|
<<< Interlibrary |
Б.С. Доброборский, Е.Н.
Кадыскина
|
Исследование «Всеобщего закона биологии» Э. Бауэра и определение принципа устойчивого динамического неравновесия биологических систем |
||||
|
Одной из основных научных работ, посвященных проблемам общих законов жизнедеятельности живых систем является разработанная Э.Бауэром «Теоретическая биология» [ 1 ]. В этой работе Эрвин Бауэр впервые сформулировал «Всеобщий закон биологии»:
Там же Э. Бауэром был сформулирован «Принцип устойчивого неравновесия живых систем», изложенный в следующей редакции:
Здесь под ожидаемым равновесием понимается равновесие, которое должно наступить относительно окружающей среды в соответствии с законами термодинамики, то есть равновесие, к которому стремится неживая природа. 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, обеcпечивающих в живых системах это неравновесие. Целью настоящей работы является анализ и выявление сущности работы механизмов, определяющих состояние биологических систем; Как было указано выше, Э.Бауэром утверждается, что «живые системы непрерывно производят работу против ожидаемого равновесия» [1], то есть постоянно и в одном направлении. Проведенный анализ научных работ, включающий в себя анализ результатов многочисленных научных исследований и экспериментов различных авторов, а также собственные исследования [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 ], показали следующее. Действительно, в соответствии с принципами, установленными Э.Бауэром, живые системы непрерывно производят работу против ожидаемого равновесия. Однако эта работа количественно является лишь действующим значением работы живых систем. Фактически же в процессе жизнедеятельности живых систем и их элементов: клеток, органов и систем в целом происходят непрерывные колебательные процессы, представляющие собой последовательности циклов биохимических реакций на клеточном уровне и интегрального когерентного результата этих реакций на уровнях органов, систем и организма в целом. Ниже приводится анализ этих процессов на примерах клеток, систем (сердечно-сосудистая система) и живого организма в целом. - Клетка. Клетка является структурной и функциональной единицей любого живого организма. Роль клеток для живого организма состоит в том, что каждая клетка является микроносителем жизни, поскольку в ней заключена такая генетическая информация, которая достаточна для воспроизведения всего организма [ 2, 11 ]. Сущностью жизнедеятельности клетки является обмен веществ (метаболизм). На клеточном уровне сочетаются процессы передачи и переработки информации и превращения веществ и энергии. Поэтому элементарные явления на клеточном уровне создают энергетическую и вещественную основу жизни на других уровнях. Целью жизнедеятельности клетки является максимальное время ее существования. В связи с этим протекающие в ней процессы направлены на максимальную устойчивость ее существования как живого организма при различных воздействиях на нее параметров внешней среды. Клетке присущи все признаки живого организма: обмен
веществ и энергии, реагирование на внешнюю среду (саморегуляция), рост,
размножение, передача наследственных признаков, способность двигаться и др. Процесс жизнедеятельности клеток представляет собой непрерывные разнообразные периодические биохимические и биофизические процессы, связанные с расщеплением и синтезом различных веществ, например циклы связывания-расщепления аденозинтрифосфата (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, органелл и клеток в целом [2, 11 ]. Рассмотрим сущность этих реакций на примере АТФ [ 13]: При связывании АТФ электронная плотность на карбоксильных группах меняется таким образом, что у них повышается сродство к K+. K+ начинает аккумулироваться ионо-водо-белковыми комплексами клетки и в результате клетка в целом оказываеся способной накапливать этот катион. Сам белок при этом "распрямляется", больше его пептидных связей начинают взаимодействовать с водой, образуя вокруг белковой молекулы более обширный водный кокон. Соседние коконы сливаются в единую систему и, как следствие, содержание связанной воды в клетке резко возрастает. В такой структурированной водной среде могут оставаться только молекулы и ионы достаточно малых размеров, которые легко вписываются в "кристаллическую" решетку многослойной системы ориентированных молекул воды. Na+ в эту систему вписывается плохо из-за слишком большой гидратной оболочки и потому покидает сначала объем, занятый ионо-водо-белковым комплексом, а затем, по мере сливания комплексов, и клетку. Если АТФ
расщепляется, то события приобретают противоположную направленность: K+
и вода сбрасываются, значительная часть пептидных связей белка уходит от
контакта с водой, Na+ замещает K+ в центрах его
связывания. Такие циклы связывания-расщепления АТФ и соответствующие этому
изменения в структуре и свойствах ионо-водо-белкового комплекса (вместе с
вкладами других управляющих лигандов) лежат в основе функционирования
отдельных белков, белковых комплексов, клеточных структур (в том числе
мембран), органелл и клетки в целом. Управление этими циклами производится управляющими лигандами, которые обладают способностью изменять электронную плотность на различных функциональных группах белка. В упрощенном виде пример циклов связывания-расщепления АТФ может быть представлен в виде графика, изображенного на рис.1.
