Движущие силы и энергетические потоки диссипативных структур живой природы
Предлагаем начало статьи, которую можно прочитать здесь. Но уже одна перечисленная проблематика (в конце публикации) сама по себе представляет познавательный интерес. Кроме того, ниже помещена скромная попытка её автора, А.В. Косарева, осветить следующие поставленные им вопросы (п. 1.3): 
*
ОБЗОР ПРЕДСТАВЛЕНИЙ И ТРАКТОВОК О ПРИРОДЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
1.1. Обзор первой проблемы.
1.2. Проблема взаимодействия митохондрии с цитоплазмой.
1.3. Переключение метаболических программ в процессе роста организма (обзор ниже).
1.4. Проблема согласованности метаболических путей клетки.
1.5. Проблемы геронтологии.
1.6. Теория возбудимости и нервной проводимости.
1.7. Проблемы механизма мышечного сокращения.
1.8. Проблемы, вскрывшиеся при изучении термобактерий.
1.9. Проблема энергообеспечения восходящего потока ксилемы.
1.10. Эволюционное единство мира.
Понятие диссипативных структур впервые было введено в науку И. Пригожиным в середине прошлого века. Диссипативные структуры образуются (самоорганизуются) в открытых диссипативных системах при обмене веществом и энергией с окружающей средой в условиях неравновесности.
Способность к самоорганизации, к возникновению порядка обеспечивается именно неравновесностью открытых систем. “Этот вывод послужил отправной точкой для круга идей, выдвинутых Брюссельской школой во главе с И. Пригожиным”. [77].
Под диссипативной, или многочастичной, или тоже самое, термодинамической средой (системой), понимается среда, состоящая из огромного (не счётного) числа частиц, в той или иной степени взаимодействующих между собой и с внешней средой. Причём частицы являются физическими объектами, имеющими конечные размеры.
Неравновесная диссипативная среда - среда, в которой имеется какая-либо разность потенциалов: разность температур, давлений, электрического напряжения, химических потенциалов, т.е. обязательно наличие в среде градиента потенциальной энергии.
Диссипативные системы делятся на закрытые и открытые, причём открытые системы понимаются как подсистемы закрытых или как системы, взаимодействующие с окружающей средой, с соблюдением законов сохранения.
Формирующиеся в многочастичной среде диссипативные структуры, представляют собой совокупность двух видов структур: статических и динамических.
В статической структуре частицы между собой связаны достаточно жёстко и могут колебаться возле положения равновесия относительно окружающих частиц, и при воздействии сил на такую структуру частицы выступают в основном как единое целое, например кристалл.
Динамическая диссипативная структура возникает под воздействием сил при определённых условиях в среде свободных или слабосвязанных частиц, когда каждая частица может достаточно свободно менять положение относительно других частиц, например гидродинамический поток.
Под самоорганизацией диссипативной структуры понимается возникновение совместного (кооперативного) движения огромного числа частиц. Наиболее характерной особенностью кооперативного движения в диссипативной среде с точки зрения динамики является присущий ему результирующий импульс.
Потоком энергии Умова-Пойнтинга через заданное сечение называется количество кинетической энергии, переносимое частицами через это сечение в единицу времени. Поток энергии характеризуется мощностью и плотностью потока энергии или вектором Умова-Пойнтинга.
Речь идёт о кинетической энергии т.к. потенциальная энергия зависит от состояния массы и поэтому при учёте потенциальной энергии теряется однозначность понятия - поток энергии. К тому же поток энергии не всегда сопровождается потоком массы, масса при этом может совершать колебательные движения возле состояния равновесия. Поток энергии обладает импульсом или квазиимпульсом.
Окружающий нас материальный мир имеет три ярко выраженных состояния: неживая природа, живая природа и сфера разума. Однако границы между этими состояниями не чётки и размыты, что указывает на единство их эволюционного развития. На эволюционное единство этих состояний указывает и временная последовательность возникновения и становления этих состояний.
В предложенном вниманию читателя материале рассматривается широкий спектр явлений: от процессов неживой природы, способствовавших зарождению жизни, до процессов и событий ноосферы, при течении которых на первое место выходят силы и потоки социальной энергии.
