Но при всем этом разнообразии формы земной жизни имеют в своей основе очень схожие химические структуры и реакции, управляющие их функциями. Клеточные функции даже простейших созданий чрезвычайно сложны и включают в себя мно­жество химических реакций. Мы опишем только те особенности жизни, которые присущи всем ее формам, то есть основные призна­ки земной жизни. Единообразие этих особенностей указывает, что у них было общее происхождение — последний всеобщий предок всех форм жизни.

Основная единица жизни — клетка У нее могут быть разные формы, но в большинстве случаев она микроскопическая. Клетку можно рассматривать как мельчайшую фабрику, где посто­янно происходит множество сложнейших действий. Клетка окруже­на полупроницаемой мембраной с «воротами» и «насосами», через которые снаружи в нее поступают питательные вещества и прочие молекулы. Эта мембрана работает и в обратную сторону, выпуская наружу молекулы отходов.

Внутренности клетки заполнены водным раствором — цито­плазмой и множеством различных макромолекул (крупные моле­кулы, которые фактически заполняют все пространство). В простей­ших клетках объем, огороженный мембраной, представляет собой единую ячейку.

У более развитых видов клетка имеет отдельный координацион­ный центр — ядро. Те одноклеточные организмы, у которых нет ядра, называются прокариотами, а те, у которых есть ядро, — эукариотами. Прокариоты делятся на бактерии и археи. Археи (они часто про­цветают в экстремальных условиях, например при высокой темпера­туре) до 1970х годов не рассматривались отдельно от бактерий.

К эукариотам относятся многие одноклеточные животные и рас­тения, а также многоклеточные существа (как мы с вами), состоящие из систем клеток. Вместе эукариоты, бактерии и археи образуют три известных домена жизни.

У неодушевленных предметов нет этих способностей. Раньше считали, что неживой предмет может ожить, если получит «жизненную силу» — М5 шгае, а в момент смерти эта сила должна покидать его. Теория «витализма» была широко распространена несколько столетий. Потребовалось сделать множество открытий, прежде чем от нее отказались и стали рассматривать жизнь как осо­бый физикохимический процесс. Разносторонний естествоиспыта­тель Роберт Гук увидел в свой микроскоп клетки растений в 1665 году и впервые для их описания использовал слово «клетка». С того момента до начала полноценных исследова­ний клетки прошло много времени. Шотландский ботаник Роберт Броун (1773-1858) заметил в 1831 году темный объект внутри клет­ки. Это было ядро.

Микроскоп Роберта Гука; рисунок из его книги «Микрография». Он автор термина «клетка»

Отцами теории клетки считаются немцы Маттиас Шлейден (1804-1881) и Теодор Шванн (1810-1882). Шлейден изучал право и стал адвокатом. Позже он заинтересовался биологией и в 1838 году выдвинул идею, что рост и развитие живых существ обусловлены рождением клеток. Он предугадал, что клетки растут вокруг ядер. В том же году Шванн предположил, что растения и животные обла­дают одной и той же основной единицей — клеткой. Таким образом, он разрушил барьер между миром растений и миром животных. Бо­лее поздние исследования показали, что основными частями клетки являются цитоплазма (род жидкости), ядро и огромное количество маленьких органелл.

Немец Оскар Гертвиг в 1876 году описал процесс оплодотворе­ния как слияние сперматозоида с яйцеклеткой. В 1882 году (в этом десятилетии астрономы начали фотографировать туманности) Вальтер Флемминг продемонстрировал первые фотографии деле­ния клетки и ее ядра. После этого клетку стали считать «атомом» жизни — не только структурной, но и операционной единицей. Осо­бо выделенной оказалась роль ядра.

Эта способность к адаптации привела к разнообразию видов, к развитию новых качеств, таких как многоклеточность. Появление разнообразных стратегий выживания вы­звало возрастание сложности организмов и экосистем. Развитие ин­стинктов и способности к обучению позвоночных видов усилило их адаптивность и выживаемость в новых экологических нишах. Рост умственных способностей привел к появлению социального по­ведения, любознательности и коммуникации внутри видов и даже между разными видами.

В нашу эпоху высочайший уровень умственных способностей достигнут родом человеческим. Эти черты проявляются у людей в том, что они расселились по всем пригодным для обитания об­ластям Земли, которую они детально исследовали. Уже составлена перепись большинства других видов и заложены основы клеточной и молекулярной биологии. Этими исследованиями движет любо­знательность: мы хотим знать, что нас окружает и как это работа­ет. Другой движущей силой служит стремление использовать есте­ственные ресурсы, поэтому за последние несколько веков человече­ство заметно повлияло на биосферу Земли.

