3.2. Структура материи

Структурность – это внутренняя расчлененность матери­ального бытия. Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем, возникающих в результате взаимодействия тел и естественного саморазвития материи, внешняя характерна для ис­кусственных систем, созданных человеком: технических, производствен­ных, концептуальных, информационных и т.п. Истоки идеи струк­турности универсума относятся к античной философии (атомистика Демокрита, Эпикура, Лукреция Кара).

К наиболее значимым свойствам структур­ных уровней принадлежат их глубокая взаимо­связанность, неразрывное единство, в полной мере отра­жающие целостный характер всего окружающего физического мира. Они представляют собой ряд разграниченных моделей, удоб­ных для рассмотрения и классификации природных объек­тов и явлений, но существующих в виде отдельных катего­рий только в сознании человека.

На самом деле весь окру­жающий природный мир в самой своей основе является единым и взаимосвязанным. Например, механизмы протека­ния каких-либо процессов на микроуровне в полной мере могут определять возникновение и особенности соответст­вующих макроэффектов, а также поведение и эволюцию космологических объектов в мегамире.

Понятие структуры материи охватывает макроскопические, микроскопические тела, все космические системы. С этой точки зрения понятие «структура» проявляется в том, что она существу­ет в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно взаи­мосвязанных между собой, в упорядоченности строения каждой системы. Такая структура бесконечна в количественном и качест­венном отношении. Проявлениями структурной бесконечности материи выступают:

1) неисчерпаемость объектов и процессов микромира;

2) бесконечность пространства и времени;

3) бесконечность изменений и развития процессов. Эмпирически доступна для человека лишь конечная область ма­териального мира: в масштабах от 10 ^-15 до 10²⁸ см, а во времени – до 210⁹лет.

3.2.1. Структурные уровни организации материи

Существующие представления об окружающем физиче­ском мире дают все основания выделить, по крайней мере, три основных структурных уровня.

К числу таких структурных уровней традиционно от­носятся:

• мегауровень, характерный для масштаба объектов и темпа явлений космологического характера, принадлежа­щих миру планет, лун, звезд, галактик до 10²⁸ см;

• макроуровень, относящийся к масштабу объектов и темпу явлений, привычных для человека в его обыденной жизни, т.е. макроскопические тела 10^-6 – 10⁷ см;

• микроуровень, присущий масштабу объектов и темпу явлений молекулярного, атомного и субатомного характера, область порядка 10^-15 см (табл. 3).

Таблица 3

Структурные уровни материи

Неживая природа	Живая природа
Неорганическая природа	Биологический уровень	Общество
Субмикроэлементарный	Молекулярно-генетический	Индивид
Микроэлементарный	Онтогенетический	Семья
Ядерный		Коллективы
Атомный		Большие социальные группы (классы, нации)
Молекулярный	Популяционно-видовой	Государство (гражданское общество)
Макроуровень		Системы государств
Мегауровень (планеты, системы, галактики)		Человечество в целом
Метауровень (метагалактики)	Биогеоценотический	Ноосфера

Разные уровни материи характеризуются разными типами связей:

1) в масштабах 10^-13 см – сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами;

2) целостность атомов, молекул, макротел обеспечивают элект­ромагнитные силы;

3) в космических масштабах – гравитационные силы.

С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодействия. Чем меньше размеры материальных систем, тем бо­лее прочно связаны между собой их элементы. Если принять энергию гравитаци­онного взаимодействия за единицу, то электромагнит­ное взаимодействие в атоме будет в 10³⁹ больше, а взаи­модействие между нуклонами – составляющими ядро частицами – в 10⁴¹ раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.

Живое вещество как тип материальной системы тоже имеет несколько уровней своей организации.

1. Молекулярно-генетический уровень включает в себя нуклеино­вые кислоты ДНК, РНК, белки, аминокислоты и др. мономеры и полимеры.

На уровне макромолекул степень сложности систем, по сравнению с обычными молекулами, растет. Однако этот уровень еще не достаточен для возникновения полноценной жизни.

Макромолекулами принято называть очень крупные, обычно полимерные (многозвенные) молекулы. В живых организмах различают четыре типа макромолекул: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты (рис. 24). Они образуют химическую основу клеток, хотя некоторые углеводы и белки входят также в состав межклеточного вещества, обычно вместе с солями (основное вещество хряща, кости).

Рис. 24. Структура основных макромолекул

(по Грин Н. и др., 1990)

2. Онтогенетический – это индивидуальное развитие организма, начиная от одной клетки (зиготы, образующейся при слиянии яйцеклетки и сперматозоида) до взрослого многоклеточного существа со множеством специализированных тканей и органов.

