СВОЙСТВА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖИЗНИ

Жизнь в ее конкретных проявлениях отличается большим многообразием. Можно, однако, выделить совокупность свойств, которые присуши всем живым существам, и отличают их от тел неживой природы. Для живых объектов характерна особая форма взаимодействия с окружающей средой — обмен веществ. Основу его составляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм). Эти процессы направлены на обновление структур организма, а также на обеспечение различных сторон его жизнедеятельности необходимыми питательными веществами и энергией. Обязательным условием обмена веществ служит поступление извне определенных химических соединений, т. е. существование организма как открытой системы.

Процессы ассимиляции и диссимиляции представлены объединенными в метаболические каскады и циклы химическими реакциями, которые строго упорядочены во времени и пространстве. Показательны расчеты для микоплазм — микроорганизмов, занимающих по размерам промежуточное положение между вирусами и типичными бактериями. Наиболее мелкие из них превосходят по диаметру атом водорода всего в 1000 раз, но их метаболический аппарат включает примерно 100 реакций (в клетке человека их более 10 000). Согласованное протекание большого количества реакций в малом объеме достигается путем закономерного распределения отдельных звеньев обмена веществ в протоплазме — структурированности, что является обязательным свойством живых объектов.

Для выяснения связей между структурированностью, обменом веществ и существованием живых форм как открытых систем следует обратиться к понятию энтропии.

В соответствии с первым началом термодинамики при химических и физических превращениях энергия не исчезает и не образуется вновь, а переходит из одной формы в другую (закон сохранения энергии). Поэтому теоретически каждый процесс мог бы протекать одинаково легко в прямом и в обратном направлениях. В природе же разнообразные процессы самопроизвольно, без воздействий со стороны окружающей среды (извне) идут всегда в одном направлении: теплота переходит от более теплого объекта к менее теплому, частицы в растворе перемешаются из зоны высокой концентрации в зону низкой концентрации и т. д. Мерой необратимости природных процессов служит энтропия. Закономерности изменения энтропии описываются вторым началом термодинамики, согласно которому в энергетически изолированной системе, если в ней происходят неравновесные процессы, количество энтропии изменяется в одну сторону, становясь максимальным по достижении состояния равновесия. Статистическое истолкование второго начала термодинамики (принцип Больцмана) говорит, что равновесное состояние является наиболее вероятным в естественных условиях и характеризуется наименьшей упорядоченностью элементов системы. Поэтому энтропию рассматривают и как меру упорядоченности (структурированности) природных систем. Живой организм сохраняет структурированность на протяжении жизни, противостоя всеобщей тенденции к возрастанию энтропии, что становится возможным благодаря постоянному притоку энергии извне, которая поддерживает состояние равновесия. Живой организм в отличие от тел неживой природы представляет собой энергетически открытую систему, т. е. активно организует поступление энергии за счет обмена веществ с окружающей средой. Это свойство обусловлено приспособленностью организма к условиям обитания. Перекачивая из внешней среды энергию и за счет этого понижая энтропию внутри себя, живые существа повышают энтропию окружающей среды.

Благодаря обмену веществ организм выполняет работу, направленную на объекты внешней среды. Результатом ее является, в частности, отыскание и поглощение пищи, что обеспечивает приток и усвоение необходимых для жизнедеятельности веществ. Часть субстратов и энергии, высвобождаемых в результате обмена веществ, используется на постоянное самообновление структур организма, которые в процессе жизнедеятельности и взаимодействия со средой обитания подвергаются неблагоприятным изменениям. Эти изменения в целом повышают энтропию, тогда как самообновление препятствует этому процессу. Постоянная работа по поддержанию в самих себе энтропии на достаточно низком уровне служит важным свойством живых форм.

