Свойства живого: чем организм отличается от камня

Кристалл в насыщенном растворе увеличивается в размерах, а пламя свечи «питается» кислородом, «выделяет» углекислый газ и даже «размножается», если поджечь от него вторую свечу. Но живыми они не являются, потому что у них нет совокупности свойств. Кристалл растёт за счёт присоединения вещества снаружи, без всякого превращения веществ внутри; организм растёт за счёт обмена веществ, перестраивая поступившие молекулы в свои собственные. У пламени нет наследственной информации: оно не хранит и не передаёт программу своего строения, поэтому не может ни наследовать признаки, ни изменяться направленно. И ни кристалл, ни пламя не поддерживают гомеостаз: они полностью подчиняются условиям среды. Отдельный случай — вирусы: у них есть наследственный материал (ДНК или РНК) и изменчивость, но вне клетки-хозяина нет ни обмена веществ, ни размножения, ни раздражимости. Поэтому вирусы называют неклеточной формой жизни и рассматривают как облигатных внутриклеточных паразитов.

Странность этой темы в том, что биология — наука о жизни — не имеет краткого определения своего предмета. Попытки были, и каждая чем-то хороша.

Фридрих Энгельс (1878) писал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь». Сильная сторона определения — оно ставит в центр обмен веществ. Слабая — слово «белковых»: сегодня мы знаем, что не менее важна нуклеиновая кислота, хранящая программу.

Современная формулировка, которой пользуется, в частности, NASA при поиске жизни на других планетах, звучит так: жизнь — самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции. Здесь два требования: система должна сама себя воспроизводить и должна меняться под действием отбора. Такое определение сразу отсекает пламя (не воспроизводит программу) и кристалл (не эволюционирует).

Российский биофизик М. В. Волькенштейн предложил определение через системные свойства: живые тела — открытые самоорганизующиеся системы, построенные из биополимеров, способные к самовоспроизведению и регулируемые информацией, которую они хранят.

Общее у всех трёх определений одно: жизнь опознаётся не по одному признаку, а по их совокупности. Это и есть содержание темы, и это же — ключ к заданиям. Экзамен не спросит «дайте определение жизни», но обязательно даст объект, у которого часть признаков есть, а часть отсутствует, и попросит объяснить, почему его нельзя назвать живым.

Пограничные случаи, которые любят давать.

• • Вирус. Есть наследственный материал, есть изменчивость и эволюция. Нет клеточного строения, нет собственного обмена веществ, нет самостоятельного размножения. Вывод: неклеточная форма жизни, живая только внутри клетки-хозяина.
• • Прион. Вообще белок без нуклеиновой кислоты, вызывающий болезни мозга. Он «размножается», заставляя нормальные белки принимать свою неправильную форму, но не хранит информацию в виде гена. Живым его не считают.
• • Сухое семя или спора. Обмен веществ практически остановлен, признаков жизни не видно. Но программа цела, и при увлажнении всё запускается. Такое состояние называют анабиозом: это не смерть, а приостановка.
• • Тихоходка. Микроскопическое животное, которое при высыхании теряет почти всю воду, сворачивается в «бочонок» и в таком виде переносит и глубокое охлаждение, и вакуум. Живое, хотя в этот момент не проявляет ни одного свойства живого, кроме сохранности структуры.
• • Огонь. Потребляет кислород, выделяет углекислый газ и воду, растёт, «размножается» от свечи к свече. Не живой: нет наследственной программы, нет гомеостаза, нет обмена веществ в биологическом смысле — вещества не перестраиваются в собственные, а просто окисляются.

Список свойств живого легко заучить и так же легко забыть. Поэтому пройдём по нему, задавая каждому свойству вопрос «а как иначе не получилось бы».

