7 основных свойств, определяющих живое: жизнь глазами науки

Понять жизнь и глубоко исследовать живое люди стремились на протяжении всей истории. Нобелевский лауреат, биолог Пол Нерспредложил важную основу для такого понимания, выделив пять основных свойств жизни. Мы немного расширили этот список, добавив два новых пункта: равновесие и взаимозависимость живых организмов. Так мы рассмотрим семь основных свойств жизни в понятной научно-популярной форме. Современные примеры и данные в каждом разделе помогут вместе по-новому взглянуть на вопрос «что такое жизнь?».

1. Клетки (основная единица живого)

Основной строительный элемент всех живых организмов — клетка. Клетки можно считать самыми маленькими и простыми единицами жизни. Одна клетка способна самостоятельно выполнять все основные жизненные процессы. Например, бактерии — одноклеточные организмы, и эти крошечные формы жизни могут питаться, вырабатывать энергию и размножаться. У многоклеточных организмов, включая человека, тело состоит из триллионов клеток с разными задачами. В человеческом организме около 30 триллионов человеческих клеток, большинство из которых специализировано для определённых функций (мышечные, нервные, клетки крови и другие). Клетки растут, делятся, создавая свои копии, и так жизнь продолжается. Учёные, считающиеся основателями клеточной теории, в 1800-х годах определили основу живого словами: «Все живые организмы состоят из одной или нескольких клеток, и каждая новая клетка образуется при делении другой клетки» .

Размеры и форма клеток зависят от выполняемых функций. Например, эритроциты человека имеют форму диска и специализируются на переносе кислорода, а нервные клетки передают сигналы по телу с помощью длинных отростков. Самая большая клетка в мире — страусиное яйцо: огромная одиночная клетка, видимая невооружённым глазом! В микроскопическом мире тоже есть сюрпризы: в 2022 году учёные сообщили, что обнаруженная в мангровом болоте бактерия Thiomargarita magnifica может достигать длины около 1 сантиметра . Эта одноклеточная бактерия в 50 раз крупнее средней бактерии и стала первой бактерией, видимой невооружённым глазом. Открытие удивило учёных, поставив под сомнение предполагаемые пределы размеров клетки. Итак, клетки — строительные блоки жизни, и независимо от того, микроскопические они или видимы глазом, в них заключены все свойства живого.

2. Гены и наследственность (код жизни)

Передача признаков организма из поколения в поколение становится возможной благодаря коду, заключённому в генах . Гены — определённые участки молекулы ДНК ; каждый ген кодирует определённый признак организма (например, цвет глаз или группу крови). Знаменитая двойная спираль ДНК напоминает книгу жизни : она содержит инструкции, записанные химическим алфавитом из четырёх букв (нуклеотиды A, T, C, G). Эти инструкции указывают клеткам, какие белки производить, а белки служат строительными блоками и деталями механизмов организма. Генетическая информация передаётся от родителей потомству при размножении, поэтому дети похожи на родителей. Явление наследственности впервые открыл в опытах с горохом Грегор Мендель . Позднее его открытия удалось объяснить на молекулярном уровне после расшифровки структуры ДНК.

Современная наука добилась невероятного прогресса в генетике. В геноме человека (наборе его генетической информации) около 25 тысяч генов, а наша ДНК содержит последовательность общей длиной в 3 миллиарда букв. В 2003 году проект «Геном человека» расшифровал основную часть, 92% последовательности нашего генома, что стало поворотным моментом; однако некоторые сложные участки оставались незаполненными. Наконец, в 2022 годумеждународный консорциум учёных завершил расшифровку оставшихся 8% и впервые опубликовал полную и завершённую последовательность генома человека . Это означает, что удалось прочитать все страницы нашей книги генетической информации. Полная расшифровка открывает путь к прорывам в понимании и лечении наследственных заболеваний и даже создании новых организмов (синтетическая биология). Кроме того, технологии редактирования генов, например CRISPR, позволяют нам целенаправленно изменять определённые гены. Гены и наследственность— основа непрерывности жизни и исходный материал эволюционных изменений; поэтому они занимают ключевое место среди свойств живого.

3. Эволюция и естественный отбор (способность к адаптации)

Чтобы приспосабливаться к меняющимся условиям среды и выживать, живые организмы со временем проходят эволюцию . В основе этого понятия лежит открытый Чарльзом Дарвиноммеханизм естественного отбора . В самом простом виде естественный отбор означает, что лучше приспособленные к среде организмы выживают и размножаются, а неприспособленные отсеиваются . В популяции есть наследственные вариации (генетические различия); особи с признаками, более подходящими для среды, оставляют больше потомства, и постепенно эти признаки распространяются. Так виды меняются из поколения в поколение, лучше приспосабливаясь к окружению.

