§1. Живые системы против энтропии

Организмы постоянно создают из элементов окружающей среды свои структуры, приспособленные к выполнению основных жизненных функций. Тем самым в них создается физическое и химическое неравновесие со средой, на котором и основана способность живого совершать работу. Условием и в то же время следствием жизни является непрерывный поток и взаимопревращение энергии, вещества и информации как внутри организма, так и между организмом и средой его обитания.

Таким образом, с точки зрения физики все живое представлено гетерогенными (структурированными) открытыми системами, находящимися в состоянии устойчивого неравновесия со средой. В живых организмах фундаментальные физические законы имеют особое преломление. Так, законы классической термодинамики, относящиеся к равновесным состояниям и замкнутым системам, оказались неприложимы к живому. В современной физике специально для описания поведения биологических систем были разработаны принципы нелинейной термодинамики обратимых процессов в открытых системах. Характерным для живых систем, в частности, является понятие о разделении энтропии (теорема Пригожина).

Фундаментальные законы природы: сохранения вещества и энергии, законы термодинамики в живых системах - должны рассматриваться с учетом их самовоспроизведения и обновления в единстве и постоянном обмене веществом, энергией и информацией со средой обитания. Для понимания этих особенностей важно усвоить понятие «система» (совокупность взаимосвязанных однотипных элементов, обладающих единой пространственно-временной структурацией), характеризующее живые системы разных уровней сложности («уровни биологической организации»), определяя их характерные элементы и коммуникации между ними.

Основные уровни биологической организации представлены в табл.1.

Таблица 1. Уровни организации живых систем.

№ п /п	Уровень организации	Типы взаимодействий	Харак-терные размеры (м)	Время жизни
1.	Молекулярный: белки, нуклеиновые кислоты, липиды и их комплексы	Ковалентные (слабые) хими-ческие связи	10-10 – 108	Секунды – часы
2.	Надмолекулярный (органеллы, клетки): ядро, митохондрии, рибосомы, мембраны, хлоропласты и т.д.	Метаболические связи	10-8 – 10-6	Сутки, месяцы
3.	Клеточный (от 3-4 до 200 типов клеток в каждом организме)	Метаболические и структурные	10-5	Сутки, месяцы, годы
4.	Тканевый (от 3 до 6-8 типов тканей в каждом организме)	Межклеточные контакты, матрикс, химические и физические взаимодействия: механические, лучевые и т.п.	10-4	До многих лет
5.	Организмы (до 2 млн. различных видов)	Нервные эндокринные связи	10-4 – 10	От нескольких суток до сотен лет
6.	Сообщества организмов (семьи, популяции, биоценозы, экосистемы, биомы, биосфера)	Трофические, кооперативные, антагонисти-ческие, у высших организмов произвольные		От месяцев до столетий и более

Такие важнейшие философские категории, как «пространство» и «время», в живых системах также имеют свои характерные особенности, связанные с гетерогенностью (неоднородностью) организации и иерархией структурных уровней. Биологическое пространство сложно организовано, имеет границы, отсеки, каналы связи и характерные условия транспорта между отсеками. Биологическое время измеряется циклическими процессами («маятниковые часы») и барьерами необратимости («биологический возраст», песочные часы). Оба механизма измерения времени в каждой биологической системе взаимосвязаны и позволяют, с одной стороны, подстраивать ее к общим биосферным и классическим циклам, а с другой, – сообразовать все процессы в системы с запрограммированным характерным временем ее жизни.

Важнейшей особенностью всего живого является способность к саморегуляции и приспособлению (адаптации) к меняющимся условиям среды. Для наиболее общего описания этих свойств различных биологических систем достаточно адекватным являются принципы кибернетики, т.е. управления и связи (Н. Винер). Очень важно для общего понимания общих свойств живых систем уметь анализировать коммуникационные цепи и контуры управления для различных уровней биологической организации. Своеобразие живых систем, показатель более высокого уровня их организации по сравнению с неживым – это постоянное «принятие решений», адаптация к изменениям микроокружения, «перенормировка вероятностей» и выбор наиболее целесообразного способа поведения. При этом характерен именно информационный аспект жизненных процессов, т.к. организмы способны сортировать и оценивать информацию, исходящую как извне, так и из внутренней среды организма (огромный массив информации записан в ДНК), по ее значимости для процессов самовоспроизведения и сохранения жизнеспособности. Поведение даже примитивных организмов представляется человеку осмысленным, т.к. человеческому организму свойственны в полной мере все фундаментальные свойства, признаки и «цели» любого живого существа. В этом – яркое проявление единства жизни на Земле.

