Итак, в прошлой статье мы обозначили проблемы - есть сложности в различением живого и неживого, когда мы уходим за пределы бытовой очевидности. И закончили мы на том, что ученые сформулировали признаки живого. Что же это за признаки?
1. Живой организм состоит из клеток. Бывает так, что организм состоит из одной клетки, бывает - из миллионов, порой это очень простая клетка, в которой мало внутренних структур, бывает - сложная, но все равно это клетка. Клетка в определенному смысле слова - единица жизни.
Вообще клеточное строение было бы хорошим достоверным критерием живого, если бы не тот факт, что умершие организмы тоже состоят из клеток, причем клеточная жизнь может продолжаться некоторое время после смерти многоклеточного организма. Кроме того, клеточным строение обладает часть организма, например - отброшенный в порядке самообороны хвост ящерицы. Ориентируясь на это определение, его легко признать живым, тем более, что у некоторых ящериц отброшенный хвост в состоянии совершать движения за счет сокращения мышц, расположенных в нем.
Чтобы этот пункт еще меньше казался универсальным, надо напомнить, что в последнее время стало появляться базовое разделение живого на клеточные формы жизни и неклеточные, чтобы в сообщество живых организмов принять вирусы, которые, как известно, клеточным строением "не страдают".
2. Живые организмы участвуют в обмене веществ. Что это означает? Можно оперировать таким научным мэмом, как "классический черный ящик". Так говорят, когда надо описать какой-то процесс, не вдаваясь в подробности того, что он собой представляет.
Представим себе организм, как классический черный ящик. Допустим, мы представления не имеем, что у него внутри и как он работает, но мы можем замерить, "что у него на входе" и "что у него на выходе". Скажем, то, что в черном ящике, активно потребляет минеральные соли в виде растворов, в светлое время суток - углекислый газ и солнечный свет, в любое время суток - немного кислорода. При этом выделяется много кислорода, немного углекислого газа, а также целый ряд органических веществ.
Мы можем предположить, что в черном ящике растение, и все описанное выше - это процесс обмена веществ между растением и окружающей средой. Оно всегда дышит, то есть и днем, и ночью потребляет кислород и выделяет углекислый газ, ничем от нас с вами в этом смысле не отличаясь, а дополнительно, оно производит процесс "фотосинтеза", в ходе которого из минеральных солей и углекислого газа производит органические вещества (например, углеводы), используя в качестве энергии солнечный свет.
Аналогично, в качестве классического черного ящика, про процессы внутри которого мы пока ничего не знаем, можно представить себе и бактерию, и гриб, и животное (разумеется, и человека тоже). "На входе" и "на выходе" будет другая подборка веществ, источник энергии тоже изменится, но само свойство обмена веществ никуда не денется - организмам действительно свойственно забирать из окружающей среды одни вещества и отдавать другие.
3. Живые организмы способны к росту и развитию. В комплекте с другими характеристиками рост и развитие - это важный критерий для живых организмов. Под ростом чаще всего понимают либо увеличение массы, либо количественное увеличение клеток, а под развитием - качественные изменения, усложнение, появление новых тканей, органов, систем органов.
4. Живые организмы способны к самовоспроизведению, то есть могут размножаться. Опять же, в сочетании с другими признаками этот также может быть использован для разделения живой и неживой природы. В этой и последующих книгах мы изучим различные способы, которыми организмы оставляют потомство, а также разберемся в эволюции этих способов, осознавая параллельно, какие условия жизни способствовали их появлению.
5. Самовоспроизведение живых организмов связано с передачей потомству наследственных признаков. Например, наш организм начался с одной клетки - зиготы, которая образовалась в результате слияния мужской половой клетки - сперматозоида - и женской половой клетки - яйцеклетки. Обе гаметы (короткое название, заменяющее длинное - половые клетки) несли генетический материал, наследственную информацию. Половину генов и, следовательно, наследственной информации, мы получили от мамы, половину - от папы. Таков алгоритм передачи наследственной информации у всех организмов, имеющих в арсенале половое размножение. Своим потомкам мы передаем половину своих генов, то есть ваш ребенок будет иметь половину генов ваших, а половину - не ваших, что обеспечит его отличия от вас. У бесполых организмов сходность наследственной информации у материнской и дочерней особи существенно выше.
Можно ли представить себе процесс размножения без наследственности? То есть такую ситуацию, чтобы объекты размножались, но на строение своих потомков никакого влияния не оказывали? В живой природе - нет, разумеется. Но в среде химических процессов такое случается. Скажем, существует автокаталитическая реакция Бутлерова, в ходе которой из формальдегида создаются углероды, причем в качестве катализатора (ускорителя химической реакции) выступают уже созданные углеводы. То есть реакция катализируется автоматически, вещества, производимые в реакции, ускоряют реакцию, увеличивают скорость производства веществ, которые, в свою очередь, выступают катализаторами и ускоряют реакцию еще.
