Б.С. Доброборский

Академик МАНЭБ, кандидат технических наук

 

От «Принципа устойчивого неравновесия биологических систем» Э. Бауэра

к «Принципу устойчивого  динамического неравновесия биологических систем»

 

           В своем известном труде «Теоретическая биология» [1] Эрвин Бауэр впервые сформулировал «Всеобщий закон биологии»:

 

 

           Там же Э. Бауэром был сформулирован  «Принцип устойчивого неравновесия живых систем», изложенный  в следующей редакции:

 

 

          Этот принцип в качестве главной идеи был положен Эрвином Бауэром в основу разработанной им теории биологии.

          Как следует из этого труда,  по мнению Э.Бауэра  живыми системами совершается непрерывная работа, направленная  против равновесия [1, стр.135], причем они совершают эту работу за счет своей свободной энергии [1, стр.139]. Именно поэтому для обеспечения жизнеспособности живых систем «…исключается возможность не только устойчивого, но и неустойчивого равновесия. Если бы мы приняли существование неустойчивого равновесия, то это противоречило бы … самим фактическим данным , из которых был выведен этот принцип (принцип устойчивого неравновесия). …неустойчивое равновесие означало бы, что изменения  в   системе могут вызываться лишь при помощи легких нарушений, т.е. изменений в окружающей среде, далее, что каждое такое незначительное изменение в окружающей среде вызывает изменение в в состоянии структуры системы и наконец-то любое малейшее изменение внешней среды ведет к состоянию устойчивого равновесия, т.е.,  что система теряет свою работоспособность [1, стр.185].         

          Однако Э. Бауэр в этой  работе  лишь  теоретически предполагает наличии структур, обеспечивающих указанное неравновесие,  не раскрывая сущности функционирования механизмов, обеcпечивающие в  живых системах  это неравновесие.

          Целью настоящей работы является анализ и определение сущности работы механизмов, определяющих состояние биологических систем, а также  определение основных законов их функционирования.

          Для достижения указанной цели нами был проведен анализ  результатов многочисленных научных исследований  и экспериментов различных авторов, в том числе и собственных, посвященных изучению   механизмов поддержания живых систем в состояния устойчивого неравновесия [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 ].

          В результате проведенных работ удалось установить, что, в отличие от представлений Э.Бауэра,  заключающихся в том, что живые системы непрерывно производят работу против ожидаемого равновесия,  то есть  постоянно и в одном направлении, фактически все живые системы и их элементы, от клеток до органов, систем органов и организмов в целом непрерывно производят переменную работу в виде периодических колебаний как против ожидаемого равновесия, так и в сторону ожидаемого равновесия относительно некоторых соответствующих  постоянных значений физических или химических факторов, характеризующих исследуемую систему.        

           Проиллюстрируем сделанные выводы на примерах клетки, сердечно-сосудистой системы человека и организма человека в целом.

           Анализ научной литературы, посвященной физиологии, биофизике  и биохимии клеток [2, 3, 8, 11, 13, 15, 16] показывает, что научные знания процессов, происходящих  в клетках, к настоящему времени носят  отрывочный и приблизительный характер, раскрывающие лишь некоторые узкие вопросы.

          Однако несомненным является тот факт, что жизнедеятельность клеток представляет собой непрерывные периодические процессы, в частности циклы связывания-расщепления АТФ и соответствующие им изменения в структуре и свойствах ионо-водо-белкового комплекса.    Эти процессы лежат в основе функционирования отдельных белков, белковых комплексов, клеточных структур (в том числе мембран), органелл и клеток в целом [13].

         Работа сердечно-сосудистой системы человека также имеет периодический характер, что можно видеть из общего вида кардиограммы, представленной на рис.1.

 

Рис. 1. Общий вид электрокардиограммы

 

        Как видно из рис.1, график работы сердечной мышцы представляет собой периодический процесс последовательного чередования  сокращений и расслаблений ее элементов, отражающихся на графике в виде соответствующей последовательности зубцов. В результате  работы сердечной мышцы в комплексе со всей сердечно-сосудистой системой обеспечивается необходимое снабжение кровью  всего организма путем создания необходимого периодического импульсного перепада давления  в  кровеносных сосудах.

          Проведенные исследования различных функциональных сдвигов организма человека:  температура тела, артериальное давление, реакции на свет и звук и др. имеют идентичный характер, соответствующий недельному графику изменений функциональных сдвигов организма человека, представленному на рис.2 [ 5, 6, 7, 14 ].

 

Рис.2.  Пример типовых колебаний функциональных сдвигов.

 

          Как видно из рис.2, изменения функциональных сдвигов организма человека имеют периодический характер с периодом одни сутки и одна неделя.

         Суточные колебания функциональных сдвигов (кривая 1) определяются жизненными функциями человека: рост значений функционального сдвига соответствует процессу труда, а восстановление – процессу отдыха  Недельные колебания функциональных сдвигов (кривая 2) определяются графиком трудовой деятельности человека.  Как видно из этого графика, при отдыхе в течении суток функциональные сдвиги, вызванные трудовой деятельностью человека, полностью не восстанавливаются и наблюдается их накопление, которое восстанавливается только за выходные дни .  Среднедействующее  значение функциональных сдвигов соответствует прямой 3. 

