Сущность жизни, свойства живых организмов

 СУЩНОСТЬ ЖИЗни 
 
     Вопрос о сущности жизни, о том где проходит граница между живым и неживым является краеугольным камнем современнной теоретической биологии. В данной лекции мы постараемся рассмотреть эту проблему сразу с нескольких позиций. 
    В 1964 г. наш соотечественник академик А.Н.Колмогоров, известный своими работами в области теории систем, сформулировал определение жизни, ставшее классическим: "Живые системы характеризуются непрерывными потоками вещества, энергии и информации, которые они способны воспринимать, хранить и перерабатывать". 
   С позиций теории систем любую систему, в том числе и биологическую, можно изучать в двух аспектах: 1 - ее структуры; 2 - поведения. По своей структуре биосистемы, как правило, делятся на элементы (подсистемы), связанные между собой. 
   Поведение системы - эти фактически совокупность ее реакций в ответ на воздействия, поступающие из окружающей среды. 
    По структуре системы подразделяются на замкнутые, открытые и относительно изолированные. Замкнутые системы совершенно изолированы от окружающей среды, в них существует связь только между собственными элементами. В открытых системах - кроме внутренних связей имеются и внешние. В относительно изолированных системах также существуют внутренние и внешние связи. Внешние связи системы осуществляются либо через входы (сенсоры), либо через выходы (эффекторы).  
   Жизнь существует в виде открытых систем.  
    Академик Энгельгарт В.А. (1969), один из основоположников биоэнергетики, наш соотечественник, сформулировал коренное отличие живого от неживого с позиций биоэнергетики следующим образом: "Коренное отличие живого от неживого выражается в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул." 
   Мерой упорядоченности биосистем служит энтропия. Выделяют энтропию "S" это термодинамическая энтропия и "H" - это информационная энтропия. 
  Обсудим термодинамическую энтропию "S". Согласно второму закону термодинамики под энтропией понимается процесс рассеивания энергии, заключающийся в переходе всех видов энергии в тепловую и равномерном распределении ее между всеми телами природы. 
   Приращение энтропии численно равно отношению количества теплоты, сообщенного системе (или отведенного от нее к термодинамической температуре системе) dS=dQ/T. 
    В живых природных системах выравнивания энергии не происходит. Еще в 1935 году Э.С. Бауэром сформулировал принцип устойчивого неравновесия живых систем: "Все живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях". 
    Однако это не значит, что биосистемы не подчиняются второму закону термодинамики.

    Значительный вклад в развитие представлений об энтропии применительно к биосистемам внес австрийский физик, один из создателей квантовой механики, - Э. Шредингер. Помимо понятия энтропии он использовал понятие негэнтропии - отрицительной энтропии и сформулировал следующее положение: "Живое остается живым только благодаря постоянному извлечению из окружающей среды отрицательной энтропии - негэнтропии. Ее источником является для растений - солнечный свет, для гетеротрофных организмов - вещества, синтезированные автотрофами". По теории Шредингера живые существа, используя негэнтропию, тем самым увеличивают положительную энтропию в окружающей среде. 
     На смену теории Шредингера пришла "теория содержательной информации" согласно которой биосистемы извлекают из окружающей среды не негэнтропию, а содержательную информацию, при этом информация окружающей среды не обедняется, подобно тому, как не обедняется содержание книги при многократном ее прочтении. С этих позиций процесс индивидуального развития Камшилов предложил рассматривать как процесс постепенного извлечения информации из окружающей среды.

Основные свойства живых организмов.

А) Единство химического состава. В  состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в  объекты не живой природы. Однако соотношение элементов в живом  и неживом не одинаково. В живых  организмах 98% химическо-го состава  приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород.  
 
Б) Обмен веществ и энергии. Важный признак живых систем – использование внешних источников энергии в виде пищи, света и др. Через живые системы проходят потоки веществ и энергии, вот почему они открытые. Основу обмена веществ состовляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции, т.е. процессы синтеза веществ в организме, и диссимиляции, в результате которых сложные вещества и соединения распадаются на простые и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Обмен веществ обеспечивает относительное постоянство химического состава всех частей организма.  
 
