Медузоиды, звезды-каннибалы и наноны: где проходит граница между живым и неживым
Что такое жизнь?
Согласно определению NASA, которое применяется в задачах по поиску жизни во Вселенной, «жизнь — это самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции». Но где же находится та самая грань между живым и неживым — это вирусы или вироиды, прионы или наноны? Традиционные признаки, позволяющие отделить живые существа от неживых, такие как обмен веществ, рост, размножение, эволюция оказались несостоятельными. К примеру, мул бесплоден, он неспособен к размножению и эволюции, однако отсутствие этих характеристик не позволяет считать его неживым. И формально, согласно определению жизни NASA, мул не попадает в список живых организмов.
Неживые системы при определенных условиях обладают свойствами живого. Исследования Бозе еще на рубеже XIX и XX веков привели к революционному открытию, но не были тогда восприняты ученым сообществом: металлы могут проявлять реакции, аналогичные тем, которые наблюдаются у растений и животных. Его работы доказали существование удивительных параллелей между поведением неорганических материалов и биологических организмов. А спустя более чем столетие ученые в эксперименте в вакууме после искусственного повреждения наблюдали срастание трещин на кусочках платины. Самостоятельное восстановление поврежденного металла без какого-либо вмешательства бросает вызов фундаментальным теориям материаловедения, потому что по всем законам трещины со временем должны были только распространяться. Однако произошел процесс репарации, что характерно для живого существа.
Если все-таки попытаться сформулировать наиболее точную дефиницию жизни, то, вероятно, следует рассматривать это явление с информационной точки зрения. Согласно определению основоположника кибернетики Алексея Ляпунова, «жизнь — это высокоустойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул». Это определение гораздо шире и под него попадает больший класс объектов, а вся Вселенная может рассматриваться как единый целостный организм.
Космические объекты, демонстрирующие поведение живых форм
Питание и каннибализм, старение и регенерация — все это, казалось бы, свойственно только живым существам. А стремление к омоложению — человеку. Но, как выяснилось, и космические объекты обладают подобными характеристиками. Крупные галактики поглощают более мелкие, а черные дыры являются настоящими космическими хищниками, пожирающими любую материю. Хотя на ранних этапах формирования галактик именно черные дыры способствуют фрагментации газопылевых облаков, в результате чего рождаются звезды.
Эти объекты, которых, по современным данным, в нашей Вселенной около 40 квинтиллионов, что примерно составляет 1% от общей материи, на разных этапах своего существования могут быть и звездными яслями, и звездными убийцами. Все оказывается взаимосвязанным: черные дыры порождают и уничтожают звезды, а звезды служат лабораториями по термоядерному синтезу всех атомов во Вселенной. Если бы не было черных дыр, не было бы ни звезд, ни молекул, ни планетных систем, ни жизни на Земле.
Старые звезды могут омолаживаться, повернув космические часы вспять. Поглощение другой звезды добавляет массы и заставляет выглядеть моложе астрономического возраста, проводя своего рода звездную подтяжку лица. Однако это дорого обходится — срок жизни звезды после процедуры омоложения значительно сокращается. Небесные светила с большой массой истощают свое топливо экспоненциально быстрее и завершают жизненный путь вспышкой сверхновой. При взрыве огромной мощности рождаются тяжелые элементы, находящиеся в периодической системе за железом, к примеру, золото и платина.
Такую косметическую процедуру прошла Полярная звезда, которую люди испокон веков использовали для ориентации на местности и определения курса. Альфа Малой Медведицы стала выглядеть моложе (50 млн вместо 2 млрд лет), но расплатой стало значительное уменьшение срока ее жизни.
Звезды состоят из плазмы, которая является четвертым фазовым состоянием вещества, помимо газообразного, жидкого и твердого. На борту Международной космической станции эксперименты с плазмой привели к крайне неожиданным результатам — в невесомости появлялась кристаллическая решетка с полостями, а завихрения плазмы были подобны зарождающимся галактикам. Но самое удивительное, что при определенных условиях плазма образовала спиральные структуры, похожие на ДНК.
Жизнь, безусловно, это космическое явление и несет в себе многие его черты. Константин Циолковский полагал, что человечество на определенном этапе своего развития станет единой лучистой энергией — наиболее совершенной формой материи. Именно звезды и являются источником такой энергии. Поэтому не так уже и фантастично воспринимаются торппы — уникальная разумная звездная раса, состоящая из плазмы, заключенной в силовые поля, описанная Сергеем Лукьяненко в своем романе «Звезды — холодные игрушки».
