Что такое жизнь с точки зрения биологии: определение понятия
Содержание:
«Жизнь есть способ существования белковых тел» — это строчка из классического определения жизни немецкого философа Ф. Энгельса в книге «Анти-Дюринг». Все развитие биологии за последние 100-150 лет подтверждает неразрывную связь жизнедеятельности организмов с белками.
Понятие «жизнь» с биологической точки зрения
Классическое определение «Жизнь — это способ существования белковых тел» нуждается в дополнении «…и нуклеиновых кислот». После создания электронного микроскопа появилась возможность досконально изучить строение и функции клеток, химических веществ в их составе.
Если предлагается задание «Вспомните полное определение понятия «жизнь», то недостаточно воспроизвести короткую фразу о существовании белковых тел. Понятие «жизнь» многогранно, включает в себя и способ бытия сущностей (живых организмов), и особую форму движения материи. Что такое жизнь или живое существо — в современной биологии чаще всего определяется через набор специфичных процессов.
Важные признаки отличия живого от неживого:
Субстрат жизни — это белки. Нуклеиновые кислоты отвечают за синтез белковых молекул, хранение и передачу наследственной информации. Клетки, состоящие из биополимеров, способны к самовоспроизведению благодаря удвоению молекул ДНК.
Многообразие жизни: основные термины и понятия
Формулируя определение, что такое жизнь с точки зрения биологии, надо раскрыть суть понятия «организм — открытая система». Биологические системы открыты, так как они являются устойчивыми лишь при непрерывном взаимодействии с окружающей средой. Самая простая открытая система, отвечающая всем перечисленным требованиям, — это клетка, одноклеточный организм.
Упорядоченная иерархичная система живого включает в себя следующие уровни:
Обменные процессы между организмами и окружающей средой — необходимое условие существования. Если прекращается обмен, то прекращается и жизнь. Организмы устойчивы, они сохраняют уникальные свойства в постоянно меняющихся условиях среды обитания.
Почему трудно дать однозначное определение понятия «жизнь»?
Есть комплекс отличительных признаков живого от неживого, в частности, наличие биополимеров. Однако белки и нуклеиновые кислоты встречаются и вне живых организмов. Вот почему очень сложно дать определение понятию «жизнь», используя только одну фразу: «Жизнь — это форма существования белковых тел».
Вирусы — кристаллоподобные частицы, построенные из молекул РНК или ДНК, белков. Вирусные частицы вне клеток организма-хозяина не проявляют признаки живого, не размножаются. Поэтому одни исследователи считают, что вирусы — особая форма жизни; другие полагают, что это неживые объекты, состоящие из органических молекул. Имеется генетический материал, способность создавать себе подобные частицы. Однако нет клеточного строения и собственного обмена веществ.
По сей день феномен жизни остается сложным и трудным для понимания, особенно для учеников средних классов, изучающих предмет «Биология». Существует множество различных попыток приблизиться к определению жизни, которое было бы общим для всех наук. Исчерпывающего определения исследователи пока не нашли. Разработаны критерии для сравнения объектов живой и неживой природы. Типичные характеристики жизни: единство структурной организации, открытость, обмен веществ и энергии, самовоспроизведение, развитие и рост, раздражимость.
Можно представить себе человечество, состоящее из одних только женщин, но нельзя представить себе человечество, состоящее из одних мужчин.
Сердце требует одной женщины; чувства — многих; тщеславие — всех.
Любить что-то больше, чем жизнь, — значит сделать жизнь чем-то большим, чем она есть.
Те, кто созерцает красоту земли, находят резервы сил, которые никогда не иссякнут.
Ибо всё в конце концов возвращается в море, в круговорот океана, в вечно текущую реку времени, у которой нет на начала, ни конца.
Свойства предметов и способы действия на высших уровнях не могут быть выражены при помощи суммации свойств и действий их компонентов, взятых изолированно. Если, однако, известен ансамбль компонентов и существующие между ними отношения, то высшие уровни могут быть выведены из компонентов.
