Определение и фундаментальные свойства жизни

Многообразие форм жизни создает трудности для ее определения как явления. Первые подходы к решению к решению этой задачи основаны на поисках свойств, качественно отличающих живое от неживого. ЖИЗНЬ определяли как:

· «питание, рост и одряхление» (Аристотель)

· «стойкое единообразие процессов при различных внешних условиях» (Г.Тревиранус)

· «совокупность функций, сопротивляющихся смерти» (М.Биша)

· «химическая функция» (А.Лавуазье)

· «сложный химический процесс» (И.П.Павлов)

· «Совокупность физико-химических процессов» (К.А.Тимирязев).

Неудовлетворенность этими определениями понятна. Свойства живого, взятые каждое отдельно, лишены исключительности и обнаруживаются в объектах неживой природы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖИЗНИ как « особой, очень сложной формы движения материи » ( А.И.Опарин), правильно утверждая ее качественное своеобразие и несводимость биологических законов к законам физическим и химическим, не раскрывает ее своеобразие. Есть мнение, что жизнь столь же вечна и повсеместна во Вселенной, как материя. Поэтому ее следует считать одним из фундаментальных свойств последней, чем-то сродни гравитации.

Интересны определения, основанные на выделении комплекса свойств, обязательного для живых существ. Одно из них характеризует ЖИЗНЬ как макромолекулярную открытую систему, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ, регулируемый поток энергии. И далее – жизнь представляет собой ядро упорядоченности, распространяющееся в менее упорядоченной Вселенной.

Рассмотрим типичные свойства жизни по отдельности.

1. Живым формам присущ особый способ взаимодействия с окружающей средой – обмен веществ (метаболизм), состоящий из совокупности процессов анаболизма (ассимиляция, пластический обмен) и катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен).

По типу обмена веществ (способу питания) земные живые существа подразделяются на аутотрофные и гетеротрофные организмы.

В многоклеточном организме выделяется внешний и внутренний (внутриклеточный) обмен веществ. Для осуществления обмена, с одной стороны, необходим приток веществ извне, а с другой, - неутилизируемые продукты обмена должны выделяться во внешнюю среду. При этом поток веществ через организм неразрывно связан с потоком энергии. Таким образом, организм или клетка в вещественно-энергетическом плане относительно окружающей или внеклеточной среды являются открытыми системами.

Упорядоченность различных составляющих обмена веществ достигается благодаря структурированности (компартментации) объема клетки. Так, предшествующий клеточному делению синтез ДНК происходит в ядре, гидролитическое расщепление поступающих в клетку веществ или разрушение «износившихся» внутриклеточных структур – в лизосомах, упаковка в оболочку выделяемых экзокринной железистой клеткой гранул секрета – в комплексе Гольджи.

Правило компартментации распространяется на оба типа клеточной организации – прокариотической и эукариотической, хотя способы его реализации различны. Различна также эволюционная и экологическая стратегия про- и эукариот. Для первых, не без оснований называемых доминирующей формой жизни во все времена, выживание и широкое расселение путем освоения разнообразных экологических ниш связаны с исключительной метаболической (биохимической) лабильностью (гибкостью), тогда как для вторых типично преобразование структур при относительной консервативности обменных процессов.

Значение ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ УПОРЯДОЧЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ В КЛЕТКЕ трудно переоценить. К примеру, тело микоплазмы – микроорганизма, занимающего по размерам промежуточное положение между живым и неживым (в диаметре превосходит атом водорода всего в 1000 раз). Существование микоплазмы, тем не менее, обеспечивается примерно сотней согласованных биохимических реакций, протекающих с огромной скоростью. Жизнедеятельность же клетки млекопитающего требует для своего обеспечения порядка 10 000 реакций («метаболический вихрь»).

В соответствии со вторым законом термодинамики, в энергетически изолированных системах количество энтропии (величина, обратная упорядоченности) с течением времени нарастает. Одним из характерных свойств живых организмов является их способность противостоять росту энтропии, поддерживая присущую им организацию. Образование элементов и сборка из них внутриклеточных структур (анаболизм), отличающихся высокой упорядоченностью, происходят с уменьшением энтропии. Однако параллельно осуществляется окисление пищевых веществ (катаболизм), источником которых является внешняя среда, что сопровождается адекватным увеличением ее энтропии. Поэтому для полноразмерной биологической системы – «организм и среда его обитания» -изменение энтропии в целом положительно. Ситуация в мире живого, таким образом, не противоречит второму закону термодинамики. Высокая упорядоченность структуры и функций живого существа «оплачивается» энергией, высвобождаемой за счет деструктивных процессов, производимых этим существом в окружающей среде.

2. СВЯЗЬ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ СО СРЕДОЙ ОБИТАНИЯ – еще одно непременное свойство жизни. Важное следствие прогрессивной эволюции заключается в том, что параметры внутренней среды организма выводятся из под прямого влияния факторов внешней среды (например, температура тела у холодно- и теплокровных животных, онтогенез низших позвоночных, внутриутробное развитие млекопитающих). Свойство живых существ сохранять постоянство внутренней среды, несмотря на колебания показателей окружающей среды, соответствует биологическому понятию «ГОМЕОСТАЗ».

