Основные признаки живых систем

Предбиологические структуры, представляющие собой гигантские органические макромолекулы, являются пределом химической эволюции вещества. Следующий и принципиально иной уровень сложности в организации материи по сравнению с атомарно-молекулярным уровнем – это живая материя, живая природа, Жизнь во всех ее формах является объектом биологии, поэтому, имея в виду все живое, можно говорить о биологическом, уровне организации материи. Биологию можно определить как науку о живом, о строении живой материи и процессах с ее участием, формах и развитии живого, распространении живых организмов и их природных сообществ, взаимосвязях живой и неживой природы.

Живая природа (коротко – жизнь) – это такая форма организации материи на уровне макромира, которая резко отличается от других форм сразу многими признаками. Все эти признаки могут служить для разграничения живой и неживой природы, а соответственно являются основой для определения, что есть жизнь.

Прежде всего любой живой объект является системой – совокупностью взаимодействующих элементов, которая обладает свойствами, отсутствующими у элементов, образующих этот объект. Определение жизни по М.В. Волькенштейну: «Жизнь есть форма существования макроскопических гетерогенных открытых сильнонеравновесных систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению».

Макроскопичность живого означает, что любой живой организм, начиная с бактерии, или же его самостоятельно функционирующая подсистема должны содержать большое число атомов. Иначе упорядоченность, необходимая для жизни, разрушилась бы флуктуациями.

Гетерогенность означает, что организм образован из множества различных веществ.

Открытость живой системы проявляется в непрерывном обмене энергией и веществом с окружающей средой. Самоорганизация возможна лишь в открытых сильнонеравновесных системах.

Живая система, как и любая иная природная система, подчиняется законам термодинамики. Элементы живого организма (да и всех живых систем вообще) постоянно разрушаются и строятся вновь. Этот процесс носит название биологического обновления. Для его обеспечения требуется непрекращающийся приток извне вещества и энергии, а также вывод во внешнюю среду части продуктов биохимических процессов, включая тепло. Таким образом, любые функционирующие организмы обязательно являются неизолированными, открытыми термодинамическими системами. Благодаря потокам вещества и энергии, проходящим через эти системы, они являются также неравновесными. Если условия существования системы неизменны, то указанные потоки постоянны. В этом случае неравновесное состояние стационарно, то есть оно не изменяется со временем (это называют также динамическим равновесием).

Подобно тому, как в термодинамике равновесных систем особым состоянием является равновесное состояние, в термодинамике неравновесных систем особую роль играют стационарные состояния. Для живых систем, которые всегда неравновесны, но поддерживаются в стационарном состоянии, это означает следующее:

1) в течение времени жизни системы ее элементы постоянно подвергаются распаду, обусловленному увеличением энтропии;

2) для компенсации возникающей в результате распада неупорядоченности в системе совершается работа в форме процессов синтеза элементов взамен распавшихся; эта работа обуславливает отрицательную добавку энтропии. Такие процессы создают упорядоченность.

Термодинамика помогает с принципиальной точки зрения осмыслить факт наличия высокой организации в живых системах. Но механизм поддержания такой упорядоченности можно раскрыть, лишь привлекая представления теории управления и кибернетики.

В живой системе реализуется механизм самоуправления и самоорганизации на основе непрерывного обмена информацией с внешней средой. Это обеспечивает выработку самим организмом реакций, направленных на максимальное его приспособление к изменяющимся условиям. Самоорганизация – это процесс создания, поддержания и совершенствования сложной системы без управляющего вмешательства извне. Самоорганизация и самоуправление в живой системе невозможны без информационных связей между ее элементами.

Самоуправление в живых системах и цели, которые оно преследует, имеют многоуровневый характер, а между уровнями существует подчиненность (иерархия). Цель первого порядка – обеспечить существование системы. Она достигается поддержанием неравновесного стационарного состояния, После достижения этой цели живая система осуществляет поддержание постоянства параметров внутренней среды – гомеостаз (цель второго порядка). Гомеостаз является необходимым условием высокого качества функционирования системы. Цель третьего порядка – достижение оптимальных в данных условиях показателей существования живой системы, в частности максимальной энергетической эффективности и надежности ее функционирования.