Всеобщим фундаментальным свойством живого является также самовоспроизведение. На уровне организма оно реализуется процессами размножения и развития. На уровне клетки это свойство обеспечивается способностью к делению, а на молекулярном уровне – к воспроизведению наследственной программы клетки и организма в процессе репликации (матричного синтеза) дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Однако от поколения к поколению все живые системы воспроизводят не только свои основные биологические свойства (структуры, функции), но и основные типы связей с другими элементами в биологической системе высшего уровня; т.е. структуры иерархии сообществ, у животных – спектров поведения. У многих животных и у людей это приводит к устойчивому воспроизведению социума и передаче жизненного опыта, у людей – к развитию культуры. В процессе самовоспроизведения реализуются три взаимосвязанных свойства живого: наследственность (передача генетической информации об основных биологических свойствах), изменчивость (приобретение новых признаков) и способность к развитию и эволюции.

Подводя итоги, можно определить жизнь как самовоспроизводящийся процесс, осуществляемый на основе обмена веществ, матричного синтеза и вытекающей из него биологической эволюции.

Живыми системами называют системы, которые способны самостоятельно поддерживать и увеличивать свою высокую ступень упорядоченности в среде с меньшей степенью упорядоченности. Живые системы способны к разделению энтропии (уменьшают внутри себя и увеличивают во внешней среде) вследствие постоянного обмена веществом, энергией и информацией со средой.

Кроме перечисленных выше фундаментальных свойств живых систем (характерный элементарный состав, сложная иерархическая структурная организация, целостность и динамическое состояние (обновление состава), способность к саморегуляции, преобразованию энергии и оценке информации, самообучению, самовоспроизведению, развитию и эволюции), можно определить ряд функций, характерных для любого живого существа (обмен веществ: питание и дыхание, транспорт, размножение и развитие, раздражимость и возбудимость, движение и т.п.).

Очевидно, что свойства живых систем реализуются уже на уровне биологических макромолекул, надмолекулярных комплексов и их взаимодействий. Рассмотрим основные их типы. Важнейшими свойствами таких биополимеров, состоящих из тысяч мономерных звеньев, как белки и нуклеиновые кислоты, являются их многообразие, сложная конфигурация молекул, конформационная подвижность (изменчивость поверхности), а также способность к узнаванию партнеров по реакции на основе комплементарности (соответствия поверхностей и активных центров). На этих свойствах основаны важнейшие биологические процессы: ферментативный катализ, межклеточные и межмолекулярные взаимодействия, рецепция химических сигналов, поступающих в клетку или организм извне, их каскадное усиление путем использования мультиферментных систем. Эти свойства лежат в основе метаболизма (обмена веществ, преобразования энергии и использования информации) живых систем. «Химические машины» клетки и организма гораздо экономичнее, чем в неживых системах. Ферментативный анализ и каскадное усиление, а также организация взаимосвязанных ферментов в одном функциональном отсеке клетки делают возможным преодоление энергетического барьера химических реакций в клетке без повышения давления и температуры. Это очень важно для работы клетки «против» энтропии и равновесия.

Для воспроизведения клеточных структур необходимо взаимодействие разных типов молекул, прежде всего – белков и нуклеиновых кислот. Очевидно, что для появления первых самовоспроизводящихся структур на Земле необходимо было образование комплексов из полинуклеотидов и белков, способных к комплементарному самовоспроизведению (так называемых «гиперциклов»).

Многие функции клетки и организма, требующие подвижности клеток или органов, осуществляются с помощью белков, способных производить механическую работу – мышечное сокращение.

Отделение внутренней среды клетки и организма от внешней среды является неприемлемым условием саморегуляции и гомеостаза. Осуществление этих важнейших свойств живого связано с еще одним типом биологических молекул – с липидами, образующими гидрофобную фазу биологических мембран. Наконец, преобразование энергии в биологических системах, как правило, связано с углеводным обменом и способностью клеток запасать образующуюся энергию в виде высокоэнергетических промежуточных соединений (обычно, аденозинотрифосфата – АТФ).

Сокращение мышц, процессы активного перемещения крупных молекул, биосинтез и другие энергоемкие реакции обеспечиваются энергией, освобождаемой при расщеплении АТФ. Регенерация АТФ в энергетическом обмене клеток осуществляется в процессах окислительного и гликолитического фосфорилирования, сопряженных с дыханием или брожением.

Все биохимические реакции внутри организмов и клеток происходят во внутренней гидрофильной среде, отделенной от внешней среды гидрофобной фазой биологических мембран. Содержание воды в клетках очень велико (до 80-90% от их общего объема). Ионный состав внутренней среды идентичен ионному составу морской воды. Ионы K, Fe, Ca, Mg и др. активно участвуют в метаболических реакциях.

Биологические мембраны обладают свойством избирательной проницаемости, осуществляемым благодаря молекулам белков, встроенным в гидрофобный липидный слой, узнающим и проводящим по гидрофильным «каналам» внутрь клетки те вещества, которые ей необходимы. Мультиферментные комплексы, осуществляющие каскад последовательных реакций, например, постепенного расщепления крупных молекул, также часто бывают организованы на мембранах.