3. ЖИЗНЬ – это процессы САМОВОСПРИЗВЕДЕНИЯ (размножения) и САМООБНОВЛЕНИЯ. В результате этих процессов, с одной стороны, воспроизводятся организмы определенного типа структурно-функциональной организации, а с другой, - воссоздаются структуры, сменяющие те, которые утрачиваются в ходе жизнедеятельности особи.

4. Свойства самовоспроизведения и самообновления обеспечиваются использованием живыми формами для сохранения своей организации ГЕНЕТИЧЕСКОЙ (биологической) ИНФОРМАЦИИ. Последняя отбирается по признаку биологической целесообразности в процессе эволюции видов, накапливается в их гено(аллело)фондах и служит основой воспроизведения и жизнедеятельности организмов соответствующего вида в каждом следующем поколении.

Химия биоинформационного обеспечения развития и существования живых форм заключается в использовании уникальных химических соединений, которые в современных условиях не обнаруживаются в неживой природе. Это ИНФОРМАЦИОННЫЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ (биополимеры).

БЕЛКИ, большинство которых в клетке играет роль катализаторов (ферменты). Они обеспечивают реализацию метаболических процессов с достаточной скоростью и требуемым результатом при мягких условиях температуры и давления. Ферменты отличаются специфичностью. Они катализируют превращения групп веществ определенной химической структуры или даже отдельного соединения. Специфичность ферментов, так же как и белков, не несущих каталитической функции (например, «строительных» - коллагены и эластин соединительной ткани, «транспортных» - гемоглобин), зависит от первичной структуры. Каждое очередное «поколение молекул» определенного белка воспроизводит заданную первичную структуру и, след., несет в себе идентичную информацию. Последнее гарантирует выполнение требуемой функции. Постоянство информации на уровне молекул белка достигается тем, что в основе их воспроизведения лежит МАТРИЧНЫЙ СИНТЕЗ. Роль матриц выполняет другой вид информационных биополимеров – НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. Информация, сохраняемая в молекулах ДНК, будучи записанной в виде последовательности троек нуклеотидов, переносится на белок и переводится на язык аминокислотных последовательностей, при помощи молекул РНК. Наличие, хранение и реализация специфической биологической (генетической) информации на основе использования уникальных биоинформационных макромолекул – белков и нуклеиновых кислот – составляет одно из свойств жизни.

5. Жизнь представлена совокупностью пространственно отграниченных друг от друга и от окружающей среды форм – организмов, что соответствует такому ее свойству как ДИСКРЕТНОСТЬ (отграниченность).

6. Воплощение стартовой наследственной информации (генотип), с которой начинает свое существование организм, в действующую информацию его рабочих молекул и структур (фенотип) происходит в процессе ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ, или ОНТОГЕНЕЗА, этого организма, обязательность которого соответствует еще одному универсальному свойству живых форм.

7. Живые конструкции разного уровня (клетки, клеточные, тканевые системы многоклеточных, организм в целом, популяции организмов, экосистемы) обладают СВОЙСТВОМ ИЗМЕНЯТЬ СВОЕ СОСТОЯНИЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОЛЕБАНИЙ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ, В КОТОРОЙ ОНИ СУЩЕСТВУЮТ – АДАПТАЦИЕЙ. При этом совершается работа. Такие изменения в целом имеют приспособительное значение и происходят благодаря механизмам регистрации соответствующих колебаний, анализа поступающих данных, выработки «решения» по содержанию и интенсивности ответа. Названное свойство позволяет рассматривать живые конструкции как КИБЕРНЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, в существовании которых задействованы ЗАКОНЫ ИНФОРМАТИКИ – передачи и переработки информации, механизм обратной связи. Термин «информация» употребляется здесь в широком смысле. Биологическая информация, о которой уже шла речь, качественно и количественно соответствует генетической информации ДНК. Информация в кибернетическом смысле включает и «личный» опыт живого объекта.

8. В перечне универсальных свойств живого периода классической биологии значатся РАЗДРАЖИМОСТЬ И ВОЗБУДИМОСТЬ. В случае раздражимости речь идет о способности живого вещества реагировать на воздействия, в случае возбудимости – о способности этого вещества переходить в состояние, сопровождающееся выполнением работы. В качестве примера рассмотрим механохимическую систему, обеспечивающую мышечное сокращение. Оно происходит в ответ на стимул (нервный импульс) путем сочетанных конформационных (пространственных, объемных) изменений комплекса белков (миозин, актин, тропомиозин, тропонин). По завершении акта сокращения комплекс возвращается в исходное состояние готовности вновь совершить работу.

9. В процессе жизнедеятельности выполняется не только механическая, но и другие виды работы – химическая (синтезы), осмотическая, (физическая), электрохимическая, регуляторная. Это требует адекватного энергообеспечения. Решение проблемы энергообеспечения проявлений жизнедеятельности состоит в том, что эволюцией был найден общий энергетический интермедиат – звено, связывающее ката- и анаболизм, который принимает энергию от всех реакций окисления пищи и доставляет ее к месту совершения работы.