Сущность жизни и свойства живых организмов

В определенный исторический момент на фоне возникновения и развития косной (неживой) материи возникло и стало развиваться такое удивительное явление, как жизнь. Вопрос о сущности и происхождении жизни всегда не только вызывал у человека познавательный интерес, но и имел огромное значение для формирования мировоззрения. Возникновение и развитие живых существ вплоть до появления такого феномена, как человек, – одна из центральных проблем естествознания.

Живые организмы существенно отличаются от неживых систем. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Рассмотрим сущность понятия «жизнь». Многочисленные формулировки сущности жизни можно свести к двум основным: 1) жизнь определяется субстратом, носителем свойств (например, белком); 2) ее трактуют как совокупность специфических физико-химических процессов.

Наиболее популярен сегодня подход, полагающий, что существующие на Земле живые тела представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. Здесь подчеркивается значение нуклеиновых кислот, обеспечивающих преемственность признаков и свойств.

Живым организмам присущи определенные свойства. Часто эти свойства в той или иной степени характерны и для неживой природы, что подчеркивает единство эволюционных процессов. Однако проявление этих свойств и их совокупность не схожи у живых и неживых объектов. Именно это – совокупность и характер проявления – как раз и определяет сущность жизни.

Долгое время в науке господствовали два основных подхода к решению вопроса о сущности жизни: механицизм и витализм. Механистический материализм, характерный для классической науки Нового времени, не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. Поэтому механицизм отождествлял живые организмы со сложными машинами.

Противоположной точкой зрения придерживался витализм (от лат. vitalis – жизненный), который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта творения, разумным началом и т.д.

Ученым удалось точно установить, что качественное отличие живого от неживого заключено в структуре их соединений, строении и связях, особенностях функций, характеристике и организации протекающих внутри организма процессов. Кроме того, жизнь отличается динамичностью и лабильностью. Но при этом можно говорить о полном тождестве химических элементов, входящих в состав живого и неживого.

Современная биология в вопросе о сущности жизни все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. Биологи называет жизнью активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфических структур, обладающих следующими свойствами: наличием генотипа и фенотипа; репликацией генетических программ матричным способом; неизбежностью ошибок на микроуровне при репликации, приводящих к мутациям; многократное усиление этих изменений в ходе формирования фенотипа и их селекция со стороны факторов внешней среды.

При этом организм воспроизводит себя и поддерживает свою целостность за счет использования элементов окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Отличия живых организмов от неживых систем придают жизни качественно новые свойства. Живым организмам присущи определенные специфические свойства, которые часто в той или иной степени характерны и для неживой природы, что подчеркивает единство эволюционных процессов. Совокупность и характер проявления этих свойств определяют сущность жизни.

Рассмотрим ряд свойств живых организмов в сравнении со свойствами неживых объектов.

Единство химического состава. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы. Т.е. и земные, и космические формы бытия, при всем разнообразии и причудливости, по элементному составу не шире таблицы Менделеева. Однако соотношение элементов в живом и неживом неодинаково. Элементный состав неживой природы наряду с кислородом представлен по большей части кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д. В живых организмах 98% химического состава приходится всего на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород, и, кроме того, живые организмы построены в основном из четырех крупных групп сложных органических молекул – биологических полимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, жиров, которые редко встречаются в неживой природе.

Обмен веществ. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, т.е. обеспечивает гомеостаз. Под гомеостазом понимают относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций живых организмов. Этот процесс является результатом сложных координационных и регуляторных взаимоотношений, осуществляемых как в целостном организме, так и на биосферном, популяционно-видовом, органном, клеточном и молекулярном уровнях.

Благодаря специальным (адаптационным) механизмам физические и химические параметры, определяющие жизнедеятельность организма, меняются в сравнительно узких пределах, несмотря на значительные изменения внешних условий. Все процессы, связанные с гомеостазом, требуют определенных энергетических затрат, поэтому живые организмы обязаны питаться и выводить продукты распада на протяжении всей жизни.

Любые серьезные нарушения обмена веществ влекут необратимые последствия для организма и приводят к смерти. Поэтому живая материя представляет собой динамическую систему, которая постоянно находится в состоянии изменения или подвижного равновесия.

Обмен веществ – двусторонний процесс: во-первых, в результате ряда сложных химических превращений вещества из окружающей среды уподобляются органическим веществам живого организма и из них строится его тело; во-вторых, сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. В неживой природе также существует обмен веществ. Но небиологический круговорот веществ сводится к простому переносу их с одного места на другое или изменению их агрегатного состояния – например, превращению воды в пар или лед.

Самовоспроизведение (репродукция) и наследственность. Существование каждой отдельно взятой биологической системы ограничено во времени; поддержание жизни связано с самовоспроизведением.

