Свойства жизни

Поразительное многообразие жизни создает большие трудности для ее однозначного и исчерпывающего определения как особого явления природы. Во многих определениях жизни, предлагавшихся выдающимися мыслителями и учеными, указываются ведущие свой­ства, качественно отличающие (по мнению того или иного автора) живое от неживого. К примеру, жизнь определяли как «питание, рост и одряхление» (Аристотель); «стойкое единообразие процессов при различии внешних влияний» (Г. Тревиранус); «совокупность функций, сопротивляющихся смерти» (М. Биша); «химическую функцию» (А. Лавуазье); «сложный химический процесс» (И. П. Павлов). Неу­довлетворенность ученых этими определениями понятна. Наблюдения показывают, что свойства живого не носят исключительного характера и по отдельности обнаруживаются среди объектов неживой природы.

Определение жизни как «особой, очень сложной формы движения материи» (А. И. Опарин) отражает ее качественное своеобразие, не­сводимость биологических законов к химическим и физическим. Од­нако оно носит общий характер, не раскрывая конкретного содержания этого своеобразия.

В практическом отношении полезны определения, основанные на выделении комплекса свойств, который обязателен для живых форм. Одно из них характеризует жизнь как макромолекулярную открытую систему, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ, тонко регулируемый поток энер­гии. Жизнь, согласно этому определению, представляет собой ядро упо­рядоченности, распространяющееся в менее упорядоченной Вселенной.

Живые системы отличаются от неживых важными свойствами, как по материальной организации, так и по функциональным проявлениям. К числу отличительных черт, определяющих понятие «жизнь» обычно относятся следующие:

1. Метаболизм. Живым существам присущ особый способ взаимодействия с окру­жающей средой - обмен веществ. Его содержание составляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции (анабо­лизм) и диссимиляции (катаболизм). Результатом ассимиляции является образование и обновление структур организма (синтез сложных веществ из простых), диссимиляции — рас­щепление органических соединений с целью обеспечения различных сторон жизнедеятельности необходимыми веществами и энергией. Для осуществления обмена веществ необходим постоянный приток опре­деленных веществ извне; некоторые продукты диссимиляции выделя­ются во внешнюю среду. Таким образом, организм является по отношению к окружающей среде открытой системой.

Процессы ассимиляции и диссимиляции представлены многочисленными химическими реакциями, объединенными в метаболические цепи, циклы, каскады. Последние представляют собой совокупность взаимосвязанных реакций, протекание которых строго упорядоченно во времени и пространстве. В итоге осуществления клеткой метаболического цикла достигается определенный биологический результат: из аминокислот образуется молекула белка, молекула молочной кислоты расщепляется до СО₂ и Н₂О. Упорядоченность различных сторон обмена веществ достигается благодаря структурированности объема клетки, например выделения в ней водной и липидной фаз, наличия обязательных внутриклеточных структур, таких, как митохондрии, лизосомы и др.

2.Энергозависимость. Любая упорядоченность для своего поддержания требует затраты энергии. Для выяснения характера связей между структурированностью, обменов веществ и открытостью живых систем полезно обратиться к понятию энтропии.

Согласно закону сохранения энергии (первое начало термодинамики), при химических и физических превращениях она не исчезает и не образуется вновь, а переходит из одной формы в другую. Поэтому теоретически любой процесс должен протекать одинаково легко в прямом и обратном направлениях. В природе такового, однако, не наблюдается. Без воздействия извне процессы в системах идут в одном направлении: теплота от более теплого объекта к холодному, в растворе молекулы перемещаются из зоны высокой концентрации в зону с малой концентрацией и т.д.

Естественное развитие процессов неизбежно приводит к состоянию равновесия как статистически более вероятному. Одновременно утрачивается структурированность. Мерой необратимости природных процессов служит энтропия, количество которой в системе обратно пропорционально степени упорядоченности.

Закономерности изменения энтропии описываются вторым началом термодинамики. Согласно этому закону, в энергетически изолированной системе при неравновесных процессах количество энтропии изменяется в одну сторону. Оно увеличивается, становясь максимальным по достижении состояния равновесия. Живой организм отличается высокой степенью структурированности и низкой энтропией. Это достигается благодаря постоянному притоку извне энергии, использу­емой на поддержание внутренней структуры. Способность противо­стоять нарастанию энтропии, сохранять высокий уровень упорядоченности является обязательным свойством жизни.

3. Самовоспроизведение, или репродукция (от лат. re – возобнавление и produktion – производство). Жизнь представляет собой постоянный процесс самообновления, в результате которого воссоздаются структуры, соответствующие снаши­ваемым и утрачиваемым. Это достигается благодаря использованию живыми формами для построения своих структур и обеспечения всех сторон жизнедеятельности биологической (генетической) информации. Последняя отбиралась по признаку биологической полезности в про­цессе эволюции видов, населяющих планету. Она хранится, записанная с помощью специального кода, в наследственном веществе клеток.

Молекулярный механизм использования живыми организмами биологической информации основан на функционировании в клетках уникальных химических соединений — биологических полимеров, не встречающихся в природных условиях в неживых объектах. Во-первых, это белки, которые, выполняя роль биологических катализаторов (фер­менты), обусловливают протекание биохимических реакций в нужном направлении, с достаточной скоростью, при достаточно мягких усло­виях температуры и давления. Ферменты отличаются специфичностью. Они катализируют превращения веществ определенного химического строения или даже отдельного вещества. Специфичность ферментов, так же как и белков, не выполняющих каталитической функции, зависит от первичной структуры белка, т.е. постоянства последователь­ности аминокислот в их молекуле. Белки организма постоянно обнов­ляются. Важнейшей особенностью является то, что каждое очередное поколение белковых молекул сохраняет исходную первичную структу­ру. Таким образом, всякий раз белки несут в себе одну и ту же биологическую информацию и, следовательно, выполняют одни и те же функции, необходимые клетке или организму.

