Пламя свечи растёт, поглощает кислород и воск, выделяет углекислый газ и тепло, реагирует на сквозняк, способно «размножиться», поджигая соседний фитиль, — и «умирает», когда заканчивается топливо. По многим внешним признакам огонь удивительно похож на живое существо.
Вирус гриппа, напротив, вне клетки-хозяина выглядит как инертная частица — не потребляет энергию, не растёт, не реагирует на раздражители. Однако он несёт генетическую программу (РНК), способен размножаться внутри заражённой клетки и эволюционирует из сезона в сезон, заставляя учёных каждый год обновлять вакцину.
Задача: Огонь демонстрирует больше внешних «жизненных» признаков, чем вирус, — но огонь точно не живой, а статус вируса биологи обсуждают уже более полувека. По какому критерию (или набору критериев) мы отличаем живое от неживого — и на чьей стороне вирус?
В «Разведке боем» мы столкнулись с парадоксом: пламя свечи растёт, питается, реагирует на внешние воздействия, размножается и умирает — и всё-таки не живое. А вирус, который вне клетки выглядит как инертная частица, несёт генетическую информацию и способен эволюционировать — но биологи уже полвека спорят, считать ли его живым. Чтобы разобраться, где проходит граница, нужно понять, какие свойства биология приписывает живым системам — и почему важна именно их совокупность, а не каждое по отдельности.
Любой живой организм — от бактерии до кита — непрерывно обменивается с окружающей средой веществами и энергией. Клетка поглощает питательные вещества, расщепляет их, строит из полученных «деталей» собственные молекулы и выделяет отходы. Этот непрекращающийся поток химических превращений — первое и, возможно, самое фундаментальное свойство живого.
Метаболизм складывается из двух противоположных потоков. Ассимиляция (пластический обмен) — синтез сложных веществ из простых: клетка собирает белки из аминокислот, ДНК из нуклеотидов, полисахариды из моносахаридов, затрачивая при этом энергию. Диссимиляция (энергетический обмен) — расщепление сложных веществ с высвобождением энергии, которая запасается в молекулах АТФ. Пока оба потока работают — организм живёт; когда обмен прекращается — организм мертв.
Огонь тоже «потребляет» кислород и воск и «выделяет» углекислый газ и тепло — но между горением и метаболизмом есть принципиальное различие. Живая клетка не просто сжигает топливо: она направляет энергию на строительство собственных структур, копирование ДНК, транспорт ионов через мембрану — десятки тысяч согласованных реакций, каждая из которых контролируется ферментами. Огонь ничего не строит и не контролирует — он окисляет всё, до чего дотянется, без программы и без цели.
Из обмена веществ вытекает ещё одно ключевое свойство: живой организм способен поддерживать относительное постоянство своей внутренней среды, даже когда внешние условия меняются.
Когда температура воздуха поднимается, человек потеет — испарение охлаждает кожу. Когда уровень глюкозы в крови растёт после еды, поджелудочная железа выделяет инсулин, и клетки начинают активнее поглощать глюкозу. Это примеры обратной отрицательной связи: отклонение от нормы запускает процесс, который возвращает систему обратно. Гомеостаз — не статичное состояние, а непрерывное балансирование, подобное тому, как канатоходец удерживает равновесие постоянными мелкими движениями шеста.
Чтобы поддерживать гомеостаз и выживать в изменчивой среде, организм должен воспринимать эти изменения и отвечать на них. Подсолнечник поворачивает соцветие вслед за солнцем, амёба отползает от кристалла поваренной соли, олень замирает, услышав хруст ветки. Все эти реакции — проявления одного и того же свойства.У одноклеточных раздражимость проявляется в форме таксисов — направленных движений к раздражителю или от него: эвглена плывёт к свету (положительный фототаксис), инфузория уплывает от капли кислоты (отрицательный хемотаксис). У растений это тропизмы — ростовые движения: корень растёт вниз (положительный геотропизм), стебель тянется к свету (положительный фототропизм). У животных раздражимость достигает высшей формы — рефлексов, управляемых нервной системой: отдёрнутая от горячего рука, сужение зрачка на ярком свету. Пламя свечи тоже «реагирует» на сквозняк, отклоняясь в сторону, — но это пассивное следствие физических сил, а не адаптивный ответ, направленный на выживание.
Ни один организм не существует вечно — но жизнь продолжается благодаря размножению. Размножение — воспроизведение организмом себе подобных — бывает бесполым (деление бактерии, почкование гидры, вегетативное размножение картофеля клубнями) и половым (с участием половых клеток — гамет — и оплодотворения). В обоих случаях потомкам передаётся генетическая программа родителей — и здесь мы подходим к двум свойствам, которые делают жизнь не просто самоподдерживающейся, а развивающейся.
