Что такое жизнь?
Click to viewЧто было раньше - курица или яйцо? Ответ на этот парадокс, над которым ломали голову ещё античные мыслители, для биолога однозначен: сначала было яйцо. Во-первых, яйца возникли задолго до появления птиц - ещё рыбы в океане откладывали икру. “Но икра - это же яйца без скорлупы!” - воскликнут скептики. Что ж, яйца со скорлупой откладывали рептилии - тоже задолго до появления куриц. Если вы спросите, что было раньше - курица или куриное яйцо, отвечу то же самое: яйцо. Всё потому, что биологическая эволюция происходит за счёт постепенных изменений, вызванных мутациями в ДНК. Какую мутацию, определяющую “куриность”, не возьми, сначала она должна была возникнуть на самых ранних этапах эмбрионального развития, то есть в яйце, а уже потом она могла повлиять на развитие курицы.
Дискуссия о курицах и яйцах очень схожа со спорами о том, что такое жизнь и где протекает грань между жизнью и нежизнью. Философы часто пристают к биологам с этим вопросом, мол, дайте точное определение жизни! “Непонятнно, что вы изучаете. У вас наука о жизни, а определения у жизни какое? Вот вирусы живые или мёртвые?” А биологи часто отвечают: “Идите нафиг. Нам понятно, что мы делаем: мы занимаемся изучением репликаторов - химических систем, которые себя копируют. А что называть жизнью, для нас не очень важно”.
Почему определение жизни часто спотыкается именно на вирусах? Потому что вирус в плане классификации находится на самой грани того, что мы называем живым. Вот смотрите: бактериальная клетка - явно живая. А кусок белка или молекула ДНК - явно нет (молекула ДНК сама по себе - просто большой кусок биополимера). Вирус же находится в “серой зоне”. У него есть как признаки живых, так и неживых организмов, например, он вполне успешно размножается.
Тогда давайте разбираться, что такое жизнь вообще. Возможно, вы сейчас удивитесь, но у нас до сих пор нет общепринятого определения жизни. Но многие учёные серьёзно задавались этим вопросом - причём как биологи, так и небиологи. Собственно, одну из самых известных книжек на эту тему написал австрийский физик-теоретик Эрвин Шрёдингер.
Она так и называется: “Что такое жизнь?” Учёный издал её в далёком 1944 году - для своего времени она была очень прогрессивной. В книге Шрёдингер размышлял о том, что жизнь с точки зрения термодинамики устроена крайне интересно. Согласно второму началу термодинамики, энтропия (мера неупорядоченности) любой изолированной системы должна неизбежно расти - и она никогда не убывает. Но мы также знаем, что жизнь постоянно усложняется: и в ходе эволюции, и даже по ходу роста отдельного организма.
Так вот, тут нет никакого противоречия - ведь жизнь берёт ресурсы извне. И отдельное существо, и сама биосфера - это не замкнутые системы. Поэтому они и усложняются - за счёт увеличения энтропии где-то ещё. Значит, напрашивается такое вот интересное определение: жизнь - это то, что использует энергию и материю из окружающей среды, чтобы поддерживать себя.
Но есть нюанс: жизнь - это не единственная вещь, которая может поддерживать себя и при этом усложняться. Например, в химии существуют так называемые автокаталитические реакции - химические процессы, которые могут сами себя ускорять. В университетах студентам часто показывают реакцию Белоусова-Жаботинского как наглядный пример. А ещё есть кристаллы. Они растут и организуются в очень упорядоченные системы - но кристаллы мы не называем живыми организмами.
Ещё раз: по Шрёдингеру, жизнь - это открытая система, которая использует градиенты (то есть перепады в количестве энергии или вещества) в окружающей её среде для того, чтобы создавать неидеальные копии себя. И это определение жизни через термодинамику практически совпадает с одним из самых популярных определений из биологии. Согласно биологам, жизнь - это поддерживающая сама себя химическая система, способная к дарвиновской эволюции. Например, это определение используют специалисты NASA. Скажем, нашли учёные на другой планете нечто. Как понять, жизнь это или нет? Если это нечто может эволюционировать по Дарвину, значит, мы встретили живой организм.
Кстати, определение NASA было основано на идеях американского астронома и астрофизика Карла Сагана. Он предположил, что способность к дарвиновской эволюции - это и есть главная характеристика жизни.
