В данной статье я буду ссылаться или опираться на широко известные и просто известные биологам факты, опубликованные в учебниках, монографиях и статьях.
Прежде чем приступить к вопросу эволюции живой материи, необходимо кратко рассмотреть вопрос эволюции Материи в целом. Что же фундаментального мы знаем сегодня о Материи? Ниже приведу выделенные и сформулированные мною в тезисной форме (для упрощения понимания) известные на сегодня формы Материи. На сегодня мы можем выделить 5 основных уровней (и/или форм) развития материи:
1. Первоматерия (эфир или нечто иное) – то, из частиц которой после Большого взрыва возник наш мир. Наиболее емкое определение ее сущности дал, по-моему, Фома Аквинский: «Первоматерия бескачественна и бесформенна, ибо в ней существуют все формы сразу и потому – ни одной. В этом смысле единственное ее положительное свойство – это не быть…».
2. Энергия. «Возникла» в результате или есть результат Большого взрыва. Имеет несколько видов. Является средой или энергетическим полем, в котором существует вещественная Материя (от элементарных частиц до макрообъектов Вселенной). Именно энергия составляет подавляющую массу Вселенной. Все следующие формы материи – это результат процессов «конденсации» или «кристаллизации» энергии. Энергия является носителем и хранителем информации (оперативной?).
3. Элементарные частицы. На сегодня их порядка 10. Можно условно сказать, что это «зародыши» кристаллизации энергии. Они мало еще отличимы от энергии. И их массы обозначаются энергетическими размерностями (электрон-вольт). Это - «первокирпичики» 1-го уровня, которые образуют все атомы и молекулы.. Каждая элементарная частица играет свою роль и выполняет свою функцию. Особая роль у нейтрино – всепроникающей частицы, которая, очевидно, обеспечивает информационную связь между элементами Материи.
4. Атомы и молекулы. Основа вещественной организации Материи. По сути, из 100 видов атомов состоят все известные и пока неизвестные нам вещества «неживой» и «живой» Природы. Это «первокирпичики» 2-го уровня.
5. Простейшие микроорганизмы. Это «первокирпичики» 3-го уровня, из которых развилось многообразие живой Природы. Они основа живой Природы Земли. Они неотъемлемая и необходимая часть любого звена живой Природы. Все, более высшие, живые организмы зависят от микроорганизмов. Они преобразователи неживой и живой Природы Земли, своеобразные «посредники» между живой и неживой Природой. Они разрушают горные породы и образуют осадочные. Они обеспечивают все живое питанием и полезными элементами. Они разрушают все живое после отмирания до «первокирпичиков» 2-го уровня – атомов и молекул.
6. Стволовые клетки. Очень может быть, что, согласно моей классификации, они являются первокирпичиками 4-го уровня. В то же время, они по свойствам чем-то ближе к элементарным частицам или даже к Первоматерии (которая содержит информацию обо всем), так как из стволовых клеток могут развиться клетки любого вида. Более того, у меня есть подозрения, что стволовые клетки могут образовывать и микроорганизмы, присущие живым организмам (человека, животных и растений) буквально от рождения.
Эти уровни развития материи – своеобразные островки суперустойчивости, рубежи, к которым отступает Материя при необходимости: возникновении условий невозможных для продолжения ее развития в данном пространстве-времени.
Микроорганизмы первыми возникли на Земле и сегодня они составляют более половины массы живой Материи на Земле. О численном превосходстве я и не говорю, так как на каждую клетку высших организмов приходится минимум 10 микроорганизмов (Токарева,2006). Микроорганизмы обитают в окружающей среде и внутри других организмов. И от деятельности микроорганизмов вне и внутри организмов буквально зависит жизнь на Земле. Нет сомнения, что в результате эволюции микроорганизмов возникли все более высшие формы живой материи, так как установлен факт связи функций различных органов животных и человека (например, зрение и др.) с архи - и протобактериями. С другой стороны, микроорганизмы в силу своей многочисленности и функций, по сути, одновременно являются средой или пространством, в котором развиваются другие формы живой материи. Если оперировать терминами коллоидной химии, то высшие организмы фактически являются фазой в микробиологической среде. Но эта фаза является производной от среды. Это является следствием структурных изменений среды, которые возникают с количественным ростом и термодинамической необходимостью приведения энергии всей системы к минимуму. Таким образом, процесс образования колоний микроорганизмов, а затем и многоклеточных организмов – это процесс, подчиненный Принципу или Закону минимизации энергии (в первую очередь, поверхностной энергии). Все структурные изменения в Материи происходят в направлении минимизации энергии образующейся структуры или системы, что обеспечивает устойчивость структуры. Микроорганизмы, являются не только материальной средой, но и энергетической средой. Микроорганизмы получают энергию либо прямо от Солнца либо при переработке форм неживой материи. Известно, что микроорганизмы отличаются своей живучестью и приспособляемостью к изменениям окружающей среды. Чаще всего объясняют это их многочисленностью. Это правильно. Но забывают, что размеры и скорость обмена веществ зависят от размеров. Поэтому у микроорганизмов и очень высокая скорость реакции на изменения окружающей среды. Причем, скорее всего, они фиксируют самые начальные процессы.
