©
Доброборский Б.С.
ТЕРМОДИНАМИКА
БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Глава 2
Биологические ритмы
как способ существования
живой материи
2.1. Историческая справка
О существовании биологических ритмов людям известно с древних времен. Уже в «Ветхом Завете» даны точные указания о правильном образе жизни, питании, чередовании фаз активности и отдыха. Об этом писали многие выдающиеся ученые древности: Гиппократ, Авиценна и другие. Основателем хронобиологии – науки о биоритмах,
принято считать немецкого врача Христофора
Вильяма Гуфелянда, который в 1797 году внимание коллег на
универсальность ритмических процессов в биологии: каждый день жизнь
повторяется в определенных ритмах, а суточный цикл, связанный с
вращением Земли вокруг своей оси регулирует жизнедеятельность всего живого,
включая организм человека. Первые серьезные научные исследования в этой области начали проводиться в начале 20-го века, в том числе российскими учеными И.П. Павловым, В.В. Вернадским, А.Л. Чижевским и другими. К концу 20-го века факт ритмичности биологических процессов живых организмов стал считаться одним из фундаментальных свойств живой материи и сущностью организации жизни. Однако природа биоритмов до последнего времени была неясна. Как бывает в таких случаях, исследования биоритмов представляли собой процесс накопления информации, выявления свойств и закономерностей методами статистики, рассматривались вопросы практического использования. В результате в науке о биоритмах возникло два научных направления: хронобиология и хрономедицина. Одной из основных работ в этой области можно считать разработанную Ф. Хальбергом в 1964 году классификацию биологических ритмов. В соответствии с этой классификацией все биоритмы подразделяются следующим образом: - ультрадианные ритмы с периодом меньше 20 часов; - циркадианные - с периодом 24±4 часов; - инфрадианные - с периодом больше 28 часов. Среди последних следует выделять: - циркасемисептанные ритмы с периодом примерно 3±0,5 сут; - циркасептанные ритмы с периодом 7±3 сут.; - циркадисептанные - с периодом 14±3 сут.; - циркавигинтанные - с периодом 21±3 сут.; - циркатригинтанные - с периодом 30±5 сут.; - цирканнуальные - с периодом 1 год ± 2 месяца По поводу природы биоритмов был высказан целый ряд гипотез, производились многочисленные попытки определить их новые закономерности. Вот некоторые из них. В 1959 году Юрген
Ашофф, директор Института физиологии
поведения имени Макса Планка в Андексе (Германия) обнаружил закономерность,
которая была названа "Правилом Ашоффа" (Под этим названием оно
вошло в хронобиологию и историю науки). Правило гласит: "У ночных животных активный период (бодрствование) более продолжителен при постоянном освещении, в то время как у дневных животных бодрствование более продолжительно при постоянной темноте". И действительно, как впоследствии установил Ю. Ашофф, при длительной изоляции человека или животных в темноте цикл "бодрствование - сон" удлиняется за счет увеличения продолжительности фазы бодрствования. Из правила Ашоффа предполагается следствие, что именно свет определяет циркадные колебания организма. Шведский
исследователь Фольсгрен в опытах на кроликах обнаружил суточный ритм
гликогена и желчеобразования. Советские ученые Е.Е. Введенский, А.И. Ухтомский, И.П. Павлов и В.В. Парина осуществили попытку теоретически обосновать механизмы возникновения ритмических процессов в нервной системе и показали, что ее (т.е. нервной системы) ритм определяет прежде всего ритм возбуждения и торможения. Известные российские ученые Ф.И. Комаров и С.И. Рапопорт в своей книге «Хронобиология и хрономедицина» дают следующее определение биоритмов: «Ритм представляет собой характеристику периодической временной структуры. Ритмичность характеризует как определенный порядок временной последовательности, так и длительность отрезков времени, поскольку содержит чередование фаз различной продолжительности». Таким образом, до последнего времени природа и основные физиологические свойства биологических ритмов были не выяснены, хотя понятно, что они имеют в процессах жизнедеятельности живых организмов очень большое значение. Природу биоритмов и их основные свойства удалось установить только в результате термодинамического анализа процессов, происходящих в биологических системах. 2.2.