Правда, у “биологического” определения жизни есть свои нюансы. Перечислю некоторые из них:
Предположим, мы встретили единственного оставшегося в живых представителя инопланетной расы, которая размножалась половым путём. Этот одинокий инопланетянин утратил способность размножаться и в эволюции больше не участвует - и что теперь, больше не считать его жизнью? Поэтому нужна оговорка - “...или порождённая такой системой копия”. “В моменте” этот организм должен быть устроен так, чтобы потенциально быть способным к эволюции;
Во-вторых, мы можем создать зонд Фон Неймана - робота, который умеет копировать себя и подвергать себя дарвиновской эволюции. Или компьютерную программу. Или даже мем, как у Ричарда Докинза - стойкую идею, которая себя воспроизводит. В общем, как минимум робот - это уже химическая система. Будем ли мы называть роботов живыми, если они научатся эволюционировать? Я - биолог, мне не жалко признать роботов живыми организмами. Но, думаю, изучать роботов будут не биологи.
Есть ещё один подход к определению жизни - описательный. Он, может, не самый универсальный, но зато точный. Это набор пунктов, которым должна соответствовать жизнь. Вот они:
- Гомеостаз, то есть действия для поддержания стабильного внутреннего состояния. Мало энергии - ищем еду и воду, холодно - перемещаемся в сторону тепла;
- Наличие чёткой внутренней организации. Можно даже сузить до “клеточной организации”: всё, что мы однозначно называем жизнью - клеточное. Это критерий очень произвольный, избирательный, но зато надёжный;
- Метаболизм - это способность превращать одни химические молекулы в другие внутри себя. Любая жизнь добывает энергию из одних химических реакций, а потом тратит её на другие химические реакции;
- Рост - живые существа, как правило, способны увеличиваться в размерах;
- Адаптация - это значит, что живые организмы со временем становятся более приспособленными к той среде, в которой живут;
- Реакция на стимулы. Даже одноклеточные организмы умеют реагировать на возбудители - они двигаются прочь от света, плывут в сторону химического сигнала, чтобы найти источник еды. Хищные одноклеточные могут чувствовать прикосновение к другим клеткам, чтобы съесть их - а их жертвы могут попытаться убежать;
- И наконец, способность к воспроизводству - как половым, так и бесполым путём.
Сейчас я перечислю аргументы, которые говорят о том, что вирусы - живые существа, а затем - контраргументы к ним.
ЗА. Интуитивно мы относимся к вирусам как к живому существу и не видим особой разницы между ними и бактериями. Мы можем сказать: “Мыло убивает вирусы”, “Спирт убивает вирусы”, “Вирус умер и уже никого не заразит”. Но разговоры о вирусах как о чём-то живом - это скорее интуиция, а не научное доказательство. С другой стороны, если мы говорим о том, что что-то может умереть - значит, это живой организм. ПРОТИВ. Вирусы считают неживыми по другой причине - они не могут воспроизводиться без клеточного хозяина. В этом плане вирусы не являются автономными существами. На основании этого делаем вывод, что они не могут быть живыми - ведь вирусы не могут воспроизводиться сами.
ЗА. Но те же ленточные черви тоже не могут жить без своих хозяев. Это паразиты, которых мы, тем не менее, относим к живым организмам. Можно считать, что хозяин - это просто одно из условий окружающей среды. Оно так же необходимо для паразита, как человеку необходимы растительные или животные источники пищи, то есть другие живые организмы. Если из жизни на планете останутся только люди, они быстро вымрут. Но мы не говорим о человеке, который зависит от коров и бананов, что он неживой! Кроме того, вирусы прекрасно себя воспроизводят, хоть и не без помощи наших клеток. А ещё они способны к эволюции: ошибки-мутации происходят в момент копирования, когда вирусы паразитируют на клетке. На что способна эволюция вирусов, мы знаем на примере ковида, гриппа, гепатита C и ВИЧ. ПРОТИВ. Зато вирус инертный! Пока он не заразил клетку, он ничего не делает. В нём вообще ничего не происходит.
