю природу в то состояние, в котором она находилась к началу процесса». В этом его требовании слились воедино различные аспекты проблемы необратимости. С общенаучной точки зрения необратимы все процессы, подчиняющиеся причинно – следственным отношениям, ибо следствие не может породить причину. Со статистико-механической точки зрения необратимы все процессы, увеличивающие вероятность состояния. С позиций теории информации необратимы все процессы, сопровождающиеся снижением определенности наших знаний о состоянии системы. В термодинамике необратимы все процессы, приводящие к превращению упорядоченных форм энергии в тепловую. Объем этих понятий различен. Поэтому следует различать необратимость термодинамическую, связанную с ростом термодинамической энтропии; статистическую, обусловленную ростом статистической энтропии, и необратимость информационную, связанную с ростом информационной энтропии. В смешении этих аспектов необратимости и соответствующих им понятий энтропии и кроются, на наш взгляд, гносеологические корни тех заблуждений, которые привели к абсолютизации принципа возрастания энтропии и к выводу о неизбежной «тепловой смерти Вселенной».

5 Основные уровни иерархии биологических систем

Органический мир представляет собой единое целое, так как составляет систему взаимосвязанных частей (существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен, поскольку состоит из отдельных единиц — организмов, или особей.

С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчиненностью, взаимосвязанностью и специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень обладает особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку любой организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой — сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы.

На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на более высоких уровнях организации подготавливается и определяется структурой низшего уровня; в частности, характер клеточного уровня определяется молекулярным и субклеточным, организменный — клеточным, тканевым уровнями и т.д.

Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но при этом основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический и биосферный. Рассмотрим каждый из этих уровней.

Молекулярно-генетический уровень жизни — это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов — молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекулярно-генетическим.

Важнейшими задачами биологии на этом уровне являются изучение механизмов передачи генной информации, наследственности изменчивости, исследование эволюционных процессов, происхождения и сущности жизни.

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы — гигантские молекулы-полимеры, построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

Клеточный уровень. На клеточном уровне организации основной структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. На клеточном уровне так же, как и на молекулярно-генетическом, отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. История жизни на нашей планете начиналась с этого уровня организации.

Клетка представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделена всеми признаками живого организма.

Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным ни представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям — существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм образован миллиардами разнообразных клеток (до 1015), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

Установлено, что несмотря на большое разнообразие клеток и выполняемых ими функций, клетки всех живых организмов сходны по химическому составу: особенно велико в них содержание водорода, кислорода, углерода и азота (эти химические элементы составляют более 98% всего содержимого клетки); 2% приходится на примерно 50 других химических элементов.

Клетки живых организмов содержат неорганические вещества — воду (в среднем до 80%) и минеральные соли, а также органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. И, наконец, научно доказано, что все клетки состоят из т р е х основных частей:

1) плазматической мембраны, контролирующей переход веществ из окружающей среды в клетку и обратно;

2) цитоплазмы с разнообразной структурой;

3) клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы по способу питания разделить на д в а вида:

1) автотрофные организмы — организмы, не нуждающиеся в органической пище, которые могут осуществлять жизнедеятельность за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т.е. автотрофы сами производят необходимые им питательные вещества;

2) гетеротрофные организмы — это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.

Позднее были уточнен такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т.д.) и обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П. К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении процессов жизнедеятельности всего организма. Функциональная системность также проявляется в том, что процессы на низших уровнях организуются функциональными связями на высших уровнях организации. Особенно заметно функциональная системность проявляется у многоклеточных организмов.

Онтогенетический уровень. Многоклеточные организмы. Основной единицей жизни на онтогенетическом уровне выступает отдельная особь, а элементарным явлением является онтогенез. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему.

Онтогенезом называется процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации.

Функционирование и развитие многоклеточных живых организмов составляет предмет физиологии. В настоящее время не создана единая теория онтогенеза, поскольку не установлены причины и факторы, определяющие индивидуальное развитие организма.

