Борис Медников - Аксиомы биологии

• Название: Аксиомы биологии
• Автор: Борис Медников
• Издательство: Знание
• Жанр: Биология
• Год: 1982

Современная биология – это совокупность научных дисциплин, с разных сторон и на разных уровнях изучающих все многообразие живой материи. Можно ли, опираясь на сумму накопленных знаний, построить некую систему теоретических положений, необходимых для понимания специфических отличий живого от неживого? Можно, считает автор, и в доступной форме излагает основные принципы, которые играют в биологии такую же роль, какую в геометрии – аксиомы.

Для широкого круга читателей.

---

Какой вывод можно сделать из этого? Обмен веществ – необходимый, но недостаточный критерий жизни. Его нужно дополнить каким-то иным критерием.

Можно сформулировать определение жизни следующей фразой: жизнь – это активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфической структуры.

Чем короче определение, тем больше оно нуждается в расшифровке. Что такое активное воспроизведение? Под этим словосочетанием мы должны понимать такой процесс, когда система сама воспроизводит себя и поддерживает свою целостность, используя для этого элементы окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Пассивный процесс такого рода отнюдь не признак жизни. Птицы из года в год воспроизводят свои гнезда, бобры строят плотины, но ни гнезда, ни плотины нельзя считать живыми объектами в отличие от их строителей. Особенно характерно воспроизведение неживых объектов для деятельности человека. Средневековый переписчик книг, создававший новый фолиант взамен истрепанного, и современный любитель музыки, переписывающий магнитофонную запись, – хорошие тому примеры. Но человек куда сложнее книги или магнитофонной записи. Как-то автору довелось читать фантастический рассказ о том, как в далеком будущем воссоздали живого Пушкина по информации заключенной в полном собрании его сочинений. Вот уж это совершенно ненаучная фантастика с большим успехом можно попытаться воссоздать яблоню по кусочку яблочной пастилы. В дальнейшем мы еще вернемся к этой проблеме.

Почему в нашем определении подчеркивается то, что поддержание и воспроизведение структуры живого организма должно идти с затратой энергии? Потому что это позволяет различать живые существа от других самовоспроизводящихся структур, например кристаллов.

Еще великий французский натуралист Бюффон в XVIII веке проводил аналогии между ростом организмов и ростом кристаллов. Действительно, каждому кристаллу присуща своя специфическая структура, возникающая спонтанно. Так, хлористый натрий кристаллизуется в виде куба, углерод в форме алмаза – в виде октаэдра. Скопления, сростки кристаллов порой удивительно похожи на структуры живой природы. Вспомните хотя бы морозные узоры на оконных стеклах. Они иногда настолько бывают похожи на листья папоротников и иных диковинных растений, что известный биолог А. А. Любищев видел в этом какой-то глубокий смысл. Можно получить и трехмерную структуру, сходную с растениями (на сей раз при растворении кристаллов). В детстве я увлекался подобными опытами. Нужно взять кристаллики какой– либо цветной соли – медного купороса, бихромата калия – и залить их жидким стеклом (силикатным клеем). Через несколько дней над каждым кристалликом вырастает ветвящаяся структура, удивительно похожая на растение, а в целом получается пейзаж какой-то фантастической планеты.

Рис. 1. Морозные узоры на окнах порой так напоминают листья папоротников и иных диковинных растений, что А. А. Любищев видел в этом какой-то глубокий общебиологический смысл. Дело, однако, гораздо проще. Кристаллы, образующиеся из водяных паров, растут с поверхности и потому образуют структуру с наибольшей поверхностью. Листья папоротника имеют наибольшую поверхность для поглощения солнечного света и углекислоты. В первом случае при образовании структуры энергия выделяется, во втором – поглощается.

Как-то мне довелось видеть и трехмерные морозные узоры. На склоне камчатской сопки земля с легким хрустом проседала под ногами на один-два сантиметра.

Оказалось, что тонкий поверхностный слой почвы был поднят изящными ледяными веточками, торчащими густо, как щетинки на зубной щетке. Ни до, ни после мне не пришлось видеть такой занятной кристаллизации водяных паров, хотя пишут, что в горах такой феномен не столь уж редок.

Даже металлы образуют подобные структуры металлургам: всего мира хорошо известна так называемая «елка Чернова» – древовидный сросток кристаллов железа, выросший в раковине отливки.

