МУНІЦИПАЛЬНА ЗАГАЛЬНООСВІТНІХ гуманітарно-естетичного ШКОЛА-ГІМНАЗІЇ

№ 13

РЕФЕРАТ

Що таке життя?

Виконав: Ізюм Антон

ТОМСЬК-1999

Один хитромудрий чоловік зауважив, що хоча ми можемо не змогли датиточне визначення життя, однак ніхто з нас не сумнівається в відмінностіміж живим і неживим, тому що за живу і за мертвого коня на ринкудають різну ціну.

Дійсно, інтуїтивно ми всі розуміємо, що є живе і що --мертве, а от точно сформулювати відмінність зазвичай важко. Менівідомо багато спроб дати дефініцію, визначення поняття «життя», але, якправило, вони виявляються уразливими. Часом автори взагалі відмовляються відвизначення, підміняючи його тавтологією. Не можу не процитувати одне звизначень: «Живий організм - це тіло, доданок з живих об'єктів;неживе тіло - доданок з неживих об'єктів ». І все. Подумайте, якпросто! Але чи стала нам від цього зрозуміла суть життя?

Усім, напевно, відомо одне з визначень життя, висловлену
Енгельсом: «Життя - це спосіб існування білкових тіл, істотниммоментом якого є постійний обмін речовин з навколишнім їх зовнішньоїприродою, причому з припиненням цього обміну речовин припиняється і життя,що призводить до розкладання білка ». Проте чи достатньо воно? Сам Енгельс такне думав. Для нього обмін речовин - лише суттєвий, не єдинийкритерій життя. Дійсно, обмін речовин може бути притаманний і неживимоб'єктам.

Уявімо досвід, який не важко здійснити. Ми маємо дванепрозорих скриньки, які безперервно вентилюються. Подібні пристрої,в яких контролюється лише вхід і вихід, а зміст їх невідомо,називають «чорними ящиками». Аналіз що виходить з ящиків повітря показує,що в обох випадках ми маємо на виході дефіцит кисню, підвищенуконцентрацію вуглекислого газу і водяних парів. Вимірювання температурипокаже, що на виході тепліше, ніж на вході. Ми маємо право зробити висновок, що вкожному ящику міститься система. Здатна до обміну речовин з навколишнімсередовищем. Якщо ми розкриємо ящики, то знайдемо в одному з них кажана, ав іншому - свічку, що горить. Критерій обміну речовин тут не спрацьовує, недозволяючи відрізнити живе від неживого, процес горіння від процесу дихання.
Якщо ми перекриємо кран надходження повітря, миша гине. Однак і мертвіорганізми можуть обмінюватися речовинами з навколишнім середовищем. На цьому, вЗокрема заснований процес утворення скам'янілостей. Залишки тварин ірослин в шарі гірських порід віддають навколишньому середовищу органіку; її місцезаймають мінерали. Особливо дивовижні скам'янілі дерева - зовні вони донайдрібніших деталей зберігають структури деревини, однак мільйони років томувона замістити кремнеземом і оксидами заліза. Можна сформулювативизначення життя наступною фразою: життя - це активна, що йде з витратоюенергії підтримання та відтворення специфічної структури.

Чим коротше визначення, тим більше воно потребує пояснення. Щотаке активне відтворення? Під цим словосполученням ми повинні розумітитакий процес, коли система сама відтворює себе і підтримує своюцілісність, використовуючи для цього елементи навколишнього середовища з більш низькоювпорядкованістю. Пасивний процес такого роду аж ніяк не ознака життя.
Птахи з року в рік відтворюють свої гнізда, бобри будують дамби, але нігреблі, ні гнізда не можна вважати живими об'єктами, на відміну від їхбудівельників. Особливо характерно відтворення неживих об'єктів длядіяльності людини. Середньовічний переписувач книг, що створив новийфоліант натомість пошарпані, і сучасний меломан, переписуютьмагнітофонну запис - хороші тому приклади. Але людина куди складніше книгиабо магнітофонного запису.

Чому в нашому визначенні підкреслюється те, що підтримка івідтворення структур живого організму має йти з витратою енергії?
Тому що це дозволяє розрізняти живі істоти від іншихсамовідтворюються структур, наприклад кристалів.

