Предметом изучения биологических дисциплин является живой организм, обладающий жизнью - явлением, отличающим его от неживого тела. Однако дать точное и исчерпывающее определение жизни ученые пока что не в состоянии - об этом говорит тот факт, что определений понятия жизнь на данный момент существует более ста.
Живое и неживое
На повседневном уровне каждый способен отличить живое от неживого; кот - живой, так как двигается, питается, дышит, размножается; береза - живая, двигаться она, конечно, не способна, но так же питается и растет. Однако реки, облака, ветер - неживые, хотя бы и находятся в постоянном движении; горы - неживые, несмотря на то, что медленно, но неуклонно растут; Солнце и другие звезды - неживые, даже при том, что проходят полный цикл развития: зарождаются из межпланетного вещества, миллиарды лет светят, а затем умирают, трансформируясь в белого карлика или черную дыру.
С самого начала цивилизации человек пытается понять сущность жизни - то нечто, что присутствует в живом организме и отсутствует в неживом объекте. В сказках многих народов умершего героя возможно вернуть к жизни, произнеся особое заклинание, проведя специальный обряд или напоив живой водой, а то и вовсе оживить изначально неживое создание, например, превратить деревянную куклу в мальчика. На самом деле это, конечно, нереально - стрела времени направлена от рождения к смерти, никогда не оборачиваясь вспять, и в некий определенный момент живой организм теряет свое живое наполнение, умирая и превращаясь в такую же неживую субстанцию, как скала или лед.
Жизненная сила
Различные религиозные учения предполагают наличие души - нематериальной субстанции, имеющейся в живом теле и отделяющейся от него в момент гибели. Известный древнегреческий философ Аристотель именовал душу энтелехией (в переводе - "осуществленность", от εντελής, "законченный", и εχω, "имею"). Согласно Аристотелю, энтелехия есть некая внутренняя сила организма, заключающая в себе и цель, и результат; живое тело само по себе содержит не жизнь, но лишь "способность жить" - например, семя обладает способностью превратиться в дерево, а страусу присуща способность бегать, однако реализоваться эта способность может только при соединении тела с душой.
Двумя тысячелетиями позже подобные умозаключения приведут Яна Баптиста ван Гельмонта к предположению об архее (Archeus) — жизненном начале, пронизывающем все тело, управляющем перевариванием пищи и противящемся болезням; а спустя еще столетие Готфрид Лейбниц создаст монадологию - философское направление, основанное на предположении о монадах (о греч. μονάδος, "единица", "простая сущность"). По Лейбницу, в мире существует неизмеримое количество монад - абсолютно простых (т.е. неделимых) и абсолютно уникальных (т.е. неповторяющихся) субстанций, приводящих материальные вещи в состояние движения; "спящие" монады образуют атомы, минералы и растения, тогда как пробудившиеся способны воспринимать самое себя, подобно человеческому разуму. В начале XIX века один из "отцов" термина биология Готфрид Рейнхольд Тревиранус введет понятие жизненная сила (лат. vis vitalis), которое и даст название витализму - направлению, предполагавшему наличие некоей нематериальной субстанции, присущей органической материи и делающей ее отличной от неорганической. По логике витализма неорганические тела при нагревании могут быть расплавлены, а затем, при уменьшении температуры, возвращены в изначальное состояние; органические же "спекаются" и безвозвратно превращаются в новые формы; переход же первого типа материи во второй принципиально невозможен. А согласно идеям Франца Месмера, живые существа выделяют особые "магнитные флюиды", способные передаваться к другим живым существам и таким образом, в частности, лечить различные заболевания - поскольку болезни, по Месмеру, есть не что иное, как неравномерное распределение флюида в организме.
Жизнь и химия
Одновременно с философским познанием жизни происходит и естественнонаучное - и накапливамые наукой данные мало-помалу убеждают в несостоятельности витализма. Созданная в 1628 году Уильямом Гарвеем теория кровообращения убедительно показала, что первопричиной движения крови по артериям является мышечная деятельность сердца, а вовсе не "жизненная сила". Изобретение в 1674 году Антони ван Левенгуком микроскопа и открытие с его помощью микроорганизмов со временем убедило, что источником многих заболеваний являются микроскопические живые существа, а вовсе не некие "заразительные начала", или миазмы, как это предполагалось прежде. В 1828 году Фридрих Велер синтезирует органическое вещество (мочевину) из неорганического (цианата аммония) - и тем самым окончательно опровергает существование "витальной силы". Дальнейшее изучение химического состава живых организмов и происходящих в нем процессов привело к формированию представления об обмене веществ как совокупности постоянно протекающих в организме химических реакций синтеза и распада сложных органических соединений, а также и к появлению классического определения жизни, данному в 1880-х годах Фридрихом Энгельсом:
Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел
Жизнь и порядок
Однако сведение жизни единственно к химическим процессам некорректно. Действительно, возможно искуственным путем синтезировать органические соединения, входящие в состав живой клетки, поместить в пробирку и заставить взаимодействовать друг с другом - однако никакого живого существа мы в итоге не получим. Однозначно, что жизнь есть нечто большее, чем простая сумма химических превращений белков, жиров и углеводов.
