Жизнь и физика

Всем живым организмам в большей или меньшей степени  свойственны определенные размеры  и форма, обмен веществ, подвижность, раздражимость, рост, размножение и  приспособляемость. Хотя этот перечень кажется вполне четким и определённым, граница между живым и неживым  довольно условна, и будем ли называть, например, вирусы живыми или неживыми, зависит от того определения жизни, которое мы примем. Неживые объекты  могут обладать одним или несколькими  из перечисленных свойств, но никогда  не проявляют всю совокупность этих свойств одновременно. Кристаллы  в насыщенном растворе могут “расти”, кусочек металлического натрия начинает быстро “бегать” по поверхности воды, а капля масла, плавающая в  смеси глицерина и спирта, выпускает  псевдоподии и передвигается  наподобие амёбы. 

Подавляющее большинство проявления жизни в конечном счете можно объяснить на основании тех же физических и химических законов, которым подчиняются неживые системы. Из этого следует, что если бы мы достаточно хорошо знали химическую и физиологическую основу жизненных явлений, то мы, возможно, были бы в состоянии синтезировать живое вещество. В сущности ферментативный синтез специфических молекул ДНК, осуществленный в пробирке Артуром Конбергом в 1958г., уже можно рассматривать как важный первый шаг в этом направлении*. Противоположный взгляд, называемый витализмом, был широко распространен среди биологов до начала этого века; они считали, что жизнь обуславливают и контролируют силы особого рода, необъяснимые в понятиях физики и химии. Многие явления жизни, казавшиеся такими таинственными при их первом  открытии, удалось понять без привлечения особой “жизненной силы”, и разумно будет предположить, что и другие проявления жизни при их дальнейшем исследовании окажутся объяснимыми на научной основе.

Специфическая организация. Каждый род живых организмов обладает характерными для него формой и внешним видом; взрослые индивидуумы каждого рода организмов, как правило, имеют характерную величину. Неживые объекты обычно имеют гораздо менее постоянные размеры и форму. Живые организмы не гомогенны, а состоят из различных частей, выполняющих специальные функции; таким образом, они характеризуются специфической сложной организацией. Структурной и функциональной единицей как растительных, так и животных организмов служит клетка - наиболее простая частица живого вещества, способная существовать самостоятельно. Но и сама клетка имеет специфическую организацию; клетки каждого типа обладают характерными размерами и формой, они имеют плазматическую мембрану, отделяющую живое вещество от окружающей среды, и содержат ядро - специализированную часть клетки, отдельную от остального ее вещества ядерной оболочкой. Ядро, как мы узнаем позже, играет важную роль в контроле и регулировании функций клетки. Тела высших животных и растений имеют ряд последовательно усложняющихся уровней организации: клетки организованы в ткани, ткани - в органы, а органы - в системы органов..

Обмен веществ. Совокупность всех химических процессов, осуществляемых протоплазмой и обеспечивающих ее рост, поддержание и восстановление, называется обменом веществ или метаболизмом. Протоплазма каждой клетки непрерывно изменяется: она поглощает новые  вещества, подвергает их разнообразным  химическим изменениям, строит новую  протоплазму и превращает в кинетическую энергию и тепло потенциальную  энергию, заключенную в крупных  молекулах белков, жиров и углеводов, по мере того как эти вещества превращаются в другие, более простые соединения. Это постоянное расходование энергии  представляет собой одну из специфических  и характерных особенностей живых  организмов. Некоторые типы протоплазмы  отличаются высокой интенсивностью обмена; очень высока она, например, у бактерий. Другие типы, как, например, протоплазма семян и спор, имеют столь низкий уровень обмена, что его с трудном можно обнаружить. Даже в пределах одного вида организмов или у одной особи интенсивность обмена может меняться в зависимости от таких факторов, как возраст, пол, общее состояние здоровья, активность эндокринных желез или беременность.

Процессы обмена могут  быть анаболическими или катаболическими. Термин анаболизм относится к  тем химическим процессам, при которых  более простые вещества соединяются  между собой с образованием более  сложных веществ, что приводит к  накоплению энергии, построению новой  протоплазмы и росту. Катаболизмом же называют расщепление этих сложных  веществ, приводящее к освобождению энергии и к износу и расходованию протоплазмы. Процессы того и другого  типа протекают непрерывно; более  того, они находятся в сложной  взаимозависимости и их трудно отделить друг от друга. Сложные соединения расщепляются, и их составные части соединяются  друг с другом в новых комбинациях, образуя другие вещества. Примером сочетания катаболизма с анаболизмом  могут служить взаимные превращения  углеводов, белков и жиров, непрерывно происходящие в клетках нашего тела. Поскольку большинство анаболических  процессов требует затраты энергии, должны происходить какие-то катаболические процессы, которые доставляли бы энергию  для реакций, связанных с построением  новых молекул.

Как у растений, так и  у животных есть анаболическая и  катаболическая фазы обмена. Однако растения (за некоторым исключением) обладают способностью синтезировать свои собственные  органические вещества из неорганических веществ почвы и воздуха; животные же зависят в своем питании  от растений.

Подвижность. Третья особенность  живых организмов - это их способность  к движению. Подвижность большинства  животных совершенно очевидна: они  ползают, плавают, бегают или летают. У растений движения гораздо более  медленны и не так заметны, но они  все же происходят. Некоторые животные - губки, кораллы, устрицы, кое-какие  паразиты - не передвигаются с места  на место, но у большинства из них  имеются реснички или жгутики, приводящие в движение окружающую их жидкую среду, которая доставляет этим животным пищу и все необходимое для жизни. Движение может быть результатом  мышечного сокращения, биения микроскопических протоплазменных волосков, называемых ресничками и жгутиками, или медленного течения массы протоплазмы (амебоидное движение). Течение протоплазмы в  клетках листьев растений известно также под названием циклоза.

