СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ Вход или Регистрация	ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ	НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ	Научно-техническая библиотека

ВВЕДЕНИЕ

При определённых условиях в неравновесной многочастичной среде (среде состоящей из несчётного числа частиц) формируются пространственные или временные структуры. Пригожин назвал их диссипативными структурами. К ним относятся и биологические структуры всех видов.

Биологические диссипативные структуры являются исключительно сложными объектами и своей основой все они имеют клетку. 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… 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”. (Л- 4).

Попытаемся выяснить природу движущих сил и механизм функционирования био объектов (клетки, например), с точки зрения физики. Эти объекты в своей жизнедеятельности представляют собой совокупность химических реакций и энергетических потоков. Причём движение сборочного конвейера обеспечивается именно энергетическими потоками, которые доставляют вещество к месту химических реакций и отводят продукты реакции. В свою очередь химические реакции с одной стороны позволяют производить кооперативную энергию потоков из потенциальной энергии химических соединений (пищи), обеспечивающую функциональные возможности организмов, с другой формируют необходимые организму статические структуры для роста и регенерации организма, т.е. обеспечивают пластический обмен. Избыточная кооперативная энергия расходуется организмом на производство внешней работы, на работу против внешних сил.

ДИССИПАТИВНЫЙ ПОРОГ МОГОЧАСТИЧНОЙ СИСТЕМЫ И ВИДЫ ВЕКТОРНЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ

В термодинамической системе (системе состоящей из несчётного числа частиц) кинетическая энергия существует в двух формах.

1) В хаотической форме, в форме равновесного состояния, когда нет выделенного направления перемещения и результирующий импульс всех частиц при таком состоянии равен нулю (). Кинетическая энергия системы в таком состоянии не способна совершать макроскопическую работу против сил. С точки зрения обеспечения функциональных возможностей она бесполезна для организма.

2) В форме совместного, кооперативного движения частиц, обладающих результирующим импульсом отличным от нуля (). Кинетическая энергия в таком состоянии способна обеспечить функционирование самого организма и совершать необходимую ему внешнюю работу (добывание пищи, размножение и прочее).

Неравновесность состояния диссипативной среды, согласно идей выдвинутых Брюссельской школой термодинамиков, служит источником упорядоченности. Всякая неравновесность состояния термодинамической системы вызвана какой-либо разностью потенциалов (разность давлений, температур, разность химических потенциалов, разность энергетических уровней). Уже в разности потенциалов, в наличии потенциальной энергии и заложена самоорганизация, заложены условия возникновения кооперативного движения. Если в термодинамической системе есть неравновесность, т.е. разность потенциалов, то в этой системе имеется градиент потенциальной энергии. Если в системе есть градиент потенциальной энергии, то в этой системе действует сила, имеющая выделенное направление, против градиента потенциальной энергии:

где - потенциальная энергия, запасенная в системе, , F - сила, действующая в системе, r - расстояние на котором имеется разность потенциалов .

В этом природа термодинамических сил в диссипативной (могочастичной) среде. Она едина с природой любых сил, рассматриваемых в любых средах и всех во областях физики. Далее если в динамической системе (в системе где частицы имеют возможность перемещаться) действует сила, то она вызывает ускоренное движение массы в соответствии с основным законом динамики, (). Так как разность потенциалов действует на всю многочастичную систему, то и сила действует на систему в целом, вызывая коллективное совместное движение частиц диссипативной системы. В форме массового (гидродинамического) потока, когда частицы свободны (газ, жидкость) или в форме фононного потока, потока бегущих волн, когда частицы связаны (кристалл) и могут совершать только колебательные движения. Возникают термодинамические потоки массы и энергии, потоки энергии Умова-Пойтинга. Осуществляется переход потенциальной энергии, запасенной в неравновесной системе, в кинетическую энергию общего переноса, имеющей результирующий импульс по направлению силы (-grad).

Это и есть механизм самоорганизации (синергетики) диссипативных структур, основополагающего понятия сильно неравновесной термодинамики, механизм возникновения совместного, кооперативного движения частиц в многочастичной системе. Однако для возникновения кооперативных потоков энергии в многочастичной системе недостаточно только её неравновесности и действия основного закона динамики. Автору статьи в [Л-3] удалось вскрыть эффект вырождения результирующего импульса в многочастичной среде как носителя связанной с ним кинетической энергии. Показано что причиной этого эффекта явилось нецентральное соударение частиц системы, приводящее к рассеянию направленной кооперативной энергии и переводу её в хаотическую, тепловую форму движения , при которой многочастичная система теряет способность совершать макроскопическую работу против сил. Рассеяние кооперативной кинетической энергии в многочастичной среде сопровождается лавинообразным вовлечением всё новых и новых частиц в процесс кооперативного движения и лавинообразным увеличением массы результирующего импульса. Для уменьшения рассеяния кооперативной энергии необходимо ограничить или исключить вовлечение новых частиц в кооперативное движение. В частности для гидродинамического потока это достигается канализацией потока или попросту заключение его в трубу. В этой ситуации происходит постепенная диссипация кооперативной энергии на шероховатостях стенки трубы. В неравновесной многочастичной системе всегда совместно протекают два противоположных процесса, процесс формирования кооперативных потоков энергии по причине её неравновесности и процесс рассеяния кооперативной энергии и перевод её в хаотическую форму по причине эффекта вырождения результирующего импульса. И теперь всё определяется мощностями этих двух прямо противоположных процессов, зависящих от состояния и свойств системы. Если мощность возникновения кооперативных потоков больше мощности процесса диссипации кооперативной энергии, то в системе наблюдаются кооперативные потоки, возникают потоки энергии Умова-Пойтинга, формируются диссипативные структуры. Если свойства системы по вырождению результирующего импульса таковы что превосходят по мощности возникающие кооперативные потоки, пропорциональные имеющейся в системе неравновесности, то в такой системе кооперативные потоки возникают в микро областях и тут же рассеиваются. В термодинамической системе в данной ситуации кооперативного движения не наблюдается, а идёт квазиравновесный процесс установления равновесия. Для возникновения кооперативного движения в диссипативной среде необходимо преодоление главного порогового соотношения. Назовём его диссипативным порогом.