Когда эта реакция была открыта, на нее возлагались большие надежды. Дело в том, что формальдегид получать достаточно легко, и цепочка «простые химические вещества – формальдегид – углеводы» казалась очень перспективной. Ученые хотели поставить ее на службу, чтобы получать полезные для человека углеводы. Но обуздать ее сразу не получилось. Второй раз интерес к этой реакции возник в самом начале освоения космоса человеком уже в контексте обеспечения питанием экипажей космических станций. Опять же, результат не порадовал, и заставить автокаталитическую реакцию Бутлерова «печатать» только нужные, полезные углеводы, например, глюкозу, не вышло. Сейчас, в связи с перспективой освоения других планет, в очередной раз возник устойчивый интерес к этому вопросу – надеюсь, что в этот раз результат будет более позитивный.
Как вы уже поняли - это важная реакция для биологии, но сейчас посмотрим на одну ее особенность.
Дело в том, что в результате каждой конкретной реакции в ходе этого процесса получается не тот углевод, который катализировал реакцию, а любой. Вообще любой. То есть, скажем, если смотреть оценочно, то превращение из формальдегида катализировала, например, полезная нам глюкоза, а в результате образуется что-то совсем бесполезное, или даже для нас ядовитое. То есть углевод, которые ускоряет реакцию, свои свойства, полезные нам или вредные, тому углеводу, который получается в результате реакции не передает. Условно можно говорить о том, что углеводы в этой реакции размножаются, но наследственности у них нет.
6. Живые организмы проявляют такое свойство, как изменчивость. Мы это свойство замечаем невооруженным глазом - вокруг нас есть люди, и они отличаются от нас. Это внутривидовая изменчивость нашего с вами вида - Homo Sapiens. При ближайшем рассмотрении такого рода отличия есть внутри каждого вида. Хозяева домашних питомцев знают, что отличить свою собаку, кошку или другое животное от чужих - не проблема. Часть этих отличий организмы наследуют от своих родителей, и это называется наследственная изменчивость, часть приобретают в ходе жизни, и по наследству такие отличия передаваться не будут. Грубо говоря, если в результате, скажем, производственной травмы, рабочий завода потерял палец, то это, конечно же, отличие от многих других людей, и в этом проявляется изменчивость, но его дети будут со всеми пальцами, потому что это пример изменчивости ненаследуемой.
Изменчивость создает разнообразие внутри вида, и какие-то из организмов оказываются лучше приспособленными к окружающей среде, а какие-то - хуже. Возникает важнейший "движок" эволюции - естественный отбор.
Вообще-то нет лучше примера высказывания "мимо", чем фраза, которую воспроизводят раз за разом люди, плохо понимающие биологию: "Естественный отбор - это когда выживает сильнейший!". "Выживает сильнейший" - это три ошибки в двух словах. Во-первых, сильнейшие, объективно, на планете уже вымерли. Вряд ли можно даже в теории сравнить крупнейших современных хищников на планете с динозаврами мелового периода. Белый медведь - самый крупных хищник планеты - по сравнению с двуногими ящерами по 12-15 метров может показаться мелочью, но он выжил, а они нет. Следовательно, выживает вовсе не сильнейший, а тот, кто смог приспособиться к условиям окружающей среды.
Теперь про "выживает". С точки зрения естественного отбора выживает организм или нет - не принципиально. Принципиально то, оставил он потомство или нет. То есть даже самый успешный в данных условиях из всех возможных вариантов организм, выживший при очередном изменении окружающей среды, проживший долгую и счастливую жизнь, но не давший потомства, в естественном отборе проиграл, потому что его гены исчезли в момент его смерти. Более того, даже если он дал потомство, которое, в свою очередь, не может дать потомство (например, потому что стерильно, как большинство гибридов от межвидового скрещивания, или потому что признаки, доставшиеся потомству, не столь хорошо позволяют потомству приспосабливаться к меняющимся условиям среды), то эволюционная гонка все равно проиграна. В этом смысле можно припомнить высказывание одного из классиков биологии 20 века, который говорил, что успешность организма определяется тем, увидел ли он своих внуков.
И вот фраза "выживает сильнейший" преобразуется в совсем не лаконичную, но содержательно верную: "оставляет больше копий своих генов тот, кто лучше адаптировался, чье потомство лучше адаптировалось и оставило потомство". На рекламный слоган не тянет, но зато хорошо описывает реалии естественного отбора и эволюционного процесса.
