Определение жизни. Материальные основы жизни и свойства живых систем

Определить понятие “жизнь” достаточно трудно из-за сложности и многообразия процессов, протекающих в живых, или биологических, системах. Оно должно включатьхарактеристику:

материальных основ жизни, на основе которых она существует (структурный компонент),

процессов, на основе которых она реализуется (функциональный компонент).

Кроме того, определение должно отражать особые свойства живых систем по сравнению с неживыми.

На протяжении длительного времени возможность научной формулировки определения жизни вызывала сомнения. Так, в знаменитой французской “Энциклопедии, или Толковом словаре наук, искусств и ремесел” (1751-1780), среди авторов которой были крупнейшие ученые и философы того времени, жизнь определялась как состояние, противоположное смерти. Такой подход, естественно, требовал формулировки явления смерти, что невозможно без определения жизни.

Современное обобщенное определение жизни можно сформулировать следующим образом: жизнь – это способ существования материи в виде систем, организованных из нуклеиновых кислот, белков и липидов и способных к самосохранению, саморегуляции и самовоспроизведению.

Такие системы существуют в относительно узком диапазоне физических параметров внешней среды и являются дискретными, энергетически открытыми и иерархически упорядоченными.

Нуклеиновые кислоты оказались важнейшей универсальной материальной основой жизни благодаря двум своим свойствам. Во-первых, нуклеиновые кислоты обладают свойствами ферментов. Это, очевидно, имело значение на раннем этапе возникновения простейших биосистем. Во-вторых, что еще существеннее, нуклеиновые кислоты оказались способными хранить и передавать информацию о собственной структуре и структуре белков.

На этой основе стало возможным не только копировать информацию путем самоудвоения нуклеиновых кислот, но и реализовать ее в процессе синтеза белков. Более того, нуклеиновые кислоты определили возможность передачи специфических особенностей живых систем при размножении, т. е. наследование. Тем самым сформировалось важнейшее свойство живого – способность к самовоспроизведению.

Белки характеризуются огромным структурным и, как следствие, функциональным разнообразием. Решающее значение для включения белков в простейшие биологические системы имели их ферментативные способности, что позволило резко ускорить химические реакции, протекающие в живых системах. В результате на основе структурной обособленности биосистем, созданной липидами (см. выше), сформировалась и первичная функциональная обособленность (различие скорости определенных реакций в биосистемах по сравнению с окружающей средой). В дальнейшем сыграла свою роль способность белков осуществлять и другие функции, особенно транспортную.

Липиды являются важнейшим универсальным структурным компонентом биосистем. С помощью липидных мембран простейшие биосистемы изолировались от окружающей водной среды. В результате этого появилась предпосылка к их самосохранению и возникновению клеточной формы жизни. Позднее появились и внутриклеточные компоненты с липидными мембранами.

Способность к самосохранению является одним из универсальных свойств биосистем. Любая живая система может поддерживать свое существование в пределах определенного, но конечного срока. В основе этого свойства лежит постоянный обмен веществом и энергией между биосистемой и окружающей ее средой.

Это, в свою очередь обеспечивает внутрисистемный обмен веществ, или метаболизм (от греч. метаболе – перемена), который складывается из совокупности реакций биосинтеза органических веществ, или анаболизма (от греч. анаболе – подъем), и расщепления органических веществ, или катаболизма (от греч. катаболе – падение).

В результате происходит непрерывное обновление большинства элементов живой системы, благодаря чему она существует намного дольше своих элементов. Потеря этого свойства биосистемой означает ее смерть – переход в разряд неживых предметов.

Например, молекулы клеточных белков “живут” меньше, чем сама клетка, отдельные клетки многоклеточного организма – меньше, чем организм, отдельные организмы – меньше, чем популяция, и т. д.

Способность к саморегуляции, т. е. адекватным реакциям на изменение условий существования, также представляет собой универсальное свойство живых систем. Благодаря этому свойству живые системы могут поддерживать в определенных пределах гомеостаз (от. греч. гомеос – одинаковый и стазис – состояние) – динамическое постоянство своего состава и обмена веществ.

Представления об относительном постоянстве внутренней среды организма были впервые высказаны физиологом К. Бернаром (Франция) во второй половине XIX в. В 1929 г. американский физиолог У. Кеннон предложил обозначать данное явление термином “гомеостаз”.

Саморегуляция биосистемы, как и самосохранение, базируется на ее обмене веществом и энергией с внешней средой. Более того, саморегуляция обеспечивает самосохранение биосистемы в изменчивой среде существования, что отличает живые системы от неживых, так как неживые объекты не обладают способностью к реакциям, противостоящим изменениям среды.

Например, при значительном повышении температуры окружающей среды организм человека почти не будет нагреваться благодаря затратам своей энергии на самоохлаждение путем потоотделения. Если эта энергия будет исчерпана, наступит перегрев организма и после превышения температуры тела более 42ºС человек погибнет. Избежать перегрева человек может и покинув среду с повышенной температурой.

Камень же в условиях повышения температуры будет постепенно нагреваться до температуры окружающей среды, что характерно и для тела погибшего человека.

Все варианты саморегуляции реализуются на основе превращений энергии в живых системах. Эти превращения обеспечивают физико-химические процессы, осуществляемые с помощью соответствующих белков (рецепторных, каталитических, транспортных, двигательных и т. д.).

Способность к самовоспроизведению – третье универсальное свойство биосистем – представляет собой способность к размножению, т. е. порождению себе подобных. И это свойство является специфическим признаком живых систем, отличающим их от абсолютного большинства неживых объектов.

