Жизнь с точки зрения физики и химии

Биологическая форма  материи.

Сущность  жизни. Живая материя, как уже отмечалось, возникает в результате закономерного развития химической формы материи, когда последняя «выходит за свои собственные рамки» и становится «сам себя осуществляющим перманентным химическим процессом» (Энгельс). Гегель отмечал, что «если бы продукты химического процесса сами начинали действовать сызнова, то они были бы жизнью. В этом смысле жизнь есть увековеченный химический процесс». 
Используя разумные соображения Гегеля, Энгельс дал первое в науке определение жизни как способа существования белковых тел. «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». Определение Энгельса материи фиксирует субстратную и функциональную стороны живой материи. В соответствии с данными науки XIX в. субстратом жизни Энгельс считал белковые тела, включающие, наряду с белком как главным носителем жизни, жиры, углеводы и другие химические соединения. С функциональной стороны (способ существования живого субстрата) жизнь рассматривалась как процесс самосохранения живого посредством постоянного саморазрушения и обновления химических составных частей субстрата.

В середине XX в. определение  жизни, сохраняя основное материалистическое содержание - трактовку жизни как  способа существования высокоорганизованной материи, претерпело существенные изменения  в своей собственно биологической  части. Молекулярной генетикой была ракрыта огромная роль в явлениях жизни нуклеиновых кислот — ДНК и РНК, выступающих в качестве важнейшей химической основы наследственности. В связи с этими и рядом других открытий биологии жизнь необходимо определить как способ существования высокоорганизованного материального субстрата, основными химическими компонентами которого выступают белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры, некоторые минеральные соединения.

Сущностью жизни, или биологического способа существования, является тенденция  к самосохранению путем приспособления к среде (адаптации). Замечательная  особенность биологической формы  материи (БФМ) заключается в том, что если более простые материальные тела - физические и химические существуют в силу присущей им большей или  меньшей устойчивости, то у живой  материи самосохранение становится результатом активных процессов: на самосохранение направлена вся совокупность физических, химических и собственно биологических процессов живого организма. Это самосохранение возможно только благодаря активному приспособлению живых организмов к окружающей среде.

3. Жизнь с точки зрения Физики.

Современные представления об элементарных частицах.

Структура микромира.

Структурность и системность наряду с пространством, временем, движением являются неотъемлемыми свойствами материи. Современное миропонимание предполагает упорядоченность и организованность мира, а проблема самоорганизации бытия является одной из самых важных в науке и философии. Бытие представляет собой сложноорганизованную иерархию систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом, кажущаяся неоформленность изменений в каком-то одном отношении оказывается упорядоченностью в другом. Именно это обстоятельство выражается в понятии системности.

В понятии «система» существует несколько десятков определений, однако классическим признано определение, данное основоположником теории систем Л.Берталанфи: система - это комплекс взаимодействующих элементов. Ключевым понятием в этом определении является понятие «элемент». Под элементом понимается - неразложимый компонент системы при определенном, заданном способе ее рассмотрения.

Элементами  системы признаются только те предметы, явления или процессы, которые участвуют в формировании ее свойств. Комплекс элементов системы может складываться в подсистемы разного уровня, которые выполняют частные программы и представляют собой промежуточные звенья между элементами и системой.

По характеру  связей между элементами все системы  делятся на суммативные и целостные. В суммативных системах связь между элементами выражена слабо, они автономны по отношению друг к другу и системе в целом. Качество такого образования равно сумме качеств составляющих его элементов. У суммативных систем есть собственная программа существования, которая выражается в структурности.

В целостных системах четко выражена зависимость их возникновения и функционирования от составляющих элементов и наоборот. Каждый элемент такой системы в своем возникновении, развитии и функционировании зависит от всей целостности, и, в свою очередь, система зависит от каждого из своих элементов. Внутренние связи в целостностях стабильнее внешних, а качество системы не сводится к сумме составляющих ее элементов. Примером целостной системы является живой организм или общество. Под действием определенных факторов суммативные системы могут преобразовываться в целостные и наоборот.

Кроме типологии  систем в зависимости от характера  связи между элементами системы различают по типу их взаимодействия с окружающей средой. В этом случае выделяют открытые и закрытые (замкнутые) системы. В закрытых системах не происходит обмена энергией и веществом с внешним миром. Такие системы стремятся к равновесному состоянию, максимальная степень которого - неупорядоченность и хаос. Открытые системы, напротив, обмениваются энергией и веществом с внешним миром. В таких системах при определенных условиях из хаоса могут самопроизвольно возникать новые упорядоченные структуры, а система в целом повышает уровень своей структурной организации.

Структурность выражается в упорядоченности существования материи и ее конкретных форм и предполагает внутреннюю расчлененность материи. Структура определяется как совокупность устойчивых, закономерных связей и отношений между элементами системы, обеспечивающих сохранение ее основных свойств. Современные представления о структурированности Вселенной касаются мега-, макро- и микромира и метагалактика, и известный нам макромир, и микрочастица структурированы. Единство упорядоченности - системности, и внутренней расчлененности - структурности, определяет существование мира как системы систем: систем объектов, систем свойств или отношений и т.п.

Элементами структуры  микромира выступают микрочастицы. На данный момент известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик. Время жизни элементарной частицы определяет ее стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно. Нестабильные частицы живут несколько микросекунд, стабильные не распадаются длительное время. Нестабильные частицы распадаются в результате сильного и слабого взаимодействия. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. При этом нейтрон стабилен только в ядре.

