Журнал далеко идущего

Один из первых и основных способов, которым мы учимся классифицировать объекты, состоит в том, чтобы разделить их на две группы: живые и неживые. При случайном взаимодействие с какими либо предметами мы редко испытываем здесь какие-либо трудности, поскольку обычно имеем дело с явно живыми вещами, такими как кошка или рыба, или с явно неживыми вещами, такими как кирпич или зеркало. Тем не менее задача определения того чем же на самом деле является жизнь и при соблюдение каких условий мы можем считать один объект живым, а другой нет достаточно трудна и при её решении необходимо учитывать множество различных факторов. Так представьте себе гусеницу, ползущую по камню: гусеница является живым существом, а камень по которой она ползёт — нет, что может быть обосновано тем что в отличие от камеры гусеница способна двигаться. Однако что если гусеница или иное животное будет двигаться ( лезть или спускаться ) по стволу дерева? Так дерево по которому будет двигаться гусеница не будет совершать каких либо движений, однако дерево является таким же живым существом как и гусеница. Также в немного другой постановке данного вопроса по стволу дерева может стекать капля воды из-за чего по отношению к первому варианту постановки данного вопроса складывается парадокс, поскольку несмотря на то, что капля воды Учитывая данные вопросы, мы можем перечислить некоторые вещи, которые могут делать живые существа и не могут совершать неживые существа. 1) Живое существо проявляет способность к независимому движению против силы. Капля воды стекает вниз, но только потому, что ее притягивает гравитация; она не движется "сама по себе". Гусеница, однако, может ползти вверх против силы тяжести. Живые существа, которые кажутся неподвижными в целом, тем не менее частично движутся, так устрица может лежать привязанной к скале всю свою взрослую жизнь, но она может открывать и закрывать свою раковину. Кроме того, она всасывает воду в свои органы и напрягает пищу, так что есть части его самого, которые постоянно движутся. Растения тоже могут двигаться, например, поворачивая свои листья к солнцу, и продвигать свои корни или мицелий всё дальше в землю. 2) Живое существо может чувствовать и реагировать на изменение в окружающей и соответствующим образом что-то сделать либо со своим организмом либо со своим поведением, которое позволит ему продолжать жить настолько комфортно, насколько это возможно. Так в случае одного из простых примеров: вы можете увидеть приближающийся к вам камень и быстро пригнуться, чтобы избежать столкновения камня с вашей головой ( вы можете недостаточно быстро пригнуться, чтобы избежать столкновения с камнем, но именно попытка избежать его попадания имеет значение ). ​Точно так же растения могут ощущать присутствие света и воды и реагировать, вытягивая корни к воде, а стебли к свету. Даже очень примитивные формы жизни могут чувствовать присутствие пищи или опасности и могут реагировать таким образом, чтобы увеличить свои шансы встретить первое и избежать второго. 3) Живое существо обладает метаболизмом или в данном случае может в конечном счете преобразовать материал из своей окружающей среды в субстанцию из которой состоит тело данного организма и, по всей видимости, получать из данной материи некоторое количество энергии для поддержания метаболизма. Возможно, полученные ими вещества придётся подвергнуть химическому изменению, чтобы большие и сложные химические единицы ( молекулы ) превратились в более мелкие и простые. Затем простые молекулы поглощаются живой структурой; некоторые из них разрушаются в процессе высвобождения энергии; остальные накапливаются в сложных компонентах структуры их организма. Различным фазам этого процесса иногда дают отдельные названия: проглатывание, переваривание, всасывание, ассимиляция и выведение. 4) Живое существо растёт, так в результате метаболического процесса оно может преобразовывать все больше и больше окружающей среды в себя, становясь в результате больше и сложнее. 