Физико-химические и молекулярно-биологические основы существования живого

• Закон хиральной чистоты Л. Пастера
• Закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского
• Термодинамическое правило Вант-Гоффа — Аррениуса
• Биогеохимические принципы В. И. Вернадского
• Закон сохранения термодинамического состояния
• Теорема (афоризм) Э. Шрёдингера
• Теорема (афоризм) Хаасе
• Теорема Г. Атлана
• Теорема Бриллуэна

* В отечественной литературе встречается иная транскрипция термина — киральный. ** Эти вопросы подробно изложены в ряде статей рано скончавшегося Л. Л. Морозова и его соавторов. Можно рекомендовать две научно-популярные работы: Л. Л. Морозов. Несохраняющаяся четность в молекулярном мире организмов//Природа. 1977. № 1. С. 32 — 45. Он же (посмертная статья). Поможет ли физика понять, как возникла жизнь?//Природа. 1984. № 12. С. 35 — 48. *** Это легко доказать математически. Возникновение существующих цепей из 2000 ферментов, характерных для живого, требует перебора 10⁴⁰⁰⁰⁰ вариантов их сочетаний (Викрамасингхе Ч. Размышления астронома о биологии//Курьер ЮНЕСКО. 1982. Июнь. С. 36— 38). Возникновение генома человека, сложность которого оценивается числом 10¹⁰⁰⁰, требовало бы в эволюции живого фантастического перебора вариантов, равного более 10⁹⁰⁰ на одну особь (Реймерс Н. Ф. История эволюции//Человек и природа. 1982. № 11. С. 50 — 61). Числа эти абсолютно нереальны — см. закон направленности эволюции в следующих разделах главы, а также разд. 3.11.

Поскольку все экологические системы имеют в своем составе живое и без него теряют свою специфику,необходимо уяснить закономерности фукнционирования этого живого — самые общие и затем частные. Первым в этом ряду, вероятно, следует поставить закон хиральной чистоты Л. Пастера: живое вещество состоит из хирально чистых структур. Хиральность, или хиральная чистота,— наличие исключительно объектов, несовместимых со своим зеркальным отражением (типа правой и левой руки, откуда и происхождение термина: гр. «хира» — рука)*. Белки живого построены только из «левых» (поляризующих свет влево) аминокислот, нуклеиновые кислоты сложены исключительно из поляризующих свет вправо cахаров и т. д. Синтетически такие вещества получить очень трудно. Вещества небиогенного происхождения хирально симметричны — «левых» и «правых» молекул в них поровну.
Хиральная чистота обуславливает специфику живого, несводимость его к неживому и практическую невозможность получения живого из неживого в современных условиях Земли. Для этой планеты возникновения жизни — уникальный, катастрофический процесс**. Закон хиральной чистоты и тот факт, что синтезировать хирально чистые вещества в лабораторных условиях возможно лишь с помощью весьма сложных методик асимметрического синтеза, делают бессмысленными спекулятивные рассуждения об отсутствии граней между неживым и живым. Искусственное конструирование живого, если говорить о природе Земли, практически неосуществимо***. Вместе с тем, хиральная асимметричность, свойственная всему живому, объективно указывает на его физико-химическое единство, что и отражает закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского: все живое вещество Земли физико-химически едино.
Этот закон не исключает количественной биогеохимической специфики видов живого, даже половых и возрастных, возможно индивидуальных химических и физических отличий у тканей организмов. Однако качественно жизнь едина, и потому подчиняется единым «правилам игры», в том числе термодинамическому правилу Вант-Гоффа — Аррениуса, правилу поверхностей и биогеохимическим принципам В. И. Вернадского.
Термодинамическое правило Вант-Гоффа — Аррениуса в биолого-экологической модификации гласит, что подъем температуры на 10°С приводит к 2 — 3-кратному ускорению химических процессов. Фактически обмен веществ в одних случаях усиливается многократно (до 7,4 раз), а в других повышение температуры его замедляет.
Правило Вант-Гоффа — Аррениуса существенно углубляется закономерностью, формулируемой для теплокровных животных в виде правила поверхностей. Формулировку и расшифровку этого правила технически и по смыслу удобней оказалось привести в разд. 3.4.2.
Экологический эффект всемирного повышения температуры на 10°С довольно трудно предсказуем. Скорее всего изменение среднеглобальной температуры в таком размере катастрофично. Среднеглобальная температура атмосферы у поверхности Земли около 15°С. За последний 1 миллион лет она изменялась в пределах 5°С похолодания и 2°С потепления. При изменении среднеглобальной температуры на 10°, т. е. в 1,5 раза от современного уровня, скорее всего будет нацело нарушено действие принципа Ле Шателье — Брауна (разд. 3.2.3) — биота как бы сама себя «съест», так как процессы обмена веществ, усиливаясь, приведут не к сопротивлению изменениям в окружающей биоту среде, а к быстрой самодеструкции биосферы.
При этом будут глубоко нарушены первые два биогеохимических принципа В. И. Вернадского, а третий его принцип будет существенно искажен. Первый биогеохимический принцип В. И. Вернадского гласит: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Этот принцип уже в наши дни нарушен, хотя и обратимо, как сказано выше при обсуждении принципа Ле Шателье — Брауна (разд. 3.2.3). Второй биогеохимический принцип В. И. Вернадского: эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Этот принцип при антропогенном измельчании средних размеров особей биоты Земли в ходе процессов экологического дублирования (лес сменяется лугом, крупные животные мелкими) начинает действовать аномально интенсивно (см. правило Ю. Одума в разд. 3.8.1), что также нарушает действие принципа Ле Шателье — Брауна.
Поскольку, согласно третьему биогеохимическому принципу В. И. Вернадского, живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца, биосферная солнечно-земная связь с нарушением первых двух биогеохимических принципов В. И. Вернадского и принципа Ле Шателье — Брауна резко изменяется. Космические воздействия могут из системы поддержания биосферы планеты превратиться в агенты, ее разрушающие. Процесс может стать саморазвивающимся и необратимым. Пока биосфера еще находится в обратимом состоянии, но угроза ее самодеструкции все время растет. К этому вопросу целесообразно вернуться после рассмотрения всей группы закономерностей, регулирующих функционирование природных систем планеты. Начнем этот перечень с экологических законов, правил и принципов жизни отдельного организма.