Клетка — единица жизни
Живой организм состоит из органических веществ и реагирует на изменения условий окружающей среды. Он растет, развивается, изменяется, размножается, передавая наследственную информацию своим потомкам, адаптируется к изменяющимся условиям окружающей среды и эволюционирует. Базовая единица жизни — клетка, по сути, саморегулирующийся завод по воспроизводству самого себя. Основной продукцией этого завода выступают белки. Они собираются в цехах (рибосомах), а чертежи их синтеза хранятся в генах на молекулах ДНК.
Для любого производства необходима энергия, за ее выработку отвечают электростанции клетки — митохондрии, сжигающие в своих топках органику и запасающие энергию в виде молекул АТФ, — универсальной энергетической валюты живого организма. Клетка осуществляет поиск веществ, необходимых для своей жизнедеятельности, захватывает их, транспортирует внутрь и формирует запасы. Ставшие ненужными молекулы разрушаются лизосомами и выводятся в окружающую среду посредством аппарата Гольджи.
В процессе эволюции клетки объединились в многоклеточный организм и приобрели узкую специализацию. Несмотря на отличия в структуре и функциях (к примеру, нейрона и эритроцита), каждая из них по-прежнему несет в геноме полную информацию о клетках-партнерах по многоклеточному организму. Однако в ДНК записаны лишь чертежи, кодирующие синтез определенных белков и регуляторов их производства. Там нет схем построения живого организма, к примеру, плана, как из отдельных клеток формируется сердце, и в какой части тела оно должно находиться.
Когда ученые разделили клетки эмбриона лягушки и оставили их в питательной среде, всего через 48 часов они самоорганизовались в маленькие скопления, отрастили волоски, которые, работая синхронно, перемещали образовавшиеся колонии через жидкость. Эти новые биологические формы, названные ксеноботами, ничуть не походили на лягушек, хотя и обладали их генотипом, но при разрушении структуры возвращались к своей исходной стабильной форме перемещающихся колоний. Бионженеры пошли еще дальше в экспериментах в области синтетической биологии. Прикрепив мышечные клетки крысы к силиконовому полимеру, они создали «медузоида». Этот кибернетический организм, состоящий из живой и неживой материи, плавал как настоящая медуза.
Эволюция живого — это не только усложнение организмов, но и их упрощение. Хламидии, хотя и имеют клеточное строение, но не обладают способностью к синтезу АТФ и поэтому остаются внутриклеточными энергетическими паразитами. Риккетсии (возбудители сыпного тифа и лихорадки Скалистых гор), также как и хламидии, не могут расти и размножаться вне клеток хозяина. А ведь эти патогенные организмы и митохондрии — важнейшие внутриклеточные органеллы когда-то очень давно имели общего предка — свободноживущую бактерию. И если хламидии и риккетсии однозначно считаются живыми, то уже более упрощенная форма органической материи — вирусы — расцениваются как «организмы на границе живого».
Неклеточные формы, имеющие генетический материал
Вирус не имеет клеточного строения и органелл, это всего лишь молекула нуклеиновый кислоты (РНК или ДНК), заключенная в белковую капсулу. У вирусов нет обмена веществ и систем выработки энергии, вне клетки они проявляют свойства неживой материи, образуя кристаллы, подобно солевым растворам. Сегодня даже проводятся исследования по применению вирусных оболочек в катализаторах, элементах питания и запоминающих устройствах. А вот когда этот суперпаразит встречает живую клетку, он атакует добычу — входит в контакт с ее мембраной и впрыскивает свой генетический материал в жертву. Затем события приобретают драматический оборот: вирусы заставляют клетки в ущерб себе переключаться на воспроизводство чужеродного агента до тех пор, пока они не погибают, исторгая из себя вирусные частицы, которые тотчас находят новые клетки-мишени и цикл продолжается.
Несмотря на то, что вирусы являются беспощадными и совершенными клеточными убийцами, они имеют важную функцию в процессах эволюции. Покидая клетку, вирусы забирают с собой часть ее генетического материала и передают его новым клеткам, иногда других биологических видов. Таким образом они обеспечивают формирование новых признаков и разнообразие в популяциях. Именно благодаря вирусам произошел переход от откладки яиц к внутриматочному вынашиванию потомства и появлению млекопитающих, к которым относятся и человек.
Наши тела содержат в себе около 380 трлн вирусов, что в десять раз больше, чем бактерий внутри нас. И хотя виром человека индивидуален, оказалось, что у живущих вместе людей он на 25% становится общим. Это происходит даже при отсутствии сексуальных отношений, обмен вирусами осуществляется при контакте с предметами домашнего обихода и воздушно-капельным путем.