Постоянство биологической информации белковых молекул дости­гается тем, что в качестве матриц для их синтеза используются молекулы нуклеиновых кислот. Информация, сохраняемая в ДНК, переносится на белок с помощью молекул рибонуклеиновой кисло­ты — РНК. Хранение и использование биологической (генетической) информации на основе уникальных информационных макромолекул белков и нуклеиновых кислот составляет важное свойство жизни.

Хранение информации в ДНК, утилизация ее в процессе жизнеде­ятельности путем переноса на белки и далее на различные биологиче­ские структуры находят свое отражение в наличии генотипа и фенотипа, что также обязательно для всех живых существ. Воплощение исходной наследственной информации генотипа в информацию рабо­чих структур организма происходит в процессе онтогенеза — индивиду­ального развития, типичного для живых форм. В ходе этого процесса проявляется такое свойство, как способность к росту.

4. Развитие и рост. Под развитием понимают необратимое направленное закономерное изменение объектов. В результате развития возникает новое качественное состояние биологической системы. Развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием организмов, т.е. их онтогенезом, и историческим развитием видов, или филогенезом.

Развитие сопровождается ростом. В процессе развития постепенно и последовательно возникает специфическая структурная организация индивида, а увеличение его массы обусловлено продукцией макромолекул, элементарных структур клеток, и самих клеток.

Филогенез – это необратимое направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни.

5. Приспособляемость к среде. Организмы обладают свойством менять свое состояние в зависи­мости от колебаний параметров окружающей или внутренней среды. Такая реакция имеет приспособительное значение и зависит от нали­чия механизмов регистрации соответствующих колебаний, анализа поступающих данных, выработки решений по содержанию и интен­сивности ответа. Названное свойство позволяет рассматривать живые формы как кибернетические устройства, которые подчиняются зако­нам передачи и переработки информации. Термин информация упот­ребляется здесь в широком смысле. Биологическая информация, о которой шел разговор, качественно и количественно соответствует наследственной информации ДНК. Информация в кибернетическом смысле включает и личный опыт организма.

6. Раздражимость. Индивидуальные реакции живых существ на внешние и внутренние стимулы обусловливаются такими общими свойствами жизни, как раздражимость и возбудимость.

7. Дискретность. Область жизни представлена совокупностью отдельных организ­мов, т.е. характеризуется дискретностью. Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции через гибель или устранение от размножения неприспособленных особей и сохранения индивидов с полезными для выживания признаками.

8. Размножение. Продолжительность жизни организмов ограничена. В связи с этим сохранение жизни во времени зависит от такого ее свойства, как способности к размножению, т.е. к воспроизведению себе подобных по типу обмена веществ и главным чертам морфофизиологической организации. Процессы размножения могут осуществляться бесполым путем (делением клеток) или половым путем, при котором специализированные половые клетки, сливаясь между собой, образуют оплодотворенную яйцеклетку, развивающуюся в новый организм. Циклы развития могут быть сложными и включать в себя смену совершенно различных форм и поколений. После прохождения всех необходимых жизненных этапов рост живой ткани осуществляется путем увеличения числа клеток и их размеров. Различные части организма растут с разной скоростью, пропорции тела меняются чаще всего в зависимости от возраста. Для животных характерен рост и увеличение в размерах до определенного возраста, растения же продолжают расти всю жизнь.

9. Наследственность. Это свойство заключается в способности организмов обеспечивать передачу признаков, свойств, особенностей развития из поколения в поколение. Наследственность реализуется в наследовании, т.е. в передаче признаков потомству, что обуславливает преемственность поколений. Единицей наследственности является ген.

10. Гомеостаз. Живые организмы, обитающие в непрерывно изменяющихся внешних условиях, поддерживают постоянство своего химического состава и интенсивность течения всех физиологических процессов с помощью механизмов авторегуляции. Относительное динамическое постоянство состава и свойств, а также устойчивость основных физиологических функций называется « гомеостаз»

В состав живых организмов входят те же химические элементов, что и в объекты неживой природы, однако соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. Элементный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д. В живых организмах 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод , кислород, азот, водород. Кроме того, органические соединения редко встречаются в неживой природе, а все живые организмы построены в основном из четырех крупных групп сложных органических молекул – биологических полимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также липидов.

11. Изменчивость. В основе способности организмов приобретать новые признаки и свойства лежит изменение молекул ДНК. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора. Таким образом, в эволюции биосферы происходит непрерывное и необратимое создание новой информации.

12. Целостность. Взаимозависимость частей обеспечивает структурное единство и выполнение определенной функции.

Существуют также свойства, распространяющиеся на область жиз­ни в целом. Они отражают универсальные принципы ее существования во времени и пространстве. Одно из таких свойств — включенность организмов в процесс эволюции. Благодаря этому жизнь как особое явление материального мира сохраняется на протяжении вот уже более 3 млрд. лет. Второе такое свойство — существование отдельных орга­низмов лишь во взаимодействии с другими в составе особых сообществ — биоценозов.