Все многообразие элементарных частиц можно разделить  на три группы: частицы, участвующие в сильном взаимодействии - адроны, частицы, не участвующие в сильном взаимодействии - пептоны, и частицы - переносчики взаимодействий.

Все перечисленные  частицы различаются по заряду, массе, спину, времени жизни и другим физическим характеристикам. Однако внутри одного типа элементарные частицы совершенно идентичны, лишены индивидуальности: все электроны тождественны друг другу, все фотоны тождественны друг другу и т.п.

В 1936г. П.Дирак  предположил, что каждой частице  соответствует античастица, отличающаяся от нее только знаком заряда. В 1936г. был открыт позитрон - античастица электрона, в 1955г. - антипротон, в 1956г. - антинейтрон. В 70-80-е гг. XX века в физике появилось множество теорий антивещества и антиматерии. В 1998г. получены первые атомы антиводорода.

К середине 60-х  гг. XX в. число известных адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень материи. В 1964г. была создана теория строения адронов, или теория кварков. Ее авторы - физики М.Гелл-Манн и Д.Цвейг. герою которого слышались слова о трех кварках. Слово «кварк» не имеет прямого смыслового значения, оно позаимствовано из романа Дж.Джойса «Поминки по Финнегану». Кварки - это гипотетические материальные объекты, их экспериментальное наблюдение пока невозможно, однако теоретические положения кварковой гипотезы оказались плодотворными, а теория в целом эвристичной.

Основные  положения теории кварков заключаются  в следующем : Адроны состоят из более мелких частиц - кварков. Кварки представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков - дробный заряд. Кварки различаются спином, ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (аромат цветов, духов и т.п.), это его особая физическая характеристика. Для того чтобы учесть все известные адроны, необходимо было предположить существование шести видов кварков, различающихся ароматом: U (Up - верхний), D (Down - нижний), S (Strange - странный), C (Charm - очарование), B (Beauty - прелесть) и T (Tор - верхний). Существует устойчивое мнение, что кварков не должно быть больше.

Считается, что  каждый кварк имеет один из трех возможных цветов, которые выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире, цвет кварка, как и аромат, - условное название для определенной физической характеристики. Гипотеза о существовании цвета у кварков впервые была высказана в 1965г. независимо Н.Боголюбовым, Б.Струминским, А.Тавхелидзе, М.Ханом И И.Намбу. Впоследствии она получила значительное число экспериментальных подтверждений.

Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным  цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Кварки соединяются тройками, образуя барионы (нейтрон, протон), или парами, образуя мезоны. Антикварки, соединяясь тройками, соответственно, образуют антибарионы. Мезон состоит из кварка и антикварка. Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы) или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым или бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного - антикрасного, синего - антисинего и т.п.

Таким образом, можно  говорить о цветовой симметрии в микромире. Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Глюоны также имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например красный— антисиний и т.п., т.е. глюон. состоит из цвета и антицвета. Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат.

Известно восемь типов глюонов. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют свой цвет и аромат. В слабых взаимодействиях - меняют аромат, но сохраняют цвет. Теория кварков позволяет предложить стройную и гармоничную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из тяжелого ядра (протоны и нейтроны, связанные глюонными полями) и электронной оболочки. Сейчас теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.

Физическая интерпретация  биологических законов.

Что может еще привнести  физика возникающего в современные  представления о живом, на основе каких физических моделей можно  объяснить те или иные особенности  живых организмов? Рассмотрим сначала  это в макроскопическом представлении. Прежде всего отметим, что мир  живого необходимо рассматривать как  целостную систему, мир растений и животных един, и поэтому должны существовать общие законы развития живой природы. В то же время  живая природа является неоднородной целостной системой, которой свойственна иерархическая организация.

Эту реальную иерархию живой  природы классифицировал еще Линней и развил затем Дарвин. Причем само возникновение иерархии, завершившееся в живой природе видообразованием, определяется естественным отбором и наследственностью. Несмотря на статистический характер взаимодействия биологических объектов, в живой природе системы формируются не случайно, а в определенном порядке, который может быть описан с помощью системного анализа иерархии сложных систем. В этом смысле возникновение жизни - системный процесс. А обмен веществом, энергией и информацией и является тем основным интегрирующим фактором, создающим и поддерживающим органическую целостность жизни. Один из главных признаков живого состоит в приспособлении (адаптации) организмов к внешней среде при взаимодействии с ней. Специфичными формами адаптации можно считать организацию жизни и ее эволюцию.

Организация живого организма  представляет собой упорядоченную  связь его элементов, частей, функции  которой направлены на достижение определенного  полезного результата и сохранение системы. В этом и есть смысл целеполагания  самоорганизующихся систем и живых  организмов. Сама самоорганизация реализуется через адаптацию, и, следовательно, приспособляемость является причиной изменения живого. Для существования и развития жизни необходимо целесообразное, т.е. способствующее сохранению системы, реагирование на воздействие внешней среды, и адаптация здесь выступает в качестве основного системообразующего фактора живых систем. Можно считать, что саму жизнедеятельность любого организма можно рассматривать как приспособляемость в условиях эволюции. И в этом смысле адаптация - общебиологический принцип.

Имеются физические модели, рассматривающие живой организм как целостную макроскопическую квантовую систему. Тогда многообразная дифференциальная устойчивость живого может быть объяснена на основе имеющихся принципов квантовой механики, в том числе тождественности и дискретности. На основе этих принципов можно построить физическое объяснение многообразной дифференциальной устойчивости на других уровнях квантовой организации природы - атомном, молекулярном и ядерном. Условием применимости квантово-механического подхода к макроскопической системе как целому является наличие в ней нелокального самосогласованного потенциала.