Что такое жизнь

Один хитроумный че ловек заметил , что хотя мы можем затрудниться дать точное определение жизни , однако никто из нас не сомнева ется в различия между живым и неживым , потому что за живую и за мертвую л ошадь на рынке дают разную цену. Действительно , интуитивно мы вс е понима ем , что есть живое и что – мертвое , а вот точно сформулировать различие обычно затрудняемся . Мне известно мн ого попыток дать дефиницию , определения понят ия «жизнь» , но , как правило , они оказываютс я уязвимыми . Порой авторы вообще отказываются от определени я , подменяя его та втологией . Не могу не процитировать одно и з определений : «Живой организм – это тело , слагаемое из живых объектов ; неживое тел о – слагаемое из неживых объектов» . И все . Подумайте , как просто ! Но стала ли нам от этого понятна сущность жизни ? Всем , наверное , известно одно из оп ределений жизни , высказанное Энгельсом : «Жизнь – это способ существования белковых тел , существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окруж ающей их внешней природой , пр ичем с прекращением этого о бмена веще ств прекращается и жизнь , что приводит к разложению белка» . Однако достаточно ли о но ? Сам Энгельс так не думал . Для него обмен веществ – лишь существенный , не единственный критерий жизни . Действительно , обм ен веществ может быть присущ и неживым о бъектам. Представим опыт , который нетруд но осуществить . Мы имеем два непрозрачных ящика , которые непрерывно вентилируются . Подобные устройства , в которых контролируется лишь вход и выход , а содержание их неизвестн о , называют «черными ящиками» . Анализ в ыходящего из ящиков воздуха показывает , что в обоих случаях мы имеем на вы ходе дефицит кислорода , повышенную концентрацию углекислого газа и водяных паров . Измерение температуры покажет , что на выходе теплее , чем на входе . Мы вправе заключить , чт о в каждо м ящике содержится сис тема . Способная к обмену веществ с окружаю щей средой . Если мы вскроем ящики , то о бнаружим в одном из них летучую мышь , а в другом – горящую свечу . Критерий обмена веществ здесь не срабатывает , не по зволяя отличить живое от неживого , п р оцесс горения от процесса дыхания . Есл и мы перекроем кран поступления воздуха , м ышь погибает . Однако и мертвые организмы м огут обмениваться веществами с окружающей сре дой . На этом , в частности основан процесс образования окаменелостей . Остатки животных и р астений в слое горных пород отдают окружающей среде органику ; ее мест о занимают минералы . Особенно удивительны ока меневшие деревья – внешне они до мельчай ших деталей сохраняют структуры древесины , од нако миллионы лет назад она заместилась к ремнеземом и ок и слами железа . Можн о сформулировать определение жизни следующей фразой : жизнь – это активно е , идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфической структуры. Чем короче определение , тем больше оно нуждается в расшифровке . Что такое акти вное воспроизведение ? Под эти м словосочетанием мы должны понимать такой процесс , когда система сама воспроизводит с ебя и поддерживает свою целостность , использу я для этого элементы окружающей среды с более низкой упорядоченностью . Пассивный процес с такого рода отнюдь не признак жизни . Птицы из года в год воспроизводя т свои гнезда , бобры строят плотины , но ни плотины , ни гнезда нельзя считать жи выми объектами , в отличие от их строителей . Особенно характерно воспроизведение неживых объектов для деятельности ч еловека . Средневековый переписчик книг , создавший новый фолиант взамен истрепанного , и современный меломан , переписывающий магнитофонную запись – хорошие тому примеры . Но человек куда с ложнее книги или магнитофонной записи. Почему в нашем определении п од черкивается то , что поддержка и воспроизведен ие структур живого организма должно идти с затратой энергии ? Потому что это позволя ет различать живые существа от других сам овоспроизводящихся структур , например кристаллов. Еще великий французский натурал ис т Бюффон в XVIII веке проводил антологии между рос том организмов и ростом кристаллов . Действите льно , каждому кристаллу присуща своя специфич еская структура , возникающая спонтанно . Так хл ористый натрий кристаллизуется в виде куба , углерод в форме алмаза – в виде октаэдра . Скопления , сростки кристаллов порой действительно похожи на структуры живой природы . Вспомните хотя бы морозные узоры на оконных стеклах . Они иногда настолько б ывают похожи на листья папоротников и ины х диковинных растений , что известный биолог А.