Проблемы адаптации живого и принцип отражения

1. Проблемы адаптации живого и принцип отражения

   Ч. Дарвин, анализируя сущность естественного отбора, определял его как выживание наиболее приспособленных к среде организмов. Обобщая взгляды Дарвина на взаимосвязь адаптации и организации живых существ, можно заключить:

1. Сущность процесса развития состоит в формировании приспособляемости организмов друг к другу и всех вместе — к среде обитания, в силу чего создаются единство и гармония живой природы в целом. В основе приспособляемости лежит процесс образования многоуровневого структурного соответствия организмов и окружающей среды.

2. Сходные условия среды порождают сходные типы строения (структуры и функций организмов). Чем разнообразнее среда, тем, как ее отражение, разнообразнее строение живого. Разнообразие строения представляет собой условия и показатель высокого уровня жизнестойкости системы. В сходных условиях среды создаются подобные структуры и функции, а в меняющихся условиях формируются однотипные по существу, но разнообразные по строению организмы.

3. Характер адаптации как сущности эволюции живых существ и систем связан с уровнем их развития. Прогрессивная стадия развития характеризуется появлением новых приспособлений во взаимодействии со средой.

4. Темпы развития среды и темпы, а также скорость адаптации к ней на прогрессивной стадии развития совпадают. Только в этом случае суммируются гармонии системы и среды", что способствует сохранению и развитию живого.

5. В ходе адаптации организация живых систем воспроизводит организацию среды. Эта зависимость столь тесна и адекватна, что по определенным звеньям биологической организации можно судить о том, какие компоненты среды, изменившись, нашли в них воплощение.

6. Процесс адаптации неоднороден, он дифференцируется в соответствии с организацией самого объекта, с особенностями строения среды и изменениями данного организма и данной среды.

  Взаимосвязь эволюции, адаптации и организации живого

   В методологическом отношении, рассматривая вопросы взаимосвязи эволюции, адаптации и организации живого, можно отметить следующее:

1. Единство живой природы базируется на взаимосвязи и взаимоотражении организации живых существ между собой и с определенной средой. Процесс отражения осуществляется с помощью механизма преобразования информации, поступающей от среды к организму.

2. «Причинность» структуры организма к пространственно-временному «континууму среды» — это комплекс адаптаций организма к окружающей среде. Это свойство биологической организации как необходимое условие существования живого не только закрепляется в процессе эволюции, но и усиливается дополнительной системой регуляции жизненных процессов.

3. Ритмический, поэтапный характер развития обусловлен тем, что оно совершенствуется на основе отражения ритмических особенностей окружающей среды. Степень приспособления к среде может определяться по уровню совпадения ритмов движения системы и окружающей среды. Аритмия — показатель снижения темпов развития или определенной деградации системы.

4. Существующее опережающее отражение действительности свидетельствует о том, что направленность эволюции состоит в совершенствовании форм отражения живыми существами воздействий среды.

5. Структурная гармония, являющаяся основой единства живого, непосредственно связана с аккумуляцией отражения в ходе ответных реакций организмов на воздействия среды.

6. Отражение как основа приспособления организмов к окружающей среде неразрывно связано с процессами преобразования информации, осуществляющими функцию управления по отношению к окружающей среде.

Исследование случайных и направленных процессов повышения приспособляемости

   Для современных проблем теории эволюции чрезвычайно важно исследование соотношения случайных процессов в эволюции с направленными процессами повышения приспособляемости. Бесспорна нарастающая приспособляемость организма, но в некоторых случаях эти изменения случайны. Долгие годы мы ничего не знали о причинах изменчивости, мутациях. Возникновение молекулярной биологии, расшифровка генетического кода позволили расширить представления о мутации.

   Все разнообразие типов, характеризующееся чисто объективно разной сложностью организации, хорошо приспособлено к условиям своего существования. Приспособление бактерии и птицы неравноценно в отношении свободы перемены своей среды, но это не означает, что бактерии распространяются менее широко, чем птицы, и наоборот. Для жизни, а следовательно, для адаптации наиболее важны физиологические процессы, а они эволюционируют очень мало, отличаются консерватизмом.

