Сергей Минаков - Таинственные явления природы и Вселенной

Если мы перекроем кран поступления воздуха, мышь погибает. Однако и мертвые организмы могут обмениваться веществами с окружающей средой. На этом, в частности, основан процесс образования окаменелостей: остатки животных и растений в слое горной породы отдают окружающей среде органику, и ее место занимают минералы. Особенно удивительны окаменевшие деревья: внешне они до мельчайших деталей сохраняют структуру древесины, однако она миллионы лет назад заместилась кремнеземом и окислами железа.

Какой вывод можно сделать из этого? Обмен веществ — это необходимое условие, если мы говорим о живом состоянии. Но одного обмена веществ недостаточно для определения жизни! Нужно еще что-то.

Попробуем еще раз. Во-первых, жизнь характеризуется активностью. Жизнь действует. Даже если она находится «в пассиве», приспосабливается к условиям (то есть «страдает»: «страдание» у Аристотеля — это категория подчинения, категория, противоположная действию: actio — passio), все равно сохраняется активная составляющая, самостоятельный акт как бы «из себя и для себя». Эта активность обязательно происходит с затратой энергии в системе: чтобы жить, тратятся силы! Во-вторых, жизнь — это поддержание и воспроизведение всегда конкретного порядка, определенной, специфической структуры. Именно специфической. Вот на что энергия-то идет и силы тратятся!

Что такое активное воспроизведение? Это такой процесс, когда система сама воспроизводит себя и поддерживает свою целостность, используя для этого элементы окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Пассивный процесс такого рода отнюдь не признак жизни. Птицы из года в год воспроизводят свои гнезда, бобры строят плотины, но ни гнезда, ни плотины нельзя считать живыми объектами в отличие от их строителей. Короче говоря, вряд ли птицу можно получить, воспроизвести по гнезду, бобра — по плотине, а снежного человека — по его следу…

Далее о затрате энергии. Почему это является необходимым условием при определении жизни? Потому что это позволяет отличать живые существа от других самовоспроизводящихся структур, например кристаллов.

Еще в XVIII веке проводили аналогии между ростом организмов и ростом кристаллов. Действительно, каждому кристаллу присуща своя специфическая структура, возникающая спонтанно. Хлористый натрий кристаллизуется в виде куба, углерод (алмаз) — в виде октаэдра. Скопления, сростки кристаллов порой удивительно похожи на структуры живой природы. Вспомните хотя бы морозные узоры на оконных стеклах. Они иногда настолько бывают похожими на листья папоротников и иных диковинных растений, что кажутся более реальными, чем настоящие. Даже металлы образуют подобные структуры. Металлургам всего мира хорошо известна так называемая «елка Чернова». При отливке изделия из металла могут образовываться лакуны, раковины — так их называют специалисты. И вот иногда в таких раковинах сращиваются кристаллы железа — это очень похоже на известное растение.

Тем не менее, аналогии между морозными узорами и листьями папоротника неправомерны. Хотя эти структуры внешне сходны, процессы их возникновения диаметрально противоположны энергетически. Кристалл — система с минимумом свободной энергии. Что это значит? Это значит, что при кристаллизации энергия выделяется в виде тепла. Например, при возникновении одного килограмма «морозных узоров» должно выделиться 619 ккал тепла. Столько же энергии нужно затратить на разрушение этой структуры. Листья папоротника, наоборот, при своем возникновении и росте поглощают энергию солнечных лучей. Разрушая эту структуру, мы можем получить энергию обратно. Мы, собственно, это и делаем, например, сжигая каменный уголь, образовавшийся из остатков гигантских папоротников палеозойской эры, или просто греясь у банального костра. И дело здесь не в самом листообразном рисунке, внешне объединяющем лесной папоротник и узор на стекле. Бесформенный кусок льда той же массы потребует на расплавление и испарение столько же энергии. А на образование внешней сложности листа растения расходуется энергия, ничтожно малая по сравнению с той, что законсервирована в органике.

Но как же все-таки быть с внешним сходством? Дело вот в чем. И листья папоротника, и морозные узоры обладают максимальной площадью поверхности при данном объеме. Для папоротника (и любого другого растения) это необходимо, ибо дыхание и ассимиляция углекислого газа идет через поверхность листьев. В тех случаях, когда нужно снизить расходы воды на испарение, растения, например кактусы, обретают шарообразную форму с минимальной площадью поверхности. Но платить за это нужно снижением темпов ассимиляции СO2 и соответственно замедлением роста.

Водяные пары, кристаллизуясь на холодном стекле, также образуют структуру с максимальной поверхностью, потому что скорость потери свободной энергии при этом максимальна (кристаллы растут с поверхности). Так что аналогии между кристаллами и живыми организмами не имеют, так сказать, сущностного значения. Жидкость, выплеснутая из сосуда в условиях невесомости, приобретает форму шара (минимум энергии поверхностного натяжения). Но вряд ли это означает, что законы устройства космоса похожи на правила игры с шарами за бильярдным столом!

Справедливости ради нужно заметить, что кристаллические формы не чужды жизни. Многим известны большие и совершенно безобидные комары-долгоножки с длинными ломкими конечностями. Их личинки обитают во влажном грунте, питаясь перегнивающими растительными остатками. Среди них можно встретить особей, окрашенных в голубой цвет с радужным отливом. Они кажутся вялыми, и они действительно больны — заражены так называемым радужным вирусом. В гемолимфе таких личинок под микроскопом можно обнаружить кристаллы удивительной красоты, переливающиеся, как сапфиры. Кристаллы эти сложены из частиц вируса — вирионов. Когда личинка погибнет, они попадут в почву, чтобы быть проглоченными личинками нового поколения комаров. Кстати, подобные кристаллы образуют многие вирусы, и не только вирусы насекомых. Но существенно, что это именно неактивная форма существования вируса, в отличие от активной, живой. В форме кристалла вирус не размножается, а лишь переживает таким образом свои «тяжелые времена». Известный физик Эрвин Шредингер назвал хромосому «апериодическим кристаллом». Действительно, ядерное вещество клетки в период деления упорядочено, и формально его можно назвать кристаллом. Но когда ядерное вещество (хроматин) «пакуется» в хромосому, оно, опять-таки, неактивно, и сама хромосома — лишь способ передачи хроматина от клетки к клетке.

Итак, для кристаллизации никакой внешней энергии не нужно. Но для поддержания и воспроизведения собственного порядка жизни в следующем поколении организм должен поглощать энергию (в виде квантов света или неокисленных органических соединений, простых веществ, и выделять окисленные продукты жизнедеятельности и т. д). Вот это и есть обмен веществ.