Вопрос 2. Особенности биологической формы организации материи

Если жизнь есть одна из форм существования материи, то в чем особенности этой формы организации материи? Живой организм должен быть способен к обмену веществ (метаболизму), т.е. быть в состоянии усваивать извне определенные вещества (например, пищу, кислород), подвергать их химической обработке, выделять вовне ненужные ему продукты. Он должен быть также способен к воспроизводству себе подобных, причем так, чтобы в данном воспроизводстве сохранялся биологический вид. Живой организм также должен быть в состоянии регулировать свои функции, приспосабливая их к изменениям среды, различным видам движения и к другим условиям.

Особенностями живых систем являются способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекул, обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией, избыточное самовоспроизводство.

Чарлз Дарвин: «Прогрессия размножения, столь высокая, что она ведёт к борьбе за жизнь и её последствия – естественному отбору».

Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и времени. У живых систем есть прошлое, у неживых его нет.

Жизнь организма зависит от двух факторов – наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости, зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида.

Можно сказать, что в середине столетия произошла научная революция в биологии, вторая в ХХ в., после научной революции в физике, и благодаря ей биология выбилась в лидеры «соревнования» между науками. Во второй половине ХХ в. были определены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней. Клетка – это своего рода атом в биологии. Точно так же, как разные химические соединения сложены из атомов, живые организмы состоят из огромных скоплений клеток. Основное вещество клетки – белки, молекулы которых обычно содержат несколько сот аминокислот и похожи на бусы или браслеты с брелоками, состоящими из главной и боковой цепей. У всех живых видов имеются свои особые белки, определяемые особым генетическим аппаратом. Собственно, клетка и нужна для аппарата воспроизводства, который находится в ее ядре. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать.

О размерах клетки и содержании в ней веществ свидетельствует такая аналогия, предложенная Дж. Кендрью: «Представьте себе, что мы увеличим человека до размеров Великобритании. Тогда одна его клетка будет примерно такой же величины, как фабричное здание. Внутри клетки находятся большие молекулы, содержащие тысячи атомов, в том числе молекулы нуклеиновой кислоты. Так вот, даже при этом огромном увеличении, которое мы себе вообразили, молекулы нуклеиновой кислоты будут тоньше электрических проводов».

Попадающие в организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются им для построения собственных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие реакциями. Например, для одного процесса брожения нужна дюжина ферментов, каждый из которых управляет одной реакцией и действует только на строго определенный вид молекул. Все ферменты – белки, фермент похож на дирижера, который играет всегда со своим оркестром. В каждой клетке несколько тысяч «дирижеров-ферментов». Молекулярная биология, изучающая биологические процессы на молекулярном уровне, — один из наиболее ярких примеров конвергенции (приближения, сходства) двух наук — физики и биологии.

На молекулярно-генетическом уровне биологических структур важнейшее значение имеет асимметрия как синоним антиэнтропийности, повышения организации. Аминокислоты, содержащиеся не только в человеческом организме, но во всем живом, растениях и даже вирусах, являются изомерами левого вращения, соответствующим образом отклоняя поляризованный свет. Столь же оптически активными являются правовращательные аминокислоты. Это свойство называется молекулярная хиральность (греч. – «рука»). А вот неорганические вещества, обладая симметрией, соответственно лишены такой формы оптической активности. Стоит добавить, что если бы человек превратился вдруг в свое зеркальное, «правохиральное» отображение, то, в принципе, ничего бы не изменилось до приема пищи животного и растительного происхождения, которую он не смог бы переварить.

Выяснилось также, что чем длиннее и сложнее трофические (пищевые) связи между составляющими живую систему элементами, тем она более жизнеспособна и устойчива. Выделяя роль механизмов приема пищи в жизненном балансе, различают автотрофные организмы, которые не нуждаются в органической пище и могут жить за счет либо ассимиляции углекислоты (бактерии), либо фотосинтеза (растения), гетеротрофные организмы — те, которые не могут жить без органической пищи. Какие из них возникли раньше — на этот счет мнения расходятся. Логично предположить, что сложные органические вещества, необходимые для гетеротрофного питания, могли образоваться лишь после подготовки условий для этого автотрофными организмами.

Отдельно следует сказать о вирусах. Эти существа, превосходящие величиной обычную молекулу белка в тысячу раз, не питаются и не растут, зато воспроизводятся в клетке «хозяина». Пока идут споры, в какой степени или форме их можно отнести к живому, вирусы активно разрушают живые структуры. Впрыскивая в клетку «хозяина» свою ДНК, вирус производит захват и разрыв клетки, подготавливая плацдарм для лавинообразного возникновения новых вирусов. Это борьба на выживание одной из форм жизни.

Особая роль в жизненных процессах принадлежит мутациям, которые в генетике аналогичны флуктуациям синергетики. Мутация — это частичная перестройка структуры гена с соответствующими изменениями свойств белков, сохранением и накоплением изменений. Вызванные радиацией, химическим воздействием, тепловым излучением, стечением случайных факторов мутации, с одной стороны, могут рассматриваться как роковые «опечатки» в «переизданиях книги жизни», с другой стороны, мутация может оказаться и благоприятной, и тогда она постоянно будет включаться в книгу жизни данного вида организмов.