И тем не менее аналогии между кристаллами и организмами, между морозными узорами и листьями папоротника неправомерны. Хотя эти структуры внешне сходны, процессы их возникновения энергетически диаметрально противоположны. Кристалл – система с минимумом свободной энергии. Недаром при кристаллизации выделяется тепло. Например, при возникновении одного килограмма «морозных узоров» должно выделиться 619 килокалорий тепла (539 при конденсации водяных паров и 80 при переходе в твердую фазу). Столько же энергии нужно затратить на разрушение этой структуры. Листья папоротника, наоборот, при своем возникновении поглощают энергию солнечных лучей, и, разрушая эту структуру, мы можем получить энергию обратно. Да это мы и делаем, сжигая каменный уголь, образовавшийся из остатков гигантских папоротников палеозойской эры. Дело здесь не в самом листообразном рисунке: бесформенный кусок льда той же массы потребует на расплавление и испарение столько же энергии. То же и с папоротником: на образование внешней сложности организма расходуется энергия, ничтожно малая по сравнению с той, что законсервирована в органике.

А как же внешнее сходство? И листья папоротника, и морозные узоры обладают максимальной площадью поверхности при данном объеме. Для папоротника (и любого другого растения) это необходимо, ибо дыхание и ассимиляция углекислого газа идет через поверхность листьев. В тех случаях, когда нужно снизить расходы воды на испарение, растения, например кактусы, обретают шарообразную форму с минимальной площадью поверхности. Но платить за это нужно снижением темпов ассимиляции СO2 и соответственно замедлением роста.

Водяные пары, кристаллизуясь на холодном стекле, также образуют структуру с максимальной поверхностью, потому что скорость потери свободной энергии при этом максимальна (кристаллы растут с поверхности). Так что аналогии между кристаллами и живыми организмами не имеют, как это принято сейчас говорить, эвристического значения. Жидкость, выплеснутая из сосуда в условиях невесомости, приобретает форму биллиардного шара (минимум энергии поверхностного натяжения). Но между игрой в биллиард и полетами в космос столько же общего, сколько между кристаллизацией и ростом живого организма.

Из этого не следует, что кристаллические формы чужды жизни. Вот хороший пример. Многим известны безобидные крупные комары-долгоножки с длинными ломкими конечностями. Их личинки обитают во влажном грунте, питаясь перегнивающими растительными остатками. Среди них можно встретить особей, окрашенных в голубой цвет с радужным отливом. Они кажутся вялыми, и они действительно больны – заражены так называемым радужным вирусом. В гемолимфе таких личинок под микроскопом можно обнаружить кристаллы удивительной красоты, переливающиеся, как сапфиры. Кристаллы эти сложены из частиц вируса – вирионов. Когда личинка погибнет, они попадут в почву, чтобы быть проглоченными личинками нового поколения комаров.

Такие кристаллы образуют многие вирусы, и не только вирусы насекомых. Но это неактивная форма существования вируса, в форме кристалла он не размножается, а лишь переживает неблагоприятные условия.

Известный физик Э. Шредингер как-то назвал хромосому «апериодическим кристаллом». Действительно, ядерное вещество клетки в период деления упорядочено, формально его можно назвать кристаллом, как можно назвать книгу кристаллом из страниц. Но во время «упаковки» в хромосому ядерное вещество (хроматин) неактивно, и сама хромосома – лишь способ передачи хроматина от клетки к клетке.

Короче, упорядоченность структуры кристаллов – упорядоченность кладбища, системы с минимумом свободной энергии. Упорядоченность структуры организма в процессе жизнедеятельности – это упорядоченность автомобильного конвейера. Для ее поддержания и воспроизведения в следующем поколении организм должен поглощать энергию в виде квантов света или неокисленных органических соединений, простые вещества, и выделять окисленные продукты жизнедеятельности. Это и есть обмен веществ, он не является самоцелью.

«Все течет», – сказал Гераклит Эфесский (этот всем известный афоризм дошел до нас, правда со слов других, так как сам Гераклит, как Сократ, предпочитал излагать свои взгляды в беседах). Особенно это относится к живому организму. Он – поток, по которому непрерывно движутся энергия и вещества – элементы для воссоздания структур. Не так давно еще ученые полагали, что, достигнув взрослого состояния, организмы притормаживают синтез белков и других органических соединений, ограничиваясь «ремонтными» работами (заживление ран, смена эпителия кожи и т. д.).

Первые же опыты с изотопными метками показали, что это неверно. На протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на вновь образующиеся. Так, клетки крови полностью заменяются через четыре месяца. В конечном счете, это тоже ремонтные работы, но организм заменяет не только клетки, получившие дефекты, а все. Так, при ремонте самолета заменяют двигатель, отработавший свой ресурс, хотя бы он работал безупречно. Казалось бы, всю жизнь должна служить человеку костная ткань. Однако когда в практику медицины вошел антибиотик тетрациклин, врачи столкнулись с удивительным фактом.