           Из проведенных исследований можно сделать вывод, что основой всех  колебаний – в клетке, органах и организме в целом, являются антагонистические циклические последовательности биохимических реакций в клетках, действующие поочередно с той или иной периодичностью под действием обратных связей. При этом в одной фазе биохимические реакции направлены против ожидаемого равновесия, например при связывании АТФ и вызванных этим другими соответствующими реакциями в клетке,  а в другой фазе – в сторону ожидаемого равновесия,  например при расщеплении АТФ и вызванных  этим другими соответствующими реакциями в клетке. При этом переключение с одной фазы на другую происходит при достижении происходящими в клетке реакциями соответствующих  максимальных и минимальных значений физических  и химических параметров, определяющих эти значения.

          В свою очередь периодические процессы во всех органах и системах, а также в живых организмах в целом являются следствием интегральных когерентных биохимических реакций- периодических и квазипериодических повторений  циклов обмена веществ, происходящих  в клетках.

           В принципе эти процессы аналогичны процессам пищеварения в организме людей, когда они испытывают чувство насыщения при приеме пищи с одной стороны и чувство голода при длительном перерыве после приема пищи с другой стороны. 

          Таким образом,  все живые организмы, их органы и системы, вплоть до клеток никогда не бывают в равновесии, то есть всегда находятся в некотором  состоянии  устойчивого динамического неравновесия, представляющего собой процесс периодических  повторений  циклов обмена веществ относительно некоторого среднего значения их состояния.

           Этот процесс является принципом существования всех биологических систем как средство обеспечения  жизнедеятельности и развития.

           Исходя из этого принципа можно утверждать, что процессы жизнедеятельности  живых организмов могут быть описаны математически с помощью систем рядов Фурье. 

          Такой принцип существования биологических систем   можно охарактеризовать как «Принцип устойчивого  динамического неравновесия биологических систем».

 

 

Литература

1. Бауэр Э. Теоретическая биология. С-Пб. 2002.
2. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. В 2 ч.: Учебное пособие. М.: Издательство МГУП, 2000.  274 с.  
3. Грохлина Т.И., Полтева Н.А., Гонзалез Э., Дерябина А.С., Полтев В.И. (2003). Исследование взаимодействия кофеина с основаниями нуклеиновых кислот методом молекулярной механики.  Биофизика, 48(5): 814-820.
4. Доброборский Б.С., Кадыскина Е.Н. К вопросу измерения биологических затрат человека  при эргономической  оценке промышленного оборудования и промышленных товаров народного потребления. Тезисы докладов научной конференции <Проблемы санитарно-эпидемиологического благополучия населения Северо-Западного и других регионов  Российской федерации. С-Пб.,  1997. Стр. 53-54.
5. Доброборский Б.С., Кадыскина Е.Н. Эргономическая оценка транспортных средств по показателю эргоемкость. Материалы третьей  международной конференции <Организация и безопасность движения в крупных городах>. С-Пб, 1998. Стр. 61-63.
6. Доброборский Б.С., Кадыскина Е.Н. Способ количественной оценки воздействия на организм человека различных нагрузок. Патент Ru № 2159576. Бюллетень Открытия, изобретения, промышленные образцы, торговые марки.27.11.2000. №33, Стр. 127.
7. Доброборский Б.С., Кадыскина Е.Н., Нехорошев А.С. Структурный анализ эргоемкости системы «Человек-машина». www.interlibrary.narod.ru. Раздел «Ergonomic».
8. Лахно В.Д., Султанов В.Б. (2003). Прыжковый и суперобменный механизмы переноса заряда в ДНК. Биофизика, 48(5): 797-801.
9. Лолаев Т.П. Время как функция биологической системы. Философские исследования, № 3, 2000.
10. Маймулов В.Г., Доброборский Б.С., Кадыскина Е.Н. О биологическом смысле рядов Фурье при спектральном анализе периодических колебательных процессов функциональных сдвигов организма человека. www.interlibrary.narod.ru. Dep. Ergonomic.
11. Ерофеева Г.В. Курс концепции современного естествознания. Ч.1. Томск, 1999.
12. Мартынов А.С. Артюхов В.В. Виноградов В.Г. Устойчивость природной среды (экосистем) в России. 1998 (C).
13. Матвеев В.В. Революция в физиологии клетки? «Химия и жизнь» №8, 1994, с.42-47.
14. Гигиена труда  водителей городского общественного транспорта. Под редакцией проф. В.Ретнева. Л. 1984. 132с.
15. Шишкин О.В., Суханов О.С., Горб Л., Лещинский Е.  Молекулярная структура и конформационная динамика оснований нуклеиновых кислот.  Научно-исследовательское отделение  щелочногалоидных кристаллов НТК “Институт монокристаллов” НАН Украины
16. Dercole F., Gragnani A., Kuznetsov Yu.A., Rinaldi S. (2003) Numerical sliding bifurcation analysis: An application to a relay control system.
    IEEE Trans. Circuit Systems - I: Fund. Theory Appl., 50: 1058-1063.