определения жизни критерии жизни
Раскрытие понятия «жизнь» и признаки живого
Раскрытие понятия «жизнь»
Живые организмы по многим признакам отличаются от объектов неживой природы. Но среди этих признаков нет ни одного, по которому бы можно было четко отличить живую природу от неживой.
Живые организмы имеют определенный химический состав (белки, нуклеиновые кислоты), но смесь этих веществ не является живой системой. Особенностью живых систем является способность синтезировать белки по программам, содержащимся в нуклеиновых кислотах. Нуклеиновые кислоты синтезируются с помощью ферментов. Но вирусы и организмы, которые существовали в период образования жизни, не способны это делать самостоятельно, поэтому использовали другие механизмы.
Каждый организм можно считать живым, если он имеет определенную структуру и выполняет определенные функции. То есть структура и функции — это два взаимосвязанных проявления жизни.
Нет ни одного определения жизни, которое бы целиком могло удовлетворить ученых. Поэтому определение жизни имеет описательный характер. Оно включает в себя перечень определенных свойств.
Признаки живого
Признаки живого: клеточное строение, питание, рост и развитие, раздражимость, движение и размножение
Основными веществами организма являются органические соединения: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.
Рост — это увеличение размеров, массы. Он всегда сопровождается развитием. Благодаря развитию последовательно и постепенно проявляются все свойства определенного организма. Индивидуальное развитие организма называется онтогенезом.
Существует больше 100 определений жизни, и все они ошибочны
Многим из нас не нужно особенно задумываться, чтобы отличить живые вещи от «неживых». Человек живой, камень — нет. Все просто! Однако ученые и философы не считают, что таким простым разграничением можно ограничиться, простите за каламбур. Они потратили не одну тысячу лет, пытаясь выяснить, что делает нас живыми. Великие умы, от Аристотеля до Карла Сагана, предлагали свои объяснения — и до сих пор не придумали определения, которое удовлетворило бы каждого. В буквальном смысле у нас пока нет «смысла» жизни.
Все ли является жизнью
Во всяком случае проблема определения жизни стала еще труднее за последние 100 лет или около того. До 19 века одной из распространенных идей было то, что жизнь становится одушевленной благодаря «жизненной искре». Теперь, конечно, эта идея потеряла свой вес в научных кругах. Ее место заняли более научные подходы. NASA, например, описывает жизнь как «самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции».
Но попытка NASA придавить всю жизнь одним простым описанием — лишь одна из множества. Предлагалось свыше 100 определений жизни, большинство из которых сосредоточены на горстке простых атрибутов вроде репликации и обмена веществ.
Что еще хуже, ученые разных дисциплин выдвигают разные идеи о том, что нужно для определения чего-то живого. Химики говорят, что жизнь сводится к определенным молекулам; физики обсуждают термодинамику.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Чтобы понять, почему жизнь так трудно определить, давайте встретимся с некоторыми учеными, которые работают над определением границ, отделяющих живые вещи от неживых.
Это жило и будет жить
Вирусологи: изучают серую область на границах известной нам жизни
В школах детей учат помнить семь процессов, которые якобы определяют жизнь: движение, дыхание, чувствительность, рост, размножение, выделение и питание.
Хотя это полезный старт для определения жизни, этим все не ограничивается. Есть много вещей, которые мы могли бы запихнуть в эти рамки и назвать живыми. Некоторые кристаллы, инфекционные белки — прионы и даже определенные компьютерные программы будут «живыми», если исходить из этих семи принципов.
Классический пограничный пример — вирусы. «Они не являются клетками, у них нет метаболизма и они остаются инертными до тех пор, пока не столкнутся с клетками, поэтому многие люди (включая и многих ученых) заключают, что вирусы не являются живыми», говорит Патрик Фортер, микробиолог в Институте Пастера в Париже, Франция.
Сам Фортер считает вирусы живыми, но признает, что решение зависит от того, где вы решите поставить точку отсечки.
Хотя вирусам не хватает многих вещей, необходимых для входа в клуб жизни, они обладают информацией, закодированной в ДНК или РНК. Это сильный маркер жизни, который имеется у любого живого существа на планете и который свидетельствует о том, что вирусы могут эволюционировать и размножаться — правда, взламывая живые клетки и вторгаясь в них.
Иногда все выглдяит даже так.