Рассматриваются причины единства и непрерывности этих трёх принципиально различных состояний окружающей природы, представляющих собой единую реальность. И всё же главным предметом исследования в данной работе являются биофизические и физиологические процессы, способствующие течению биохимических процессов и обеспечивающие проявление признаков живого.
Биохимия и биофизика, составляющие фундамент биологии, к настоящему времени достигли впечатляющих успехов. Однако при этом обострились существующие проблемы и возникло много новых, особенно в биофизике. Перечислим наиболее существенные на сегодня по мнению автора проблемы, стоящие перед биофизикой и биологией в целом.
1). Проблема структурирования материи из состояния хаоса. Очевидное, давно озвученное противоречие сегодняшнего состояния естествознания - два противоположных, взаимно исключающих направления эволюции.
С одной стороны постоянное структурное усложнение и цветение живой природы, с другой неизбежное наступление равновесного состояния самопроизвольных процессов природы. Оба эти направления эволюции подтверждаются всей практикой деятельности человека и его наблюдениями за природой. Что порождает это противоречие и что способствует сосуществованию этих противоречащих друг другу явлений природы?
2). Митохондрии называют энергетическими станциями клеток. Здесь производится основная масса АТФ при протекании цикла Кребса. Это требует интенсивного обмена метаболитами, в том числе и крупными белковыми молекулами - ферментами. Как производится интенсивный обмен (особенно в метаболически активных клетках, скажем скелетных мышц) через две мембраны митохондрии?
3). В каждой клетке находится весь набор генов данного организма. В тоже время каждый тип клеток работает по программе своего (своих) гена (генов). Как включается та или иная группа генов в данном типе клеток из всего набора? Как происходит рост организма из одной клетки до его конечного морфологического состояния? В чём заключается природа и механизм закона Бэра?
4). Биохимические метаболические пути включают в себя сотни и тысячи сопряжённых химических реакций, согласованных в пространстве и во времени. Что обусловливает строгую последовательность, пространственное структурирование и взаимную согласованность всех этих процессов?
5). Что стало исходным основанием для зарождения жизни из не живой материи? Живые организмы имеют ограниченный срок жизни. Есть животные долгожители, но тем не менее у каждого вида есть предельный биологический возраст. Есть много гипотез по этому поводу, но единого мнения нет. За счёт чего у животных долгожителей увеличивается продолжительность жизни? Что определяет предельный биологический возраст? В чём природа раннего старения (прогерии)?
6). Природа нервного импульса связывается с потенциалом действия, имеющим электрическую природу. Но электромагнитный сигнал распространяется со скоростью света. Скорость же распространения нервного импульса много ниже даже скорости звуковой волны. В чём причина?
7). Согласно опытов Хилла КПД мышечной деятельности составляет примерно 40% (у черепахи до 75%). И это при перепадах температур в клетке в доли градуса. Классическая термодинамика требует для таких КПД перепады температур не совместимые с жизнью. В чём причина такого высокого КПД? Как разрешается данное противоречие?
8). Термобактерии. Каков механизм защиты белка от денатурации в условиях повышенной температуры? В чём особенность термобактерий?
9). Питательные растворы по ксилеме поднимаются на десятки метров. При этом совершается работа против сил гравитации, на что требуется постоянная затрата энергии. Причём пучки ксилемы представлены мёртвыми клетками, в них нет затраты биологической энергии (АТФ). Возникает вопрос, откуда деревья берут энергию в течении десятков и сотен лет?
10). Окружающий нас мир представлен тремя различными состояниями: не живая природа, живая природа, ноосфера. И в тоже время между ними нет чётких границ. Последующее эволюционное состояние вытекает из предыдущего. Что объединяет эти различные состояния и придаёт природе общее единство?
На решение задач, вытекающих из перечисленных проблем и направлена данная работа, состоящая из ряда статей, объединённых единым взглядом на существо проблем. В основу методологии решения задач положен синтез биологии и динамики эволюции неравновесных диссипативных сред.
