Б.С. Доброборский

академик МАНЭБ, к. т. н.

 

 

Конец легенды о биоритмах

 

 

Прочтя название статьи, может сложиться впечатление о том, что наконец-то доказано, что биоритмов не существует, и все, что о  них написано – занимательные сказки.

Однако в  данном случае все наоборот. Конец легенды означает, что биоритмы – не выдумка, а объективная реальность. Просто случай с биоритмами в биологии оказался не очень простым, и понадобилось немало времени и усилий, чтобы убедиться в их объективной реальности. Хотя этот  случай и не единичный.

Такова судьба биологии. Ее познавание уже в течение тысяч лет идет мелкими шажками, по крупицам вырывая  у природы тайну жизни. И хотя успехи биологии огромны, особенно в последние десятилетия, свет в конце туннеля пока не виден.

Итак, в чем же сущность биоритмов и какую роль они играют в нашей жизни?

Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, вспомним, что все живое состоит из клеток. Причем, несмотря на то, что живых организмов на Земле огромное количество: и инфузории, и растения, и млекопитающие, у всех клетки устроены по одному и тому же принципу  и по своей структуре очень близки.

Клетки представляют собой сложный полноценный живой организм. Они рождаются, развиваются, размножаются, двигаются, умирают.

Клетки одноклеточных живых организмов являются универсальными и выполняют все функции живого организма.

Клетки многоклеточных живых организмов являются специализированными и выполняют ту роль в составе организма, для которой они предназначены в составе того или иного органа.

По представлениям современной биологии основой жизнедеятельности клеток являются различные биохимические реакции метаболизма (циклы синтеза и расщепления), происходящие с веществами, поступающими в клетку из внешней среды, а также с веществами, уже имеющимися в клетке.

В результате этих реакций наряду с различными превращениями веществ выделяется энергия, обеспечивающая все разнообразие процессов жизнедеятельности в клетках.

Здесь необходимо обратить внимание на то, что в живой природе всеми клетками в качестве энергоносителя используется нуклеотидный кофермент аденозинтрифосфат (АТФ).

Поэтому при поступлении продуктов питания в клетку ее основной задачей является именно синтез АТФ.

Синтез АТФ происходит путем различных сложных последовательностей биохимических реакций, в которых используется потенциальная химическая энергия, заключенная в молекулах углеводов и жиров.

Расщепление АТФ может происходить в несколько стадий путем гидролиза: сначала расщепляется собственно АТФ, который преобразуется в АДФ (аденозиндифосфат) с выделением свободной энергии, затем расщепляется АДФ, который преобразуется в АМФ (аденозинмонофосфат), опять с выделением свободной энергии, а затем расщепляется и АМФ, который преобразуется в аденозин, также с выделением свободной энергии.

Ниже представлены формулы указанных реакций:

 

АТФ + H2O → АДФ + Фн+ H+ +  ∆G = -30 кДж/моль

АДФ + H2O → АМФ + Фн+ H+ + ∆G = -30 кДж/моль

АМФ + H2O → аденозин + Фн + H + ∆G = -13 кДж/моль

 

    Здесь:

 

АТФ

АДФ

АМФ

H+     

Фн     

 ∆G     

- аденозинтрифосфат

- аденозиндифосфат

- аденозинмонофосфат

- положительный ион водорода,

- неорганический фосфат

- изменение свободной энергии

 

Кроме собственно процесса обмена веществ как такового, очень важно понять, каким именно образом происходит этот процесс не с точки зрения биологии или биохимии, так как химические  формулы синтеза и расщепления АТФ достаточно хорошо известны, а с точки зрения физики, а если точнее, то с точки зрения термодинамики.

Впервые роль термодинамики в процессах жизнедеятельности определил в начале 20-го века известный биолог Эрвин Бауэр. 

Им был сформулирован «Всеобщий закон биологии»:

 

«Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях».

 

В этой формулировке под «ожидаемым равновесием» Э.Бауэром понималось равновесие, к которому стремится неживая природа в условиях замкнутых систем в соответствии с известными в то время законами равновесной термодинамики (а именно со вторым началом термодинамики). Позже, в 70-х годах 20-го века, идея Бауэра была подтверждена лауреатом Нобелевской премии Ильей Пригожиным в фундаментальных работах по неравновесной термодинамике. Пригожиным было установлено, что в природе не существует замкнутых систем, а вся материя, в том числе и живые организмы, представляет собой открытые системы, которые обмениваются материей и энергией с другими системами и поэтому эти системы всегда находятся в неравновесном состоянии.

Однако Э.Бауэр не смог определить, с помощью какого механизма обеспечивается неравновесное состояние живых организмов, а лишь только предположил, что такой механизм есть.

Попробуем разобраться, что  это за механизм, и каков его принцип работы.

Известно, что в  процессах синтеза и расщепления веществ в живых организмах, происходящих непрерывными циклами, в такт с этими циклами происходит периодическое изменение концентрации тех или иных веществ, в том числе и АТФ. 

В качестве примера на рис. 1  приведен график колебаний концентрации кальция в клетках..