Природа биоритмов. Анализ термодинамических свойств биологических систем
Возвращаясь к работам Э. Бауэра, рассмотренным в главе 1, отметим,
что, теоретически предположив наличие структур, обеспечивающих
термодинамическое неравновесие, Э. Бауэр не установил, каким образом живые организмы постоянно поддерживают это
неравновесное термодинамическое состояние. Неравновесие означает, утверждает
Э.Бауэр, что все структуры живых клеток на молекулярном уровне заранее
заряжены "лишней", избыточной по сравнению с такой же неживой
молекулой энергией, что выражается в неравенстве потенциалов, в созданном
химическом или электрическом градиенте, тогда как в неживой замкнутой системе
любые градиенты распределяются в соответствие с правилом энтропии равномерно.
Эту "лишнюю" энергию, существующую в живых клетках на любом уровне,
Бауэр называет «структурной энергией» и понимает как деформацию, неравновесие
в строении живой молекулы. Для определения того, каким образом живыми системами обеспечивается состояние устойчивого неравновесия, проведем анализ термодинамических процессов, происходящих в живых организмах. Как известно из биологии, получение свободной энергии из продуктов
питания и ее потребление для обеспечения своей жизнедеятельности живые
организмы осуществляют с помощью биохимических реакций метаболизма,
представляющих собой циклы обмена веществ. Реакции
метаболизма, непрерывно происходящие в клетках, представляют собой комплексы разнообразных биохимических реакций расщепления и синтеза веществ различными метаболическими
путями. Поскольку обмен
веществ происходит циклами, то в клетках в соответствии с этими циклами
происходят непрерывные периодические изменения концентраций веществ,
участвующих в многочисленных биохимических реакциях. На рис. 2.1 в качестве
примера представлен график внутриклеточных колебаний концентрации кальция.
Рис. 2.1. График
внутриклеточных колебаний кальция. Как видно
из рис. 2.1, внутриклеточные колебания кальция представляют собой непрерывный
периодический процесс. Среди
всех биохимических реакций особую роль играют реакции синтеза из молекул углеводов и жиров, содержащихся в питательных
веществах, аденозинтрифосфата (АТФ), сопровождающихся потреблением
энергии, и
реакции его последующего расщепления, сопровождающиеся выделением энергии. Структура
АТФ показана на рис. 2.2.
Рис. 2.2.
Структура АТФ Как видно из рис. 2.2, АТФ состоит из трех фосфатных групп (α, β и γ), остатков азотистого основания (аденина) и остатка сахара (рибозы). При разрыве фосфоангидридных и фосфоэфирной связей выделяется энергия. Фосфатные группы могут быть постадийно отщеплены путем растворения в воде (гидролиза) и образования ортофосфата или неорганического фосфата и аденозиндифосфата АДФ, а затем, после расщепления АДФ, и аденозинмонофосфата с выделением энергии на каждой стадии:
Здесь: Фн - неорганический фосфат; H+ - положительный ион водорода; ΔG - изменение свободной энергии, выделяемой при отрыве концевой фосфатной группы. Обычно клетки извлекают энергию из АТФ во время клеточного дыхания, отщепляя от его молекулы только одну фосфатную группу. На рис. 2.3 приведен пример упрощенного графика циклов синтеза-расщепления АТФ.