А.Любищев видел в этом какой-т о глубокий смысл . Можно получить и трехмер ную структуру , сходную с растениями (на се й раз при растворении кристаллов ). Как-то Б.М.Медникову довелось увидеть тр ехмерные морозные узоры . На склоне камчатской сопки зе мля с легким хрустом про седала под ногами на один-два сантиметра . Оказалось , что тонкий поверхностный слой почв ы был поднят изящными ледяными веточками торчащими густо , как щетинки зубной щетки . Ни до , ни после ему не приходилось ви деть такой занятной кри с таллизации водяных паров , хотя пишут , что в горах такой феномен не столь уж редок. Даже металлы образуют подобные структ уры : металлургам всего мира хорошо известна так называемая «елка Чернова» – древовидн ый сросток кристаллов железа , выросший в р акови не отливки. И тем не менее , аналогии между кристаллами и организмами , между морозными уз орами и листьями папоротника неправомерны . Хо тя эти структуры внешне сходны , процессы и х возникновения энергетически диаметрально проти воположны . Кристалл – система с минимум ом свободной энергии . Недаром при кристаллиза ции выделяется тепло . Например , при возникнове нии одного килограмм «морозных узоров» должно выделится 619 килокалорий тепла (539 при конденсац ии водяных паров и 80 при переходе в тв ердую фазу ). Стольк о же энергии н ужно затратить на разрушение этой структуры . Листья папоротника , наоборот , при своем в озникновении поглощают энергию солнечных лучей , и , разрушая эту структуру , мы можем полу чить энергию обратно . Да это мы и дела ем , сжигая каменный уголь , обр а зов авшийся из остатков гигантских папоротников п алеозойской эры . Дело здесь не в самом листообразном рисунке : бесформенный кусок льда такой же массы потребует на расплавление и испарение столько же энергии . То же и с папоротником : на образование внешней с л ожности организма расходуется энергия , ничтожно малая по сравнению с той , что законсервирована в органике. А как же внешнее сходство ? И ли стья папоротника , и морозные узоры обладают максимальной площадью поверхности при данном объеме . Для папоротника ( и любого друг ого растения ) это необходимо , ибо дыхание и ассимиляция углекислого газа идет через поверхность листьев . В тех случаях , когда нужно снизить расходы воды на испарение , растения , например кактусы , обретают шарообразн ую форму с максимальной площ а дью поверхности . Но платить за это нужно снижением темпов ассимиляции СО І и соответственно за медлением роста. Водяные пары , кристаллизуясь на холодном стекле , также образуют структуру с максимальной поверхностью , потому что скорос ть потери свободной эн ергии при этом максимальна (кристаллы растут с поверхности ). Так что аналогии между кристаллами и живыми организмами не имеют эвристического значения . Жидкость , выплеснутая из сосуда в условиях невесомости , приобретает форму биль ярдного шара (минимум энер г ии пове рхностного натяжения ). Но между игрой в би ллиард и полетами в космос столько же общего , сколько между кристаллизацией и рос том живого организма. Из этого не следует , что кристаллические формы чужды жизни . Вот хоро ший пример . Многим известны безо бидные крупные комары-долгоножки с длинными ломкими конечностями . Их личинки обитают во влажном грунте , питаясь перегнившими растительными о статками . Среди них можно встретить особей , окрашенных в голубой цвет с радужным о тливом . Они кажутся вялыми , и они действительно больны – заражены радужным вирусом . В гемолимфе таких личинок можно обнаружить кристаллы удивительной красоты , п ереливающиеся , как сапфиры . Кристаллы эти слож ены из частиц вируса – вирионов . Когда личинка погибнет , они попадут в почву , ч тобы быть проглоченными личинками нов ого поколения комаров. Такие кристаллы образуют многие вирус ы , и не только вирусы насекомых . Но это неактивная форма существования вируса , в форме кристалла он не размножается , а лишь переживает неблагоприятные условия. Известный физик Э . Шредингер как-то назвал хромосому «апериодическим кристаллом» . Д ействительно , ядерное вещество клетки в перио д деления упорядоченно , формально его можно назвать кристаллом , как можно назвать книгу кристаллом из страниц . Но во время « упаковки» в хромосому ядерное ве щество (хроматин ) неактивно , и сама хромосома – лишь способ передачи хроматина от к летки к клетке. Короче , упорядоченность структуры кристалл ов – упорядоченность кладбища , системы с минимумом свободной энергии . Упорядоче нность структуры организма в процессе жизнедеятельн ости – это упорядоченность автомобильного ко нвейера . Для ее поддержания и воспроизведения в следующем поколении организм должен по глощать энергию в виде квантов света или неокисленных органических соедине н ий , простые вещества , и выделять окисленные продукты жизнедеятельности . Это и есть обмен веществ , он не является самоцелью. «Все течет»,– сказал Гераклит Эфесски й (этот всем известный афоризм дошел до нас , правда со слов других , так как сам Гераклит ка к Сократ , предпочитал и злагать свои взгляды в беседах ). Особенно это относится к живому организму . Он – поток , по которому непрерывно движутся энер гия и вещества – элементы для воссоздани я структур . Не так давно еще ученые по лагали , что , достигнув взросло г о с остояния , организмы притормаживают синтез белков и других органических соединений , ограничива ясь «ремонтными» работами (заживление ран , сме на эпителия кожи и т . д .). Первые же опыты с изотопными метка ми показали , что это неверно . На протяжени и всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на вновь образую щиеся . Так , при ремонте самолета заменяют двигатель , отработавший свой ресурс , хотя бы он работал безупречно . Казалось бы , всю жизнь должна служить человеку костная ткань . Однако , ког д а в практику меди цины вошел антибиотик тетрациклин , врачи стол кнулись с удивительным фактом. Тетрациклин отчасти накапливается в к остях . Следы лечения можно обнаружить на к остном шлифе в виде флуоресцирующего слоя . Оказалось , что примерно через три год а после лечения антибиотиком он обнар уживается в крови в очень высокой концент рации (что приводит порой к нежелательным побочным эффектам ). Откуда же взялся тетрацикл ин , ведь больной чем за три года мог и забыть , что когда-то его принимал ? Он вернулся в кровь из старо й костной ткани , которая рассасывается и з аменяется новой. Говорят , что нервные клетки не вос станавливаются , не размножаются . В принципе эт о так , но на протяжении всей жизни они непрерывно перестраиваются . Так и человек может всю жизнь прожить в одном д оме , но за это время многократно изменить в нем обстановку . Мы лишь формально м ожем считать нейроны , с которыми мы заканч иваем жизнь , теми же самыми клетками , с которыми мы ее назначали. В конце нашего определения жизни б ыло слово «спе цифическая» . Что такое с пецифическая структура ? Из поколения в поколе ние организмы воспроизводят характерную для в идов , к которым они принадлежат , упорядоченнос ть . Делается это ос почти абсолютной точно стью. Э . Шредингер в книге «Что такое жизнь с точк и зрения физика ?» (1944) высказал предположение , что организмы «извлекаю т упорядоченность из окружающей среды» , они питаются чужим порядком . Увы , дело обстоит не так просто . Шредингер выразился не совсем точно. Вот пример : волк съедает зайца . Ему не ну жны ни органы зайца , ни его ткани , ни его белки и нуклеиновые кислоты – все то , что специфично для структуры «заяц» , «заячья упорядоченность» . Все это в желудке и кишечнике волка превра тится в смесь низкомолекулярных органических веществ – аминокислот, углеводов , нуклео тидов и т . д . , общих для всей живой п рироды , неспецифических . Часть из них организм волка окислит до углекислого газа и воды для того , чтобы , расходуя полученную энергию , построить из оставшихся неспецифичных веществ свою , специфичес ким образом упо рядоченную структуру «волк» – свои белки , свои клетки и ткани . Накормите волка см есью аминокислот , синтезированных химиком , и б удет то же самое. Пожалуй , можно привести лишь один пример , когда организм «питается чужим порядк ом» . Некоторы е ресничные черви планарии живут на колониях кищечнополостных – гидр оидных полипов , объедая их . У полипов имее тся хорошая защита , правда не эффективная против планарий , - стрекательные клетки . С дейст вием их хорошо знакомы люди , обжигавшиеся щупальцами че р номорской медузы-корнерота . Гораздо опаснее дальневосточная маленькая м едуза-крестовичок , ожег которой может привести к тяжелому заболеванию , а то и к см ерти , если под рукой не найдется димедрола или супрастина . Оказывается , проглоченные чер вями стрекател ь ные клетки полипов не перевариваются , а мигрируют в покровы тела , где выполняют ту же защитную функ цию , что и у хозяев . Их так и назыв ают : клептокниды – украденные стрекательные клетки. Можно пофантазировать о жизни на к акой-нибудь планете , где подобны й принцип распространен широко . Но на Земле положен ие обратное . Земные организмы в чужой упор ядоченности не нуждаются , как видно из сле дующих примеров. 