 

 

Рис.1.

График периодических колебаний концентрации кальция (Ca)

 

А поскольку процессы синтеза и расщепления АТФ напрямую связаны с энергетическими процессами в клетках,  то и энергетические процессы в клетках тоже происходят в виде непрерывных циклов, состоящих из фаз потребления энергии при процессах синтеза АТФ и фаз выделения энергии при процессах расщепления АТФ.

Следует отметить, что в результате этих процессов количество выделяемой энергии всегда больше потребляемой.

На рис.2. показаны графики этих процессов.

 

Рис.2.

а) График чередования фаз синтеза и расщепления веществ;

б) График чередования фаз потребления и выделения энергии;

Wп – среднедействующее значение потребляемой энергии при  синтезе АТФ;

Wв – среднедействующее значение выделяемой энергии при расщеплении АТФ;

Wср – среднедействующее результирующее значение выделяемой энергии;

I – фаза потребления энергии;

II -  фаза выделения энергии.

 

Как видно из рис.2., в процессе жизнедеятельности клеток у них происходят непрерывные энергетические циклы фаз потребления и выделения энергии, внешне проявляющиеся как энергетические колебания.

Таким образом, в клетках происходит два вида периодических колебаний: колебаний концентрации веществ и энергетических колебаний.

У многоклеточных организмов, включая человека, колебания концентраций веществ и энергетические колебания выражаются в виде когерентных колебаний большого количества клеток соответствующих органов, систем и организмов в целом.

Это находит свое выражение в соответствующих функциональных сдвигах: периодически производится вдох  и выдох, периодически работает сердце, чередуется сон и бодрствование, труд и отдых  и т.д.  

Ни один процесс в живых организмах не происходит постоянно.

Параметры этих процессов для каждого организма свои, так как каждый организм по-своему уникален. При этом они в значительной степени зависят от окружающей среды: питания, погоды, экологической обстановки, социальных условий и множества других факторов.

На рис.3. представлен график типовых периодических колебаний функциональных сдигов водителей общественного транспорта.

 

Рис.3.  Пример типовых колебаний функциональных сдвигов организма

водителей общественного транспорта.

   1 – суточные колебания функционального сдвига;

   2 – недельное  среднедействующее   колебание  функционального сдвига;

   3 – среднедействующее  значение функционального сдвига.

 

   Как видно из рис.3.,  представленные на нем колебания функциональных сдвигов водителей общественного транспорта имеют периоды, равные  одним суткам и одной неделе.

Здесь налицо явное противоречие: выше было указано, что периодичность функциональных сдвигов у каждого организма своя, а тут мы наблюдаем жесткую периодичность в одни сутки и одну неделю.

Все дело в том, что подавляющее большинство живых организмов, включая человека,  подвергаются принудительному ритму, связанному с периодом чередования дня и ночи, времен года, графику трудового процесса и др. Поэтому они вынуждены жестоко следовать этому графику, а для обеспечения своей жизнедеятельности в соответствии с собственными потребностями организма компенсировать это условие природы различными способами: разной продолжительностью сна, временем сна, графиком трудовой деятельности и другими путями. Отсюда, в частности, и берутся «жаворонки» и  «совы».

Кроме того, как видно из рис.3, труд водителей общественного транспорта, являясь достаточно тяжелым, вызывает большие функциональные сдвиги, которые не успевают полностью восстановиться за время отдыха в течение суток, и в течение рабочей недели наблюдается их накопление. Полное же  восстановление функциональных сдвигов происходит за время отдыха в выходные дни. Аналогичные колебания функциональных сдвигов можно наблюдать и за другие периоды времени: при вахтовом графике работы, при отдыхе во время отпуска и т.д.

Таким образом, в результате непрерывных энергетических колебаний у живых организмов происходит выделение энергии, обеспечивающей им устойчивое термодинамическое неравновесие.

Исходя из этого, можно считать установленным следующий закон жизнедеятельности живых организмов:

 

Устойчивое термодинамическое неравновесие в живых организмах обеспечивается непрерывными чередующимися фазами выделения и потребления энергии, причем количество выделяемой энергии всегда больше потребляемой.

 

На основании приведенных рассуждений можно сформулировать следующие выводы:

Принципом существования всех живых организмов является выделение свободной энергии путем непрерывно чередующихся фаз ее выделения и потребления, при которых величина  выделяемой энергии всегда больше потребляемой. Именно этим путем обеспечивается их неравновесное термодинамическое состояние.

Ни один процесс в живых организмах не может протекать постоянно, а должен непрерывно чередоваться с обратными: труд с отдыхом, вдох с выдохом,  мышечные сокращения с расслаблениями,  бодрствование со сном и т.д.

Состояние любого живого организма никогда не бывает статическим, а все его биологические параметры: концентрация веществ в клетках, различные биохимические реакции, пульс, артериальное давление, температура, состав крови, физиологические реакции, функции нервной деятельности и др. всегда находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно некоторых средних значений.    

Эти физиологические колебания и являются биоритмами!
Сайт управляется системой uCoz