Движущие силы и энергетические потоки диссипативных структур живой природы

1.1. Обзор первой проблемы.
1.2. Проблема взаимодействия митохондрии с цитоплазмой.
1.3. Переключение метаболических программ в процессе роста организма.
1.4. Проблема согласованности метаболических путей клетки.
1.5. Проблемы геронтологии.
1.6. Теория возбудимости и нервной проводимости.
1.7. Проблемы механизма мышечного сокращения.
1.8. Проблемы, вскрывшиеся при изучении термобактерий.
1.9. Проблема энергообеспечения восходящего потока ксилемы.
1.10. Эволюционное единство мира.

Понятие диссипативных структур впервые было введено в науку И. Пригожиным в середине прошлого века. Диссипативные структуры образуются (самоорганизуются) в открытых диссипативных системах при обмене веществом и энергией с окружающей средой в условиях неравновесности. Способность к самоорганизации, к возникновению порядка обеспечивается именно неравновесностью открытых систем. “Этот вывод послужил отправной точкой для круга идей, выдвинутых Брюссельской школой во главе с И. Пригожиным”. [77].

Под диссипативной, или многочастичной, или тоже самое, термодинамической средой (системой), понимается среда, состоящая из огромного (не счётного) числа частиц, в той или иной степени взаимодействующих между собой и с внешней средой. Причём частицы являются физическими объектами, имеющими конечные размеры. Неравновесная диссипативная среда – среда, в которой имеется какая–либо разность потенциалов: разность температур, давлений, электрического напряжения, химических потенциалов, т.е. обязательно наличие в среде градиента потенциальной энергии. Диссипативные системы делятся на закрытые и открытые, причём открытые системы понимаются как подсистемы закрытых или как системы, взаимодействующие с окружающей средой, с соблюдением законов сохранения.

Формирующиеся в многочастичной среде диссипативные структуры, представляют собой совокупность двух видов структур: статических и динамических. В статической структуре частицы между собой связаны достаточно жёстко и могут колебаться возле положения равновесия относительно окружающих частиц, и при воздействии сил на такую структуру частицы выступают в основном как единое целое, например кристалл. Динамическая диссипативная структура возникает под воздействием сил при определённых условиях в среде свободных или слабосвязанных частиц, когда каждая частица может достаточно свободно менять положение относительно других частиц, например гидродинамический поток.

Под самоорганизацией диссипативной структуры понимается возникновение совместного (кооперативного) движения огромного числа частиц. Наиболее характерной особенностью кооперативного движения в диссипативной среде с точки зрения динамики является присущий ему результирующий импульс.

Потоком энергии Умова-Пойнтинга через заданное сечение называется количество кинетической энергии, переносимое частицами через это сечение в единицу времени. Поток энергии характеризуется мощностью и плотностью потока энергии или вектором Умова-Пойнтинга. Речь идёт о кинетической энергии т.к. потенциальная энергия зависит от состояния массы и поэтому при учёте потенциальной энергии теряется однозначность понятия – поток энергии. К тому же поток энергии не всегда сопровождается потоком массы, масса при этом может совершать колебательные движения возле состояния равновесия. Поток энергии обладает импульсом или квазиимпульсом.

Окружающий нас материальный мир имеет три ярко выраженных состояния: неживая природа, живая природа и сфера разума. Однако границы между этими состояниями не чётки и размыты, что указывает на единство их эволюционного развития. На эволюционное единство этих состояний указывает и временная последовательность возникновения и становления этих состояний.

В предложенном вниманию читателя материале рассматривается широкий спектр явлений: от процессов неживой природы, способствовавших зарождению жизни, до процессов и событий ноосферы, при течении которых на первое место выходят силы и потоки социальной энергии. Рассматриваются причины единства и непрерывности этих трёх принципиально различных состояний окружающей природы, представляющих собой единую реальность. И всё же главным предметом исследования в данной работе являются биофизические и физиологические процессы, способствующие течению биохимических процессов и обеспечивающие проявление признаков живого. Биохимия и биофизика, составляющие фундамент биологии, к настоящему времени достигли впечатляющих успехов. Однако при этом обострились существующие проблемы и возникло много новых, особенно в биофизике. Перечислим наиболее существенные на сегодня по мнению автора проблемы, стоящие перед биофизикой и биологией в целом.

