Связь физики с биологией кратко

Обновлено: 05.07.2024

Сокращенный перевод статьи М. Кацнельсона, Ю. Вольфа и Е. Кунина
Towards physical principles of biological evolution
Mikhail I. Katsnelson, Yuri I. Wolf, Eugene V. Koonin
Оригинал статьи
(Две предыдущие части уже были опубликованы: начало и продолжение )

Возможна ли конвергенция физики и биологии?

Аннотация

Биологические системы достигают сложной организации, которая значительно превышает сложность любого из известных неживых объектов. Биологические сущности, несомненно, подчиняются законам квантовой физики и статистической механики. Однако, достаточно ли современной физики для адекватного описания модели и объяснения эволюции биологической сложности?

В данной статье приведен подробный разбор аналогий между статистической термодинамикой и популяционно-генетической теорией биологической эволюции. На основании представленных аналогий мы намечаем новые перспективы в отношении теоретических подходов в биологии и основных переходных периодов эволюции, а также предлагаем биологический эквивалент термодинамического потенциала, который отражает склонность к изменениям эволюционирующей популяции.

Предполагается, что существуют глубокие аналогии: между свойствами биологических сущностей и процессами в них с одной стороны, и неравновесными состояниями в физике, для таких объектов как стекла. Такие системы характеризуются нарушением, посредством которого локальное состояние с минимумом свободной энергии конфликтует с глобальным минимумом, в результате чего возникают “нарождающиеся качества”. Мы распространяем подобные аналогии посредством исследования проявления нарождающихся качеств, как например, между различными уровнями отбора в биологической эволюции. Такие фрустрационные эффекты проявляются в качестве драйверов в эволюции биологической сложности.

Введение

В чем отличия живых организмов от неживой материи? Существует очевидный ответ на этот вопрос при определении в терминах химического состава и структуры. (По крайней мере, потому, что только единственный подходящий случай, а именно жизни на Земле, относится к этому). Но когда это касается основных процессов эволюции жизни, различие становится менее очевидным. В дарвиновской традиции заманчиво утверждать, что жизнь определяется эволюцией посредством выживания наиболее приспособленного 4.

Однако уникальность этого процесса может подвергаться сомнению, так как вся история Вселенной состоит из изменений, которые выдерживают наиболее стабильные (приспособленные) структуры. Более того, процесс репликации (размножения) сам по себе не является уникальным и существует не только в биологии: кристаллы также реплицируют. На макроскопических масштабах времени и пространства, однако, жизнь, несомненно, представляется явным феноменом. Для объективного определения характерных признаков, по которым жизнь отличается от прочих феноменов, существующих во Вселенной, представляется важным исследовать ключевые процессы биологической эволюции в рамках теоретической физики [5, 6].

Возможно, главнейшей особенностью, которой отличается современная физика от других областей человеческой поисковой деятельности, является явная связь между теорией и экспериментом, при которой программы исследований формируются посредством проверяемых теоретических предсказаний. В общем смысле, современная биология не является наукой, базирующейся на теории, в том смысле, в котором трактуется физика. Но при этом имеется существенное исключение, а именно — популяционная генетика (формализованный раздел биологии, который эффективно структурирован как область теоретической физики), подобная главным образом статистической термодинамике 9.

При этом, математические модели популяционной генетики являются высокоэффективными в иммунологии [11, 12] и биологической онкологии 14, что, пожалуй, наводит на мысль о том, что дальнейшее проникновение теории в биологию могло бы оказаться реальным и продуктивным. Современная теоретическая физика является областью со множеством сильных связей, в которой переплетаются самые различные подразделы физики. В настоящее время популяционная генетика или какое-либо другое направление теоретической биологии не являются частью такой сети. Возможно утверждать, что это разъединение не является оптимальным, так как множество разделов теоретической физики позволили бы обеспечить информацией и стимулировать теоретические разработки в биологии.

И все же возникает еще такой рубежный вопрос: является ли современная физика достаточно наполненной для обслуживания (обеспечения поддержки) биологии? Подобный вопрос, в различных формулировках (в частности, “сводима ли биология к физике”), имеет долгую и весьма драматическую историю (например, [17, 18]).

Не вдаваясь в подробности исторического или философского плана, мы отклоняем любое предположение о том, что жизнь, возможно, следует неким специальным законам “биологической” физики вместо имеющихся общих. Так например, квантовая механика, в общем вполне действенна и приложима к живым организмам, точно также как к любой другой форме материи. Проблема в том, что эта сильная теория, до известной степени, может рассматриваться в качестве “теории всего”, так как привносит немного при объяснении биологических феноменов [19, 20]. Конечно, квантово-механические вычисления могут быть полезны при анализе биохимических реакций, но они никак не могут помочь нам в понимании эволюции. Поэтому предполагается, что физическая концепция, которая могла бы быть основной при теоретическом описании биологических феноменов — это появление (или возникновение, emergency), то есть, коллективное поведение больших совокупностей, которое качественно отличается от поведения составляющих их компонентов. “More is different” так афористично формулирует это Anderson 23.