Ряд независимых научных исследований показывает вред, который они могут нанести человеку и окружающей среде, приведя к гибели всего живого на планете. Статистика показывает страшные факты: ежегодно 800.000 детей в России рождаются с разными формами патологии (около 70%). В России смертность в два раза выше рождаемости, а средняя продолжительность жизни сократилась более чем на 10 лет. Наблюдается резкое сокращение численности животных и растений, исчезновение многих видов. Процесс деградации и разрушения можно остановить, только сохранив науку в России, что спасёт Россию и всю планету, которая из-за человеческой беспечности, глупости и трусости оказалась на пороге мощнейшей экологической катастрофы и самоуничтожения. Тем не менее, генетически модифицированные культуры распространяются по планете. В 2004-м году ими было засеяно в мире около 81 млн. га, то есть 17% всех площадей, пригодных к земледелию, что на 15% больше чем в 2003-м году. Это происходит вследствие экономической выгоды от использования генно-модифицированных продуктов компаниями-производителями. Да и учёным невыгодно терять хорошо оплачиваемую работу, поскольку под эти исследования выделяются гранты. Поэтому, наука не должна зависеть от коммерсантов, а должна поддерживаться государством. А пока российские прилавки наводнили опасные для здоровья продукты питания, которые некому проверять и изучать, а независимые учёные, честно проводящие исследования генно-модифицированных продуктов, подвергаются атакам транснациональных компаний…
Некоторые говорят, что если мы сделаем всех девушек красавицами, это будет ужасно. Я думаю, это было бы великолепно.
Я, вообще-то, вижу мрачные перспективы для Африки, потому что вся наша социальная политика строится на допущении факта, что у них уровень интеллекта такой же, как у нас — тогда как все исследования говорят, что это не так.
Я глубоко тронут этим жестом, который показывает его высокую оценку моей деятельности после открытия структуры ДНК, посвящённую исследованиям в области раковых заболеваний.
Не избегайте правды. Идите вперед, и пусть правда будет на вашей стороне.
Ценить людей надо по тем целям, которые они перед собой ставят.
Иногда ненавидишь жену как человека, которого любишь слишком сильно, а иногда — просто как чужого человека.
У Гегеля и Маркса особое значение придается диалектической структуре мышления и порождающего его мира; чрезвычайно глубоким является у них утверждение, что адекватно отразить действительность может не отдельное суждение, но только единство двух сторон противоречия, достигаемое в диалектическом процессе: тезис — антитезис — синтез.
Две ошибки, борющиеся друг с другом, вероятно, плодотворнее, чем одна безраздельно царящая истина.
Люди — лишь нейроны цивилизации. Мы научились создавать вещи, которые сами не понимаем.
Никогда не стыдись того, что ты думаешь о своей жене. Она о тебе и не то ещё думает.
Совершенно ясно, что жизнь начинается с рождением и кончается со смертью. И если бы большинство населения нашей планеты понимало это, люди жили бы совсем иначе. Мы всегда норовим объяснить с помощью религии или волшебства то, в чем не можем разобраться, но и рай, и ад находятся здесь, на земле, и мы все время попадаем из одного в другой.
Попробовать заново прожить свою жизнь, все равно что попробовать воспроизвести заново всю историю эволюции. Вы можете повторить этот сложнейший эксперимент тысячу раз и ни разу не получить двух одинаковых результатов.
Жизнь на нашей планете легко могла появиться извне. Скорее всего, так оно и было.
Имеется большое число определений понятия «жизнь», отражающих различные подходы. Многочисленные определения сущности жизни можно свести к трем основным. Согласно первому подходу, жизнь определяется носителем её свойств (например, белком); согласно второму подходу, жизнь рассматривают как совокупность специфических физико-химических процессов. И, наконец, третий подход — определить минимально возможный набор обязательных свойств, без которых никакая жизнь невозможна.
Жизнь можно определить как активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение специфической структуры. [5]
Согласно взглядам одного из основоположников танатологии М. Биша, жизнь — это совокупность явлений, сопротивляющихся смерти.
С точки зрения второго начала термодинамики, жизнь — это процесс, или система, вектор развития которой противоположен по направлению остальным, «неживым» объектам вселенной, и направлен на уменьшение собственной энтропии (см. Тепловая смерть).
Фридрих Энгельс дал следующее определение: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка». [5]
Опираясь на современные достижения биологической науки, русский ученый М. В. Волькенштейн дал новое определение понятию жизнь: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот».
Существуют также кибернетические определения жизни. По определению А. А. Ляпунова, жизнь — это «высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул».
Существует также трагикомическое определение:
Жизнь (человека) — наследственная болезнь со смертельным исходом, передаваемая половым путём.
Упорядоченность и сложность живых систем
Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в отношении многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем структурной и функциональной упорядоченности в пространстве и во времени.
Живые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией, являясь, таким образом, открытыми системами. При этом, в отличие от неживых систем, в них не происходит выравнивания энергетических разностей и перестройки структур в сторону более вероятных форм, а непрерывно происходит работа «против равновесия». На этом основаны ошибочные утверждения, что живые системы якобы не подчиняются второму закону термодинамики. Однако снижение энтропии в живых системах возможно только за счёт повышения энтропии в окружающей среде (негэнтропия), так что в целом процесс повышения энтропии продолжается, что вполне согласуется с требованиями второго закона термодинамики.
Возникновение жизни
В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие гипотезы:
Гипотезы самозарождения и стационарного состояния представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований их опровергают.