В) Самовоспроизведение. Существование каждой отдельно взятой биологи-ческой системы ограничено временем; подержа-ние жизни связано с самовоспроизведением. Любой вид состоит из особей, каждая из которых рано или поздно перестаёт существовать, но благодаря самовоспроизведению жизнь вида не прекращается. В основе само воспроизведения лежит образование новых молекул и структур, которое обусловлено информацией, заложенной в нуклеиновой кислоте ДНК. Самовоспроизведе-ние тесно связано с явлением наследственности: любое живое существо рождает себе подобных. Наследственность заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена относительной стабильностью, т.е. постоянством строение ДНК.  
 
Г) Изменчивость. – свойство, противоположное наследственности. Оно связано с приобретением организмами новых признаков и свойств. В основе наследственной изменчивости лежат изменения биологических матриц – молекул ДНК. Изменчивость создает разнообразный материал для отбора наиболее приспособленных к конкретным условиям существования, что, в свою очередь приводит к появлению новых форм жизни, новых видов живых организмов.  
 
Д) Способность к росту и развитию. – свойство, присущее любому живому организму. Расти – значит увеличиватся в размерах и массе с сохранением общих черт строения. Рост сопровождается развитием. В результате развития возникает новое качественное состояние объекта.  
Развитие живой формы материи представлено индивидуальным и историческим развитием. На протяжении индивидуального развития постепен-но и последовательно проявляются все свойства организмов. Историческое развитие сопровожда-ется образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. В результате исторического развития возникло все многообразие жизни на Земле.  
 
Е) Раздражимость. – неотъемлемая черта, присущая всему живому; она является выражением одного из свойств всех тел природы – свойства отражения. Оно связано с передачей информации из внешней среды любой биологической системе. Это свойство выражается реакциями живых организмов на внешнее воздействие. Благодаря раздражимости организмы избирательно реаги-руют на условия окружающей среды.  
 
Ж) Дискрет-ность. – всеобщее свойство материи. Любая биологическая система состоит из отдельных, но тем не менее взаимодействующих частей, образу-ющих структурно-функциональное единство.

Уровни организации живых систем

Каждая  живая система состоит из единиц подчиненных ей уровней организации  и является единицей, входящей в  состав живой системы, которой она  подчинена. Например, организм состоит  из клеток, являющихся живыми системами, и входит в состав недоорганизменных  биосистем (популяций, биоценозов).

Существование жизни на всех уровнях подготавливается и определяется структурой низшего  уровня:

·         характер клеточного уровня организации определяется молекулярным;

·         характер организменного — клеточным;

·         популяционно-видовой — организменным и т.д.

1.     Молекулярный уровень. Молекулярный уровень несет отдельные, хотя и существенные признаки жизни. На этом уровне обнаруживается удивительное однообразие дискретных единиц. Основу всех животных, растений и вирусов составляют 20 аминокислот и 4 одинаковых оснований, входящих в состав молекул нуклеиновых кислот. У всех организмов биологическая энергия запасается в виде богатой энергией аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Наследственная информация у всех заложена в молекулах дизоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), способной к саморепродукции. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК).

2.     Клеточный уровень. Клетка является основной самостоятельно функционирующей элементарной биологической единицей, характерной для всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. В истории жизни на нашей планете был такой период (первая половина протерозойской эры ~ 2000 млн. лет назад), когда все организмы находились на этом уровне организации. Из таких организмов состояли все виды, биоценозы и биосфера в целом.

3.     Тканевый уровень. Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих различающиеся между собой ткани. Большое сходство между всеми организмами сохраняется на тканевом уровне.

4.     Органный уровень. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. (Всего лишь шесть основных тканей входят в состав органов всех животных и шесть основных тканей образуют органы у растений).

5.     Организменный уровень. На организменном уровне обнаруживается чрезвычайно большое многообразие форм. Разнообразие организмов, относящихся к разным видам, а также в пределах одного вида, объясняется не разнообразием дискретных единиц низшего порядка (клеток, тканей, органов), а усложнением их комбинаций, обеспечивающих качественные особенности организмов. В настоящее время на Земле обитает более миллиона видов животных и около полумиллиона видов растений. Каждый вид состоит из отдельных индивидуумов (организмы, особи), имеющих свои отличительные черты.

