ТОХФ - 6 група (ХТБМП) - Біохімія - Лекції - Коваленко - 2003 - шредінгер
Біологія у питаннях та відповідях
ПИТАННЯ:Що таке життя з погляду фізики?
ВІДПОВІДЬ:Раніше панувала концепція віталізму, згідно з якими біологічні явища принципово незбагненні на основі фізики та хімії, оскільки існує якась "життєва сила", або ентелехія, або біологічне поле, що не підлягають фізичному тлумаченню.
У 20 столітті великий фізик Бор розглядав проблему взаємини біології та фізики з урахуванням концепції додатковості, окремим випадком якої є принцип невизначеності квантової механіки. Бор вважав додатковими дослідження живих організмів на атомно-молекулярному рівні як і цілісних систем. Ці два види досліджень несумісні. У той самий час " жоден результат біологічного дослідження може бути однозначно описаний інакше як основі понять фізики і хімії " . Життя слід розглядати ". як основний постулат біології, що не піддається подальшому аналізу", подібно до кванту дії в атомній фізиці. Таким чином, є додатковість біології, з одного боку, і фізики та хімії – з іншого. Ця концепція не віталістична, вона не ставить будь-яких меж застосування фізики та хімії в дослідженнях живої природи. Наприкінці життя (1961, 1962 рр.) Бор змінив свої погляди під впливом успіхів молекулярної біології. Він зазначив, що додатковість у біології має не принциповий, але практичний характер, який визначається надзвичайною складністю живого тіла. Практична додатковість переборна.
Розвиток молекулярної біології призвело до атомістичного тлумачення основних явищ життя - таких як спадковість та мінливість. Останні десятиліття успішно розвивається і фізична теорія цілісних біологічних систем, заснована на ідеях синергетики.
У 1945 р. Шредінгер написав книгу "Що таке життя з погляду фізики", що справила значний вплив на розвиток біофізики та молекулярної біології. У книзі уважно розглянуто кілька найважливіших проблем. Перша їх - термодинамічні основи життя. На погляд є рішуче протиріччя між еволюцією ізольованої фізичної системи до стану з максимальною ентропією, тобто. невпорядкованістю (друге початок термодинаміки), та біологічною еволюцією, що йде від простого до складного. Шредінгер говорив, що організм "живиться негативною ентропією". Це означає, що організми та біосфера загалом не ізольовані, але відкриті системи, що обмінюються з навколишнім середовищем та речовиною, та енергією. Нерівноважний стан відкритої системи підтримується відпливом ентропії в довкілля. Друга проблема – загальні структурні особливості організмів. За словами Шредінгера, організм є аперіодичний кристал, тобто. високоупорядкована система, подібна до твердого тіла, але позбавлена періодичності в розташуванні клітин, молекул, атомів. Це твердження слушне для будови організмів, клітин та біологічних макромолекул (білки, нуклеїнові кислоти). Поняття про аперіодичного кристала важливе для розгляду явищ життя на основі теорії інформації. Третя проблема – відповідність біологічних явищ законам квантової механіки. Обговорюючи результати радіобіологічних досліджень, проведених Тимофеєвим-Ресовським, Циммером та Дельбрюком, Шредінгер відзначає квантову природу радіаційного мутагенезу. У той самий час застосування квантової механіки в біології не тривіальні, оскільки організми принципово макроскопічні. Шредінгер ставить питання: "Чому атоми малі?" Очевидно, що це питання позбавлене сенсу, якщо не зазначено, порівняно з чим маліатоми. Вони малі порівняно з нашими заходами довжини – метром, сантиметром. Але ці заходи визначаються розмірами людського тіла. Отже, каже Шредінгер, питання слід переформулювати: чому атоми набагато менші за організми, іншими словами, чому організми побудовані з великої кількості атомів? Дійсно, кількість атомів у найменшій бактеріальній клітині Mycoplasma. laidlawii має порядок 10 9 . Відповідь на питання полягає в тому, що необхідна для життя впорядкованість можлива лише в макроскопічній системі, інакше порядок руйнувався б флуктуаціями. Нарешті, Шредінгер ставив питання про стійкість речовини генів, побудованого з легких атомів С, Н, N, О, Р, протягом багатьох поколінь. Відповідь це питання дала пізніше молекулярна біологія, яка встановила двуспиральное будова дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК).
Ервін Шредінгер дійшов оптимістичного, хоч і не цілком заспокійливого висновку: "Хоча сучасні фізика і хімія не можуть пояснити ці процеси (що відбуваються в живому організмі), немає жодних підстав сумніватися у можливості їхнього наукового пояснення". На основі знань, накопичених при спробах дати визначення таким фундаментальним поняттям, як простір, час і матерія, фізики все далі і далі віддалялися від питання "Що таке." Те, що їх цікавить, є не так тавтологія понять, що стоїть за визначенням, скільки відносини, за допомогою яких стан речей можна було б звести до небагатьох фундаментальних величин, що однозначно характеризується запропонованими процедурами вимірювання.