Важнейшим информационным аспектом в функционировании живых систем является наличие в них так называемых обратных связей. Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления и самоорганизации.

Положительные обратные связи осуществляют такой тип регулирования, который уводит состояние живой системы от первоначального, и играют роль «усилителей» процессов жизнедеятельности. Такого рода связь существует между неограниченными пищевыми ресурсами для некоторого вида животных и их численностью. Наличие одной лишь такой связи привело бы к постоянному росту численности данного вида. Отрицательные обратные связи, наоборот, служат для поддержания стабильной ситуации в живой системе. Они обеспечивают, например, оптимальную численность популяций в биоценозе, стабильную температуру организма и т.д.

Информационные связи в организме осуществляются по нескольким каналам. Гормональная связь носит химический характер. Гормон – химическое вещество, выполняющее роль внутреннего стимулятора определенных процессов в организме; с кровотоком поступает во все сферы организма, но действует избирательно на отдельные органы. Нервные связи обеспечивают передачу по нервным волокнам информационных импульсов, подключающих необходимые органы к переработке и восприятию информации. Генетическая связь обеспечивает передачу наследственной информации на популяционно-видовом уровне и осуществляется посредством генов.

Помимо отмеченных ключевых особенностей живых систем следует указать на другие важные свойства живых организмов, которые отличают живое от неживого.

1. Элементный состав живого определяется главным образом шестью элементами: кислород, углерод, водород, азот, сера, фосфор. Кроме того, живые системы в основном состоят из органических молекул, эти соединения редко встречаются в неживой природе. Структура органических молекул, как правило, более сложная, чем химических веществ, составляющих неживую природу, и включает в свои состав многие сотни и тысячи атомов. Характерным физическим свойством аминокислот, содержащихся в живых системах, является то, что все они способны поворачивать влево плоскость поляризации светового луча. В свою очередь, это означает, что свойством живой материи является ее молекулярная асимметричность, подобная асимметричности левой и правой рук (молекулярная хиральность).

2. Важным отличием живой природы от неживой является обмен веществ, или метаболизм, и энергозависимость. Для жизни организму необходимо поглощать вещество из внешней среды, преобразовывать его в результате биохимических реакций в другие соединения и использовать в виде строительного материала клеток. Обмен веществ – это двунаправленный процесс. Вместе с усвоением внешних по отношению к организму веществ происходит распад органических соединений, составляющих организм, на более простые вещества с последующим их удалением за пределы биологического объекта. Благодаря постоянному обмену веществ с окружающей средой организм поддерживает в определенных рамках постоянство своего химического состава, обеспечивает устойчивость и регенерацию составляющих его частей. Результатом этого процесса является поддержка функционирования организма в изменяющихся условиях внешней среды – гомеостаз. Энергозависимость: живые системы могут существовать только в случае поступления к ним извне энергии и возможности отдавать избыток энергии в окружающее пространство. Энергия воспринимается живыми существами не только непосредственно, но и через потребление пищи. Полученная энергия направляется на процесс упорядочения собственной структуры (рост, метаболизм) и размножение. В неживой природе отсутствие метаболизма сочетается с отсутствием энергозависимости.

3. Самовоспроизведение, регенерация и репродукция (размножение) являются неотъемлемыми свойствами всего живого. Благодаря передаче наследственной информации организм способен репродуцировать свои части (восстанавливать поврежденные ткани, заменять устаревшие и умершие ткани), а также воспроизводить потомство. Для простейших форм жизни характерно самовоспроизведение путем деления, а для многоклеточных – постоянное восстановление клеток организма. В неживой природе отсутствует восстановление утраченных частей. Самовоспроизведение, регенерация и репродукция неразрывно связаны с передачей наследственной информации. Благодаря хранению и передаче информации становится возможным размножение и восстановление организма.