3 декабря 1967 года в кейптаунской больнице Гроте-Схюр Кристиан Барнард пересадил Луису Вашканскому, страдавшему острой сердечной недостаточностью , сердце девушки Дениз Дарва ль , погибшей в автокатастрофе. 17 декабря , через две недели Вашканский заболел двустороннем воспалением легких и 20 декабря скончался . Первая неудача не смути ла хирургов . Число о пераций по пересад ке сердца насчитывается уже тысячами . Но и до Барнарда животным и людям пересаживал и сердца , легкие , почки и поджелудочные же лезы . Результат всегда был одинаковым пересаж енные органы отторгались , если не были взя ты у однояйцевого близнец а . Но о днояйцевые близнецы – это генетические копии одного и того же организма. Можно сделать вывод , что «чужая уп орядоченность» организму не нужна , он изо всех сил , отчаянно борется с ней . Сохранит ь пересаженный орган можно только , подавив защитные имм унные системы образования антител . Но тогда пациент окажется беззащитны м против любой инфекции и в конце кон цов погибнет от нее , как это случилось с Вашканским. Это самый эффективный пример , но и звестны и другие случаи , когда организмы н е приемлют «чуж ого порядка» . Общеизвестны группы крови , здесь система проста , и определив группу крови , можно практически во всех случаях избежать распада эритроцитов . Более того , человеку можно переливать кровь шимпанзе соответствующей группы . Но изредка встречаются лю д и с такими ун икальными наборами факторов крови , что ничья друга им не годится. Инсулин – единственное эффективное с редство против диабета отличается сравнительно малой видоспецифичностью , поэтому для лечения диабетиков можно использовать этот белок , вы деленный из поджелудочных желез круп ного рогатого скота . А вот гормон роста – соматотропин – видоспецифичен . Для лече ния карликового роста у человека нужен им енно человеческий соматотропин , который выделяетс я из гипофиза умерших людей. Казалось бы , у н изших организм ов отвращение к «чужому порядку» меньше . Д ействительно , у рыб и амфибий удаются пере садки органов между особями разных видов , и бычий соматотропин может стимулировать рост форели . Однако , все это искусственные , соз даваемые экспериментом поло ж ения . Еще и еще раз повторяю , что животные , пита ясь другими животными или растениями , начинаю т с разрушения чужой упорядоченности . Пища в их желудках и кишечниках расщепляется специальными ферментами до простых веществ , не обладающих видоспецифичностью . Т а к , белки расщепляются до аминокислот , сложные углеводы , такие как крахмал и глик оген , - до моносахаридов , нуклеиновые кислоты до нуклеотидов . По строению , например , аминокисло ты глицина или фенилаланина невозможно сказат ь , получена ли она из белков бычьег о мяса , гороха или же синтезиров ана химиком искусственно. Из этих элементарных кирпичиков жизни организмы строят присущие им белки . Кажды й организм характерен именно неповторимой , пр исущей только ему комбинацией белковых молеку л . А уже на этой базе возн икает комплекс всех признаков организма – на уровне клеток , тканей и органов. У растений это выражено еще более резко . Вода , набор питательных солей , угле кислый газ и свет – при этом комплек се одинаковых факторов из одного семени в ырастает роза , из дру гого – крапива , каждое растение с присущим ему набором свойств , со своей упорядоченностью. Итак , организмы берут извне не упо рядоченность , а энергию : растения в виде к вантов света , животные в виде малоокисленных соединений , которые можно сжечь в процес се дыхания . За счет этой энергии о ни строят свою «доморощенную» упорядоченность , пренебрегая чужой. Вот почему в определении жизни дол жно быть воспроизведение специф ической структуры . В реферате использованы материалы из книги : Б.М. Медников «Аксиомы биологии» , Знание , Москва 1982