Рис. 2.3. Упрощенный график синтеза-расщепления АТФ. U - количество АТФ в клетке; I – процесс синтеза; П – процесс расщепления. Как видно из графика на рис. 2.3, изображенные на нем процессы синтеза АТФ (кривая I), и расщепления АТФ (кривая II) представляют собой непрерывную последовательность циклов, причем оба процесса протекают по законам, близким к экспонентам. Верхние и
нижние границы концентрации биохимических веществ Umax и Umin определяются положительной и
отрицательной обратными связями, имеющимися в клетках, о которых будет указано
ниже. Скорость протекания биохимических реакций регулируется соответствующими биохимическими катализаторами, ускоряющими эти реакции, и ингибиторами, замедляющими их, как это видно из рис. 2.4, где представлен пример схемы работы механизма регуляции ферментативных реакций.
Рис. 2.4. Пример схемы регуляции ферментативных реакций
Графики чередований синтеза и
расщепления АТФ и соответствующих им чередований затрат и выделения энергии
представлены на рис. 2. 5.
Рис.2.5.
Как видно из рис. 2.5, в результате последовательных чередований циклов биохимических реакций синтеза и расщепления АТФ, при которых соответственно происходят термодинамические процессы затрат и выделения энергии, количество выделяемой энергии больше потребляемой. Среднее значение разницы между выделяемой и потребляемой энергией равно Wср>0. Величина энергии Wср непосредственно зависит от реакции клетки на воздействия внутренней и внешней среды в виде ферментативной регуляции процессов синтеза и расщепления АТФ. Датчиками, определяющими скорость и характер метаболических процессов в клетках, являются аллостерические модуляторы и гормоны, непрерывно контролирующие их термодинамическое состояние. Устойчивость неравновесного термодинамического состояния клеток обеспечивается следующим образом: - при минимальном значении неравновесного термодинамического состояния клетки датчики включают режим расщепления АТФ, в результате чего их энергетика начинает возрастать, достигая некоторого максимального значения; - при максимальном значении неравновесного термодинамического состояния клетки датчики включают режим синтеза АТФ, при котором энергетика организма начинает уменьшаться. Таким образом, принцип обеспечения устойчивости неравновесного термодинамического состояния клеток заключается в том, что величина их неравновесного термодинамического состояния всегда непрерывно колеблется в пределах, определяемых аллостерическими модуляторами и гормонами. Рассмотрим термодинамические
процессы на уровне органов, систем и организма в целом на примере организма
человека. Поскольку каждая
клетка представляет собой полноценный микроорганизм, находящийся в устойчивом
неравновесном термодинамическом состоянии, образуемые этими клетками органы,
системы и целостные организмы также находятся в устойчивом неравновесном
термодинамическом состоянии. Причем, поскольку все биохимические процессы в
этих клетках взаимосвязаны, то функционирование органов, систем и целостных
организмов обеспечивается путем соответствующих совокупных синхронных
интегральных колебаний неравновесного
термодинамического состояния клеток.
Это находит свое выражение в периодических колебаниях физиологических параметров (функциональных сдвигов) органов, систем и целостного организма. Наглядным примером здесь может служить последовательность сокращений и расслаблений сердечной мышцы: при сокращении сердечной мышцы у входящих в нее клетках происходят синхронные процессы расщепления АТФ, а при расслаблении – процессы синтеза АТФ. Причем при последовательных циклах сокращения и расслабления сердечной мышцы в этих процессах статистически достоверно одновременно, интегрировано и синхронно производят соответствующие биохимические реакции огромное количество клеток, каждая из которых в составе сердечной мышцы выполняет свою роль. При этом частота
сердечных сокращений определяется термодинамическим состоянием всего
организма и может колебаться в зависимости от испытываемой организмом
нагрузки в достаточно больших пределах. Аналогично происходят соответствующие колебательные процессы в системе дыхания, центральной нервной системе и других. Здесь необходимо обратить внимание на то, что в любых физиологических процессах отнюдь не абсолютно все клетки, вовлеченные в этот процесс, ведут себя как солдатики, четко выполняя предписанную им роль. Как уже было указано выше, живые организмы являются открытыми термодинамическими системами, в которых непрерывно происходят разнообразные необратимые процессы. Поэтому условия существования и жизнедеятельности каждой клетки непрерывно меняются и соответственно меняются (перераспределяются) их роли в интегральных процессах, происходящих в органах и системах. Однако статистически, в результате действия огромного количества клеток, они в конечном итоге производит те действия, для которых предназначены, в данном случае последовательные сокращения и расслабления сердечной мышцы в необходимом ритме. В организме
человека на воздействие нагрузок реагируют все органы и системы. Из них
наиболее четко и оперативно реагирует сердечно-сосудистая система, так как
остановка ее работы даже на несколько минут может привести к гибели
организма. Несколько свободнее, но в достаточно жестких пределах работает
система органов дыхания, периодические процессы которой человек может в незначительной степени сознательно регулировать. В еще
более свободном режиме колебаний работают некоторые центры головного мозга,
система пищеварения и другие. Человек может позволить себе в определенных
пределах нарушать ритм сна и бодрствования, ритмы потребления пищи и др.