где - энергия направленного кооперативного движения, переносимая результирующим импульсом и получаемая из потенциальной энергии неравновесности в единицу времени.

- максимальная энергия направленного кооперативного движения, переносимая результирующим импульсом, которую данная многочастичная система способна в единицу времени переводить в хаотическую форму под действием причин рассеяния.

Величина диссипативного порога определяется максимальной мощностью процесса диссипации (рассеяния) кооперативной кинетической энергии и является свойством, параметром данной много частичной системы.

Именно главное пороговое соотношение, определяющее соотношение между мощностью процесса самоорганизации и мощностью процесса диссипации определяет направление событий, направление эволюции в неравновесной диссипативной среде.

При условии, что в неравновесной системе возникают потоки направленной кинетической энергии, связанной с результирующим импульсом, и у системы появляется возможность совершать макроскопическую работу, при этом в системе формируется динамический процесс. В диссипативной среде формируется открытая диссипативная структура, имеющая в зависимости от конкретных условий определенные пространственные и временные рамки. При равенстве, подводимого в структуру из вне, потока энергии для поддержания неравновесности и отводимой во внешнюю среду диссипированной энергии и энтропии, полученной в результате диссипации кооперативного движения при функционировании структуры плюс внешняя работа, структура может существовать сколь угодно долго.

; (1)

Назовем ( 1 ) соотношением стабильности. Для отдельного процесса это условие его стационарности, для сложной диссипативной структуры, состоящей из согласованно действующей совокупности многих процессов, это условие её существования во времени.

Вся совокупность потоков и химических реакций и их последовательность регулируются в биологических структурах (организмах) в рамках соотношения стабильности саморегуляцией ферментативных реакций. Вообще в диссипативных (многочастичных) средах существуют четыре вида кооперативных потоков: гидродинамический поток за счёт перепада давлений, электрический ток за счёт перепада напряжений, фононный поток в кристаллической среде за счёт перепада температур, фотонный поток (в частности лазер), за счёт перепада энергетических уровней. Производство фотонных потоков в биологических структурах невозможно из-за слабых связей между молекулами био вещества. Неравновесность био систем недостаточна для получения фотонного (в частности лазерного) потока. Фотоны возникают при переходе электронов с внешних орбит электронов на внутренние. При этом требуется энергия не сравнимо большая чем энергия связи в молекулах вещества вообще и в био молекулах в особенности. Био вещество является аморфным, а не кристаллическим, поэтому в нём не возможно, и возникновение фононных потоков кооперативной энергии с . Тепловой фононный поток в био среде происходит в зоне локального равновесия с и не способен производить работу против сил. Он выполняет задачу только по отводу излишков тепла в окружающую среду от химических реакций окисления и тепла от диссипации кооперативных потоков при функционировании организма. Электрический ток в био среде наблюдается в форме волны нервного возбуждения и служит только для воздействия на управляющие параметры гидродинамического потока. О значении электричесих потоков для деятельности центральной нервной системы мы здесь не говорим, т.к. это выходит за рамки данной статьи. В силу того что биологические диссипативные структуры на 70-80% состоят из воды, то именно гидродинамические потоки энергии Умова-Пойтинга с способны в био среде совершать работу против сил, для функционирования самой структуры, обеспечивая движение “сборочного конвейера”, и, при излишке кооперативной энергии, совершать работу против внешних сил. Исходя из сказанного в биологической диссипативной среде существуют следующие управляющие параметры: изменение перепада давлений (в том числе за счёт изменения температуры), изменение проходного сечения, изменение концентрации – для гидропотоков и изменение перепада напряжений - для нервных импульсов. Причём все изменения происходящие под воздействием управляющих параметров должны происходить строго в рамках соотношения стабильности, в противном случае происходит разрушение диссипативой структуры.

