Сегмент 12 живая материя и ее основная форма движения. Обмен веществ и энергии в живой системе

Живая материя имеет в основе те же физические свойства, что и неживая. Понятие «материя» многогранно. В целом материя представляет совокупность вещества и поля, которые выступают как разные виды материи. Веществом называют объекты и системы, обладающие массой покоя. Поле - это виды материи, не имеющие массы покоя. Например, электромагнитное поле представляет излучение в форме квантов (порций) энергии. Существует также гравитационное поле, нейтринное излучение. Между веществом и полем нет строгой границы, так как элементарные частицы вещества, например электроны, обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами (дуализм волны и частицы). Эти базовые положения квантовой (волновой) механики были сформулированы в 20-30-е годы 20-го века. Выдающимся представителем этой новой науки был датский физик Нильс Бор.

Живая материя представляет особо сложное вещество и, соответственно, сложное многофакторное поле. Именно уровень сложности делает материю живой, хотя внутри нее действуют простые физические и химические законы. По уровню сложности материи разграничиваются и сферы внимания естественных наук. Атомы - поле деятельности физики, молекулы - объект химии, с уровня макромолекул начинается биология, так как с этого уровня сложности появляются качественно новые свойства, характеризующие живую материю.

Биологические макромолекулы - это белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты. Их краткая характеристика уже дана в сегменте 7 и на рис. 2. Подчеркнем еще раз, что белки и нуклеиновые кислоты представляют апериодические полимеры, так как их мономеры - 20 видов аминокислот в белках и 4 вида нуклеотидов в ДНК и РНК - чередуются беспорядочно. Это и является источником огромного структурного разнообразия живой материи, какого нет в неживой природе.

Любая материя существует в движении. В широком смысле под движением материи понимают ее постоянное развитие, изменение, преобразование вещества в поле и обратно. Для понимания основной формы движения живой материи сначала необходимо усвоить важнейшее исходное понятие - 2-ой закон термодинамики. Суть его в том, что в природе изначально существует фундаментальная асимметрия, неравновесие в распределении вещества и поля (энергии), поэтому самопроизвольно все физические процессы (движение материи) направлены к достижению равновесного состояния. Это означает переход материи из упорядоченного, структурированного состояния, когда есть сгустки и разреженные участки вещества и поля, к диффузному, гомогенному распределению вещества и поля в пространстве. В таком диффузном состоянии материя имеет минимальную свободную энергию - энергию, способную совершить работу, и, напротив, максимальную энтропию -рассеянную долю энергии, не способную к совершению работы. Это правило касается всех самопроизвольных процессов, в том числе колебательных: горячее тело рано или поздно остывает (энергия рассеивается); прыгающий мяч снижает амплитуду и в итоге останавливается и т. д. Эти процессы дезорганизации материи самопроизвольно необратимы.

Сформулированное 2-ое правило термодинамики полностью справедливо и для живой материи, которая в основе подчиняется законам физики и самопроизвольно стремится к распаду, к равновесному состоянию с минимальной свободной энергией и максимальной энтропией. На рис. 4 эти процессы показаны в левой части схемы и означают смерть живой материи, ее превращение в неживую.

Рис. 4. Термодинамические процессы в живой материи.

Однако живая материя, пока она действительно живая, остается неравновесной, структурированной, высоко упорядоченной. В ней имеется свободная, готовая совершить работу энергия, а энтропия минимальна. Такое состояние поддерживается за счет притока внешней энергии и ее трансформации в энергию химических связей макромолекул. Концентрация вещества и поля, то есть повышение внутренней свободной энергии материи происходит в процессе разнообразных биосинтезов (образования сложных веществ из простых), сопряженных с поглощением внешней энергии. Это и есть жизнь - противоположность смерти (правая часть схемы на рис. 4). Поскольку основной формой внешней энергии для поддержания жизни является солнечный свет, формулу жизни можно конкретизировать:

Таким образом, взаимодействие потоков простого вещества и энергии в ходе биосинтеза живого вещества и обратный процесс распада, то есть обмен веществ и энергии, составляет фундаментальное свойство жизни, основную форму движения живой материи. Этому определению вторят разнообразные характеристики жизни, как-то:

Жизнь - это специфическая форма движения материи (кругооборот материи, обмен веществ и энергии) с поддержанием упорядоченного неравновесного состояния (с высокой свободной энергией и низкой энтропией) за счет поглощения и трансформации внешней энергии.

Жизнь - это поддержание высокой упорядоченности (низкой энтропии) в среде с меньшей упорядоченностью (высокой энтропией).

Жизнь препятствует росту энтропии.

Жизнь - это синтез вещества и поля.

Далее мы подробнее остановимся на вопросах биосинтеза веществ и использования энергии, но не вдаваясь в глубокие детали во избежание потери главной мысли - о материальной сущности жизни.