Мы многое узнали о мире и о жизни в том виде, в каком она сейчас существует. Но связь между жизнью и Вселенной все еще не ясна. В каких условиях и как зародилась жизнь? Возникновение жизни — это редкое событие или повсеместное? Имеют ли основные химические элементы живого вещества (С, Н, О, N. Р) врожденную способность к образованию сложных структур, ведущих к зарожде­нию жизни? Должна ли жизнь непременно быть «нашего типа» или она может оказаться совершенно другой? Если пригодные для жиз­ни места есть гделибо еще, то существуют ли там жизнь? Если вне­земная жизнь существует, то какая она? Насколько разнообразной и сложной может быть жизнь? Способны ли разные формы жизни общаться друг с другом?

До сих пор мы не обнаружили жизнь гделибо за пределом Зем­ли. Исходя из этого, можно предположить, что жизнь — не очень распространенное явление во Вселенной; но это может быть только отражением нашей неосведомленности, вызванной тем, что мы не способны заметить признаки жизни на больших расстояниях даже в пределах нашей Солнечной системы, и тем более — гделибо еще. С другой стороны, жизнь на Земле возникла довольно быстро, почти сразу же, как только условия для нее стали пригодными. Говорит ли это о том, что жизнь — рядовое явление во Вселенной? Но ведь мы даже не знаем, насколько особыми были начальные условия здесь, на Земле. Поэтому, даже если условия для поддержания жизни ши­роко распространены, мы не знаем, смогла ли зародиться в одном из этих мест жизнь. Найти ответы на эти вопросы должна новая междисциплинарная область науки — астробиология.

Структуру, а некоторые вообще превращаются в пыль. Второй закон термодинамики утверждает, что если физический процесс протекает без взаимодействия с внешним миром, то в та­кой замкнутой системе величина, называемая энтропией, всегда увеличивается. Это совсем не похоже на поведение полной энергии, которая в замкнутой системе сохраняется (согласно Первому закону термодинамики).

Энтропия характеризует уровень порядка: чем выше энтропия, тем больше беспорядка, хаоса. Можно также ска­зать, что энтропия в некоторой степени характеризует число отдельных единиц в системе: то, что вначале было одним целым, стремится к концу разделиться на части и достичь наиболее вероятного состояния. Кроме того, эта тенденция определяет направление стрелы времени в реальной жизни, тогда как в простой механике понятие о направлении време­ни не существует.

Для того чтобы рост энтропии, обычно рассма­тривают сосуд, заполненный газом. Предположим, что на­чальное состояние было совершенно невероятным: в какой-то момент времени все молекулы оказались на одной поло­вине сосуда, а вторая его половина была совершенно пустая. Очевидно, что после этого момента молекулы будет стре­миться заполнить сосуд целиком, распределившись в нем. Такая ситуация наиболее вероятна и соответ­ствует максимальной энтропии.

Заметим, что это естественное стремление к «хаосу» за­висит от предположения, что система (сосуд плюс газ) зам­кнутая. Нетрудно представить себе внешнее воздействие, способное перевести систему из ее «наиболее вероятного» состояния в явно «невероятное». Жизнь — это такое явле­ние, которое, на первый взгляд, нарушает закон возрас­тания энтропии. Но нужно помнить, что жизнь не может развиваться в изолированном сосуде, а целиком зависит от потока энергии из окружающей среды в живую систему и обратно. Если рассматривать биосферу и окружающую ее космическую среду (включая звезду, излучающую энергию)* то энтропия всей этой области, естественно, возрас­тает.

Порядка в своих структурах по сравнению с простой сово­купностью составляющих ее атомов. Иными словами, она уменьша­ет энтропию в своих системах. Может показаться, что жизнь нарушает второй закон термодинамики. Но это не так. Поря­док создается за счет энергии окружающей среды и контролирует­ся обширной внутренней информацией, содержащейся в сложных молекулярных структурах. Между живой системой и ее окружением нет равновесия.

Совершенно особое явление: поверхность одной из планет покрыта биосферой, то есть сложной сетью органических соединений, существующих в водной среде. Эти химические реак­ции в основном осуществляются за счет энергии, поступающей от звезды, и поддерживают все разнообразие живых существ — от одноклеточных микробов до крупных растений и животных. Они объединены в сложные экологические сообщества с многоступенча­той последовательностью преобразования энергии (пищевая цепь), которая эффективно переносит соединения углерода между окис­ленным и восстановленным состояниями. В частности, зеленые рас­тения и водоросли путем фотосинтеза, использующего солнечный свет, превращают окисленный углерод (СОа) в восстановленные соединения углерода (сахара), которые используются в том числе и другими организмами в качестве источника химической энергии. Фотосинтез связывает большое количество углерода в органические соединения (биомассу), а дыхание животных и гниение органиче­ских веществ возвращает С02 обратно в воздух. Эти реакции сильно повлияли на содержание двуокиси углерода в атмосфере и таким образом — на климат. В процессе фотосинтеза для восстановления используются протоны из молекул воды (Н20), при этом атмосфера планеты обеспечивается кислородом.