5) Живое существо размножается, будучи способным с помощью различных методов производить новые живые организмы, подобные себе. Любой объект, обладающий всеми или некоторыми этими способностями, вполне мог бы казаться живым, а любой, не обладающий ни одной из них, двигается она не является живым существом, в то время как неподвижное дерево является таковым. Можно ли предположить, что какой нибудь никогда до этого не видивший устриц или мидий наблюдатель догадается, что последние являются живыми существами, а не черными камушками ровной формы или даже любой другой обычный человек с первого взгляда определить какое из лишённых зимой деревьев являются живыми и вновь покроются деревьями следующей весной, в то время как другие такие же, лишённые листьев, деревья являются мёртвыми и останутся такими и через несколько месяцев ( легко ли отличить все способные прорасти семена от тех что просто сгниют в земле )? Учитывая данные вопросы, мы можем перечислить некоторые вещи, которые могут делать живые существа и не могут совершать неживые существа. 1) Живое существо проявляет способность к независимому движению против силы. Капля воды стекает вниз, но только потому, что ее притягивает гравитация; она не движется "сама по себе". Гусеница, однако, может ползти вверх против силы тяжести. Живые существа, которые кажутся неподвижными в целом, тем не менее частично движутся, так устрица может лежать привязанной к скале всю свою взрослую жизнь, но она может открывать и закрывать свою раковину. Кроме того, она всасывает воду в свои органы и напрягает пищу, так что есть части его самого, которые постоянно движутся. Растения тоже могут двигаться, например, поворачивая свои листья к солнцу, и продвигать свои корни или мицелий всё дальше в землю. 2) Живое существо может чувствовать и реагировать на изменение в окружающей и соответствующим образом что-то сделать либо со своим организмом либо со своим поведением, которое позволит ему продолжать жить настолько комфортно, насколько это возможно. Так в случае одного из простых примеров: вы можете увидеть приближающийся к вам камень и быстро пригнуться, чтобы избежать столкновения камня с вашей головой ( вы можете недостаточно быстро пригнуться, чтобы избежать столкновения с камнем, но именно попытка избежать его попадания имеет значение ). ​Точно так же растения могут ощущать присутствие света и воды и реагировать, вытягивая корни к воде, а стебли к свету. Даже очень примитивные формы жизни могут чувствовать присутствие пищи или опасности и могут реагировать таким образом, чтобы увеличить свои шансы встретить первое и избежать второго. 3) Живое существо обладает метаболизмом или в данном случае может в конечном счете преобразовать материал из своей окружающей среды в субстанцию из которой состоит тело данного организма и, по всей видимости, получать из данной материи некоторое количество энергии для поддержания метаболизма. Возможно, полученные ими вещества придётся подвергнуть химическому изменению, чтобы большие и сложные химические единицы ( молекулы ) превратились в более мелкие и простые. Затем простые молекулы поглощаются живой структурой; некоторые из них разрушаются в процессе высвобождения энергии; остальные накапливаются в сложных компонентах структуры их организма. Различным фазам этого процесса иногда дают отдельные названия: проглатывание, переваривание, всасывание, ассимиляция и выведение. 4) Живое существо растёт, так в результате метаболического процесса оно может преобразовывать все больше и больше окружающей среды в себя, становясь в результате больше и сложнее. 5) Живое существо размножается, будучи способным с помощью различных методов производить новые живые организмы, подобные себе. Любой объект, обладающий всеми или некоторыми этими способностями, вполне мог бы казаться живым, а любой, не обладающий ни одной из них, признаваться неживым, однако даже при соблюдение данных критериев ситуация всё ещё остаётся не до конца ясной. Так взрослый человек больше не растет, и у многих людей никогда не бывает детей, но мы все ещё считаем их живыми, даже если они больше не растут и не способны размножаться. Что ж, рост происходит в какой-то момент жизни, и способность к размножению потенциально существует. Мотылек чувствует пламя и реагирует, но при этом не адаптируется к данной опасности, а поступает с точности до наоборот, направляясь к пламени и умирая от его жара — реакция обычно адаптивна, потому что она направлена на свет и в данном случае открытое пламя является исключительным состоянием. Семечко не движется или не реагирует на изменения окружающей среды, но