По разнообразию своих уровней, от молекулярного до биосферного, с живой материей не может сравниться ни одна из других форм существования природы. Естественно, что мы не можем здесь подробно рассмотреть все эти уровни. Остановимся специально на одном из них, в известном смысле ключевом для понимания жизни на клеточном. Еще в классический период естествознания клетка была признана универсальной ячейкой всего живого. Сейчас так нельзя сказать безоговорочно, есть и доклеточные формы жизни (вирусы), и организмы с нетипичной (безъядерной) клеткой - прокариоты, например, бактерии и сине-зеленые водоросли. Но в целом всеобщая роль клетки с ее характерными структурами признается и сейчас. Именно клетка является той “ячейкой” организации, на уровне которой впервые в полной мере проявляются все свойства жизни как таковой: целостность, обмен со средой (открытость), целесообразное реагирование, сложность строения, способность к размножению.
Чтобы лучше понять современные представления о биологической клетке, полезно остановиться на некоторых сведениях из прошлого экспериментальных и описательных в биологии. Реальная эффективность экспериментального подхода в этой области проявилась почти одновременно с успехами эксперимента в физике (и раньше, чем в химии), а именно с 1628 г., когда У. Гарвей открыл кровообращение и определил его важные параметры (в частности, количество крови, выбрасываемое сердцем при каждом сокращении). В целом же для биологии XVII - первой половины XIXвв. характерно преобладание описательных исследований, развитию которых способствовало открытие огромного числа новых видов в эпоху великих географических открытий XVIIв. и затем в ходе экспедиций XVIII - XIXвв., проникших в труднодоступные районы внутренней Африки, Сибири, Америки и других регионов.
Благодаря изобретению микроскопа в середине XVIIв., перед учеными открылся мир микроорганизмов и клеточных, а затем и субклеточных структур. Клетка была описана английским натуралистом Р. Гуком (1635-1703) в 1665 г. в труде “Микрография”, но лишь в 1838-1839 гг. немецкий зоолог Т. Шванн оценил ее значение как основной ячейки строения организма, т.е. создал клеточную теорию - учение о том, что клетка представляет собой универсальную ячейку всех живых организмов. В основном эта теория сохраняет свое значение, хотя открыты и бесклеточные организмы - вирусы. Впрочем их не всегда признают за живые, поскольку они могут кристаллизироваться наподобие неживых объектов. Но им свойственны размножение делением и другие характерные свойства живого, о которых см. раздел 4.1.
Наибольшее распространение получила гипотеза происхождения жизни, разработанная А.И. Опариным. Согласно этой гипотезе, первым этапом предбиологического процесса было перемещение тяжелых элементов к центру Земли, легких - на ее поверхность. Это происходило 5-4 млрд. лет назад, когда Земля была очень горячей. Атмосфера состояла из водорода и его соединений (воды, точнее, водяного пара; метана, аммиака, цианистого водорода и т.д.). В ней под действием излучения Солнца возникли сравнительно несложные органические вещества: сахара, аминокислоты, уксусная, молочная, муравьиная кислота и др. Этот процесс удается воспроизвести в лаборатории.
Затем абиогенным путем, в отсутствии свободного кислорода (он появился в атмосфере позднее, под действием зеленых растений) были синтезированы более сложные соединения, включая аденозинтрифосфат (АТФ) - богатое энергией соединение, впоследствии играющее центральную роль в энергетическом балансе организмов. В процессе охлаждения земли водяной пар превращался в воду, образовался “первичный бульон” - водный раствор аммиака, двуокиси углерода, метана и упомянутых более сложных органических соединений. В результате их полимеризации возникли линейные полимеры: полипептиды и полинуклеотиды. Последние способны к самокопированию почти так называемого комплементарного связывания их нуклеотидов (мономеров): аденина с урацилом, гуанина и уитозином. Этот процесс сам по себе идет очень медленно, но мог быть ускорен тем, что среди образовавшихся к тому времени полипептидов некоторые были катализаторами, т.е. могли, не расходясь сами, ускорять матричный синтез и урацила на аденине, цитозина на изанине. При этом путем отбора, т.е. отмирания нежизнеспособных комбинаций, сохранялись лишь “удачные” комбинации катализаторов и нуклеиновых кислот, т.е. (сначала РНК, затем более сложный ДНК), т.е. образовался генетический код. Так появились первые организмы (гетеротрофы, поскольку свободного кислорода еще не было, и прокариоты или даже еще более примитивные).