6.     Популяционнно-видовой уровень. Совокупность организмов одного вида, населяющих определенную территорию, составляет популяцию. Популяция — это недоорганизменная живая система, которая является элементарной единицей эволюционного процесса; в ней начинаются процессы видообразования. Популяция входит в состав биоценозов.

7.     Биоценотический уровень. Биогеоценозы — исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций различных видов, связанных между собой и окружающей средой обменом веществ, энергии и информации. Они являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов.

8.     Биосферный уровень. Совокупность биогеоценозов составляют: биосферу и обуславливают все процессы, протекающие в ней.

Таким образом, мы видим, что вопрос о структурных уровнях в биологии имеет некоторые особенности  по сравнению с его рассмотрением  в физике. Эта особенность состоит  в том, что изучение каждого уровня организации в биологии ставит своей  главной целью объяснение феномена жизни. Действительно, если в физике деление на структурные уровни материи  в достаточной степени условно (критериями здесь являются масса  и размеры), то уровни материи в биологии отличаются не столько размерами или уровнями сложности, но главным образом, закономерностями функционирования.

Действительно, если, например, исследователь  изучил физико-химические свойства биологического объекта и его структуру, но не установил его биологического назначения в целостной системе, это будет  означать, что изучен ещё один определенный объект, но не уровень живой материи.

Ещё одна особенность структуризации живой  материи состоит в иерархической соподчиненности уровней. Это означает, что низшие уровни как единое целое входят в высшие. Эта концепция структуризации получила название «многоуровневой иерархической матрешки».

Важно отметить, также, что число выделяемых в  биологии уровней зависит от глубины  профессионального изучения мира живого.

Факторы зарождения жизни.

Прежде, чем объяснить природу  зарождения жизни, в первую очередь  необходимо определить, какие условия  должны существовать, чтобы на планете  могла зародиться, по крайней мере, белковая жизнь. Девять планет солнечной  системы — наглядный пример этому. В данный момент, только на планете  Земля существуют необходимые и  достаточные условия для жизни  или, по крайней мере, сложноорганизованной живой материи. И первоочередной задачей является определение этих условий. Исходя из понимания вышеупомянутых процессов, происходящих на макро- и микроуровнях пространства, можно выделить следующие условия, необходимые для зарождения жизни:

1. Наличие постоянного перепада мерности ς. Величина постоянного перепада мерности и коэффициент квантования пространства γ_i (определяющий количество форм материй данного типа, которые могут слиться в пределах этого перепада) определяют эволюционный потенциал возможной жизни. Кратность этих величин — критерий, дающий представление о количестве качественных барьеров (уровней), возникающих внутри этого перепада мерности. Количество барьеров характеризует качественное многообразие возможной жизни. В том числе, возможность появления разума и его развития. Мерность макропространства, после завершения формирования планеты, возвращается к исходному уровню, который был до взрыва сверхновой звезды. После завершения процесса образования возникает постоянный перепад мерности между уровнем мерности физически плотного вещества (2.89915) и уровнем мерности окружающего макрокосмоса (3.00017). Таким образом, постоянный перепад мерности является необходимым условием возникновения жизни. Важное значение имеет величина этого перепада. Именно величина перепада определяет эволюционный потенциал живой материи, жизни. Минимальный перепад мерности, при котором возможно зарождение жизни, должен быть равен:

ς = 1 γ_i (ΔL)   (4.2.1)

Появление элементов разума и зарождение памяти, без которой невозможно развития разума, возможно при перепаде мерности, равном:

ς = 2 γ_i (ΔL)    (4.2.2)

Необходимым условием для возникновения  разума и его эволюции является перепад  мерности:

ς = 3 γ_i (ΔL)    (4.2.3)

Таким образом, используя перепад  мерности, как критерий, можно говорить о требовании к качественной структуре  пространства-вселенной (для нашего пространства-вселенной (γ_i(ΔL) = 0.020203236…). Только пространства-вселенные, образованные тремя и большим количеством форм материй имеют необходимые условия для зарождения жизни и разума