ГЛАВА 1. ЖИЗНЬ КАК ПРИРОДНОЕ ЯВЛЕНИЕ
Ключевой вопрос для науки о живых существах: «Что представляет собою жизнь как явление природы?» Удивительно, что, несмотря на длительную историю накопления биологических знаний, этот вопрос не получил до настоящего времени однозначного общепризнанного ответа.
Классическое определение дал Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». Развитием этого определения стало формирование в первой половине XX века концепции определения жизни Опарина-Холдейна. В основе ее лежало рассмотрение клетки как элементарной единицы жизни, а обмена веществ между клеткой и окружающей средой - как основного проявления жизни. Определение жизни как процесса обмена веществ не потеряло значения, однако на исходе ХХ века оно дополнилось организационной, информационной и эволюционной трактовками. Обмен веществ – условие поддержания и воспроизведения живой структуры, специфичной для каждого вида организмов. С разрушением определенной структуры жизнь прекращается. Поэтому на исходе ХХ века большое распространение и поддержку биологов получила концепция определения жизни Тролланда-Мюллера: жизнь - это активное, идущее с затратой полученной извне энергии самоподдержание и самовоспроизведение специфической структуры. Из этого определения непосредственно вытекает необходимость постоянной связи организма с окружающей средой, осуществляемой путем обмена веществом и энергией. В соответствии с концепцией Тролланда-Мюллера субстратом жизни может быть структура, являющаяся гораздо более простой, чем клетка. Таковой может быть даже молекула, например, молекула биополимера, способная к самовоспроизводству и самоподдержанию. Специфичность структуры обусловливается и поддерживается информацией, содержащейся в размножающихся матричным путем генетических программах. Сущность жизни как самовоспроизводящегося процесса является предпосылкой эволюции (исторического развития живого).
А.Н. Колмогоров (1964) попытался определить жизнь, используя кибернетический и функциональный подходы и абстрагируясь от конкретного субстрата жизни: живые системы - это системы, включенные в непрерывный поток вещества, энергии и информации, которые они способны воспринимать, хранить и перерабатывать. Такое определение может оказаться перспективным в применении к инопланетным формам жизни (если таковые будут обнаружены), представленным иным (неземным) субстратом жизни. Несомненно, что жизнь - одна из форм существования материи, закономерно возникающая при определенных условиях в процессе ее развития. На Земле жизнь зародилась не менее 3,75 млрд. лет назад (при существовании планеты - 4,6 млрд.).
Субстрат жизни
Субстратом жизни являются живые системы, характеризующиеся упорядоченностью расположения и взаимодействия составляющих их элементов. Упорядоченность в пространстве обеспечивает живым системам упорядоченность во времени, которая обеспечивает строгую последовательность протекающих в них процессов. Основными химическими веществами живых систем являются нуклеиновые кислоты и белки. Упорядоченность элементов живой системы обусловливает образование комплексов молекулярных и надмолекулярных структур. По мнению российского биохимика В.А. Энгельгардта (1969), коренное отличие живого от неживого заключается в способности первого создавать упорядоченность из хаотичного теплового движения молекул. Создание порядка из хаоса является не чем иным, как противодействием возрастанию энтропии. Под энтропией понимается рассеивание энергии, заключающееся в переходе всех видов энергии в тепловую энергию и равномерном распределении последней между всеми телами природы (второй закон термодинамики). Создаётся впечатление, что живое, в отличие от всего неживого, не подчиняется второму закону термодинамики. Противоречие исчезнет, если учесть, что снижение энтропии в отдельно взятых живых системах достигается за счёт повышения её в окружающей среде. Австрийский физик Э. Шредингер (1943) пришёл к выводу, что живое «остаётся живым, только постоянно извлекая из окружающей среды отрицательную энтропию» (негэнтропию). Источником отрицательной энтропии, по мнению Э. Шредингера, является солнечная энергия для растений и пища для других живых организмов. Только живые системы никогда не бывают в равновесии (предполагаемом законами физики и химии) и выполняют за счёт свободной энергии работу против равновесия. Неравновесность живых систем предполагает постоянный приток энергии из окружающей среды для поддержания их неравновесного состояния.