Гипотеза панспермии не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, она только отдаляет его в ещё более далёкое прошлое Вселенной, хотя и не может исключаться как гипотеза о начале жизни на Земле.
Таким образом, единственной общепризнанной в науке в настоящее время является гипотеза биохимической эволюции.
Разнообразие живых существ
Организм — это основная единица жизни, реальный носитель её свойств, так как только в клетках организма происходят процессы жизни. Как отдельная особь организм входит в состав вида и популяции, являясь структурной единицей популяционно-видового уровня жизни.
Живая природа организуется в экосистемы, которые составляют биосферу.
Рождение
Рожде́ние — акт начала жизни. В природе рождением считается физиологический процесс появления живого существа из чрева матери (у млекопитающих и человека) или из яйца (у рептилий, птиц, земноводных, членистоногих, большинства рыб и т.д.).
В символическом смысле понятием рождение принято обозначать начало любого существования, реального или вымышленного, в том числе у неодушевлённых вещей: «рождение Вселенной», «рождение новой эпохи», «рождение шедевра», «Рождение трагедии из духа музыки» (работа Ф.Ницше), «рождение электронных пар» и пр.
Рождение является важным понятием в некоторых философских и религиозных системах.
Здоровье
Охрана здоровья человека (здравоохранение) — одна из функций государства. В мировом масштабе охраной здоровья человечества занимается Всемирная организация здравоохранения.
Возраст
Поведение
Тем не менее, поскольку механизмы движения растений носят чисто физиологический характер, нельзя говорить о наличии у них ни поведения, ни психики. В психологии движения растений относят к допсихическому уровню отражения.
Поведение, в отличие от психики, доступно для непосредственного наблюдения и является предметом широкого спектра наук, от психологии, этологии, зоопсихологии и сравнительной психологии до поведенческой экологии.
Образ жизни
О́браз жи́зни — (лат. modus vivendi) устоявшиеся, типичные для исторически-конкретных социальных отношений формы индивидуальной, групповой жизни и деятельности людей, характеризующие особенности их общения, поведения и склада мышления в различных сферах. Образ жизни — это устоявшаяся форма бытия человека в мире, находящая своё выражение в его деятельности, интересах, убеждениях. Образ жизни — способ, формы и условия индивидуальной и коллективной жизнедеятельности человека, типичные для конкретно-исторических социально-экономических отношений [15]
Основными параметрами образа жизни являются труд (учеба для подрастающего поколения), быт, общественно-политическая и культурная деятельность людей, а также различные поведенческие привычки и проявления.
Образ жизни человека — главный фактор, определяющий его здоровье.
Уклад жизни — образ жизни людей, который определяется [15] :
О стиле жизни судят по внешним формам бытия, в которые входит [15] :
Биология
Биология — наука о жизни (живой природе), одна из естественных наук, объектами изучения которой являются живые существа и их взаимодействие с окружающей средой. Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.
Как особая наука биология выделилась из естественных наук в XIX веке, когда учёные обнаружили, что живые организмы обладают некоторыми общими для всех характеристиками. Термин «биология» был введён независимо несколькими авторами: Фридрихом Бурдахом в 1800 году, в 1802 году Готфридом Рейнхольдом Тревиранусом [17] и Жаном Батистом Ламарком.
В биологии выделяют следующие уровни организации:
Большинство биологических наук является дисциплинами с более узкой специализацией. Традиционно они группируются по типам исследуемых организмов: ботаника изучает растения, зоология — животных, микробиология — одноклеточные микроорганизмы. Области внутри биологии далее делятся либо по масштабам исследования, либо по применяемым методам: биохимия изучает химические основы жизни, молекулярная биология — сложные взаимодействия между биологическими молекулами, клеточная биология и цитология — основные строительные блоки многоклеточных организмов, клетки, гистология и анатомия — строение тканей и организма из отдельных органов и тканей, физиология — физические и химические функции органов и тканей, этология — поведение живых существ, экология — взаимозависимость различных организмов и их среды.
Передачу наследственной информации изучает генетика. Развитие организма в онтогенезе изучается биологией развития. Зарождение и историческое развитие живой природы — палеобиология и эволюционная биология.
На границах со смежными науками возникают: биомедицина, биофизика (изучение живых объектов физическими методами), биометрия и т. д. В связи с практическими потребностями человека возникают такие направления, как космическая биология, социобиология, физиология труда, бионика.
Организм
Организм — живое тело, обладающее совокупностью свойств, отличающих его от неживой материи.
Как отдельная особь организм входит в состав вида и популяции, являясь структурной единицей популяционно-видового уровня жизни.