   В выборе направлений дальнейшей эволюции всегда присутствует случайность, но этот выбор контролируется отбором и приводит к повышению жизнеспособности. Если насекомое, живущее преимущественно на песчаном фоне и приобретающее светлую окраску, получает возможность переселиться в другую среду, более благоприятную в смысле питания и связанную в основном с более развитой растительностью, то оно будет быстрее замечено птицами и естественный отбор неминуемо приведет к изменению этой окраски на более благоприятную для выживания, если, конечно, вид вообще сохранится. Но какую именно окраску приобретает насекомое, зависит от случайности, так как имеется несколько возможных путей для адаптивных изменений окраски.

   Допустим, что, например, первый случай связан с распространением в небольшой пока популяции насекомых с зеленой окраской, цвет которой совпадает с фоном зеленой растительности. Если возникшая в этом случае мутация распространится и закрепится, то из вида постепенно исчезнут желтые особи, а зеленые в большом количестве сохранятся в каждом поколении.

   Но возможен и другой путь: если насекомое по своей форме сходно с теми, за которыми не охотятся птицы, например, с осой, то, возможно, что его сохранению будут способствовать мутации, вызывающие черные полосы на желтом фоне, что наблюдается у ос.

   Оба пути адаптивно приблизительно равноценны, и какой именно будет избран в эволюции, во многом зависит от случайности: какая мутация появится раньше. Но если уже приобретена зеленая окраска, то появление черной полосы будет только демаскировать насекомое из-за отличия от зеленых листьев. Вместе с тем если раньше появилась отпугивающая птиц окраска, то замена желтых полос на зеленые только приведет к потере адаптации.

   Если в разных частях популяции возникли обе формы и они способны комбинироваться и опять создавать неадаптированную черно-зеленую форму, то начнется борьба между этими двумя по отдельности полезными мутациями. Причем если адаптивное значение обеих мутаций примерно одинаково, то более многочисленные мутации вытесняют малочисленную. Такое вытеснение может произойти и тогда, когда имеется некоторое неравенство и может быть вытеснена даже более полезная мутация.

   В любом случае естественный отбор действует в сторону повышения приспособляемости по сравнению с исходной формой, но каким именно образом произойдет это повышение приспособляемости зависит от случайности.

   В системе общей направленности эволюция сохраняет адаптивный характер, т.е. повышение адаптации все равно произойдет, но конечный результат может быть даже хуже, чем был бы при ином направлении.

   Случайные процессы идут в русле постоянного повышения в каждый данный момент адаптации под влиянием естественного отбора, принимая лишь форму случайного выбора именно того, а не иного конкретного направления повышения адаптации.

   Может быть и так, что случайный выбор за счет более раннего возникновения одной из потенциально возможных мутаций приведет в тому, что мутация с лучшими адаптивными свойствами, но возникшая позднее, будет вытеснена менее благоприятной, так что здесь огромное значение имеет и фактор времени.

   Таким образом, все достигнутое за период эволюции не обязательно является наилучшим из возможного. В истории эволюции бывают тупики и вымирания.

2.Возможности управления процессами жизнедеятельности

Эволюционная химия вошла в науку и практику сравнительно недавно - в 50-60-х годах. Если биологи к тому времени широко использовали эволюционную теорию Дарвина, то химики не проявляли активного интереса к происхождению видов, составляющему сущность эволюционной теории.. Не без оснований считалось, что получение любого нового химического вещества всегда было делом рук и достоянием разума человека: молекулы нового химического соединения конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание строится из кирпичей или блоков. Живые же организмы подобным образом собрать нельзя. Но, несмотря на это, назревали эволюционные проблемы и для химических объектов, связанные с самопроизвольным (без участия человека) синтезом новых химических соединений - более сложных и высокоорганизованных продуктов по сравнению с исходными веществами. В этой связи эволюционную химию считают предтечей биологии - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