Все многоклеточные организмы делятся на три царства: грибы, растения и животные. Жизнедеятельность многоклеточных организмов, а также функционирование их отдельных частей изучается физиологией. Эта наука рассматривает механизмы осуществления различных функций живым организмом, их связь между собой, регуляцию и приспособление организма к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела, это и есть процесс онтогенеза — развитие организма от рождения до смерти. При этом происходит рост, перемещение отдельных структур, дифференциация и общее усложнение организма.

Биогенетический закон утверждает, что онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т.е. отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме проходит все стадии развития своего вида. Таким образом, онтогенез представляет собой реализацию наследственной информации, закодированной в зародышевой клетке, а также проверку согласованности всех систем организма во время его работы и приспособления к окружающей среде.

Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей. Собственно живой организм представляет собой особую внутреннюю среду, существующую во внешней среде. Он образуется в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов одного организма) с фенотипом (комплексом внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального развития).

Таким образом, организм — это стабильная система внутренних органов и тканей, существующих во внешней среде. Однако, поскольку общая теория онтогенеза пока еще не создана, многие процессы, происходящие во время развития организма, не получили своего полного объяснения.

Популяционно-видовой уровень — это надорганизменный уровень жизни, основной единицей которого является популяция.

Популяция - совокупность особей одного вида, относительно изолированных от других групп этого же вида, занимающих определенную территорию, воспроизводящую себя на протяжении длительного времени и обладающую общим генетическим фондом.

В отличие от популяции видом называется совокупность особей, сходных по строению и физиологическим свойствам, имеющих общее происхождение, могущих свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Вид существует только через популяции, представляющие собой генетически открытые системы.

В условиях реальной природы особи не изолированы друг от друга, а объединены в живые системы более высокого ранга. Первой такой системой и является популяция. Популяция стала считаться целостной системой, непрерывно взаимодействующей с окружающей средой, способной к трансформации и развитию.

Целостность популяций, проявляющаяся в возникновении новых свойств по сравнению с онтогенетическим уровнем жизни, обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссоздается через обмен генетической информацией в процессе полового размножения. У каждой популяции есть количественные границы. С одной стороны, это минимальная численность, обеспечивающая самовоспроизводство популяции, а другой — максимум особей, которые могут прокормиться в ареале (месте обитания) данной популяции. Популяция как целое характеризуется такими параметрами, как волны жизни — периодические колебания численности, плотность населения, соотношение возрастных групп и полов, смертность и т.д.

Популяции — генетически открытые системы, так как изоляция популяций не абсолютна и периодически бывает возможным обмен генетической информацией.

Для популяционного уровня организации жизни характерна активная или пассивная подвижность всех компонентов популяции. Это влечет постоянное перемещение особей — членов популяции. Необходимо отметить, что никакая популяция не бывает абсолютно однородной, она всегда состоит из внутрипопуляционных группировок. При этом высокая численность и устойчивость достигаются только в тех популяциях, которые имеют сложную иерархическую и пространственную структуру, т.е. являются неоднородными, гетерогенными, имеют сложные и длинные пищевые цепи. Поэтому выпадение хотя бы одного звена из этой структуры, ведет к разрушению популяции или потере ею устойчивости.

Биоценотический уровень. Популяции, представляющие первый надорганизменный уровень живого, являющиеся элементарными единицами эволюции, способными к самостоятельному существованию и трансформации, объединяются в совокупности следующего надорганизменного уровня — биоценозы.

Биоценоз — совокупность всех организмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни, например лес, луг, болото и т.д. Иными словами, биоценоз — это совокупность популяций, проживающих на определенной территории.

Биоценоз представляет собой закрытую систему для чужих популяций, для составляющих его популяций — это открытая система. Составляющие биоценоз популяции находятся в очень сложных отношениях. Мы можем встретить примеры антагонизма, конкуренции, кооперации, паразитизма. Например, хищники живут охотой на травоядных, которые, в свою очередь, питаются растениями. Примерами конкуренции могут служить отношения, складывающиеся между хищниками одного биоценоза, которые борются между собой за лучшие места обитания, за самку и т.д. Часто мы сталкиваемся с паразитизмом, при этом паразиты (глисты, насекомые, микроорганизмы) живут за счет своего хозяина (растения или животного). И, наконец, имеет место кооперация, или симбиоз, при которой организмы разных видов помогают друг другу в выживании. Таковы взаимовыгодные отношения между цветами и насекомыми-опылителями, при которых пчелы получают нектар, необходимый для производства меда, а растения размножаются.

