Много раз на протяжении длительной истории человечества люди задумывались над вопросом: что такое жизнь? И каждый раз, по мере того как увеличивался запас знаний о биологических явлениях, ответы становились все обстоятельнее и точнее.
Действительно, стремительное развитие биологических наук в XX веке, особенно во второй его половине, опирающееся на самые последние достижения физики и химии, буквально каждый день доставляет огромное количество новых фактов о самых сокровенных свойствах живого. В свете этих новых фактов наши вчерашние представления о сущности жизни кажутся и слишком наивными, и чересчур приблизительными. Точно так же будут выглядеть наши теперешние представления о свойствах живого завтра. Однако, отбрасывая из прошлого неверное и ошибочное, новые идеи вбирают в себя все то, что было в нем верного и точного.
Попробуем же сами шаг за шагом разобраться в свойствах живого.
Огромный опыт практической деятельности человека в области сельского хозяйства и медицины, в сочетании с необъятностью знаний в области биологических наук (биохимии, физиологии и т. п.), отвечает на этот вопрос определенно: жизнь — прежде всего материальный процесс, и основой жизни являются вполне материальные вещества (субстраты, как говорят ученые). Однако это хотя и верный, но слишком общий ответ, который устанавливает общность жизни со всем материальным миром, но не объясняет, чем живое отличается от неживого, каковы его отличительные признаки.
Попробуем поискать такие признаки. Прежде всего, чтобы жить, любое живое существо должно усваивать из внешней среды питательные вещества, которые идут на построение его тела и на поддержание в нем жизненных процессов. У разных видов живых организмов этот процесс протекает по-разному.
Животные, например, получают необходимые им питательные вещества уже в готовом виде: белки, жиры, углеводы, витамины и т. п. Растения для поддержания своего существования нуждаются только в солнечном свете, кислороде, углекислом газе, минеральных элементах (солях) и воде. Еще неприхотливее оказываются некоторые бактерии, способные получать энергию для своей жизнедеятельности за счет химических реакций и не нуждающиеся в солнечном свете и кислороде воздуха.
Ясно, что человек не смог бы существовать на том «меню», которым обходятся растения и бактерии. Однако общие черты в процессе поддержания жизни всего живого есть, и объединяются они одним понятием — «обмен веществ и энергии». В него входит и поглощение питательных веществ среды, идущих на построение тела, и усвоение веществ, служащих источником энергии.
Здесь необходимо оговориться. Кусок ржавеющего железа тоже вступает в обмен с окружающей средой: он соединяется с атмосферным кислородом, превращается постепенно в ржавчину и перестает существовать как железо. Естественно, что говоря об обмене веществ у всего живого, мы имеем в виду активный процесс, когда в результате обмена живое существо усваивает соединения окружающей среды и превращает их в элементы собственного тела, а не разлагается, как ржавеющий кусок железа.
Второй отличительный признак живого — способность к размножению, к воспроизведению себе подобных. Это, казалось бы, очевидное положение в то же время нуждается в некоторых уточнениях.
Процесс размножения носит очень сложный характер и тесно связан с наследственностью и изменчивостью живых существ, то есть с генетическими свойствами живого. Понятие наследственности и означает точное воспроизведение в потомстве всех свойств и особенностей родителей. Именно благодаря этому свойству человек порождает только человека, бактериальная клетка — только бактериальные клетки, а растение — только растение.
Такая преемственность между родителями и потомством бесспорна, однако не менее бесспорно и другое: дети, сохраняя общее сходство с родителями, все-таки не являются их полной и абсолютной копией. Между двумя поколениями обязательно есть различия. Они-то, возникая в результате изменчивости живого под влиянием различных внешних и внутренних причин, и образуют основу для его постепенного совершенствования. Процесс естественного отбора наиболее совершенных форм живого называется эволюционным развитием.
Нередко к перечисленным признакам живого добавляют способность к росту, движению или чувствительность, то есть способность отвечать на раздражения. Однако это все — признаки, приложимые только к определенным группам живых существ и не охватывающие всего явления жизни в целом. Например, если считать непременным признаком живого чувствительность или способность к росту, то мы тем самым исключим из класса живого всю группу вирусов, а добавив движение — еще и многие формы неподвижных микроорганизмов.
Таким образом, способность к активному обмену веществ со средой, к размножению, наследственность и изменчивость — вот обязательные признаки живого.
Но что обладает ими?
Просто сказать — материальная система? Нет, неудачно. Это мало что объясняет.
Определение «материальная система» звучит как-то очень обще, неконкретно.