4. Хранение и передача наследственной биологической информации осуществляется с помощью генетического материала. Наследственность – свойство, связанное с передачей наследственной информации, сложенной в генах, от родителей к потомкам. Носителями информации являются молекулы ДНК и РНК. В неживой природе отсутствует носитель наследственной информации.

5. Изменчивость – процесс, связанный с наследственностью, но обеспечивающий не слепое копирование «один в один» свойств родителя, а некоторую вариативность, отличающую потомство от родителей. Почти в 100% случаев изменчивость вызвана смешением генов родительских особей при половом размножении. Значительно реже изменчивость обусловлена мутациями – нарушениями в передаче наследственной информации. С точки зрения эволюционистов, мутации дают материал для естественного отбора. Причины мутаций – ошибки при копировании генного материала, обусловленные воздействием химических веществ, радиации или других факторов на организм.

6. Рождение, развитие, рост и смерть. Любой биологический объект ограничен в своем существовании сроком жизни. Для каждого вида биологических объектов характерен свои период развития, начальным моментом которого является рождение, а заключительным смерть. Развитие производит изменение и функциональную перестройку организмов. Физиологические особенности организма ограничивают развитие и неотвратимо приводят к смерти. На примере кристалла можно провести сравнение развития живого и неживого: в процессе роста кристалл добавляет к своей структуре только сходные атомы, встраивающиеся в его кристаллическую решетку. Атомы, попав в кристаллическую решетку, не меняют своих мест, и кристалл как целое не обменивается с окружающей средой веществом (отсутствует метаболизм). Живой организм создает новые органы, регенерирует утраченные фрагменты, и все это происходит в процессе метаболизма, видоизменяющего поступившие вещества в нужные для организма. В кристалле изменения отсутствуют. Использование в кристаллографии терминологии, заимствованной из биологии, вызывает некоторую путаницу: кристаллы хотя и «растут», но не являются живыми организмами. Смерть завершает процесс роста и развития как индивидуального организма, так и популяции. Смерть является процессом, в результате которого осуществляется приспосабливаемость популяции к изменяющимся условиям внешней среды.

7. Раздражимость – это свойство живых организмов избирательно реагировать на изменения окружающей среды. Раздражимость организма обеспечивает поиск и нахождение пищи, размножение и выживание особей. Проявления внешнего мира бесконечно разнообразны, поэтому организму необходимо выделять из всего потока поступающей к нему информации только то, что является необходимым. Таким образом, раздражимость избирательна по отношению к внешней и внутренней среде. Неживая природа пассивна в ответ на раздражение, а живая демонстрирует самостоятельность в выборе поведения: бегство, нападение, защита и др.

8. Адаптация к среде обитания – это приспосабливаемость организмов к условиям изменяющейся природы. Процессы адаптации – это реакция организма на результаты раздражения. Неживые объекты пассивны по отношению к внешнему миру.

9. Дискретность является основой любой структурной организации как живой, так и неживой природы. Под дискретностью в биологии понимают такую структуру, в которой различные части биологического существа способны взаимодействовать, сохраняя при этом самостоятельное существование. Благодаря дискретности становятся возможными обмен веществ, репродукция, размножение биологических объектов и существование вида. Вместе с этим любая живая система обладает свойством цельности – все элементы живого способны работать только благодаря функционированию всей системы в целом.

10. Ритмичность биологических объектов – это периодические изменения интенсивности физиологических функций. Таковыми являются ритмическая деятельность сердца, чередование сна и бодрствования, сезонные спячки и миграции животных и т.д. На биологическую ритмичность оказывает влияние геофизическая ритмичность: смены дня и ночи, времен года, сезонные и суточные колебания температуры и влажности, цикличность приливов и отливов, активность Солнца и др.

11. Самоорганизация. Метаболизм, рост, развитие – все это процессы самоорганизации биологических объектов, начиная от клетки и заканчивая организацией биосферы. Живые объекты самоорганизуются под воздействием внутренних фактов, а объекты неживой природы – в результате внешних физико-химических процессов.