Молекулы нуклеиновых кислот, в частности ДНК, соединяют единообразие (и периодичность) пространственной структуры с эффективностью множественного разнообразия (апериодичностью) основной последовательности. Соединение этих отличительных признаков делает нуклеиновые кислоты единственными из известных молекулами, подходящими для хранения и передачи цифровой информации [29], в полном соответствии с предвидением Шрёдингера. Что касается современной физики, под биологическими “апериодическими кристаллами” иногда подразумеваются “стекла” [19, 20]. На самом деле существуют глубокие аналогии, на различных уровнях, между состоянием стекла и биологическими структурами и обсуждаемыми ниже явлениями. При этом, будет показано, что имеются и существенные различия: в известном смысле, стекла проявляют чрезмерную беспорядочность.

Другое известное высказывание Шрёдингера о том, что организмы пользуются “отрицательной энтропией” (или негэнтропией, термин, который очевидно нравился Шрёдингеру, но не был подхвачен исследователями) является потенциально обманчивым. Поразительно, во времена Шрёдингера, представлялось широко распространенным, хотя и неопределенным, мнение о том, что такие сложные системы как живые существа, иногда нарушают второй закон термодинамики, и что такое кажущееся “нарушение” требует специального объяснения [30].

Сейчас мы лучше понимаем природу энтропии и второй закон термодинамики, так что такую точку зрения Шрёдингера возможно и необходимо прояснить. Очевидно, биосфера и Земля в целом не являются закрытыми системами, а скорее открыты для постоянного притока энергии, поступающего большей частью от Солнца (к другим источникам относительно меньшей экологической значимости относится радиактивный распад тяжелых элементов в недрах Земли).

Земная жизнь пользуется этим потоком энергии посредством фотосинтеза, осуществляемого фотоавтотрофами (организмами, использующими энергию света для биосинтеза компонентов клеток), которые функционируют, в определенной степени, подобно фотохимическим машинам. Конечно, при рассмотрении системы Солнце-Земля отсутствует даже видимость нарушения второго закона термодинамики. Каждый отдельный организм, популяция или экосистема также являются термодинамически открытыми системами. И более соответствующим будет утверждение о том, что организмы главным образом потребляют энергию вместе с химическими строительными блоками, а не ‘негэнтропию’ согласно причудливому высказыванию Шрёдингера.

Однако, в отношении актуальной мотивации Шрёдингера при представлении ‘негэнтропии’, можно сказать, что это соотносится с некоторыми наиболее фундаментальными и сложными проблемами биологии, а именно, появлением и сохранением удивительного порядка и гигантской сложности у живых организмов. Сложность, несомненно, одна из наиболее проблематичных концепций во всей науке, она противостоит всеохватывающим определениям [34]. В самом деле, наиболее используемые определения сложности являются зависящими от контекста. В биологии, сложность является значимой, по крайней мере, на уровне геномов, организмов и экосистем [35, 36].

Сложность генома можно явно интерпретировать посредством количества нуклеотидных сайтов, которые подлежат отбору и таким образом являются носителями биологически значимой информации 37, хотя подробное определение не учитывает другие важные источники сложности на уровне генома, такие как альтернативная инициация транскрипции (alternative transcription initiation) и альтернативный сплайсинг у эукариот (alternative splicing in eukaryotes). Сложность в отношении организма и экологии обычно воспринимается как количество отдельных составных частей и/или уровней иерархии в соответствующих системах [40]. Вне зависимости от точных определений, представляется ясным, что стабильно сохраняемый, всевозрастающий уровень сложности является исключительным характерным признаком жизни и основным вызовом для теоретических построений.

Наиболее традиционным средством взаимодействия между физикой и биологией является биофизика, которая изучает свойства строения и динамики биологических макромолекул, а также строение клеток и организмов вместе с их функциями, посредством принятых в физике подходов. Различные направления в биофизике показали себя продуктивными и успешными уже на протяжении нескольких десятилетий [41]. Однако это, всё таки, отдельная дополнительная область взаимодействия физики и биологии, посредством чего физическая теория используется для описания, моделирования и анализа биологических процессов, в частности, эволюции на уровне популяции.

Уже Бор придавал особое значение (в качестве составной части общей дискуссии о принципе дополнительности) дополнительности между чисто физическим, структурным подходом к организмам и “целостной” природой в качестве живых существ [42]. Принцип проведения аналогий между термодинамикой и статистической механикой, с одной стороны, и популяционной генетикой с другой стороны, впервые были предложен известным статистиком и основателем теории популяционной генетики, Рональдом Фишером еще в 20-е годы прошлого века [43], а в последующие годы происходило развитие теоретического подхода к этому процессу [7,9,10].