О том, что, собственно, создает эту самую изменчивость, мы подробно поговорим позднее; сейчас нам достаточно понимать, что наследственная изменчивость включает в себя:
- мутационную изменчивость (то есть ошибки, которые возникают при копировании наследственной информации для потомков)
- комбинативную изменчивость (смесь генов, которая возникает при слиянии двух половых клеток от разных организмов).
Ненаследственную пока трогать не будем - она прямого отношения к различиям живого и неживого не имеет.
7. Живые организмы проявляют свойство раздражимости. Под раздражимостью в биологии понимают способность воспринимать какие-то сигналы от окружающей среды и менять свое поведение в связи с ними. Это совершенно очевидно явление, когда мы говорим о сложных организмах, в особенности - о животных. Скажем, поднялась температура - мы вспотели. Вышли на яркий свет - уменьшился зрачок, чтобы не пострадали зрительные рецепторы на сетчатке. Но как проявляется это свойство у менее знакомых нам организмов?
Растения тоже довольно активно проявляют свойство раздражимости. Цветы разворачиваются по направлению к солнцу, корни растут не во всех направлениях, а туда, где эффективнее добыча воды и полезных веществ. Осенний листопад запускается рядом климатических факторов. Раны на деревьях зарастают с использованием специальных веществ. Да что там говорить - даже одноклеточные организмы стремятся в рамках капли воды переместиться в ту ее часть, которая дальше от кристаллика соли, а некоторое одноклеточные водоросли, имеющие "глазик", собираются в ту часть сосуда, которая лучше освещена.
Как правило, чем сложнее организм, тем сложнее его системы, которые отвечают за раздражимость. Когда-то это были строго химические реакции, потом появилась пусть примитивная, но все же нервная система, и скорость этих реакций возросла. Нервная система усложнялась - усложнялась и сложность реакций. От простых рефлекторных реакций – к инстинктам, от инстинктов – к рассудочному поведению высших животных. Но в основе – все та же раздражимость, как свойство всех живых существ.
8. Жизнь на нашей планете дискретна, то есть она не единая и цельная, а состоит из отдельных особей. Для того, чтобы объяснить это свойство, проще всего идти «от противного».
В замечательном советском фантастическом фильме «Солярис», снятом классиком небанального кино Андреем Тарковским по книге известного писателя-фантаста Станислава Лема, исследователи космоса сталкиваются с планетой, на которой жизнь не обладает этим свойством. На этой планете есть единый разумный океан, который весь и является одним огромным в достаточной степени разумным живым существом, способным на различные мыслительные операции. Он создает объекты, проявляет свойство раздражимости, то есть реагирует на то, как взаимодействуют исследователи с этими объектами, словом, он – живой. И вот в таком фантастическом варианте жизнь может быть не дискретной, то есть не разделимой.
На нашей планете жизнь представлена отдельными особями. Эти особи объединяются в популяции, популяции – в виды, виды – в роды и так далее. Но, тем не менее, у живого организма есть понятные границы, мы можем всегда выяснить, где он, грубо говоря, начинается, а где – заканчивается. По той же логике можно мысленно разобрать и отдельный организм. Скажем, у нас есть нервная система, состоящая из центральной и периферической. Центральная нервная система состоит из спинного и головного мозгов. Головной мозг состоит из различных частей. Каждая часть состоит из нервных узлов, которые, в свою очередь состоят из нервных клеток – нейронов. Опять же – сложная нервная система в конечном счете состоит из множества сравнительно простых составляющих – нервных клеток. Впрочем, насколько они просты, нам предстоит узнать много позднее.
Вот такой получился перечень особенностей живых организмов. На всякий случай, отмечу еще раз: каждый пункт в отдельности достоверно живое от неживого не отличает, равно как и практически из каждого пункта в отдельности есть исключения.
Например, сложное и неоднозначное положение занимают в биологии вирусы. Дело в том, что вирус до того, как попадает в клетку, не демонстрирует признаков живого. Однако, попадая в живую клетку он начинает ряд признаков живого все же проявлять. Правда с признаками этими все не просто; скажем, размножаться вирусы могут, но исключительно при помощи других клеток, обмен веществ весьма условный, раздражимость проявляют с одной стороны очень ограниченно, с другой – достаточно эффективно адаптируясь к клеточным механизмам иммунитета и лекарственным препаратам, которые направлены на уничтожение этих самых вирусов. По совокупности улик вирусы занимают промежуточное положение между живой и неживой природой, и их иногда называют «неклеточной формой жизни», а иногда – сложно организованными химическими соединениями с отдельными свойствами живых организмов.