ЖИЗНЬ: ОБЩИЕ ОТЛИЧИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ ОТ НЕЖИВЫХ. Жизнь, высшая по сравнению с физической и химической формами существования материи, закономерно возникающая при определённых условиях в процессе её развития. Живые объекты отличаются от неживых обменом веществ - непременным условием жизни, способностью к размножению, росту, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, раздражимостью, приспособляемостью к среде и т.д. Однако строго научное разграничение на живые и неживые объекты встречает определённые трудности.
Так, до сих пор нет единого мнения о том, можно ли считать живыми вирусы, которые вне клеток организма хозяина не обладают ни одним из атрибутов живого: в вирусной частице в это время отсутствуют метаболические процессы, она не способна размножаться и т.д. Специфика живых объектов и жизненных процессов может быть охарактеризована в аспекте как их материальной структуры, так и важнейших функций, лежащих в основе всех проявлений жизни.
Наиболее точное определение жизни, охватывающее одновременно оба эти подхода к проблеме, дал около 100 лет назад Ф. Энгельс: "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел". Термин "белок" тогда ещё не был определён вполне точно и его относили обычно к протоплазме в целом.
Все известные ныне объекты, обладающие несомненными атрибутами живого, имеют в своём составе два основных типа биополимеров: белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Сознавая неполноту своего определения, Энгельс писал: " Наша дефиниция жизни, разумеется, весьма недостаточна, поскольку она далека от того, чтобы охватить все явления жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди них Чтобы получить действительно исчерпывающее представление о жизни, нам пришлось бы проследить все формы её проявления, от самой низшей до наивысшей". Ч. Дарвин в последних строках "Происхождения видов" пишет об основных законах, лежащих, по его мнению, в основе возникновения всех форм жизни: "Эти законы, в самом широком смысле - Рост и Воспроизведение, Наследственность, почти необходимо вытекающая из воспроизведения, Изменчивость, зависящая от прямого или косвенного действия жизненных условий и от упражнения и неупражнения, Прогрессия размножения, столь высокая, что она ведет к Борьбе за жизнь и её последствию - Естественному Отбору ". Если оставить в стороне роль упражнения, которое, по позднейшим данным, служит фактором ненаследственной изменчивости, обобщение Дарвина сохраняет силу и поныне, а его основные законы жизни сводятся к двум ещё более общим.
Это прежде всего способность живого ассимилировать полученные извне вещества, т.е. перестраивать их, уподобляя собственным материальным структурам, и за счёт этого многократно воспроизводить их (репродуцировать). При этом, если исходная структура случайно изменилась, то она продолжает воспроизводиться в новом виде. Способность к избыточному самовоспроизведению лежит в основе роста клетки, размножения клеток и организмов и, следовательно прогрессии размножения (основное условие для естественного отбора), а также в основе наследственности и наследственной изменчивости.
Советский биохимик В.А. Энгельгардт рассматривает воспроизведение себе подобного как фундаментальное свойство живого, которое ныне получает интерпретацию в терминах химических понятий на подлинно молекулярном уровне.
Другая особенность живого заключается в огромном многообразии свойств, приобретаемых благодаря изменчивости материальными структурами живых объектов.
Каждое из этих двух фундаментальных свойств связано в основном с функцией одного из двух биополимеров. "Запись" наследственных свойств, т.е. кодирование признаков организма, необходимое для воспроизведения, осуществляется с помощью ДНК и РНК, хотя в самом процессе репродукции непременно принимают участие белки-ферменты.
Т.о живой является не отдельная молекула ДНК, белка или РНК, а их система в целом.
Реализация многообразной информации о свойствах организма осуществляется путём синтеза согласно генетическому коду различных белков (ферментных, структурных и т.д.), которые благодаря своему разнообразию и структурной пластичности обусловливают развитие самых различных физических и химических приспособлений живых организмов. На этом фундаменте в процессе эволюции возникли непревзойдённые по своему совершенству живые управляющие системы.
