Термодинамика клетки. Возникновение цели.

Базовой ячейкой любого живого организма является клетка. Более того, можно считать, что жизнь – это способ существования клеток – особого природного объекта, характеризуемого непрерывным циклическим протеканием химических реакций, преимущественно полимеризации и деполимеризации белков и нуклеиновых кислот. С этой точки зрения многоклеточные организмы – это сложные по структуре колонии родственных клеток, объединившихся для совместного выживания.

Не вдаваясь в сущность химических реакций, происходящих в клетке, можно определить следующие их особенности:

1. Все химические реакции – циклические, т.е. протекают по строго установленному порядку, периодически повторяясь; внутри клетки имеется специальная система обратной связи, следящая за соблюдением повторяемости химических реакций и ее длительным сохранением.

2. Они сопровождаются непрерывным потоком реагентов – в клетку обязательно должны поступать исходные субстраты химических реакций и из неё должны выводиться конечные продукты этих реакций.

3. Исходя из первых двух особенностей, клетка представляет собой открытую систему, тепловая энергия в которую входит с помощью высокоэнергетических веществ, а выходит с помощью веществ с малыми свободными энергиями и, частично, путём теплопередачи.

4. Масса субстратов, входящих в клетку, обязательно превосходит массу выводимых из неё продуктов.

Ниже в §4.9 будут изложены современные данные биологической науки о том, как в природе мог возникнуть такой объект. Сейчас же, не углубляясь в суть происходящих в клетке процессов, рассмотрим, каковы необходимые термодинамические условия её существования. Для этого представим клетку в виде шара с полупрозрачной оболочкой и радиусом R (рисунок 5.1,а[16]).

m₂ RRmin     Q m₁ абв г

Рисунок 5.1

Термодинамическая схема деления клетки: а – потоки вещества и энергии в клетке; б – простейший вариант увеличения поверхности клетки – растягивание её в эллипсоид; в – эволюция эллипсоида в “гантель’; г – деление клетки (завершающая стадия её эволюции)

Химические реакции, протекающие в этом шаре-реакторе, относятся к категории автокаталитических (см § 3.6): по мере их протекания увеличивается масса продуктов, катализирующих реакции между ними и поэтому обуславливающих потребность в увеличении веществ, вовлеченных в эти реакции. Отсюда – непрерывное увеличение клетки в объеме и одновременное пропорциональное увеличение вырабатываемой энтропии. Эта энтропия выводится из клетки в окружающую среду частично в виде тепловой энергии Q, частично в виде низкоэнергетических субпродуктов. Инструментом обмена веществом и энергией клетки с окружающей средой служит оболочка клетки. Таким образом, если рассматривать клетку, как открытую систему, то информация в нее (вернее разность поступающей и выводимой информации), необходимая для компенсации возникающей в процессе химических реакций энтропии, поступает через оболочку.

Ясно, что по мере роста размеров клетки её оболочка возрастает пропорционально квадрату радиуса R, в то время, как масса её реактивов – пропорционально кубу радиуса. Следовательно, количество вовлеченной в химические реакции материи, а значит, и вырабатываемой энтропии, возрастает пропорционально R³, а объем получаемой информации (порядка), призванной скомпенсировать эту энтропию – пропорционально R². Например, если бы радиус клетки удвоился, то энтропия внутри нее возрастала бы в 8 раз, а получаемая информация - только в 4 раза [16]. При определенном радиусе клетки её поверхности будет недостаточно, чтобы обеспечивать протекание упорядоченных (циклических) реакций в ней. Заключенный в клетке механизм сохранения устойчивости – механизм отрицательной обратной связи – вызовет дополнительные процессы, которые должны будут обеспечить необходимый приток информации, компенсирующий возрастающий объем энтропии [16]. Наиболее простой из этих процессов – изменение геометрической формы клетки. На рисунке 5.1 показана схема этого процесса. Сначала шар вытягивается в эллипсоид – наиболее близкое по форме к шару геометрическое тело, у которого при том же объёме площадь поверхности больше. Принципиальное отличие эллипсоида от шара – наличие двух центров симметрии – сравните рисунки 5.1, а и б. Вследствие этого начинается разделение автокаталитического процесса на два параллельных, что приводит в конечном счете к делению клетки на две дочерние – рисунок 5.1 в, г. После деления клетки ее объем разделился на два минимальных:

Следовательно,

(5.1)

Нетрудно установить, что энтропия клетки колеблется в пределах 2:1, а получаемая ею извне информации – в пределах 2:1,3. Таким образом, поддерживается долговременное протекание циклических химических реакций. С удвоением (репликацией) клетки порядок (гармония) в природе возрастает на . Реакции, протекающие в этих дочерних клетках, в точности повторяют реакции родительской клетки до последующего деления на четыре клетки.

Как видим, клетки, а вслед за ними все другие биологические объекты вынуждены, чтобы сохранить заложенный в них уровень гармонии, размножаться в геометрической прогрессии. Именно это обстоятельство приводит к качественному усложнению фактора устойчивости – превращению его в фактор цели.

Цель отличается от устойчивости наличием конкурентной борьбы – чтобы сохранить накопленный в них порядок, потомки клетки вынуждены вступать в конфликт друг с другом за обладание исходными продуктами протекающих в них реакций. Если устойчивость связана с процессами внутри диссипативной системы, направленных на восстановление равновесия при стохастических воздействиях окружающей среды, то цель вызывает процессы, направленные на изменение условий в окружающей среде независимо от того, нарушают они внутреннее равновесие системы или нет. Равновесие внутри биологической системы нарушается не столько из-за воздействия внешних факторов, сколько в результате активных внутренних процессов в ней.

В связи с разнообразием условий существования живых организмов (биологических систем) и их самих цели могут отличаться друг от друга. Но, несмотря на такие различия, все они сводятся к главной всеобщей цели – каждая клетка, каждый многоклеточный живой организм стремятся сохранить и приумножить накопленный в них порядок. Эта цель распадается на две подцели – самосохранение, т.е. сохранение самого живого организма, и воспроизведение себе подобного потомства. Обе эти подцели находятся в сложной взаимозависимости друг от друга. У высокоразвитых организмов главной подцелью является самосохранение. У менее развитых организмов на первый план выходит вторая подцель. В частности, трудность борьбы с некоторыми насекомыми, например, мухами или комарами, связано не столько с тем, что нельзя ликвидировать их самих, сколько с невозможностью борьбы с их потомством.

Генезис устойчивости, как фактора существования диссипативных и управляемых неживых систем, в цель – главный фактор сохранения биологической системы – дал мощный импульс к эволюции – возникновению сверхсложных, высокоинформативных объектов.

В конце 18 столетия английский экономист Т.Р.Мальтус [2,12], изучая воздействие этого важнейшего биологического закона на различные популяции, пришел к печальному выводу о неминуемой гибели части их потомства. По сути дела, мы сталкиваемся здесь с той же проблемой, которая привела к мысли о гибели природы в результате неограниченного нарастания энтропии, только на более высоком уровне сложности. Здесь также действует термодинамический закон необратимости во времени естественных процессов. И так же, как в микромире тенденция к хаосу порождает возникновение структур – систем со сложным порядком, так и в биологии тенденция к неограниченному возрастанию определенного биологического вида порождает возникновение более развитых, более сложных организмов.

В отличие от открытых систем в неживой природе, которые могут длительно устойчиво существовать без изменения количества упорядоченности, живые системы не могут длительно существовать без непрерывного накопления гармонии и, следовательно, усложнения структур. В этом смысле удобно сравнение полета самолета и воздушного шара. Если нахождение на высоте последнего в неподвижном состоянии возможно сколь угодно долго, то первый должен непрерывно двигаться, причем с достаточно большой скоростью.

Ещё раз подчеркнём, что, по сути дела, проведённый анализ термодинамики клетки иллюстрирует генезис фактора цели – его происхождение от фактора устойчивости. Действительно, клетка делится потому, что заложенная в ней обратная связь отслеживает разность между возникающей в процессе химических реакций энтропией и поступающей извне информацией – как только она превышает некоторую норму, включается механизм деления клетки. Как видим, никакой качественной разницы с системой регулирования температуры холодильника нет (см. §4.4). Однако возникающее в результате явление – деление клетки – создаёт в природе новую ситуацию: накопление порядка и, как результат, качественный скачок от устойчивости – сохранения порядка – к цели – его умножению.

Цель – это внутренняя причина возникновения процесса. Например, движение воды в реке обусловлено ее накоплением в районе истока – внешняя причина, а движение мухи – ее желанием приобрести пищу, т.е. внутренняя. Строго говоря, цель – это совокупность причин, возникших миллионы лет назад и записанных в наследственной памяти животных.

Таким образом, появление цели, как фактора накопления гармонии внутри систем с упорядоченной структурой, означает ее новый, более высокий уровень. Исходной причиной, породившей цель, является устойчивость систем обратной связи [2]. Разница заключается в том, что устойчивость обеспечивает сохранение передачи порядка от органа памяти исполнительному органу, а цель – сохранение порядка в самом органе памяти, даже при условии, что сам исполнительный орган может быть разрушен. Носителем цели является орган управления живым организмом. Этот орган не только сохраняет ранее приобретенную гармонию, не только обеспечивает устойчивую передачу этой гармонии исполнительному элементу организма, но и стремится накопить более высокую степень упорядоченности.

В конечном счете, именно наличие цели во всех живых организмах и явилось тем "конструктором", который "разработал" и "осуществил" фантастические "изделия" живой природы.

Все, что сказано в этом параграфе, имеет феноменологический характер, т.е. объясняет общее течение процесса в клетке, не раскрывая его механизма. Последнее будет сделано в следующих параграфах.

Дата добавления: 2015-08-27