Свойства живого
Живые организмы, в отличие от тел неживой природы, характеризуются рядом свойств, которые являются, по сути, атрибутами жизни: упорядоченность и специфичность структуры, целостность и дискретность, саморегуляция и гомеостаз, самовоспроизведение и самовосстановление, наследственность и изменчивость, обмен веществ и энергии, рост и развитие, раздражимость, движение, саморегуляция, специфическая взаимосвязь с окружающей средой, старение и смерть, вовлечённость в непрерывный процесс исторических изменений живого (эволюционный процесс). Эти атрибуты жизни являются объектами исследований многих самостоятельных биологических наук, результаты которых изложены ниже в различных разделах учебника. Однако некоторые из них обоснованно отнесены к основополагающим и требуют специального рассмотрения уже в начале курса «Общая биология».
Упорядоченность и специфичность структуры. В живых организмах содержатся те же химические элементы, что и в объектах живой природы. Однако в клетках живых существ они находятся в виде не только неорганических, но и органических соединений. К тому же форма существования живого имеет весьма существенные специфические особенности, в первую очередь сложность и упорядоченность, которые отличают как молекулярный, так и надмолекулярный уровни организации. Создание порядка - важнейшее свойство живого. Упорядоченность в пространстве сопровождается упорядоченностью во времени.
Целостность и дискретность. Жизни как явлению свойственны непрерывность (целостность) и прерывность (дискретность), присущие как структуре, так и функции. Например, материальный субстрат наследственности целостен, так как представлен молекулой нуклеиновой кислоты. Однако последняя дискретна, поскольку состоит из двух полинуклеотидных цепей, дискретность которых, в свою очередь, заключается в образовании каждой нуклеотидами. Процесс реализации наследственной информации непрерывен и в то же время дискретен, так как состоит из транскрипции и трансляции.
Рост и развитие. Рост организма заключается в увеличении его размеров за счёт увеличения массы, но главным образом количества клеток и межклеточного вещества. В основе роста лежит размножение клеток, с которыми неразрывно связана дифференцировка клеток, усложнение строения и функции организма. Процессы роста и развития подвержены генетическому контролю, а также нервной и гуморальной регуляции.
Обмен веществ и энергии. Рост и развитие организма, восстановление его разрушенных структур невозможны без обмена веществ и энергии. Живые организмы представляют собой открытые системы, через которые проходят непрерывные потоки веществ и энергии. Обмен веществ включает анаболизм (ассимиляцию) и катаболизм (диссимиляцию), которые характеризуются непрерывностью и взаимосвязанностью.
Раздражимость является проявлением общего свойства материи - отражения. Раздражимость заключается в способности живой системы реагировать на поступающую из внешней среды информацию. Благодаря раздражимости организмы уравновешивают свои взаимоотношения со средой. У живых существ, лишённых нервной системы (растения, простейшие), раздражимость выражается таксисами, настиями, тропизмами и нутациями. У организмов, имеющих нервную систему, раздражимость проявляется в виде рефлекторной деятельности.
Саморегуляция и гомеостаз. Биологические системы, получая необходимую информацию, осуществляют саморегуляцию всех протекающих в них биологических процессов и явлений. Саморегуляция основана на обратной связи: продукты жизнедеятельности могут оказывать сильное и строго специфическое тормозящее действие на начальное звено в длинной цепи процессов (химических реакций). Саморегуляция живых систем обеспечивает их гомеостаз - относительное постоянство химического состава, структуры и свойств. В каких бы условиях среды не оказывался живой организм, какие бы вещества не поступали внутрь живых систем, организмы всегда будут сохранять благодаря гомеостатическим механизмам постоянство состава, структуры и свойств.