Рис.1. Типовой график синтеза-расщепления АТФ. U - количество АТФ в клетке; I – процесс синтеза; П – процесс расщепления. Как видно из рис.1, процессы синтеза и расщепления АТФ происходит по экспоненциальным законам [4, 5] и в совокупности имеют вид периодических колебаний относительно некоторого среднего значения. Аналогично происходят циклы и других биохимических реакций. Таким образом, жизнедеятельность клетки представляет собой непрерывный периодический колебательный процесс обмена веществ. - Сердечно-сосудистая система. Работа сердечно-сосудистой системы человека представляет собой периодическую последовательность сокращений и расслаблений элементов сердечной мышцы, что можно видеть из общего вида кардиограммы, представленной на рис.2.
Рис. 2. Общий вид электрокардиограммы 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.
- Организм Проведенные исследования различных функциональных сдвигов организма человека: температура тела, артериальное давление, реакции на свет и звук и др. имеют идентичный характер, общий вид которых соответстует графику изменений функциональных сдвигов организма человека, работающего 5 дней в неделю, представленному на рис.3 [ 5, 6, 7, 14 ].
Рис.3. Пример типовых колебаний функциональных сдвигов.
Как видно из рис.3, основные 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 активного состояния организма, а восстановление – процессу отдыха Недельные колебания функциональных сдвигов (кривая 2) в основном 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. Как видно из приведенных примеров, во всех органах и системах организма человека, начиная от клетки и заканчивая организмом целиком, для поддержания их жизнедеятельности происходят непрерывные периодические колебания. Рассматривая периодические колебания в клетках, органах и живых организмах в целом с точки зрения энергетики, можно отметить, что они содержат четыре фазовые последовательности: 1. Фаза удаления от среднего значения в направлении против ожидаемого равновесия; 2. Фаза приближения к среднему значению в направлении к ожидаемому равновесию; 3. Фаза удаления от среднего значения в направлении к ожидаемому равновесию; 4. Фаза приближения к среднему значению в направлении против ожидаемого равновесия. На рис. 4. в качестве примера представлен график фазовых последовательностей связывания-расщепления АТФ.
Рис.4. График фазовых последовательностей связывания-расщепления АТФ.
Как видно из рис.4, график циклических последователностей связывания- расщепления АТФ содержит 4 фазы. При фазе
1 происходит процесс связывания АТФ, направленный против ожидаемого равновесия.
При этом происходит процесс потребленеия энергии. При фазе 2 начинается процесс расщепления
АТФ, направленный в строну ожидаемого равновесия, сопровождаемый выделением
энергии, при котором количество АТФ достигает среднего значения. При фазе 3 продолжается процесс расщепления
АТФ с выделением энергии, направленный в сторону ожидаемого равновесия, при
котором концентрация АТФ достигает минимального значения. При фазе 4
начинается процесс связывания АТФ с потреблением энергии, направленный против
ожидаемого равновесия. Таким образом, в развитие определений, сформулированных Э.Бауэром, принцип существования всех биологических систем можно сформулировать в следующей редакции:
Этот процесс является принципом существования всех биологических систем как средство обеспечения их жизнедеятельности и развития, который можно охарактеризовать как «Принцип устойчивого динамического неравновесия биологических систем». Выводы 1. Проведенными исследованиями установлено, что «постоянная работа живых систем, направленная против термодинамического равновесия», о которой идет речь во «Всеобщем законе биологии», сформулированном Э.Бауэром, на самом деле имеет переменный периодический характер. 2. Процесс непрерывных периодических повторений циклов обмена веществ в живых системах относительно некоторого среднего их состояния является принципом устойчивого динамического неравновесия биологических систем. Заключение Установленный принцип устойчивого динамического неравновесия биологических систем объясняет природу и основные закономерности существования биологических систем. Литература
|
- уровень ожидаемого равновесия; 
- минимальный уровень АТФ;
- средний уровень АТФ;
- максимальный уровень АТФ;
|
<<<
Interlibrary |