Необходимость объединения этих подуровней в один онтогенетический уровень вызвана двумя причинами. Во-первых, зигота – по сути обычная клетка – уже представляет организм, хотя и на одноклеточной стадии развития. Во-вторых, в природе существуют не только многоклеточные, но и одноклеточные организмы как животного, так и растительного свойства – амеба, инфузория, эвглена, хлорелла и др. Бактерии – особо мелкие и безъядерные (прокариотные) клетки – тоже самостоятельные организмы, хотя живут обычно колониями. Так что понятия «клетка» и «организм» в определенных случаях совпадают.

Из сказанного следует очень важный вывод: клетка является наименьшей, то есть элементарной живой системой, так как ей присущи все свойства живого организма, свойства жизни как явления. Клетка, как и многоклеточный организм способна питаться, поглощать энергию, синтезировать вещества, двигаться, реагировать на раздражители, размножаться, приспосабливаться и д.т. Этому способствует достаточно высокая степень структурной дискретности – внутреннее расчленение клетки на органоиды, изолированные отсеки – особенно выраженная у высших, эукариотных клеток (рис. 25).

Рис. 25. Схема организации прокариот (а) и эукариот (б)

Прокариоты (доядерные) – это мелкие (около 1 мкм) клетки, не имеющие ядра и других органоидов, типичных для эукариот. Наследственное вещество – ДНК – лежит свободно в цитоплазме, а прочие функциональные блоки тоже представлены небольшими макромолекулярными комплексами без оболочек. К прокариотам относятся все бактерии и так называемые сине-зеленые водоросли. Эукариоты (с настоящим ядром) – крупные (10–50 и более мкм) клетки, в которых ДНК в форме хромосом заключена в ядре и большинство рабочих структур, ферментов организовано в изолированных органоидах. Изолирующую роль для ядра и органоидов выполняют такие же липидно-белковые мембраны, как и мембрана клеточной поверхности.

Эукариотную организацию имеют одноклеточные простейшие (амебы, инфузории и другие) и клетки многоклеточных организмов: грибов, растений, животных, включая человека. Суть проблемы не в размерных и даже не в структурных различиях двух типов клеток, а в том, что некоторые органоиды эукариотных клеток, такие как митохондрии и хлоропласты, похожи на прокариот – бактерий и сине-зеленых водорослей. Они имеют собственную ДНК, аппарат синтеза белка (рибосомы), систему энергообеспечения и, таким образом, мало зависят от других структур клетки, в частности от ядерной ДНК.

Н

Рис. 26. Гипотеза эндосимбионтного происхождения митохондрий эукариотических клеток

(по де Дюв К., 1987)

а этом основании разработана симбиотическая гипотеза о происхождении эукариотной клетки на основе симбиоза (взаимовыгодного объединения) некогда самостоятельных прокариотных клеток (рис. 26). В таком случае про- и эукариотные клетки не только по уровню сложности, но и по происхождению должны представлять разные – низший и высший – подуровни клеточного уровня организации. Этот пример показывает, что приведенная и общепринятая система уровней организации жизни не отражает всей сложности отношений между уровнями и подуровнями. Да и число подуровней можно увеличить, поскольку иерархическая сложность систем на самом деле значительно богаче.

Ткани и органы представляют основные промежуточные подуровни между клеткой и организмом. Естественно, что эти подуровни можно выделить только у многоклеточных животных, растений, грибов.

Например, у человека различают: эпителиальную, мышечную, нервную и соединительную (хрящевая, костная, кровь и лимфа) ткани. Ткани состоят из клеток и межклеточного связующего вещества. Органы состоят из разных тканей. Так, сердце кроме основной мышечной ткани включает рыхлую соединительную, кровь, нервные элементы и эпителиальные оболочки. Головной мозг наряду с нервными клетками содержит питающие их кровеносные сосуды, желудочки, выстланные специальным эпителием. Многие органы объединены в системы органов (пищеварительную, кровеносную и др.).

Наконец, многоклеточный организм, как и отдельная клетка, представляет законченный и устойчивый уровень биологической организации. Организм, или особь, способен к самостоятельному существованию, размножению и развитию.

3. Популяционно-видовой уровень

Вид – важнейшая биологическая категория, которая определяется как совокупность особей (организмов), обладающих наследственным сходством по морфологическим, физиологическим, генетическим, эколого-географическим признакам, способных свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Со времен Карла Линнея (выдающийся шведский натуралист XVIII века) биологические виды обозначаются двойным наименованием на латинском языке – первое слово обозначает род, второе – вид. Например, фасоль обыкновенная, воробей домовый, Homo sapiens – человек разумный.