(***)
1.3. Переключение метаболических программ в процессе роста организма.
Третья и четвёртая проблемы выглядят на сегодня одной из самых загадочных сторон живой природы.
Живые организмы исключительно сложны и разнообразны. Тем не менее, все живые организмы (биологические диссипативные структуры), имеют в своей основе клеточное строение.
Клетка - первичная структурная и функциональная единица живой природы. Однако “даже в случае простейшей клетки в процесс метаболизма вовлечены несколько тысяч сопряжённых химических реакций, что, безусловно, требует тонких механизмов координации и регуляции.
Иными словами, здесь требуется чрезвычайно сложная функциональная организация. Если рассмотреть, как клетка выполняет сложную последовательность операций, то можно заметить, что клетка работает по тем же принципам, что и современный сборочный конвейер.
Биологическая упорядоченность является одновременно структурной и функциональной. В молекулярной биологии функциональная упорядоченность рассматривается как следствие структурной упорядоченности. Жизненные процессы описываются в ней на языке информации, её кодирования и передачи.
Генетический материал клетки в молекулярной биологии уподобляется магнитной ленте электронно-вычислительной машины.
Несомненно, что определение структуры биологических макромолекул и открытие генетического кода решили значительное число проблем в биологии, а также помогли поставить ряд задач на более твёрдую и конкретную основу.
Однако большинство этих задач относится к внутриклеточным явлениям на ферментативном или генетическом уровнях. Рассмотрим теперь другой тип явлений, таких, как развитие оплодотворённого яйца до взрослого организма, … или главную проблему биологии - эволюцию биополимеров и происхождение жизни.
Во всех этих случаях общим является макроскопическое, надмолекулярное (и даже надклеточное) проявление цепи событий, зарождающихся на уровне отдельных молекул. При поиске новых концепций и новых идей полезными здесь могут оказаться физика и физическая химия”. [75].
В настоящее время биология достигла значительных успехов в понимании структур наследственной информации, её считывания и перевода в белковые структуры ферментативной и строительной природы.
Изучены ферментативные процессы метаболизма, в чём решающую роль сыграла биохимия. Хорошо изучена периодизация онтогенеза.
Установлено, что индивидуальное развитие представляет собой целостный непрерывный процесс, в котором отдельные события увязаны между собой в пространстве и времени.
Клетки формирующие те или иные ткани и органы считывают информацию для своего функционирования только с им предназначенных генов. Тем самым определяется белковый набор (ферментативный и строительный) необходимый данной клетке.
Индивидуальному развитию соответствует чёткая последовательность включения тех или иных генов и соответственно тех или иных метаболических программ. Установлено, что отдельные стадии индивидуального развития отличаются также определённой скоростью протекания с характерным качественным и количественным результатом.
Однако природа механизмов переключения метаболических программ в процессе онтогенеза, его периодизации далека от полного понимания. Нет также чёткого понимания процессов и механизмов переводящих информацию генотипа как последовательности генов (и даже нуклеотидов) в фенотип как системное и интегративное свойство организма, проявляющееся в его морфологии (размеры и форма), физиологической активности, психологии и поведении.
Так авторы [119] пишут: “В предыдущих главах были рассмотрены генетические закономерности, определяющие формирование определённого фенотипа, изложено основное содержание стадий онтогенеза, последовательно и закономерно сменяющих друг друга.
Все эти сведения не дают, однако, ответа на вопрос, почему и каким образом генотип реализуется в фенотип в виде тех или иных клеточных и системных процессов, в виде сложных пространственных и упорядоченных во времени онтогенетических преобразований”.
При сравнении зиготы и половозрелой особи, которые, по сути, являются двумя разными онтогенетическими стадиями существования одного и того же организма, обнаруживаются очевидные различия, касающиеся по крайней мере размеров и формы.
Всё это, начиная с XVII века до наших дней, породило большое количество гипотез онтогенетических преобразований.
“Выяснение конкретных клеточных и системных механизмов таких преобразований составляет основную проблему современной биологии развития. Увеличение массы тела особи, т.е. её рост, и появление новых структур в ходе её развития, называемое морфогенезом, нуждается в объяснении”. [119].
