Особенности биологического уровня организации материи

 

Биологический уровень организации материи начал формироваться на Земле более 3,5 миллиардов лет назад. В процессе эволюции за это время биологические системы на Земле создали механизмы использования солнечной энергии. И как было видно из предыдущего раздела, биосистемы выявили самый энергоёмкий и экологически чистый механизм извлечения энергии из продуктов питания. При этом коэффициент полезного действия биологических систем близок 100 %.

 Краткий разбор биохимических процессов, представленный в предыдущем разделе, показывает, сколь сложен механизм химических реакций, необходимый для получения почти 100 % КПД. И если биохимический, экспериментальный метод дает нам ответ, что происходит в организме, в органе, в клетке, то он не дает предсказаний, что будет, например, в клетке, если что-нибудь существенно изменить? Подобные ответы могла бы дать биофизика, опирающаяся на знание законов неживой природы и имеющая математические модели, описывающие сложные биосистемы.

 Результаты биофизического исследования приобретают важное биологическое значение, когда параметры первичных молекулярных механизмов удаётся непосредственно связать с особенностями конкретных биологических процессов и явлений. Однако это не всегда удается из-за ряда недоработанных в физике проблем. Так в гетерогенных системах, далеких от равновесия, каковыми являются биосистемы, термодинамика необратимых процессов фактически не может оперировать понятиям химического потенциала, зависящего от концентрации какого-либо компонента. Для таких систем несправедливо и понятие энтропии. В активных комплексах внутримолекулярные превращения в первую очередь зависят от характера их организации, а нет от суммарной концентрации компонент.

 Свойства белковых молекул существенно отличаются как от свойств жидкостей с их ближним порядком, так и твердых тел с дальним порядком. Макромолекулы можно рассматривать как своего рода «молекулярные машины», служащие для преобразования одного вида энергии в другой. Так реакции фотосинтеза дают начало цепям переходов энергии электронного возбуждения в энергию разделенных зарядов и энергию поляризации белка, а также в энергию трансмембранного электрохимического потенциала и энергию химических связей АТФ.

 

Принципы эволюции и воспроизводства живых систем

 

Вероятно, высшим достижением эволюции биосферы является создание головного мозга человека. Водород, прошедший несколько стадий химических превращений, в головном мозгу доокисляется до воды, которая и является единственным «производственным отходом» головного мозга. При этом реализуется 100 % КПД.

 Независимо от питания организма головной мозг должен получать питание специально приготовленным недоокисленным водородом, для обеспечения 20 Ваттной мощности, необходимой ему для жизнедеятельности.

 Из всех обсуждаемых сегодня теорий происхождения жизни наиболее обоснована теория возникновения жизни в процессе самоорганизации материи под действием физических и химических законов. Считается, что Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет тому назад, а простейшие живые организмы на ней около 3,8 миллиардов лет. В 1859 году появилась работа Ч. Дарвина «Происхождение видов», где он попытался обосновать происхождение существовавших тогда видов растений и животных из простых одноклеточных организмов в результате длительного эволюционного процесса.

 В 19-м веке равновесная термодинамика не могла объяснить подобное эволюционное развитие. И только с появлением неравновесной термодинамики (Пригожин, Стенгерс, Хакен, Эйген и др.) в 20-м веке удалось согласовать физические законы с эволюционными процессами.

 Дарвин дал общую картину воспроизведения и эволюции в живых системах, но не было механизмов воспроизводства и эволюции. Однако влияние идей Дарвина на светскую науку XIX века было столь огромным, что это тормозило развитие альтернативных идей развития. Видимо поэтому основоположником генетики явился австрийский монах Георг Мендель. Выращивая горох разных сортов и следя за числом белых и голубых цветков, после их скрещивания, он заложил основы генетики.

 Но только в XX веке удалось понять всю значимость работ Мендаля. Для этого пришлось ввести понятие мутации, т.е. изменения наследственных свойств гена, а значит, и хромосомы, имеющей сотни или даже тысячи генов. (В частности, хромосомы клетки человека имеют не менее 40000 генов). Если это изменение не приводит к гибели клетки, органа и целого организма, а приводит к лучшей приспособляемости организма к изменяющимся условиям окружающей среды, то какая мутация считается полезной, и результаты этого изменения сохраняются в потомстве. Число таких мутаций, как правило, не превышает 3 на 1000. По современным представлениям – это главный принцип эволюции в живой природе, реализуемый на микроуровне.