Тот факт, что вирусы — как и вся известная нам жизнь — переносят ДНК или РНК, заставил некоторых задуматься, что вирусы должны занимать место в нашем древе жизни. Другие вообще заявили, что вирусы хранят секреты самого появления жизни. И тогда жизнь уже перестает казаться черно-белой и становится скорее туманной величиной с не совсем живыми и не совсем мертвыми границами.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Некоторые ученые приняли эту идею. Они характеризуют вирусы как существующие «на границе между химией и жизнью». И это поднимает интересный вопрос: когда химия стала больше, чем суммой ее частей?
Многие исследования только доказывали правила.
Химики: изучают рецептуру жизни
«Известная нам жизнь основана на полимерах с углеродной основой», говорит Джеффри Бада из Института океанографии Скриппса в Сан-Диего, штат Калифорния. Из этих полимеров — а именно нуклеиновых кислот (строительных блоков ДНК), белков и полисахаридов — выросло буквально все разнообразие жизни.
Бада был учеником Стэнли Миллера, одной половины дуэта, которая стояла за экспериментом Миллера — Юри в 1950-х годах — одного из первых экспериментов, в задачах которого было выяснение процесса появления жизни из неживых химических веществ. С тех пор он вернулся к этому знаменитому эксперименту и продемонстрировал еще больший диапазон биологически подходящих молекул, которые образуются, когда электричество пропускается через смесь химических веществ, как полагают, существовавших на первобытной Земле.
Но эти химические вещества не являются живыми. Только тогда, когда они начинают делать некоторые интересные вещи, вроде выделений или убийства друг друга, мы позволяем им такую честь. Что же необходимо для веществ, чтобы сделать прыжок к жизни? У Бады есть довольно интересный ответ.
«Несовершенная репликация информационных молекул могла бы ознаменовать происхождение жизни и эволюции и осуществить, таким образом, этот переход от неживой химии к биохимии. Начало репликации и, в частности, репликации с ошибками положило начало «потомству» с разными способностями. Эти молекулярные отпрыски могли затем начать конкурировать между собой за выживание. «Это по сути дарвиновская эволюция на молекулярном уровне», говорит Бада.
Для многих химиков, получается, именно репликация — процесс, который вирусы могут проводить только при помощи биологических клеток — помогает определить жизнь. Тот факт, что информационные молекулы — ДНК и РНК — обеспечивают репликацию, предполагает, что они являются и важнейшей особенностью жизни.
Но характеризация жизни по этим конкретным химическим веществам не открывает более широкую картинку. Известной нам жизни может быть необходима ДНК или РНК, но как насчет жизни, которая нам пока не известна?
Астробиологи: охота на инопланетян
В целом, жизнь возможна и тут.
Определить природу инопланетной жизни — непростое дело. Многие ученые, включая Чарльза Кокелла и его коллег из Центра астробиологии при Университете Эдинбурга, используют микроорганизмы, способные выживать в чрезвычайных условиях как тестовые образчики внеземной жизни. Они считают, что жизнь где-либо еще может быть в совершенно других условиях, но, вероятнее всего, унаследует ключевые характеристики жизни, которую мы знаем по Земле.
«Но мы должны держать разум открытым к возможности обнаружения чего-то, что совсем выпадает из этого определения», говорит Кокелл.
Даже попытки использовать наше знание земной жизни, чтобы попытаться найти инопланетян, могут приводить к смешанным результатам. NASA, например, считало, что проведет хорошую работу по определению жизни в 1976 году, когда космический аппарат «Викинг-1» успешно сел на Марсе, будучи оснащенным тремя экспериментами для жизни. Один тест, в частности, показал, что на Марсе была жизнь: уровень диоксида углерода в марсианской почве был высоким, а значит в ней жили и дышали микробы.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Но увиденный на Марсе диоксид углерода сейчас повсеместно объясняется куда менее захватывающим явлением небиологических окислительных химических реакций.
Астробиологи вынесли уроки из этих экспериментов и сузили критерии, которые используют для поиска инопланетян — но пока их поиски остаются безуспешными.
Впрочем, астробиологам не стоит слишком сильно сужать критерии поиска. Саган считал углеродоцентричный поиск инопланетян «углеродным шовинизмом», считая, что такой подход будет очень узколобым.
«Люди предполагали, что инопланетяне могут быть и на основе кремния, либо использовать другие растворители (не воду)», говорит Кокелл. «Говорили даже о внеземных разумных облачных организмах».
В 2010 году открытие бактерий с ДНК, содержащей мышьяк вместо стандартного фосфора, поразило многих астробиологов. Хотя эту находку с тех пор не раз поставили под сомнение, многие тихо надеются, что жизнь не будет следовать классическим правилам. В то же время некоторые ученые работают над формами жизни, которые вообще не основаны на химии.