Организмы — один из главных предметов изучения в биологии. Для удобства рассмотрения все организмы распределяются по разным группам и категориям, что составляет биологическую систему их классификации. Самое общее их деление — на ядерные и безъядерные. По числу составляющих организм клеток их делят на внесистематические категории одноклеточных и многоклеточных. Особое место между ними занимают колонии одноклеточных.
Формирование целостного многоклеточного организма — процесс, состоящий из дифференцировки структур (клеток, тканей, органов) и функций и их интеграции как в онтогенезе, так и в филогенезе. Многие организмы организованы во внутривидовые сообщества (например, семья или рабочий коллектив у людей).
Искусственная жизнь
Искусственная жизнь — изучение жизни, живых систем и их эволюции при помощи созданных человеком моделей и устройств. Данная область науки изучает механизм процессов, присущих всем живым системам, невзирая на их природу. Хотя этот термин чаще всего применяется к компьютерному моделированию жизненных процессов, он также подходит и к жизни в пробирке (англ. wet alife ), изучению искусственно созданных белков и других молекул. Для простоты эта статья описывает компьютерную жизнь.
Признаки жизни
Признаки жизни — характеристики, по которым можно обнаружить наличие жизни у организма, на местности, на других планетах.
Жизнь на Марсе
Жизнь после смерти
Жизнь после смерти или загробная жизнь — ненаучное представление о продолжении сознательной жизни человека после смерти. В большинстве случаев подобные представления обусловлены верой в бессмертие души, характерной для различного вида религиозных мировоззрений.
Представления о загробной жизни присутствуют в различных религиозных и философских учениях. Среди основных представлений:
Бессмертие
Бессмертие — жизнь в физической или духовной форме, не прекращающаяся неопределённо (или сколь угодно) долгое время.
Под бессмертием в духовной форме — в религиозном, философском, мистическом и эзотерическом смыслах — подразумевают вечное существование индивидуума («я», душа, монада), индивидуальной воли (палингенезия в философской системе Артура Шопенгауэра), комплекса составляющих индивидуальной личности (скандхи в феноменологии буддизма), универсального духовного субстрата (трансперсональное бессознательное в аналитической психологии Карла Густава Юнга, ноосфера в религиозно-философской концепции Пьера Тейяра де Шардена и др).
Отдельный предмет религиозно-философских рассуждений — бессмертие (вечносущность) как атрибут Бога.
Что такое Жизнь во Вселенной: четыре базовых принципа вместо трёх характерных функций
Данная статья мотивирована необходимостью построить более общую картину, что такое жизнь (и какой она может быть) по отношению к остальным явлениям во Вселенной.
(Является переводом довольно любопытной научной статьи от 16 апреля 2020 года).
Введение. Зачем нужно новое определение для жизни?
Попасть сложно из-за слишком маленькой целевой зоны
Это не самая выгодная зона для попадания (гораздо лучше целиться в 3х60)
Есть множество других довольно выгодных участков для прицеливания
Следовательно, при поиске внеземной жизни мы должны учитывать, что:
Жизнь, очень точно подходящая под признаки той, с которой мы знакомы, может быть очень редкой во Вселенной, однако более общий класс жизнеподобных феноменов может быть куда более распространённым.
Могут существовать системы, которые только предстоит открыть или хотя бы представить, и они будут более успешно удовлетворять критериям жизни, даже по сравнению с земной.
Ослабив наши ограничения в определении жизни, мы откроем весь спектр параметров физических и химических взаимодействий, которые могут создавать жизнь.
Так же нас мотивируют жаркие споры в области происхождения жизни, которые разделили исследователей на множество лагерей, в каждом из которых спорщики ищут свой, «единственно истинный» сценарий появления жизни. Мы утверждаем, что большая часть споров произошла из-за различий в предположении о том, что есть жизнь и, соответственно, каким было её начало. Переопределяя сам термин «жизнь», мы надеемся, что это поможет более глубокому взаимопониманию и информационному обмену между сообществами исследователей.
Характерные функции жизни
Другой взгляд предполагает существование неких «законов сохранения», подобных тем, что играют важную роль в физике и инженерии. То есть какие-то материальные и функциональные ограничения, которые присущи для жизни с самого начала. Любая система, которая не соответствует этим ограничениям не может называться жизнью (в рамках этого подхода). Одним из примеров такого подхода является «принцип сохранения химии», на который ссылаются в [3 ]. Их аргумент выглядит таким образом: «Химические свойства организмов более консервативны, чем изменяющаяся окружающая среда, и поэтому сохраняют информацию о древних условиях окружающей среды» [4 ]. В соответствии с этим принципом поиск контекста происхождения жизни, по сути, представляет собой поиск пребиотических сред, максимально приближенных к клеточным условиям.