ПРОИЗВОДСТВО ВЕКТОРНЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ В КЛЕТКЕ

(биологический двигатель внутреннего сгорания)

Клетка является структурной и функциональной единицей, а также единицей размножения и развития всех живых организмов. Поэтому в начале рассмотрим с точки зрения динамики эволюции строение и функционирование клетки и возникновение движущих сил внутри клетки. Во-первых отметим что для жизнедеятельности живого организма, будь то простейшее, растение или животное, требуется кооперативная кинетическая энергия с . Ранее мы указывали что для производства работы против сил необходимо затратить кооперативную кинетическую энергию. Так растение во время роста поднимает по стеблю или стволу соки и совершает работу против сил гравитации. На это затрачивается кооперативная кинетическая энергия, которая в процессе производства работы преобразуется в потенциальную энергию сил гравитации. Животное для передвижения, для добычи пищи, также производит работу против внешних сил, на что требуется затрата кооперативной кинетической энергии. Далее для внутреннего функционирования самого организма требуется постоянное пополнение кооперативной энергии, т.к. в результате действия эффекта вырождения импульса происходит диссипация кооперативной энергии внутри организма (движении соков в растении, крови и лимфы у животных, обменные процессы внутри клетки сопровождаются не центральным соударением участвующих в потоке частиц). Таким образом биологическому организму, как и любой диссипативной структуре, требуется постоянное пополнение кооперативной кинетической энергии, которая должна или в готовом виде поступать из вне или продуцироваться самим организмом. Для растительной клетки и растения в целом кооперативная кинетическая энергия поступает из вне в форме кооперативного фотонного потока от солнца. Эта энергия поступает относительно равномерно (имея суточный цикл) и именно кооперативная кинетическая энергия фотонного потока производит работу против сил гравитации и работу по фотосинтезу высокомолекулярных энергоёмких соединений. Животные клетки и животный организм в целом производят необходимую кооперативную энергию для своей жизнедеятельности сами из потенциальной энергии химических связей пищи. В связи с этим возникает вопрос о механизме производства кооперативной кинетической энергии из потенциальной энергии химических связей пищи, поступающей в животный организм из вне. Этот механизм должен быть в каждой клетке организма. Во-первых потому что существуют одноклеточные организмы не использующие внешних потоков кооперативной энергии. Во-вторых клетка является основной структурной единицей организма и весь организм вырастает из одной клетки, которая сама должна производить кооперативную энергию для своего функционирования, роста и размножения. Далее, мы уже показывали что в организме животного, в животной клетке могут возникать только два вида кооперативных потоков энергии: это гидродинамический поток и электрический импульс. Выше также указывалось что для получения гидродинамического кооперативного потока энергии необходимо во-первых иметь перепад давления для получения силы, вызывающей движение массы частиц, во-вторых создать условия снижающие действие эффекта вырождения результирующего импульса, т.е. попросту заключить возникающий под действием перепада давлений поток в трубу. Всё это должно выполняться в каждой животной клетке, в каждой клетке процесс преобразования потенциальной энергии химических связей в кооперативную кинетическую энергию гидродинамического потока должен протекать в условиях за диссипативным порогом. Это принципиальное условие для возникновения кооперативных потоков энергии, обеспечивающих исполнение функциональных возможностей организма. Перепад давлений на концах “трубы”, вызывающий гидродинамический поток в клетке возникает в результате циклически сменяющих друг друга экзотермических реакций окисления и эндотермических реакций синтеза высокомолекулярных соединений. В качестве трубной системы в клетке выступает эндоплазматическая сеть, соединяющая в единый конвейерный комплекс все органоиды клетки. Условный цикл производства кооперативной энергии в животной клетке, состоящий из двух изохор и двух адиабат, изображён на рис.- 1. Конечно трудно представить, что в клетке реализуются изохорные и адиабатные процессы в их термодинамическом понимании. Это процессы условно приближающиеся к изохорам и адиабатам. Точкой 1 на рисунке-1 отмечены параметры окружающей клетку среды. В качестве окружающей клетку среды выступает межклеточная жидкость. Для простоты примем её параметры (давление, температуру, концентрации и т.д.) постоянными. Начнём рассмотрение цикла с т.1, то есть момента равновесия клетки и межклеточной жидкости по давлению. Условно изохорный процесс 1-2 это экзотермические реакции окисления протекающие в определённых точках эндоплазматической системы и вызывающие местное повышение давления.

Рис.- 1. Рис.- 2 (рисунок взят из Л- 5, стр.41).