Таким образом, живая Материя в какой-то степени копирует Материю, образуя в себе аналогичные по функциям формы. И это вполне объяснимо, так как живая Материя есть результат эволюции Материи. Поэтому понимание назначения и функций живой Материи (и самой жизни, а это, по сути, главная проблема биологов) неразрывно связано с пониманием эволюции, законов и принципов Материи (мироздания). Сегодня понять Материю пытаются преимущественно через микромир. Физики и биологи считают, что только предельная детализация на микроуровне может все объяснить. Однако все оказалось не так, как ожидалось. И физики, и биологи, углубляясь с помощью современнейших приборов в глубь микромира, так и не приблизились к пониманию мироздания и жизни. Об этом хорошо сказано в статье «Биологический редукционизм уходит? Что дальше?» директора Института молекулярной генетики РАН Свердлова Е.Д. (2006): «Ни у кого не вызывает сомнения, что знание структуры геномов даст мощный импульс биологическим исследованиям. Но есть и еще один результат. Становится все более очевидным, что это знание не решит важнейших, фундаментальных проблем биологии, и в первую очередь, не ответит на волнующий многие поколения исследователей вопрос, который далее я буду называть вопросом № 1 биологии: «Что есть жизнь?».
Главное отличие живой материи заключается во взаимозависимости всех ее форм. Эта взаимозависимость проявляется в самонедостаточности каждой формы жизни в системе живой Материи. Например, взаимоотношения насекомых и растений не ограничиваются тем, что насекомые используют растения в качестве корма (поставщика энергии). Известно (на примере колорадского жука), что насекомые выбирают себе «жертву» среди растений по причине получения, например, гормонов, необходимых им для своей эволюции. В последнее время также установлено, что симбиозы растений с микроорганизмами «основаны на глубокой функциональной интеграции генов партнеров, которая связана с их сигнальным взаимодействием, приводящим к возникновению новых клеточных и тканевых структур, а также к объединению метаболических систем растений и микроорганизмов. Сделан вывод, что в результате формирования надорганизменных генных комплексов партнеры развивают новые симбиотические фенотипы, благодаря чему происходит существенное расширение их адаптивного потенциала; со стороны растений оно выражается в повышении экологической самодостаточности, связанной со снижением зависимости от наличия источника питания, а также патогенов и животных-фитофагов» (Тихонович, Проворов, 2007). Эти факты подтверждают, что только в целом система живой Материи является в высокой степени самодостаточной.
Вернемся к микроорганизмам – основе живой материи. В связи с вышеприведенными фактами роли и функций микроорганизмов в живой Материи, а также с фактами, зафиксированными биологами-растениеводами, и фактом обнаружения так называемых нанобактерий (Дуда, Сузина,Акимов и др., 2007), неизбежно возникает вопрос о пересмотре некоторых принятых положений. Например, вопрос белковых соединений в растениях. Известно, что именно почвенные микроорганизмы продуцируют стимуляторы роста растений (Цавкелова, 2006). Известно также, что, например, с ростом урожайности зерновых, в них снижается содержание белка, чем сегодня и объясняется общий дефицит белка в продуктах и кормах. На гектаре хорошего чернозема находится 8-10 т микроорганизмов, продуктами, жизнедеятельности которых являются биоактивные вещества и аминокислоты. Масса аминокислот, выделяемая микроорганизмами чернозема, есть величина производная от их количества и в близких условиях – постоянная. Таким образом, понятно, почему содержание белка падает на единицу массы зерна с ростом урожайности. Это достаточно легко проверить, если провести соответствующий эксперимент или обсчитать уже имеющиеся достоверные данные. Известно, что микроорганизмы присутствуют не только в почве, не только на поверхности растений, но и внутри растений. Более того, исследования последних лет показывают, что болезнетворные микроорганизмы человека и животных, попадая с фекалиями в почву, затем проникают в растения и могут быть причиной распространения заболеваний. Как доказать, что ферменты и аминокислоты в растении исключительно растительного происхождения? Если взаимосвязь живого гораздо глубже, чем мы думаем, то это компоненты, скорее всего, микробиологического происхождения. Обнаружение так называемых нанобактерий, серьезное изучение которых только началось, также может быть включено в число аргументов по данной гипотезе.
