Многообразие форм жизни создает трудности для ее определения как явления. Первые подходы к решению этой задачи основаны на поисках свойств, качественно отличающих живое от неживого. Жизнь определяли как «питание, рост и одряхление» (Аристотель), «стойкое единообразие процессов при различии внешних условий» (Г. Тревира-нус), «совокупность функций, сопротивляющихся смерти» (М. Биша) или «способ борьбы с энтропией» (исследователи начала-середины минувшего столетия), «химическую функцию» (А. Лавуазье), «сложный химический процесс» (И.П. Павлов). Неудовлетворенность этими определениями понятна. Свойства живого, взятые каждое отдельно, лишены исключительности и обнаруживаются в объектах неживой природы.
Определение жизни как «особой, очень сложной формы движения материи» (А.И. Опарин), правильно утверждая ее качественное своеобразие и несводимость биологических законов к законам физическим и химическим, не раскрывает природу своеобразия. Есть мнение, что
жизнь столь же вечна и повсеместна во Вселенной, как материя. Поэтому ее следует считать одним из фундаментальных свойств последней, чем-то сродни гравитации.
Полезны определения, основанные на выделении комплекса свойств, обязательного для живых существ. Одно из них характеризует жизнь как макромолекулярную открытую систему, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ, регулируемый поток энергии. И далее — жизнь представляет собой ядро упорядоченности, распространяющееся в менее упорядоченной Вселенной.
Рассмотрим типичные свойства жизни по отдельности. Живым формам присущ особый способ взаимодействия с окружающей средой — обмен веществ (метаболизм). Его содержание составляют процессы анаболизма (ассимиляция, пластический обмен) и катаболизма (диссимиляция, энергетический обмен). Задачей анаболизма является продукция веществ, необходимых организму в его жизнедеятельности, образовании и обновлении структур. Задача катаболизма — разложение органических соединений на составляющие, которые затем используются для целей энергообеспечения или служат «строительным» материалом. Катаболизм и анаболизм связаны таким образом, что высвобождаемая в ходе катаболических (экзэргонических) процессов энергия используется для приведения в действие энергопотребляющих (эндэргонических) анаболических процессов.
По типу обмена веществ земные живые существа подразделяются на аутотрофные и гетеротрофные организмы. Первые образуют сложные органические соединения из простых неорганических веществ, используя для этого энергию солнца (фотоавтотрофы) или энергию химических связей (хемоавтотрофы). В «экономике» природы ауто-трофам принадлежит важнейшая роль первичных продуцентов (производителей) органики. К ним относятся некоторые бактерии и все зеленые растения. Гетеротрофы не способны синтезировать органику из неорганики. Они получают ее в виде пищи. Окисление пищевых веществ дает этим организмам необходимую для их жизнедеятельности энергию. В «экономике» природы гетеротрофам отведена роль кон-сументов и деструкторов. К ним принадлежат все животные. Люди — также гетеротрофы, правда, своеобразные. Для обеспечения своей жизнедеятельности и, без чего немыслимо бытие человека, общественного обустройства они используют органику не только современного им исторического периода, но и ту, которая образовалась в далеко отстоя-
щие во времени от наших дней минувшие эпохи. Речь идет об ископаемых видах топлива — каменном угле, нефти, природном газе, сланцах.
В многоклеточном организме выделяется внешний и внутренний (внутриклеточный) обмен веществ. Первый происходит между организмом и окружающей средой и заключается в поступлении в него питательных веществ, кислорода, воды, витаминов, минеральных солей и выделении в окружающую среду конечных продуктов обмена, прежде всего углекислого газа и воды. Во втором случае двусторонний обмен устанавливается между клетками и внеклеточной средой, являющейся, по существу, внутренней средой организма.
Для осуществления обмена, с одной стороны, необходим приток веществ извне, а с другой, — неутилизируемые продукты обмена должны выделяться во внешнюю среду. При этом поток веществ через организм неразрывно связан с потоком энергии. Таким образом, организм или клетка в вещественно-энергетическом плане относительно окружающей или внеклеточной среды являются открытыми системами.
Процессы катаболизма и анаболизма представлены химическими реакциями, объединенными в метаболические циклы и каскады (химические превращения), структура которых отличается упорядоченностью во времени и пространстве (прежде всего, речь идет об объеме клетки). Итогом метаболического цикла является определенный биологически значимый результат — на рибосоме из аминокислот образуется полипептид, а поступающий в митохондрию из основного вещества цитоплазмы пируват (анион пировиноградной кислоты) через ряд превращений в матриксе (цикл Кребса) и во внутренней мембране (цепь переноса электронов) органеллы доводится до углекислого газа и воды с образованием высокоэнергизированных (макроэргических) молекул аденозинтрифосфата (АТФ).