Технологи: построить искусственную жизнь
Когда-то создание искусственной жизни было целиком и полностью во власти научной фантастики. Теперь же это полноценная отрасль науки.
До поры до времени новые организмы в лаборатории могут создавать биологии, просто соединяющие вместе части двух или более известных форм жизни. Но этот процесс может быть и более абстрактным.
С тех пор, как в 1990-х годах компьютерная программа Tierra Томаса Рэя попыталась продемонстрировать синтез и эволюцию цифровых «форм жизни», ученые пытаются создать компьютерные программы, которые действительно имитируют жизнь. Некоторые даже начинают создавать роботов с чертами, похожими на жизненные.
«Общая идея в том, чтобы понять существенные свойства всех живых систем, а не только живых систем, которые удалось найти на Земле», говорит эксперт по искусственной жизни Марк Бедо из колледжа Рид в Портленде, штат Орегон. «Это попытка бросить очень широкий взгляд на то, что такое жизнь, в то время как биология сосредоточена на реальных формах, с которыми мы знакомы».
Конечно, многие исследователи искусственной жизни используют все, что мы знаем о жизни на Земле, в качестве основы для своих исследований. Бедо говорит, что исследователи используют так называемую «модель ПМК» — программы (например, ДНК), метаболизма и контейнера (например, стенки клетки). «Важно отметить, что это не определение жизни в общем, просто определение минимальной химической жизни», объясняет он.
Работая над нехимическими формами жизни, ученые пытаются создать программные или аппаратные версии компонентов ПМК.
«В основном, не думаю, что у жизни есть четкое определение, но нам нужно к чему-то стремиться», говорит Стин Расмуссен, работающий над созданием искусственной жизни в Университете Южной Дании в Оденсе. Группы со всего мира работали над отдельными компонентами модели ПМК, создавая системы, демонстрирующие тот или иной ее аспект. Пока что никому не удалось собрать все это в функционирующую форму синтетической жизни. «Это процесс сверху вниз, выстраивание кусочка за кусочком», объясняет он.
Исследования искусственной жизни могут дать пользу и в более широких масштабах, создать жизнь, которая будет совершенно чужой для нас. Такие исследования помогают нам уточнять наши знания о жизни. Но пока рано говорить о результатах.
Философы: пытаются решить загадку жизни
Все строится по кирпичикам.
Что ж, даже если те, кто ищет — и пытается создать — новую жизнь, не обеспокоены универсальным ее определением, нужно ли ученым перестать переживать о сведении всех определений к одному? Кэрол Клиланд, философ из Университета Колорадо в Боулдере, считает, что да. По крайней мере на некоторое время.
«Если вы пытаетесь обобщить млекопитающих, используя зебру, какую черту вы бы выбрали?», спрашивает она. «Определенно не ее молочные железы, поскольку они есть только у половины. Их полосы кажутся очевидным выбором, но они всего лишь случайность. Это не то, что делает зебр млекопитающими».
То же самое с жизнью. Может быть, вещи, которые мы считаем важными, в действительности свойственны лишь жизни на Земле. В конце концов, все, от бактерий до львов, произошло от одного общего предка, а значит, что во Вселенной наша жизнь всего лишь одна точка в данных.
Как говорил Саган: «Человек склонен определять с точки зрения привычного. Но фундаментальные истины могут быть непривычными».
Пока мы не обнаружили и не изучили альтернативные формы жизни, мы не можем знать, какие признаки, важные для нашей жизни, действительно универсальны. Создание искусственной жизни может предложить способ исследовать альтернативные формы жизни, но, по крайней мере в краткосрочной перспективе, несложно представить, как любая жизнь, созданная на компьютере, повлияет на наши убеждения о живых системах.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Чтобы определить жизнь точнее, нам нужно найти инопланетян. Ирония в том, что попытка определить жизнь до того, как мы их найдем, может усложнить процесс их поиска. Как трагично будет, если в 2020-х годах новый марсоход проедет мимо марсианина просто потому, что не признает его живым существом.
Поиск определения жизни может помешать поиску новой жизни. Нам нужно уйти от нашей нынешней концепции и быть открытыми к обнаружению жизни, даже если мы ее не знаем или не узнаем.
«Критерии определения жизни на Земле».
1.1 Критерии и определения жизни
Культура древнего мира не признавала разделения на живое и мертвое. Все существующее в мире и доступное наблюдению представлялось живым (анимизм). Затем постепенно сформировались представления о границе между живым и неживым. Однако при попытке определить сущность жизни на научном уровне до сих пор возникают значительные трудности. Большинство ученых убеждены, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира.