дайте ему надлежащие условия, и он внезапно начнет расти. С другой стороны, будучи в определённом растворе кристаллы также способны расти и образовывать новые кристаллы, которые порой могли бы отделяться от более крупного изначального кристалла, словно бы размножаясь почкованием. Термостат в вашем доме воспринимает температуру и соответствующим образом реагирует на её изменения, предотвращая ее слишком высокое или низкое повышение. Также в данном случае можно вспомнить об огне, который можно рассматривать как пожирающий своё топливо, расщепляющий его на более простые вещества, превращающий его в свою собственную пылающую структуру и удаляющий пепел, который он не может использовать. Пламя постоянно движется и, как мы знаем, может легко расти и размножаться на обширные территории с катастрофическими последствиями для окружающих, но несмотря на это ни одно из вышеперечисленных вещей не является живым существом, поэтому нам необходимо глубже изучить свойства жизни, и ключ к этому лежит в том, что было сказано ранее: капля воды может стекать вниз только в ответ на гравитацию, в то время как гусеница может двигаться вверх по стволу дерева против силы гравитации. Существует два типа изменений: один, который включает в себя увеличение свойства, называемого физиками энтропией, и другой, который включает в себя уменьшение этого свойства. Изменения, увеличивающие энтропию, происходят спонтанно, то есть "просто происходят сами по себе". Примерами могут служить движение скалы вниз по склону, взрыв смеси водорода и кислорода с образованием воды, разматывание пружины, ржавление железа. Изменения, уменьшающие энтропию, не происходят спонтанно, они будут происходить только через приток энергии из какого-то внешнего, по отношению к данной системе, источника. Таким образом, камень может быть поднят в гору; вода может быть снова разделена на водород и кислород электрическим током; пружина может быть сжата мышечным действием, и железная ржавчина может быть выплавлена обратно в железо при достаточном нагревании ( уменьшение энтропии более чем уравновешивается увеличением энтропии источника энергии, но это к делу не относится ). В общем, мы обычно можем с уверенностью предположить, что любое изменение, произведенное против сопротивляющейся силы, или любое изменение, которое изменяет что-то относительно простое на что-то относительно сложное, или которое изменяет что-то относительно беспорядочное на что-то относительно упорядоченное, уменьшает энтропию и что ни одно из этих изменений не произойдет спонтанно. Однако действия, наиболее характерные для живых существ, как правило, связаны с уменьшением энтропии. Живое движение очень часто идет против притяжения гравитации и других сопротивляющихся сил. Метаболизм, в целом, имеет тенденцию строить сложные молекулы из простых. Все это делается за счет энергии, получаемой из пищи или, в конечном счете, из солнечного света, и общее изменение энтропии в системе, включая пищу или солнце, является увеличением. Тем не менее локальное изменение, непосредственно затрагивающее живое существо, - это уменьшение энтропии. С другой стороны, рост кристаллов-это чисто спонтанный эффект, связанный с увеличением энтропии. Это не более признак жизни, чем движение воды, стекающей по стволу дерева. Точно так же все химические и физические изменения в огне связаны с увеличением энтропии. Таким образом, мы становимся более безопасными, если определяем жизнь как свойство, проявляемое теми объектами, которые могут—фактически или потенциально, полностью или частично—двигаться, ощущать и реагировать, метаболизировать, расти и размножаться таким образом, чтобы уменьшить свой запас энтропии. Поскольку одним из признаков уменьшения энтропии является увеличение организации ( то есть увеличение числа составных частей, взаимосвязанных все более сложным образом ), неудивительно, что живые объекты обычно более высокоорганизованы, чем их неживое окружение. Вещество, составляющее даже самую примитивную форму жизни, гораздо более разнообразно и сложно взаимосвязано, чем вещество, составляющее даже самый сложный минерал. Но что насчёт форм жизни, радикально отличных от нашей, основанных на совершенно других видах химии, живущих в совершенно враждебной (нам) среде? Может ли существовать жизнь на основе кремния вместо нашей