Упорядоченность различных составляющих обмена веществ достигается благодаря структурированности (компартментации) объема клетки. Так, предшествующий клеточному делению синтез ДНК происходит в ядре, гидролитическое расщепление поступающих в клетку веществ или разрушение «износившихся» внутриклеточных структур — в лизосомах, упаковка в оболочку выделяемых экзокринной железистой клеткой гранул секрета — в пластинчатом комплексе Гольджи.
Правило компартментации распространяется на оба типа клеточной организации — прокариотический и эукариотический, хотя способы его реализации различны. Различна также эволюционная и экологическая стратегия про- и эукариот. Для первых, не без
оснований называемых доминирующей формой жизни во все времена, выживание и широкое расселение путем освоения разнообразных (в том числе и с «экстремальными» абиотическими характеристиками; бактерия Pyralobus fumaris, например, растет при температуре 113 °С) экологических ниш связаны с исключительной метаболической (биохимической) лабильностью (гибкостью), тогда как для вторых типично преобразование структур при относительной консервативности обменных процессов. Есть мнение, что в биохимии полезны не признаки, а цепи реакций. Оно указывает на возможное своеобразие способов компартментации у прокариот, уходящих корнями в область межмолекулярных взаимодействий. Так, согласно одной из точек зрения, регуляция функциональной (матричной) активности ДНК связана с циклом «компактизация-декомпактизация» двойной спирали. Первый шаг в компактизации ДНК эукариот заключается в образовании нуклеосом. Многими бактериями гистоновые белки не образуются и нуклеосом-ный способ компактизации не используется. Но степень компактиза-ции прокариотической ДНК (укорочение в 1000-10 000 раз) вполне сопоставима со степенью компактизации ДНК эукариотических клеток. Предположительно, свою роль в сверхспирализации ДНК прокариот играют специальные белки, в том числе не гистоны, но основного характера, взаимодействующие с ней.
Значение пространственно-временной упорядоченности процессов в клетке трудно переоценить. К примеру, тело микоплазмы — микроорганизма, занимающего по размерам промежуточное положение между вирусами и типичными бактериями, — по диаметру превосходит атом водорода всего в 1000 раз. Существование микоплазмы, тем не менее, обеспечивается примерно сотней согласованных биохимических реакций. Жизнедеятельность клетки млекопитающего требует для своего обеспечения порядка 10 000 реакций.
В соответствии со вторым законом термодинамики, в энергетически изолированных системах количество энтропии (величина, обратная упорядоченности) с течением времени нарастает. Одним из характерных свойств живых объектов является их способность противостоять росту энтропии, поддерживая присущую им организацию. Образование элементов и сборка из них внутриклеточных структур (анаболизм), отличающихся высокой упорядоченностью, происходят с уменьшением энтропии. Однако параллельно осуществляется окисление пищевых веществ (катаболизм), источником которых является внешняя среда, что сопровождается адекватным увеличением ее энтропии. Поэтому для
полноразмерной биологической системы — «организм и среда его обитания» — изменение энтропии в целом положительно. Ситуация в мире жизни, таким образом, не противоречит упомянутому второму закону термодинамики. Высокая упорядоченность структуры и функций живого существа «оплачивается» энергией, высвобождаемой за счет деструктивных процессов, производимых этим существом в окружающей среде.
Связь живых форм со средой обитания — еще одно непременное свойство жизни. Важное следствие прогрессивной эволюции заключается в том, что параметры внутренней среды организма выводятся из под прямого влияния факторов внешней среды (сравни, температура тела у холодно- и теплокровных животных, онтогенез низших позвоночных, например, рыб и внутриутробное развитие млекопитающих). Свойство живых существ сохранять постоянство внутренней среды, несмотря на колебания показателей окружающей среды, соответствует биологическому понятию гомеостаза.
Жизнь — это процессы самовоспроизведения (размножения) и самообновления. В результате этих процессов, с одной стороны, воспроизводятся организмы определенного типа структурно-функциональной организации, а с другой, — воссоздаются структуры, сменяющие те, которые утрачиваются в ходе жизнедеятельности особи.
Свойства самовоспроизведения и самообновления обеспечиваются использованием живыми формами для сохранения своей организации генетической (биологической) информации. Последняя отбирается по признаку биологической целесообразности в процессе эволюции видов, накапливается в их гено(аллело)фондах и служит основой воспроизведения и жизнедеятельности организмов соответствующего вида в каждом следующем поколении.