Раздражимость. Живые организмы  обладают раздражимостью: они реагируют  на раздражители, т.е. на физические или  химические изменения в непосредственно  окружающей их среде.

Раздражители, вызывающие реакцию  у большинства животных и растений, - это изменения цвета, интенсивности  или направления световых лучей, температура, давление, звук и изменения  в химическом составе почвы, воды или атмосферы, окружающей организм. У человека и других сложноорганизованных животных некоторые высокоспециализи-рованные клетки тела обладают особой чувствительностью к раздражителям определенного типа: палочки и колбочки в сетчатке глаза реагируют на свет, определенные клетки в носу и во вкусовых почках языка - на химические раздражения, а специальные клетки кожи - на изменения температуры или давления. У низших животных и у растений такие специализированные клетки могут отсутствовать, но весь организм реагирует на раздражение. Одноклеточные животные и растения отвечают движением по направлению к раздражителю или от него при воздействии тепла или холода, некоторых химических веществ, света или при прикосновении микроиглы.

Раздражимость растительных клеток не всегда бывает такой заметной, как раздражимость животных клеток, но и растительные клетки чувствительны  к изменениям окружающей их среды. Течение  протоплазмы в клетках растений иногда ускоряется или прекращается под действием изменений в  освещении. Некоторые растения (например, венерина мухоловка, растущая в болотах  Каролины) обладают поразительной чувствительностью  к прикосновению и могут ловить насекомых. Их листья способны перегибаться вдоль средней жилки, а края листьев  снабжены волосками. В ответ на раздражение, производимое насекомым, лист складывается, его края сближаются, а волоски, переплетаясь, не позволяют добыче выскользнуть. Затем лист выделяет жидкость, которая убивает и переваривает насекомое. Способность ловить насекомых развилась как приспособление, позволяющее  таким растениям получать часть необходимого  для их роста азота из “поедаемой” добычи, так как почва, на которой они растут, очень бедна азотом.

Рост. Следующая особенность  живых организмов - рост - представляет собой результат анаболизма. Прирост  массы протоплазмы может происходить  за счет увеличения размеров отдельных  клеток, за счет увеличения числа клеток или за счет того и другого. Увеличение размеров клеток может быть следствием простого поглощения воды, но такого рода набухание обычно не рассматривается  как рост. Понятие рост относится  лишь к тем процессам, при которых  увеличивается количество живого вещества организма, измеряемое количеством  азота или белка. Рост различных  частей организма может быть либо равномерным, либо одни части растут быстрее, так что пропорции тела по мере роста изменяются. Некоторые  организмы (например, большинство деревьев) могут расти в течение неопределенно  долгого времени. Большинство животных имеет ограниченный период роста, заканчивающийся  по достижении взрослым животным определен-ных размеров. Одна из замечательных особенностей процесса роста состоит в том, что всякий растущий орган продолжает в то же время функционировать.

Размножение. Если есть какое-либо свойство, которое можно считать  совершенно обязательным атрибутом  жизни, так это способность к  воспроизведению. Наиболее простые  вирусы лишены обмена веществ, не двигаются  и не растут, и все-таки, поскольку  они способны воспроизводить себя (а  также мутировать), большинство биологов считает их живыми организмами. Одно из основных положений биологии гласит, что “всё живое происходит только от живого”.

Классические опыты, опровергающие  теорию самоп-роизвольного зарождения жизни, произвел итальянец Франческо Реди около 1680г. Реди очень простым способом доказал, что “черви” (личинки мух) не образуются из гниющего мяса. Он положил по куску мяса в три банки, одну из которых оставил открытой, второю обвязал тонкой марлей, а третью -  пергаментом. Все три куска мяса начали гнить, но “черви” появились только в мясе, находившемся в открытой банке. Несколько червяков появилось на марле, покрывавшей вторую банку, но в мясе их не было, как не было и в мясе, закрытом пергаментом. Таким образом Реди доказал, что “черви” не возникли из гниющего мяса, а вывелись из яиц, отложенными мухами, привлеченными запахом разлагающегося мяса. Дальнейшие наблюдения показали, что из личинок развиваются взрослые мухи, которые снова откладывают яйца. Примерно через два столетия Луи Пастер установил, что и бактерии возникают не путем самозарождения, а только от предсуществовавших бактерий. Субмикроскопические фильтру-ющиеся вирусы не образуются из невирусного материала, а происходит только от существовавших ранее вирусов.

Процесс размножения может  сводиться к простому разделению одного индивидуума на два. Однако у  большей части животных и растений он связан с образованием специализированных яйцевых и семенных клеток, которые, соединяясь между собой, образуют оплодотворенное  яйцо (зиготу), развивающееся в новый  организм. У некоторых паразитических червей процесс размножения совершается  путем образования нескольких совершенно различных форм, каждая из которых  порождает последующую, пока цикл не завершится вторичным появлением взрослой формы.

Приспособление, или адаптация. Способность растения или животного  приспособляет ему выживать в  мире, полном неожиданных перемен. Тот  или иной вид может либо отыскивать пригодную для его жизни среду, либо претерпевать изменения, делающие его лучше приспособленным к  существующим в данный момент внешним  условиям. Адаптация может осуществляться путем немедленного изменения, основанного  на раздражимости протоплазмы, или  путем длительного процесса мутирования и отбора. Очевидно, что отдельное растение или животное не может приспособиться ко всем возможным условиям среды, а это означает, что существуют определенные области, где оно не в состоянии будет выжить. Перечень факторов, которые могут ограничивать распространение вида, почти бесконечно: вода, свет,. Температура, пища, хищники, конкуренты, паразиты и т.д.