Ще великий французький натураліст Бюффон в XVIII столітті проводивантології між зростанням організмів і зростанням кристалів. Дійсно,кожному кристалу властива своя специфічна структура, яка виникаєспонтанно. Так хлористий натрій кристалізується у вигляді куба, вуглець уформі алмазу - у вигляді октаедра. Скупчення, зростки кристалів часомдійсно схожі на структури живої природи. Згадайте хоча б морознівізерунки на шибках. Вони іноді настільки бувають схожі на листяпапоротей і інших дивовижних рослин, що відомий біолог А. А. Любіщевбачив у цьому якийсь глибокий зміст. Можна отримати і тривимірнуструктуру, подібну до рослинами (цього разу при розчиненні кристалів).

Якось Б. М. Меднікова довелося побачити тривимірні морозні візерунки. Насхилі камчатської сопки земля з легким хрускотом просідав під ногами на один -два сантиметри. Виявилося, що тонкий поверхневий шар грунту був піднятийвитонченими крижаними гілочками стирчать густо, як щетинки зубної щітки. Нідо, ні після йому не доводилося бачити такої цікавої кристалізаціїводяної пари, хоча пишуть, що в горах такий феномен не такі вже й рідкісний.

Навіть метали утворюють такі структури: металургам всього світу добревідома так звана «ялинка Чернова» - деревоподібний сросток кристалівзаліза, що виріс у раковині виливки.

І тим не менше, аналогії між кристалами і організмами, міжморозними візерунками і листям папороті неправомірні. Хоча ці структуризовні подібні, процеси їх виникнення енергетично діаметральнопротилежні. Кристал - система з мінімумом вільної енергії. Недармапри кристалізації виділяється тепло. Наприклад, при виникненні одногокілограм «морозних візерунків» має виділиться 619 кілокалорій тепла (539 приконденсації водяних парів і 80 при переході в тверду фазу). Стільки женергії потрібно затратити на руйнування цієї структури. Листя папороті,навпаки, при своєму виникненні поглинають енергію сонячного проміння, і,руйнуючи цю структуру, ми можемо отримати енергію назад. Та це ми іробимо, спалюючи кам'яне вугілля, що утворився із залишків гігантськихпапоротей палеозойської ери. Справа тут не в самому лістообразном малюнку:безформний шматок льоду такої ж маси потребують на розплавлення івипаровування стільки ж енергії. Те саме і з папороттю: на освітузовнішньої складності організму витрачається енергія, мізерно мала впорівнянні з тією, що законсервована в органіці.

А як же зовнішню схожість? І листя папороті, і морозні візерункиволодіють максимальною площею поверхні при даному обсязі. Дляпапороті (і будь-якого іншого рослини) це необхідно, бо дихання іасиміляція вуглекислого газу йде через поверхню листя. У тих випадках,коли потрібно знизити витрати води на випаровування, рослини, наприклад, кактуси,знаходять кулясту форму з максимальною площею поверхні. Але платитиза це потрібно зниженням темпів асиміляції СОІ і відповідно уповільненнямзростання.

Водяна пара, крісталлізуясь на холодному склі, також утворюютьструктуру з максимальною поверхнею, тому що швидкість втрати вільноїенергії при цьому максимальна (кристали ростуть з поверхні). Так щоаналогії між кристалами і живими організмами не мають евристичногозначення. Рідина, виплеснута з судини в умовах невагомості,набуває форми більярдного кулі (мінімум енергії поверхневогонатягу). Але між грою в більярд і польотами в космос стільки жспільного, скільки між кристалізацією і зростанням живого організму.

З цього не випливає, що кристалічні форми чужі життя. Ось хорошийприклад. Багатьом відомі нешкідливі великі комарі-долгоножкі з довгимиламкими кінцівками. Їх личинки живуть у вологому грунті, харчуючисьперегнилого рослинними рештками. Серед них можна зустріти особин,пофарбованих у блакитний колір з райдужним відливом. Вони здаються млявими, і вонидійсно хворі - райдужним заражені вірусом. У гемолімфою таких личинокможна виявити кристали дивовижної краси, переливаються, яксапфіри. Кристали ці складені з частинок вірусу - віріонів. Коли личинказагине, вони потраплять в грунт, щоб бути проковтнутими личинками новогопокоління комарів.

Такі кристали утворюють багато вірусів, і не тільки віруси комах.
Але це неактивна форма існування вірусу, у формі кристала він нерозмножується, а лише переживає несприятливі умови.