Возможно, часть ответа кроется в физике, конкретнее в термодинамике, а именно во втором ее начале, гласящем об обязательном неувеличении энтропии. Энтропию (от греч. εν, "в" + τροπή, "поворот, превращение") можно охарактеризовать как меру неупорядоченности - если представить, к примеру, систему из множества молекул, заключенных в некое пространство и находящихся в непрерывном движении, то результатом такого движения станет равномерное хаотичное распределение молекул в пределах данного пространства, т.е. состояние с высокой энтропией. Согласно второму правилу термодинамики, энтропия подобной системы никогда не уменьшится и может лишь увеличиться - другими словами, беспорядочно расположенные молекулы могут принять еще более хаотичное взаимоположение, но никогда не создадут какую-либо упорядоченную форму, к примеру, фигуру пятиконечной звезды, соответствующую более низкому значению энтропии. Действительно - ежели мы представим множество разноцветных шариков, то вариантов их беспорядочного положения друг относительно друга бесконечно много, тогда как вариантов расположения в последовательности цветов радуги существенно меньше, как меньше и вероятность, что они случайным образом расположатся именно в таком порядке; таким образом, увеличение энтропии есть движение системы к более вероятному состоянию.
И верно - в природе неживой мы действительно наблюдаем постоянное увеличение энтропии, к примеру, горы, представляющие объекты определенной формы и структуры, со временем разрушаются, превращаясь в бесформенную массу песка, беспорядочно разносимую ветром по всей планете. Однако живой организм каким-то образом умудряется сохранять низкий уровень энтропии. При том, что в пределах человеческого организма ежесекундно происходят мириады химических превращений, взаимное расположение составляющих его компонентов никак не меняется: молекулы все также формируют клетки, а клетки - ткани и органы, находящиеся в пространстве в определенной последовательности. Эрвин Шредингер, автор известного парадокса о не-живом-и-не-мертвом коте, даже ввел новый термин - негэнтропия (или отрицательная энтропия), чтобы объяснить, каким именно образом живое тело, постоянно двигаясь в сторону увеличения энтропии, тем не менее умудряется этот лишний беспорядок отдавать в окружающую среду. А согласно определению Владимира Энгельгардта, сама сущность жизни и заключается в "способности создания порядка из беспорядочного теплового движения молекул".
Здесь, впрочем, есть одна оговорка - увеличение энтропии неизбежно лишь для закрытых систем, никак не взаимодействующих с окружащим миром. Любой же живой организм, согласно все той же термодинамике, есть открытая система - т.е. такая система, которая постоянно обменивается с окружающей средой веществом и энергией. И верно: и растение, и животное, и даже бактерия - все они получают из окружающего мира продукты питания, перерабатывают их и отдают обратно продукты жизнедеятельности вместе с образующейся в ходе этой переработки тепловой энергией. Иными словами, излишняя энтропия удаляется из организма, попутно увеличивая общую энтропию всего мира. Ежели процесс обмена нарушится - скажем, организм перестанет питаться, - его неизбежно ждет превращение из оформленного существа в беспорядочную смесь белков, жиров и углеводов, иначе говоря, смерть.
Признаки и уровни живого
Однозначного определения жизни так до сих пор и не создано, и в большинстве случаев специалисты ограничиваются перечислением свойств, отличающих живую материю от неживой. Каждое такое свойство по отдельности ничего не означает, однако совокупность всех этих признаков явно определяет любой живой организм.
Свойства жизни
Итак, жизнь есть сочетание в границах одного физического тела следующих свойств:
- химического состава
Любое живое существо образовано в первую очередь сложными органическими макромолекулами - белками, нуклеиновыми кислотами, липидами, углеводами - являющимися сочетанием в основном атомов углерода, водорода, кислорода и азота. - сложного структурного строения
Молекулы указанных органических веществ располагаются не абы в каком беспорядке, а формируют сложные пространственные структуры. Элементарной структурной единицей живого вещества является клетка - сложное образование, состоящее из более мелких структур, или органоидов. Существуют как одноклеточные организмы, так и многоклеточные - в последнем случае отдельные клетки в составе такого организма объединяются в более крупные образования, ткани и органы. - обмена веществ и энергии
В химическом смысле жизнь есть сочетание двух противоположных процессов - пластического обмена, или анаболизма, т.е. синтеза сложных органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, липидов) из более простых (аминокислот, нуклеотидов, глицерина, жирных кислот), идущего с поглощением энергии, и энергетического обмена, или катаболизма, т.е. разложения этих соединений (до аммиака, углекислого газа, воды), идущего с выделением энергии. Сочетание двух этих процессов именуется метаболизмом, или обменом веществ в узком смысле. В то же время, несмотря на безостановочные химические реакции, количественное и качественное соотношение веществ как во всем организме, так и в отдельных его структурных элементах остается неизменным, так как живое существо обладает механизмами саморегуляции, результатом которой является постоянство его химического состава, т.е. гомеостаз. - открытости
Живой организм постоянно обменивается с окружающей средой, поглощая и выделяя энергию и различные вещества, как органические, так и неорганические. При этом получать органические вещества живое существо может одним из двух способов: автотрофным (синтезируя их из углекислого газа с использованием энергии света либо химических реакций) либо гетеротрофным (поедая других живых существ). Сочетание процессов поглощения, переработки и выделения веществ именуется обменом веществ в широком смысле. - воспроизведения себе подобных
Любой живой организм способен размножаться. На химическом уровне эта особенность заключена в структуре нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), которая позволяет создавать точные их копии путем репликации. Размножаясь, живое существо передает потомкам свои признаки и свойства в виде определенной структуры ДНК, т.е. обладает наследственностью. В то же время в процессе синтеза новых молекул ДНК возможны погрешности, приводящие к различиям ее структуры у родителей и потомков - т.е. живое существо обладает изменчивостью. Со временем количество таких погрешностей увеличивается, в результате с ходом времени внешнее и внутреннее строение живых существ может существенно меняться - т.е. живая материя эволюционирует. - роста и развития
Каждое живое существо рождается, растет, развивается и умирает, при этом происходят как количественные изменения (меняются размеры живого организма либбо отдельных его частей), так и качественные (происходит формирование новых клеток, тканей, органов). Процесс индивидуального развития живого существа от рождения до смерти именуется онтогенезом.