Так, если камень расколоть на несколько частей, то количество физических тел, естественно, увеличится, но ни один из осколков не будет иметь форму исходного камня и тем более не увеличится до его размеров. Однако такой способностью в определенной степени обладают кристаллы – неживые объекты.

Воспроизведение себе подобных исходно обусловлено способностью к самоудвоению нуклеиновых кислот. Именно благодаря этому стало возможным равноценное деление простейших живых систем и позднее клеток, размножение и рост многоклеточных организмов.

Кроме указанных свойств, все биосистемы являются энергетически открытыми, т. е. постоянно обмениваются веществом и энергией с внешней средой. Они осуществляют обмен веществ благодаря потоку энергии, поступающему извне. Часть получаемой энергии биосистемы переводят в энергию химических связей и после ее использования выделяют в виде тепла.

Эта особенность принципиально отличает живые системы от неживых физических объектов.

В физике существует теория энергетики открытых систем, к которым относятся биосистемы. Ее законы существенно отличаются от законов, открытых при исследовании неживых объектов. Основы этой теории были разработаны в середине ХХ в. австрийским физиком Э. Шредингером и бельгийским биофизиком русского происхождения И. Р. Пригожиным.

Непрерывный обмен веществ и поток энергии являются обязательными признаками жизни. Получение биосистемой энергии и вещества – “питание” – обеспечивает ее самосохранение, саморегуляцию и самовоспроизведение.

Существуют два основных вида питания: автотрофный (от. греч. аутос – сам и трофе – пища) и гетеротрофный (от греч. гетерос – другой). Автотрофные системы исходно используют энергию небиологического происхождения и неорганические вещества (СО2 и Н2О) для синтеза органических молекул.

Источниками энергии для автотрофов могут быть свет (при фотосинтезе) или окисление неорганических веществ (при хемосинтезе).

Гетеротрофные системы для получения энергии окисляют органические вещества других биосистем. В этом случае “чужая органика” служит источником материала для синтеза собственных органических веществ.

Все живые системы характеризуются дискретностью (от лат. дискретус – разделенный, прерывистый), т. е. представлены конкретными материальными элементами, изолированными обособленными друг от друга и окружающей среды. Тем не менее, такая дискретность не абсолютна, она не препятствует взаимодействию элементов системы. Это обеспечивает ее целостность, а значит, изоляцию от других систем, с которыми она взаимодействует.

Все живые системы имеют иерархическую (от греч. иерархия – священная власть) структуру, т. е. характеризуются соподчиненностью своих элементов.

Например, организм человека сформирован системами органов, взаимодействующими друг с другом, каждая система органов состоит из взаимодействующих органов, каждый орган – это комплекс взаимодействующих тканей, каждая ткань представлена совокупностью взаимодействующих клеток. Иерархичность структуры организма в данном случае выражается в том, что функции систем органов подчинены организму, органов – системе орг анов, тканей – органу, клеток – ткани.

Иерархическая структура является признаком высокой сложности и упорядоченности биосистем. Для создания и поддержания этого необходим приток энергии извне, т. е. живая система должна быть энергетически открытой. Самопроизвольные процессы в природе протекают только в направлении, уменьшающем упорядоченность, что для биосистемы означает гибель.)Почему?

Поток энергии, проходящий через любую систему, обязательно вызывает ее упорядочение и, как следствие, усложнение. Именно это и происходит в живых системах, которые эффективно используют внешнюю энергию для создания и поддержания упорядоченности, сложности и иерархичности.

Иерархичность и дискретность живых систем определяют существование различных уровней биологической организации. Самый сложный, планетарный уровень организации жизни представлен биосферой – всем пространством Земли с населяющими ее организмами. Этот уровень соответственно называют биосферным.

Биосфера представлена совокупностью биогеоценозов – группами организмов разных видов, взаимодействующих между собой на определенной территории. Каждая из таких систем соответствует биогеоценотическому уровню организации.

В состав любого биогеоценоза входят популяции организмов разных видов, взаимодействующие друг с другом. Их существование как живых систем определяет популяционно-видовой уровень организации жизни.

Каждая популяция – это совокупность организмов одного вида, обитающих на определенной территории и взаимодействующих между собой. Каждый организм также обладает свойствами биосистемы, благодаря чему существует организменный уровень организации живого.

Все живые организмы являются клетками или совокупностью взаимодействующих клеток. Клетка представляет собой самую простую биосистему, определяющую наличие клеточного уровня организации живых систем.

Наконец, существуют и неклеточные формы жизни – вирусы. В простейшем случае они состоят только из комплекса макромолекул (нуклеиновых кислот и белков) и, соответственно, макромолекулекулярный уровень жизни.

Вопросы:

1. Можно ли считать процессом самовоспроизведения: увеличение числа камней, отколовшихся от валуна; появление облаков перед дождём; увеличение числа копий документа с помощью множительной техники; печать фотографий, изображающих лесной пейзаж? Ответ поясните.

2. Используя прочитанный материал закончите схему «Способы саморегуляции живых организмов»:

Способы саморегуляции

Активная реакция на внешние воздействия		Способность поддерживать в определённых пределах постоянство своего состояния
Примеры:		Примеры:

3. Опишите реакции физических тел и живых организмов на внешнее воздействие: повышение температуры, понижение температуры, увеличение влажности воздуха, понижение влажности воздуха.

Дата добавления: 2014-01-20