Яркие примеры эволюции можно увидеть в повседневной жизни. Например, приобретение бактериями устойчивости к антибиотикам — это буквально эволюция у нас на глазах. Антибиотик, применённый против инфекции, убивает чувствительные бактерии, но оставляет в живых немногие, получившие устойчивость вследствие мутации. Устойчивые бактерии размножаются и вскоре начинают преобладать, образуя популяцию, которая больше не реагирует на этот антибиотик. Это процесс естественного отбора, наблюдаемый даже в лаборатории. Другой исторический пример — изменение окраски бабочек в Англии во время промышленной революции: у берёзовой пяденицы с обычно светлыми крыльями стали распространяться тёмные формы, когда деревья покрылись сажей. Тёмные мутантные пяденицы выживали, маскируясь на почерневших деревьях от птиц, и быстро составили большинство популяции. Позже, с уменьшением загрязнения воздуха, преимущество вновь получили светлые пяденицы. Это показывает, как изменение среды может обратить направление давления естественного отбора.

Вьюрки, которых Дарвин изучал на Галапагосских островах, тоже стали символом эволюции. Форма их клювов различается в зависимости от источников пищи на островах: у одних толстые клювы для раскалывания твёрдых семян, у других — острые, чтобы ловить насекомых на тонких ветках. На этих примерах Дарвин объяснил, что виды происходят от общего предка и разошлись, приспосабливаясь к разным условиям . Сегодня генетический анализ, ископаемые находки и наблюдательные исследования убедительно поддерживают теорию эволюции. Эволюция и естественный отборотражают изменчивую, динамичную и чувствительную к среде природу жизни. Благодаря этому жизнь существует уже 3,5 миллиарда лет, приспосабливаясь к бесчисленным различным условиям нашей планеты.

4. Химические процессы (метаболизм жизни)

Живые организмы подобны химическим лабораториям! Химические процессыохватывают все биохимические реакции, необходимые для поддержания жизни. В нашем теле и во всех других организмах каждое мгновение происходят тысячи реакций. Например, когда мы дышим и производим энергию, в митохондриях наших клеток молекула сахара глюкоза расщепляется с использованием кислорода и образуется АТФ (аденозинтрифосфат) — универсальная энергетическая молекула. АТФ обеспечивает энергию для работы клеток (сокращения мышц, передачи нервных импульсов, синтеза молекул и т. д.), поэтому в биологии её называют «энергетической единицей». Организм человека за сутки производит и расходует количество АТФ, близкое к собственному весу, — около 50 килограммов ; разумеется, одни и те же молекулы АТФ многократно перерабатываются и используются вновь. Эта удивительная цифра показывает интенсивность химического движения в нашем обмене веществ.

Химические процессы живых организмов в основном связаны с получением пищи, преобразованием энергии и удалением отходов. Фотосинтезирующие организмы, такие как растения и водоросли, используют солнечный свет, превращая углекислый газ воздуха в питательные вещества (фотосинтез); так они запасают энергию и производят кислород, делая атмосферу пригодной для жизни. Животные при питании с помощью пищеварительной системы расщепляют крупные молекулы на небольшие строительные блоки, которые служат топливом клеткам. Все эти реакции ускоряются биокатализаторами — ферментами — и контролируются в тонком равновесии.

Химия жизни настроена настолько тонко, что даже небольшое изменение температуры тела или pH может нарушить скорость реакций. Например, при высокой температуре ферменты теряют структуру, химические процессы нарушаются и могут возникать угрожающие жизни состояния. Поэтому организмы стремятся поддерживать постоянные внутренние условия, чтобы реакции шли правильно (это подводит нас к следующему свойству — равновесию). Итак, химические процессы лежат в основе жизни: от дыхания до пищеварения, от роста до восстановления — всё происходит благодаря химическим взаимодействиям в клетках. Жизнь, по сути, представляет собой танец элементов и молекул.

5. Поток информации

Одна из самых удивительных сторон жизни — способ использования информации. Живые системы работают не только благодаря энергии, но и благодаря информации. Она в основном хранится в ДНК и определяет, когда, где и что должен делать организм. Но информация не ограничивается генетическим кодом. Как подчёркивает Пол Нерс, жизнь — сложная сетевая система, хранящая, обрабатывающая и передающая информацию.

На первом уровне находится классический поток информации ДНК → РНК → белок . Этот процесс, то есть транскрипция и трансляция, управляет основными функциями живых клеток. ДНК через РНК контролирует производство белков, а белки служат строительными блоками и молекулярными машинами клетки. Эта центральная догма — универсальный язык жизни.