Сьогодні є підстави стверджувати, що сучасна фізика не зустрічається з межами своєї застосовності до розгляду біологічних явищ. Важко думати, що такі межі виявляться у майбутньому. Навпаки,розвиток біофізики як частини сучасної фізики свідчить про її необмежені можливості. Доводиться, звичайно, запроваджувати нові фізичні уявлення, але не нові принципи та закони. Поняття життя охоплює безліч явищ, що мають дуже різні ступені складності. Як відомо, багато біологів саме в складності та різноманітті бачать один із суттєвих ознак живого. Філософів проблема життя цікавить насамперед тому, що воно стосується походження та буття людини. Але властивість "бути живим" без сумніву є загальною для двох настільки різних істот, як кишкова паличка та людина. Навряд чи загальне визначення може повідомити щось про вкрай різні особливості цих істот. Якщо ми хочемо зрозуміти життя як особливу форму організації матерії, ми повинні пам'ятати, що ця характеристик аж ніяк не включає гігантські якісні та кількісні відмінності та рівні організації нижчих і вищих організмів.
Чи існує ясне розмежування живого і неживого? Нині біологи дадуть відповідь це питання швидше негативно. Справді, навряд можна чітко визначити цей кордон. Наприклад, вірусна частка у відповідному середовищі – використовуючи метаболізм клітини господаря – може розмножуватися, причому іноді настільки неприборкано, що весь організм господаря в результаті гине. Таким чином, вірус має властивості, які в інших випадках можна знайти тільки у живих організмів - існування яких, як відомо, теж завжди залежить від певних умов середовища. Але, з іншого боку, віруси - це частинки, що характеризуються певною формою і складом і здатні, як і неорганічні речовини, утворювати кристалічні ґрати. Очевидно, що в такій формі вони не підпадають під жодне визначення живого. Далі, частки вірусів можнарозкласти окремі молекулярні компоненти і їх знову зібрати інфекційні одиниці - у своїй втрачається їх первісна індивідуальність. Життя і смерть змінюють тут своє звичайне значення.
У математиці прийнято розрізняти необхідні та достатні умови. У нашому випадку набагато легше встановити необхідні умови для існування життя - при цьому потрібно дбати лише про обов'язковість, але не про повноту.
З аналізу доступних нам живих систем ми знаємо, що у всіх клітинах відбувається обмін речовин, чи, точніше, метаболізм (оскільки передусім мають на увазі перетворення вільної енергії), який є необхідною умовою існування будь-якої форми життя). Тільки постійно використовуючи приплив вільної енергії, система може безперервно оновлюватися і цим гальмувати падіння у стан термодинамічного рівноваги, яке Ервін Шредінгер влучно назвав станом смерті. Характерний процесів життя динамічний порядок може підтримуватися лише з допомогою постійної компенсації виробництва ентропії.
Наступною необхідною умовою є здатність до самовідтворення. Усі молекули та специфічні впорядковані надмолекулярні структури, що виникли завдяки міжмолекулярним взаємодіям, мають обмежений час життя через тепловий рух. Щоб не втратити накопичену в них інформацію, вони повинні встигати до свого розпаду побудувати хоча б одну ідентичну копію, яка містить план будови та функціонування вихідної структури. Будь-яке біологічне впорядкування надсилається інформацією.
Інструктування потребує специфічних взаємодій. Кінцеві значення енергій взаємодії та обурення, створювані тепловими флуктуаціями, роблять абсолютно точне відтворення принципово неможливим. Завжди існуєпевний темп помилок, чи мутацій, - наявність цих помилок є суттєвою умовою можливості еволюційного прогресу.
Звичайно, обидві останні умови потрібно вважати необхідними, тільки якщо система, що розглядається, не може постійно виникати de novo. Тільки для эволюционирующей системи важливо зберігати і розвивати досягнуте інформаційний стан. У цьому полягає безпосередній зв'язок із складністю живих систем.
В даний час загальновизнано, що трьома суттєвими передумовами утворення живих структур є метаболізм, самовідтворення та мутабільність. Ці властивості необхідні, але недостатні. Кількісний теоретичний розгляд динаміки біологічних систем реакцій показує, що не будь-який вид самовідтворення та мутабільності може призвести до виникнення систем, здатних до необмеженої еволюції.
Одне з найбільших наукових здобутків нашого століття - з'ясування молекулярного механізму перенесення інформації та успадкування у живих організмах. Всі живі істоти використовують одну й ту саму універсальну схему для кодування, перенесення (та перекладу) інформації та біосинтезу. У цих процесах домінують два класи молекул: нуклеїнові кислоти як носії законодавчого початку та білки як носії виконавчого початку. Білками визначається вся корельована у часі програма синтезів живої клітини. Інформація, тобто. план будови клітини і, отже, всього організму, закладено в одній молекулі нуклеїнової кислоти. Копії цього плану будівлі передаються від покоління до покоління.
Визначимо живий організм як відкриту, саморегульовану, самовідтворюючу гетерогенну систему, що розвивається, найважливішими функціональними речовинами якої, є біополімери - білки і нуклеїнові кислоти.Організм – система історична, у тому сенсі, що він є результатом філогенетичного, еволюційного розвитку і сам проходить шлях онтогенетичного розвитку – від зиготи до старості та смерті.
Е. Шредінгер "Що таке життя з погляду фізики", М., Атоміздат, 1972,
М.Ейген, Р.Вінклер "Грі життя", М., Наука, 1979,
М.В.Волькенштейн "Біофізика", М., Наука, 1988.