Понятие жизни
Вот лишь некоторые из кратких определений жизни, включающие себя в том или ином смысле вышеперечисленные свойства:
Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел
Фридрих Энгельс
Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот
Михаил Волькенштейн
Жизнь есть активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение молекулярной структуры
Борис Медников
Жизнь — это фазово-обособленная форма существования функционирующих автокатализаторов, способных к химическим мутациям и претерпевших достаточно длительную эволюцию за счёт естественного отбора
Валентин Пармон
Жизнь - это высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул
Алексей Ляпунов
Жизнь — самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции
Определение NASA применительно к поиску внеземной жизни
Уровни жизни
Живые существа, населяющие Землю, образуют огромное множество биосистем, которые можно разделить на несколько уровней, каждый из которых состоит из подсистем нижележащего уровня и является подсистемой в системе вышележащего уровня, а также характеризуется определенными составляющими его компонентами и протекающими внутри его процессами.
- Молекулярный
Составлен молекулами органических и неорганических соединений и их молекулярными комплексами, способными хранить и передавать генетическую информацию. - Клеточный
Составлен клетками - структурно-функциональными единицами живого вещества, способными к обмену веществ и размножению. Многие исследователи полагают, что вирусы и вироиды, не имеющие клеточного строения, являются особой формой жизни на том основании, что содержат в своем составе молекулы ДНК (или РНК), хранящие генетическую информацию и потенциальную возможность к размножению и эволюции. В то же время сами по себе вирусы не способны ни к обмену веществ, ни к размножению, ни к эволюции - т.е. ни к одному из основополагающих признаков живого; "производством" новых экземпляров вирусов занимается пораженная ими клетка, а появление новых разновидностей вирусов есть результат погрешностей, возникающих в ходе такого "производства". Исходя из последнего соображения, вирусы скорее стоит определить как комплексы органических молекул, способных взаимодействовать с живыми организмами путем модификации их генетической информации. - Органно-тканевый
Наличествует у многоклеточных организмов и составлен тканями (т.е. совокупностями клеток определенного строения, размеров и выполняемых функций, образующимися в ходе онтогенеза в результате дифференцировки клеток) и органами (т.е. есть совокупностями различных тканей, особобленными от других органов, занимающими определенное положение в пределах организма и выполняющими определенные функции). - Организменный
Составлен единственной клеткой в случае одноклеточного организма и совокупностью многих клеток(тканей, органов) в случае многоклеточного. Каждый организм обладает обладает определенным строением, обменом веществ, способен к размножению, раздражимости (т.е. способности реагировать на изменение факторов окружающей среды), росту, развитию, взаимодействию с другими организмами. - Популяционно-видовой
Составлен видами (т.е. совокупностями взаимодействующих организмов, или особей, обладающими сходным внешним и внутренним строением, похожими химическими и физиологическими процессами, обитающими на определенной территории с определенными условиями окружающей среды, а также способными скрещиваться друг с другом и рождать плодовитое потомство) и популяциями (т.е. группами особей одного вида, частично или полностью обособленными от других таких же групп). Популяции являются элементарной единицей эволюции - при наличии обособленности от других популяций своего вида нарастающее различие между ними вследствие постоянных мутаций со временем приводит к их генетической несовместимости, т.е. появлению новых видов. - Биогеоценозный
Составлен биогеоценозами, т.е. совокупностями живых организмов различных видов и действующих на них абиотических (т.е. неживых) факторов, занимающих определенную территорию и связанных круговоротом вещества и энергии, способными к поддержанию своего состава на определенном постоянном уровне. - Биосферный
Биосфера - глобальная биосистема, представленная совокупностью всех живых организмов планеты и продуктов их жизнедеятельности, а также область распространения жизни на космическом теле.