Т. о жизнь характеризуется высокоупорядоченными материальными структурами, содержащими два типа биополимеров (белок и ДНК или РНК), которые составляют живую систему, способную в целом к самовоспроизведения по принципу матричного синтеза. Характерная особенность химического состава известных нам форм жизни - асимметрия оптически активных веществ, представленных в живых объектах левовращающими или правовращающими формами. Жизнь возможна лишь при определённых физических и химических условиях (температура, присутствие воды, ряда солей и т.д.). Однако прекращение жизненных процессов, например, при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведёт к потере жизнеспособности.
Если сохраняется неповрежденной структура, она при возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов. Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в отношении многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений.
Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности структурной и функциональной, в пространстве и во времени. Структурная компактность и энергетическую экономичность живого - результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне. " Именно в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул пишет Энгельгардт состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого. Тенденция к упорядочению, к созданию порядка из хаоса есть не что иное, как противодействие возрастанию энтропии". Живые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией, т.е. являются открытыми системами.
При этом, в отличие от неживых систем, в них не происходит выравнивания энергетических разностей и перестройки структур в сторону более вероятных форм, а наблюдается обратное.: восстанавливаются разности энергетических потенциалов, химического состава и т.д т.е. непрерывно происходит работа "против равновесия" (Э. Бауэр). На этом основаны ошибочные утверждения, что живые системы якобы не подчиняются второму закону термодинамики.
Однако местное снижение энтропии в живых системах возможно только за счёт повышения энтропии в окружающей среде, так что в целом процесс повышения энтропии продолжается, что вполне согласуется с требованиями второго закона термодинамики. По образному выражению австрийского физика Э. Шрёдингера, живые организмы как бы питаются отрицательной энтропией (негэнтропией), извлекая её из окружающей среды и увеличивая этим возрастание положительной энтропии в ней. 2. СВОЙСТВА (ПРИЗНАКИ) ЖИВЫХ СИСТЕМ Итак, общими, характерными для всего живого свойствами и их отличиями от похожих процессов, протекающих в неживой природе, являются: 1) единство химического состава, 2) обмен веществ, 3) самовоспроизведение (репродукция), 4) наследственность, 5) изменчивость, 6) рост и развитие, 7) раздражимость, 8) дискретность, 9) ритмичность, 10) относительная энергозависимость, 11) гомеостаз. 1. Единство химического состава.
В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы.
Однако соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. Элементарный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, загнием, алюминием и т.д. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента - углерод, кислород, азот и водород. 2. Обмен веществ. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее элементы, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности.
При небиологическом круговороте веществ они просто переносятся с одного места на другое или изменяется их агрегатное состояние, тогда как у живых организмов обмен имеет качественно иной уровень, включая процессы синтеза и распада. Путем ряда сложных химических превращений вещества, поглощенные из окружающей среды, трансформируются в вещества живого организма, из которых строится их тело. Такие процессы называются ассимиляцией, или пластическим обменом.
Процессы, обратные ассимиляции, в результате которых сложные органические соединения распадаются на простые, получили название диссимиляции. При таком распаде веществ утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза, вследствие чего диссимиляцию называют еще энергетическим обменом. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и как следствие - постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды. 3. Самовоспроизведение (репродукция). Самовоспроизведение, репродукция, или размножение это свойство организмов воспроизводить себе подобных; этот процесс осуществляется практически на всех уровнях организации живой материи.
Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органеллы клеток (митохондрии, пластиды и др.) после деления сходны со своими предшественниками.
Из одной молекулы ДНК - дезоксирибонуклеиновой кислоты - при ее удвоении образуются две дочерние молекулы, полностью повторяющие исходную. В основе самовоспроизведения лежат реакции матричного синтеза, то есть образования структур на основе информации, заложенной в последовательности нуклеотидов ДНК. 4. Наследственность заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение.