По причине того что и межклеточная жидкость, окружающая клетку, и цитоплазма, окружающая эндоплазматическую систему, состоят на 70% из воды, т.е. несжимаемой жидкости, и даёт нам основание условно принять процесс в месте протекания реакций окисления изохорическим. В местах изохорического разогрева происходит местное повышение давления, возникает перепад давления между зонами протекания реакций и межклеточной жидкостью. Одной из зон эндоплазматической системы клетки в которых протекают циклические процессы окисления являются митохондрии, где синтезируется энергоноситель организма АТФ. Однако на синтез АТФ используется только 40% энергии окисления, остальные 60% выделяются в объёме митохондрии, вызывая местный подъём температуры и давления. В митохондриях в этот момент возникает гидродинамический поток направленный из митохондрии в эндоплазматическую сеть. Возможно это происходит за счёт расширения области матрикса и выдавливания из меж мембранного пространства гидропотоков. В соответствующих местах эндоплазматической сети происходит при необходимости окисление АТФ и жиров, которое происходит также с местным повышением температуры и давления Все эти реакции окисления условно обозначены на рисунке изохорным процессом повышения температуры и давления 1-2. Следующим этапом начинается кооперативное движение от зон повышенного давления по каналам эндоплазматической сети через внешнюю мембрану к межклеточной жидкости. На рис.-1 это условно адиабатный процесс 2-3. При этом возникшим кооперативным гидродинамическим потоком с одной стороны выносятся в межклеточную жидкость продукты распада от реакций окисления и продукты синтеза в клетке, которые используются всем организмом, с другой стороны происходят перемещения по эндоплазматической системе, обеспечивающие функционирование самой клетки. Скажем перенос информационной РНК, сформировавшейся в ядрышке на активном гене ДНК, к тому месту эндоплазматической сети где на матричной базе информационной РНК происходит синтез соответствующего белка. Процесс расширения и кооперативного движения 2-3 протекает до тех пор пока давление в зонах повышения давления не сравняется с давлением в межклеточной жидкости. При этом снижается и температура в межклеточной жидкости до точки 3. Поток из клетки во вне прекращается. Однако в течении процесса 2-3 в соответствующие зоны эндоплазматической системы доставлены исходные материалы для протекания реакций синтеза высокомолекулярных соединений необходимых организму для функционирования и регенерации. Реакции синтеза это эндотермические реакции и они протекают с затратой энергии. То есть в зоне эндоплазматической сети где протекают реакции синтеза снижается температура и соответственно давление до точки 4, в которой давление ниже чем в межклеточной жидкости. Это условно изохорический процесс 3-4, в результате которого вновь появляется перепад давлений между межклеточной жидкостью и средой эндоплазматической сети, но направленный во внутрь клетки. Вновь возникает кооперативный гидродинамический поток по эндоплазматической сети от межклеточной жидкости через внешнюю мембрану во внутрь клетки (условно адиабатный процесс 4-1). При этом в клетку из межклеточной жидкости доставляется новая порция субстратов и других необходимых элементов для протекания следующего функционального цикла клетки. Поток во внутрь продолжается до точки 1, когда давление и температура внутри клетки и в межклеточной жидкости выравняются. Функциональный цикл животной клетки замкнулся.

Цикличность экзотермических реакций окисления и эндотермических реакций синтеза, а также их длительность по времени в процессах 1-2 и 3-4 обеспечивается саморегуляцией. Саморегуляция хорошо изучена в биохимии (см. например, Л- 1 , стр. 40, 41, рис.-20, 21, 22). Все биохимические реакции в клетках протекают при участии биологических катализаторов, ферментов. Скорость ферментативных реакций зависит от концентрации субстратов, концентрации ферментов, но особенно сильно от активности фермента, которая ограничена температурными рамками (см. рис.- 2, рисунок взят из Л-1) и рамками pH. Как только при течении окислительной реакции температура поднимется до предельной величины, активность фермента падает до нуля и реакция прекращается. Тоже самое происходит и с течением эндотермической реакции синтеза, когда снижение температуры ниже определённого уровня снижает активность фермента и реакция также прекращается. Известно что в неравновесной термодинамике описывается реакция Белоусова-Жаботинского, которая является циклической и автокаталитической реакцией окисления – восстановления. Таким образом транспорт веществ внутри клетки и во всём организме обеспечивается кооперативными гидродинамическими потоками энергии с , продуцируемыми в клетках, т.к. только такие потоки способны совершать работу против сил диссипации и совершать внешнюю работу. Когда в биохимии говорят о транспортных РНК и транспортных белках, то под этим нужно понимать не сам процесс перемещения, а только упаковочную роль белков предохраняющих промежуточные продукты реакций синтеза от преждевременного вступления в связи с другими молекулами.

Таким образом в животной клетке действует своеобразный двигатель внутреннего сгорания, преобразующий энергию химических связей в механическую энергию гидравлических потоков биологического раствора. Особенностью биологического двигателя является то, что производство механической работы в биоцикле сопряжено с синтезом высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных субстратов. Так в процесс 1-2, идущий с подводом тепла при постоянном объёме, сопровождается синтезом АТФ, а процесс 3-4, идущий с отводом тепла при постоянном объёме, сопровождается синтезом белков и других высокомолекулярных соединений.

Вся кооперативная энергия в организме вырабатывается на клеточном уровне и расходуется на жизнеобеспечение самой клетки и на внешнюю по отношению к клетке работу (деятельность). Причём каждая клетка в своей жизнедеятельности автономна, воспринимая всё вокруг себя как окружающую среду, с которой производится взаимодействие в рамках соотношения стабильности ( 1 ). Кооперативная энергия в клетке производится благодаря саморегулирующимся экзотермическим и эндотермическим реакциям и способности окружающей клетку среды поставлять субстраты для этих реакций. Синтез необходимых самой клетке и всему организму соединений в клетке происходит по программе активного гена данной клетки и благодаря кооперативной энергии, обеспечивающей работу сборочного конвейера по синтезу соединений. Действие генотипа данного организма проявляется только на уровне клетки, когда через активный ген генома конкретной клетки ей задаётся метаболическая программа синтеза. На обще организменном уровне действие генома проявляется в производстве того или иного типа клеток или веществ, используемых для жизнедеятельности всего организма. При этом специализированные клетки мышц производят кооперативную энергию в количествах необходимых не только самим клеткам, но и для жизнеобеспечения всего организма, например, производя работу против сил трения при движении крови и лимфы, и работу организма против внешних сил (скажем при добывании пищи). Причём совместная работа клеток мышечной ткани не противоречит принципу автономной жизнедеятельности каждой клетки, просто нервный импульс воздействует сразу на группу клеток и они реагируют на этот импульс, не ведая о действиях соседей, воспринимая их лишь как внешнюю среду.