ЗА. Давайте посмотрим на “живых” бактерий. У них тоже есть инертный режим - состояние споры, которое возникает из-за неблагоприятных условий. В нём бактерия перестаёт расти и размножаться - она только ждёт более благоприятных условий окружающей среды. Так, может, для вируса любая ситуация вне клетки хозяина - неблагоприятная? Вот он и впадает в спячку. А в остальное время живёт нормальной жизнью. Кстати, по поводу спор бактерий учёные даже шутили: вот спора, она биохимически инертна, в ней ничего не происходит. Если она умерла, то получается, что она может воскреснуть? Или она находится в третьем состоянии суперпозиции - и перед нами “бактерия Шрёдингера”? ПРОТИВ. Если считать жизнью всё, что в определённой среде себя воспроизводит, мы можем зайти в тупик. Так, существует бактериальная плазмида - кусочек ДНК, который может передаваться от одной бактерии другой. Но, в отличие от вируса, у неё нет оболочки-капсида - то есть защитного батискафа для внедрения в клетку. За неё всё делает мать-бактерия. Но в определённых условиях плазмида может воспроизводиться. Получается, плазмида тоже живая? А, может, живой будем считать и молекулу ДНК, которая в нужных условиях тоже может размножаться?
А теперь давайте посмотрим, есть ли место для вирусов среди того, что мы однозначно считаем живым. Как вы помните из уроков биологии, всё живое делится на три главные группы - и это не царства животных, грибов и растений. И растения, и грибы, и животные входят в одну и ту же группу - эукариотов. Все они - клеточные формы жизни, у всех в клетках есть ядро, а в ядре - хромосомы. Вторая группа - это прокариоты, одноклеточные ребята без ядра. Прокариоты, в свою очередь, делятся на две группы - бактерий и архей. Интересный факт: считается, что археи ближе к людям, чем бактерии. Так, ключевые ферменты архей, которые копируют РНК и создают белки, больше похожие на наши ферменты, чем у бактерий. Есть даже теория, согласно которой ядерная ДНК наших клеток давным-давно произошла от предков архей. А митохондрии внутри этих же клеток произошли от древних бактерий. Другими словами, мы - архея, которая сожрала бактерию и сделала её своим симбионтом.
Из всего этого можно сделать вывод, что жизнь бывает очень разной. Например, есть такая архея - галоквадратум. И “квадратум” она называется не просто так: под микроскопом она выглядит как значок Windows. И вот такие плоские квадраты, похожие на логотип Windows, плавают во всех морях. А некоторые археи умеют жить в очень неблагоприятных условиях - в супергорячих источниках, в солёных озёрах, в серной кислоте и при экстремально низких температурах. Ещё есть археи, которые могут питаться водородом - никакие другие живые существа так не делают. А ещё удивительный факт: среди архей не выявлено ни одного патогена - они очень дружелюбны и не заражают нас и других животных никакими болячками.
Так вот, найдётся ли в перечисленных мной группах живой природы местечко для вирусов? Может, надо считать их четвёртым доменом биологии? Вирусы не очень похожи на людей, архей, растения и другие клеточные формы жизни, у которых есть липидная мембрана с разными интересными штуками внутри. Вирус - это плотная белковая оболочка. Внутри этой оболочки лежит ДНК или РНК - то есть генетический материал. При этом у некоторых вирусов - ВИЧ, например, на оболочке располагается дополнительная липидная мембрана. Внутри вируса ничего не происходит - ни синтеза белков, ни копирования генов. По сути, капсид - это лишь капсула, средство доставки ДНК или РНК в клетку хозяина. Получается, вирус может выполнять функции жизни только “чужими руками”.
Получается, вирус - это не организм с нарастающей сложностью? С одной стороны, да, с другой - не всё так однозначно. Так, недавно учёные обнаружили, что существуют очень сложно устроенные гигантские вирусы. Самый крупный из них - пандоравирус. И по размерам он больше, чем некоторые самые маленькие клетки. Вся его внутренность - это ДНК длиной в 2,5 млн букв-нуклеотидов. А, главное, у пандоравируса может быть несколько тысяч генов (для сравнения - у вируса гриппа всего 7 генов, у ВИЧ - 9 генов, у человека - 20 000 генов). То есть мы имеем дело с вирусом, у которого всего в 10 раз меньше генов, чем у человека. Он такой большой и сложный, что поначалу его даже приняли за бактерию.
Тем не менее, пандовирус - это вирус, потому что он не умеет сам синтезировать свои белки. У него нет рибосом, которые синтезируют белки. Кроме того, он не умеет сам производить энергию для жизни - синтезировать АТФ, главную энергетическую “разменную монету” жизни. Пандовирус проникает внутрь одноклеточной амёбы, сливается с ней и интегрирует свою ДНК внутрь её ДНК. А дальше уже “операционная система” амёбы решает проблемы вместо пандоравируса - амёба копирует его ДНК, собирает новые вирусные частицы, тратит свою энергию. Через несколько часов вирус пожирает клетку, выходит наружу вместе со своими новыми копиями и заражает следующих амёб. Хорошие новости: пандовирус не опасен для нас с вами.
