Отличия живой и неживой природы

На первый взгляд, отличить живой организм от неживого объекта чрезвычайно просто. Живое питается, размножается, дышит, движется, неживое лишено этих качеств. Поэтому на ранних этапах развития науки вопрос об отличии живой и неживой природы в принципе не ставился. Однако с развитием биологии ученым пришлось усомниться в, казалось бы, очевидных вещах. Критерий питания как характерной особенности живых систем признается неудовлетворительным, когда выясняется, что питание представляет собой всего лишь один из многочисленных способов поддержания внутренней структуры системы за счет поставляемой извне энергии. Многие неживые системы обладают этой характеристикой. Дыхание представляет, по сути, одну из разновидностей питания. Способность к движению также не является критерием отличия — многие неживые системы двигаются, в то время как многие живые организмы, напротив, такой способностью не обладают. Долгое время считалось, что критерий размножения является достаточным для отделения живых систем от неживых. В самом деле, способностью к воспроизводству себе подобных обладают только живые существа. Однако, если использовать этот критерий, обнаружится, что далеко не все живые системы могут называться живыми. Например, человечеству издавна известны примеры близковидового скрещивания животных, таких как, скажем, лошадь и осел. В результате такого скрещивания получается вполне жизнеспособное потомство — мулы. Однако они способностью к размножению не обладают. Получается, что животные, на протяжении тысячелетий известные человеку, на самом деле не являются живыми существами.

В настоящее время приняты критерии отличия живой материи от неживой по нескольким параметрам. Важнейшие из них следующие:

1. Живые организмы характеризуются высоким уровнем организации внутреннего строения. Молекулы, из которых состоят живые системы, по своей структуре гораздо сложнее молекул неживой природы.

2. Живые организмы являются открытыми системами. Любой организм нуждается в притоке и усвоении внешней энергии (в первую очередь — солнечной, которая прямо или косвенно используется во всех живых системах).

3. Живые организмы адаптируются к окружающей среде. Способность реагировать на внешние раздражения изначально присуща живым системам. Ответ на внешний раздражитель (стимул) называется реакцией живого организма. Набор подобных реакций является основой поведения живой системы.

4. Живые системы обладают способностью к развитию. Эта способность заложена в каждом организме благодаря определенной информации, содержащейся в генетическом материале.

Каждый из этих критериев отличия сам по себе может принадлежать как живым, так и неживым системам, но в комплексе в большинстве случаев они дают картину различия живых и неживых систем. Вирусам, например, свойственны некоторые, но не все эти отличия. Неживые объекты могут обладать одним или несколькими из перечисленных выше свойств, но не всеми одновременно. Кристаллы в насыщенном растворе могут расти, кусочек металлического натрия быстро движется на поверхности воды, капля масла, помещенная в смесь глицерина и спирта в определенной пропорции, выпускает псевдоподии и передвигается наподобие амебы.

Одним из существенных критериев живых систем является наличие в них особенных высокоорганизованных молекул. К таким молекулам относят, во-первых, белки, во-вторых, нуклеиновые кислоты. Наличие этих двух видов молекул (а в некоторых случаях — даже одного вида) позволяет с достаточной уверенностью говорить о живой природе содержащих их систем.

Белки — сложные высокоорганизованные молекулы, состоящие из ряда более простых соединений — аминокислот. Представление о сложности белковой молекулы может дать формула гемоглобина — белка, отвечающего за перенос кислорода и питательных веществ кровью: C3032 H4816 O872 № 780 S8 Fe4 . И это еще не самая крупная белковая молекула. Для удобства биологи оперируют не полными формулами белка, а его аминокислотной структурой. В настоящее время известны около сорока аминокислот, из которых в человеческом организме встречаются примерно двадцать пять. Каждая аминокислота представляет собой отдельную молекулу, способную к установлению особого рода связей с другими аминокислотами. Такие связи называются пептидными.