Обычно биоценозы состоят из нескольких популяций и являются составным компонентом более сложной системы — биогеоценоза.

Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз — сложная динамическая система, представляющая собой совокупность биотических и абиотических элементов, связанных между собой обменом вещества, энергии и информации, в рамках которой может осуществляться круговорот веществ в природе.

Это означает, что биогеоценоз — устойчивая система, которая может существовать на протяжении длительного времени. Равновесие в живой системе динамично, т.е. представляет собой постоянное движение вокруг определенной точки устойчивости. Для стабильного функционирования живой системы необходимо наличие обратных связей между ее управляющей и управляемой подсистемами. Такой способ поддержания динамического равновесия называется гомеостазом. Нарушение динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, вызванное массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, приводящее к изменению качества окружающей среды, называют экологической катастрофой.

Биогеоценоз — это целостная саморегулирующаяся система, которой выделяют несколько типов подсистем:

1) первичные системы — продуценты, (производящие), непосредственно перерабатывающие неживую материю (водоросли, растения, микроорганизмы);

2) консументы первого порядка — вторичный уровень, на котором вещество и энергия получаются за счет использования продуцентов (травоядные животные);

З) консументы второго порядка (хищники и т.д.)

4) падальщики (сапрофиты и сапрофаги), питающиеся мертвыми животными;

5) редуценты — это группа бактерий и грибов, разлагающие остатки органической материи.

Саморегуляция биогеоценозов протекает тем успешнее, чем разнообразнее количество составляющих его элементов. От многообразия компонентов зависит устойчивость биогеоценозов. Выпадение одного или нескольких компонентов может привести к необратимому нарушению равновесия биогеоценоза и гибели его как целостной системы.

Таким образом, биогеоценозы — структурные элементы следующего надорганизменного уровня жизни. Они составляют биосферу и обусловливают все процессы, протекающие в ней.

Биосферный уровень — наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на нашей планете. Биотический обмен веществ — это фактор, который объединяет все другие уровни организации жизни в одну биосферу.

На биосферном уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле. Таким образом, биосфера является единой экологической системой. Изучение функционирования этой системы, ее строения и функций — важнейшая задача биологии.

Биосфера, согласно Вернадскому, — это живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов Земли) и преобразованная им среда обитания (косное вещество, абиотические элементы), в которую входят гидросфера, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры. Таким образом, это не биологическое, геологическое или географическое понятие, а фундаментальное понятие биогеохимии — новой науки, созданной Вернадским для изучения геохимических процессов, проходящих в биосфере при участии живых организмов.

Живое вещество и косное вещество постоянно взаимодействуют в биосфере Земли — в непрерывном круговороте химических элементов и энергии. На Земле идет непрерывное обновление биомассы (за 7—8 лет), при этом в круговорот вовлекаются абиотические элементы биосферы. Например, воды Мирового океана прошли через биогенный цикл, связанный с фотосинтезом, не менее 300 раз, свободный кислород атмосферы обновлялся не менее 1 млн. раз.

Также Вернадский отмечал, что биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к своему максимальному проявлению, а эволюция видов ведет к появлению новых видов, увеличивающих биогенную миграцию атомов.

Благодаря биогенной миграции атомов живое вещество выполняет свои геохимические функции.

Разумеется, жизнь в биосфере распространена неравномерно, существуют так называемые сгущения и разрежения жизни. Наиболее густо населены нижние слои атмосферы (50 м от земной поверхности), освещенные слои гидросферы и верхние слои литосферы (почва). Также следует отметить, что тропические области заселены намного плотнее, чем пустыни или ледяные поля Арктики и Антарктики. Глубже в земную кору, в океан, а также выше в атмосферу количество живого вещества уменьшается.

Таким образом, эта тончайшая пленка жизни покрывает абсолютно всю Землю, не оставляя ни одного места на нашей планете, где бы не было жизни.