Единство химического состава. У всех организмов около 98 % массы приходится на четыре элемента — C, H, O, N. Почему именно они? Углерод способен образовывать четыре связи и длинные цепи, а это условие для больших молекул; остальные три лёгкие и дают прочные связи с углеродом. В неживой природе соотношение элементов другое, и это первый объективный признак живого.

Обмен веществ и энергии. Главное свойство, из которого следуют остальные: организм — открытая система, он берёт вещества и энергию извне, использует их и выводит продукты распада. Прекратился обмен — прекратилась жизнь, а не «наступил покой».

Самовоспроизведение (размножение). Жизнь конечна для особи, поэтому вид сохраняется только воспроизведением. В основе лежит матричный синтез: новая молекула ДНК строится по образцу старой, поэтому копия получается точной.

Наследственность и изменчивость. Две противоположные способности, нужные одновременно: наследственность сохраняет признаки, изменчивость создаёт различия. Без первой не было бы преемственности, без второй — эволюции.

Рост и развитие. Организм не просто увеличивается, он качественно меняется: закладываются органы, меняются функции. Кристалл растёт присоединением вещества снаружи, организм — изнутри, за счёт усвоенной пищи.

Раздражимость. Способность отвечать на внешние воздействия: подсолнечник поворачивается к свету, инфузория плывёт к капле питательного раствора, человек отдёргивает руку. Ответ избирателен: организм реагирует не на всё подряд, а на значимые для него сигналы.

Саморегуляция. Поддержание постоянства внутренней среды — гомеостаза. У человека это постоянная температура тела, уровень глюкозы, pH крови. Не путайте с раздражимостью: раздражимость — ответ наружу, саморегуляция — работа внутри.

Дискретность и целостность. Организм состоит из отдельных частей (клеток, органов), но работает как единое целое. Это тот же принцип, что и в уровнях организации.

Итог, который нужен в ответе: отдельные признаки встречаются и в неживой природе — кристалл растёт, река «саморегулирует» русло, пламя «питается». Живое характеризует только их совокупность. А если просят назвать важнейший признак, называйте обмен веществ и энергии: на нём держатся все остальные.

Из восьми свойств живого это чаще всего пропускают — и напрасно: его формулировка даёт готовый ответ сразу в нескольких заданиях.

Дискретность означает, что любая живая система состоит из отдельных, отграниченных друг от друга частей. Организм — из органов, орган — из тканей, ткань — из клеток, клетка — из органоидов, биосфера — из биогеоценозов, популяция — из особей. Нигде нет «сплошного живого вещества»: везде есть границы, и эти границы — мембраны, оболочки, покровы.

Зачем природе такое дробление? Ответ практичный. Во-первых, поломка части не убивает целое: отмершая клетка эпителия заменяется новой, потерянный лист — новым листом, погибшая особь не уничтожает популяцию. Во-вторых, части можно специализировать: если бы клетка была неотделима от соседей, невозможно было бы поручить одним сокращение, другим проведение сигнала, третьим выделение фермента. В-третьих, дискретность делает возможным обновление — постоянную замену изношенного без остановки работы всей системы.

Целостность — обратная сторона того же свойства: части не просто лежат рядом, они согласованы, и целое ведёт себя как одно. Сердце бьётся чаще, потому что мышцы потребовали кислорода; растение закрывает устьица, потому что корень не успевает подавать воду; в экосистеме рост числа зайцев через год поднимает численность рысей. Изъять часть без последствий для остальных нельзя — именно это отличает организм от кучи песка, где убыль одной песчинки не меняет ничего.

Как формулируют на экзамене. «Живая система дискретна (состоит из обособленных частей) и одновременно целостна (части взаимосвязаны и работают согласованно)». Обе половины обязательны: ответ только про части или только про единство засчитают неполным.

В списке свойств живого рост и развитие стоят рядом и потому кажутся одним пунктом. На экзамене их разделяют, и различие требуют назвать словами.