* Летунов В. Н. Термодинамические аспекты теории адаптаций//Тр./Зоол. ин-т АН СССР. 1987. Т. 160. С. 31 — 40.

Как бы в промежутке со следующим блоком обобщений (разд. 3.4) стоит закон сохранения термодинамического состояния*: энтропия и информация обратно пропорциональны, что ведет к дифферециации отдельных функций организма и, следовательно, специализации его частей. Это вызывает эволюционные адаптации, в том числе ведет к развитию систем управления, соотносящих работу отдельных реагентов и стабилизирующих их параметры. Этот закон объясняет внутренние побудительные механизмы возникновения адаптации, тенденцию к эволюционным переменам. Внутренние процессы сложно взаимодействуют с процессами, вызываемыми внешними причинами, в рамках четырехединства биологических систем: их целостности, преобразуемости, саморегуляции и воспроизводимости.
Чтобы закончить с проблемами термодинамики и энтропии и перейти к биосистемам, обратимся к группе теорем, или афризмов, сформулированных для уровня отдельной особи. Первой в этом ряду стоит теорема (афоризм) Э. Шредингера (1944) о «питании» организма отрицательной энтропией. Эта теорема утверждает, что упорядоченность организма (особи) выше, чем окружающей его среды и он (организм) отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает:

d_eS — d_iS = —S, если d_iS ≥ d_eS,

где d_iS — внешняя энтропия, a d_eS — внутренняя энтропия.— S выступает как мера упорядоченности. Совершенно очевидна связь теоремы Э. Шредингера с теоремой сохранения упорядоченности И. П. Пригожина (разд. 3.2.3).
Следующие три обобщения носят столь же уточняющий характер. Их ряд начинается теоремой (афоризмом) Хаасе (1963): организм «питается» положительной энтропией, т. е. энергетическая ценность пищи выше, чем этот же показатель продуктов диссимиляции. Иначе — организм существует до тех пор и постольку, поскольку имеется положительный энергетический баланс.
Теорему (афоризм) Э. Шредингера дополняет теорема Г. Атлана (1968), утверждающая, что организм «питается» не только отрицательной энтропией, но и «шумом». Часть информации, содержащейся в пище, в ходе ассимиляции неизбежно теряется.
Завершает группу сходных обобщений теорема Бриллуэна (1956) о том, что энтропия отходов больше энтропии пищи. По сути дела, по содержанию это повторение теоремы Э. Шредингера:

S_ns — S_ab == — S, если S_ab ≥ S_ns,

где S_ns — энтропия пищи, a S_ab — энтропия продуктов диссимиляции. Перечисленные теоремы «оголяют» физический смысл достаточно очевидных истин.

Дата добавления: 2014-11-29