Известно, что микроорганизмы часто ведут между собой фактически химическую войну. В процессе этой войны происходит совершенствование систем нападения и обороны в результате обмена и использования фрагментов оружия «противника». Известно, что такая химическая война идет и при нападении паразитных микроорганизмов и насекомых на растения. При этом следует отметить достаточно быструю реакцию растений на атаку, хотя, кажется, рецепторов, отвечающих за это, до сих пор не обнаружено. Поэтому, вполне может быть оправдана гипотеза, что здесь помощь растению оказывают внутрирастительные симбиотические микроорганизмы. Возможно, что фитонциды, фитоалексины и прочие защитные вещества, выделяемые растениями, также микробиологического происхождения. Однозначно можно сказать, что лигнин (полифенолы), выделяемые самим растением ядовиты не только для нападающих паразитов, но и для своих микроорганизмов. Поэтому свои микроорганизмы должны реагировать большим выделением защитных (для себя) веществ. Этим же может быть объяснено большее количество биоактивных веществ, которые накапливаются в растениях при погодных стрессах.
Известно, что повреждение растений ранними заморозками связывают с не патогенными бактериями на поверхности растений. И вообще мы очень мало знаем о взаимодействии непатогенных микроорганизмов с растениями, да, наверное, и с животными и человеком. Это, не считая симбиотических микроорганизмов. Функции микроорганизмов, которые не проявляют явных патогенных или симбиотических свойств, просто неизвестны. Их, видимо, просто, не изучают.
Биопленки. Интерес к ним в последнее время возрос (Романова, 2006; Николаев, 2007). Биопленки - это подтверждение процесса эволюции живой материи. Это, вероятно, переходная форма (прообраз) к многоклеточным, а также подтверждение того, что микроорганизмы являются средой и фазой. Важным эволюционным моментом является факт обмена генетической информацией в биопленках. Это один из путей к созданию универсальных структур с повышенной устойчивостью к изменениям окружающей среды. Это проявляется, в частности, в снижении чувствительности к антибиотикам и токсичным агентам. Биопленки подтверждают корпускулярно-волновое строение живой материи. Признание наличия биопленки в почвах ведет к пересмотру внутрипочвенных процессов. Благодаря биопленкам в почве осуществляются вертикальные обменные процессы, что открывает новые возможности для сельскохозяйственных технологий. Если обменные процессы зависят не только от движения влаги (поглощения и испарения), то появляются новые возможности для управления и влияния. Однако наличие биопленок создает новые трудности в интерпретации данных научных исследований. По биопленкам современные химические вещества и их производные могут попадать в глубокие слои почвы или донных отложений, что может привести к неверным выводам (например, интерпретации факта обнаружения там хлорорганических соединений).
Теперь рассмотрим некоторые проблемы эволюции жизни на Земле (видообразования) с учетом всего вышеприведенного. Никто не станет отрицать, что состоявшееся (реализованное) видообразование связано с изменением условий среды обитания. Но среда живой Материи – это микроорганизмы. Изменения начинаются с них, учитывая вышеуказанную взаимосвязь. Микроорганизмы первыми реагируют (и очень быстро) уже на начальные изменения в неживой Материи. Эти свойства сохраняются на следующих формах эволюции. В качестве доказательства приведу одну цитату: «Если у раковинной амебы Arcella polypoda отрезать псевдоподию, то при восстановлении контакта с клеткой она быстро прирастает. Если же приложить отрезанную псевдоподию к другой особи того же вида, срастание иногда происходит, а иногда нет. Если культивировать потомков одной особи в разных условиях в течение недели, отрезанные части их клеток теряют способность срастаться между собой. Это напоминает описанные выше (в первом сообщении) опыты с насекомыми, когда культивирование в разных условиях приводило к развитию репродуктивной несовместимости» (Марков, 2006). Таким образом, даже небольшие изменения условий в течение короткого времени приводит к появлению новых свойств у одинаковых элементов материи, что способствует появлению многообразия и обеспечению устойчивости (выживаемости вида) в самых разнообразных условиях. А новые свойства создают не только возможность выживать в новых условиях, но и, ГЛАВНОЕ, размножаться. Для сохранения новых индивидуальных свойств в новых условиях накладывается «запрет» на перекрестное оплодотворение, чтобы, опять-таки, не допустить размывания новых свойств и потери устойчивости к новых конкретным условиям. В конце-концов появляется разнообразие элементов одного вида, которое обеспечит в итоге выживаемость вида в практически любых для данного пространства-времени условиях.