1). Проблема структурирования материи из состояния хаоса. Очевидное, давно озвученное противоречие сегодняшнего состояния естествознания - два противоположных, взаимно исключающих направления эволюции. С одной стороны постоянное структурное усложнение и цветение живой природы, с другой неизбежное наступление равновесного состояния самопроизвольных процессов природы. Оба эти направления эволюции подтверждаются всей практикой деятельности человека и его наблюдениями за природой. Что порождает это противоречие и что способствует сосуществованию этих противоречащих друг другу явлений природы?

2). Митохондрии называют энергетическими станциями клеток. Здесь производится основная масса АТФ при протекании цикла Кребса. Это требует интенсивного обмена метаболитами, в том числе и крупными белковыми молекулами - ферментами. Как производится интенсивный обмен (особенно в метаболически активных клетках, скажем скелетных мышц) через две мембраны митохондрии?

3). В каждой клетке находится весь набор генов данного организма. В тоже время каждый тип клеток работает по программе своего (своих) гена (генов). Как включается та или иная группа генов в данном типе клеток из всего набора? Как происходит рост организма из одной клетки до его конечного морфологического состояния? В чём заключается природа и механизм закона Бэра?

4). Биохимические метаболические пути включают в себя сотни и тысячи сопряжённых химических реакций, согласованных в пространстве и во времени. Что обусловливает строгую последовательность, пространственное структурирование и взаимную согласованность всех этих процессов?

5). Что стало исходным основанием для зарождения жизни из не живой материи? Живые организмы имеют ограниченный срок жизни. Есть животные долгожители, но тем не менее у каждого вида есть предельный биологический возраст. Есть много гипотез по этому поводу, но единого мнения нет. За счёт чего у животных долгожителей увеличивается продолжительность жизни? Что определяет предельный биологический возраст? В чём природа раннего старения (прогерии)?

6). Природа нервного импульса связывается с потенциалом действия, имеющим электрическую природу. Но электромагнитный сигнал распространяется со скоростью света. Скорость же распространения нервного импульса много ниже даже скорости звуковой волны. В чём причина?

7). Согласно опытов Хилла КПД мышечной деятельности составляет примерно 40% (у черепахи до 75%). И это при перепадах температур в клетке в доли градуса. Классическая термодинамика требует для таких КПД перепады температур не совместимые с жизнью. В чём причина такого высокого КПД? Как разрешается данное противоречие?

8). Термобактерии. Каков механизм защиты белка от денатурации в условиях повышенной температуры? В чём особенность термобактерий?

9). Питательные растворы по ксилеме поднимаются на десятки метров. При этом совершается работа против сил гравитации, на что требуется постоянная затрата энергии. Причём пучки ксилемы представлены мёртвыми клетками, в них нет затраты биологической энергии (АТФ). Возникает вопрос, откуда деревья берут энергию в течении десятков и сотен лет?

10). Окружающий нас мир представлен тремя различными состояниями: не живая природа, живая природа, ноосфера. И в тоже время между ними нет чётких границ. Последующее эволюционное состояние вытекает из предыдущего. Что объединяет эти различные состояния и придаёт природе общее единство?

На решение задач, вытекающих из перечисленных проблем и направлена данная работа, состоящая из ряда статей, объединённых единым взглядом на существо проблем. В основу методологии решения задач положен синтез биологии и динамики эволюции неравновесных диссипативных сред.

Обзор представлений и трактовок о природе физиологической активности живых организмов

Целью данной работы является описание движущих сил и энергетических потоков формирующих пространственно - временные диссипативные структуры живой природы. Рассмотрено функционирование биологических диссипативных структур во времени от зарождения до смерти, их эволюционное развитие и связанные с этими процессами механизмы.

Исследование причин и механизмов физиологической активности живой материи является задачей многих разделов биологии, но для биофизики, физиологии и эволюции это основная задача. При этом эволюция рассматривает развитие физиологической активности во времени. Рассмотрим наиболее общепринятые к настоящему времени положения этих наук в вопросах физиологической активности.

Выше были перечислены наиболее существенные на сегодня по мнению автора проблемы, стоящие перед биофизикой и биологией в целом, и которые составляют предмет исследований данной работы. Отметим наиболее устоявшиеся на сегодня представления об этих проблемах и их понимание и решение в литературе по тематике, приведённой в разделе литература.

Полный текст
Dvizhuschie-sily.pdf [314,22 Kb] (cкачиваний: 193)