Наследственность обусловлена стабильностью, основанной на постоянстве строения молекул ДНК. 5. Изменчивость - свойство, как бы противоположное наследственности, но вместе с тем тесно связанное с ней, так как при этом изменяются наследственные задатки - гены, определяющие развитие тех или иных признаков. Иными словами, изменчивость - это способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которой лежат изменения биологических матриц. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора, то есть отбора наиболее приспособленных особей к конкретным условиям существования в природе, что, в свою очередь, приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов. 6. Рост и развитие.
Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение состава или структуры объектов живой и неживой природы. Развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием, или онтогенезом, и историческим развитием, или филогенезом.
В процессе развития возникает специфическая структурная организация индивида, а увеличение его биомассы обусловлено репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток. Филогенез, или эволюция это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным (или регрессивным) усложнением (или упрощением) жизни. Результатом эволюции является все многообразие живых организмов на земле. 7. Раздражимость. Любой организм неразрывно связан с окружающей средой: извлекает из нее питательные вещества, подвергается воздействию неблагоприятных факторов среды, вступает во взаимодействие с другими организациями и т.д. В процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство избирательно реагировать на внешние воздействия.
Это свойство носит название раздражимости. Всякое изменение окружающих организм условий среды представляет собой по отношению к нему раздражение, а его реакция на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости.
Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется через посредство нервной системы и называется рефлексом. 8. Дискретность. Само слово "дискретность" означает прерывистость, разделенность и характеризует свойство жизни проявляться в виде дискретных форм. Отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и др.) состоит из отдельных изолированных, то есть обособленных или отграниченных в пространстве, но, тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.
Любой вид организмов включает отдельные особи. Тело высокоорганизованной особи образует пространственно отграниченные особи, которые, в свою очередь, состоят из отдельных клеток. Энергетический аппарат клетки представлен отдельными митохондриями, аппарат синтеза белка - рибосомами и т.д. вплоть до макромолекул. Свойство дискретности организма является основой его структурной упорядоченности, возможности постоянного самообновления с заменой структурных элементов (молекул, ферментов, органоидов клетки и целых клеток) без прекращения выполняемой функции.
Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции путем гибели или устранения от размножения неприспособленных особей и сохранение индивидов с полезными для выживания признаками. 9. Ритмичность. Под ритмом (от греч. "ритмос" - теку) понимается повторение одного и того же события либо состояния через строго определенные отрезки времени.
В физике периодические процессы выражаются в герцах (Гц). Гц - частота периодического процесса, при которой за время 1 с происходит один цикл периодического процесса. Наименьший промежуток времени, через который система, совершающая колебания, снова возвращается в то же состояние, в котором она находилась в начальный момент, называется периодом колебаний. В биологии под ритмичностью понимают периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (от нескольких секунд до года и столетия). Хорошо известны суточные ритмы сна и бодрствования у человека; сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих (суслики, ежи, медведи) и многие другие.
Ритмичность направлена на согласование функций организма с окружающей средой, то есть на приспособление к постоянно меняющимся условиям существования. 10. Относительная энергозависимость. Живые тела представляют "открытые" системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи в виде пищи из окружающей среды. Живые организмы в отличие от объектов неживой природы отграничены от окружающей среды оболочками (наружная клеточная мембрана у одноклеточных, покровная ткань у многоклеточных). Эти оболочки затрудняют обмен веществ между организмом и внешней средой, сводят к минимуму потери веществ и поддерживают пространственное единство системы.
Таким образом, живые организмы резко отличаются от объектов физики и химии - неживых систем - своей исключительной сложностью и высокой структурной и функциональной упорядоченностью.
Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живое представляет собой особую ступень развития материи. 11. Гомеостаз (саморегуляция) - совокупность приспособительных реакций организма, направленных на сохранение динамического состояния его внутренней среды (температуры тела, кровяного давления и др.). В его основе лежит принцип отрицательной обратной связи. Именно эта способность живых систем сохранять стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся среды и обусловливает их выживание.