А.В. Косарев
***
Источник.
- Как включается та или иная группа генов в данном типе клеток из всего набора?
- Как происходит рост организма из одной клетки до его конечного морфологического состояния?
- В чём заключается природа и механизм закона Бэра?
*
ОБЗОР ПРЕДСТАВЛЕНИЙ И ТРАКТОВОК О ПРИРОДЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
1.1. Обзор первой проблемы.
1.2. Проблема взаимодействия митохондрии с цитоплазмой.
1.3. Переключение метаболических программ в процессе роста организма (обзор ниже).
1.4. Проблема согласованности метаболических путей клетки.
1.5. Проблемы геронтологии.
1.6. Теория возбудимости и нервной проводимости.
1.7. Проблемы механизма мышечного сокращения.
1.8. Проблемы, вскрывшиеся при изучении термобактерий.
1.9. Проблема энергообеспечения восходящего потока ксилемы.
1.10. Эволюционное единство мира.
Понятие диссипативных структур впервые было введено в науку И. Пригожиным в середине прошлого века. Диссипативные структуры образуются (самоорганизуются) в открытых диссипативных системах при обмене веществом и энергией с окружающей средой в условиях неравновесности.
Способность к самоорганизации, к возникновению порядка обеспечивается именно неравновесностью открытых систем. “Этот вывод послужил отправной точкой для круга идей, выдвинутых Брюссельской школой во главе с И. Пригожиным”. [77].
Под диссипативной, или многочастичной, или тоже самое, термодинамической средой (системой), понимается среда, состоящая из огромного (не счётного) числа частиц, в той или иной степени взаимодействующих между собой и с внешней средой. Причём частицы являются физическими объектами, имеющими конечные размеры.
Неравновесная диссипативная среда - среда, в которой имеется какая-либо разность потенциалов: разность температур, давлений, электрического напряжения, химических потенциалов, т.е. обязательно наличие в среде градиента потенциальной энергии.
Диссипативные системы делятся на закрытые и открытые, причём открытые системы понимаются как подсистемы закрытых или как системы, взаимодействующие с окружающей средой, с соблюдением законов сохранения.
Формирующиеся в многочастичной среде диссипативные структуры, представляют собой совокупность двух видов структур: статических и динамических.
В статической структуре частицы между собой связаны достаточно жёстко и могут колебаться возле положения равновесия относительно окружающих частиц, и при воздействии сил на такую структуру частицы выступают в основном как единое целое, например кристалл.
Динамическая диссипативная структура возникает под воздействием сил при определённых условиях в среде свободных или слабосвязанных частиц, когда каждая частица может достаточно свободно менять положение относительно других частиц, например гидродинамический поток.
Под самоорганизацией диссипативной структуры понимается возникновение совместного (кооперативного) движения огромного числа частиц. Наиболее характерной особенностью кооперативного движения в диссипативной среде с точки зрения динамики является присущий ему результирующий импульс.
Потоком энергии Умова-Пойнтинга через заданное сечение называется количество кинетической энергии, переносимое частицами через это сечение в единицу времени. Поток энергии характеризуется мощностью и плотностью потока энергии или вектором Умова-Пойнтинга.
Речь идёт о кинетической энергии т.к. потенциальная энергия зависит от состояния массы и поэтому при учёте потенциальной энергии теряется однозначность понятия - поток энергии. К тому же поток энергии не всегда сопровождается потоком массы, масса при этом может совершать колебательные движения возле состояния равновесия. Поток энергии обладает импульсом или квазиимпульсом.
Окружающий нас материальный мир имеет три ярко выраженных состояния: неживая природа, живая природа и сфера разума. Однако границы между этими состояниями не чётки и размыты, что указывает на единство их эволюционного развития. На эволюционное единство этих состояний указывает и временная последовательность возникновения и становления этих состояний.
В предложенном вниманию читателя материале рассматривается широкий спектр явлений: от процессов неживой природы, способствовавших зарождению жизни, до процессов и событий ноосферы, при течении которых на первое место выходят силы и потоки социальной энергии.
