Что такое жизнь? (заметки отпускника)

См. остальные вебстраницы и сайты К.Ю. Богданова: ПРОГУЛКИ С ФИЗИКОЙ ПРОГУЛКИ С ФИЗИКОЙ для самых маленьких Что может электростатика Липкая электростатика Где проходит ватерлиния? Пока горит ... кристалл Финансовый кризис: взгляд со стороны Как резать колбасу по законам физики? Американский ЕГЭ по физике Физика внутри нас Почему пена белая? Антибликовые очки и ЖК-дисплей Сколько лучей у солнечного блика? Что заставляет женщин вилять бёдрами? Почему кучевые облака плоские снизу? Ночным поездом по коническим сечениям Электростатика заряженных бусинок Загадки одномерного бильярда Популярно обо всём В мире «Что и почему?»

К.Ю. Богданов (kbogdanov1@yandex.ru)

ЧУДО ИЗ МОЛЕКУЛ

 

Приходит время, и каждый из нас задаёт себе вопрос: «Что такое жизнь?». Учёные смогли разгадать очень многие тайны Природы, однако, и сейчас ответить на этот вопрос довольно сложно. Желание ответить на этот вопрос объединяет не только всех учёных, но и, просто, любознательных людей.

 

Можно дать много определений жизни. Например, жизнь – это то, что роднит нас с мельчайшими бактериями, растениями и гигантскими китами.  Жизнь – это постоянное и непредсказуемое движение. Жизнь – это то, что может родиться и умереть….

 

Всё живое состоит из молекул. При этом каждая из молекул не является живой сама по себе. Так, молекула воды, находящаяся внутри мышечной клетки, ничем не отличается от молекул воды в стакане чая. Однако, собравшись вместе, молекулы самых разных веществ могут образовать, например, мышечную клетку, обладающую способностью сокращаться и реагировать на изменения окружающей среды, короче, жить.

 

Мы привыкли называть чудом то, что не можем объяснить. Поэтому, казалось бы, незаметный переход от неживых молекул к живому организму часто называют чудом жизни. С другой стороны, может быть, мы сами мистифицируем то, что видим, а всё гораздо проще.

 

В чём же сложность и загадочность мира живой природы? Почему сложная система часто обладает свойствами, отсутствующими у частей, из которых она состоит? В чём причина самоорганизации многих систем? Ещё несколько десятилетий назад эти вопросы можно было адресовать только философам. Сейчас отвечать на эти и многие другие вопросы, связанные с процессами, протекающими в больших системах, и их восприятием, часто помогает синергетика.

 

Синергетика (от греч. син — «совместное» и эргос — «действие») — новое междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение процессов самоорганизации и возникновения структур ( например, организмов) самой различной природы и их свойств. Синергетика, как правило, имеет дело с большими системами, где целое иногда обладает свойствами, которых нет ни у одной из частей. При этом нельзя утверждать, что целое сложнее части, оно, просто, совсем другое.

 

Синергетика воды

Посмотрим, например, чем отличаются свойства молекулы воды и капли воды массой 0,03 г, состоящей из 10²¹ одинаковых молекул воды (рис. 1).

                       

Рисунок 1. Схематическое изображение молекулы воды (слева) и фото падающей капли.

 

В отличие от молекулы воды, её капля имеет определённую плотность. Плотность упаковки молекул в жидкости и водородные связи между соседними молекулами определяют силы поверхностного натяжения воды, которые стремятся придать капле сферическую форму. Сдвигая одни слои жидкости относительно других, можно заставить их скользить друг по другу. Сила, необходимая для этого, пропорциональна вязкости жидкости. Все эти «новые» свойства, проявляющиеся только у капель воды, изменяются с температурой, которая не имеет смысла для изолированной молекулы воды. Испарение молекул воды с поверхности капли и их конденсация тоже являются свойствами, появившимися у системы, состоящей из огромного числа молекул. Электропроводность и оптические свойства воды продолжают длинный перечень свойств, характерных только для капли и бессмысленных для одиночной молекулы воды.

 

Различие свойств целого и части применительно к капле воды и её молекуле никого не удивляет. Однако появление «живого» целого из «неживых частей» для большинства людей до сих пор кажется чудом. Происходит это, по-видимому, из-за того, что каждый по разному определяет, что такое «живое».

 

Признаки жизни

Жизнь – это движение. Живые организмы обладают способностью размножаться и способностью собирать сами себя из молекул. При этом сборка живого организма при его росте и замена запчастей, например, клеток, требует расхода большого количества энергии. Рассмотрим каждое из этих удивительных свойств живых существ по порядку.

 

Можно считать, что основные механизмы движения живых существ в настоящее время изучены практически полностью и не представляют какой-либо загадки для учёных. Движение – это одно из «новых» свойств системы, состоящей из многих частей, взаимодействие между которыми приводит к движению целого, как это происходит в автомобиле.

 

   Что касается размножения, то и это свойство живых существ не является уникальным. Никакие законы физики не мешают нам создать робот, способный по определённой программе создавать аналогичный робот, имитируя таким образом процесс размножения. Конечно, в таком случае робот, собирающий свою копию (или неполную копию), не должен испытывать недостатка в комплектующих деталях, как и живой организм, в продуктах питания.

 

Не является чудом и способность живого организма собирать себя из молекул. Революция в молекулярной биологии, начавшаяся с открытия Дж. Уотсоном и Ф. Криком структуры ДНК и последующие исследования позволяют в настоящее время объяснить механизм сборки молекул белков, буквально, «на пальцах». Кроме того, сборка объектов из отдельных атомов и молекул является одной из основных задач нанотехнологий - бурно развивающейся отрасли знаний. Таким образом, и это «загадочное» свойство живого организма сейчас уже нельзя считать чудом.

 

ЖИЗНЬ - ФОРМА СУЩЕСТВОВАНИЯ ПЕСЧИНОК И БЕЛКОВЫХ ТЕЛ

 

Представим себя песчинкой, находящейся на поверхности песчаной дюны (рис.2). Ветер увлекает нас, а сила тяжести прижимает к поверхности дюны. Взаимодействие ветра и песка приводит к завихрениям, образованию волнообразных рисунков на поверхности дюн и их движению. А иногда песчаная дюна начинает петь. Звуки «поющих» дюн, похожие на барабанный бой, гул низколетящего самолета или жужжание электрических проводов, вызваны происходящими непрерывно песчаными обвалами, при которых песчинки сталкиваются друг с другом, порождая звуковые волны. Так «живёт» дюна.

Рисунок 2. Фотографии различных песчаных дюн.

 

Энергию для своей жизни дюна берёт от ветра, а многообразие очертаний – от взаимодействия бесчисленных песчинок, из которых она состоит. Другими словами, жизнь дюны – это форма существования песчинок.

 

Определение жизни дюны оказалось очень близким к классическому определению, данному Ф. Энгельсом:

«Жизнь есть форма существования белковых тел, и эта форма существования заключается по существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел.» (Ф. Энгельс. Анти-Дюринг).

 

И всё-таки жизнь до сих пор остаётся чудом!!!