Информация и волны среди молекул

Перенос информации в организмах, чаще всего, выполняется волнами разной природы, при чём и волны, и методы переноса ими информации (способы модуляции) оказываются специфичными, не такими, как в технике. Эта группа вопросов рассматривалась в книге [Барбараш, 1998], а затем, в доработанном и дополненном виде, вошла в данную работу. Биологические информационные системы являются системами молекулярного уровня. Хорошо известно, что такими являются наши сенсоры – зрение, слух, обоняние и т.д., а также генетическая система. Меньше акцентируется внимание на том, что информационными системами молекулярного уровня являются мозг и нервная система в целом.

Из-за построения биологических информационных систем на основе процессов молекулярного уровня, эволюция, вынужденно, привела их механизмы переноса информации к использованию медленно распространяющихся волн [Барбараш, 1991].

Скорость распространения химических структурогенных волн в многоклеточных организмах, по расчётам, около 4 км/с (см. гл. 2.2.12.), что в 75˙000 раз меньше скорости электромагнитных волн в вакууме. Оболочка ядра преобразует энергию химических волн в энергию акустических колебаний, скорость распространения которых около 1,5 км/с, т.е. в 200˙000 раз ниже скорости света.

Очень нагляден выбор Природы в пользу медленно распространяющихся волн в нервной системе. Хотя аксон нейрона представляет собой заполненный электролитом капилляр с изолирующими стенками (шванновскими клетками с миелином) и это позволяет передавать по нему сигналы так же быстро, как по металлическому проводнику, естественный отбор не использовал такую возможность. У человека скорость распространения нервного импульса не превышает 150 м/с, а у многих животных – гораздо меньше.

Когда Герман Гельмгольц впервые измерил скорость перемещения нервного импульса и получил для нерва лягушки всего 30 м/с, Иоганн Мюллер не поверил любимому ученику и отказался послать его статью в научный журнал. Такая малая скорость казалась совершенно невероятной. Сегодня ясно, что здесь нет никакой случайности. Природа упустила бы богатые информационные возможности молекулярных процессов, если бы сигналы внутри организмов передавались, скажем, со скоростью света – 300'000 км/с, как в сегодняшней электронной технике. Для компактности вычислительного устройства, пространственный размер движущегося сигнала (расстояние между солитонами) не должен превышать одного элемента логической схемы. А это, при молекулярных логических элементах и разумных частотах, возможно лишь при очень низких скоростях распространения волн.

Данная тенденция ещё заметнее проявилась в мозге. Скорость распространения нервных импульсов в ядрах и коре мозга на два порядка ниже указанной скорости 150 м/с, характерной для периферических нервов человека. Если бы скорость волн нервного возбуждения возросла в мозге, например, вдвое, то для сохранения того же объёма памяти и прочих информационных параметров линейные размеры мозга должны были бы увеличиться тоже вдвое, а объём и вес – в восемь раз!

Можно предположить, что относительное уменьшение мозга птиц по сравнению с наземными и водными позвоночными произошло, главным образом, за счёт уменьшения размеров нейронов, т.е., в конце концов, за счёт уменьшения скорости распространения волн нервного возбуждения.

* * *

Волновые процессы во внутренних информационных системах организмов имеют и другие общие особенности. Все они принадлежат к классу уединённых, солитоноподобных волн, а это, как выяснено на примере стекловолоконной передачи световых импульсов, позволяет существенно повысить объём переносимой информации. Вероятно, при заданной физической природе процесса переноса информации солитоноподобная форма волны позволяет переносить наибольший объём данных. Кроме того, солитоноподобные волны, по сравнению с синусоидальными, более устойчивы к помехам, в частности, к структурным нерегулярностям среды распространения, которые характерны для всех биологических объектов.

Волны, порождаемые живой материей, получают свою энергию от химических процессов. Часто в их основе лежат непосредственно волны химических реакций. Например, структурогенные волны, управляющие геномами эукариот, и волны нервного возбуждения, возникающие в нейронах, – это волны химических реакций. Они относятся к классу уединённых волн, и потому должны называться не солитоноподобными волнами, а (истинными) солитонами. Но здесь возник терминологический спор.