Однако величина всех этих параметров в значительной степени зависит от общего
состояния организма и от условий окружающей среды. Поскольку органы и системы живого организма, в частности организма человека, выполняют самые различные функции, то периоды колебаний параметров этих органов и систем, а также закономерности изменений этих колебаний могут быть самыми разными. При восприятии импульсов света или звука периоды колебаний составляют доли секунд. При некоторых видах труда периоды вызванных ими колебаний (в сочетании с другими колебаниями) могут составлять сутки, недели и даже месяцы. При этом, независимо ни от чего, все виды физиологических колебаний представляют собой непрерывные последовательности циклов, соответствующие энергетическим колебаниям потребления и выделения энергии. Таким
образом, принцип обеспечения устойчивости неравновесного
термодинамического состояния живых организмов
(биологических систем) как на уровне клеток, так и на уровне органов, систем
и целостных организмов заключается в непрерывных чередованиях потребления и
выделения энергии посредством управляемых на соответствующих уровнях циклов
синтеза и расщепления АТФ. Отсюда можно сформулировать, в дополнение к «Всеобщему закону биологии» Э. Бауэра, второй закон биологии, излагаемый в следующей редакции: Второй закон термодинамики
биологических систем
Из этого закона вытекают следующие следствия:
Описанные выше физиологические колебания живых организмов, уже многие тысячи лет наблюдаемые человечеством, и являются биоритмами. Таким образом, природой биоритмов являются непрерывные чередования фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ, направленные на обеспечение устойчивого неравновесного термодинамического состояния биологических систем. 2.3. Собственная и принудительная частота биоритмов
В живых организмах жизнедеятельность каждой клетки, каждого органа, каждой системы и целостного организма характеризуются соответствующими комплексами биологических ритмов, параметры которых находятся в тесной взаимосвязи и определяются как внутренними свойствами соответствующих элементов организма, так и их ролью в составе того или иного органа или системы, а также средой обитания. Например, частота сердечных сокращений у человека в спокойном состоянии составляет 58 –75 уд/мин., а при большой нагрузке может доходить до 160 и более, циклы биохимических реакций, связанных с перевариванием пищи, происходят, например, от 3 до 5 раз в сутки, в зависимости о режима питания и т.д. Поскольку каждый живой организм по-своему уникален, для него будет характерен соответствующий только ему оптимальный образ жизни: время сна и бодрствования, режим и состав питания, соответствующая окружающая среда, необходимые физические нагрузки и многое другое. В связи с этим для такого живого организма будут характерны и соответствующие только ему биологические ритмы физиологических параметров. Однако в реальной жизни
такой режим невозможен, так как он не может существовать в отрыве от условий
окружающей его обстановки. Каковы же условия этой обстановки? Одним из основных условий
является период цикла сон-бодрствование равный 24 часам. Это условие
определяется периодом вращения Земли вокруг своей оси. Другим основным
условием является то, что человек живет в обществе, в связи с чем должен
подчиняться его правилам, в частности режиму дня, времени работы и отдыха,
времени приема пищи и т.д. Поэтому в большинстве
случаев определенные параметры биоритмов каждого организма являются
принудительными. На рис. 2.6 представлен пример идеализированных типовых колебаний функциональных сдвигов организма человека, являющихся обобщением биоритмов таких физиологических параметров, как температура тела, артериальное систолическое и диастолическое давление, реакции на свет и звук, частота сердечных сокращений.