Рисунок 1. Три распространённых примера характерных функций жизни в теориях её происхождения.
Примерами характерных функций являются репликация РНК по шаблонам, циклы реакций, формирующие ранние виды метаболизма и изоляция систем липидными мембранами от окружающего мира (рис. 1). Это приводит к возникновению различных «первичных» теорий возникновения жизни. Например, в так называемой «гипотезе мира РНК» считается, что «согласно теории эволюции Дарвина неживая материя должна самоорганизоваться до получения поведения, которое мы приписываем биологии»[5 ], а наступление дарвинизма произойдет с абиотическим образованием длинноцепочечных РНК-полимеров.
Лабораторные эксперименты показывают, что приповерхностные среды, подверженные УФ-излучению и (возможно, эпизодическому) взаимодействию с атмосферными условиями и/или снабжаемые подходящими молекулами из внешних источников, идеально подходят для синтеза РНК, например [12 ].
С другой стороны, глубоководные щелочные гидротермальные источники являются центрами фокусировки окислительно-восстановительных процессов и неравновесия рН, которые могут приводить к возникновению протометаболических циклов, например, [6 ].
Однако, геотермальные пузырьки благоприятны для спонтанной самосборки липидных везикул, что отчасти обусловлено низкими концентрациями двухвалентных катионов [13 ].
Каждая теория, пытающаяся объяснить какую-то характерную функцию, присущую земной биологии, содержит неявное предположение о том, что эта самая характерная функция присутствовала при появлении жизни и что она является основополагающей.
Однако, учитывая изначальное отсутствие ископаемых или геологических свидетельств, нет почти никаких доказательств того, что какая-либо из этих функций действительно присутствовала в начале жизни.
Горизонт событий исследований происхождения жизни
Существует «горизонт событий», как подходящий по смыслу термин из астрофизики, в исследованиях происхождения жизни (рис. 2).
Подходы «сверху-вниз», такие как молекулярная филогенетика, используют подсказки из сохранившейся жизни, чтобы проследить историю жизни в направлении ее происхождения. Такой подход может привести нас только до LUCA.
Подходы «снизу-вверх», направленные на моделирование синтеза пребиотических молекул и/или наступление протоживых структур и функций, могут в один прекрасный день привести к созданию абиогенеза. Однако такое «пробное происхождение» не будет являться LUCA.
Рисунок 3. Невозможность различия сценариев происхождения жизни при подходе «сверху-вниз».
Кроме того, нисходящие подходы ограничены в своем понимании происхождения жизни, поскольку дерево жизни, которое мы видим сегодня, может быть достигнуто самыми разными теоретическими сценариями (рис. 3). Эти сценарии могут включать в себя множество никогда не сходящихся генов, в результате чего образуются совершенно разные геномные ветви, которые либо уже вымерли, либо все ещё присутствуют в качестве «теневой биосферы» [15 ].
Исторический vs Синтетический vs Универсальный сценарии происхождения
Следовательно, различные сценарии, разработанные исследователями, затрагивают не один, а множество научных вопросов. Одним из них обычно является происхождение жизни на Земле, которое распространяется и на генезис земноподобной жизни на других мирах.
Однако существует совершенно отдельный вопрос о происхождении «жизнеподобных» систем, как земных, так и неземных, в инопланетных средах.
Ещё один вопрос заключается в том, как мы могли бы создать полностью искусственные структуры, но которые мы бы считали живыми.
Эти разрозненные цели и задачи могут привести к тому, что сообщество исследователей столкнётся с проблемой «лебедя, рака и щуки» (вместо взаимопомощи), излишних споров (вместо консенсусного обмена идеями) или апатии (вместо подлинного интереса к работам друг друга). В этой статье вводится новый словарь и новое определение жизни в ответ на эти опасения.
Определение Y-жизни
Y-жизнь представляет собой любое гипотетическое явление во Вселенной, которое удовлетворяет фундаментальным принципам живого состояния, независимо от типов эксплуатируемых неравновесий либо компонентов. Y-жизнь представляет собой любое гипотетическое явление, которое поддерживает своё низкоэнтропийное состояние путём диссипации и конверсии термодинамических неравновесий, использует цепи автокаталитических реакций для достижения нелинейного роста и распространения, использует гомеостатические регулирующие механизмы для обеспечения стабильности и смягчения внешних возмущений, а так же собирает и обрабатывает функциональную информацию об окружающей среде.
Понятие «жизнь, какой мы ее не знаем» не ново. Тем не менее, традиционные определения жизни не позволяют строго разграничить понятия «жизнь, какой мы ее знаем» и «жизнью, какой мы ее не знаем». Их расплывчатость не позволит нам вынести какой-то определённый вердикт, если разница между двумя категориями велика.