Многие специалисты не согласны называть химические волны одновременно и автоволнами, и солитонами. По их мнению, одно исключает другое. Иначе говоря, химическая волна и солитон, как термины, разошлись между собой, хотя должны были бы существовать в дружбе, потому что химические и биологические автоволны всегда являются уединёнными волнами, и в этом смысле – солитонами.

Спор возник, главным образом, из-за деления науки на узкие дисциплины. Среди математиков солитон закрепился как математический термин (хотя вначале обозначал вполне материальную волну на поверхности воды). В отличие от него, самовозбуждающиеся волны химических реакций, или иначе, автоволны, фигурируют в среде химиков и биологов, не увязывающих классификацию явлений с завершённостью их математического описания.

На проверку, оказалось, что противопоставление солитонов автоволнам вызвано банальным желанием математиков подать свою науку в выгодном свете, представить задачу математического описания солитонов успешно решённой, тогда как волны химических реакций под их описание не подходят (математикам не ясно даже, как подступиться к их описанию). Поэтому математики и выбрали легчайший путь – выбросили химические волны из класса солитонов. Как повод для этого, они использовали ошибочный вывод химиков о том, что химические волны (в отличие от математических солитонов) не могут отражаться и интерферировать, что было преподнесено как имманентное свойство всех подобных волн.

Как было отмечено в главе 2.4.5., такой вывод неверен. Ошибка возникла потому, что прошлые исследования охватывали только волны химических реакций с участием простых веществ, имеющих малые размеры молекул. Например, в реакциях волн Белоусова – Жаботинского участвовали лимонная и серная кислоты, сульфат церия и бромат калия, что определяло стерический фактор реакции, близкий к единице. Такие молекулы, если энергия их столкновения достаточна, вступают в реакцию между собой при любой взаимной ориентации, отчего за фронтом волны не остаётся не прореагировавших молекул, а это исключает возможность отражения волн и интерференции.

Иная ситуация складывается при участии в подобных реакциях молекул белка или других крупных молекул. Их стерический фактор составляет доли процента, отчего становятся возможными и отражение, и интерференция, характерные для математических моделей солитонов. В таком случае даже используемый математиками формальный повод для отделения химических волн от класса солитонов неправомочен.

Адекватное математическое описание таких солитонов, как волны химических реакций, действительно, является достаточно сложной задачей. Известными можно считать лишь характеристики квантово-механических взаимодействий между молекулами и ионами, а на их основе математик должен описать интегральные параметры массовых, взаимопроникающих, многостадийных химических процессов. Именно это и составило главную трудность.

Есть и другие трудности. Например, при участии в реакции молекул с низким стерическим фактором волна создаёт векторную анизотропию свойств химической среды – среди крупных молекул избирательно уменьшается концентрация активных молекул определённой ориентации при сохранении относительно постоянной концентрации молекул другой ориентации. Это дополнительно усложняет математическое описание процесса.

Однако подобные трудности не должны деформировать понятие солитона как уединённой волны. Термин „солитон” обозначает в науке, прежде всего, физические, химические и т.п. явления, и лишь во вторую очередь он может быть применён к математическим абстракциям. При этом, математическое описание любого реального явления не вправе доминировать над самим явлением, принципиально искажать представление о его истинных свойствах.

В главе 2.1.6. отмечено, что многие специалисты видят в солитоне нелинейное устойчивое локализованное возбуждение [Шахбазов и др., 1996]. Под такое определение подходят и волны химических реакций. Но, вероятно, ещё лучше строить определение солитона на главном свойстве уединённой волны, т.е. именно на её уединённости, на её независимости от соседних волн. Тогда определение солитона звучало бы приблизительно так:

Солитон является локализованным (уединённым) колебательным процессом (колебанием), параметры которого, в первом приближении, не связаны с предшествующими и последующими циклами.

Здесь замечание о первом приближении несёт определённую смысловую нагрузку. С одной стороны, нельзя утверждать, что солитоны абсолютно независимы от ближайших соседей. Какие-то отголоски влияния, скажем, предшествующей волны, в конкретных случаях могут быть обнаружены. С другой стороны, между соседними солитонами нет той жёсткой, принципиальной связи, какая объединяет, например, волны синусоиды, а это открывает, по сравнению с синусоидой, совершенно новые возможности для модуляции солитонов, для их участия в различных информационных процессах.

Дата добавления: 2015-06-04