ПРИЧИНЫ И МЕХАНИЗМ РАСКРЫТИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

Рассмотрим механизм переноса вещества через мембрану. “Биологическая мембрана – это плоская структура с расстоянием между поверхностями от 60 до 100 ангстрем, основу которой составляет билипидный слой, пронизанный белками. Однако мембрана не представляет собой статическое, не изменяющееся образование, хотя положение молекул в нём упорядочено. Благодаря жидкокристаллической структуре липидного бислоя, определяющей её поведение как двумерного раствора, липиды сохраняют способность к диффузии в направлении, параллельном поверхности мембраны (латеральная диффузия), без выхода за пределы слоя. Эту способность мембран можно охарактеризовать как их текучесть”. (Л-1). Для нас из этой характеристики важным является то, что мембрана представляет собой не высокий потенциальный барьер на пути кооперативного гидродинамического потока. Это барьер относительно слабых связей между молекулами липидов, о чём свидетельствует текучесть, и поэтому не является не преодолимым. При определённой мощности гидродинамического потока и величине создаваемого им динамического напора в эндоплазматической сети, примыкающей к внешней мембране клетки, связи между молекулами липидого бислоя разрываются и мембрана раскрывается для потока, выпуская его в межклеточное пространство. Когда мощность потока циклически снижаясь, становится не достаточной для разрыва билипидного слоя, связи между молекулами мембраны восстанавливаются и мембрана закрывается. Аналогично раскрывается внешняя мембрана и при течении потоков во внутрь клетки из пространства межклеточной жидкости, когда давление внутри клетки снижается. По тому же принципу раскрываются и мембраны органоидов внутри клетки (например ядра). Рассматриваемое в биохимии участие белков при мембранных переходах заключается в том что и здесь белки играют роль лишь катализаторов для преодоления потенциального барьера билипидного слоя мембраны.

РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ ЭНДОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ СЕТИ

С точки зрения биофизики эндоплазматическая сеть представляет собой внутри клеточную трубопроводную систему по которой, в соответствии с законами термо и гидродинамики, происходит циркуляция биологических растворов. Эндоплазматическая сеть и есть тот конвейер по которому происходит перемещение исходных продуктов и продуктов реакций окисления и синтеза между органоидами клетки и между клеткой и межклеточной средой.

Отметим особое значение диссипативного порога эндоплазматической сети клетки для её жизнедеятельности. Когда в ткани образовалась новая клетка, имеющая относительно низкий диссипативный порог своей эндоплазматической сети, то возникающие кооперативные потоки имеют максимальную мощность в сети, что способствует более широкому раскрытию мембран, более интенсивному питанию клетки из межклеточной жидкости, более частой циклической пульсации и более активной жизнедеятельности. По мере заноса эндоплазматической сети инородными или повреждёнными молекулами увеличивается диссипация возникающей кооперативной энергии и следовательно снижается способность потоков к преодолению потенциальных барьеров билипидного слоя мембран. К тому же и мембраны заносятся инородными или повреждёнными молекулами, снижающими текучесть мембран и повышающими потенциальный барьер. Всё это вместе взятое постепенно повышает диссипативный порог клеточной структуры и снижает интенсивность питания и функционирования клетки вплоть до нарушения соотношения стабильности и гибели клетки. Главная составляющая суммарного диссипативного порога организма создаётся именно на уровне клетки. Это связано с тем что здесь, в эндоплазматической сети, относительно велика площадь поверхности каналов сети по отношению к движущейся массе потока, далее направленная энергия потока из эндоплазматической сети, поступая в межклеточную жидкость и обратно, передаётся на относительно большую массу частиц вовлекаемых в поток, затем именно на клеточном уровне существеннее всего сказывается засорение инородными веществами узких протоков эндоплазматической сети и мембран, в сравнении с протоками, например, кровеносной и лимфатической систем.