Например, согласно определению жизни, данному НАСА (см. введение), следует ли считать самоподдерживающуюся химическую систему, которая развивается не по Дарвину, «жизнью, какой мы её не знаем» или вообще не стоит её считать жизнью?
Чтобы исправить это, мы и разработали наши критерии Y-жизни на основе четырех фундаментальных процессов.
Это и есть 4 базовых принципа из заголовка статьи и их подробное описание выглядит так:
Хотя эти четыре принципа Y-жизни являются производными от наблюдений за жизнью в том виде, в котором мы ее знаем, новое определение намного более расширяемое. Эти четыре принципа представляют собой необходимые и достаточные требования к Y-живому состоянию, оставаясь при этом отделёнными от конкретных компонентов, составляющих систему.
Это иллюстрируется тем фактом, что существует множество систем, которые выполняют те же самые принципы, но достаточно отличаются друг от друга по форме (обсуждается далее). Следовательно, универсальность термина Y-жизнь вытекает из разумного ожидания того, что он может быть применен к еще неизведанным (или не изобретенным) системам, существующим в бесчисленных масштабах по всей Вселенной.
Может даже существовать класс систем, еще не открытых и не описанных, которые соответствуют всем четырём принципам Y-жизни, и, в дополнение, соответствуют некоторому пятому. Такие системы могут считаться Y-сверхживыми. Хотя открытие Y-сверхжизни, безусловно, стало бы началом новой научной парадигмы, мы пока что сохраняем агностицизм в отношении его существования.
Мы хотим подчеркнуть, что наше определение Y-жизни применяется на системном уровне. Принципы, которые могут быть применены к некой системе, зависят, в частности, от границ, которыми мы обозначаем эту систему. Например, какие принципы выполняют вирусы? Один вирус по отдельности не соответствует ни одному из принципов.
Вирусы в системе, состоящей из вирусов, бактерий и питательных веществ, могут совершать автокатализ и, путём разрушения своих жертв, диссипировать.
Вирусы в биосфере в целом, могут совершать не только автокатализ и диссипацию, но и обучаться (в процессе эволюции).
В некоторых экосистемах вирусы могут даже придавать системе гомеостатические атрибуты, вводя клеткам-хостам вспомогательные метаболические гены и поглощая органическое вещество через лизис [45 ].
Мы также отмечаем, что важность и актуальность этих принципов отделены от той легкости, с которой мы можем измерить их присутствие.
Для примера, измерение автокаталитического свойства, скорее всего, будет нетривиальным, если только рассматриваемые организмы/системы не могут быть культивированы. В частности, получения биосигнатур с удаленных экзопланет, вероятно, будет недостаточно для выявления автокаталитических свойств, если только эти сигнатуры не собираются в течение очень длительных периодов времени.
Следовательно, для этого принципа существует разделение между значимостью (это свойство имеет основополагающее значение для определения Y-жизни) и легкостью измерения (его может быть нелегко оценить).
Однако иногда автокаталитическое свойство проявляется очень драматично. Пока мы пишем эту статью, мир переворачивается с ног на голову сущностью, которая одновременно считается неживой и состоит только из небольшого генома РНК и набора белков. Каждая диаграмма, которая отслеживала COVID-19, показывала экспоненциальный рост (автокатализ) в первой фазе, демонстрируя как крошечные биологические сущности могут показать экстремальные нелинейные динамические изменения в короткое время.
Y-субжизнь
Помимо предоставления простого «контрольного перечня» критериев для определения того, является ли динамическая система живой или нет, эти четыре принципа также позволяют нам рассмотреть Y-жизнь в контексте других явлений во Вселенной.
Мы определяем Y-жизнь как любую систему, которая выполняет все четыре столба, и Y-субжизнь как любую систему, которая выполняет некоторые, но не все эти функции (рис. 5).
Что касается гомеостаза в системах равновесия (область 2 на Рис. 5), то здесь есть некоторые тонкости. Наше утверждение о том, что гомеостаз происходит в изолированных системах, заключается просто в том, что они являются архетипами устойчивости (по определению). Однако этот вопрос может быть спорным. Можно утверждать, что в момент флуктуации происходит мгновенное создание свободной энергии. Однако, использование такого колебания потребовало бы измерений и обработки информации, и, как показано в [56 ], для этого в системе с ограниченным количеством памяти потребуется стирание, которое не может быть сделано бесплатно, а значит, свободной энергии, создаваемой колебаниями системы равновесия, на самом деле не существует.
В целом любое возмущение такой системы исчезнет за конечное время по мере уравновешивания системы, поэтому мы допускаем гомеостаз в системах равновесия (однако, биологические гомеостатические процессы, как правило, происходят за счет потребления свободной энергии).