Однако главная и далеко еще не решенная проблема, связанная с появлением жизни и первых организмов, заключается в выяснении процессов, приведших к формированию генетического кода. Оно относится к древнейшим временам, видимо, еще к стадии химической эволюции, поскольку даже для прокариотной клетки, например, бактериальной, характерно наличие двойной спирали ДНК, правда, несколько более примитивного типа, чем у эукариотов. Бактерии, как и все клеточные организмы, содержат оба типа нуклеиновых кислот, ДНК и РНК, вирусы - только одну из них. Однако неизвестно, является ли простота вирусов первичной или вторичной. Во всяком случае, современные вирусы не могли существовать раньше клеточных организмов, ибо живут, только паразитируя на них.
Половой процесс возник на стадии прокариот; он имеется, например, у бактерий, хотя и не обязателен (существует наряду с простым делением). Во всяком случае наследственность и изменчивость представлены уже на самих ранних этапах происхождения жизни, причем в самом общем плане на основе тех же генетических механизмов, что и сейчас. Поэтому можно считать, что генетика является столь же универсальной по применимости биологической дисциплиной, как биохимия или биофизика.
Клетки, действительно возникшие, скорее всего, симбиогенным путем, (продолжали захватывать более мелкие аэробные клетки, которые, будучи богаты АТФ, эволюционировали, с одной стороны в митохондрии - энергетические центры клеток; с другой, в фотосинтезирующие хлоропласты) около 3 млрд. лет назад образовали многообразные скопления - колонии. По видимому, это были уже не стадии эукариотной жизни. В результате “разделения труда" между клетками колонии возникли многоклеточные организмы. Этот процесс знаменовал переход от древнейшей, архейской эры в истории Земли к протерозойской - “эре первичной жизни" (название достаточно условное, так как появлению многоклеточных предшествовала эволюция доклеточных и одноклеточных организмов в течение по меньшей мере одного - двух млрд. лет). Вплоть до палеозойской эры, около 1 млрд. лет назад, на Земле господствовали сравнительно примитивные животные (губки, кишечнополостные) и водоросли. В течение палеозойской эры, закончившейся около 200 млн. лет назад, растения постепенно усложнялись, вплоть до голосеменных, а из животных бурно развивались беспозвоночные (моллюски, гигантские ракоскорпионы, иглокожие - кембрийский период); затем - в силурийском периоде - осуществляется выход на сушу беспозвоночных, несколько позднее, в каменноугольном периоде - позвоночных. Первоначально это были земноводные (стегоцефалы), затем от них произошли уже более свободные от водной стихии, даже в своем размножении, пресмыкающиеся.
В течение мезозойской эры, приблизительно 200-100 млн. лет назад, шло иссушение климата Земли в связи с бурными горообразовательными процессами. Рептилии заняли господствующее положение и завоевали все среды обитания, вплоть до воздушной (летающие ящеры). Поздний мезой (меловой период) - время появления и стремительного распространения по всей суше известковых растений. Это также время появления млекопитающих, победивших рептилий в борьбе за существование благодаря ряду крупных эволюционных преобразований, открывших пути к дальнейшей эволюции (такие преобразования часто называют ароморфозами, в отличие от менее значительных, чисто приспособительных изменений - идиоадаптаций): благодаря более совершенной заботе о потомстве (внутриутробное развитие, вскармливание детенышей молоком), четырех камерному сердцу и полному разделению венозной и артериальной частей кровеносной системы, образованию волосяного покрова, совершенствованию коры головного мозга, преобладанию условных рефлексов над безусловными, что обеспечило более гибкое приспособление к среде.
Общей базой всех этих эволюционных процессов был естественный отбор. За мезозойской эрой последовала кайнозойская, важнейшим событием в ходе которой была с точки зрения эволюции смена естественного отбора, как доминирующего механизма эволюции, более сложными, социальными механизмами. Речь идет о возникновении человека, т.е. об антропогенезе.
Происхождение человека также входит со времен Дарвина в круг проблем, изучаемых теорией эволюции. В настоящее время наиболее вероятной признается концепция, согласно которой предки человека - рамапитеки отделились от человекообразных обезьян в миоцене, т.е.12-15 миллионов лет назад. Фрагменты челюстей рамапитеков находят в Индии, Кении и даже в Европе (Венгрия). Потомками рамапитеков был прямоходящий и изготовлявший каменные орудия Homohabilis (“человек умелый”), а также близкие к нему виды, жившие 3,5-2 млн. лет назад. Их остатки найдены в 1960-1970-х гг. в Танзании и Кении. Ближе к нам питекантропы и синантропы, жившие несколько сотен тысяч лет назад. Они уже употребляли огонь. Еще ближе к нам, появившиеся около 200 тысяч лет назад и создавшие элементы цивилизации (жилища, религия) неандертальцы. Наконец, человек современного вида - кроманьонец - появился на Земле около 80 тысяч лет назад. Движущими факторами антропогенеза (так называют процесс историко-эволюционного формирования человека) явились естественный отбор и мутации, в сочетании с позднейшими факторами: речью, трудом, социальностью.