Рост — количественное изменение: увеличиваются масса и размеры за счёт того, что клеток становится больше (деление) или сами клетки становятся крупнее (растяжение). Котёнок за месяц прибавляет в весе, стебель вытягивается, лист увеличивает площадь. Ничего нового при этом не появляется — становится больше того, что уже было.

Развитие — качественное изменение: появляются новые органы, меняются функции, организм переходит из одного состояния в другое. Головастик превращается в лягушку, у гусеницы через куколку формируется бабочка, у подростка начинается половое созревание. Масса при этом может даже уменьшиться — куколка легче гусеницы, — но развитие идёт.

Два типа роста, которые спрашивают.

- Ограниченный (определённый) рост — прекращается по достижении определённого возраста или размера. Так растут млекопитающие, птицы, насекомые, однолетние растения. - Неограниченный (неопределённый) рост — продолжается всю жизнь. Так растут деревья, кустарники, а из животных — рыбы, моллюски, крокодилы. Отсюда, кстати, объяснимо, почему у щуки или осетра встречаются особи огромного размера: они просто старые.

Развитие бывает двух типов. Индивидуальное развитие особи от зарождения до смерти называется онтогенезом; историческое развитие вида или группы — филогенезом. Не путать: онтогенез — организменный уровень, филогенез — популяционно-видовой.

Формулировка, которую ждут. «Рост — увеличение массы и размеров организма; развитие — качественные изменения, появление новых структур и функций». Ответ, где названо только одно из двух, считается неполным.

Саморегуляция — то свойство, которое напрямую кормит задание 2: «как изменится показатель». Чтобы отвечать не наугад, надо понимать её механизм.

Идею постоянства внутренней среды сформулировал французский физиолог Клод Бернар ещё в 1860-е годы: «Постоянство внутренней среды есть условие свободной жизни». Смысл фразы буквальный — животное, у которого температура и состав крови не зависят от погоды, может жить там, где другое погибнет. Термин гомеостаз (от греческого «подобный» + «состояние») ввёл американский физиолог Уолтер Кеннон в 1929 году.

Работает гомеостаз на отрицательной обратной связи. Схема всегда одна и та же и состоит из четырёх звеньев:

• • Норма — значение, которое система удерживает (температура 36,6 °C, глюкоза 3,3–5,5 ммоль/л, pH крови 7,35–7,45).
• • Отклонение — показатель ушёл вверх или вниз.
• • Рецептор и центр — отклонение обнаружено, сигнал пошёл в управляющий центр (гипоталамус, дыхательный центр продолговатого мозга, клетки поджелудочной железы).
• • Ответ, противоположный отклонению — именно поэтому связь называется отрицательной: система отвечает не «в ту же сторону», а против сдвига.

Посмотрите, как одна и та же схема работает в трёх разных случаях.

Температура. Стало жарко → расширяются сосуды кожи, усиливается потоотделение → испарение забирает тепло → температура возвращается к норме. Стало холодно → сосуды сужаются, начинается мышечная дрожь → теплоотдача падает, теплопродукция растёт.

Глюкоза. Съели сладкое → глюкоза крови выросла → бета-клетки поджелудочной железы выделяют инсулин → глюкоза уходит в клетки и запасается как гликоген → уровень падает до нормы. Долго не ели → глюкоза упала → альфа-клетки выделяют глюкагон → гликоген печени распадается → уровень поднимается.

Углекислый газ. Побегали → в крови накопился CO₂ → дыхательный центр продолговатого мозга возбуждается → дыхание учащается и углубляется → избыток CO₂ выводится. Обратите внимание: дыхание учащается в ответ на углекислый газ, а не на нехватку кислорода — это любимая ловушка задания 2.

Главный приём для задания 2. Спросите себя: показатель отклонился или система его возвращает? Если в условии описано воздействие, ищите ответ организма, направленный против него. Если же в условии перечислены два показателя, один из которых причина, а другой следствие, разворачивайте цепочку по шагам и не перепрыгивайте через звенья.