Существует несколько примечательных макромолекулярных комплексов, которые являются как диссипативными, так и автокаталитическими, но не обязательно гомеостатическими (области 3 и 6 на рис. 5).
Например, интернет-мемы явно являются автокаталитическими и диссипативными (учитывая затраты на вычислительную энергию, связанные с их распространением и коммуникацией). Кроме того, система «участие в социальных медиа плюс мемы» учится коллективно, и тем самым оказывается в регионе 6 на рис. 5.
На наш взгляд, вероятно также, что относительно простые системы, способные к рудиментарной обработке информации, могут возникнуть изначально и что способность этих систем со временем оптимизировать свои диссипативные, автокаталитические и гомеостатические черты определит их конечную судьбу (см. также [66 ]).
Например, первая жизнь на Земле почти наверняка не использовала ДНК для хранения информации или какие-либо узнаваемые ферменты в своей метаболической сети. После бесчисленных колебаний между случайностью и необходимостью эволюция всё же породила знакомые нам макромолекулы, которые мы наблюдаем сегодня. Далее мы покажем, как понятие «Y-жизнь» может изменить наши подходы к исследованию истоков жизни.
Y-жизнь и исследования происхождения жизни
Идея о том, что эти три характерные функции определяют необходимые и достаточные условия жизни, была подробно теоретически исследована в области создания искусственной жизни и концепций аутопоэзис [67 ] и «Хемотон» [68 ].
Рисунок 6.
На рисунке 6 показан «куб», вершины которого представляют живые системы с различными комбинациями компонентов, выполняющих три характерные функции. На одной вершине жизнь выполняет эти характерные функции, используя механизмы РНК/ДНК, хемиосмоса и липидных мембран. Вы можете удалиться от земной жизни на 1, 2 или 3 шага по ребрам этого куба и получить самые различные комбинации.
Рисунок 7.
Рассмотрим сверхсовременный японский поезд Синкансэн (с «метаболизмом», основанном на сверхпроводящих магнитах, охлаждаемых жидким гелием, «компартментализацией» из композиционных материалов, таких как углеродное волокно, полимеры и сплавы, и «обработкой информации» с помощью системы компьютерного управления). Изучая Синкансэн и ничего больше не зная, можно ли определить, как выглядел первый локомотив («метаболизм», осуществляемый при сжигании ископаемого топлива, «компартментализация» из чугуна и древесины, и «обработка информации» в виде бортпроводника)?
По нашему мнению, истина, вероятно, наиболее близка к гибриду этих «веревочных» и «луковых» концепций. Появление жизни и ранние стадии, вероятно, хорошо представлены концепцией веревки, в которой различные волокна соединяются, вносят свой вклад и покидают веревку. Основываясь на аналогии с «длинной веревкой», мы предполагаем, что «поглощения» Кэрн-Смита могли быть скорее внезапными, чем постепенными.
Однако, как только эволюция наткнулась на волокно с превосходной эффективностью или стабильностью, эта особенность быстро интегрируется и становится центральной нитью веревки жизни, навсегда укореняясь в молекулярном ядре биосферы. Слои функций, накапливающиеся вокруг центральной нити веревки, предотвращали бы потерю основных компонентов из веревки. Это приводит к «луковичной» истории, которую можно разобрать на части с помощью современных методов, таких как молекулярная филогения и метаболомика.
Обратите внимание, что «фиксация» функциональности происходит во многих сложных системах, включая экономические, технологические и политические. Системные ядра, которые взаимодействуют со многими более высокоуровневыми подсистемами, становятся настолько функционально связанными с различными модулями, что любые изменения в ядре будут вредными или катастрофическими для согласованного целого.
Это может быть верно, даже если существуют более совершенные системы-кандидаты на создание ядра. Например, многие европейские города в течение долгого времени росли органически и теперь имеют несколько фрактальную организацию. Сравните это с гораздо более спланированными сетчатыми структурами американских городов. Изменение фундаментальной структуры европейских городов в настоящее время слишком дорогостоящее, поэтому они надолго застряли с их спонтанными планировками.
Также вполне вероятно, что современные компоненты основных биохимических систем изначально выполняли различные функции. Биосфера изобилует примерами такой экзаптации: смена функции или кооптация компонента для другого использования. Перья изначально давали тепло и сигнальные способности и только позже стали орудиями полета. Крылья, вероятно, использовались для увеличения скорости бега прежде чем стали использоваться для полета [74 ]. Водный окислительный комплекс, возникший в эпоху кислородного фотосинтеза, возможно, изначально использовался для окисления марганца [75 ]. Дальнейшие примеры экзаптации смотрите в работе [76 ].
Таким образом, мы должны быть осторожны в попытках объявления однозначной универсальности того или иного компонента в современной биосфере и его необходимости для появлении жизни.
