Роланд Глазер - Биология в новом свете

На первый взгляд все достаточно просто. Но это лишь кажущаяся простота. На самом деле точный расчет энергетического уровня различных возбужденных состояний атомов и молекул в квантовой биофизике и квантовой механике является исключительно сложной задачей. Трудно даже сказать, можно ли вообще точно рассчитать возбужденные состояния и изменения сложных биологических молекул на современном уровне развития квантовой механики. Поэтому оставим этот вопрос до будущих времен и продолжим наше знакомство с часовым механизмом живого.

До сих пор мы обращали внимание только на две формы энергии — тепловую и химическую — и осветили этот вопрос довольно односторонне. Тепловую энергию мы рассматривали лишь как неизбежное зло, своего рода потерю энергии. Однако теплота — это, конечно, не неизбежное зло, а жизненно важная необходимость. Для функционирования живых систем требуется оптимальная температура, которая у теплокровных животных поддерживается строго постоянной независимо от температуры окружающей среды. Отдача тепла строго регулируется: оно не должно рассеиваться ни слишком сильно, ни слишком слабо. Это мы уже неоднократно подчеркивали.

Различные способы регуляции рассеяния тепла у животных. Вращением крыльев летающие насекомые разогревают тело до необходимой температуры. Высунутый язык собаки способствует рассеянию излишнего тепла, то есть охлаждению ее тела

О химической энергии мы также рассказали слишком кратко. У читателя могло сложиться впечатление, будто растения синтезируют органические молекулы только для того, чтобы обеспечить пищей животных. Подобный принцип целесообразности, принцип "для того... чтобы" присущ телеологии и, конечно, совершенно неприемлем для естествоиспытателя. И если он где-то и выплыл в нашей книге, то лишь по причине удобства и простоты. Но, даже если исключить эту методологическую ошибку, такие представления были бы неверны. Сложные органические молекулы — это не только метаболиты, но и одновременно строительный материал для живого организма.

Примерно таким образом в сильно упрощенном виде можно представить энергетический баланс у растений и животных. В прямоугольниках указаны различные формы энергии. Каждая стрелка соответствует цепи сложнейших реакций

Таким образом, следует добавить: химическая энергия необходима организму в первую очередь для того, чтобы построить часовой механизм живого. Шестеренки "живых" часов должны сами себя синтезировать и поддерживать в динамическом равновесии. , как мы установили еще в предыдущей главе, чтобы поддерживать состояние динамического равновесия, нужна энергия.

Теперь, сделав все необходимые дополнения и уточнения, касающиеся химической и тепловой энергий, мы рассмотрим другие формы энергии, имеющие значение для функционирования живого организма. И растения, и животные совершают механические движения, которые также требуют затрат энергии. Механизмы таких движений у растений и животных совершенно, различны. О специфике многих движений у растений мы еще будем говорить. В настоящее время наиболее изучен процесс образования механической энергии в скелетных мышцах. Остановимся вкратце на современном состоянии вопроса.

Физические методы позволяют измерять самые разные формы энергии, которыми обладают растения, животные и микроорганизмы. А — за счет работы осмотических сил растение создает гидростатическое давление Δp, которое гонит воду вверх по стволу; Б — все живые организмы производят механическую работу. Белка увеличивает свою потенциальную энергию E пот , поднимая свое тело массой m вверх по стволу на высоту h и преодолевая при этом ускорение силы тяжести g; В — электрические рыбы (на рисунке изображен электрический угорь) создают напряжение сотен вольт; Г — в светлячке "спрятаны микроорганизмы, испускающие свет, энергия квантов которого равна произведению постоянной Планка h на частоту ν

Анатомическое изучение скелетной мышцы показывает, что она состоит из многих длинных мышечных волокон, так называемых миофибрилл. Под микроскопом, особенно в поляризованном свете, эта структура представляет собой чередующиеся темные и светлые полосы. На основании электронно-микроскопических исследований разработана следующая модель молекулярного строения мышцы: к прочным поперечным стенкам, так называемым пластинкам Z, в строгом порядке прикреплены нитевидные белковые молекулы. Эта структура напоминает щетку с гексагонально расположенными щетинками. Расстояние между отдельными "щетинками" намного больше их диаметра. Теперь представим себе две щетки, размещенные так, что их щетинки находятся друг против друга. Щетинки не должны касаться друг друга, но расстояние между их кончиками должно быть меньше их длины. Теперь между щетинками, параллельно им, поместим спички так, чтобы их концы оказались на разных щетках. Модель готова. Щетинки изображают тонкие актиновые нити, а спички — лежащие между ними толстые нити молекул миозина. Щетки могут сдвигаться относительно друг друга, при этом спички будут больше или меньше" углубляться в область между щетинками.

В мышце происходит интенсивное взаимодействие между молекулами актина и миозина, которое регулируется обменом веществ. Между этими параллельно расположенными молекулами образуются мостики — поперечные связи. Эти связи имеют химическую природу и возникают только между совершенно определенными участками молекул, так называемыми активными центрами. Под действием энергии, вырабатываемой в процессе обмена веществ, например при участии уже неоднократно упоминавшегося аккумулятора химической энергии — аденозинтрифосфата (АТФ), места соединений мостиков с молекулами непрерывно меняются; миозиновая молекула тянет молекулу актина, подобно тому как группа рыбаков вытягивает сеть. Актиновые нити, увлекаемые поперечными связями, скользят между нитями миозина — мышца сокращается. Эта гипотеза скользящих нитей в настоящее время рассматривается как наиболее правдоподобное объяснение механизма мышечного сокращения.

Строение скелетной мышцы и ее модель. Мышца состоит из миофибрилл (А), которые под микроскопом выглядят как чередующиеся светлые и темные полосы (Б). Модель миофибриллы можно представить следующим образом: между тонкими нитями молекул актина, расположенными в строгом геометрическом порядке, лежат толстые нити молекул миозина (В). Порядок расположения нитей показан на поперечном сечении миофибриллы (Г). Сокращение мышцы можно объяснить скольжением этих нитей относительно друг друга, которое приводит к сближению пластинок Z