Таким образом, и здесь мы сталкиваемся с явлением самоорганизации. Чем сложнее система, тем больше у нее эмерджентных (внезапно возникающих) свойств, т.е. таких, которых нет у ее частей и которые являются следствием целостной системы (будь то метеорологические системы, искусственный интеллект или жизнь). В сформировавшейся, отлаженной системе преобладают гомеостатические связи, стремящиеся свести внешние воздействия к нулю (например, поддерживая постоянство температуры тела), то есть отрицательная обратная связь. А вот при формировании системы действует своеобразный механизм целеполагания, сочетания положительной и отрицательной обратной связи. Создается впечатление, будто система преследует определенную цель и, имея перед собой стратегическую задачу, строит гибкую тактику, обеспечивающую ее выполнение.

Как отмечает Илья Пригожин, на первых стадиях «эволюции к жизни» возникают механизмы, выталкивающие систему в сильнонеравновесные условия. Ферменты играют роль «демона Максвелла». Организм ведет себя как молекула, вступающая только в те реакции, где ее свободная энергия понижается (за счет получения информации). Уже на самых ранних стадиях зарождения органических веществ действует механизм отбора того, что наилучшим образом подогнано, наиболее пригодно к дальнейшему усложнению и упорядоченности как обеспечивающих преимущество в выживании. В дальнейшем такой же отбор производит организм. Скорее даже происходит не приспособление организма к среде, а повышение организованности и устойчивости системы в целом. В этом состоит отличие «чехарды адаптации» от упорядоченной эволюции: «суетятся» организмы, а виды, роды, семейства эволюционируют закономерно.

Эволюция выступает как сочетание катастроф и адаптации. Продолжая аналогию с молекулой, можно сказать, что «открытая система ведет себя как молекула, вписанная в график функций от многих переменных». После выбора соответствующей среды эволюция производит соответствующую «доводку».

На всех стадиях эволюции действует своеобразный закон «необходимого разнообразия». Диатропика (наука о разнообразии) показывает, что не только среда определяет систему, но и система среду. Соединяя систематику с морфологией, диатропика позволила даже создать своеобразную периодическую систему для животных (Лоренц Окен). Основной причиной эволюционных изменений выступает своеобразный физиологический дискомфорт (по разным причинам). При разрушении сложной системы в первую очередь гибнут механизмы поддержания целостности, части системы приобретают самостоятельность, действуя по принципу «кто во что горазд». Такой катастрофический отбор дестабилизирует систему, которая, разрушаясь, как бы ищет, за что зацепиться, и тогда бурление изменчивости, рост неравновесности находят выход, «нишу». Поиск новых возможностей сопровождается катастрофическим вымиранием, которое не может длиться долго, переходя на новый уровень, в новую форму структурно-системной организации.

Выделяя такие характеристики жизни, как неравновесность, динамичность, постоянное движение, способность обмена со средой веществом, энергией, информацией, способность создавать порядок и тем понижать энтропию, избыточность исходных структур, дальнейшую структурную компактность и энергетическую экономичность, избыточное самопроизводство, диалектику наследственности и изменчивости, необратимость, мы обнаруживаем, что и они не могут служить основой для определения жизни, поскольку относятся к любым эволюционирующим системам. Ведущие биологи мира отказываются провести границу между живым и неживым. Жизнь — это самоорганизация, синоним жизни — развитие.

В любом случае важнейшие характеристики жизни — это самообучение и самовоспроизведение на любых уровнях организации, при этом обучение онтогенетически (онтогенез — индивидуальное развитие организма) означает то же, что самопроизводство — филогенетически (филогенез — развитие типов, классов, рода, племени). Есть все основания считать, что онтогенез — это филогенез в свернутом виде.

Важные изменения концептуальных установок происходят в исследовании и синтезе жизни. Здесь особое место принадлежит ферментам — своеобразным живым катализаторам, белковым по своей природе. Ферменты — неизменные спутники таких процессов, как брожение. Каждый фермент катализирует лишь превращение определенных веществ в единственном направлении, формируя и регулируя обмен веществ в организме. В концептуальном плане привлекает внимание наличие в ферментах двух неравновесных компонентов — активных центров и их носителей.

В будущем, возможно, удастся использовать соединения живой природы или принципы их функционирования для ускорения процессов в неорганическом мире. Гораздо лучше исследованы каталитические процессы при переходе от химических структур к биологическим. В особенности это относится к диссипативным (от слова «рассеивать») процессам, наглядно представляющим самоорганизацию в химических процессах. В таких процессах происходит переход энергии упорядоченного движения в энергию хаотического движения (теплоту), переход же к новым структурам требует значительного притока энергии. Диссипативные процессы также могут служить ключом к проблеме возникновения жизни, для которой характерен дифференцированный отбор химических элементов и соединений, служащих стройматериалами для биологических систем.