Главное в определении вида (его главный критерий) – способность особей скрещиваться и, более того, оставлять плодовитое потомство. В диких условиях особи разных видов не скрещиваются. Искусственно можно скрестить лошадь и осла, но их потомство – мул – бесплодно. Так что, лошадь и осел – разные виды.

Каждый вид занимает на Земле определенный ареал – территорию или акваторию (эколого-географический критерий вида). Иногда это – небольшой, изолированный участок, например, Уссурийская тайга для амурского тигра. Такие виды называют эндемичными, или эндемиками. В других случаях вид распространен по всему земному шару – виды-космополиты. Чаще ареал вида бывает разорван, вид существует отдельными группировками – популяциями.

Популяция – некоторая изолированная совокупность особей одного вида, длительное время населяющая определенный ареал и способная к свободному скрещиванию. Кроме ареала популяция имеет и определенную экологическую нишу. Если ареал – это адрес популяции, то экологическая ниша – ее образ жизни: состав пищи, враги, водный режим, ярус леса и т.п. Но главное качество популяции как единицы воспроизведения и эволюции биологических видов – доступность ее особей к свободному скрещиванию, то есть свободная комбинаторика родительских генов. Постепенное расхождение генетической структуры популяций рождает новые виды. Поэтому иногда трудно провести грань между популяцией и видом, поэтому эти категории и рассматриваются в рамках одного уровня организации.

4. Биогеоценотический уровень

На этом уровне рассматриваются экологические системы: сообщество, биогеоценоз, биосфера.

Сообщество – совокупность популяций разных видов на определенной территории. Специалисты разных направлений (ботаники, зоологи, микробиологи) выделяют в сообществах объекты определенной категории. Растительное сообщество – фитоценоз, сообщество животных – зооценоз, микроорганизмов – микробоценоз. Тогда совокупность всех совместно обитающих сообществ разных видов, представленных на ареале отдельными популяциями, образует высшее сообщество – биоценоз. Популяции разных видов в сообществе или биоценозе тесно взаимодействуют на основе разделения пищи и ярусов, взаимного использования продуктов обмена, отношений хищник-жертва, паразит-хозяин и т. д.

Любое живое сообщество, весь биоценоз способны существовать в определенных условиях внешней среды. Для наземных сообществ это – почва определенного типа, температура, влажность, освещенность; для водных – минеральный состав, соленость и аэрация воды, те же температура и освещенность, глубина, течения и др. Совокупность этих неживых (абиотических) факторов среды обитания сообществ обозначается как биотоп (дословно – место жизни).

В

Рис. 27. Распространение жизни в биосфере

(по Коробкину В.И., 2006)

ажнейшее обобщение современной экологии состоит в том, что неживая среда и населяющий ее биоценоз обмениваются веществом и энергией, находятся в тесном взаимодействии, поэтому биотоп и биоценоз складываются в единую систему – биогеоценоз. Биогеоценозы – это естественные (природные) экосистемы. Экосистемы могут быть лесными, степными, болотными, озерными, речными, морскими и др. Человек создает и искусственные экосистемы. Например, агроценозы (сельскохозяйственные плантации, птицефабрики, животноводческие фермы), аквариумы и рыборазводные пруды, очистные сооружения, со специально подобранными сообществами микробов, водорослей, моллюсков-фильтраторов.

Высшим экосистемным объединением на Земле является биосфера – земная оболочка, населенная живыми существами (рис. 27).

О

Вернадский В.И.

(1863–1945)

сновоположником учения о биосфере Земли является выдающийся российский натуралист и философ Владимир Иванович Вернадский. Основная мысль этого учения и созданной Вернадским науки биогеохимии состоит в единстве живой и неживой природы нашей планеты. Организмы и компоненты среды связаны обменом (круговоротом) веществ и энергии. Вершиной творческого наследия Вернадского является его представление о ноосфере (лат. noos – разум) – биосфере, обогащенной разумом человека. Разумная деятельность людей активно преобразует состав биосферы и становится все более важным фактором ее необратимой эволюции. Только к концу ХХ века человечество начало понимать эту простую истину и задумалось над тем, как сохранить существующее равновесие.