1) живые организмы характеризуются наличием фенотипа и генотипа;
2) генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом;
3) в процессе репликации неизбежны ошибки на микроуровне, случайные и непредсказуемые изменения генетических программ (мутации);
4) в ходе формирования фенотипа эти изменения многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды.
Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчеркивается то, что только совокупность таких свойств может дать представление о специфике живой материи. К числу таких характеристик жизни обычно относятся следующие.
Обмен веществ и энергии. Благодаря этому свойству обеспечивается постоянство внутренней среды организмов и связь организмов с окружающей средой, что является условием для поддержания жизни организмов. Живые клетки поглощают энергию из внешней среды в форме энергии света. В дальнейшем химическая энергия преобразуется в клетках в другие формы энергии.
Клеточное строение. Все живые организмы имеют определенную организацию, структурной и функциональной единицей которой для всех организмов (кроме вирусов) является клетка.
Наследственность и изменчивость. Наследственность обеспечивает материальную преемственность между родителями и потомством, между поколениями организмов, что в свою очередь обеспечивает непрерывность и устойчивость жизни. Основу материальной преемственности в поколениях и непрерывности жизни составляет передача от родителей к потомству генов, в ДНК которых зашифрована генетическая информация о структуре и свойствах белков. Изменчивость связана с появлением у организмов признаков отличных от исходных, и определяется изменениями в генетических структурах. Наследственность и изменчивость создают материал для эволюции организмов.
Раздражимость. Реакция живого на внешние раздражения являются проявлением отражения, характерного для живой материи. У простейших и растений раздражимость проявляется в виде тропизмов, таксисов. У организмов, имеющих нервную систему, раздражимость проявляется в виде рефлекторной деятельности.
Движение. Способностью движению обладают все живые существа. Многие одноклеточные организмы двигаются с помощью особых органоидов. К движению способны и клетки многоклеточных организмов (лейкоциты, блуждающие соединительнотканные клетки и др.), а также некоторые клеточные органеллы. Совершенство двигательной реакции достигается в мышечном движении многоклеточных животных организмов, которое заключается в сокращении мышц.
Рост и развитие. Рост организмов происходит путем прироста массы организма за счет увеличения размеров и числа клеток. Он сопровождается развитием, проявляющимся в дифференцировке клеток, усложнении структуры и функций. В процессе онтогенеза формируются признаки в результате взаимодействия генотипа и среды. Филогенез сопровождается появлением гигантского разнообразия организмов, органической целесообразностью. Процессы роста и развития подвержены генетическому контролю и нейрогуморальной регуляции.
Упорядоченность структуры. Для живого характерна не только сложность химических соединений, из которых оно построено, но и упорядоченность их на молекулярном уровне, приводящая к образованию молекулярных и надмолекулярных структур.
Самовоспроизведение (размножение). Способность к размножению является одним из обязательных и важнейших свойств живых организмов. Размножение поддерживает длительное существование вида, обеспечивает преемственность между родителями и их потомками.
В обобщенном и упрощенном варианте все отмеченное можно сформулировать в выводе, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются не дышат, не растут и не размножаются.
Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Так, например, вирусы вне клеток другого организма практически не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки другого организма и используя его ферментные системы. Поэтому в зависимости от того, какое свойство признается наиболее важным, вирусы можно отнести к живым системам или нет.
Что такое жизнь?
Часто можно встретить сообщения вроде «астрономы считают, что на планете xxx могла существовать жизнь» или «чтобы найти жизнь, сначала нужно обнаружить признаки наличия воды» и так далее. Но что они подразумевают под «жизнью»? Все, что умеет только дышать? Или питаться? Или оно должно обязательно передвигаться? Мы особо не задумываемся, когда нас просят отличить живое от неживого: человек — живой, кот — живой, шкаф или машина — неживые. Однако на самом деле вопрос о том, что такое жизнь, является гораздо более сложным. Великие умы, от Аристотеля до Гессе, предлагали свои объяснения, но… до сих пор не придумали определения жизни, которое можно применить ко всему.
Чем больше мы узнаем, тем сложнее становится ответить на этот вопрос
Научное определение жизни
В чем же проблема? Если в древности люди действительно могли так просто подойти к вопросу жизни (человек — живой, камень — нет), то с развитием технологий эта идея потеряла свой вес. Ее используют только люди в повседневной жизни. Астрономы же, ученые и химики считают, что под жизнью скрывается гораздо более обширное понятие. Очень интересно описывает жизнь аэрокосмическое агентство NASA.