ПРИЧИНЫ И МЕХАНИЗМ ДЕЛЕНИЯ ДНК

Теперь рассмотрим с точки зрения динамики эволюции структуру ДНК и процесс её деления. ДНК представляет собой пару длинных антипараллельных цепей полимерных молекул, свёрнутых вокруг одной оси в виде спирали. Спиральные цепи связаны между собой водородными связям между азотистыми основаниями нуклеотидов разных спиралей. Если через водородную связь нуклеотидов действует сила притяжения между двумя спиральными молекулами ДНК и обе спиральные цепочки находятся в равновесии, то согласно 3-го закона Ньютона должна быть сила уравновешивающая водородные связи и направленная в обратную сторону, то есть на разрыв цепочек ДНК. Такой силой является сила упругости свёрнутой в спираль цепочки. Доказательством тому служит тот факт что после деления ДНК на две цепочки они уже не представляют собой спирали, а затем в процессе синтеза двух новых ДНК на матрицах половинок первоначальной ДНК формируются две новые ДНК свёрнутые в спираль. Отсюда следует вывод что если каким-либо образом разорвать несколько водородных связей между нуклеотидами разных цепочек, то равновесие сил связи цепочек и упругих сил спиралей, направленных на разрыв цепочек, нарушится и начнётся процесс деления ДНК. Отметим и такой факт, что спираль ДНК в хромосомах в свою очередь закручена в спирализованные образования вокруг специальных белков. Это дополнительные связи препятствующие делению ДНК. В биологии показано что спирализованные участки хромосом в генетическом отношении не активны. А вот участок ДНК находящийся в ядрышке не спирализован вокруг белка (видимо, кооперативный поток выталкивает белок из ядрышка), и, следовательно, связи между цепочками ДНК здесь наиболее слабые во всей хромосоме. В ядрышке находится активный ген данной клетки (называемый ядрышковым организатором) на котором формируется матрица информационной РНК. На неактивных участках ДНК информационные РНК не формируются, т.к. матрицы не активных генов связаны с белком. Информационные РНК смываются с активного гена кооперативным потоком эндоплазматической системы и выносятся к месту синтеза белка, одновременно в ядро и ядрышко кооперативным потоком вносятся исходные субстраты. Мы уже отмечали что ядрышко это место наиболее слабой связи между цепочками ДНК, поэтому естественное (не вызванное внешними причинами) деление ДНК начинается именно в ядрышке. Выше говорилось, что мощность кооперативных потоков энергии в эндоплазматической циркуляционной системе клетки зависит от количества и качества исходных питательных субстратов, количества вырабатываемых ферментов, чистоты эндоплазматической сети клетки, определяющей величину диссипации энергии в ней, и уровня диссипативного порога всего организма и его систем. Так вот при оптимальном соотношении перечисленных факторов мощность кооперативного потока поступающего в ядрышко достаточна для того чтобы совершить работу по преодолению потенциального барьера сил сцепления между нуклеотидами разных цепочек. Разрыв связей между нуклеотидами в ядрышке инициирует деление всей ДНК. Возможно при инициации деления ДНК в ядрышке участвуют и специальные ферменты, например известный гормон роста, вырабатываемый гипофизом и вызывающий ускоренное деление костных клеток и рост костей. Однако это обязательно происходит в совокупности с относительно интенсивным воздействием кооперативного потока. Скажем в детском возрасте, когда организм имеет низкий диссипативный порог идёт наиболее интенсивное деление клеток и рост организма. Кстати интенсивные потоки способствуют и выработке соответствующих гормонов. Рассмотренный механизм деления ДНК подтверждает генетическую природу онкологических заболеваний. Деление клеток начинается с деления ДНК, а ускоренное деление ДНК происходит по причине ослабления связей между нуклеотидами различных цепочек ДНК. Ослабленные связи или передаются по наследству, и тогда организм имеет предрасположенность к заболеванию, или эти связи ослабляются в некоторых клетках в процессе жизнедеятельности. Например, под воздействием жёсткого излучения или внесения в систему ДНК инородных молекул, изменяется конфигурация цепочек, что может сопровождаться ослаблением связей между нуклеотидами. 