Однако поток информации этим не ограничивается. Организмы управляют информацией и через сложные внутриклеточные сети. Например, активность генов в клетке печени зависит от уровня белков, энергетического состояния и даже сигналов стресса из окружающей среды. Это работает словно биологическое программное обеспечение: внутренние датчики клетки решают, какую информацию читать, а какую заглушать.

Кроме того, клетки обмениваются информацией друг с другом. Химические сигналы из повреждённой ткани направляют иммунные клетки к месту события. При эмбриональном развитии сигнальные молекулы одной группы клеток приказывают соседним «стань нейроном» или «стань мышечной клеткой». Такой поток информации обеспечивает организацию жизни и формирование разных типов клеток.

Растения тоже используют информацию, например при росте в сторону света или обнаружении воды в почве. Хотя эта информация имеет генетическую основу, её переносят сигналы между клетками. Таким образом, информация присутствует не только в последовательностях ДНК, но и во внутриклеточных сетях, межклеточном общении и формировании пространственных структур при развитии.

В последние годы были разработаны революционные технологии, чтобы понимать эту информационную систему и управлять ею . Секвенирование ДНК позволяет читать генетические книги организмов, а инструменты редактирования генов вроде CRISPR — удалять или переписывать в них строки. Синтетическая биология позволяет проектировать генетические схемы, которых нет в природе. Все эти технологии показывают, что жизнь — система не только химическая, но и информационная.

Итак: поток информации — основной механизм, поддерживающий и существование, и разнообразие жизни. Информация, начинающаяся с генетического кода, обрабатывается, передаётся и интерпретируется при клеточной регуляции, общении и развитии. Жизнь представляет собой совершенную организацию этой многоуровневой информационной системы.

6. Равновесие (гомеостаз)

Живые организмы способны поддерживать свою внутреннюю среду и отношения с окружающим миром в равновесии . Это внутреннее равновесие в биологии называют гомеостазом . Гомеостаз означает, что организм постоянно вносит изменения, чтобы удерживать собственные условия на стабильном уровне или в узком диапазоне. Постоянная температура тела около 36-37 °C, определённый уровень сахара в крови и неизменный pH клеток — результаты гомеостаза. Когда это равновесие успешно поддерживается, жизнь продолжается; при его нарушении возникают болезни или угроза жизни организма.

Рассмотрим повседневный пример гомеостаза — температуру нашего тела . У здорового человека внутренняя температура составляет около 37 °C. Когда окружающий воздух остывает, мы начинаем мёрзнуть и стараемся уменьшить потерю тепла с помощью дрожи (выработки тепла мышечными движениями), сужения сосудов кожи (снижения теплоотдачи) и дополнительной одежды. И наоборот: в жаркий день при повышении температуры тела мы начинаем потеть; испаряющийся пот охлаждает нас и выводит избыток тепла. Всеми этими процессами управляет центр головного мозга — гипоталамус, работающий как термостат. Аналогично, когда сахар крови повышается, поджелудочная железа выделяет инсулин, который даёт клеткам команду «очистите кровь, заберите сахар внутрь». Когда сахар снижается, включается глюкагон: он обращается к печени и мышцам с командой «расщепите запасы, выделите сахар в кровь», повышая его уровень. Так сахар удерживается в идеальном диапазоне, не становясь чрезмерно высоким или низким.

Гомеостаз не ограничивается температурой или сахаром; он относится почти к любому биологическому параметру. Давление, водно-солевой баланс, уровень кислорода в тканях и даже количество производимых в клетке белков регулируются гомеостатическими механизмами. Системы обратной связи позволяют клеткам сокращать производство вещества при его избытке и наращивать при недостатке. Например, при снижении кислорода в крови мозг учащает дыхание, увеличивая поступление кислорода, а при избытке — замедляет его. Без этих систем тонкой настройки тело не могло бы работать стабильно, несмотря на изменения среды.

Гомеостаз делает живое не хрупким перед средой, а гибким и устойчивым. Пустынная мышь при отсутствии воды так регулирует почки, что выживает с минимальным её количеством; белый медведь предотвращает потерю тепла толстым слоем жира и строением тела с небольшой относительной площадью поверхности, не снижая температуру на холоде. Человеческое тело тоже подаёт сигналы через потоотделение, ощущение холода, жажды и голода, чтобы поддерживать равновесие. Итак, равновесие (гомеостаз) необходимо для непрерывности жизни. Без внутреннего равновесия нельзя было бы оставаться живым в меняющихся условиях внешнего мира.