В результате самообновления воссоздаются структуры, в точности соответствующие разрушаемым. Это происходит благодаря наличию в живых объектах информации (определенного знания), которая создавалась в процессе эволюции вида и содержится в наследственном веществе — ДНК. Использование биологической информации состав­ляет еще одно свойство живых форм. Воплощение информации в структуру живого объекта происходит в процессе характерного для живых форм индивидуального развития, в ходе которого наблюдается и такое свойство, как способность к росту.

В структуры живых организмов входят уникальные по своим свойствам химические соединения — биополимеры, не имеющие аналогий в неживой природе. Речь идет о белках-ферментах, благодаря которым биохимические реакции протекают в требуемом направлении, с достаточными скоростями, при обычных условиях температуры и давления. Ферменты обладают специфичностью действия и катализируют превращения веществ определенного химического строения или даже отдельного вещества. Специфичность ферментов, равно как и белков, не выполняющих каталитических функций, зависит от постоянства их первичной структуры — определенной последовательности аминокислотных остатков в молекуле полимера. Белки клеток постоянно обновляются, вместо разрушающихся молекул синтезируются новые. Отдельные белковые молекулы воспроизводятся, таким образом, всякий раз заново, но сохраняют постоянство своей структуры. Источником информации служат нуклеиновые кислоты. Такое отношение между белками и нуклеиновыми кислотами соответствует двум формам существования биологической информации, отражением которых на уровне организма служит наличие у него генотипа и фенотипа.

Обмен веществ в зависимости от состояния внешней среды способен к изменениям приспособительного характера. Адекватная реакция организма как целого на состояние окружающей, а также внутренней среды зависит от механизмов регистрации соответствующих изменений, анализа поступающих данных, выработки решении о содержании и интенсивности ответа. Это свойство роднит живые объекты с кибернетическими устройствами, которые подчиняются законам передачи и переработки информации. Термин информация употребляется здесь в широком смысле. Биологическая информация, о которой речь шла выше, количественно и качественно эквивалентна наследственной информации, в которой сконцентрирован многовековой опыт эволюционного развития. Информация в кибернетическом смысле включает и личный опыт конкретного организма. В биологии способность живого объекта воспринимать действие внешних факторов обозначается термином раздражимость, а осуществлять ответную реакцию — возбудимость. Еще одним важным свойством живых форм является способность к размножению, т. е. к воспроизведению себе подобных по типу обмена веществ и принципиальным чертам структурно-функциональной организации.

Совокупность свойств, перечисленных выше, обнаруживается в отдельных живых объектах (особях). Есть 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 3 млрд. лет. Второе такое свойство — существование отдельных организмов лишь во взаимодействии с другими в составе особых сообществ — биоценозов. В зависимости от подходов, используемых авторами, существуют общие, сущностные, описательные формулировки. Всеобщим является определение жизни как особой формы движения материи, которая возникла на определенном этапе ее развития. Важное в практическом отношении следствие из этого определения заключается в наделении живых объектов специфическими качествами, не сводимыми к закономерностям физики и химии. В сущностных определениях жизни на первый план выдвигаются отдельные свойства живых объектов. Жизнь определяли как «питание, рост и одряхление» (Аристотель), «стойкое единообразие процессов при различии внешних влияний» (Тревиранус), «совокупность функций, сопротивляющихся смерти» (Биша), «химическую функцию» (Лаву­азье), «сложный химический процесс» (И. П. Павлов), систему по достижению низкоэнтропийных состояний. Классическое определение жизни дано Ф. Энгельсом. Он пишет: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей тел». И далее: это такой способ, «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». В определении Ф. Энгельса охарактеризован главный субстрат жизни — белок, важнейшее условие его сохранения во времени — самообновление и необходимая предпосылка к выполнению этого условия — обмен веществ на основе взаимодействия с внешней средой.

В практическом отношении полезны описательные определения. Одно из них, например, характеризует жизнь как макромолекулярную систему, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ, тщательно регулируемый поток энергии и которая представляет собой распространяющееся ядро упорядоченности в менее упорядоченной Вселенной.