Что же в таком случае делать? Самое разумное — постараться за сравнительно короткий промежуток времени, который займет чтение нескольких последующих страниц, проделать тот путь исследования, который биология прошла за многие десятилетия. А раз это — исследование, пусть даже уже вещей изученных, оно должно подчиняться всем особенностям научного мышления. Поэтому прежде всего выберем самый простой случай и постараемся разобраться, из чего должна состоять «материальная система», чтобы быть живой.
Итак, что же может послужить для нас примером самой простой организации жизни? Где можно найти нечто такое, что было бы на рубеже «неживое — живое»? Когда-то древние греки верили, что самые простые существа на Земле — черви и что они способны самопроизвольно зарождаться в гниющей воде, иле и т. п. Но в наше время любой ученик 6-го класса средней школы, ознакомившийся с курсом зоологии, знает, что самый простой червь — очень сложное существо, обладающее нервной системой и всеми признаками высокоорганизованной жизни. Тогда, может быть, микроорганизмы? Те «палочки», «точки» и «запятые», которые впервые в XVII веке увидел в примитивный микроскоп Левенгук? У них нет нервной системы, органов чувств, конечностей, многие из них способны расти и размножаться в такой среде, где нет ничего «съедобного» для других, более сложных существ. И действительно, вплоть до начала XX века в биологии господствовало мнение, что бактерии — самая простая форма жизни на Земле.
Решающий удар подобным представлениям нанес в конце прошлого века крупный русский ученый Д. И. Ивановский. Он открыл возбудителя мозаичной болезни табака, позже названного вирусом табачной мозаики. Это было открытие не просто заболевания важной технической культуры, а нового класса живых невидимых в микроскоп существ. Их свойства оказались, столь необычными, что ученые-биологи разделились на два лагеря, страстно споривших о природе вирусов. Представители одной тонки зрения безапелляционно утверждали, что вирусы нельзя рассматривать как живые существа, а сторонники другой так же твердо считали их безусловно принадлежащими к миру живого.
Вскоре после открытия вируса табачной мозаики были открыты и другие возбудители вирусных заболеваний растений, а позднее — человека и животных (полиомиелита, энцефалитов, гриппа, кори и т. п.). Выяснилось, что вирусы «не побрезговали» и мельчайшими представителями царства живого — бактериями. В начале XX века англичанин Туорт и канадец д’Эрель открыли сверхмикроскопические существа, которые пожирали бактериальные клетки буквально за считанные минуты. За эту «свирепость» их и назвали бактериофагами, то есть пожирателями бактерий (сокращенно — фаги).
Свои вирусы оказались и у насекомых. Практически вирусы поражают все классы живых существ на Земле, за очень немногими исключениями.
В научной литературе ежегодно появляется несколько сообщений об открытии новых видов вирусов.
Чем же они так примечательны?
Первое, на что обратили внимание ученые, — необычайно маленькие размеры вирусов. Большинство из них нельзя увидеть «в самые сильные оптические микроскопы. Это дало основание называть вирусы субмикроскопическими (то есть сверхмикроскопическими) существами. Другое их название — «ультрафильтрующиеся агенты» — объясняется способностью проходить (фильтроваться), не задерживаясь, через самые тонкопористые («ультра») фильтры, задерживающие бактерии.
Но мельчайшие размеры еще не самая интересная особенность вирусов, тем более, что существует группа крупных вирусов, видимых в обычный микроскоп. Таковы широко известный возбудитель страшного, но забытого в нашей стране заболевания — оспы, и наш большой друг — вирус осповакцины.
Но если размеры самих вирусов столь различны, что же дает ученым основание объединять их в одну группу? Их особенность размножаться только в живых клетках восприимчивого животного, бактерии или растения. Вне живой клетки вирусы как будто лишены каких бы то ни было особенностей живого: они не дышат, не питаются, не нуждаются ни в каких источниках энергии и не воспроизводят себе подобных, одним словом, ведут себя как любой неодушевленный предмет неживой природы! В таком «мертвом» состоянии вирусы могут пребывать без вреда для себя десятилетиями, если только не подвергнутся случайному разрушению.
Однако, попадая в живой организм, чувствительный к нему, вирус как бы преображается: исчезает его пассивность и то состояние «глубокого сна», в который он был погружен, Пораженная вирусом клетка активно потребляет питательные вещества и источники энергии. Но, увы! Это не идет на пользу клетке. Все процессы в ней теперь направляются на формирование (синтез) вируса. Клетка теряет способность размножаться, но зато в ней начинает энергично размножаться вирус. Когда вирусов накопится много, они покидают клетку. От клетки остается только пустая оболочка, а на ее месте появляется от нескольких сотен до десятка тысяч новых вирусов. Они, как и исходный родительский вирус, снова переходят в состояние покоя, столь характерное для неживой природы, до новой встречи с восприимчивым организмом.