7. Взаимозависимость (экосистема и симбиоз)

Ни один организм не может существовать один, в полной изоляции. Взаимозависимость— ткань сети жизни. В природе все организмы прямо или косвенно взаимодействуют с другими. Эти связи имеют разные формы: питание, защита, размножение, предоставление места обитания. Например, деревья леса делятся питанием и информацией через тонкие грибные нити, оплетающие корни (микоризу); нуждающееся в воде дерево может «одолжить» её у соседа, а атакованное вредными насекомыми — предупредить соседей химическим сигналом. Такие взаимодействия напоминают сеть взаимопомощи, охватывающую всю экосистему.

Один из наиболее ярких примеров зависимости — отношения опыления . Примерно две трети цветковых растений Земли нуждаются в животных-опылителях; около 35% мировых пищевых продуктов (каждый третий кусок нашей еды!) тоже зависят от опыления пчёлами, бабочками, птицами, летучими мышами и другими животными. Собирая нектар, пчёлы невольно переносят репродуктивные клетки цветов, благодаря чему растения дают плоды и семена. Поедая плоды, мы пользуемся благами этого цикла. Если опылители исчезнут, многие растения не смогут размножаться, сельское хозяйство серьёзно пострадает, а значит, это напрямую затронет человечество. Яркий пример цепной зависимости живых организмов друг от друга.

Более того, даже тело каждого организма — экосистема. Например, микробиом, состоящий из триллионов бактерий, грибов и других микроорганизмов в кишечнике человека, помогает пищеварению, обучает иммунную систему и даже может влиять на поведение. Бактериальных клеток у нас столько же, сколько клеток тела; можно сказать, что численно мы наполовину люди, наполовину бактерии! Без этих микробов мы не могли бы переваривать многие продукты, производить некоторые витамины и были бы более уязвимы к болезням. Они зависят от нас (мы даём им питание), мы — от них (они поддерживают пищеварение и здоровье): это взаимовыгодные отношения.

В природе распространены и тесные формы совместной жизни, называемые симбиозом . Например, лишайник — объединение гриба и водоросли: гриб обеспечивает воду и минералы, водоросль фотосинтезирует и производит пищу, а вместе они выживают даже на суровых скалах. Аналогично подводные коралловые рифы существуют благодаря союзу коралловых полипов и одноклеточных водорослей; водоросли кормят коралл, а коралл предоставляет им убежище. Отношения хищник–жертва, паразит–хозяин или конкурентные отношения тоже формируют популяции организмов и их эволюцию. Чрезмерное размножение одного вида ограничивается другими, сохраняя равновесие экосистемы (например, волки контролируют численность зайцев, а численность волков ограничивает доступность добычи).

Изображение вышепоказывает циклическое распространение микроорганизмов (бактерий, вирусов, грибов) между людьми, животными, растениями, почвой, водой и воздухом. Люди взаимодействуют с этой экосистемой: микробы могут переходить из среды к человеку и от человека в среду. Этот цикл подчёркивает распространение инфекций, пути передачи через окружающую среду и тесную связь экологического здоровья со здоровьем человека.

Таким образом, взаимозависимостьозначает, что в большой сети жизни каждый организм прямо или косвенно связан с другим. Понимание этой сети связей важно и для защиты экосистем. Подобно звеньям цепи, исчезновение одного вида затрагивает множество взаимодействующих с ним видов. Если из-за человеческой деятельности в регионе сокращается число пчёл, падает не только производство мёда, но и урожайность фруктов и овощей; если в лесу исчезают крупные хищники, травоядные могут выйти из-под контроля и разрушить растительность. Эти примеры показывают, что организмы существуют в равновесии взаимной зависимости и ни один из них на самом деле не является «отдельным островом».

Эти семь свойств помогают понять сложность жизни и её удивительное равновесие. От клеток к генам, от эволюции к химии, от потока информации к внутреннему балансу и экологическим отношениям — они вновь напоминают, насколько жизнь ценна и тонко устроена. Жизньслишком богата, чтобы вместиться в одно определение; однако эти основные принципы показывают общую «подпись жизни», которую разделяют все организмы. С развитием науки к определению жизни, возможно, добавятся новые измерения: мы лучше поймём пограничные случаи, например вирусы, или создадим искусственные формы жизни. Но по сути перечисленные здесь семь основных свойств останутся ориентирами, отличающими жизнь от неживых процессов. Понимание этих принципов не только удовлетворяет любопытство к биологии, но и помогает защищать себя, природу и все живые организмы и жить с ними в гармонии.