ВЛИЯНИЕ ДИССИПАТИВНОГО ПОРОГА НА РАЗВИТИЕ И РОСТ ОРГАНИЗМА

Рассмотрим с точки зрения динамики эволюции ещё одну сторону биологии. Развитие организма, представляющего собой согласованную совокупность огромной разновидности клеток, всего лишь из одной клетки. Клетки в сложном организме выполняют с одной стороны специализированную роль, скажем формируют ткани определённого типа: кожа, мышцы, нервы, вырабатывают различные ферменты и т. д., с другой стороны каждая клетка имеет полный набор хромосом, позволяющий скажем методами клонирования вырастить целый организм. Специализация клеток определяется активным геном в ядрышке, определяющим метаболический набор действий своей клетки. Все остальные гены, а их в хромосомном наборе каждой клетки, например человека, более десяти тысяч, находятся в не активном состоянии, связанными в хромосоме со специальным белком. Оплодотворённая клетка, с которой начинается рост и развитие организма, работает по программе своего активного гена, находящегося в ядрышке на суперспирали хромосомы. Во время первых актов деления оплодотворённой клетки, которое начинается с деления ДНК, имеющей наиболее слабые связи между нуклеотидами расположенными в ядрышке, производятся одинаковые копии неспециализированных клеток (этап бластулы). Для того что бы в определённый момент начали производиться другие типы клеток, т.е. начали формироваться зачатки различных тканей и органов организма, необходимо что бы в качестве активных генов заработали другие гены, находящиеся в не активном состоянии. А это означает что ядрышковый организатор в некоторых клетках, полученных из первоклетки, должен переместиться в структуре ДНК на другое место, вытесняя связывающий неактивный ген белок и тем самым активизируя новый ген и задавая клетке новую метаболическую программу. Из этой клетки при делении начинают производиться клетки другого типа, формируются тем самым различные ткани и органы. Так вот возникает вопрос, а что и каким образом определяет момент включения силы, перемещающей ядрышковый организатор на новое место в цепочке ДНК? Эту функцию выполняет диссипативный порог формирующейся диссипативной структуры. Происходит это следующим образом. В процессе деления первых неспециализированных клеток формируется много клеточная структура. У этой структуры, в связи с её ростом, постепенно меняется с сторону увеличения и диссипативный порог, т.е. способность системы диссипировать кооперативную энергию, обеспечивающую жизнедеятельность. Это, в свою очередь, изменяет интенсивность питания клеток в растущей структуре и интенсивность деятельности каждой клетки. Причём в много клеточной структуре с началом процесса гаструляции бластулы клетки переходят в условия которые значительно отличаются по диссипативным факторам друг от друга, а поэтому меняется гидродинамика в клетках и питание клеток. Причиной гаструляции может служить снижение давления внутри бластулы из-за потребления крупных биомолекул вновь образованными периферийными клетками бластулы и вывода продуктов их жизнедеятельности за пределы бластулы. Это приводит к сдавливанию бластулы внешним давлением. В определённый момент с начала гаструляции в некоторых клетках изменение мощности гидродинамического потока по описанным причинам приводит к смещению ядрышкового организатора в хромосоме, что в свою очередь приводит к активизации другого гена и данной клетке задаётся новая метаболическая программа. Начинается производство клеток нового типа и формирование зачатков различных органов. Этот процесс активизации генов и включения различных метаболических программ продолжается весь период роста организма. При этом продолжается рост диссипативного порога и рост производства, в силу её повышенной диссипации, суммарной мощности кооперативных потоков энергии, необходимых для обеспечения внутренней жизнедеятельности организма. Когда в детстве организм растёт и диссипативный порог относительно низок это даёт возможность получать достаточно интенсивные потоки энергии Умова-Пойтинга, которые и способствуют делению клеток и росту организма. В этот период деление и образование новых клеток превосходит их отмирание. По мере увеличения числа клеток (роста организма) возрастает суммарных диссипативный порог организма и как следствие падает интенсивность потоков энергии. С некоторого момента устанавливается равновесие между производством новых клеток и их отмиранием, рост организма прекращается. Так как рост зависит от костной системы, то равновесие в первую очередь устанавливается в костной системе, а затем и во всех системах организма. Вся эта последовательность установилась в процессе эволюции. В состоянии равновесия, когда регенерация новых клеток равна их отмиранию, организм может существовать сколь угодно долго. Однако из-за болезней, из-за внесения в организм с пищей и водой не усваиваемых и не выводимых из организма веществ, происходит системное (во всех клетках) увеличение диссипативного порога, что приводит к повышенной диссипации кооперативной энергии в организме. Так как потребление пищи взрослым организмом примерно постоянно, то всё больше кооперативной энергии тратится на функционирование систем самого организма и меньше остаётся на регенерацию новых клеток и внешнюю работу. Рост диссипативного порога и есть старение. И когда кооперативной энергии не хватает на самоподдержание, то нарушается соотношение стабильности и структура разрушается. Напомним что под нарушением соотношения стабильности мы понимаем ситуацию, когда производство кооперативной энергии в диссипативной структуре ниже диссипативного порога данной структуры. Ситуация переходит в зону локального равновесия и у структуры исчезает кооперативная энергия с , дающая возможность производить работу против сил. Структура теряет функциональные способности. Выявить в чистом виде влияние диссипативного порога и соотношения стабильности на рост и формирование организма возможно через клонирование, когда вопрос о влиянии изменений генотипа при оплодотворении снимается.

При развитии много клеточного организма из одной оплодотворённой клетки, организм в начальной стадии проходит через похожие условия, которые формируют сходные диссипативные пороги и как следствие сходные кооперативные потоки. Этим и изначальной эволюционной общностью геномов можно объяснить, например, зародышевое сходство у позвоночных, когда от одной клетки до много клеточной структуры различные зародыши проходят сходную эволюцию своих диссипативных порогов и соответственно формы, которая формируется диссипативным порогом, определяющим гидравлику. К тому же в процессе эволюции все эти этапы закреплялись генетически, о чём будет сказано ниже. Также и форма всего организма и отдельных органов зависит от совокупной системы диссипативных порогов, определяющих питание и интенсивность роста органов и систем. Генотип влияет здесь опосредствованно, через поставку того или иного типа “строительных материалов” для конструкции, а их количество и форма укладки зависят в определяющей степени от диссипативного порога и соотношения стабильности. Этим можно объяснить, например, гигантизм и карликовость одного и того же генотипа. Обратим внимание, что понятию соотношения стабильности при обмене веществ и сохранению баланса энергии в биологии уделяется огромное значение. Я здесь только подчёркиваю значение в первую очередь согласованности энергетического обмена и обязательно за диссипативным порогом, а также строгую последовательность энергопревращений при функционировании биологических диссипативных структур. Вещественный обмен следствие энергообмена.

Описанный механизм позволяет понять и механику приспособления организмов к изменяющимся внешним условиям и закрепление наследственных признаков. Изменение внешних условий (качества пищи, температуры и т.п.) приводит к изменению интенсивности энергетических потоков, что может вызвать в некоторых клетках изменение положения ядрышковых организаторов и включения других нуклеотидов в активный ген. Получается некоторое изменение активного гена и соответственно некоторое изменение метаболической программы. Если эти изменения вписываются в соотношение стабильности и при этом организм получает преимущества по отношению к окружающим, то новый тип закрепляется. В противном случае новый организм гибнет раньше. И резкие скачки эволюции также опробируются в рамках соотношения стабильности. Если по каким-либо причинам (скажем радиации) происходит значительное изменение последовательности нуклеотидов в ДНК и сформировавшиеся по новым генетическим программам структуры позволяют в рамках соотношения стабильности иметь преимущество (иметь скажем способность усваивать новую пищу или иметь значительную избыточную энергию), то такие структуры побеждают в процессе эволюции. Хотя эти явления носят случайный характер, отбор производится строго в рамках соотношения стабильности, т.е. на них накладываются предсказуемые, детерминистские условия.

И ещё отметим следующее. Для сколь угодно длительного существования диссипативной структуры необходимо поддерживать на оптимальном уровне её диссипативный порог. Здесь возможны два варианта: поддержание оптимального диссипативного порога за счёт регенерации новых клеток конкретного организма или поддержание оптимального диссипативного порога в сообществе за счёт воспроизводства новых особей. Природа пошла по второму пути. Во-первых эволюция собственно биологических структур началась с одноклеточных. То что предшествовало клетке нельзя назвать биологией. Процесс регенерации одноклеточных совпадает с их размножением. Растительные особи существуют благодаря постоянной регенерации новых клеток и отмиранию старых, но они обречены на гибель так как их существование связано с постоянным увеличением массы, что в конечном итоге приводит к нарушению соотношения стабильности. Растение обречено погибнуть даже под действием сил гравитации. Животная особь в принципе может поддерживать оптимальный диссипативный порог за счёт постоянной регенерации новых клеток. Однако в природе эта возможность только намечена. Существуют ткани клетки которых на протяжении всей жизни интенсивно регенерируются, например кожа, внутренняя поверхность кишечника, эритроциты крови. Однако в целом животный организм не способен поддерживать на оптимальном уровне свой диссипативный порог. Повышение диссипативного порога, которое наиболее интенсивно происходит именно на клеточном уровне, приводит с определённого момента к снижению производства новых клеток, а в последующем и к нарушению соотношения стабильности и на клеточном уровне и на уровне всего организма.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основой для описания биологических процессов наряду с химией должна стать динамика эволюции. Именно потоки энергии (потоки Умова-Пойтинга) делают био объекты живыми. Для производства кооперативных потоков энергии в каждой животной клетке действует двигатель внутреннего сгорания. В связи с этим встаёт задача выявить, в увязке с генетической структурой, все кооперативные потоки имеющиеся в биоструктуре, все возможные потенциальные барьеры, встающие на их пути (как по причине внешних условий, так и по причине конструкции, архитектуры биоструктуры). Найти способы управления кооперативными потоками и регенерацией клеток в организме для поддержания постоянного уровня диссипативного порога. В качестве примера можно привести способ лечения инфаркта миокарда в клинике проф. Чазова Е.И., когда в поражённую мышцу сердца внедряются здоровые клетки того же сердца и они, размножаясь, вытесняют поражённые ткани. Динамика биологических диссипативных структур в принципиальных основах таже что и любых других диссипативных структур: с одной стороны наличие неравновесности, градиента потенциальной энергии для возникновения сил, вызывающих, согласно 2-го закона Ньютона перемещение массы, и с другой стороны создание условий ограничивающих действие эффекта вырождения результирующего импульса, т.е. перевод физической реальности диссипативной среды за диссипативный порог. Только при соблюдении этих условий возникают кооперативные потоки энергии Умова-Пойтинга, обеспечивающие функционирование организмов и возможность их эволюционного развития.

Возможно с точки зрения биолога я, при описании биологических диссипативных структур, допускаю много не точностей, т.к. не знаю всех тонкостей и глубины биологии. Но моя задача выяснить природу сил и механизмы движений обеспечивающих метаболизм в клетке и жизнедеятельность всего организма, и тем самым показать возможности динамики эволюции. А также показать особое значение диссипативного порога для функционирования и развития биологических структур.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. Био химия для врача. Из-во “Уральский рабочий”, Екатеринбург, 1994г.
2. Гилберт С. Биология развития. Из-во “Мир”, Москва, 1993г.
3. Косарев А.В. Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред. ИПК ”Газпромпечать”, Оренбург, 2001г.
4. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. Из-во "Мир", Москва, 1979г.
5. Термодинамика биологических процессов. АН СССР, институт биологии развития. Из-во "Наука", Москва, 1976г.

Защита интеллектуальной собственности и авторских прав Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения. Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков. Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр. Точные науки и дисциплины Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации. Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение. Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики. Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях. Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им. Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства. Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы. Мозговой штурм Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора. Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда. Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике. Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении. Взгляд в будущее и настоящее Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности. Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний. Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества... Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения. Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете. Гуманитарные науки и дисциплины Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий. Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран. Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными. Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить. Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Назад