Интересно, что некоторые учёные предлагали таки создать для гигантских вирусов четвёртый домен биологии. В первую очередь потому, что у того же пандовируса 90% генов оказались уникальными - они не встречаются у других существ. Правда, потом на этого “инопланетянина” посмотрели другие исследователи - и пришли к выводу, что всё-таки большинство генов гигантских вирусов известны - это гены каких-то организмов-эукариот. Вирусы “воровали” эти гены у клеточных организмов и постепенно росли в размерах благодаря награбленному (ещё небольшую часть “стянули” у бактерий). И лишь маленькая часть генов пандоравируса действительно уникальна. Так что гипотезу первых учёных другие специалисты поставили под сомнение.
В связи с этой ворованной ДНК возникает вопрос - что было сначала: вирусы или клеточные формы? Скорее всего, вирусы произошли от клеточной жизни - то есть простое, как это ни парадоксально, произошло от сложного. А самые сложные вирусы, похоже, “наворовали” свой генетический материал из клеток эукариот.
А теперь расскажу про ещё одних интересных представителей гигантских вирусов. Встречайте - мимивирусы! Это очень красивые ребята, которые паразитируют на амёбах. В отличие от своих собратьев, эти вирусы умеют в метаболизм и для этого у них есть специальные гены. Получается, что у мимивируса чуть больше характерных свойств жизни, чем у обычных вирусов - хотя это всё равно лишь намёк на настоящую автономность. Так, у наших героев нет даже рибосом.
Кстати, у некоторых гигантских вирусов бывают… вирусы. Их называют вирофагами. Первый открытый вирофаг учёные назвали “Спутник” - потому что он приходит в организм хозяина вслед за огромным вирусом. Важный момент: вирофаг не залезает внутрь вируса, а находится с ним рядом. Представьте: амёбу поразил вирус. Вирус заражает клетку и создаёт огромную фабрику по копированию самого себя. Вирофаг, состоящий всего лишь из четырёх генов, начинает на этой фабрике паразитировать и снижает её эффективность. Вирофаг полезен для хозяина - без него вирус, скорее всего, убил бы амёбу.
Итак, пора подводить итоги и вынести вердикт природе вирусов. Живые они или нет? Мне кажется, скорее живые - я вообще за широкое трактование “жизни”. К тому же живое всё же интереснее изучать, чем неживое. Но многие биологи считают, что никакой пользы от точного определения жизни и разграничения живого от неживого для науки нет. Например, такой позиции придерживается нобелевский лауреат, цитогенетик Джек Шостак. Он пишет:
“В вопросах происхождения жизни важно понять, как произошёл переход от химии к биологии. Но я пока что не видел, чтобы чьи-то попытки определить, “что такое жизнь”, как-то помогли достичь этого понимания”.
Этой же позиции придерживается авторитетный биолог Евгений Кунин, один из самых цитируемых учёных в мире. Он говорит следующее:
“По-видимому, вопрос “живые вирусы или нет” по сути бессмысленный - потому что положительный или отрицательный ответ на этот вопрос будет зависеть от нашего определения жизни. А любое такое определение будет произвольным.
Хуже того, ни тот, ни другой ответ не ведут к какому-либо практическому продвижению науки. Вместе с тем, в среде биологов статус вирусов определяется вполне ясно: в парадигме самовоспроизводящихся систем - репликаторов”.
Идея рассматривать вирусы в контексте репликаторов и впрямь крайне удобна. Любые репликаторы, даже если они заражают и убивают клетки - часть биологического мира. Более того, паразиты - это его центральная часть! Так, ни одна реплицирующаяся система в истории не возникала без появления паразитов. При этом паразиты привели к эволюции сложных клеточных форм жизни - они создавали жизни сложности, к которым она адаптировалась и в итоге, простите за тавтологию, усложнялась. Именно вирусы постоянно подогревали “гонку вооружений” эволюции, ускоряли её. Постоянная конкуренция клетки и вируса, который её заражает - мощный двигатель биологической эволюции.
Именно это интересно и важно - а не то, объявят учёные вирусы живыми или нет. Ну а жизнь - это жизнь. Не мешайте ее изучать. Не нужно нам никакое определение.
Список литературы: https://docs.google.com/document/d/1Q8Sqny55tEHYLYC_TMAcLH0CrDYwrepicAoo4TKIiz0/edit