Существуют ли живые системы более высоких уровней организации, чем биосфера Земли? Другими словами – существует ли жизнь вне Земли, в каких-нибудь дальних или ближних космических системах? Наука пока не знает ответа на эти вопросы. Ученые предполагают, что, по крайней мере, на Марсе – ближайшей к нам планете – есть условия если не для жизни, то для переживания простых организмов типа бактерий в состоянии спор. При похожих условиях в ледяных толщах Антарктиды обнаружены микроорганизмы. Но Антарктида когда-то была ближе к экватору Земли, в составе единого материка Гондваны, и жизнь сохранилась здесь от давних времен. Существует ли жизнь на Марсе – должны показать ближайшие исследования этой планеты, в частности, планируемая на начало нового века экспедиция американских астронавтов.

Общая основа жизни на биологическом уровне – органиче­ский метаболизм (обмен веществом, энергией, информацией с окружающей средой), которая проявляется на любом из выде­ленных подуровней:

• на уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и дис­симиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;

• на уровне биоценоза он состоит из цепи превращений веще­ства, первоначально ассимилированного организмами-продуцентами (в ходе процесса фотосинтеза) при посредстве организмов-потребителей и орга­низмов-разрушителей, относящихся к разным видам;

• на уровне биосферы происходит глобальный круговорот ве­щества и энергии при непосредственном участии факторов кос­мического масштаба.

В рамках биосферы начинает развиваться особый тип материаль­ной системы, который образован благодаря способности вида Homo sapiens к труду, формированию культуры – человеческое общество.

5. Социаль­ный уровень включает в себя подуровни: индивид, семья, группа, коллектив, социальная группа, классы, нации, государство, системы государств, общество в целом. Общество существует лишь благодаря деятельности людей. Структурный уровень социальной действительности находится в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень нации и уровень государства). Переплете­ние разных уровней структуры общества не означает отсутствия упо­рядоченности и структурированности общества. В обществе можно выделить фундаментальные структуры – главные сферы обществен­ной жизни: материально-произ­водст­венную, социальную, политичес­кую, духовную и т.д., имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы, структурированы и обус­ловливают генетическое единство развития общества в целом.

Таким образом, любая из областей объективной действительности образует­ся из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действи­тельности. Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем, т.е. эволюция материальных систем происходит в направлении от простого к сложному, от низшего в высшему.

Внутри каждого из структурных уровней существуют отноше­ния субординации (молекулярный уровень включает атомный, а не наоборот). Всякая высшая форма возникает на основе низшей, вклю­чает ее в себя в снятом виде. Это означает по существу, что специ­фика высших форм может быть познана только на основе анализа структур низших форм. И наоборот, сущность формы высшего по­рядка может быть познана только на основе содержания высшей по отношению к ней формы материи.

Закономерности новых уровней не сводимы к закономерностям уровней, на базе которых они воз­никли, и являются ведущими для данного уровня организации мате­рии. Кроме того, неправомерен перенос свойств высших уровней мате­рии на низшие. Каждый уровень материи обладает своей качественной спецификой. В высшем уровне материи низшие его формы предст­авлены не в «чистом», а в синтезированном («снятом») виде. Напри­мер, нельзя перенести законы животного мира на общество, даже если на первый взгляд, кажется, что в нем господствует «закон джун­глей».

Структурные уровни материи взаимодействуют между собой как часть и целое. Взаимодействие части и целого состоит в том, что одно предполагает другое, они едины и друг без друга существовать не мо­гут. Не бывает целого без части и нет частей вне целого. Часть приоб­ретает свой смысл только благодаря целому так же, как и целое есть взаимодействие частей. Во взаимодействии части и целого определяю­щая роль принадлежит целому. Однако это не означает, что части ли­шены своей специфики. Определяющая роль целого предполагает не пассивную, а активную роль частей, направленную на обеспечение нормальной жизни универсума как целого. Подчиняясь в общем системе целого, части сохраняют свою относительную самост­оятельность и автономность. С одной стороны, они выступают как компоненты целого, а с другой – они сами являются своеобразны­ми целостными структурами, системами. Например, факторами, обеспечивающими целостность систем в неживой природе, явля­ются ядерные, электромагнитные и другие силы, в обществе – производственные отношения, политические, национальные и т.д.

Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материй.

Таким образом, все объекты Природы являются системами. Живые системы имеют разную степень сложности – от молекул до биосферы – и представляют в совокупности многоступенчатую иерархию уровней организации. Каждый уровень организации жизни имеет свои специфические свойства, закономерности структуры, функции, развития, приобретает новые качественные характеристики. Принципиальный качественный скачок наблюдается при переходе от макромолекулярных комплексов к клеткам – появляется качество жизни как свойство определенного уровня сложности материи. Наиболее устойчивыми живыми системами являются клетка, организм, биогеоценоз.