собственной углеродной жизни на такой горячей планете, как Меркурий? Может ли существовать жизнь на основе аммиака вместо нашей собственной водной жизни в атмосфере такой холодной планете, как Юпитер? Если уж на то пошло, то в ближайшем будущем мы можем столкнуться с таким необходимым расширением определения прямо здесь, на Земле. Уже некоторое время люди строят машины, которые могут все более и более точно имитировать действия живых существ. К ним относятся не только объекты, которые могут имитировать физические манипуляции ( например, когда электрические глаза видят, как мы приходим, и открывают нам дверь ), но и объекты, которые могут имитировать умственную деятельность человека. У нас есть компьютеры, которые делают больше, чем просто вычисляют; они переводят русский язык, играют в шахматы и сочиняют музыку. Наступит ли момент, когда машины станут достаточно сложными и гибкими, чтобы воспроизводить свойства жизни настолько широко, что возникнет необходимость задаться вопросом, живы ли они? Если это так, то нам придется склониться перед фактами. Нам придется игнорировать клетки и ДНК и спрашивать только: что может сделать эта штука? И если она может играть роль жизни, нам придется назвать ее жизнью. С точки зрения химии, «жизнь» — это всего лишь реакция автокатализа сложных органических молекул. Катализатором называют вещество, которое ускоряет некоторые химические процессы, не участвуя в них ( например, в присутствии железа ускоряется синтез хлорофилла ). Сам хлорофилл выступает в качестве катализатора при фотосинтезе углеводородов из воды и углекислого газа. Если же некая молекула, попав в раствор с нужными реагентами, провоцирует цепочку преобразований, конечным результатом которой станет появление ещё одной такой же молекулы, — это автокатализ. Органические и неорганические вещества, обладающие автокаталитическими свойствами и способные в определённых обстоятельствах «размножаться», хорошо известны науке, но считать молекулу по-настоящему «живой» можно лишь если она окажется достаточно сложной для того, чтобы при самокопировании случались некоторые ошибки ( в данном случае можно вспомнить о таком правиле, что чем сложнее та или иная система тем больше вероятность ошибки или паломки в одной из её частей ). В этом случае возникает изменчивость и начинает действовать естественный отбор. Чем эффективнее самокопируется молекула, «научившаяся», например, использовать побочные или промежуточные продукты автокатализа для синтеза необходимых материалов, тем больше у неё будет копий, обладающих теми же полезными свойствами. Второй закон термодинамики, при наличии механизмов передачи свободной энергии, позволяет соединять экзергонические реакции с эндергоническими, что необходимо для организации жизни. Используя массив наноразмерных молекулярных машин, жизнь рассеивает внешние химические неравновесия и/или преобразует низкоэнтропийные фотоны в высокоэнтропийное отработанное тепло, преобразуя одни неравновесия в другие ( например, эндергонически зарождающиеся протонные градиенты и реакцию АТФ/АДФ ). Автокатализ — это способность системы демонстрировать экспоненциальный рост репрезентативных показателей численности или популяции в идеальных условиях. Свойство автокатализа может проявляться в различных формах — включая самокатализ, кросс-катализ, сетевой автокатализ — до тех пор, пока эффект приводит к экспоненциальному росту подходящей метрики в идеальных условиях. Так культивированная ( выращиваемая ) система микроорганизмов демонстрирует автокаталитический рост популяции за счёт репликации клеток в условиях изобилия ресурсов. Гомеостаз — это способность системы поддерживать ключевые внутренние переменные в рамках идеальных заданных значений. В динамическом мире возмущений и в сочетании с экспоненциальным ростом, описанным выше, живая система должна иметь возможность ограничить изменения своих внутренних систем при изменении внешних условий. Жизнь поддерживает гомеостаз при помощи сетей сенсоров рецепторов и эффекторов. Вещество, регулируемое гомеостазом ( например, ионы кальция ), обычно связывается с рецепторами и способствует высвобождению каскада других веществ ( например, гормонов ). Эти цепочки соединений затем стимулируют соответствующий механизм реакции, чтобы вернуть уровень вещества в желаемое окно.