Рассматриваются причины единства и непрерывности этих трёх принципиально различных состояний окружающей природы, представляющих собой единую реальность. И всё же главным предметом исследования в данной работе являются биофизические и физиологические процессы, способствующие течению биохимических процессов и обеспечивающие проявление признаков живого.
Биохимия и биофизика, составляющие фундамент биологии, к настоящему времени достигли впечатляющих успехов. Однако при этом обострились существующие проблемы и возникло много новых, особенно в биофизике. Перечислим наиболее существенные на сегодня по мнению автора проблемы, стоящие перед биофизикой и биологией в целом.
1). Проблема структурирования материи из состояния хаоса. Очевидное, давно озвученное противоречие сегодняшнего состояния естествознания - два противоположных, взаимно исключающих направления эволюции.
С одной стороны постоянное структурное усложнение и цветение живой природы, с другой неизбежное наступление равновесного состояния самопроизвольных процессов природы. Оба эти направления эволюции подтверждаются всей практикой деятельности человека и его наблюдениями за природой. Что порождает это противоречие и что способствует сосуществованию этих противоречащих друг другу явлений природы?
2). Митохондрии называют энергетическими станциями клеток. Здесь производится основная масса АТФ при протекании цикла Кребса. Это требует интенсивного обмена метаболитами, в том числе и крупными белковыми молекулами - ферментами. Как производится интенсивный обмен (особенно в метаболически активных клетках, скажем скелетных мышц) через две мембраны митохондрии?
3). В каждой клетке находится весь набор генов данного организма. В тоже время каждый тип клеток работает по программе своего (своих) гена (генов). Как включается та или иная группа генов в данном типе клеток из всего набора? Как происходит рост организма из одной клетки до его конечного морфологического состояния? В чём заключается природа и механизм закона Бэра?
4). Биохимические метаболические пути включают в себя сотни и тысячи сопряжённых химических реакций, согласованных в пространстве и во времени. Что обусловливает строгую последовательность, пространственное структурирование и взаимную согласованность всех этих процессов?
5). Что стало исходным основанием для зарождения жизни из не живой материи? Живые организмы имеют ограниченный срок жизни. Есть животные долгожители, но тем не менее у каждого вида есть предельный биологический возраст. Есть много гипотез по этому поводу, но единого мнения нет. За счёт чего у животных долгожителей увеличивается продолжительность жизни? Что определяет предельный биологический возраст? В чём природа раннего старения (прогерии)?
6). Природа нервного импульса связывается с потенциалом действия, имеющим электрическую природу. Но электромагнитный сигнал распространяется со скоростью света. Скорость же распространения нервного импульса много ниже даже скорости звуковой волны. В чём причина?
7). Согласно опытов Хилла КПД мышечной деятельности составляет примерно 40% (у черепахи до 75%). И это при перепадах температур в клетке в доли градуса. Классическая термодинамика требует для таких КПД перепады температур не совместимые с жизнью. В чём причина такого высокого КПД? Как разрешается данное противоречие?
8). Термобактерии. Каков механизм защиты белка от денатурации в условиях повышенной температуры? В чём особенность термобактерий?
9). Питательные растворы по ксилеме поднимаются на десятки метров. При этом совершается работа против сил гравитации, на что требуется постоянная затрата энергии. Причём пучки ксилемы представлены мёртвыми клетками, в них нет затраты биологической энергии (АТФ). Возникает вопрос, откуда деревья берут энергию в течении десятков и сотен лет?
10). Окружающий нас мир представлен тремя различными состояниями: не живая природа, живая природа, ноосфера. И в тоже время между ними нет чётких границ. Последующее эволюционное состояние вытекает из предыдущего. Что объединяет эти различные состояния и придаёт природе общее единство?
На решение задач, вытекающих из перечисленных проблем и направлена данная работа, состоящая из ряда статей, объединённых единым взглядом на существо проблем. В основу методологии решения задач положен синтез биологии и динамики эволюции неравновесных диссипативных сред.
(***)
1.3. Переключение метаболических программ в процессе роста организма.