Відомий фізик Е. Шредінгер якось назвав хромосому «аперіодіческійкристалом ». Дійсно, ядерне речовина клітини в період поділувпорядковано, формально його можна назвати кристалом, як можна назватикнигу кристалом зі сторінок. Але під час «упаковки» в хромосому ядернеречовина (хроматин) неактивно, і сама хромосома - лише спосіб передачіхроматину від клітини до клітини.

Коротше, впорядкованість структури кристалів - впорядкованістькладовища, системи з мінімумом вільної енергії. Упорядкованість структуриорганізму в процесі життєдіяльності - це впорядкованість автомобільногоконвеєра. Для її підтримки і відтворення в наступному поколінніорганізм повинен поглинати енергію у вигляді квантів світла або неокисленогоорганічних сполук, прості речовини, і виділяти окислені продуктижиттєдіяльності. Це і є обмін речовин, він не є самоціллю.

«Все тече», - сказав Геракліт (цей всім відомий афоризмдійшов до нас, правда зі слів інших, так як сам Геракліт як Сократ,волів викладати свої погляди в бесідах). Особливо це стосуєтьсяживому організму. Він - потік, по якому безперервно рухаються енергія іречовини - елементи для відтворення структур. Не так давно ще вченівважали, що, досягши дорослого стану, організми пригальмовуютьсинтез білків та інших органічних сполук, обмежуючись «ремонтними»роботами (загоєння ран, зміна епітелію шкіри і т. д.).

Перші ж досліди з ізотопними мітками показали, що це невірно. НаПротягом усього життя йде безперервна заміна старих клітинних структур назнову утворюються. Так, при ремонті літака замінюють двигун,відпрацював свій ресурс, хоча б він працював бездоганно. Здавалося б, всежиття має служити людині кісткова тканина. Однак, коли в практикумедицини увійшов антибіотик тетрациклін, лікарі зіткнулися з дивнимфактом.

Тетрациклін частково накопичується в кістках. Сліди лікування можнавиявити на кістковому шліфується у вигляді флуоресціює шару. Виявилося, щоприблизно через три роки після лікування антибіотиком він виявляється вкрові в дуже високої концентрації (що призводить часом до небажанихпобічних ефектів). Звідки ж узявся тетрациклін, адже хворий ніж за трироку міг і забути, що колись його приймав?

Він повернувся в кров зі старої кісткової тканини, яка розсмоктується ізамінюється новою.

Кажуть, що нервові клітини не відновлюються, не розмножуються. Упринципі це так, але протягом всього життя вони безперервноперебудовуються. Так і людина може все життя прожити в одному будинку, але зацей час багато разів змінити в ньому обстановку. Ми лише формально можемовважати нейрони, з якими ми закінчуємо життя, тими ж самими клітинами,з якими ми її призначали.

Наприкінці нашого визначення життя було слово «специфічна». Що такеспецифічна структура? З покоління в покоління організми відтворюютьхарактерну для видів, до яких вони належать, впорядкованість. Робитьсяце ос майже абсолютною точністю.

Е. Шредінгер в книзі «Що таке життя з точки зору фізика?» (1944)висловив припущення, що організми «витягують впорядкованість знавколишнього середовища », вони живляться чужим порядком. На жаль, справа йде не такпросто. Шредінгер висловився не зовсім точно.

Ось приклад: вовк з'їдає зайця. Йому не потрібні ні органи зайця, ні йоготканини, ні його білки і нуклеїнові кислоти - все те, що специфічно дляструктури «заєць», «заяча впорядкованість». Все це в шлунку й кишечникувовка перетвориться на суміш низькомолекулярних органічних речовин --амінокислот, вуглеводів, нуклеотидіві т. д., спільних для всієї живої природи, неспецифічних. Частина з нихорганізм вовка окисли до вуглекислого газу і води для того, щоб, витрачаючиотриману енергію, побудувати з решти неспецифічних речовин свою,специфічним чином упорядковану структуру «вовк» - свої білки, своїклітини і тканини. Нагодуйте вовка сумішшю амінокислот, синтезованиххіміком, і буде те ж саме.

Мабуть, можна навести лише один приклад, коли організм «харчуєтьсячужим порядком ». Деякі війчасті черв'яки планарій живуть на колоніяхкіщечнополостних - гідроїдних поліпів, об'їдаючи їх. У поліпів єхороший захист, правда не ефективна проти планарій, - жалкіклітини. З дією їх добре знайомі люди, пік щупальцямичорноморської медузи-коренерота. Набагато небезпечніше далекосхідна маленькамедуза-крестовічок, опік якої може призвести до важкого захворювання, ато і до смерті, якщо під рукою не знайдеться димедролу або супрастину.
Виявляється, він був ковтнув хробаками жалкі клітини поліпів НЕперетравлюються, а мігрують у покриви тіла, де виконують ту ж захиснуфункцію, що і у господарів. Їх так і називають: клептокніди - вкраденіжалкі клітини.