Вирусы эволюционируют, и, как неудивительно, могут еще больше упрощать свою структуру. Сол Шпигельман поместил вирус в пробирку с идеальными для него условиями существования — вирусу не нужно было проникать в клетки для самовоспроизводства. Структура, в которую превратился этот организм, кардинально отличилась от его «родителя». РНК вируса, изначально состоявшая из 4500 нуклеотидов, сократилась до 220 азотистых оснований, при этом избавившись от всех участков, кодировавших белки. Этот отрезок РНК назвали монстром Шпигельмана.
Монстр сделал ставку на размножение (с укорочением РНК увеличивалась скорость воспроизводства), максимально для этого упростившись. Вирус за счет дегенерации (и это тоже эволюция!) стал подобен другим, вероятно, более древним объектам, которые называются вироиды. Они представляют собой короткие одноцепочечные кольцевые РНК, содержащие всего от 246 до 434 нуклеотидных последовательностей, в отличие от самых маленьких вирусов, имеющих более 2000 азотистых оснований. Вироиды уже не имеют собственных белков из-за отсутствия кодирующих их генов. Эти объекты широко распространены в природе и наносят существенный экономический ущерб сельскому хозяйству — около трети болезней растений вызываются именно вироидами. Известно более 30 заболеваний вироидной этиологии (вироидозов) более чем 15 культур, среди них овощи, фруктовые деревья и цветы.
Существование без генов
Долгое время врачи не могли понять, что вызывает заболевания, в финале которых мозг человека превращается в губчатую структуру. Все они протекали с длительным инкубационным периодом до 20 лет и в 100% случаях заканчивались смертью. Их причиной оказались прионы — белки с аномальной структурой. В окружающей среде прионы, как и вирусы, не проявляют признаки жизни, но, внедрившись в клетку, запускают цепную реакцию по трансформации нормальных белков в прионную форму (очень стабильную и устойчивую к внешним воздействиям). Цикл продолжается до тех пор, пока клетка не погибнет и поток прионов хлынет из нее на поиски новых жертв. У прионов нет нуклеиновых кислот и, соответственно, генов, но при этом они способны мутировать, адаптироваться к изменяющимся условиям среды, развиваться и, возможно, эволюционировать.
Следующий класс патогенов имеет неорганическую природу. Наноны, или, как их называли раньше, нанобактерии, подозреваются в развитии практически всех заболеваний человека, которые сопровождаются камнеобразованием и кальцификацией. А это мочекаменная и желчнокаменная болезни, подагра, атеросклероз и многие другие патологии. Наноны встречаются повсеместно на нашей планете, их обнаруживают в атмосфере, почве, пресных водах, горных породах и природном газе. Останки нанонов найдены в метеоритах, что свидетельствует об их широком распространении в космическом пространстве. Наноны представляют собой очень маленькие клеточноподобные структуры, покрытые минеральной оболочкой из апатита. Эти объекты содержат белки, но не имеют нуклеиновых кислот. У них отсутствуют системы выработки энергии и активного транспорта веществ. При этом наноны самоорганизуются в сложные структуры и размножаются, а скорость их деления в разы увеличивается в условиях космической невесомости.
Способность неорганической материи к самоорганизации еще в начале XX века в экспериментах продемонстрировал французский ученый Стефан Ледюк. Изменяя концентрации солей в растворах, он наблюдал возникновение округлых и эллипсовидных структур, достигавших нескольких сантиметров в диаметре и очень напоминавших по форме и поведению живые клетки. Эти осмотические клетки (так их назвал опередивший свое время естествоиспытатель — создатель синтетической биологии) имели прозрачную оболочку и жидкое содержимое с твердым ядром. При защелачивании среды их форма становилась червеобразной, а добавление нитратов способствовало возникновению на поверхности клеток игл и шипов. Увеличивая количество солей в растворе, ученый добивался возникновения грибоподобных структур. Простое изменение концентрации и соотношения неорганических веществ приводило к их организации в объекты, по своей морфологии подобные биологическим.
Молекулярный биолог Эдуард Трифонов проанализировал 123 определения понятия жизни и, обнаружив базовое ядро, сформулировал ее минимальный критерий: «Жизнь — это самовоспроизводство с изменчивостью». Грани живого оказываются гораздо шире, чем представлялось ранее. Информация способна храниться и передаваться совсем необязательно посредством нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Ее носитель должен отличаться двумя основными характеристиками — быть одновременно стабильной и лабильной средой для сохранения и возможности изменений. Такие свойства могут быть реализованы как в биологической, так и в небиологической инженерии, к примеру, на основе кремниевых соединений. И обладать ими способны объекты и феномены, которые с обыденной точки зрения как живые никогда бы не рассматривались, например, искусственный интеллект или даже вирусные компьютерные программы. А ключевым свойством живого тогда становится способность сбора, хранения, обработки и обмена информацией.