Рис. 2.6. Идеализированные типовые колебания функциональных сдвигов организма человека
Как видно из рис. 2.6, обобщенные периодические колебания
функциональных сдвигов организма человека носят как суточный, так и недельный
характер. Каким же образом в организме
человека происходит согласование собственных и принудительных параметров
биоритмов? Здесь необходимо обратить
внимание на то, что все процессы, происходящие в организме человека в
условиях собственных биоритмов, являются абсолютно необходимыми для его
жизнедеятельности, так как иначе будет происходить накопление значений
невосстанавливающихся функциональных сдвигов, что может привести к потере
работоспособности, заболеваниям и гибели. В качестве примеров можно
привести график изменений функциональных сдвигов, приведенный на рис. 2.6, на
котором отражены накопления остаточных функциональных сдвигов и их восстановление за дни отдыха, либо широко
известные случаи
потери работоспособности в результате длительного отсутствия сна, сильного
физического или умственного переутомления и другие. Поэтому принудительные
периоды биоритмов организации биохимических процессов циклов сна и
бодрствования, режима труда и отдыха, режима питания и других циклов
корректируются организмом таким образом, чтобы все необходимые для его
жизнедеятельности функции
укладывались в эти принудительные рамки. В частности, человек
определяет для себя вид трудовой деятельности, время и продолжительность сна,
вид отдыха, ассортимент продуктов питания, занятия спортом и многое
другое. Кроме того, указанная
коррекция в значительной степени происходит также за счет способности
организма к фенотипической адаптации. Как показывают многочисленные
исследования в области хронобиологии и хрономедицины, свойства живых организмов,
и в частности человека, к коррекции собственных биоритмов очень
индивидуальны. 2.4. О проблеме биологических часов
В 1729 году де Мэран, ученый секретарь Парижской Королевской Академии наук, заметил, что листья фасоли движутся независимо от времени суток и освещенности. В 1758 году Дюмель повторил опыты де Мэрана, поместив растения в глубокую пещеру - во мрак, где температура была неизменна и днем и ночью. Движения листьев продолжались, однако через много дней эти движения затухали, но от вспышки света движения возобновлялись по прежнему. Это свойство живой природы изменять свою околосуточную активность жизнедеятельности ученые назвали биологические часы. С тех пор исследованием природы биологических часов занимались и занимаются многие известные ученые: Фриш, Бюннинг, Питендрич, Хастингс, Халберг и другие. Ими считается, что в каждой клетке животных и растений имеются некие гены, определяющие околосуточную (циркадную) периодичность жизнедеятельности. Внутриклеточные "часы" подстравают свой ход к периодам светлого и темного времени суток и мало зависят от изменений температуры. Причем в центральной нервной системе животных находятся "главные" часы, управляющие часами других клеток. Однако до сих пор эти часы так и не обнаружены. Анализируя эту проблему с точки зрения неравновесной термодинамики, получим следующее. Живые организмы для обеспечения своей жизнедеятельности
всегда должны находиться в устойчивом неравновесном термодинамическом
состоянии, любые изменения параметров внешней среды немедленно вызывают определенные изменения в протекании в них
биологических процессов. Однако
работа биологических часов, по представлениям приверженцев этой гипотезы, не
должна зависеть от воздействия параметров внешней среды, что может привести к
потере устойчивости неравновесного термодинамического состояния биологических
систем. Таким образом, гипотеза существования биологических часов по всей
видимости ошибочна. |