Возможно, длинные нити нуклеотидов не были первой системой обработки информации. Возможно, полифосфатные цепи не были первой «энергетической валютой» жизни. Возможно, первые мембраны не состояли из органических углеводородов.
Сценарии происхождения жизни, которые ищут абиотические пути синтеза специфических «строительных блоков» жизни, основываются на предположении, что эти молекулы: (1) стояли у истоков жизни; (2) выполняли те же функции в истоках жизни, что и сегодня; (3) проявляли функциональность сразу после формирования, т.е. после синтеза и начала применения всех компонентов жизни их способность к сложной обработке информации просто взяла и появилась (некоторые даже описывали это третье предположение как форму современного «витализма» [77 ]). Этот узкий подход неизбежно слеп к сценариям, в которых жизнь могла бы начинаться с использования альтернативных компонентов, как это могло бы произойти не только на Земле, но и в других местах Вселенной.
Итак, исследуя возникновение жизни, что же мы ищем, если не конкретные биомолекулы? Определение Y-жизни дает ответ: мы ищем систему, которая демонстрирует диссипацию, автокатализ, гомеостаз и обучение. Основываясь на общих процессах, а не на конкретных компонентах, выполняющих конкретные задачи, мы открываем свой разум для исследования всех систем, которые отображают эти возникающие свойства, освобождая себя от ограничений точных химических рецептов, рецепты которых содержат предположения, которые могут ограничить наши исследования появления во вселенной поведения, похожего на жизнь.
Какой может быть Y-жизнь? Примеры альтернативных компонентов в гипотезах происхождения жизни
Сообщество исследователей происхождения жизни выдвигает множество гипотез, которые предполагают поэтапное возникновение через Y-жизнеподобные фазы. Используя нашу классификацию, эти возникающие системы можно было бы классифицировать как Y-живые или Y-субживые, потому что они используют радикально отличные от современной жизни компоненты для достижения одного или более из базовых принципов жизни. Данная глава описывает несколько важных примеров гипотез происхождения, которые используют альтернативные компоненты.
В гипотезах возникновения, затрагивающих гидротермальные системы, компартментализация достигается не за счет самопроизвольной компоновки липидных мембран, а за счет лабиринта неорганических поровых пространств минералов. Только после изобретения биосинтеза липидов и последующего изобретения биохимии клеточных стенок появились живые клетки, выходящие из гидротермальных границ [95 ]. Однако до того, как они стали свободноживущими прокариотами, сложные химические сети, размещённые внутри их минеральных оболочек, все еще можно было считать Y-живыми (или Y-субживыми до достижения всех четырех базовых принципов).
Y-Жизнь на Титане
Механотрофы
Рисунок 8.
Почему этот процесс не может быть обращен вспять для питания механотрофного организма? Представьте себе одноклеточный организм в проточной воде, прикрепленный к скале через тросоподобную нить. Предположим, что такой организм оснащен типом жгутиковых моторных белков, которые были изучены у плавающих бактерий или одноклеточных эукариот. Поток воды вызывает вращательное движение жгутиковых нитей, и это вращательное движение используется для синтеза АТФ (или, возможно, какого-либо другого эндергонического химического шага в более экзотической Y-жизни), как показано на рис. 8. Реально ли это, зависит от термодинамических и гидродинамических условий.
Обратите внимание, что такой механотрофный организм может иметь конструкцию, отличающуюся от той, которую архетипичная бактерия использует для плавания. Например, он может использовать жёсткий к скручиванию трос, прикрепленный к молекуле молекулярного генератора (жгутик приводится в движение), и вся клетка может вращаться вокруг комплекса трос-генератор. В этом случае жгутик фиксируется относительно тела ячейки (на противоположном конце тросо-генераторного комплекса) и вместе с ячейкой вращается.
Гидродинамические детали, эффективность и энергия такого организма будут детально изучены в будущей работе. Здесь мы просто хотим подчеркнуть возможность существования такого организма. Это был бы наглядный пример Y-жизненной формы, хотя не исключено, что такой организм существует на Земле, но до сих пор просто остался незамеченным.
Заключение (от переводчика)
Все источники вы можете увидеть в оригинальной статье. Я не стал полностью убирать ссылки на них в переводе, так как это затрудняло корректную передачу смысла. Авторы очень многословны, поэтому некоторые, незначительные для общего сюжета абзацы я не стал включать в текст.
Я перевёл эту статью, так как она может помочь взглянуть по новому на некоторые социально-экономические явления, а так же помочь исследователям в области машинного обучения (коим я сам являюсь) нащупать путь к созданию сильного искусственного интеллекта.
Рисунок 1. Три распространённых примера характерных функций жизни в теориях её происхождения.