Не правда ли, странное поведение? Только что вирус был как бы мертвым, затем на некоторое время стал живым, а потом снова погрузился в неживое состояние. Выше мы с вами тщательно подбирали те свойства, которыми можно охарактеризовать живое состояние материи. Помните? Это обмен веществ, способность к размножению, наследственность и изменчивость. Но ведь в состоянии покоя вирусы не питаются и не размножаются. Следовательно, по первым двум свойствам в таком состоянии они скорее принадлежат к мертвой природе. А как быть с третьим свойством живого — наследственностью и изменчивостью, то есть с генетическими свойствами?
Наследственные свойства вирусов в состоянии покоя сохраняются: при размножении в живой клетке они дают потомство, как две капли воды похожее на родительский вирус. Зато если: на покоящийся вирус воздействовать некоторыми веществами, которые способны изменять наследственные свойства, то мы получим измененное потомство. Если обработать покоящийся вирус слабым раствором азотистой кислоты либо воздействовать на него ультрафиолетовым светом или лучами Рентгена, то потомство таких частиц будет измененным. Следовательно, покоящиеся вирусы тоже обладают способностью к изменчивости, хотя происшедшие в них изменения проявляются позже, «при размножении в живой клетке.
Как же можно объединить в одно эти противоречивые данные? Назвать вирусы частично мертвыми, частично живыми? Нелепо. Ведь частично мертвыми мы их сможем назвать только из-за отсутствия обмена веществ и размножения в определенной стадии жизненного цикла. А сохранение свойства наследственности и изменчивости заставит нас безоговорочно причислить их к царству живого!
А что, если поискать среди царства живого сходные явления? Вы, наверное, слышали о таком широко распространенном свойстве среди микроорганизмов, как спорообразование? Споры представляют собой бактериальные клетки в состоянии покоя, когда жизненно важная часть их содержимого окружается несколькими плотными оболочками, теряет способность к размножению и не нуждается в притоке питательных веществ. В состоянии споры бактерии способны сохраняться десятилетиями в самых неблагоприятных условиях существования, там, где живые клетки непременно погибли бы. При попадании же в благоприятные условия споры прорастают и снова превращаются в нормальные бактериальные клетки.
Не правда ли, цикл развития бактерий похож на изменения, претерпеваемые вирусом? Но ведь никому и в голову не приходит рассматривать споры, как образование неживой природы! Это защитное приспособление бактерии для перенесения неблагоприятных условий существования.
Такое сходство и дало основание советскому ученому В. Л. Рыжкову назвать вирус в покоящемся состоянии «вироспорой». Однако между циклом развития вирусов и спорообразующих бактерий имеются и существенные различия. Спора в соответствующих условиях превращается в нормальную бактериальную клетку, которую можно увидеть под микроскопом, а активно размножающуюся форму вируса никто никогда не видел, даже в электронном микроскопе. С помощью этого высокочувствительного инструмента, в который видны даже отдельные молекулы, ученые видели только начальный и конечный этапы синтеза (формирования) вируса: исходный родительский вирус и синтезированные в зараженной клетке его дочерние частицы. Никаких видимых активных форм размножения вируса ученым обнаружить не удалось.
Попробуем подвести итог сказанному. Итак, вирус — самая простая форма жизни на Земле. Биологические свойства вирусов настолько упрощены, что свою способность к размножению и обеспечивающий это размножение обмен веществ они могут реализовать, только проникнув в восприимчивые живые клетки. Вирусы живут и размножаются лишь в живых организмах, но могут неограниченно долго находиться в фазе покоя. Эта фаза — приспособление для перенесения неблагоприятных условий жизни вне организма хозяина.
Паразитируют вирусы по-разному. В процессе эволюции некоторые их виды приспособились существовать и размножаться в зараженной клетке, не вызывая ее гибели. Не правда ли, такое «гуманное» отношение вируса к гостеприимно приютившей его клетке куда полезнее для него, чем гибель клетки-хозяина? Ведь в этом случае он попадает в негостеприимную, внешнюю среду, где так легко погибнуть и так трудно снова встретить подходящего хозяина. Не исключено даже, что такая форма взаимодействия с организмом хозяина преобладает среди вирусов, но мы мало знаем о ней, так как ее трудно обнаружить. Действительно, ведь о присутствии вируса мы судим по появлению тех или иных форм инфекции, по повреждению или разрушению клеток. Если таких видимых симптомов нет, то обнаружить вирусы трудно.
Но паразитизм — не просто прихоть паразита: дай-ка я поживлюсь за счет этого организма. Это биологическое свойство, тесно связанное с особенностью организации и структуры паразита, которое вырабатывалось в течение многих десятков тысячелетий эволюционного развития.