Любой вид состоит из особей, каждая из которых рано или поздно погибает, но благодаря самовоспроизведению жизнь вида не прекращается. Размножение – это свойство организмов воспроизводить себе подобных на основе информации, закодированной в молекулах ДНК и РНК. Живые организмы передают потомству свою качественную определенность и родовую идентичность. В основе авторепродукции лежат сложные микропроцессы образования новых молекул и их структур на основе информации, закодированной в специальный бионоситель – ДНК.

Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, органоиды клеток (митохондрии) после деления аутентичны со своими прототипами. Самовоспроизведение, следовательно, тесно связано с наследственностью – способностью организмов обеспечивать передачу признаков, свойств, особенностей развития из поколения в поколение, что обусловливает биологически значимую преемственность поколений.

Изменчивость и развитие. Под изменчивостью понимают способность организмов приобретать новые признаки и свойства на основе изменения молекул ДНК. В процессе воспроизводства репродукция молекул ДНК происходит не с абсолютной точностью; возникают различные мутации (под действием внешних и внутренних факторов). Все эти факторы приводят к тому, что новое поколение живых организмов не в точности копирует предыдущее поколение. Благодаря этому свойству происходит отбор наиболее приспособленных к конкретным условиям существования особей и появление новых видов организмов. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора и соответственно – предпосылки для развития и роста живых организмов. Развитие – необратимое направленное закономерное изменение объектов живой и неживой природы.

В результате развития возникает новое качественное состояние систем. Развитие живой формы существования материи представлено индивидуальным развитием организмов (онтогенез) и историческим развитием видов (филогенез). В процессе развития постепенно и последовательно формируется специфическая структурная организация живого организма. Филогенез, или эволюция в целом, – это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Результатом эволюции является все многообразие живых организмов на Земле.

Раздражимость и энергозависимость. Любой организм неразрывно связан с окружающей органической и неорганической средой. В процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство раздражимости – избирательной реакции на внешние воздействия. Всякое изменение окружающих организм условий среды представляет собой по отношению к нему раздражение, а реакция организма на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости. Кроме того, живые организмы обладают свойством энергозависимости; это открытые для поступления энергии системы, устойчивые лишь при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Живые организмы существуют до тех пор, пока получают энергию и материю из окружающей среды.

Ритмичность. Неотъемлемым свойством природы является последовательная закономерная смена циклов. Периодические изменения в окружающей среде оказывают существенное влияние на живую природу и на собственные жизненные ритмы живых организмов. В живых системах ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций с различными периодами их активизации: суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы спячки у некоторых млекопитающих и др. Ритмичность обеспечивает согласование функций организма и окружающей среды, т.е. эволюционный механизм приспособления к периодически изменяющимся условиям существования.

Саморегуляция. Все живые организмы способны поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов в постоянно меняющихся условиях окружающей среды. Недостаток каких-либо питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а при избытке какого-либо вещества его синтез прекращается.

Например, уменьшение количества клеток в ткани (в результате травмы) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток, а после восстановления количества клеток до нормального возникает сигнал о снижении интенсивности клеточного деления.

Дискретность (прерывистость, разделенность). Дискретность представляет собой всеобщее свойство материи, обозначающее прерывистость. Жизнь на Земле существует в виде дискретных или изолированных форм особей. Например, каждый вид живых организмов состоит из отдельных особей. Тело животного состоит из отдельных органов, органы – из отдельных клеток, клетки – из органелл, органеллы из биомолекул.

Дискретность строения организма – основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления его путем замены «износившихся» структурных элементов (молекул, ферментов, органоидов клетки, целых клеток) без прекращения выполняемой функции. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции через гибель или устранение от размножения неприспособленных особей и сохранения особей с полезными для выживания признаками.

Обозначенные свойства живого объединяют все его проявления. Однако очевидно, что тождество всего живого мировоззренчески очень значимо в лишь пределах противопоставления его неживой материи. В реальности это тождество внутренне противоречиво и выражено в следующих уровнях организации живой материи.

Молекулярный. Любая живая система, как бы сложно она ни была организована, состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. С этого уровня начинаются разнообразные процессы жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.

Клеточный. Клетка – структурная и функциональная единица, а также единица развития всех живых организмов, обитающих на Земле. На клеточном уровне сопрягаются передача информации и превращение веществ и энергии.

Организменный. Элементарной единицей организменного уровня служит особь, которая рассматривается в развитии – от момента зарождения до прекращения существования – как живая система. На этом уровне возникают системы органов, специализированных для выполнения различных функций.

Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания. Популяция – надорганизменная система. В этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования – процесс микроэволюции.

Биогеоценотический. Биогеоценоз – совокупность организмов разных видов и различной сложности организации с факторами среды их обитания. В процессе совместного исторического развития организмов разных систематических групп образуются динамичные, устойчивые сообщества.

Биосферный. Биосфера – совокупность всех биогеоценозов, система, охватывающая все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов.