Московский государственный университет печати

Горбачев В.В.


         

Концепции современного естествознания. В 2 ч.

Учебное пособие


Горбачев В.В.
Концепции современного естествознания. В 2 ч.
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Часть I

Предисловие

1.1.

Введение

1.1.1.

Этапы развития и становления естествознания

1.1.2.

Общие проблемы естествознания на пути познания Мира

1.2.

Механика дискретных объектов

1.3.

Физика полей

1.4.

Теория относительности Эйнштейна - мост между механикой и электромагнетизмом

1.4.1.

Физические начала специальной теории относительности

1.4.2.

Общая теория относительности

1.5.

Основы квантовой механики и квантовой электродинамики

1.6.

Физика Вселенной

1.6.1.

Модели происхождения Вселенной

1.6.2.

Современные модели элементарных частиц как первоосновы строения материи Вселенной

1.6.3.

Фундаментальные взаимодействия и их мировые константы

1.6.4.

Модель единого физического поля и многомерность пространства-времени

1.6.5.

Устойчивость Вселенной и антропный принцип

1.6.6.

Ньютоновская модель развития Вселенной

1.6.7.

Антивещество во Вселенной и антигалактики

1.6.8.

Механизм образования и эволюции звезд

1.7.

Проблема «порядок-беспорядок» в природе и обществе

1.8.

Симметрия и асимметрия в их различных физических проявлениях

1.9.

Современная естественнонаучная картина мира с точки зрения физики

2.

Часть II. Физика живого

Введение

2.1.

От физики существующего к физике возникающего

2.1.1.

Термодинамические особенности живых систем

2.1.2.

Энергетический подход к описанию живого

2.1.3.

Уровни организации живых систем и системный подход к эволюции живого

2.1.4.

Физическая интерпретация биологических законов

2.1.5.

Пространство и время для живых организмов

2.1.6.

Энтропия и информация в живых системах

2.2.

Физические аспекты и принципы

2.2.1.

От атомов к протожизни

2.2.2.

Химические процессы и молекулярная самоорганизация

2.2.3.

Биохимические составляющие живого вещества

2.2.4.

Клетка как «элементарная частица» молекулярной биологии

2.2.5.

Роль асимметрии в возникновении живого

2.3.

Физические принципы воспроизводства и развития живых систем

2.3.1.

Информационные молекулы наследственности

2.3.2.

Воспроизводство и наследование признаков

2.3.3.

Процессы мутагенеза и передача наследственной информации

2.3.4.

Матричный принцип синтеза информационных макромолекул и молекулярная генетика

2.4.

Физическое понимание эволюционного и индивидуального развития организмов

2.4.1.

Онтогенез и филогенез. Онтогенетический и популяционный уровни организации жизни

2.4.2.

Физическое представление эволюции. Синтетическая теория эволюции

2.4.3.

Аксиомы биологии

2.4.4.

Признаки живого и определения жизни

2.4.5.

Физическая модель демографического развития С.П. Капицы

2.5.

Физические и информационные поля биологических структур

2.5.1.

Физические поля и излучения функционирующего организма человека

2.5.2.

Механизм взаимодействия излучений человека и окружающей среды и возможности медицинской диагностики и лечения

2.5.3.

Устройство памяти. Воспроизводство и передача информации в организме

2.6.

Физические аспекты биосферы и основы экологии

2.6.1.

Структурная организованность биосферы

2.6.2.

Биогеохимические принципы В.И. Вернадского и живое вещество

2.6.3.

Физические аспекты эволюции биосферы и переход к ноосфере

2.6.4.

Физические факторы влияния Космоса на земные процессы

2.6.5.

Физические основы экологии

2.6.6.

Принципы устойчивого развития

Контрольные вопросы

Литература

Темы курсовых работ, рефератов и докладов

Вопросы к зачету и экзамену

Словарь терминов

Указатели
690   именной указатель
3016   предметный указатель
58   указатель иллюстраций
Рис. 2.2.1. Свободная энергия и химическая связь в молекулах живых организмов Рис. 1.6.5. Масштабы Вселенной Рис. 1.6.6. Масштабы микромира Рис. 2.2.2. Структура белка - миоглобина Рис. 2.2.3. Структура 20 аминокислот, встречающихся в белках Рис. 2.2.4. Строение нуклеотида - мономера нуклеиновых кислот Рис. 2.2.5. Двойная спираль молекулы ДНК Рис. 2.2.6. Построение нуклеиновой кислоты из нуклеотидов Рис. 2.2.7. Структура АТФ Рис. 2.2.7. Структура АТФ Рис. 2.2.8. Схема получения свободной энергии с участием АТФ Рис. 2.2.9. Схема образования молекулы АТФ Рис. 2.2.10. Схема цикла Липмана по участию молекул фосфора в энергетических процессах живого организма Рис. 2.2.11. Структура ненасыщенных и насыщенных жирных кислот Рис. 2.2.12. Растворение ионного конца жирной кислоты в воде Рис. 2.2.13. Растворение углеводородных цепей мыла в масле Рис. 2.2.14. Строение клетки Рис. 2.2.15. Клеточный цикл Рис. 1.8.1. Зеркальная симметрия молекул воды (а) и бутилового спирта (б)

Прогресс в биологии - это
переход от ложного знания
к истинному незнанию.


В.Я. Александров.


Что там за ветхой занавеской тьмы?
В гаданиях запутались умы.
Когда же с треском рухнет занавеска,
Увидим все, как ошибались мы.

Омар Хайям

Omne vivum ex vivo
(«Все живое от живого).

Ф. Реди

Жизнь - это плесень на
поверхности небесных тел.

Джинс

Возникновение жизни на Земле и ее биосферы является одной из основных проблем не только современного естествознания, но и философии, и религии. На протяжении всего развития человечества этот вопрос волновал и волнует нас до сих пор. По этому поводу существует несколько гипотез. Остановимся кратко на главных из них: креационистской, теории самопроизвольного зарождения, существования жизни вечно, занесение элементов жизни из КосмосКосмоса и биохимической эволюции.

Согласно креационистской теории сотворения жизни на основе толкования Библии предполагается, что животный, растительный мир и Человек создаются БогБогом сразу по его желанию, как говорится, во всей своей красе и всем разнообразии. При этом все эти творения Бога были созданы в совершенной гармонии и не требуют своего дальнейшего развития. Любопытно, что, в рамках этой теории, на основе анализа возрастов и родственных связей лиц, упоминаемых в Библии, это произошло в 9 часов утра 23 октября 4004 г. до н.э.! Очевидно, это умозрительная теория, не находящая своего подтверждения в современной науке.

В противоположность этой теории еще в древности в Китае и Египте была выдвинута идея самопроизвольного непрерывного зарождения живого из неживого. Эти представления поддерживали древнегреческие мыслители (АристотельАристотель, ПлатонПлатон) и более поздние ученые (Галилей Г.Галилей, Бэкон Ф.Бэкон, Декарт Р.Декарт, Гегель Г.В.Ф.Гегель, Ламарк Ж.Б.Ламарк). Согласно Аристотелю, частицы вещества содержат «активное начало», дающее возможность зародиться живому, например лягушки и насекомые при определенных условиях заводятся в сырой почве, в стоячей воде - черви и водоросли, в протухшем мясе при гниении - личинки мух.

Первый ощутимый удар по этой теории нанес Реди Ф.Франческо Реди, который в 1688 г. проделал опыт с закрытыми и открытыми сосудами, где были помещены мертвые змеи. В открытом сосуде мухи откладывали свои яйца и из них развивались личинки мух. В закрытом сосуде этого не происходило - отложенные на закрывающую банку кисею яйца не давали личинок. Из этих опытов и возник известный принцип Ф. Реди «все живое от живого». В дальнейшем Пастер Л.Пастер и Тиндаль Дж.Тиндаль показали, что при определенных условиях (стерилизация, а в дальнейшем возник и термин «пастеризация») живые организмы - Вирусывирусы - не могут возникать. Однако на самом деле это еще не является доказательством невозможности возникновения живого из неживого.

Согласно современным представлениям предполагается, что жизнь возникла из неживой материи, но только в условиях, сильно отличающихся от современных, и за длительный промежуток времени - в течение сотен миллионов лет. Можно также предположить, что появление жизни является обязательным этапом эволюции материи, и такое событие могло происходить неоднократно и в разных частях Вселенной.

Гипотезой о внеземном происхождении жизни является теория Пансмерияпансмерии - занесения «зародышей жизни» из КосмосКосмоса. Предполагается, что в мировом пространстве имеются частицы вещества, пылинки, на которых могут быть живые споры микроорганизмов. Попадая на планету с подходящими для микроорганизмов условиями, они и порождают жизнь на этой планете. В настоящее время получены космохимические данные, указывающие на возможность возникновения органических веществ, характерных для живых организмов, химическим путем в космических условиях. При изучения вещества метеоритов (главным образом хондритов) и комет были обнаружены спирты, карбониловые соединения, вода, синильная кислота, формальдегиды и т.д. Большая часть молекул, обнаруженных в межзвездных облаках, относится к простейшим соединениям углерода, в том числе к Аминокислотааминокислотам. Предшественники аминокислот в 1975 г. были найдены и в лунном грунте.

Поскольку метеориты типа углистого хондрита довольно часто падают на Землю из КосмосКосмоса, можно предположить, что образование органических соединений в Космосе - не такое уже редкое событие, скорее типичное и довольно распространенное. Несмотря на то что о существовании жизни вне Солнечной системы сказать пока однозначно и определенно достаточно сложно, существует гипотеза о возникновении жизни на Земле практически одновременно с моментом образования самой Земли - около 4,6 млрд. лет тому назад. И тогда условно можно считать, что жизнь зародилась в момент создания Солнечной системы, в том числе и Земли, т.е. в Космосе. Любители экстравагантных доказательств этой теории находят свои аргументы в доказательствах прилетов инопланетян на Землю, НЛО, наскальных, топологических рисунках на поверхности Земли (вспомните фильм Деникен Э. (фон)фон Деникена «Воспоминания о будущем»!) и т.д. Следует заметить, что эта гипотеза не дает ответа на вопрос о механизме изначального возникновения жизни, а просто переносит эту проблему в другое место во Вселенной.

Если действительно считать, что, по данным ядерной геохронологии, длительности геологической эволюции Земли и жизни на ней близки друг к другу, то такая ситуация привлекает сторонников другой теории происхождения жизни на Земле - вечного ее существования. В этом смысле эта модель близка к теории вечного существования жизни во всей Вселенной. На самом деле логичная идея всеобщей эволюции должна приводить к пониманию того, что жизнь возникла где-то на этапе перехода от космохимической эволюции к геохимической и затем биохимической эволюции. Остается «только» найти время и место возникновения живого в этой цепочке! В эволюционном процессе изменения условий для возникновения жизни можно предположить, что жизнь на Земле может совпадать с образованием и существованием материи. Такой точки зрения придерживался наш великий глобалист естествоиспытатель Вернадский В.И.В.И. Вернадский: жизнь и материя неразрывны, взаимосвязаны и между ними нет временной последовательности. Эту мысль подтверждает палеонтолог Соколов Б.С.Б.С. Соколов: «Даже на «сумасшедший вопрос» - что древнее - Земля или жизнь на ней, мы не можем дать определенного ответа. Возможно, они почти ровесники и поэтому предпочтительнее говорить о появлении жизни на нашей планете, а не о ее происхождении» [ссылка на источники литературы].

Во всяком случае, в современном естествознании идея эволюции нашего мира находит свое применение и к возможности появления жизни из неживого на этапах развития материи от неорганического мира к органическому и далее к биологическому. Как указывал в 1912 г. Тимирязев К.А.К.А. Тимирязев: «Мы вынуждены допустить, что живая материя осуществлялась так же, как и все остальные процессы, путем эволюции... Процесс этот, вероятно, имел место и при переходе из неорганического мира в органический». В более широком смысле эволюцию мира, в течение которой происходит и появление жизни как феномена нового состояния материи, необходимо увязывать с Космологиякосмологической эволюцией в целом. Ее этапы можно представить себе следующим образом: БВ <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
излучение + вещество <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
Галактики, Вселенная <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
планеты <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
первичная атмосфера <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
вторичная атмосфера, гидросфера <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
образование органических веществ, Аминокислотааминокислот <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
коацерватные капли - Естественный отборестественный отбор, мутация <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
Дезоксирибонуклеиновая кислотаДНК - Рибонуклеиновая кислотаРНК <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
белок.

Так что же надо, чтобы объяснить возникновение жизни с точки зрения физики и химии, какие нужны условия для появления живого из неживого? Считается, что нужны четыре основных условия: наличие определенных химических веществ, наличие источника энергии, отсутствие газообразного кислорода <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
и безгранично долгое время. Из необходимых химических веществ вода имеется в изобилии на Земле, а неорганические соединения присутствуют в горных породах, в газообразных продуктах извержений вулканов и в атмосфере. Необходимую энергию обеспечивало и дает до сих пор в первую очередь Солнце, затем тепло от вулканов, горячей лавы, гейзеров и от радиоактивного распада элементов земных пород, ультрафиолетовое и космическое излучение, молнии.

Предполагается, что жизнь могла возникнуть, когда атмосфера Земли не содержала кислорода <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Дело в том, что кислород, взаимодействуя с органическими веществами, разрушает, окисляет их и лишает тех свойств, которые делали бы их полезными для предбиологических систем. Поэтому если бы органические молекулы на ранней Земле вступали в реакцию с <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, то они существовали бы недолго, не давая химической эволюции, т.е. не образовывали бы более сложных структур. Кстати, в этом одна из причин того, что самопроизвольное зарождение жизни из органических веществ в наше время невозможно, так как наша атмосфера - окислительная, т.е. богатая кислородом.

Из геологических данных известно, что древнейшие породы Земли образовывались в то время, когда ее атмосфера не содержала <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, а состояла к моменту предполагаемого зарождения жизни из водяных паров, двуокиси углерода и азота. В древних породах Земли находят железо в 2-валентной восстановленной форме, а в более молодых породах - в 3-валентной форме, т.е. в окислительной форме.

Возникали простейшие химические реакции

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.2.1)

которые приводили к образованию <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, а затем и <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, создавая восстановительную атмосферу. Атмосферы других, самых больших планет Солнечной системы, Юпитера и Сатурна, состоят и в настоящее время из газообразного водорода <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, аммиака <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
и воды <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. При этом Земля не могла удержать легкий водород, он рассеивался в космическом пространстве, так же как и тот водород, который получался при разложении аммиака NH3 под действием солнечного излучения.

Что касается фактора времени, то заметим, что химические реакции, приводящие к образованию новых веществ, могут протекать с разными скоростями. Такие превращения первородной атмосферы Земли требовали миллионов лет. Однако с учетом предполагаемого времени образования Земли в 4,6 млрд. лет простые подсчеты показывают, что даже если вероятность события, от которого зависело возникновение хотя бы однажды простейших форм жизни, составляет 0,001, то за время около 10000 лет оно обязательно произойдет. Поэтому как бы ни казалось маловероятным появление живых систем, времени для этого было настолько много, что на самом деле это событие было неизбежным. Например, первые известные остатки Прокариотпрокариотических клеток были обнаружены в горных породах, сформировавшихся «всего» на 1,1 млрд. лет позднее образования Земли.

Наиболее обоснованной в современном естествознании выглядит теория Абиогенная эволюцияабиогенного происхождения жизни Опарин А.И.А.И. Опарина, выдвинутая им в 1923 г. [ссылка на источники литературы]. Она основывается на физико-химических представлениях, об условиях на ранней Земле, связывая их с геологической эволюцией, эволюцией химических элементов Солнечной системы, а также активностью Солнца, и удовлетворяет упомянутым выше основным условиям возникновения жизни. Основной идеей этой теории было обоснование того, что зарождение жизни - это длительный процесс зарождения живой материи в недрах неживой. Опарин предположил, что сложные органические соединения возникли в океане из более простых соединений. Разнообразие этих простых соединений в атмосфере и протоокеане, обилие солнечной энергии, действовавшей длительное время, привели к образованию «первичного бульона», в котором стали возникать более сложные органические соединения и конгломераты их в виде «коацерватных капель».

Причем это был процесс самопроизвольного превращения неорганических соединений в «кирпичики жизни» - биомолекулы: Аминокислотааминокислоты, Нуклеотиднуклеотиды, Полисахаридполисахариды и т.д., которые мы рассмотрим в подразд. 2.2.3. «Коацерватная» идея Опарина об Абиогенный абиогенном, т.е. небиологическом, происхождении преджизненных форм материи, возникновении под действием электрических разрядов и коротковолнового излучения органических молекул без участия живых организмов была экспериментально доказана Миллер С.С. Миллером в 1953 г. Удалось создать сходные условия при наличии электрических разрядов в атмосфере смеси метана, аммиака и воды. В результате реакции появились некоторые вещества, которые входят в состав живых организмов: аминокислоты, глутаминовые кислоты и простые сахара, а впоследствии и Нуклеиновая кислотануклеиновые кислоты. Появилась жизнь в пробирке! Органические соединения должны были возникать в этих восстановительных условиях при наличии энергии и вдали от равновесия.

Сам процесс биохимической эволюции по Опарину можно представить в виде нескольких этапов.

  1. Переход воды в процессе охлаждения Земли из парообразного состояния в жидкое, образование раздельных атмосферы и гидросферы и последующая их эволюция. При этом шел синтез простейших неорганических соединений.

  2. Энергетическое воздействие Солнца, электрических разрядов, космического излучения привело к образованию из неорганических соединений (<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
) органических и накоплению их в первичном океане.

  3. Дальше шел этап постепенного усложнения органических соединений и образования белковых структур.

  4. Важным этапом явилось выделение белковых структур из среды, образование Гидрофильностьгидрофильных комплексов и создание вокруг Белокбелков водной оболочки. Вот эти комплексы, согласно терминологии Опарина, и образуют коацерваты, составные части которых (Полипептидполипептиды, Полинуклеотидполинуклеотиды) выработали способность обмениваться энергией и веществом с отделенной от них Окружающая средаокружающей средой и тем самым резко увеличивать скорость биохимических реакций. Это в дальнейшем привело к ускорению темпов в целом всей эволюции живого во времени.

    Так, от протобионтов до появления аэробов (организмов, существующих в кислородной среде, «питающихся» кислородом <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
) потребовалось 3 млрд. лет, до образования растений и животных ~500 млн. лет, птиц, млекопитающих и первых позвоночных ~100 млн. лет, приматов - 12-15 млн. лет, человека - 3 млн. лет. Конечно, здесь сыграли свою роль и многие другие факторы, в частности законы Естественный отборестественного отбора и приспособляемости живых организмов к изменяющимся условиям внешней среды, а на уровне «химии жизни» - появление Ферментыферментов и Автокаталитическая репликацияавтокаталитических реакций.

  5. Образование Гидрофобностьгидрофобных липидных границ между коацерватами и внешней средой привело к созданию полупроницаемых мембран, обеспечивающих стабильность функционирования коацервата.

  6. НуклеотидНуклеотиды коацерватов оказались способными связываться друг с другом по принципу дополнительности, образуя цепи молекул, тем самым обеспечивая эволюцию сложных соединений путем саморегуляции.

  7. И наконец, в процессе эволюции появилась возможность самовоспроизводства при возникновении Генетический кодгенетического кода. Предполагается, что таким образом образовалось Живое веществоживое вещество. Согласно концепции Вернадский В.И.В.И. Вернадского [ссылка на источники литературы], в образовавшейся биосфере есть Косное веществокосное вещество, которое остается неизменным, и Живое веществоживое вещество, изменяющееся в процессе эволюции. Заметим, что само это живое вещество влияет на ход эволюции. Современные условия жизни на Земле в значительной степени созданы жизнедеятельностью организмов. Так, практически весь кислород, содержащийся в атмосфере Земли в настоящее время, - это продукт Фотосинтезфотосинтеза, происходящего в живых организмах - растениях.

Любопытно также, что Вернадский связывал возникновение жизни с гигантским скачком (Бифуркациябифуркацией - в рамках Синергетикасинергетики), который прервал безжизненную эволюцию земной коры и внес в нее столько противоречий, что они смогли породить жизнь, «не как возникновение какого-то отдельного живого организма, а именно их совокупности, отвечающей геохимическим требованиям жизни» [ссылка на источники литературы]. КоацерватКоацерваты как предвестники в дальнейшем Клеткаклетки живого организма могут уже «жить сами по себе»: увеличиваться в размерах, делиться на части, обмениваться энергией и веществом с Окружающая средаокружающей средой, участвовать в химических реакциях и т.д.

В результате этого возникает первичный круговорот веществ в природе, связанный со взаимным обменом органических Абиогенное веществоабиотических веществ в процессах их синтеза и распада. При этом уже можно считать, что шел процесс Естественный отборестественного отбора и на этом уровне сохранялись более устойчивые соединения, а малоустойчивые распадались. В процессе этого отбора сохранялись лишь такие коацерваты, которые не теряли структуры даже при своем делении, что уже является свойствами самоорганизации и самопроизводства. Если при этом в коацерват попадает молекула, также способная к воспроизведению, и возникает Перестройкаперестройка оболочки коацервата, то может образоваться простейшая живая Клеткаклетка, а из нее при получении энергии и вещества из первичного бульона - развиться и простейший организм.

Сам Опарин считал, что, когда в процессе этого обмена и химических реакций появляются Нуклеиновая кислотануклеиновые кислоты, процесс химической эволюции как борьбы протобионтов заканчивается. Можно считать, что переход к живому осуществляется, когда на «смену соревнованию в скорости роста приходит борьба за существование» [ссылка на источники литературы]. При появлении надежного механизма воспроизведения генетической информации процесс непосредственного возникновения жизни завершился. В дальнейшей эволюции эра химической эволюции закончилась, началась эра Биологическая эволюциябиологической эволюции, время Естественный отборестественного отбора. В этих условиях уже недостаточно было просто выжить, нужно было быть способным получать энергию наиболее эффективно и оптимально использовать ее для своего развития.

В течение длительного времени организмы были Гетеротрофы гетеротрофными, т.е. питающимися органическими молекулами из окружающего бульона или другими организмами. Гетеротрофное питание осуществляется за счет расщепления с помощью Ферментыферментов органических веществ и усвоения продуктов этого расщепления. Грибы некоторые растения, животные и человек являются гетерофобными организмами. Следующим шагом эволюции живого стало появление Автотрофы автотрофных организмов, которые способны синтезировать питательные вещества из неорганических соединений. В результате появления автотрофов живой мир перестал зависеть только от органических веществ, которые в целом медленнее образовывались на Земле по сравнению с неорганическими, и Земля могла дать возможность существовать гораздо большему числу живых существ. Таким образом, первичной биотической основой являются именно Автотрофыавтотрофы. Автотрофные растения и организмы являются пищей для Гетеротрофыгетеротрофов - животных, грибов, Бактериябактерий, т.е. таких живых организмов, которые непосредственно не могут усваивать энергию извне.

Другим важным моментом в эволюции жизни стало появление аэробных организмов, в основном Эукариотыэукариотов, обладающих кислородным дыханием и возникших в окислительной среде. Клетка аэробнаяАэробные клетки, активно питающиеся кислородом, усваивают энергию в 10 раз большую, чем анаэробные, и поэтому эукариоты с их кислородным дыханием в десятки раз более эффективно используют энергию Солнца. Заметим, что первоначальной формой живых организмов были Прокариотпрокариотические, являющиеся анаэробными, т.е. возникшими и существующими в некислородной первородной атмосфере Земли и не потребляющими кислорода.

Примитивная атмосфера Земли, состоящая из водорода <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, метана <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, аммиака <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, воды <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, была восстановительной, а автотрофы должны были возникнуть именно в таких условиях, т.е. анаэробно. И если бы Клеткаклетки живого организма не достигли своей высокой организованности и защищенного состояния (оболочка), то кислород <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
не дал бы возможности развиваться жизни, окисляя химические соединения, из которых должны были образовываться биологически функциональные молекулы.

Само существование и развитие жизни подтверждает Биогенныйбиогенное происхождение современной окислительной атмосферы Земли. По геологическим данным, следы Прокариотпрокариотов и Анаэробанаэробов были обнаружены в осадочных породах в Австралии, возраст которых составляет около 3,9 млрд. лет. Этим же возрастом можно датировать возникновение анаэробной жизни и прокариотической биосферы. Прокариоты освоили реакцию фотосинтеза и произвели смертельный для них кислород. Постепенное накопление кислорода в атмосфере и океане препятствовало эволюции прокаритов, вело к их гибели и появлению Эукариотыэукариотов с их кислородным питанием. Дальнейший рост кислорода привел к образованию озонового слоя в атмосфере и позволил жизни выйти из океана на сушу, что значительно ускорило процесс эволюции живого.

Заметим, что первичной биотической основой жизни следует считать автотрофов. Автотрофные растения и животные являются пищей для Гетеротрофы гетеротрофов - таких живых организмов, которые не могут усвоить энергию непосредственно извне. Поэтому Автотрофыавтотрофы, прежде всего растения, осуществляющие процесс Фотосинтезфотосинтеза, имеют для гетеротрофной жизни на Земле космическое значение. Фиксируя в продуктах фотосинтеза солнечную энергию, они выполняют для нас роль как бы космического очага. Ежегодно растения образуют до 150 млрд. тонн органических веществ и запасают до <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
кДж энергии Солнца. При этом они усваивают из атмосферы до 300 млрд. тонн углекислого газа и разлагают до 130 млрд. тонн воды, выделяя около 130 млрд. тонн кислорода. Практически жизнь на Земле целиком зависит от фотосинтеза автотрофов. В настоящее время анаэробы существуют лишь там, где недостаточно кислорода для поддержания аэробной жизни.

Описанные процессы перехода к фотосинтезу и автотрофному питанию можно рассматривать как очередную Бифуркациябифуркацию в эволюции живого. Таких бифуркаций в эволюции нашей планеты было несколько, и мы их специально рассмотрим в главе 2.6. Заметим, что взаимодействие гетеротрофов и автотрофов в процессе их жизнедеятельности приводит к изменению внешних условий для живых организмов, которое вынуждало эти организмы приспосабливаться к новой среде и тем самым еще больше изменять ее. Поэтому в ходе эволюции жизни на Земле среда формировала организмы, а живые организмы формировали среду.

Современное естествознание в целом исходит из Абиогенная эволюцияабиогенного происхождения жизни по модели Опарина.

Быть может, эти электроны -
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом -
Вселенная, где сто планет;
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же
Их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь.

В. Брюсов. Мир электрона

В этом разделе мы постараемся дать кратко те сведения из химии, которые будут полезны для развития представлений о физике живого. Поскольку в основе жизнедеятельности любого живого организма лежат биохимические процессы, напомним физический смысл тех терминов и понятий, которые описывают химические процессы и реакции. Все материальные тела неживой природы состоят из атомов и молекул, что позволяет говорить об общности строения различных видов материи, в том числе молекул веществ, состоящих из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц. Под Атом атомом понимают электронейтральную квантово-механическую частицу, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, распределенных по оболочкам. Химический элемент Химический элемент - это определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. В основе периодической системы элементов Менделеев Д.И.Д.И. Менделеева как раз и лежит представление, что свойства химического элемента зависят от заряда атома и это определяет место элемента в таблице.

В природе атомы в своем индивидуальном виде встречаются достаточно редко. Это связано с тем, что для большинства химических элементов атомы обладают способностью отдавать или присоединять электроны, что обусловлено особенностью строения их электронных оболочек. Если атом имеет незаполненные внешние электронные оболочки, он нестабилен и легче вступает в химические реакции, отдавая или приобретая электроны на свою внешнюю оболочку в зависимости от Валентность валентности - способности атома к образованию химической связи. Поэтому реакционная способность элемента, его активность в химических реакциях определяются количеством электронов на внешних оболочках атома.

Вещество, которое состоит из атомов, в определенном соотношении объединенных определенной химической связью, является химическим соединением. Под химической связью понимается определенное взаимодействие атомов через их электроны, приводящее к заданной конфигурации атомов, по которой одни молекулы отличаются от других. Молекула Молекула - это наименьшая частичка вещества, обладающая его химическими свойствами. Поскольку все электроны одинаковы и при образовании химических связей переходят от одной молекулы к другой и уже не принадлежат какому-то отдельному атому, то атомы теряют свою индивидуальность и свойства соединений отличаются от свойств составляющих его элементов.

Понятие «молекула» было введено французским химиком Гассенди П.П. Гассенди именно как «соединение атомов». Структура молекулы определяется пространственной и энергетической упорядоченностью квантово-механической системы, образованной электронами и атомными зарядами. Напомним, что поскольку электроны подчиняются законам квантовой механики, то при химических взаимодействиях надо представлять не определенные траектории электронов, соединяющих атомы и молекулы между собой, а некие «электронные облака», вероятность нахождения которых в пространстве определяется, как нам известно из подразд. 1.2.5, квадратом модуля волновой функции <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
.

Реакция химическая Химические реакции - это превращение одного или нескольких исходных веществ в отличающиеся от них по химическому составу и строению другие вещества. Химические реакции не меняют ни общего числа атомов, ни изотопного состава. Характеристиками химических реакций являются равновесная степень превращения, скорость реакции и глубина протекания. На языке физики все химические реакции - не что иное, как перестройка электронов в атомах электронов, участвующих в реакциях, в то время как ядра атомов в процессе этой реакции остаются незатронутыми.

Молекулы и атомы находятся в непрерывном тепловом движении, сталкиваясь друг с другом. Этот процесс происходит как самопроизвольно, так и под действием температуры, ионизирующих излучений, электрического тока, механических воздействий, катализаторов, и им можно управлять. При соударениях молекул выделяется достаточное количество энергии для разрыва связей, их перестройки, формирования нового набора атомов, изменения их числа, т.е. образования новых соединений. Это и есть физическое понимание химических реакций, которые могут быть Реакция химическая обратимая обратимыми и Реакция химическая необратимая необратимыми в зависимости от энергии реакции. Самопроизвольно реакция идет в сторону уменьшения энергии веществ и увеличения энтропии в ходе реакции. Обычно это отмечается стрелкой в химическом уравнении, направленной в сторону более низкой суммарной энергии связи в полном соответствии с принципами термодинамики: реакция идет, если в ходе ее свободная энергия системы уменьшается. Если реакция обратима, то стрелки направлены в обе стороны:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.2.2)

Если знать энтропии веществ, участвующих в реакции, то можно определить условия, при которых возможно ее протекание.

Если реакция сопровождается выделением тепла, ее называют Реакция химическая экзотермическая экзотермической, если поглощением - Реакция химическая эндотермическая эндотермической. С точки зрения характера химической связи и энергетики реакции, наиболее зависимыми от условий протекания реакции являются соединения переменного состава, в которых связи между элементами ослаблены. Можно также заметить, что термодинамическое воздействие влияет на направленность химических процессов, а не на скорость их протекания, которая определяется кинетикой процесса. Физически же причина и ход всех химических реакций объясняются двумя условиями: возрастанием энтропии в ходе самопроизвольной реакции и стремлением к уменьшению свободной энергии.

Представления о химических связях и реакциях тесно связаны с понятиями о химической системе и химическом процессе. Химические системы могут быть равновесными и неравновесными. В равновесных системах идут обратимые химические реакции, а в неравновесных - протекают необратимые процессы, как правило, цепные и разветвленные реакции. Как мы уже знаем, именно в них возникают Флуктуацияфлуктуации неустойчивости, и развитие процессов в таких системах подчиняется законам нелинейной динамики.

Химический процесс представляет собой последовательную смену состояний химической системы, в ходе которой образуется новое химическое вещество. Взаимодействие электронов и молекул приводит к изменению состава или структуры нового вещества. Важную роль здесь играет энергетика: стабильность соединения и возможность его перестройки и участия в химическом процессе будут зависеть от устойчивости электронных оболочек его атомов. Менее устойчивое соединение обладает большей свободной энергией, стабильное (упорядоченное, более организованное) - меньшей. Чтобы заставить вступить в реакцию разные соединения, надо сообщить устойчивому соединению дополнительную энергию, которую шведский химик Аррениус С.С. Аррениус назвал Энергия активации энергией активации<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Она определяет скорость протекания реакции К:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.2.3)

где К - газовая постоянная, T - температура, <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
- скорость реакции при T = 0.

Формула (2.2.3) близка по форме и физическому смыслу распределению Больцмана, хорошо описывающего хаотический характер взаимодействия участвующих в реакции частиц вещества.

Обычно, чтобы снизить порог начала реакции, требуется уменьшить эту энергию активации. Этого можно достичь путем катализа. Катализ Катализ - это такой процесс изменения скорости реакции или ее начала под действием или участии особых веществ - катализаторов, которые участвуют в реакции, но не входят в состав ее конечных продуктов. Катализаторы не сдвигают равновесий в химической системе: они ускоряют и прямую, и обратную реакции . Закономерности катализа были открыты русским химиком Кирхгоф Г.Р.Кирхгофом в 1812 г. Существуют и вещества, замедляющие процесс реакции, они называются Ингибиторы ингибиторами. В Биологиябиологии ингибиторами являются такие молекулы, которые. связываясь с Биокатализбиокатализаторами - Ферментыферментами, блокируют какую-то стадию Ферментативный катализферментативной, т.е. ускоряющейся, реакции.

В настоящее время технология получения до 80% различных химических веществ основана на каталитических процессах. Каталитическими являются и многие биохимические процессы в живой Клеткаклетке, в которой роль катализаторов играют ферменты. Например, природным биокатализатором является Хлорофиллхлорофилл, представляющий собой комплексное металлорганическое соединение в живой ткани зеленого листа растений. ФерментыФерменты - белковые катализаторы - дают возможность быстро осуществлять химические реакции при низких температурах живого организма. Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, они отличаются от них тем, что функционируют в рамках живых систем. Катализаторы были известны давно и широко использовались еще в древности, применяются и в настоящее время в виноделии, хлебопечении, сыроварении, выделке кож и в других технологических химических процессах.

Роль катализатора может играть не только конкретное химическое вещество, но и сам химический процесс. Достаточно давно уже были известны такие химические реакции, в которых конечный продукт ускоряет процесс, т.е. он сам становится катализатором. Такие процессы получили название Автокаталитическая репликация автокаталитических. Они имеют большое значение для живых организмов, так как биохимические процессы в них носят преимущественно автокаталитический характер. Кстати, рассмотренная нами ранее реакция Белоусова - Жаботинского как раз и является автокаталитической. Таким образом, понимание существа химических процессов и самих свойств соединений основано на представлениях о строении атомов и молекул, их квантово-механическом взаимодействии при химических превращениях.

В химических превращениях помимо атомов и молекул участвуют также молекулярные образования, которые получили название Радикал свободный свободных радикалов. Их обозначают точкой сверху над символом элемента, например <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Они получаются из обычных молекул при отрыве от них отдельных атомов или даже групп атомов и содержат атомы элементов в ненасыщенном состоянии. Насыщаемость есть характеристика Валентностьвалентности связи, и она определяет, тем самым, способность атомов вступать в химическую реакцию. Попросту говоря, это оборванные химические связи, «свободные» места для присоединения других электронов и образования новой связи. Этим объясняется сильная химическая активность свободных радикалов.

Радикалы участвуют в промежуточных стадиях реакции, и при этом энергия активизации каждой последующей стадии реакции может понижаться. И если при этом промежуточные продукты реакции содержат ненасыщенные валентности, то это понижение особенно заметно. Примером реакции через промежуточные стадии может служить реакция образования хлористого водорода

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.2.4)

Первая ненасыщенная связь образуется при внешнем воздействии. Например, при поглощении света происходят расщепление молекулы хлора на два атома и отрыв электронов от молекулы. Затем реакция за счет появления Радикал свободныйсвободных радикалов идет самопроизвольно, очень быстро и эффективно: один Фотонфотон способен образовать около 100 тысяч молекул хлористого водорода. Каждый раз согласно схеме реакции (2.2.4) вместо ненасыщенной Валентностьвалентности одного атома (<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
) возникает свободный радикал другого (<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
), и этот процесс идет поочередно.

По существу, это так называемая Реакция химическая цепная цепная реакция, которая может происходить не только в виде рассмотренной выше фотохимической реакции. В дальнейшем в работах нашего известного ученого, нобелевского лауреата по химии за 1956 г. Семенов Н.Н.Н.Н. Семенова и его научной школы были развиты представления о разветвленных цепных реакциях, которые выходят за рамки чисто химических процессов и могут использоваться в других моделях живой природы, технологиях и даже Социумсоциуме. В частности, такие представления с успехом были применены для описания реакций деления ядер урана и лежат в основе ядерных технологий мирного и военного использования ядерной энергии. На рис. Рис. 2.2.1. Свободная энергия и химическая связь в молекулах живых организмов даны представления об изменении свободной энергии при образовании химических связей в биоорганических молекулах живых организмов.

К особым формам химического вещества относятся также и Макромолекуламакромолекулы. Они могут состоять из большого числа атомов, до нескольких тысяч, и обладают в отличие от обычной молекулы качественно новыми свойствами, как это имеет место в соотношении целого и его частей. Молекула органическая Органическими молекулами являются те, которые содержат углерод, образованные из него вещества также относят к органическим. Их насчитывается более 1700 тысяч. Одним из важных химических процессов органической химии является Полимеризация полимеризация - синтез макромолекул Полимерполимеров. Для образования каждой новой химической связи, а следовательно и полимера, требуется энергия (8-12 Дж/моль), так как все биологические полимеры находятся в водной среде, где весьма вероятен их Гидролизгидролиз.

Полимеры не имеют кристаллической структуры и образованы из большого числа повторяющихся звеньев - органических макромолекул. Упомянутые каталитические реакции и процессы играют особую роль в образовании макромолекул. Термин «полимер» ввел в 1833 г. шведский химик БерцелиусБерцелиус. Наряду с полимеризацией могут идти и процессы Деструкция деструкции - разрушение полимеров, распад их до мономеров. Оба процесса происходят как самопроизвольно, так и направленно, в зависимости от условий протекания реакции и возможного воздействия на нее.

Рассмотрим теперь одно из важных для биохимии жизни органических соединений - аминокислоты. Аминокислота Аминокислоты - это такие органические соединения, которые служат основным элементом построения растительных и животных Белокбелков и поэтому играют особую роль в жизни организмов, участвуя в обмене азотистых веществ. Свободные аминокислоты содержат Карбоксильная группакарбоксильную группу (-COOH) и Аминогруппааминогруппу (-<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
), присоединенные к одному атому углерода С:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.2.5)

Они обладают свойствами и кислот, и оснований. Напомним, что Кислота кислоты - химические соединения, характеризующиеся диссоциацией в водном растворе с образованием ионов водорода <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, а Основание основания - диссоциацией с образованием иона <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Замена атома водорода в кислоте металлами образует Соли соли, а растворимые в воде основания являются Щелочи щелочами.

Природных аминокислот свыше 170, однако только 20 из них служат мономерными звеньями цепей, из которых построены полимерные молекулы всех Белокбелков. Соединяются между собой Аминокислотааминокислоты и аминокислотные остатки, образующиеся при удалении атома водорода от аминокислоты, пептидной связью (-СO - NH -), которая соединяет Аминогруппааминогруппу одной кислоты или остатка с Карбоксильная группакарбоксильной группой другой. Полипептидная цепь образуется в результате повторения актов пептидной связи. На N-конце этой цепочки - свободная <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
группа, на другом, С-конце - COOH карбоксильная группа.

Поэтому аминокислотные остатки являются Полимерполимерами Полипептидполипептидов. Если заменить хотя бы один атом или одну аминокислоту в полипептиде, то возникает новая молекула с другими свойствами и структурой. Каждый остаток имеет постоянную часть и вариабельные концевые или боковые части, через которые осуществляется пептидная связь таким образом, что формируется непрерывная основная цепь белковой молекулы. Каждая Аминокислотааминокислота имеет свое значение кислотности pH, при которой аминокислота электрически нейтральна. При увеличении pH водного раствора аминокислоты выступают как доноры положительных ионов водорода <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, а при уменьшении - как их акцепторы. Химические связи в цепях полипептида могут иметь разный характер. Между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот или их остатков возникает ионная связь, могут быть также водородные и ковалентные связи, что и определяет многофункциональность и значение аминокислот при построении Белокбелков живого организма. Аминокислоты входят также в состав других Макромолекуламакромолекул - Нуклеиновая кислотануклеиновых кислот.

Проблема самоорганизации сложных макромолекулярных структур имеет общие корни с проблемой Самосборкасамосборки белков живых организмов: за очень короткое время полимерная цепочка из определенных аминокислотных звеньев точно складывается в определенную молекулярную конструкцию, формируя именно данный конкретный белок. Таким образом, процессы химической самоорганизации органических молекул играют важнейшую роль в предбиологической эволюции живых организмов. В настоящее время в химических Науканауках сформировалось новое направление - эволюционная химия - наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем, в основе которой лежат представления о решающей роли Катализкатализа при переходе от химических систем к биологическим.

В 1964 г. Руденко А.П.А.П. Руденко была предложена теория химической эволюции и Биогенезбиогенеза, где было показано, что эволюционирующими элементами в развитии предбиологических химических систем являются те структуры и органические соединения, которые усиливали активность и селективность действия катализаторов. Таким образом, и на этой стадии эволюции природы происходил отбор наиболее «нужных» ей веществ для создания живых организмов. По существу, самопроизвольная в природе Автокаталитическая репликацияавтокаталитическая реакция «служит» делу эволюции, являясь как бы орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов. В этом смысле Биокатализбиокатализ с участием ферментов связан с проблемами биогенеза и происхождения жизни.

В Биологиябиологии роль таких катализаторов выполняют специфические белковые Протеинпротеины - Ферментферменты. Эти макромолекулы ферментов обладают такой пространственной конфигурацией, которая дает возможность изменить скорость реакции. Молекулы веществ, участвующих в реакциях, стремятся присоединиться к активным участкам молекул фермента. Тем самым повышается вероятность их столкновения и, следовательно, начала химической реакции. Самоуправлением в химических процессах как раз и занимается автокаталитическая реакция: продукт этой реакции начинает управлять ее скоростью и даже самой возможностью протекания.

Другой моделью добиологической фазы образования макромолекул и их эволюции является теория молекулярной самоорганизации Эйген М.М. Эйгена [ссылка на источники литературы], которая позволяет применить физические представления теории информации, Кибернетикакибернетики и термодинамики для эволюции живых организмов. В этой модели организм рассматривается как открытая термодинамическая система, которая обменивается веществом, энергией и информацией с Окружающая средаокружающей средой. Эти условия, как мы помним, наряду с обеспечением за счет такого обмена стационарного неравновесного состояния системы являются причиной процесса ее самоорганизации. Об обмене энергией мы уже много говорили ранее, подчеркнем лишь еще раз, что живая открытая система пытается получить от окружающей среды именно свободную энергию и отдать ей «омертвленную» для него связанную энергию - энтропию, которую нельзя превратить в работу для процессов, происходящих в живом организме.

Предполагается, что обмен веществом (в биологии это называется Метаболизм метаболизмом) и информация связаны между собой. Метаболизм можно также рассматривать как совокупность всех химических реакций в живой Клеткаклетке, приводящих к необходимому для нее обмену веществ. Молекулы-мономеры, переходя из внешней среды в организм, несут информацию, которая внутри организма перерабатывается и закрепляется при процессах Полимеризацияполимеризации и Деструкциядеструкции. Другими словами, первоначальная информация об окружающем мире для живого организма закодирована химическим путем. Например, «память» Макромолекуламакромолекул - это фиксированная последовательность химических связей. Полимеризация идет путем самоинструктированной Репродукциярепродукции (воспроизведения) образованных макромолекул. Если скорость репродукции больше скорости распада Биополимерыбиополимеров, то макромолекулы растут, в противном случае - распадаются.

При этом необходимо учитывать потоки поступающих мономеров от внешней среды в организм и самовоспроизведение в нем макромолекул. Эти процессы описываются Нелинейные уравнениянелинейными кинетическими уравнениями переноса и взаимодействия молекул. Внешние ограничения и потоки тем самым создают в системе отбор, и согласно этим представлениям можно говорить о Селекцияселекционной ценности информации для физики эволюции живого. По Волькенштейну, «вымирают» те макромолекулы, которые не обладают максимальной селекционной ценностью. Физическое понимание количественного представления принципа Естественный отборестественного отбора Дарвин Ч.Дарвина как раз и будет определяться ценностью информации, которую Шмальгаузен И.И.И.И. Шмальгаузен [ссылка на источники литературы] сравнивал со степенью незаменимости ее для живого организма. Можно также заметить, что естественный отбор имеет место и в неживой природе. Более сложные органические молекулы являются более стойкими к излучению, чем простые, и таким образом шел процесс накопления в природе более сложных конфигураций молекул.

Такой подход вносит физический смысл в дарвиновское определение «наиболее приспособленный». Информация в теории Эйген М.Эйгена является молекулярным свойством, она оценивается по способности макромолекул к саморепродукции. В теории молекулярной самоорганизации Эйгена делается попытка установить взаимосвязь этой «ценной для выживания» информации с физическими свойствами системы - параметрами действующих статистических сил и динамическим воздействием молекул. Таким образом, не любые макромолекулы могут быть предшественниками живых систем, а лишь те, которые обладают необходимыми информационными свойствами, и тем самым дарвиновская Эволюцияэволюция в форме Селекцияселекции и отбора реализуется уже на добиологической стадии развития.

Для самоорганизации перехода от макромолекулы неживой природы к биомакромолекулам живой необходимы еще два условия. Это - самовоспроизведение нужных организму молекул и способность Генгенов - элементов, отвечающих за Наследственностьнаследственность, - к рекомбинации, или образование при случайных изменениях новых признаков, т.е. создание новой информации. Под самоорганизацией в этой теории понимается не только процесс накопления информации при оттоке энтропии при упорядочении организма, но и возможность построения в условиях теплового хаотического движения молекул некоторой структурной копии этой информации, как бы передачи ей плана строения и функционирования исходной структуры в создаваемых макромолекулярных комбинациях.

Однако тепловые Флуктуацияфлуктуации не дают возможности точного воспроизведения информации. Это и приводит к возникновению ошибок, или, как их обозначают в биологии, Мутация мутаций. Согласно Кастлер Г.Г. Кастлеру [ссылка на источники литературы], запоминание случайного выбора - это возникновение новой информации для развития организма. Матричное копирование (как оно осуществляется молекулами нуклеиновых кислот Дезоксирибонуклеиновая кислотаДНК и Рибонуклеиновая кислотаРНК, мы рассмотрим подробнее в главе 2.3) Биополимерыбиополимера на языке химии и означает автокаталитический процесс, так как по своей сути Автокатализавтокатализ приводит к убыстряющемуся самовоспроизведению. В этом смысле химическая система, способная к эволюции, должна быть автокаталитической, т.е. способной к самовоспроизведению.

Передача накопленной генетической информации в молекулах нуклеиновых кислот идет через синтез. Взаимодействие Нуклеиновая кислотануклеиновых кислот и Белокбелков в живой Клеткаклетке приводит к образованию макроскопических функциональных структур, способных к самовоспроизведению, отбору и эволюции. Важную роль играет цикличность этих процессов образования белков. Химические реакции самоорганизуются таким образом, что циклическая организация химических реакций одного уровня становится элементом цикла другого, более высокого, уровня. Возникают, по Эйген М.Эйгену, Гиперцикл гиперциклы, которые определяют Репродукциярепродукцию последующих белков. Гиперциклы осуществляют роль самовоспроизводящейся системы реакций. Реальный гиперцикл, построенный из нуклеиновых кислот и синтезируемый ими с помощью Ферментыферментов белков, обеспечивает отбор Макромолекуламакромолекул с объемом информации и ее ценностью, достаточными для возникновения живого организма.

Необходимой информации можно добиться, если максимально разнообразить множество этих реакций, увеличить их скорости и диапазон действий. По существу, это дает организму те представления, на основе которых он действует. Цикл тем и хорош, что, повторяясь многократно в процессе эволюции, он приводит как бы к настраиванию управляющей системы и тем самым ведет к образованию новых, уже более совершенных механизмов управления и тех параметров, по которым оно происходит. В таком случае развитие обеспечивает каждому поколению организмов все большую свободу по отношению к Окружающая средаокружающей среде, увеличивает дальнейшее разнообразие его реакций. В этом смысл гиперцикла, который, возможно, отражает имеющуюся в целом цикличность явлений и процессов на Земле и в КосмосКосмосе.

Одновременно происходит усложнение структур, повышение уровня их Организацияорганизации и уменьшение энтропии внутренних состояний. В физическом понимании гиперцикл может быть представлен периодической во времени волновой структурой, возникновением предельного цикла - аттрактора.

Когерентное взаимодействие объектов обеспечивает условия для возникновения и существования открытой устойчивой неравновесной макроскопической системы живого организма, который тем самым может быть анализирован в представлениях Синергетикасинергетики. Когерентность процессов в самоорганизующихся системах через малые, но правильно пространственно организованные управляющие параметры (сигналы возникшей информации) и приводит к Селекцияселекции необходимой для организма «инструктирующей» информации. Система самоорганизуется так, что на создание и переработку этой информации уходит большая часть поступающей извне энергии, в результате чего полезная часть информации выделяется из информационного шума. Переход от одного уровня организации к другому идет через хаотические состояния при конкуренции с другими Структураструктурами. Хаотичность возможных состояний означает, что самоорганизующаяся система, прежде чем выбрать какое-то определенное состояние, должна находиться в целом наборе других.

Это означает, что сам живой организм участвует в отборе и передаче необходимой ему для развития информации и в целом в управлении своей жизнедеятельностью. В ходе эволюции возникновение новой информации определяется запоминанием мутаций и генетических рекомбинаций при возникновении нового изменения пли вида и закреплением этой информации в генах. Генная информация передается из поколения в поколение только после ее преобразования в биогеоценозе, частью которого является Популяцияпопуляция особей. В этом смысл самовоспроизводства и саморегуляции живых саморазвивающихся систем.

Можно предположить, что появление гиперцикла как раз и связано с переходом от неживых органических молекул неживой природы к биомакромолекулам живой, с преодолением барьера между живым и неживым. Следует заметить, что модель Эйген М.Эйгена молекулярной самоорганизации материи хорошо согласуется с представлениями нелинейной динамики и термодинамики неравновесных процессов Пригожина для открытых систем, в том числе с уменьшением энтропии при самоорганизации. Гиперцикл проявляет себя как открытая система с нелинейной динамикой роста процессов. Физическая модель Эйгена самоорганизации молекул дает количественную основу для возможного объяснения естественнонаучным путем возникновения живого, но, конечно, она не может объяснить реальный исторический путь эволюции, поскольку процессы перехода от простых молекул к «молекулам жизни» имеют Стохастическийстохастическую природу при большом разнообразии выборов.

В основе любой самоорганизации физической, химической или биологической системы изначально лежит Случайностьслучайность, Флуктуацияфлуктуация или Мутациямутация. В целом же можно считать, что понимание основных Принциппринципов эволюции как самоорганизации на молекулярном уровне не требует привлечения новых физических законов (может быть, пока!). Единые Законзаконы управляют физическими процессами в живой и неживой природе на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля. Вероятно, отличие состоит лишь в конкретных механизмах проявления этих законов.

Имеющиеся в теории гиперциклов представления о Метаболизмметаболизме, самовоспроизведении, мутабельности и селекционной ценности информации позволяют связать дарвиновский эволюционный принцип, теорию информации, нелинейную динамику и термодинамику неравновесных процессов в рамках Биологиябиологии и новой Синтетическая теория эволюциисинтетической теории эволюции. Более того, можно предположить, что селекционные и эволюционные свойства нуклеиново-белковых гиперциклов более предпочтительны по сравнению с другими механизмами для объяснения возникновения живой природы из неживой.

Так как истина вечно уходит из рук -
Не пытайся понять непонятное, друг.
Чашу в руки бери, оставайся невеждой,
Нету смысла, поверь, в изученьи наук.

Омар Хайям

Как мы уже отмечали, нет никаких различий в строении молекул элементов, образующих живую и неживую природу. Однако из известных к настоящему времени 111 химических элементов, встречающихся на Земле, в живых организмах встречаются не так уж и много - всего 16. Причем четыре из них (водород, углерод, кислород и азот) составляют 99% массы живого вещества. Это связано с физическими и химическими свойствами: их Валентностьвалентностью и способностью образовывать прочные ковалентные связи между атомами. Следует отметить, что в живом организме происходят всевозможнейшие превращения разнообразных крупных молекул и их соединений, главным элементом которых является углерод. Можно считать, что в основе клеточной химии лежат углеродные соединения, в которых атомы углерода связываются между собой наиболее прочной из всех химических связей - ковалентной, обеспечивающей стабильность химического соединения (а значит, и стабильность живого организма).

Атомы углерода могут образовывать разветвленные длинные цепочки не только друг с другом, но и с атомами кислорода. Учитывая известный нам антропный принцип, можно даже сказать, что мы живем в углеродной Вселенной. Поскольку ранее предполагалось, что молекулы углерода присущи только живому, соединения с углеродом получили название органических. Развитие химии и особенно работы русского химика Бутлеров А.М.Бутлерова по структурной химии привели к созданию органической химии, которая занимается изучением углерода и синтезом его соединений. Напомним, что, по его положению, в таблице Менделеев Д.И.Менделеева ядро углерода содержит 6 Протонпротонов и 6 Нейтроннейтронов, вокруг ядра вращается 6 Электронэлектронов, масса атома равна 12. При различных химических реакциях углерод присоединяет 4 электрона и образует устойчивую оболочку из 8 электронов, т.е. обладает валентностью, равной 4. Сегодня соединений углерода известно гораздо больше, чем соединений всех остальных элементов периодической таблицы Менделеева. Большая их часть не встречается в живых организмах.

Любопытно, что в неживой природе среди распространенных на Земле элементов углерод занимает лишь 16-е место. В атмосфере Земли углерод составляет менее 0,01 весового процента, в гидросфере - около 0,002, в Литосфералитосфере - около 0,1, причем в литосфере углерод распространен в 276 раз меньше, чем кремний. Вероятно, определяющим фактором того, что углерод стал главным строительным материалом живых организмов, является его функциональность в высокоорганизованных Структураструктурах. Кроме прочных ковалентных связей углерод образует с другими атомами и многоэлектронные связи, в том числе и гибкие Лабильностьлабильные связи, с различными энергиями их образования и способностью возникновения новых разнообразных связей, образуя тем самым длинные линейные и разветвленные цепи с бесконечно большим их разнообразием.

Атомы углерода могут выступать и как доноры, и как акцепторы, способствуя перемещению электронов в химических связях. К другим жизненным макроэлементам относятся также сера S, фосфор P, ионы натрия Na, кальция Ca, магния Mg, хлора Cl, калия K, железа Fe. Эти элементы, так или иначе участвующие в жизнедеятельности, получили название Органогены органогенов. К микроэлементам относятся медь Cu, марганец Mn, цинк Zn, кобальт Co, бор B, алюминий Al, кремний Si, молибден Mo, ванадий V, йод I. Они имеют важное функциональное значение - например, йод регулирует процессы обмена, атомы магния участвуют в образовании Хлорофиллхлорофилла, железо входит в состав Гемоглобингемоглобина. В живом организме могут присутствовать также неорганические соединения в виде минеральных веществ, растворенных в воде организма.

Напомним, что возникновение соединений определяется свободной энергией образования их молекул <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. По определению, энергия DG0 образования наиболее стабильной формы каждого элемента при стандартных условиях (T = 298 K и P = 0,1 МПа) равна нулю. Если <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
> 0, то образуемая форма нестабильна. При термодинамическом равновесии наиболее стабильному соединению соответствует отрицательное и наибольшее по абсолютной величине значение <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Для воды <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
оно равно -224 Дж/моль, для кварца <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, основного компонента земной коры, <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
= -768 Дж/моль. Было установлено, что все важнейшие молекулы Аминокислотааминокислот, Углеводыуглеводов и Фосфатфосфатов при условиях, оптимальных для жизни, являются термостабильными. Этим и объясняется их широкое распространение не только на Земле, но и в Космосе.

Кроме углерода большое значение для жизненных процессов имеет фосфор, входящий в фосфаты, при расщеплении которых выделяется необходимая организму энергия. По-видимому, с этим связано то, что количество фосфора в живых организмах превышает его количество в любых других средах, исключая лишь литосферу.

Живые организмы образуются из всевозможных малых органических молекул-мономеров, которые при объединении создают Макромолекуламакромолекулы. В биохимии их называют также биологическими молекулами. В рукотворной химии - это обычные полимерные цепочки. Процесс строительства биомолекул из мономеров обратим: макромолекулы могут разлагаться до мономеров, и такой процесс происходит в желудочно-кишечном тракте животных. Биомолекулы пищи распадаются до молекул-мономеров, которые затем всасываются в кровь и используются живым организмом для создания тех макромолекул, которые нужны именно этому организму.

В биохимии особую роль играют три класса малых молекул мономеров: аминокислоты, Нуклеотиднуклеотиды и Моносахаридмоносахариды. Они служат теми «кирпичиками», из которых затем строятся полимерные биологические макромолекулы - Белокбелки, Нуклеиновая кислотануклеиновые кислоты и Полисахаридполисахариды. Размер мономеров 0,5-1 нм, в то время как макромолекулы достигают размеров от 3 до 300 нм. Размер атомов углерода, кислорода, азота и водорода, из которых в основном и состоят биологические молекулы, составляет в диаметре около 0,4 нм; диаметр молекул аминокислоты 0,5 нм; диаметр небольшого белкового образования 4 нм, хромосомы ~ 1 нм. Однако заметим, что Атоматомы в 100000 раз меньше Клеткаклетки. Кстати, в свою очередь, диаметр клетки в 100000 раз меньше человеческого роста. Английский ученый Кендрью Дж.Дж. Кендрью [ссылка на источники литературы] приводит такое сравнение: если увеличить дождевую каплю до размеров земного шара, то атом будет размером с человека, а его ядро - размеров Бактериябактерии.

В дополнение к рис. Рис. 1.6.5. Масштабы Вселенной Рис. 1.6.6. Масштабы микромира по масштабам макро- и микромира можно привести для сравнения характерные размеры и других объектов. Толщина человеческого волоса 0,1 мм (<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
см), расстояние до линии горизонта на уровне моря 4 км (<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
см), окружность экватора Земли 40 000 км (<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
см), расстояние до Луны всего в 10 раз больше экватора - 400 000 км (<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
км), до Солнца - <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
км. Радиус Вселенной предполагается равным <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
световых лет.

Исходя из атомных характеристик, можно объяснить поведение и малых, и больших макромолекул. ОрганеллыОрганеллы, клетки и живые организмы являются просто совокупностями макромолекул. Тогда, применяя методы статистического описания элементарных единиц жизни на квантовом уровне, можно попробовать описать жизненные процессы как поведение атомов в рамках синергетического подхода. В этом смысле жизнь определяет квантово-механическая динамика атомной структуры вещества живого организма.

Все живые организмы содержат четыре основных класса органических веществ - Белокбелки, Нуклеиновая кислотануклеиновые кислоты, Углеводыуглеводы и Липидлипиды. Рассмотрим кратко эти классы Биополимерыбиополимеров.

Белок Белки. Широкий диапазон выполняемых белками функций находит свое отражение в разнообразии их химических структур и пространственных форм. На рис. 2.2.2Рис. 2.2.2. Структура белка - миоглобинапоказана структура белка - миоглобина, который содержится в мышцах животных и человека. Белковая цепь миоглобина свернута таким образом, что несколько отдельных участков ее цепи оказываются сближенными в пространстве и формируют центр для образования Гемгема (он на рисунке показан черным) - железосодержащую группу, способную присоединить кислород. Следует особенно подчеркнуть роль белков в организации живого вещества. Белки представляют собой полипептидные последовательности 20 стандартных Аминокислотааминокислот, о которых мы уже говорили в подразд. 2.2.2. Синтез белка осуществляется путем последовательной поликонденсации отдельных аминокислотных остатков, от амино (N) конца полипептидной цепи к ее карбоксильному (С) концу.

Карбоксильная группаКарбоксильная группа (-COOH) и Аминогруппааминогруппа (-<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
) каждой из аминокислот присоединяется к одному и тому же атому углерода С. К этому же атому С присоединится и одна из многих возможных боковых групп, образуя тем самым ту или иную аминокислоту (рис. 2.2.3Рис. 2.2.3.  Структура 20 аминокислот, встречающихся в белках). Как видно из рис. 2.2.3, все они, за исключением кролина, имеют одинаковую основу

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.2.6)

и отличаются только строением боковой группы R. Все используемые организмом в белках 20 аминокислот и различаются этими присоединенными атомами или соединениями. В организме человека синтезируется 12 аминокислот, 8 должны поступать с пищей. Заметим также, что всего в Клеткаклетках и тканях может содержаться до 170 аминокислот. Таким образом, аминокислоты являются для макромолекулы белка мономерами. Белок, содержащий тысячи аминокислот, синтезируется в живой клетке за 5-6 мин.

Свойства белков определяются пространственной трехмерной структурой их цепей. Эти белковые цепи могут самопроизвольно свертываться в строго определенные структуры, геометрия и динамика которых определяются составом и порядком аминокислотных остатков в цепи. Поскольку синтезирующиеся Полимерполимеры находятся в водном растворе организма в виде статистического клубка, то они не образуют стабильных и идентичных для трехмерных структур вех макромолекул. Какой получается по своей функциональности и специфичности белок - зависит от Генетический кодгенетического кода Дезоксирибонуклеиновая кислотаДНК и исполнения его в Рибонуклеиновая кислотаРНК.

Белки являются тем строительным материалом в живой природе, в котором преобразуется тепловая энергия хаотического движения в энергию более высокого порядка - механическую и энергию стереоспецифических внутримолекулярных взаимодействий. Если в неживой природе тепловая энергия рассеивается при установлении равновесия, то роль белков в живой природе заключается в преобразовании тепловой энергии хаоса в нужные для развития и функционирования живого организма энергии. Тем самым белки, с одной стороны, обладают способностью взаимопревращения всех необходимых для жизни энергий (тепловой, механической, химической, световой), а с другой - уникальной способностью зарождения порядка живого из хаоса.

Эта способность и обусловлена их пространственной химической Структураструктурой. Причем белок может иметь первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру. Под первичной понимают химическую формулу белка, представленную в виде линейной последовательности аминокислотных остатков и определяющую порядок их чередования. Все остальное - это различные уровни этой линейной последовательности в пространстве. Вторичная структура представляет собой спираль, в которой отдельные Аминокислотааминокислоты соединены водородной связью, третичная образует клубок (Глобулаглобулу) из белка одной природы. а четвертичная - клубок из Белок глобулярныйбелковых глобул, различных по своей природе и структуре.

Взаимодействие между отдельными участками цепи определяется характером химической связи (водородной, ковалентной, ионной) и той последовательностью расположения аминокислот в полипептидной цепи, о которой мы уже говорили. После того как аминокислоты соединяются в определенной последовательности, цепь автоматически закручивается, образует петли и свертывается в присущую ей правильную структуру, т.е., по существу, происходит Самосборкасамосборка белковых молекул в трехмерном пространстве. Если теперь растянуть полипептидную связь и затем отпустить, то сколько бы раз это ни делать, она каждый раз опять свертывается в присущую для каждого вида цепи структуру.

Изменяя в цепи лишь одну аминокислоту, мы получим молекулу с совершенно другой структурой, а значит, и свойствами. Заметим, что цепь длиной уже в 1000 звеньев дает безграничные возможности формирования таких свойств белка, которые полностью отсутствуют в каждой отдельной молекуле. Огромное разнообразие живых организмов на Земле в основном определяется различиями в составе и пространственной форме составляющих их белков. Различают Белок глобулярныйглобулярные белки, которые принимают участие в Катализкатализе, транспорте, регуляции, и фибилярные Белокбелки. К последним относятся Коллагенколлаген, Кератинкератин и Фиброинфиброин шелка, которые играют структурную роль.

Коллаген является наиболее распространенным белком млекопитающих. Он образует основу сухожилий, костей, кожи и хрящей. Структурной единицей коллагенового волокна является тропоколлагеновая молекула, состоящая из трех полипептидных цепей, каждая из которых содержит около 1000 аминокислотных остатков. Белки-глобины участвуют в переносе кислорода.

Глобулярный белок - Гемоглобингемоглобин - входит в состав красных клеток крови - Эритроцитыэритроцитов. Присутствием гемоглобина обусловлен красный цвет крови. Гемоглобин обладает способностью связывать молекулярный кислород. Одна его молекула присоединяет к себе одновременно четыре молекулы кислорода. Причем в легких, где давление кислорода больше, происходит присоединение кислорода к гемоглобину, в тканях, где давление ниже, кислород освобождается и происходит его диффузия в Клеткаклетки. В клетке кислород взаимодействует с уже упомянутым нами белком - Миоглобинмиоглобином, который может связать кислород, но только одну его молекулу. Тем самым молекулы кислорода переходят от гемоглобина к миоглобину и хранятся там до тех пор, пока не потребуются. Миоглобин тоже красного цвета и этим объясняется красный цвет мяса.

В известной степени все биосистемы являются творениями белков, и именно они отвечают за фундаментальные свойства живого - разнообразие его органического мира, избирательность и эффективность процессов жизнедеятельности, целесообразность форм организмов, самоорганизацию живой материи; они - активное начало жизни. В чистом виде белок является веществом белого цвета, что и определяет его название.

Кроме структурных Белокбелков к классу белков относятся еще и специальные белки - Ферментыферменты, которые выполняют роль тех Биокатализбиокатализаторов, о которых мы уже говорили, ускоряющих, а также регулирующих процесс биосинтеза структурного белка. Скорость биохимической реакции при наличии фермента может возрасти в 10 млрд. раз! Примером действия фермента является знакомый всем любителям кошек по запаху процесс разложения мочевины на двуокись углерода и аммиак, который идет при наличии фермента - Уреазауреазы:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.2.7)

Ферменты имеют активный центр, форма и химическое строение его такие, что с ним могут соединяться только вещества, на которые этот фермент действует, так называемые субстраты. Субстрат Субстрат - это какая-то молекула, которая после взаимодействия с ферментом превращается в другую молекулу. Фишером было установлено правило «замок - ключ»: к ферменту (замок) подходит лишь свой субстрат (ключ). Важно отметить, что эта простая модель для сложных механизмов взаимодействия молекул работает гибко и надежно в условиях непрерывного хаотического теплового движения самих молекул. Попробуйте-ка вставить ключ в замок вибрирующего устройства! Ферменты приспособлены для определенной операции или регулировки обмена веществ. Энгельгардт В.А.В.А. Энгельгардт сказал, что «о ферментах, как и о людях, судят по их поведению». Дубнищева Т.Я.Т.Я. Дубнищева [ссылка на источники литературы] приводит интересную метафору: белки могут производить буквы, но не могут складывать их в слова. Может быть в том, каким образом «вставляются» аминокислоты в белки, и состоит один из секретов жизни. Указание об этом, информацию о топологии построения белковых структур несут в себе нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновая кислота Нуклеиновые кислоты являются самыми крупными молекулами, образуемыми живыми организмами. Они существует в виде полимерных макромолекул, участвующих в хранении и передаче наследственной информации. Это, во-первых, Дезоксирибонуклеиновая кислота дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), содержащая генетическую информацию о последовательности аминокислот в полипептидных цепях и тем самым определяющая структуру белков. Во-вторых, Рибонуклеиновая кислота рибонуклеиновая кислота (РНК), которая ответственна за создание белков. В управленческой структуре на «фабрике жизни» ДНК представляет законодательную власть, а РНК - исполнительную.

В качестве мономеров нуклеиновых кислот выступают элементы аминокислот. Мономерные звенья цепи нуклеиновых кислот называются Нуклеотид нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотосодержащего Основаниеоснования, пятиуглеродного сахара (пентозы) и одной или нескольких фосфатных групп, соединенных ковалентными связями с пентозой, которая также ковалентно связана с одним из возможных азотосодержащих оснований (рис. Рис. 2.2.4.  Строение нуклеотида - мономера нуклеиновых кислот).

В качестве таких оснований выступают цитонин (Ц), Тиминтимин (Т), Аденинаденин (А) и Гуанингуанин (Г). В любой молекуле ДНК образуются звенья, в которых молекулы этих азотистых оснований состоят из пар Ц - Г и А - Т и образуют как бы закрученную винтовую лестницу со ступеньками из пар перечисленных нуклеотидов. Сами нуклеотиды содержат атомы кислорода, углерода, азота и фосфора. Пары цитонин - гуанин и аденин - тимин являются термодинамически более стабильными, чем другие основания, что, как уже отмечалось, является важным для стабильности жизни. Это и есть знаменитая двойная спираль ДНК, расшифрованная Уотсоном и Криком в 1953 г. Двойной ее называют потому, что она состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой (рис. Рис. 2.2.5. Двойная спираль молекулы ДНК). Расположение этих четырех типов пар в молекуле ДНК, информация об этом, дает указание молекуле РНК, как надо строить белок.

Было обнаружено, что в живом организме эти цепи могут состоять из миллионов пар в ряду и свернуты в клубки, подобно белковым молекулам. Подсчитано, что число возможных вариантов комбинаций пар огромно: из четырех звеньев количество вариантов составляет около 100 млн. Такое разнообразие строения молекул ДНК обеспечивает и разнообразие живых организмов. Моносахарид в виде пентозы или гексозы (6-атомный сахар) может иметься в нуклеотиде в виде <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
-рибозы и <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
-дезоксирибозы, поэтому нуклеотиды, содержащие рибозу, называются рибонулеотидами и являются мономерными звеньями в молекуле РНК, а содержащие дезоксирибозу - дезоксирибонуклеотидами и образуют молекулы Дезоксирибонуклеиновая кислотаДНК.

Нуклеотиды, полимеризуясь в молекулу Нуклеиновая кислотануклеиновых кислот, присоединяются друг к другу так, что фосфатная групп каждого следующего нуклеотида связана с сахаром предыдущего нуклеотида, в результате чего образуется длинная цепь, называемая сахарофосфатным остовом молекулы (рис. Рис. 2.2.6. Построение нуклеиновой кислоты из нуклеотидов). Основания располагаются по одну сторону от этого остатка. Поскольку молекула ДНК состоит из двух цепей, ее можно сравнить также с веревочной лестницей, где роль «веревок» играют сахарофосфатные остовы, а «перекладин» - Основаниеоснования, которые расположены перпендикулярно оси спирали.

Молекулы РНК бывают трех типов: матричная, или информационная (мРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК). мРНК является копией (Транскрипт транскриптом) соответствующей ДНК. Этот транскрипт и служит матрицей для синтеза белка. Каждые три пары последовательных оснований мРНК (они называются Кодон кодоном) дают один аминокислотный остаток. Молекулы тРНК переносят специфичные аминокислотные остатки к определенному участку мРНК в процессе синтеза белка. рРНК образует Рибосомарибосому. Порядок расположения Нуклеотиднуклеотидов в молекулах ДНК и РНК определяет порядок расположения аминокислот и их воспроизведение в первичных структурах белков. Таким образом, через молекулы ДНК и РНК осуществляется передача информации о наследственных свойствах биологических структур и реализуется механизм Наследственностьнаследственности. Как это происходит, рассмотрим подробнее в главе 2.3.

Углевод Углеводы - это большая группа природных органических соединений, химическая структура их соответствует формуле <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, где m и n могут быть разными. Из этой формулы следует, что углеводы состоят из углерода и воды, отсюда и название. Химические свойства углеводов определяются гидроксильной группой ОН. Углеводы - первичные продукты Фотосинтезфотосинтеза и основные исходные продукты биосинтеза других веществ в растениях. Роль мономеров Углеводыуглеводов играют Моносахарид моносахариды: Глюкозаглюкоза и Фруктозафруктоза. В состав простых сахаров входят атомы углерода, водорода и кислорода в соотношении 1:2:1 (например, <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
), исходя из формульного состава углеводов.

Важнейшей функцией моносахаридов является обеспечение организма необходимой энергией, причем сахара - это источник быстро получаемой энергии, потому что они легко переходят в такую форму, которая пригодна для удовлетворения энергетических потребностей организма. Простые сахара могут соединяться, образуя более крупные молекулы дисахаридов и Полисахаридполисахаридов. ДисахаридыДисахариды разделяются на тростниковый сахар (сахароза), солодовый сахар (мальтоза) и молочный сахар (лактоза). Как следует из названий, они образуются в растениях тростника, свеклы, солода или в молоке. В обычной нашей жизни извлеченная из тростника или свеклы сахароза и называется тем сахаром, который мы любим в сладких изделиях и который запрещен диабетикам.

Из моносахаридных звеньев образуются разветвленные полимерные цепи, которые не растворяются в воде и несладкие по вкусу. Они называются Полисахарид полисахаридами. Так, полисахарид животного происхождения Гликогенгликоген является Полимерполимером глюкозы, которая запасается в печени организма. В растениях глюкоза хранится в виде крахмала, например в картофеле. Растения синтезируют также другой полимер Глюкозаглюкозы - Целлюлозацеллюлозу. Гликоген, крахмал и глюкоза построены из глюкозных мономеров, но с разными химическими связями. Волокна из целлюлозы желудок человека не переваривает, но они играют важную роль в рационе нашей пищи, так как придают ей объемность и грубую консистенцию, стимулирующие перистальтику желудка. Крахмал и гликоген для растений и животных являются пищей и играют роль поставщика и резерва энергии. ЦеллюлозаЦеллюлоза наряду с пищей для Бактериябактерий, грибов и некоторых видов жвачных животных используется в природе и технике как строительный материал: из нее состоят бумага и хлопчатобумажные ткани и до 40% клеточных стенок растений. Каждый из Углеводыуглеводов имеет определенный химический состав и структуру.

В живых Клеткаклетках простые сахара расщепляются до двуокиси углерода CO2 и воды, что сопровождается выделением энергии, запасенной в молекулах сахара. Эту энергию клетки использует для самых разнообразных своих потребностей: синтеза Белокбелка, активного транспорта белков, выведения отходов, процессов клеточного дыхания и обмена, мышечного сокращения, клеточного деления, различных биохимических реакций и т.д. В целом же источником энергии для всех этих видов биологической активности служат органические молекулы, в которых запасена химическая энергия, выделяемая при разрыве химических связей.

Во всех организмах содержится Аденозинтрифосфатнуклеотид аденозитрифосфат (АТФ), который как раз и образуется, в частности, при расщеплении сахара. СтруктураСтруктура АТФ показана на рис. Рис. 2.2.7. Структура АТФ. АТФ состоит из трех фосфатных групп и остатков азотистого Основаниеоснования (Аденинаденина) и остатка сахара (рибозы). При разрыве каждой из двух химических связей, обозначенной волнистой линией на рис. Рис. 2.2.7. Структура АТФ, выделяется энергия. Каждая из фосфатных групп может быть отщеплена путем растворения в воде (Гидролизгидролиза) и образования ортофосфата или неорганического фосфата Фн и аденозиндифосфата АДФ:

АТФ <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
АДФ + <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
+ энергия (2.2.8)

Процесс идет постадийно с выделением свободной энергии:

АТФ + <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
АДФ + <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
+ H + <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
= -30 кДж/моль

АДФ + <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
АМФ + <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
+ H + <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
= -30 кДж/моль (2.2.9)

АМФ + <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
Аденозинаденозин + <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
+ H + <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
= -13 кДж/моль

Здесь <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
- положительный ион водорода, <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
- изменение свободной энергии, выделяемой при отрыве концевой фосфатной группы. Обычно Клеткаклетки извлекают энергию из АТФ во время клеточного дыхания, отщепляя от его молекулы только одну фосфатную группу. Процесс получения свободной энергии схематически показан на рис. Рис. 2.2.8. Схема получения свободной энергии с участием АТФ, а процесс образования самой молекулы АТФ - на рис. Рис. 2.2.9. Схема образования молекулы АТФ.

Образный пример роли АТФ в получении и обмене энергии в клетке приведен в [ссылка на источники литературы]. Кемп П.Кемп и Армс К.Армс сравнивают ее с тем, какую роль играют деньги в нашей жизни. КлеткаКлетка нуждается в АТФ так же, как и мы в наличных деньгах, для платы за наши покупки и удовольствия. Продолжая аналогию дальше, можно сказать, что, обладая избыточным количеством АТФ, клетка может синтезировать питательные вещества (например, те же сахара), вкладывая эти сбережения энергии в банк, т.е. в АТФ, которые затем можно пустить в дело в виде «живых» денег для удовлетворения своих нужд.

Процесс превращения энергии в Фосфатная связьфосфатной связи определяется процессами осмоса, который мы рассмотрим в подразд. 2.2.4, и связан с энергией переноса электронов. Заметим, что фосфагены - молекулы, аккумулирующие энергию, - были обнаружены во всех живых организмах, от Бактериябактерий до животных. Липман Ф.Ф. Липман также рассматривал их функции как некую универсальную энергетическую «валюту» в биологических система и сравнивал роль фосфора с током в своеобразном метаболическом генераторе (рис. Рис. 2.2.10. Схема цикла Липмана по участию молекул фосфора в энергетических процессах живого организма). Фосфагены отличаются от других возможных аккумуляторов энергии, как Гликогенгликогены, тем, что они способны быстро удовлетворять энергетические потребности организма. Сами Фосфатфосфаты, являются прямыми продуктами энергетического обмена.

Липиды Липиды - водонерастворимые органические молекулы, присутствующие во всех живых клетках и тканях. В основе их лежат углеводородные структуры. Они очень разнообразны по составу, структуре и входящим в них элементам, но обладают одним общим свойством: молекулы их неполярны. Поэтому они растворяются в неполярных жидкостях, например в эфире, но не растворяются в воде. Нерастворимость в воде делает липиды важнейшим компонентом мембран, разделяющих в живых организмах и, в частности, в клетках, отсеки, заполненные водным раствором. Кроме АТФ сахаров липиды - главная форма хранения энергии в животном организме, так как липиды в отличие от Углеводыуглеводов в виде сахаров могут сохраняться в концентрированном виде без воды.

В этом смысле любое избыточное количество сахара, съеденное человеком и не израсходованное им сразу же на энергетические потребности, быстро превращается в жир. Чтобы иметь оптимальные параметры тела человеческого организма, надо тратить энергию, двигаться, работать, а не накапливать свой жир про запас! А бегунам на длинные дистанции (марафонцам), наоборот, для пополнения запаса энергии во время бега дают Глюкозаглюкозу. На представлениях об углеводах и липидах созданы и некоторые лекарства и народные средства. Так, диабетикам полезны фрукты, которые наряду с сахаром содержат Клетчаткаклетчатку и не повышают сахар крови, а рекламируемый «поглотитель жира» содержит вещества, связывающие излишек липидов в соединения, которые затем удаляются из организма.

По своим функциональным качествам липиды разделяются на три группы:

  1. структурные и Рецепторрецепторные элементы мембран и клеточных поверхностей;

  2. «депо» энергии;

  3. передатчики биологических сигналов.

Для первых двух основными компонентами являются жирные кислоты, в третью группу входят Витамины витамины и Гормоны стероидные стероидные гормоны.

Жирные кислоты представляют собой небольшие молекулы с длинной цепью из атомов углерода и водорода с Карбоксильная группакарбоксильной группой (-COOH) на одном из концов. В насыщенной жирной кислоте нет насыщенных связей между атомами углерода, а в ненасыщенной - они есть (рис. Рис. 2.2.11. Структура ненасыщенных и насыщенных жирных кислот). Карбоксильный конец любой молекулы жирной кислоты полярен и поэтому растворим в воде. Это связано с тем, что карбоксильная группа (ионный конец) диссоциируется, а сама длинная углеводородная цепь нерастворима. Благодаря этой особенности молекулы жирных кислот располагаются на поверхностях раздела между водой и неполярными органическими веществами, например маслом, и ориентируются так, чтобы их ионные концы были обращены к воде (рис. Рис. 2.2.12. Растворение ионного конца жирной кислоты в воде). Известный всем эффект действия мыла на жир состоит в том, что мыло, содержащее модифицированные жирные кислоты, очищает загрязненные поверхности, удаляя с них капельки масла или жира. Молекулы мыла окружают такую капельку, и их углеводородные цепи растворяются в масле (рис. Рис. 2.2.13. Растворение углеводородных цепей мыла в масле). Водорастворимые карбоксильные группы выходят наружу, т.е. находятся в воде. В результате этого процесса капля растворяется в воде, отделяется от загрязненной поверхности и всплывает.

Триацилглицеролы Триацилглицеролы содержат молекулы, которые образованы в результате присоединения трех остатков жирных кислот к одной молекуле трехатомного спирта. К этой группе относятся масла (жидкие) и жиры (твердые). В маслах больше ненасыщенных жирных кислот, чем в жирах. Любопытно, что в организме животных, обитающих в холодном климате, например рыб арктических морей, содержится больше ненасыщенных триацилгицеролов, чем у обитателей теплого климата. Биологи отмечают, что благодаря этому тело этих рыб остается более гибким и при низких температурах. С точки же зрения биохимии это связано с устойчивостью к расщеплению насыщенных жирных кислот. К двойной связи атомов углерода ненасыщенной кислоты может присоединиться дополнительная пара молекул водорода. Кроме того, что жиры обеспечивают до 30% энергопотребности организма, они играют важную роль в организме. Накапливаясь в жировых тканях, окружающих внутренние органы, жиры обеспечивают механическую защиту и теплоизоляцию организма, а также образуют мягкую упругую подкладку в тех местах, которые подвергаются механическому воздействию. С жирами поступают в организм человека вещества. обладающие высокой биологической активностью, - Витаминывитамины А, D, E, К, лецитин и другие стерины, регулирующие жировой и холестериновый обмен.

В молекулах фосфолипидов один или два остатка жирных кислот заменены группами, содержащими фосфор, иногда азот. ФосфолипидФосфолипиды являются важными компонентами многих мембран. Стероид Стероиды - это Липидылипиды, состоящие из четырех колец, к которым присоединены различные боковые группы. К ним относится ряд гормонов. Гормоны Гормоны - вещества, производимые специальными тканями высших живых организмов и действующие как специфичные химические сигналы. Их функция состоит в передаче информации от клеток-датчиков, находящихся в непосредственном контакте с Окружающая средаокружающей средой. Они легко распространяются по всему организму, и когда освобождаются вырабатывающей их Тканьтканью, то все органы и ткани, способные реагировать на них, делают это почти одновременно. Благодаря такой согласованной реакции все части организма приходят в состояние, наиболее соответствующее условиям внешней среды.

К Стероидстероидам относится также Холестерол холестерол - важный компонент клеточных мембран. Представителем группы стеринов является Холестеринхолестерин. Кроме регулирования проницаемости мембран он участвует в образовании желчных кислот, Гормоныгормонов половых желез и коры надпочечников, витамина D в коже. Он содержится только в животных продуктах и присутствует в крови в виде двух фракций: более твердой, плохо растворимой (высокой плотности) и жидкой (низкой плотности). Надо заметить, что избыток именно его первой фракции в организме приводит к образованию камней и холестериновых «бляшек» в сердечно-сосудистой системе. ВитаминыВитамины - это малые органические молекулы. Они имеют высокую биологическую активность даже в небольшой концентрации, разделяются на жирорастворимые (А, D, E, K) и водорастворимые (B, C, H, P).

Обобщая обзор биохимических элементов, принимающих активное участие в процессах жизнедеятельности биологических объектов, можно сказать, что «азбука» живого - это 20 аминокислот, пять оснований, два Углеводыуглевода и один Фосфатфосфат. Существование небольшого числа одних и тех же молекул во всех живых организмах показывает, что все живое должно, по-видимому, иметь единое происхождение.

В заключение раздела о биохимии живого вещества остановимся на роли воды для жизни, поскольку именно из нее в основном состоят почти все живые существа, да и сама жизнь, как мы видим по гипотезе Опарина, зародилась в теплом первобытном океане. Воде является одним из наиболее распространенных веществ на Земле и покрывает большую часть поверхности нашей планеты. Как образно сказал Антуан де Сент-Экзюпери: «Нельзя сказать, что вода необходима жизни: она и есть жизнь».

Всеобъемлющая, можно сказать, роль воды для жизни обусловлена ее уникальными свойствами.

Молекулы воды связываются друг с другом водородной связью и обладают полярными свойствами. Это позволяет воде быть очень хорошим растворителем, в котором происходит диссоциация, и ионы растворенного вещества легче перемещаются в растворе. Активность биохимических реакций в водной среде Клеткаклетки значительно возрастает. Молекулы воды при диссоциации «растаскивают» ионы полярных молекул. Пример - растворение в воде поваренной соли NaCl: отрицательные ионы кислорода воды притягивают положительные ионы <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, а положительные ионы водорода - отрицательные ионы <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. В этом проявляются Гидрофильность гидрофильные свойства веществ с полярными молекулами.

Неполярные соединения, например липиды, в воде не растворяются и образуют с водой поверхности раздела, которые работают, как мембраны. Именно на этих поверхностях протекают многие химические реакции, и физика процессов не только перемещений ионов и электронов в клетке, но и потоков воды во многом зависит от поверхностных свойств. Молекулы воды могут слипаться друг с другом (Когезия когезия) и с другими веществами (Адгезия адгезия), в частности сильное поверхностное натяжение воды обусловлено Адгезияадгезией. Кроме того, полярные молекулы воды сильно притягиваются любой электрически заряженной поверхностью. Вещества с неполярными молекулами обладают Гидрофобность гидрофобными свойствами.

Поэтому вода является не только средой, где протекают биохимические реакции, но и активным участником различных кинетических процессов переноса веществ в организме. Вода имеет высокие теплопроводность и теплоемкость. Благодаря первому свойству тепло от происходящих химических реакций равномерно распределяется по объему и устраняется перегрев организма, а в силу большой теплоемкости даже для небольшого повышения температуры организма требуется большее количество энергии. Тем самым высокие тепловые свойства воды обеспечивают стабильность среды организма и постоянство протекания биохимических процессов при низких температурах, имеющихся в нормальном живом организме теплокровных животных (36,6°С для человека). Именно большая теплоемкость воды позволяет океанам поглощать и отдавать огромные количества тепла без значительного изменения температуры воды и воздуха.

Это обеспечивает относительное постоянство температуры Окружающая средаокружающей среды, необходимое для протекания биологических процессов. Можно сказать, что тепловые свойства воды наиболее подходят для функционирования организма. Так, высокая температура кипения воды, обусловленная большой скрытой теплотой превращения воды в пар, с одной стороны, обеспечивает жизнедеятельность организма при низких температурах (в газообразном состоянии молекулы веществ просто разлетелись бы!), а с другой - означает, что, поскольку на испарение требуется энергия, при процессе испарения происходит охлаждение организма (это мы неоднократно ощущаем на себе: перегрев тела устраняется потоотделением).

Вода по сравнению с другими жидкостями имеет высокую температуру замерзания и при затвердении (образование льда) отдает большое количество тепла. Это уменьшает вероятность замерзания воды в клетках организма. Максимальная плотность воды наблюдается при 4°С, т.е. выше температуры замерзания. Поэтому при охлаждении от 4 до 0°С плотность воды в жидком состоянии больше, чем в твердом, и лед образуется сначала у поверхности воды и только затем наращивается до дна (например, водоема или реки). С точки зрения сохранения жизнедеятельности в водной среде это очень важно, так как наружный лед изолирует водоем от внешнего холода. а вода со дна при температурах ниже 4°С, поднимаясь вверх, способствует переносу питательных веществ по всему объему воды и сохранению жизни. Что касается внутренней водной среды организма, то образование льда, конечно, разрушает тонкие структуры клеток и вызывает их гибель, как и гибель всего организма в целом. Отметим также, что в последнее время в воде были обнаружены кластеры молекул воды, которые образуются в результате Самосборкасамосборки. Они изменяют структуру воды и могут играть роль ячеек памяти.

Onnis cellula ex cellula
(Каждая клетка из клетки)

Вирхов

Все живое состоит из клеток. Поэтому, чтобы ответить на кардинальный вопрос - что же такое жизнь, надо понять, в том числе, как работает живая Клеткаклетка, из чего она состоит и как устроены отдельные ее элементы. Конечно, надо понимать, что в нашем курсе это будет беглое знакомство в рамках представлений концепции современного естествознания. Более глубокие и подробные сведения можно получить из учебников по биологии и книг, рекомендованных в конце этой части пособия.

Сейчас является уже надежно установленным, что все живое состоит из клеток как дискретных единиц, подобно тому как неживое вещество - из дискретных атомов и молекул, и развивается из клеток. В этом смысле клетка как мельчайшая единица, которую можно считать еще живой, - атом жизни. Правда, жизнь может существовать и во внеклеточной форме - в виде вирусов. Вирусы Вирусы - это совокупность макромолекул размером 20-300 нм. Они состоят из Нуклеиновая кислотануклеиновой кислоты и белковой оболочки, называемой капсидом. Вирусы видоспецифичны, размножаются только в живых клетках - хозяевах, значительно меньше самых мелких клеток и не способны к самовоспроизведению. Поэтому именно Клеткаклетка является структурной и функциональной единицей любого живого организма.

Роль клеток для живого организма состоит в том, что каждая клетка является микроносителем жизни, поскольку в ней заключена такая генетическая информация, которая достаточна для воспроизведения всего организма. Причем этот носитель жизни «подчинил свою собственную свободу деятельности организма в целом» [ссылка на источники литературы]. Элементарные явления на этом уровне организации биологических структур обусловлены процессами обмена веществ. Благодаря деятельности клеток поступающие из Окружающая средаокружающей среды вещества превращаются в Субстратсубстраты, энергию и информацию, которые усваиваются в процессе биосинтеза белков в соответствии с генной программой Дезоксирибонуклеиновая кислотаДНК.

Таким образом, на клеточном уровне сочетаются процессы передачи и переработки информации и превращения веществ и энергии. И поэтому элементарные явления на клеточном уровне создают энергетическую и вещественную основу жизни на других уровнях. Заметим также, что целевой функцией клетки является сохранение ее под воздействием внешней среды, ее устойчивость как «единицы жизни», стремление поддержать стабильность протекающих в ней процессов. В настоящее время на Земле насчитывается свыше 4 млн. видов клеточных организмов. Средний размер животной Клетка соматическаясоматической клетки 10-20 мкм в диаметре, растительной - 30-50 мкм, масса клетки около <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
г. Число клеток у примитивных беспозвоночных <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, у высокоорганизованных животных - до <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
.

На протяжении всей жизни идет непрерывная замена старых клеточных структур на вновь образующиеся. Минимальная жизнедеятельность клеток человека 1-2 дня. Ежедневно погибает до 70 млрд. клеток кишечного Эпителийэпителия и 2 млрд. Эритроцитыэритроцитов. Клетки крови полностью заменяются через четыре месяца. Мы знаем почти поговорку: «берегите Нервынервы - нервные клетки (Нейроннейроны) не восстанавливаются». Да, они не размножаются, но на протяжении всей жизни непрерывно перестраиваются. И этот процесс можно сравнить на бытовом уровне с нашей жизнью в течение долгого времени в одном доме, но в котором мы многократно изменяем обстановку.

КлеткаКлетке присущи все признаки живого: обмен веществ и энергии, реагирование на внешнюю среду (саморегуляция), рост, размножение путем деления (самовоспроизведение), передача наследственных признаков, способность двигаться и в целом Самоорганизациясамоорганизация. Тем самым она обладает как бы полнотой свойств жизни. Это позволяет клетке как самостоятельной единице живого существовать и отдельно: изолированные клетки многоклеточных организмов могут жить и размножаться в питательной среде. Клетки всех живых организмов имеют похожий химический состав и сходное строение. Как мы уже знаем, никаких особых, характерных для живого, атомов нет.

Надо заметить, что могут быть простейшие одноклеточные организмы (Бактериябактерии, некоторые водоросли и грибы) и многоклеточные (большинство животных и растений). Многоклеточные организмы содержат до нескольких тысяч клеток, исполняющих разные функции, и отличаются по своей структуре. Таким образом, многоклеточные организмы - организованные совокупности клеток, различных по форме и функциям, - являются дифференцированными и дискретными системами. Однако Организацияорганизация клеток в организме построена по единому структурному признаку. А сама клетка является элементарной единицей на клеточном уровне организации живого.

Клетки животных и растений различаются, но для «обобщенной» клетки можно выделить три главные части: Цитоплазмацитоплазму, клеточную, или плазматическую, мембрану, отделяющую цитоплазму от окружающей среды, и Ядро клеткиклеточное ядро (рис. Рис. 2.2.14. Строение клетки). Живое веществоЖивое вещество клетки - Протоплазма протоплазма - представляет собой студнеобразную массу и содержит множество структурных элементов меньшего размера, чем сама клетка, которые называются Органелла органеллами. Наружной частью протоплазмы является клеточная мембрана, а внутренней частью - Цитоплазмацитоплазма. Состав цитоплазмы: вода - 80%, Белокбелки и Аминокислотааминокислоты - 10%, Углеводыуглеводы - 5%.

Цитоплазму и протоплазму, как ее живую Субстанциясубстанцию, можно считать тем живительным микроокеаном, где процессы Диссимиляциядиссимиляции и Ассимиляцияассимиляции обеспечивают переход от неживого к живому. Именно в ней происходит обмен веществ. Задача протоплазмы состоит в обеспечении структурной основы обмена веществ, пространственного размещения молекулярных компонентов клетки, связанных с их движением и обеспечением процессов жизнедеятельности. По существу, протоплазма является совокупностью не только материальных компонентов, содержащихся в ней, но и процессов, обеспечивающих Метаболизмметаболизм.

Поскольку протоплазма заполнена разными органеллами, внутриклеточными белковыми молекулами, составляющими Цитоскелет цитоскелет, или клеточный матрикс, то можно считать ее упорядоченной структурой. ОрганеллыОрганеллы - это рабочие субстанции клетки, выполняющие те или иные функции: производят энергию или приводят клетку в движение, служат для разделения клетки на области (или выделения внутри нее областей) с разными условиями и содержат разные наборы молекул. К органеллам относятся ядра, эндоплазматический ретикулум, Рибосомарибосомы, Лизосомылизосомы, Митохондриямитохондрии, Жгутикижгутики, комплексы Гольджи, Хлоропластыхлоропласты.

Ядро клетки Ядро имеет полимерные молекулы Дезоксирибонуклеиновая кислотадезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которой Кодзакодирована вся информация о данном виде, и тем самым ядро является хранителем генетической информации. Заметим, что в ряде одноклеточных организмов ядро может отсутствовать. Такие клетки называются Прокариот прокариотическими. Роль хранителя генетической информации для прокариотических клеток играет Нуклеотиднуклеотид, не имеющий оболочки и состоящий из одной ДНК. Ее размер 1-5 мкм. Клетки, имеющие четко выраженные ядра, отделенные мембраной от остальной Цитоплазмацитоплазмы, называются Эукариоты эукариотическими, их размер 10-50 мкм. Размеры органелл лежат в пределах от 20 нм до 5 мкм (рибосомы ~ 20 нм, ядра, митохондрии, хлоропласты ~ 1-5 мкм).

Образное сравнение размеров клетки и содержащихся в ней веществ дает упомянутый уже английский ученый Кендрью Дж.Дж. Кендрью [ссылка на источники литературы]: «Представьте себе, что увеличили человека до размеров Великобритании, тогда клетка имеет размер фабричного здания. Внутри клетки находятся содержащие тысячи атомов большие молекулы, в том числе молекулы Нуклеиновая кислотануклеиновой кислоты. Так вот даже при таком громадном увеличении, которое мы себе вообразили, молекулы нуклеиновой кислоты будут меньше электрических проводов».

Ретикулум эндоплазматический Эндоплазматический ретикулум (ЭР) - это система внутриклеточных мембран, каналов, пузырьков, трубочек, пронизывающих Цитоплазмацитоплазму, которые делят клетку на отдельные отсеки - Компартменты компартменты. В ЭР синтезируются молекулы доставленного вещества для нужд самой клетки и других клеток организма. Комплекс Гольджи Комплекс Гольджи - характерная структура, состоящая из собранных в стопки дисковидных мембран, которые связаны друг с другом многочисленными пузырьками, отшнуровывающимися от ЭР. С помощью этих пузырьков молекулы вещества, предназначенные для удаления из клетки, упакованные в гранулы, выводятся за пределы клетки. Таким образом, пузырьки выполняют транспортные функции внутри клетки.

Рибосома Рибосома является сложной органеллой, в которой происходит синтез Белокбелка из аминокислот. Она также прикреплена к ЭР и состоит из комплекса молекулярных белков и рибонуклеиновой кислоты (Рибонуклеиновая кислотаРНК). Жгутики Жгутики - белковые органеллы, отходящие от поверхности клетки в виде вытянутых отростков длиной 1-20 мкм. С помощью жгутика клетка перемещается в жидкой среде. Митохондрия Митохондрия представляет собой палочкообразную органеллу диаметром ~ 1 мкм и длиной около 7 мкм. Она имеет двойную мембрану. На внутренней мембране локализован Ферментыфермент, ответственный за синтез Аденозинтрифосфатаденозинтрифосфата (АТФ).

Митохондрии являются «микроэнергетическими станциями» клетки: в ней происходят сложные биохимические реакции, в результате которых накапливается энергия за счет расщепления Углеводыуглеводов, жирных кислот, аминокислот и превращения этой энергии в АТФ. АТФ тем самым является хранилищем внутриклеточной энергии, необходимой для процессов доставки, синтеза, транспортировки и выведения молекул из клетки. Количество митохондрий в клетке - до нескольких тысяч. Лизосомы - органеллы, перерабатывающие отходы, возникающие в ходе метаболических процессов, расщепляя их на простые продукты, которые, растворяясь, покидают клетку через плазматическую мембрану. ЛизосомыЛизосомы и представляют собой мелкие пузырьки, ограниченные мембраной.

В структуру растительной Клеткаклетки дополнительно входят Пластидапластиды - Хлоропласты хлоропласты, хромопласты, лейкопласты. Хлоропласт - органелла размером 5-10 мкм в диаметре, состоящая из комплекса мембран, двойной наружной и внутренних в виде стопок дисков, содержащих компоненты фотосинтезирующего аппарата. В нем имеется Хлорофиллхлорофилл, который преобразует внешнюю световую энергию в химическую энергию АТФ, которая дальше идет на образование углерода из углекислого газа. Хромопласт содержит различные Пигментпигменты, а лейкопласты - крахмал. Все эти Органеллыорганеллы вместе с Цитоплазмацитоплазмой клетки отделяются друг от друга и внешней среды плазматической мембраной, которая представляет собой полупроницаемый молекулярный барьер, контролирующий движение молекул и ионов в клетку и из клетки.

Рассмотрим теперь, какие процессы будет происходит в клетке в процессе ее жизнедеятельности. Чтобы клетка могла быть живой, необходимо поддерживать постоянство состава веществ в ней. Это осуществляется контролируемым обменом веществ с помощью именно мембран, которые отделяют внутреннюю среду клетки (или внутри клетки) от внешней и тем самым являются границами клетки (или ее внутренних участков и тел в ней). Прохождение веществ через мембраны осуществляется с помощью Липидылипидов с их водоотталкивающими свойствами и белков, способных связывать воду, и реализуется через физические механизмы диффузии, транспорта и осмоса.

Диффузия молекул Диффузия - это процесс перемещения молекул из областей с большей их концентрацией в сторону областей меньших концентраций или давлений. Процессы диффузии хорошо изучены в настоящее время, установлены их физические и химические закономерности, и они вполне применимы к перемещению молекул в живом организме. Особенно важна для биосистем диффузия ионов в водных растворах. Не менее важна роль диффузии в переносе кислорода воздуха через стенки альвеол легких и попадания его в кровь человека. Диффузия молекулярных ионов через мембраны осуществляется с помощью электрического потенциала внутри клетки. Обладая избирательной проницаемостью, мембраны играют роль таможни при перемещении товаров через границу: одни вещества пропускают, другие - задерживают, третьи - вообще «выдворяют» из клетки. Роль мембран в жизни клеток очень велика. Гибнущая клетка теряет контроль над возможностью регулировать концентрацию веществ через мембрану. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости и сбое в работе ее наружной мембраны.

Помимо обычного транспорта - кинетического процесса переноса частиц вещества под действием градиентов электрического или химического потенциала, температуры или давления - в клеточных процессах имеет место и активный транспорт - движение молекул и ионов против градиента концентрации веществ. Такой механизм диффузии назвали Осмос осмосом. Этот процесс осуществляется за счет разного осмотического давления в водном растворе по разные стороны биологической мембраны Вода часто свободно проходит путем осмоса через мембрану, но эта мембрана может быть непроницаема для веществ, растворенных в воде. Любопытно, что вода течет против диффузии этого вещества, но подчиняясь общему закону градиента концентрации (в данном случае воды).

Поэтому вода стремится из более разбавленного раствора, где ее концентрация выше, в более концентрированный раствор вещества, в котором концентрация воды ниже. Не имея возможности непосредственно всасывать и откачивать воду, клетка осуществляет это с помощью осмоса, изменяя концентрацию находящихся в ней растворенных веществ. Осмос выравнивает концентрацию раствора по обе стороны мембраны. Активный транспорт в организме, в частности, используется в так называемом натрий-калиевом насосе, который извлекает ионы натрия из клетки и накачивает ионы калия в нее, используя для этого энергию АТФ.

Таким образом, клетка является открытой термодинамической системой, осуществляя обмен веществом и энергией с Окружающая средаокружающей средой, но сохраняющей определенное постоянство внутренней среды. Эти два свойства саморегулирующейся системы - открытость и постоянство - выполняются одновременно, причем за постоянство клетки как раз и отвечает обмен веществ (Метаболизмметаболизм). Обмен веществ является тем регулятором. который способствует сохранению системы, он обеспечивает целесообразное реагирование на воздействие окружающей среды. Поэтому необходимым условием обмена веществ является раздражимость живой системы на всех уровнях, которая в то же время выступает как фактор системности и целостности системы.

Мембраны могут менять свою проницаемость под воздействием химических и физических факторов, в том числе в результате деполяризации мембраны при прохождении электрического импульса через систему нейронов и воздействия на нее. Нейрон Нейрон - это отрезок нервного волокна. Если на одном его конце действует раздражитель, то возникает электрический импульс. Величина его около 0,01 В для мышечных клеток человека, и он распространяется со скоростью порядка 4 м/с. Когда импульс доходит до Синапс синапса - соединения нейронов, которое можно рассматривать как своеобразное реле, передающее сигнал от одного нейрона на другой, то электрический импульс преобразуется в химический с помощью выделения Нейромедиатор нейромедиаторов - специфических веществ-посредников. Когда молекулы такого посредника попадают в щель между нейронами, то нейромедиатор путем диффузии достигает конца щели и возбуждает следующий нейрон.

Однако нейрон реагирует только в том случае, если на его поверхности имеются особые молекулы - Рецептор рецепторы, которые могут связывать лишь данный медиатор и не реагировать на другой. Это происходит не только на мембране, но и в любом органе, например мышце, вызывая ее сокращение. Сигналы-импульсы через синапсы могут тормозить или усиливать передачу других, и поэтому нейроны исполняют логические функции («и», «или»), что в известной мере и послужило Винер Н.Н. Винеру [ссылка на источники литературы] основанием считать, что вычислительные процессы в мозгу живого организма и в ЭВМ идут принципиально по одной и той же схеме. Тогда информационный подход позволяет единым образом описывать неживую и живую природу.

Сам процесс воздействия сигнала на мембрану заключается в изменении ее высокого электрического сопротивления, так как разность потенциалов на ней тоже порядка 0,01 В. Уменьшение сопротивления приводит к увеличению импульса электрического тока и возбуждение передается дальше в виде нервного импульса, изменяя при этом возможность прохождения через мембрану определенных ионов. Таким образом, информация в организме может передаваться в сочетании, химическим и физическим механизмами, и это обеспечивает надежность и многообразие каналов ее передачи и переработки в живой системе.

Внутриклеточные мембраны могут поглощать и выделять наружу не только отдельные ионы и молекулы, но и конгломераты из многих молекул за счет своей гибкости. Отдельные части мембраны образуют выступы, которые обволакивают частицы и они оказываются внутри. Этот процесс называют Эндоцитоз эндоцитозом, в другом случае - Экоцитоз экоцитоза - «выпихивают» их за пределы мембраны. Все вещества, попавшие в клетку, растворяются в Цитоплазмацитоплазме через пищеварительные Вакуольвакуоли и перерабатываются с помощью Лизосомылизосом.

С процессами клеточного дыхания, когда в Митохондриямитохондриях клетки образуются молекулы АТФ, обеспечивая ее необходимой энергией, тесно связаны и процессы обычного дыхания живого организма, для которого требуется кислород <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, получаемый в результате фотосинтеза. По существу, это те материальные и энергетические компоненты, которые необходимы живому организму. Фотосинтез Фотосинтез - это процесс запасания солнечной энергии путем образования новых связей в молекулах синтезируемых веществ. Исходными веществами для фотосинтеза являются вода <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
и двуокись углерода <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Из этих простых неорганических соединений образуются более сложные богатые энергией питательные вещества. В качестве побочного, но очень важного для нас продукта образуется молекулярный кислород <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Примером может служить реакция

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(2.2.10)

которая идет за счет поглощения Квантквантов света (hn) и присутствия Пигментпигмента Хлорофиллхлорофилла, содержащегося в Хлоропластыхлоропластах.

В результате получается одна молекула сахара <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
и шесть молекул кислорода <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Процесс идет постадийно, сначала на стадии фотолиза образуются путем расщепления воды углерод и кислород, а затем водород, соединяясь с углекислым газом, образует углевод - сахар <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. По существу, фотосинтез - преобразование лучистой энергии Солнца в энергию химических связей возникающих органических веществ. Таким образом, фотосинтез, производящий на свету кислород <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, является тем биологическим процессом, который обеспечивает живые организмы свободной энергией. Процесс обычного дыхания как процесс обмена веществ в организме, связанный с потреблением кислорода, является обратным процессу фотосинтеза. Оба эти процесса могут идти по следующей цепочке:

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
+ <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
+ солнечная энергия (фотосинтез)

питательные вещества + <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
(дыхание) (2.2.11)

<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
+ <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
+ энергия химических связей

Конечные продукты дыхания служат исходными для Фотосинтезфотосинтеза.

Тем самым процессы фотосинтеза и дыхания участвуют в круговороте веществ в природе. Часть солнечного излучения поглощается растениями и некоторыми организмами, которые, как мы уже знаем, являются Автотрофыавтотрофами, т.е. самопитающимися (питание для них - солнечный свет). В результате процесса фотосинтеза автотрофы связывают углекислый газ атмосферы и воду, образуя таким образом, как мы упоминали, до 150 млрд. тонн органических веществ, усваивая до 300 млрд. тонн <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, и выделяют около 200 млрд. тонн свободного кислорода ежегодно.

Полученные органические вещества употребляются в качестве пищи человеком и травоядными животными, которыми, в свою очередь, питаются другие Гетеротрофыгетеротрофы. Растительные и животные остатки затем разлагаются до простых неорганических веществ, которые снова могут участвовать в виде <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
и <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
в фотосинтезе. Часть получающейся энергии, в том числе запасенной в виде ископаемого энергетического топлива, идет на потребление ее живыми организмами, часть бесполезно рассеивается в окружающую среду. Поэтому процесс Фотосинтезфотосинтеза благодаря возможности обеспечения им необходимой энергии и кислорода является на определенном этапе развития биосферы Земли катализатором эволюции живого.

Строением и изучением клеток биологи занимаются уже более 150 лет, начиная с Шлейдень М.Я.Шлейдена, Шванн Т.Шванна, Пуриме и Вирхов Р.Вирхова, который в 1855 г. установил механизм роста клеток путем их деления. Было установлено, что каждый организм развивается из одной клетки, которая начинает делиться и в результате этого образуется множество клеток, заметно отличающихся друг от друга. Но поскольку изначально развитие организма началось от деления первой клетки, то на одном из этапов нашего Жизненный циклжизненного цикла мы сохраняем сходство с очень отдаленным одноклеточным предком и можно в шутку сказать, что мы скорее произошли от амебы, чем от обезьяны.

Из клеток формируются органы, и у системы клеток появляются такие качества, которых нет у составляющих ее элементов, т.е. отдельных клеток. Эти отличия обусловлены набором Белокбелков, синтезируемых данной клеткой. Бывают клетки мышечные, нервные, кровяные (Эритроцитыэритроциты), Эпителийэпителиальные и другие в зависимости от своей функциональности. Дифференцировка клеток происходит постепенно в процессе развития организма. Процесс деления клеток показан на рис. Рис. 2.2.15. Клеточный цикл. В процессе деления клеток, их жизни и гибели в течение всей жизни организма происходит непрерывная замена клеток.

Ни одна молекула в нашем теле не остается неизменной дольше нескольких недель или месяцев. За это время молекулы синтезируются, выполняют свою роль в жизни клетки, разрушаются и заменяются другими, более или менее идентичными молекулами. Самое удивительное, что живые организмы в целом значительно более постоянны, чем составляющие их молекулы, и строение клеток и всего тела, состоящего из этих клеток, остается в этом безостановочном круговороте неизменным, несмотря на замену отдельных компонентов.

Причем это не замена отдельных деталей автомобиля, а, как образно сравнивает Роуз С.С. Роуз [ссылка на источники литературы], тело с кирпичной постройкой, «из которой сумасшедший каменщик непрерывно ночью и днем вынимает один кирпич за другим и вставляет на их место новые. При этом наружный вид постройки остается прежним, а материал постоянно заменяется». Мы рождаемся с одними нейронами и клетками, а умираем с другими. Примером является сознание, понимание и восприятие ребенка и старого человека. Во всех клетках имеется полная генетическая информация для построения всех белков данного организма. Хранение и передача наследственной информации осуществляются с помощью клеточного ядра.

Механизм реализации этой информации в живом организме мы рассмотрим в главе 2.3. Заметим здесь лишь то, что в клетке каждого типа синтезируются только те Белокбелки, которые ей нужны. Многие Генгены в клетке не работают, только часть из них участвует в синтезе соответствующих белков. По современным представлениям Биология клеточнаяклеточной биологии, только 3% молекул Дезоксирибонуклеиновая кислотаДНК участвует, так сказать, в «программном обеспечении» построения белков, а 97% не являются источниками информации, а выполняют роль матричной копировальной машины. По образному выражению молекулярного биолога Репин В.С.В.С. Репина, «вся биологическая информация разбросана крошечными островками смысла, вкрапленными в океаны бессмыслицы и информационной пустоты материнских и отцовских хромосом». Возникает два вопроса: к чему такая избыточность ДНК, не несущей непосредственно информации для конкретной клетки, и зачем так настойчиво хранится и материализуется этот огромный резерв ДНК, который не работает в клетке, особенно если учесть всеобщие для природы принципы оптимальности расходования энергии, требуемой для укладки огромного количества ДНК в объем клеточного ядра? Но, как сказал Сент-Экзюпери А.Сент-ЭкзюпериПо некоторым данным, высказывание принадлежит поэту советских времен В. Маяковскому. - Прим. редактора электронной версии, «если звезды зажигаются, значит это кому-нибудь нужно». Подождем ответа от специалистов по Биология молекулярнаямолекулярной биологии.

В связи с этим интересен и другой вопрос: почему тем не менее малое количество генов обеспечивает почти бесконечное функциональное разнообразие клеток? В современной молекулярной биологии предполагается, что это обусловлено тем, что одна и та же молекула мРНК дает от 5 до 20 разных белков за счет перестановки элементов матрицы - заготовки ДНК. В мире белков клетка работает как архитектор, создавая по двумерным чертежам трехмерные объемные конструкции. В этом смысле плазматическую мембрану клеток можно сравнить с клавиатурой рояля или дисплеем ЭВМ, которые сортируют всю поступающую информацию от случайных сигналов для принятия решений. Мембрана выступает в качестве своеобразного биочипа.

Если же продолжить сравнения, то саму клетку можно представить как высокоспециализированный завод, выпускающий биомолекулы по плану, выработанному природой в процессе эволюции. фабрикой по производству жизни, где каждый элемент клетки имеет свое функциональное предназначение. Мембрана - это пропускные ворота, куда подается полуфабрикат, а вывозится «готовый продукт». БелокБелки - Ферментыферменты, которые регулируют выполнение плана, выполняют роль заводоуправления. Главным технологом является ДНК, которая осуществляет через молекулы Рибонуклеиновая кислотаРНК план реализации технологии биосинтеза белков с участием ферментов и нуклеиновых кислот, следит за технологическими параметрами водной среды клеток, температурой, давлением, электрическим потенциалом. А Самоорганизациясамоорганизация выступает в роли сбалансированного общего технологического процесса.

Жизнь любого организма поддерживается энергетическим потенциалом клеток и их взаимодействием, а благодаря процессам информации живая система сохраняет целостность и гармонию своих элементов в процессе своей жизнедеятельности. Кроме того, клетки как элементарные самоорганизующиеся системы функционируют по принципу достижения оптимальных результатов в условиях жизнедеятельности. Механизмы целесообразного саморегулирования жизнедеятельности клетки формируются в процессе ее развития и изменяются под влиянием более высоких уровней организации со стороны тканей, органов и всего организма.

Математик играет в игру, правила
которой он изобретает сам, а физик -
где их изобретает Природа. Но постепенно
ставится все более очевидным, что
правила, которые математика считает
интересными, совпадают с теми, что
задает Природа.

П. Дирак

Развивая представления, рассмотренные в главе 1.8 относительно понятий симметрия - асимметрия в природе, рассмотрим несколько подробнее их значение для живого организма. Проявление фактов асимметрии в живой природе отмечалось уже давно. Асимметрия организмов прослеживается не только в морфологических формах, но и в движениях, например некоторые виды поколений Бактериябактерий движутся или по левым, или по правым кругам в зависимости от вида. Известны различия в функционировании конечностей, левого и правого полушарий человеческого мозга. Установлено, что правая рука управляется левой половиной мозга, она же «отвечает» за способность человека к изучению языков, правое полушарие - за музыкальные Эмоцияэмоции. Топография мозга у левшей несколько иная, чем у «правшей», и любопытно, что процент левшей у выдающихся теннисистов и боксеров выше нормы, это связывают с их более высокой скоростью реакции. Таких примеров для живых организмов моно привести много, вплоть до сферы психологии.

Как указывал Кизель В.А.В.А. Кизель [ссылка на источники литературы], зрительное восприятие Мадонны Рафаэля существенно изменяется при отражении ее в зеркале. В свою очередь, специфические свойства симметрии влияют, например, на зрительное восприятие Храма Покрова на Нерли. Интересно также отметить, что «правши» явно предпочитают изображения со сдвинутым вправо центром Интересинтереса и этот эффект усиливается с увеличением асимметрии картины. Если же картины почти симметричны, то «правши» воспринимают изображенные на их объекты смещенными немного влево, что обусловлено асимметрией их собственного внимания и врожденной функциональной асимметрией полушарий мозга [ссылка на источники литературы].

Асимметрия структуры компонентов клеток имеет большое значение для обмена веществ, так как повышает энергетический уровень вещества, обеспечивает более высокую скорость протекания реакций в организме и в целом реакционную способность живого. Впервые нарушение симметрии в строении органических молекул по сравнению с неорганическими отмечал еще Пастер Л.Л. Пастер. Исследуя строение веществ биологического происхождения, он установил, что такие вещества способны отклонять поляризованный луч света и поэтому являются Оптическая активностьоптически активными веществами. В неорганических молекулах этого не наблюдается, и они построены совершенно симметрично (рис. Рис. 1.8.1. Зеркальная симметрия молекул воды (а) и бутилового спирта (б)).

Напомним, что физическое явление поляризации света, открытое в 1808 г. французским физиком Малюс Э.Э. Малюсом, заключается в нарушении осевой симметрии света в плоскостях, перпендикулярных направлению светового луча. Как мы уже знаем из главы 1.3, Свет свет - это поперечные колебания векторов напряженности электрического и магнитного Полеполей. В зависимости от условий падения и отражения световой волны эти величины в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны, будут различными, что мы воспринимаем как ослабление или увеличение света. Это легко проверить, если наблюдать прохождение света через две тонкие слюдяные пластинки, поворачивая их друг относительно друга. При этом оказывается, что для каждого прозрачного для света вещества имеется угол, называемый углом полной поляризации или углом Брюстера, при котором наблюдается полное гашение света, т.е. вещество становится полностью непрозрачным.

Это происходит, когда плоскости отражения, например тех же пластинок из слюды, перпендикулярны друг другу. Электромагнитные колебания в световом луче, отраженном под углом Брюстера, совершаются только в определенных плоскостях: вектор электрического поля колеблется перпендикулярно плоскости падения, а вектор магнитного поля - в плоскости падения света. Плоскость колебаний электрического вектора называется плоскостью поляризации. Эта плоскость поляризации может поворачиваться при прохождении поляризованного света через оптически активные вещества. Причиной Оптическая активностьоптической активности и является отсутствие в нем элементов симметрии, вследствие чего молекула такого вещества может существовать в двух пространственных формах, не различимых по всем физическим и химическим свойствам, кроме направления вращения плоскости поляризации. Таким образом, физическим обоснованием Хиральностьхиральности является оптическая активность вещества.

Большинство оптически активных веществ известно в двух модификациях - право- и левовращающей. Вещество называется правовращающим, если при наблюдении против направления распространения света вращение плоскости поляризации происходит по часовой стрелке, и левовращающим - при противоположном направлении вращения. Смесь равных количеств право- и левовращающих молекул (или модификаций вещества) является оптически неактивной смесью и называется Рацемическая смесь рацемической смесью. В 1848 г. Пастер Л.Пастер показал, что оптически активные вещества всегда кристаллизуются в энантиоморфных формах, левой и правой модификациях, т.е. так, что кристаллы правовращающей модификации являются зеркальным отражением кристаллов левовращающей.

Если в неживой природе левые и правые молекулы встречаются почти одинаково, то в живых организмах встречается только один тип. Так, Аминокислотааминокислоты живых организмов имеют левовращающие плоскости поляризации, у Глюкозаглюкозы - правовращающая форма, у фруктозы - левовращающая. Молекула Дезоксирибонуклеиновая кислотаДНК также асимметрична, ее спираль закручена вправо. Было установлено, что белковые полимерные цепи содержат только левые аминокислоты, а полимерные цепи из молекул РНК и ДНК - только правые сахара.

Таким образом, отличие «живых» молекулярных конструкций от «неживых» состоит не только в том, что они строятся из органических молекул, но еще и в том, что биомолекулы вмонтированы в эту конструкцию определенным образом, с учетом чисто левой или чисто первой формы. Можно сказать, что живые организмы в процессе своей жизнедеятельности извлекают из Окружающая средаокружающей среды химические неорганические соединения, молекулы которых симметричны, или, как мы говорили, хирально не чисты, и превращают их в асимметричные, но хирально чистые соединения - аминокислоты, сахара и т.д. Отметим, что и в искусственных условиях можно получить раздельно левые и правые вещества. Так, сам Пастер Л.Л. Пастер из рацемической смеси получал равные количества левых и правых энантиомеров кристаллов солей винной кислоты.

В последнее время экспериментально показано, что такое разделение наблюдается при нелинейной динамике прохождения Автокаталитическая репликацияавтокаталитических химических реакций. Это означает, что такой переход от симметричных молекул неживой природы к асимметричным биомолекулам живой мог происходить и на предбиологической стадии химической эволюции. Впервые английским ученым Франк Ч.Ч. Франком в 1953 г. было показано, что зеркальная симметрия может нарушаться именно в реакциях автокаталитического типа. Поэтому можно считать одним из необходимых условий возникновения жизни нарушение зеркальной симметрии. Образование жизни - это Спонтанныйспонтанный переход от беспорядка, где хаотически перемешаны в рацемической смеси левые и правые энантиомеры неорганических и органических молекул, к упорядоченному хирально чистому состоянию органических молекул: только левые или только правые молекулы.

Отечественные ученые школы Гольданский В.И.В.И. Гольданского, Морозов А.Л.Л.Л. Морозов и Аветисов В.А.В.А. Аветисов, учитывая генетическую программу построения белков живого организма, считают, что это не просто нарушение зеркальной симметрии, а образование с позиций Хиральностьхиральности уникальной последовательности звеньев в соответствующих биополимерных целях. Это свойство живого они назвали Гомохиральностьгомохиральностью [ссылка на источники литературы]. В этом смысле ключевые биологические Макромолекуламакромолекулы являются Полимер гомохиральныйгомохиральными полимерами. Однако экспериментальное доказательство существования таких полимеров, в которых нарушена зеркальная симметрия и где проявляется один вид Биополимеры гомохиральныегомохиральных биополимеров (а именно такова форма жизни на Земле, с учетом антропного принципа), не означает, что во Вселенной не может быть и других форм жизни. Кроме того, конечно, не ясен сам механизм образования гомохиральности, особенно на предбиологической стадии эволюции.

Как мы уже понимаем, биоорганический мир является сложной самоорганизующейся иерархической системой и динамика образования иерархии в исходно разупорядоченной «первоначальной» среде остается пока неустановленной. И несмотря на сам факт осознания неизбежности самоорганизации сложных макромолекулярных структур биологического уровня, нам не хватает конкретных Знаниезнаний об этих процессах. Как мы уже убедились, живой организм умеет строить фантастические по своей сложности молекулярные конструкции с удивительной быстротой и надежностью, да еще и по определенному и непростому генетическому плану. Но все это происходит тогда, когда живой организм уже возник. А как образуются гомохиральные полимеры на добиологической стадии эволюции, когда нет ни этого генетического «плана», ни биохимической технологии сборки полимерных цепей?

Число же таких даже относительно простых цепей с различной последовательностью первых и левых мономеров составляет около <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, что больше числа электронов во всей Вселенной [ссылка на источники литературы]. Каждая клетка человека содержит двойную нить Дезоксирибонуклеиновая кислотаДНК из 4 млрд. Нуклеотиднуклеотидов длиной почти в 2 м, упакованных в крошечный объем клеточного ядра. Известный генетик и распорядительный директор фонда Сороса В. Сойфер подсчитал, что если все ДНК клеток одного человека выстроить в линию, то эта нить достигнет Солнца.

Самособирающиеся сложные макромолекулярные структуры из гомохиральных мономеров действительно являются уникальными, потому что они собираются (без РазумРазума Человека, сами!) единственным способом из огромного числа возможных. Как отмечалось в [ссылка на источники литературы], в этом тоже парадокс, только уже биохимический, он называется Парадокс Левинталяпарадоксом Левинталя: как понять и объяснить, что полимерная цепь с огромной скоростью вбирает и реализует нужный для конкретных частей живого организма способ Самосборкасамосборки Белокбелков. В обычных условиях требуемое для этого время кажется бессмысленно большим, значительно большим, чем возраст самой Вселенной.

Аветисов В.А.В.А. Аветисов приводит образный пример такой ситуации. Если взять массу органической материи, равную массе всей Земли, и синтезировать каждую полимерную последовательность только один раз в результате самых быстрых химических процессов и заниматься этим делом в течение всего времени существования Вселенной, то можно получить число вариантов этого процесса, сопоставимое с числом капель во всем Мировом океане. Поэтому приходится считать, что Природаприрода не имеет никаких реальных шансов перебрать все возможные варианты образования даже простых Полимерполимеров. Вероятность этого процесса такая же, как если трясти мешок с деталями от телевизора и ожидать, что в результате мы получим собранным таким образом работающий телевизор.

Кстати, мерой этого перебора вариантов может служить число Авогадро (<?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
), которое значительно меньше числа возможных целей <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Из этого сравнения вытекает, что вероятность появления длинных гомохиральных последовательностей физически равна нулю. Отсюда Гольданский В.И.В.И. Гольданский и Аветисов В.А.В.А. Аветисов делают вывод, что длительный эволюционный путь не может реально привести к возникновению асимметричного биоорганического мира и это произошло спонтанно. Такие представления для физической идеологии нашего курса не являются чем-то новым, а лишь подтверждают, что Эволюцияэволюция идет через точки бифуркации и при определенных условиях - нелинейно, в режимах с обострением.

Что может быть причиной нарушения зеркальной симметрии неживого и приводит к асимметрии живого, его молекулярной асимметричности? Предположительно условиями такого фазового перехода могли быть изменение электромагнитного поля Земли, вращение Земли, поляризация солнечного и лунного света, асимметрия геофизических и геокосмических факторов, случайные Флуктуацияфлуктуации в органической среде, слабые взаимодействия. Оценка пороговой энергии, необходимой для таких переходов, и масштабов объемов, где они возможны, по Морозов А.Л.А.Л. Морозову [ссылка на источники литературы], составляет соответственно 0,1 - 10 пДж и 10 нм, что указывает на принципиально квантовый характер этих процессов.

Слабыми взаимодействиями в Космомикрофизикакосмомикрофизике объясняют нарушение симметрии между веществом и антивеществом сразу после Большого Взрыва (БВ), однако, по мнению Гольданский В.И.В.И. Гольданского, связь между химическими реакциями предбиологического этапа жизни и слабыми взаимодействиями не проявляется. Энергии элементарных частиц после БВ велики, а энергии химических реакций на холодных стадиях эволюции Вселенной, когда могли образовываться хиральные органические соединения, очень малы по сравнению с ядерными и, по-видимому, асимметричное влияние слабых взаимодействий на них ничтожно мало.

В 1980 г. было установлено, что право- и левосторонние молекулы, помещенные в магнитное поле, по-разному поглощают свет. Это свойство молекул разной Хиральностьхиральности назвали магнитным дихроизмом. Риккен и Раулах из Гренобльской лаборатории во Франции в июне 2000 г. показали, что химическая реакция, приводящая к разделению левых и правых молекул (этот процесс называется Энантоселекция энантоселекцией), не может осуществляться в магнитном поле Земли, поскольку оно слишком слабое для такого процесса. Это может указывать на то, что в момент происхождения жизни на Земле были другие условия, способствовавшие формированию первых микроорганизмов из молекул определенной направленности.

Однако не следует однозначно говорить о превалирующей роли именно асимметрии по сравнению с симметрией. Оба этих представления одинаково важны для живого в диалектическом единстве, отражая двойственность и единство мира. Понятия симметрии и асимметрии неразрывно связаны с понятиями устойчивости и неустойчивости, порядка и хаоса, организации и дезорганизации сложных систем в гармонии их динамики. Симметрия связана с сохранением, стабильностью процессов, их устойчивостью, делая возможными те процессы, которые подчиняются Законзаконам сохранения. Она ограничивает число возможных вариантов структур или вариантов поведения системы. Мы уже отмечали в главе 1.8 связь между симметрией и энтропией: большая энтропия соответствует более высокой симметрии, большей симметрии соответствует большая вероятность состояний. Из последнего следует, что симметричному состоянию соответствует и меньшая информация.

Симметрия - проявление здорового консерватизма! Она как бы ограничивает число возможных вариантов поведения системы, сводит их лишь к необходимому, организуя тем самым некий минимальный порядок. В известном смысле симметрия подчеркивает общее в объектах и явлениях. Здесь опять проявляются философские категории целого и частей [ссылка на источники литературы]. Асимметрия как процесс развития частей, основанный на случайностях, флуктуациях, обеспечивает эволюцию живого организма через дезорганизацию, хаотические состояния. Согласно И.Р. Пригожину, процесс самоорганизации живого через возникающие диссипативные структуры как раз и связан с нарушением симметрии в точках Бифуркациябифуркации.

Реальный мир живого организма и его жизнедеятельность обеспечиваются и симметрией, и асимметрией в сочетании сохранения целостности организма и его динамического развития. Эта диалектическая борьба противоположностей симметрии - асимметрии проявляется и в том, что стремление организма сохранить наследственные различия между левым и правым уравновешивается преимуществами, которые организм использует из симметричного расположения своих органов. Причем интересно, что наши конечности больше подчиняются симметрии, чем внутренние органы.

В заключение можно отметить, что в Биологиябиологии понятие левого и правого играет большую роль, чем в физике, поскольку физическая Структураструктура пространства не позволяет их отличить иначе, чем выбором отсчета, что произвольно. Как вы думаете, почему мы здороваемся правой рукой?

Контрольные вопросы к главе 2.2

© Центр дистанционного образования МГУП