Истоки эволюционной химии уходят в далекое прошлое. Они связаны с давнишней мечтой химиков - освоить опыт лаборатории живого организма и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Первым ученым, осознавшим важность исключительно высокой упорядоченности, организованности и эффективности процессов в живых организмах, был один из основателей органической химии, шведский ученый Якоб Берцелиус (1779- 1848). Именно он впервые установил, что основой лаборатории живого организма является катализ, а точнее, биокатализ. Идеально совершенные превращения посредством катализа способна производить лаборатория живого организма - так считали немецкий ученый Ю. Либих (1803- 1873), французский естествоиспытатель М. Бертло (1827-1907) и многие другие химики XIX в.

Химический анализ живой природы остается актуальным и по сей день.

Предполагается, что используя принципы химии организмов, можно построить совершенно новую химию, основанную на необычном управлении химическими процессами. Будут созданы аналогичные катализаторы, далеко превосходящие промышленные аналоги последнего времени. Тогда станет возможным преобразование солнечной энергии с большим коэффициентом полезного действия в другие виды энергии: химическую, электрическую, тепловую. Возможно, сочетание биохимической энергетики с синтезом полимерных материалов приведет к созданию такой макромолекулы, которая подобно нашим мышцам будет способна превратить химическую энергию в механическую.

Такие задачи могут показаться фантазией. Можно привести примеры, когда в науке многие проблемы вначале казались тоже фантастическими. В свое время это были проблемы строения атома и его ядра. Прошло около полстолетия экспериментальных и теоретических исследований - и первоначальные идеи вылились в реальную возможность получения атомной энергии.

Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме. Такие по содержанию исследования проводят и химики-органики, и биохимики, и даже медики. При этом, решая одни и те же задачи, они ставят разные цели. Химиков-органиков интересуют перспективы создания более сложных веществ путем конструирования их молекул для реализации возможностей синтеза аналогов органических соединении, образующихся в живых организмах. Биологи преследуют цель изучения субстратной и функциональной основ жизнедеятельности организмов. Медики стремятся выяснить границы между нормой и патологией в организмах. Объединяет все эти исследования идея о ведущей роли ферментов или, в более широком смысле, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности. Эта идея, впервые предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером (1822- 1895), остается основополагающей и по сей день при изучении химии живой природы в рамках динамической биохимии, основной предмет которой - химические процессы, происходящие в живом организме. В то же время изучением молекулярного состава и структуры ткани живого и неживого организма занимается статическая биохимия.

Динамическая биохимия родилась на рубеже XVIII и XIX столетий, когда начали различать процессы дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции как некие превращения веществ. История исследования брожения включает не только определенные этапы познания действительности, но и трудности проникновения в тайны живого: веру в жизненную силу, надежды Берцелиуса на особые функции катализа в жизнедеятельности организмов, упрощенные представления "чистых химиков" - Либиха и Бертло о брожении как действии обычных химических сил, гениальные' предвидения Пастера о различиях между бесклеточным брожениям и ферментом живой деятельности дрожжевых клеток и, наконец, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации, а вслед за этим участия на различных стадиях брожения различных ферментов.

Исследование брожения составляет основной предмет ферментологии - стержневой отрасли знаний о процессах жизнедеятельности. На протяжении весьма длительной истории исследования процесс биокатализа рассматривался с двух разных точек зрения. Одной из них, условно названной химической, придерживались Ю. Либих и М. Бертло, а другой - биологической - Л. Пастер.

В химической концепции весь катализ сводился к обычному химическому катализу. Несмотря на упрощенный подход в рамках концепции были установлены важные положения: аналогия между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами; наличие в ферментах двух неравноценных компонентов - активных центров и носителей; заключение о важной роли ионов переходных металлов и активных центров многих ферментов; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими агентами.