Виталий Тихоплав - Идущие по пустыне: время

В своей главной книге Бауэр теоретически предположил наличие структур, обеспечивающих термодинамическое неравновесие, и сформулировал принцип устойчивого неравновесия живых систем: «Для живых систем характерно именно то, что они за счет своей свободной энергии производят работу против ожидаемого равновесия» [6].

Смысл принципа устойчивого неравновесия заключается в биофизических аспектах направления движения энергии в живых системах. Этот принцип Бауэра кардинально различает работающую живую систему и работающую механическую систему, или машину.

Бауэр утверждал, что работа, производимая структурой живой клетки, выполняется только за счет неравновесия, а не за счет поступающей извне энергии, тогда как в машине работа выполняется напрямую от внешнего источника энергии. Организм употребляет поступающую извне энергию не на работу, а только на поддержание данных неравновесных структур.

Правда, Бауэр не установил, каким образом живые организмы постоянно поддерживают неравновесное термодинамическое состояние.

Ответ на этот вопрос дает закон устойчивости неравновесного термодинамического состояния, сформулированный Б. С. Доброборским: «Устойчивость неравновесного термодинамического состояния биологических систем обеспечивается непрерывным чередованием фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ [36]» [7].

При минимальном значении неравновесного термодинамического состояния клетки датчики включают режим расщепления АТФ, в результате чего энергетика организма начинает возрастать, достигая некоторого максимального значения.

При максимальном значении неравновесного термодинамического состояния клетки датчики включают режим синтеза АТФ, при котором энергетика организма начинает уменьшаться.

Наглядным примером здесь может служить последовательность сокращений и расслаблений сердечной мышцы: при сокращении сердечной мышцы у входящих в нее клеток происходят синхронные процессы расщепления АТФ, а при расслаблении – процессы синтеза АТФ. При последовательных циклах сокращения и расслабления сердечной мышцы в этих процессах одновременно и синхронно соответствующие биохимические реакции производят огромное количество клеток, каждая из которых в составе сердечной мышцы выполняет свою роль [8].

При этом частота сердечных сокращений определяется термодинамическим состоянием всего организма и может колебаться в зависимости от испытываемой организмом нагрузки в достаточно больших пределах.

Аналогично происходят соответствующие колебательные процессы в системе дыхания, в центральной нервной системе и в других системах.

Стоит отметить, что не все клетки, вовлеченные в тот или иной процесс, ведут себя как солдатики, четко выполняющие команду. Поскольку живые организмы являются открытыми термодинамическими системами, в которых непрерывно происходят разнообразные необратимые процессы, условия существования и жизнедеятельности каждой клетки непрерывно меняются. А соответственно меняются (перераспределяются) их роли в интегральных процессах, происходящих в органах и системах.

Однако в результате действия огромного количества клеток, они, в конечном итоге, производят те действия, для которых предназначены, в данном случае это последовательные сокращения и расслабления сердечной мышцы в необходимом ритме. В организме человека на воздействие нагрузок реагируют все органы и системы. Из них наиболее четко и оперативно реагирует сердечно-сосудистая система, так как остановка ее работы даже на несколько минут может привести к гибели организма.

Несколько свободнее, но в достаточно жестких пределах работает система органов дыхания, периодические процессы которой человек может в незначительной степени сознательно регулировать. В еще более свободном режиме колебаний работают некоторые центры головного мозга, система пищеварения и другие. Человек может позволить себе в определенных пределах нарушать ритм сна и бодрствования, ритмы потребления пищи и др. Однако величина всех этих параметров в значительной степени зависит от общего состояния организма и от условий окружающей среды.

Из закона устойчивого неравновесия вытекают следующие следствия.

1. В живых организмах ни один процесс не может происходить непрерывно, он должен чередоваться с противоположно направленным: вдох с выдохом, работа с отдыхом, бодрствование со сном, синтез веществ с расщеплением, и т. д.

2. Состояние живого организма никогда не бывает статическим, а все его физиологические и энергетические параметры всегда находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно средних значений, как по частоте, так и по амплитуде.

Словом, колебательные биохимические процессы, которые происходят внутри клетки, устойчиво неравновесные.

В живом организме постоянно расходуется энергия, причем не только во время физической и умственной работы, а даже при полном покое (сне). Процессы роста и поддержания жизни постоянно требуют затрат энергии, которые должны быть как-то возмещены.

Живые организмы поглощают из окружающей среды энергию в такой форме, чтобы ее можно было использовать в конкретных условиях их существования при данных значениях температуры и давления. Процессы превращения веществ, образование новых клеток и систем идут в клетках постоянно [9].

Стоит отметить, что системы преобразования энергии в живых клетках целиком построены из сравнительно хрупких и неустойчивых органических молекул, не способных выдерживать высокие температуры, сильный электрический ток, действие сильных кислот и оснований. Все части живой клетки имеют примерно одну и ту же температуру, в клетках нет сколько-нибудь значительных перепадов давления. Отсюда можно сделать вывод, что клетки не могут использовать тепло как источник энергии, поскольку тепло может совершать работу лишь тогда, когда оно переходит от более нагретого тела к более холодному. Клетки совсем не похожи на тепловые и электрические двигатели – наиболее знакомые нам типы двигателей. Живые клетки представляют собой химические машины, работающие при постоянной температуре.

Постоянная и неразрывная связь живого организма с окружающей средой осуществляется в виде процесса обмена веществ. Обмен веществ включает три этапа: поступление веществ в организм, метаболизм и выделение конечных продуктов из организма.

Метаболизм (от греч . превращение, изменение), собственно сам обмен веществ, – есть совокупность химических реакций, протекающих в организме, обеспечивающих его рост, развитие и процессы жизнедеятельности, взаимодействие с окружающей средой и т. д. Метаболиты – промежуточные продукты обмена веществ в живых клетках. Многие из них оказывают регулирующее влияние на биохимические и физиологические процессы в организме.