Можна пофантазувати про життя на який-небудь планеті, де подібнийпринцип широко поширений. Але на Землі положення протилежне. Земніорганізми в чужій впорядкованості не потребують, як видно з наступнихприкладів.

3 грудня 1967 в Кейптаунська лікарні Гроті-Схюр Крістіан Барнардпересадив Луїсу Вашканскому, страждав гострою серцевою недостатністю,серце дівчини Деніз Дарваль, яка загинула в автокатастрофі.

17 грудня, через два тижні Вашканскій захворів двосторонньомузапаленням легенів і 20 грудня помер. Перша невдача не збентежилахірургів. Число операцій з пересадки серця налічується вже тисячами. Алеі до Барнарда тваринам і людям пересаджували серця, легені, нирки тапідшлункової залози. Результат завжди був однаковим пересаджені органивідторгалися, якщо не були взяті у однояйцевих близнюка. Але однояйцевіблизнюки - це генетичні копії одного і того ж організму.

Можна зробити висновок, що «чужа впорядкованість» організму не потрібна, вінз усіх сил, відчайдушно бореться з нею. Зберегти пересаджений орган можнатільки, придушивши захисні імунні системи освіти антитіл. Але тодіпацієнт виявиться беззахисним проти будь-якої інфекції і врешті-рештзагине від неї, як це трапилося з Вашканскім.

Це самий ефективний приклад, але відомі й інші випадки, колиорганізми не приймають «чужого порядку». Загальновідомі групи крові, тутсистема проста, і визначивши групу крові, можна практично в усіх випадкахуникнути розпаду еритроцитів. Більш того, людині можна переливати кровшимпанзе відповідної групи. Але зрідка зустрічаються люди з такимиунікальними наборами факторів крові, що нічия одного їм не годиться.

Інсулін - єдиний ефективний засіб проти діабету відрізняєтьсяпорівняно малої видоспецифічність, тому для лікування діабетиків можнавикористовувати цей білок, виділений з підшлункових залоз великоїрогатої худоби. А ось гормон росту - соматотропін - відоспеціфічен. Длялікування карликового зростання у людини потрібен саме людськийсоматотропін, який виділяється з гіпофіза померлих людей.

Здавалося б, у нижчих організмів відразу до «чужого порядку» менше.
Дійсно, у риб і амфібій вдаються пересадки органів щодо осібрізних видів, і бичачий соматотропін може стимулювати зростання форелі. Однак,все це штучні, створювані експериментом положення. Ще і ще разповторюю, що тварини, харчуючись іншими тваринами або рослинами, починаютьз руйнування чужий впорядкованості. Продукти харчування в їх шлунку і кишечникарозщеплюється спеціальними ферментами до простих речовин, що не володіютьвидоспецифічність. Так, білки розщеплюються до амінокислот, складнівуглеводи, такі як крохмаль і глікоген, - до моносахаридів, нуклеїновікислоти до нуклеотидів. По будові, наприклад, амінокислоти гліцину абофенілаланіну неможливо сказати, отримана вона з білків бичачого м'яса,гороху або ж синтезовано хіміком штучно.

З цих елементарних цеглинок життя організми будують властиві їмбілки. Кожен організм характерний саме неповторною, притаманною тільки йомукомбінацією білкових молекул. А вже на цій базі виникає к?? мплекс всіхознак організму - на рівні клітин, тканин і органів.

У рослин це виражено ще більш різко. Вода, набір поживних солей,вуглекислий газ і світло - при цьому комплексі однакових факторів з одногонасіння виростає троянда, з іншого - кропива, кожна рослина з притаманним йомунабором властивостей, зі своєю впорядкованістю.

Отже, організми беруть ззовні не впорядкованість, а енергію: рослини ввигляді квантів світла, тварини у вигляді малоокісленних сполук, якіможна спалити в процесі дихання. За рахунок цієї енергії вони будують свою
«Доморощених» впорядкованість, нехтуючи чужий.

Ось чому у визначенні життя має бути відтворенняспецифічної структури.

У рефераті використані матеріали з книги:
Б. М. Медников «Аксіоми біології», Знання, Москва 1982