Третья и четвёртая проблемы выглядят на сегодня одной из самых загадочных сторон живой природы.
Живые организмы исключительно сложны и разнообразны. Тем не менее, все живые организмы (биологические диссипативные структуры), имеют в своей основе клеточное строение.
Клетка - первичная структурная и функциональная единица живой природы. Однако “даже в случае простейшей клетки в процесс метаболизма вовлечены несколько тысяч сопряжённых химических реакций, что, безусловно, требует тонких механизмов координации и регуляции.
Иными словами, здесь требуется чрезвычайно сложная функциональная организация. Если рассмотреть, как клетка выполняет сложную последовательность операций, то можно заметить, что клетка работает по тем же принципам, что и современный сборочный конвейер.
Биологическая упорядоченность является одновременно структурной и функциональной. В молекулярной биологии функциональная упорядоченность рассматривается как следствие структурной упорядоченности. Жизненные процессы описываются в ней на языке информации, её кодирования и передачи.
Генетический материал клетки в молекулярной биологии уподобляется магнитной ленте электронно-вычислительной машины.
Несомненно, что определение структуры биологических макромолекул и открытие генетического кода решили значительное число проблем в биологии, а также помогли поставить ряд задач на более твёрдую и конкретную основу.
Однако большинство этих задач относится к внутриклеточным явлениям на ферментативном или генетическом уровнях. Рассмотрим теперь другой тип явлений, таких, как развитие оплодотворённого яйца до взрослого организма, … или главную проблему биологии - эволюцию биополимеров и происхождение жизни.
Во всех этих случаях общим является макроскопическое, надмолекулярное (и даже надклеточное) проявление цепи событий, зарождающихся на уровне отдельных молекул. При поиске новых концепций и новых идей полезными здесь могут оказаться физика и физическая химия”. [75].
В настоящее время биология достигла значительных успехов в понимании структур наследственной информации, её считывания и перевода в белковые структуры ферментативной и строительной природы.
Изучены ферментативные процессы метаболизма, в чём решающую роль сыграла биохимия. Хорошо изучена периодизация онтогенеза.
Установлено, что индивидуальное развитие представляет собой целостный непрерывный процесс, в котором отдельные события увязаны между собой в пространстве и времени.
Клетки формирующие те или иные ткани и органы считывают информацию для своего функционирования только с им предназначенных генов. Тем самым определяется белковый набор (ферментативный и строительный) необходимый данной клетке.
Индивидуальному развитию соответствует чёткая последовательность включения тех или иных генов и соответственно тех или иных метаболических программ. Установлено, что отдельные стадии индивидуального развития отличаются также определённой скоростью протекания с характерным качественным и количественным результатом.
Однако природа механизмов переключения метаболических программ в процессе онтогенеза, его периодизации далека от полного понимания. Нет также чёткого понимания процессов и механизмов переводящих информацию генотипа как последовательности генов (и даже нуклеотидов) в фенотип как системное и интегративное свойство организма, проявляющееся в его морфологии (размеры и форма), физиологической активности, психологии и поведении.
Так авторы [119] пишут: “В предыдущих главах были рассмотрены генетические закономерности, определяющие формирование определённого фенотипа, изложено основное содержание стадий онтогенеза, последовательно и закономерно сменяющих друг друга.
Все эти сведения не дают, однако, ответа на вопрос, почему и каким образом генотип реализуется в фенотип в виде тех или иных клеточных и системных процессов, в виде сложных пространственных и упорядоченных во времени онтогенетических преобразований”.
При сравнении зиготы и половозрелой особи, которые, по сути, являются двумя разными онтогенетическими стадиями существования одного и того же организма, обнаруживаются очевидные различия, касающиеся по крайней мере размеров и формы.
Всё это, начиная с XVII века до наших дней, породило большое количество гипотез онтогенетических преобразований.
“Выяснение конкретных клеточных и системных механизмов таких преобразований составляет основную проблему современной биологии развития. Увеличение массы тела особи, т.е. её рост, и появление новых структур в ходе её развития, называемое морфогенезом, нуждается в объяснении”. [119].
А.В. Косарев
***
Источник.