Эволюция Материи – это и эволюция энергии. Любой элемент Материи (в том числе и живой Материи) имеет вполне индивидуальные энергетические характеристики. Индивидуальные характеристики энергии молекул можно считать качественными характеристика. По мере совершенствования оборудования ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) в спектрах обнаруживаются все новые и новые линии. Пики, которые ранее обнаруживались, на новом оборудовании расщепляются. И этот процесс связан именно с качественными особенностями структуры, а, следовательно, и с качествами энергии данной структуры. Некоторыми исследователями утверждается, что эволюция Материи – это преобразование первичной энергии в энергии нового качества. Считается, что чем сложнее структура, тем выше качество преобразованной энергии. Зачем это Материи? Одно из объяснений известно: чем больше разнообразие материальных и энергетических форм в системе, тем выше ее устойчивость, выше способность к адаптации в изменяющихся условиях. Тем совершеннее система. Зачем? Только ради самосохранения? Вопрос пока без ответа. Живая Материя, эволюционируя, изменяет постоянно окружающую среду. Когда эволюция и изменения входят в неразрешимое противоречие, случается катастрофа – вымирание форм живой Материи, что было неоднократно в истории Земли. Но вымирание – деэволюционный процесс, отступление – идет до определенной базовой (наиболее устойчивой) формы живой Материи, после чего начинается новое развитие в новых условиях. И, в принципе, этот процесс бесконечен (пока существует Материя).
Таким образом, эволюция живой Материи происходит по Законам и подобию самой Материи. Основу живой материи на Земле составляют микроорганизмы, роль которых гораздо больше, чем принято считать. Они образуют материальную и энергетическую среду живой Материи. Живая Материя также содержит базисные, устойчивые формы, которые обеспечивают высокую выживаемость форм живой Материи. Появление стволовых клеток стало новым этапом эволюции, который направлен на повышение устойчивости живой материи. Известно минимум пять периодов в развитии Земли, когда вымирало более 50% видов живого. Тем не менее, жизнь возрождалась в новых формах. В ходе эволюции живой Материи появились стволовые клетки, которые также являются некоей базисной формой и которые обладают универсальными свойствами – формирования клеток любого вида.
Никто не станет отрицать мудрости Природы (Материи). Немногочисленность, простота и универсальность ее законов и принципов, ее «первокирпичиков», с помощью которых она создала бесчисленные свои виды и формы, не может не вызывать восхищения и уважения у тех, кто пытается ее изучать, и у тех, кто способен видеть окружающий мир. Возможно, что вся Материя является живой. Человек частица бесконечного пространства-времени. Человек в какой-то мере осознал и признал быстротечность в «живой» Материи и микромире. Но ему трудно осознать временную бесконечность «неживой» Материи. И признать ее живой, хотя разум ее он уже готов признать.
Литература
Марков А.В., Куликов А.М. Историческое развитие систем распознавания «своего» и «чужого» и их роль в эволюции // Успехи современной биологии. 2006. Т. 126. № 2. С. 132-148.
. Дуда В.И., Сузина Н.Е., Акимов В.И. и др. Особенности ультраструктурной организации и цикла развития почвенных ультрамикробактерий, относящихся к классу ALFAPROTEOBACTERIA //Микробиология. – 2007. – Т. 76. - № 5. – С. 652-661.
Николаев Ю.А., Плакунов В.К. Биопленка – «город микробов» или аналог многоклеточного организма? //Микробиология. 2007. Т. 76. № 2. С. 149-163.
Романова Ю.М., Смирнова Т.А., Андреев А.Л. и др. Образование биопленок – пример «социального» поведения бактерий //Микробиология. 2006. Т. 75. № 4. С. 556-561.
Свердлов Е.Д. Биологический редукционизм уходит? Что дальше?//Вестник РАН. 2006.Т.76.№ 8. С.707-721.
Тихонович И.А., Проворов Н.А. Кооперация растений и микроорганизмов: новые подходы к конструированию экологически устойчивых агросистем //Успехи современной биологии. – 2007. - . 127. - № 4. – С. 339-357
Токарева Н. Зримые следствия невидимых причин //Экология и жизнь. 2006. № 7.
С. 66-71.
Цавкелова Е.А., Климова С.Ю., Чердынцева Т.А., Нетрусов А.И. Микроорганизмы – продуценты стимуляторов роста для растений и их практическое применение (обзор)//Прикладная биохимия и микробиология. – 2006. – т. 42. - № 2. – С. 133-143.