Однако это лишь одно определение из сотен. Что еще хуже, ученые разных дисциплин выдвигают разные идеи о том, что нужно для определения чего-то живого. С точки зрения физиков, жизнь неразрывно связана с термодинамикой; химики считают, что это набор молекул; биологи — то, что способно эволюционировать.
Признаки живого
Всем нам в школе на уроках биологии рассказывали о семи процессах, которые якобы определяют жизнь: движение, дыхание, чувствительность, рост, размножение, выделение и питание. Но это далеко не точное утверждение. Есть много вещей, которые мы могли бы запихнуть в эти рамки и назвать живыми. Некоторые кристаллы, инфекционные белки и вирусы будут «живыми», если исходить из этих семи принципов.
Некоторые считают вирусы живыми, поскольку они обладают информацией, закодированной в ДНК или РНК
Действительно, вирусы живые или нет? С общепринятой точки зрения — нет, поскольку у них нет метаболизма и они остаются инертными до тех пор, пока не столкнутся с клетками. При всем этом вирусы обладают информацией, закодированной в ДНК или РНК. Это сильный маркер жизни, который имеется у любого живого существа на планете. Он свидетельствует о том, что вирусы могут эволюционировать и размножаться. Но для этого им придется «взламывать» клетки и уничтожать их. Поэтому некоторые микроблоги являются сторонниками теории «живых вирусов».
Для многих химиков репликация — процесс, который вирусы могут проводить только при помощи биологических клеток — помогает определить жизнь. Тот факт, что информационные молекулы — ДНК и РНК — обеспечивают репликацию, предполагает, что они являются важнейшей особенностью жизни.
Жизнь требует движения, — Аристотель.
Жизнь на других планетах
Совсем другое дело — когда о жизни говорят астронавты и ученые, которые занимаются поиском жизни на других планетах. За основу идеи жизни они берут микроорганизмы, которые способны выживать в экстремальных условиях — например, тихоходки. Эти организмы выступают в роли «тестовых образцов» внеземной жизни. То есть ученые считают, что инопланетные существа унаследуют ключевые характеристики жизни, которую мы знаем по Земле.
Но этот подход, как оказалось, содержит множество недоработок. В конце 70-х годов прошлого века на Марсе высадился аппарат «Викинг-1», который в ходе тестов выяснил, что на Марсе была жизнь: уровень диоксида углерода в марсианской почве был высоким, а значит в ней жили и дышали микробы. А сейчас диоксид углерода встречается повсеместно и объясняется куда менее захватывающим явлением небиологических окислительных химических реакций. То есть шанс найти таким образом жизнь не выше, чем выиграть в национальную лотерею в США.
В 2010 году открытие бактерий с ДНК, содержащей мышьяк вместо стандартного фосфора, поразило многих астробиологов. Хотя эту находку с тех пор не раз поставили под сомнение, многие тихо надеются, что жизнь на других планетах не будет следовать классическим правилам. Сейчас ученые предполагают, что инопланетяне могут быть и на основе кремния, либо использовать другие растворители (не воду). А может для жизни им вообще не нужны питательные вещества — это машины из металла, способные выживать в любой среде.
Проблема в том, что попытка определить жизнь сильно усложняет процесс поиска других организмов. Например, очередной марсоход NASA может проехать мимо марсианина просто потому, что не признает его живым существом. В нем будет запрограммирован определенный набор признаков живого, ни один из которых не подойдет инопланетному существу.
Примерно так происходит забор марсианского грунта
В чем загадка жизни?
Пока что главная загадка в том, чтобы узнать, что такое жизнь. Как мы увидели, зачастую ее определение может не подходить под общепринятые параметры. Но одно мы пока знаем точно: вещи, которые мы считаем важными, в действительности свойственны лишь жизни на Земле. В конце концов, все на планете, от бактерий до читателей в нашем Telegram-чате, произошло от одного общего предка. А вот во Вселенной наша земная жизнь может оказаться лишь крошечной точкой среди данных.
Хотя и на Земле мы исследовали далеко не все. Вон совсем недавно была найдена жизнь в одном из самых экстремальных мест планеты.
Пока мы не обнаружили и не изучили альтернативные формы жизни, мы не можем знать, какие признаки, важные для нашей жизни, действительно универсальны. Другими словами, нам нужно найти инопланетян. А пока этого не случилось, можно руководствоваться логикой «человек — живой, камень — нет». Во всяком случае на Земле.