Наследственность обеспечивает преемственность: потомство похоже на родителей, дуб вырастает из жёлудя, а не из споры папоротника. Изменчивость обеспечивает разнообразие: потомки никогда не являются точными копиями, и именно эти различия — материал для естественного отбора. Без наследственности эволюция невозможна, потому что нечего передавать следующему поколению; без изменчивости она тоже невозможна, потому что нечего отбирать. Именно сочетание этих двух свойств делает жизнь способной к эволюции — приспособлению к меняющимся условиям на протяжении поколений.
Живые организмы увеличиваются в размерах — растут — и проходят закономерные этапы усложнения — развиваются. Рост происходит за счёт ассимиляции: организм синтезирует больше веществ, чем расщепляет, и масса нарастает. У большинства животных рост ограничен: мышь не вырастет до размеров слона. У растений, грибов и некоторых рыб рост не ограничен — они продолжают увеличиваться на протяжении всей жизни. Развитие бывает индивидуальным (онтогенез — из одной клетки-зиготы формируется сложный многоклеточный организм) и историческим (филогенез — виды изменяются на протяжении миллионов лет).
Кристалл поваренной соли тоже «растёт», присоединяя ионы натрия и хлора из раствора, — но он не развивается: у него нет программы, направляющей усложнение структуры. Маленький кристалл и большой кристалл устроены одинаково — различается лишь размер. Живой организм растёт по плану, записанному в ДНК: из зиготы лягушки не вырастет тритон, а из семени сосны — берёза. Рост живого — не механическое приращение вещества, а управляемый процесс, неразрывно связанный с развитием.
Есть ещё одно свойство, которое менее очевидно, но фундаментально: дискретность. Живая материя состоит из обособленных, но взаимодействующих единиц: организм — из клеток, популяция — из особей, экосистема — из популяций. Каждая единица относительно автономна и в то же время — часть более крупной системы. Дискретность позволяет частям обновляться независимо: клетки эпителия вашего кишечника полностью заменяются каждые 3–5 дней, а кишечник продолжает работать без перерыва. Если бы организм был однородной массой, как капля воды, частичное обновление было бы невозможно.
Вернёмся теперь к «Разведке боем» и проверим огонь и вирус по всему набору признаков.
Огонь не выдерживает проверки ни по одному пункту: он не управляет своими реакциями, не хранит и не передаёт информацию, не поддерживает постоянство среды, не реагирует адаптивно. Внешнее сходство с жизнью — лишь совпадение: и горение, и дыхание — процессы окисления, но на этом параллель заканчивается.
Вирус — случай гораздо интереснее. У него есть наследственность (геном из ДНК или РНК), изменчивость (мутации, которые позволяют ему обходить иммунитет) и способность к размножению — но только внутри живой клетки, чьими ферментами и рибосомами он пользуется. Собственного обмена веществ у вируса нет: вне клетки он не потребляет энергию, не синтезирует белки, не растёт и не поддерживает гомеостаз. Именно поэтому большинство биологов определяют вирусы как «неклеточные формы жизни» или «облигатные внутриклеточные паразиты» — нечто, что стоит на самой границе между живым и неживым. Биология выделяет целый набор свойств живого: обмен веществ, гомеостаз, раздражимость, размножение, наследственность, изменчивость, рост и развитие, дискретность. Ни одно из них в отдельности не является достаточным: горение тоже включает окисление, кристалл тоже «растёт», компьютерный вирус тоже «размножается» и «мутирует». Но только живые системы обладают всеми этими свойствами одновременно, и в основе каждого из них лежит единый механизм — генетическая программа, записанная в нуклеиновых кислотах.
Это определение — рабочий инструмент, а не абсолютная истина. Биологи продолжают уточнять его границы: должна ли жизнь обязательно быть клеточной? Что, если на другой планете обнаружится система с наследственностью и обменом веществ, но не на основе ДНК? Открытость определения — не слабость, а сильная сторона науки: оно корректируется по мере появления новых фактов, как и положено по научному методу, который мы разобрали в первом уроке.
Обмен веществ (метаболизм) — совокупность реакций ассимиляции (синтез сложных веществ) и диссимиляции (расщепление с выделением энергии); прекращение обмена означает смерть.
Гомеостаз — поддержание постоянства внутренней среды через механизмы обратной отрицательной связи (потоотделение при перегреве, инсулин при избытке глюкозы).
Раздражимость — способность воспринимать воздействия и отвечать адаптивной реакцией: таксисы у одноклеточных, тропизмы у растений, рефлексы у животных.
Наследственность и изменчивость — передача генетической программы потомкам с возможностью изменений; вместе обеспечивают способность к эволюции.
Рост и развитие — увеличение размеров и закономерное усложнение структуры по генетической программе (в отличие от роста кристалла — без программы и без усложнения).
Дискретность — живая материя состоит из обособленных единиц (клетки, организмы, популяции), способных обновляться независимо.
Ни один признак по отдельности не определяет жизнь — только их совокупность. Вирус обладает наследственностью и изменчивостью, но лишён собственного метаболизма, поэтому его статус остаётся дискуссионным.