Функции белков в живых организмах чрезвычайно обширны и разнообразны. Строительная функциязаключается в использовании белковых молекул для строительства отдельных структур живой клетки. Клеточная оболочка, ядро, митохондрии — все эти структуры состоят из белка. Транспортная функция — перенос кислорода, питательных веществ, а также продуктов распада от одних органов и тканей к другим. Примером здесь может быть уже упоминавшийся гемоглобин, который переносит кислород, всасывающийся в кровь, к различным органам и тканям. Трофическая функциязаключается в поставлении белками определенного вида биологической энергии и некоторых веществ. Например, все аминокислоты, из которых состоят белки человека, делятся на воспроизводимые — те, которые могут быть синтезированы в организме, — и невоспроизводимые. Для поддержания структуры белка невоспроизводимые аминокислоты должны поступать извне с пищей. Они могут содержаться либо в белках животного, либо растительного происхождения. Каталитическая функция —регулирование скорости химических реакций, идущих в организме. Живые системы отличаются способностью осуществлять некоторые химические реакции, для протекания которых в естественной среде понадобилось бы значительное время, за очень сжатые промежутки времени. Например, при некоторых реакциях в клетке выделяется перекись водорода — ядовитое вещество, разрушающее клеточную стенку. Она разлагается в присутствии железа, но чрезвычайно медленно. Однако благодаря ферменту каталазе (молекула которого содержит один атом железа) этот процесс ускоряется в десятки тысяч раз. Понадобилось бы триста лет для того, чтобы один атом железа вне живой клетки расщепил такое количество перекиси водорода, которое молекула каталазы расщепляет за одну секунду. Белки, выполняющие каталитическую функцию в организме, называются ферментами. Ни один химический процесс в организме, ни одна биохимическая реакция не происходит без участия ферментов. Информационная функциябелков будет рассмотрена ниже, она тесно связана с организацией нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты впервые были выделены в 1870 г. Мишером из клеточных ядер, что и дало их название (от лат. nucleus — ядро). Существуют два основных вида нуклеиновых кислот — рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). В настоящее время выделены несколько различных видов ДНК и РНК, отличающихся по своему строению. Как и молекулы белка, молекулы нуклеиновых кислот состоят из более простых образований, называемых нуклеотидами. Различают два вида нуклеотидов (иногда они называются основаниями) — пуриновые и пиримидиновые. К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин, к пиримидиновым — цитозин, тимин и урацил. В состав РНК входят аденин, гуанин, цитозин и урацил, в ДНК вместо урацила используется тимин. Молекулы нуклеиновых кислот построены из линейных цепей нуклеотидов, соединенных эфирной связью.

Структура ДНК была открыта в 1953 г. американскими биологами Дж. Уотсоном и Ф. Криком, за что эти ученые получили нобелевскую премию.

Основной функцией нуклеиновых кислот является информационная.В наибольшей степени это относится к ДНК, которая, согласно современным представлениям, является основным носителем генетической информации живых организмов. ДНК представляет собой двойную спираль, каждая ветвь которой состоит из нуклеотидов. Было доказано, что основания могут образовывать химические связи только попарно — аденин с тимином, а цитозин с гуанином. Схематически модель участка ДНК будет выглядеть следующим образом:

А — — — Т

I I

Ц — — — Г

I I

Т — — — А

I I

Ц — — — Г

I I

А — — — Т

I I

Г — — — Ц

и т.д.

Эфирные связи между двумя цепочками спирали ДНК не являются очень прочными, и под воздействием определенных белков в процессе деления клетки начинают рваться. Разрыв этих связей приводит к возможности замещения оснований до полной пары. Химическая реакция, обеспечивающая разрыв двойной спирали ДНК именно в нужный момент в нужном месте, происходит благодаря выполнению белками— ферментами своей информационной функции, о которой было сказано выше. Каждая из образовавшихся одиночных цепочек достраивается до двойной за счет нуклеотидов, находящихся в цитоплазме клетки. В результате образуются две молекулы, являющиеся точной копией исходной ДНК:

А — — — T Т — — — A

I I I I

Ц — — — Г Г — — — Ц

I I I I

Т — — — А А — — — Т

I I I I

Ц — — — Г Г — — — Ц

I I I I

А — — — Т Т — — — А

I I I I

Г — — -Ц Ц — — — Г

Крайние цепочки представляют в данной схеме первичную молекулу ДНК, а средние — дочерние, образованные в результате ее удвоения. Процесс удвоения ДНК называется репликацией. Две цепи ДНК отделяются друг от друга, и около каждой из них возникает тождественная или, как говорят биологи, комплементарная цепь. При построении новой цепи нуклеотиды располагаются в ней совершенно определенным образом, т.к. пурины и пиримидины исходной молекулы образуют связи с комплементарными им пиримидинами и пуринами и тем самым выстраивают их в комплементарной старой цепи последовательности. Затем новая и исходная цепи закручиваются одна вокруг другой, образуя новую молекулу ДНК.

Из такой структуры молекулы вытекает, что генетическая информация, содержащаяся в ДНК, закодирована в специфической последовательности нуклеотидов. Каждой аминокислоте, входящей в состав белка, соответствует так называемый триплетный код, или слово, состоящее из трех последовательно расположенных оснований. Число трехбуквенных слов из четырех символов (нуклеотидов) составляет 64, этого вполне хватает для кодирования всех аминокислот. В генетическом коде нет знаков препинания, триплеты читаются один за другим, до тех пор, пока этот процесс не дойдет до определенной комбинации, означающей завершение кодирования. Современные данные позволяют считать, что генетический код является универсальным, т.е. сочетание нуклеотидов, соответствующих определенной аминокислоте, одинаково для всех живых организмов, от бактерий до человека. Экспериментальное подтверждение эта теория получила в 1961 г. Американскому биологу Ниренбергу удалось синтезировать полиурациловую кислоту — нуклеиновую кислоту, состоящую только из урациловых оснований. Когда эту искусственную информационную РНК добавили в раствор ферментов, катализирующих синтез белка, началось включение в белок только одной аминокислоты — фенилаланина. Отсюда был сделан вывод о том, что за синтез этой аминокислоты отвечает комбинация оснований УУУ. Сейчас расшифрованы триплетные коды большинства аминокислот, входящих в состав белка человека и многих животных. Это дало толчок развитию такой дисциплины как генная инженерия.