Химия биоинформационного обеспечения развития и существования живых форм заключается в использовании уникальных химических соединений, которые в современных условиях не обнаруживаются в неживой природе. Это информационные макромолекулы (биополимеры). Белки, большинство которых в клетке играет роль катализаторов (ферменты). Они обеспечивают реализацию метаболических процессов с достаточной скоростью и требуемым результатом при мягких условиях температуры и давления. Ферменты отличаются специфичностью. Они катализируют превращения групп веществ определенной химической структуры или даже отдельного соединения. Специфичность ферментов, так же как и белков, не несущих каталитической функции (например,
«строительных» — коллагены и эластин соединительной ткани, «транспортных» — гемоглобин), зависит от их первичной структуры, то есть от последовательности аминокислот. Каждое очередное «поколение молекул» определенного белка воспроизводит заданную первичную структуру и, следовательно, несет в себе идентичную информацию. Последнее гарантирует выполнение требуемой функции. Постоянство информации на уровне молекул белка достигается тем, что в основе их воспроизведения лежит матричный синтез. Роль матриц выполняет другой вид информационных биополимеров — нуклеиновые кислоты. Информация, сохраняемая в молекулах ДНК, будучи записанной в виде последовательности троек нуклеотидов, переносится на белок и переводится на язык аминокислотных последовательностей при помощи молекул РНК. Наличие, хранение и реализация специфической биологической (генетической) информации на основе использования уникальных биоинформационных макромолекул — нуклеиновых кислот и белков — составляет еще одно свойство жизни. Информационные биополимеры представляют собой высокомолекулярные соединения углерода.
Оценивая структуру внутриклеточного потока информации (ДНК — РНК — белок — структура и функция), отметим, что его начальное звено (ДНК) соответствует сохраняемой, оберегаемой и закономерно предоставляемой для нужд клетки, но не действующей непосредственно форме информации (назовем ее потенциальной). Информация, перенесенная на молекулы белка, напрямую реализует себя в процессах жизнедеятельности и, следовательно, является действующей формой (назовем ее актуализированной). В приведенной схеме легко узнаются две непременные стороны любого живого существа — его генотип (у прокариот геном) и фенотип.
Жизнь представлена совокупностью пространственно отграниченных друг от друга и от окружающей среды форм — организмов, что соответствует такому ее свойству как дискретность (отграниченность).
Воплощение стартовой наследственной информации (генотип), с которой начинает свое существование организм, в действующую информацию его рабочих молекул и структур (фенотип) происходит в процессе индивидуального развития, или онтогенеза, этого организма, обязательность которого соответствует еще одному универсальному свойству живых форм.
Живые конструкции разного уровня (клетки, клеточные тканевые системы многоклеточных, организм в целом, популяции организмов,
экосистемы) обладают свойством изменять свое состояние в зависимости от колебаний параметров среды, в которой они существуют. При этом совершается работа. Такие изменения в целом имеют приспособительное значение и происходят благодаря механизмам регистрации соответствующих колебаний, анализа поступающих данных, выработки «решения» по содержанию и интенсивности ответа. Названное свойство позволяет рассматривать живые конструкции как кибернетические устройства, в существовании которых задействованы законы информатики — передачи и переработки информации, механизм обратной связи. Термин информация употребляется здесь в широком смысле. Биологическая информация, о которой речь шла выше, качественно и количественно соответствует генетической информации ДНК. Информация в кибернетическом смысле включает и «личный» опыт живого объекта.
В перечне универсальных свойств жизни периода классической биологии значатся раздражимость и возбудимость. В случае раздражимости речь идет о способности живого вещества как такового (протоплазма) реагировать на воздействия, в случае возбудимости — о способности этого вещества переходить в состояние, сопровождающееся выполнением работы. В качестве примера назовем механохимическую систему, обусловливающую мышечное сокращение. Оно происходит в ответ на стимул (нервный импульс) путем сочетанных конформацион-ных (пространственных, объемных) изменений комплекса белков (миозин, актин, тропонин, тропомиозин). По завершении акта сокращения комплекс возвращается в исходное состояние готовности вновь совершить работу.
В процессе жизнедеятельности выполняется не только механическая, но и другие виды работы — химическая (синтезы), осмотическая, электрохимическая, регуляторная. Это требует адекватного энергообеспечения. Решение проблемы энергообеспечения проявлений жизнедеятельности состоит в том, что в эволюции был найден общий энергетический интермедиат (звено, связывающее ката- и анаболизм), который принимает энергию от всех реакций окисления пищи и доставляет ее к месту совершения работы. Наличие универсального переносчика энергии (высокоэнергетический фосфат или АТФ) — одно из свойств жизни.
Среди свойств жизни 2 представляются изначальными, то есть лежащими у ее истоков, ее создавшими и сохраняющими как особое явление материального мира. Это включенность живых форм в процесс
исторического развития (эволюция) и их существование во взаимодействии друг с другом в составе сообществ — биоценозов или экосистем, объединенных в живую оболочку планеты — биосферу.