В различной форме, теоретический формализм (математические модели описания теории) из статистической механики все больше и больше использовался для обоснования модели биологической эволюции. Среди прочих подобных математических моделей заметное применение находит использование теории перколяции для анализа эволюции на адаптивных ландшафтах 46. Основная цель такого проникновения физики в эволюционную биологию является весьма амбициозной: это ничто иное как разработка физической теории биологической эволюции, или даже преобразование биологии в часть физики [5,6].

Очевидно, подобная всеобъемлющая программа, даже выполнимая принципиально, не может быть реализована одним махом. Возможен только прогресс на одном из этапов в данный момент времени посредством моделирования разностороннего эволюционного процесса с использованием идей и математического аппарата теоретической физики в надежде на то, что в итоге станет возможным объединить подобные модели в гармоничное теоретическое обоснование.

В этой статье мы обсуждаем несколько аспектов биологической эволюции, где теоретические воззрения, исходящие изначально из сконденсированных физических понятий, представляются возможными. Мы предлагаем на рассмотрение утверждение о том, что физическая теория способна внести нетривиальный вклад в текущее понимание эволюции, а новейшие теоретические разработки в самой физике будут, вероятно, востребованными при полном учете феномена появления и эволюции уровня сложности, что является характерным для биологических систем.

*Следующие разделы статьи в кратком изложении

Аналогии в термодинамике и популяционной генетике и основные эволюционные переходы

Хотя существование аналогий при сравнении статистической механики и популяционной генетики уже было отмечено предыдущими исследователями, подробное сопоставление было установлено в работе авторов Sella и Hirsch, 2005 [7] с последующим развитием в работах Barton с соавторами [9, 10] (Таблица 1).

Таким образом, эволюционные переходы представляются аналогами адиабатических переходов первого рода, при том что плотность эволюционной информации и эволюционная температура (эффективный размер популяции) являются термодинамически связанными переменными.

Жизнь, стекла и паттерны: фрустрирующие системы и биологическая эволюция

Характерным свойством стекла является старение, или структурная релаксация. Для примера допустим, мы определяем конкретную характеристику в равновесной фазе вещества в жидком или твердом состоянии, например, удельное сопротивление металла (или жидкого металла). “Равновесное” состояние характеризуется тем, что при последующем измерении после цикла нагревания (медленного нагрева с последующим охлаждением до начальной температуры) мы получим то же самое значение удельного сопротивления. Для стекла возможно медленное изменение измеряемой величины от измерения к измерению. Рельеф потенциальной энергии (или ландшафт, при использовании термина в биологической коннотации) для стекла является функцией со множеством (асимптотическим, бесконечным) локальных минимумов, разделенных барьерами при экстремально широком распределении энергии. Каждый из локальных минимумов представляет из себя метастабильное состояние. В течение процесса изменения теплового состояния система медленно переходит от одного минимума к другому. Важно, что состояние стекла является неэргодическим 61.

Главное отличие состоит в том, что стекла являются не только апериодическими, но также и неэргодичными — признак, который вызывает эволюционный процесс. Пригодность концепции стеклообразного состояния для биологии отмечена в работе Laughlin с соавторами [19,20]. При этом определяющие признаки жизни, а именно репликация с отбором, кажутся выходящими за рамки поведения обычного стекла: потенциальный рельеф для стекла представляется слишком гибким и характерным для определенного рода веществ, что не вполне соответствует модели биологической эволюции. Стекло проявляет по сути бесконечную изменчивость, тогда как жизнь основывается на дискретных формах, таких как геномы с определенными последовательностями и определенными, продолжительными интервалами стабильности (см. далее обсуждение относительно эволюционных переходов).

Два следующих раздела статьи не переведены. Лучше всего, конечно, читать оригинал статьи. Автор сокращенного перевода предполагает, что данный текст, возможно, будет интересен читателям в качестве научно-популярного материала.

Перколяция + критичность: основа и состояние древовидного процесса эволюции
Картирование и разделение генотип-фенотип в качестве измерения

Заключительные замечания

“Общая физическая теория биологии”, наверное, является неосуществимой мечтой, но, действительно, представляется возможным описать ключевые эволюционные процессы на языке статистической физики. Уже является общепринятым то, что случайные (стохастические) процессы играют существенную роль в эволюции, и что драйверами биологической сложности, по крайней мере, частично, являются флуктуации. Поэтому использование статистической физики является естественным. Однако при этом не следует заходить слишком далеко. Естественный отбор и адаптация также являются существенными факторами биологической эволюции, и для встраивания этих феноменов в рамки физической теории, существующий аппарат статистической физики, вероятно, требует уточнений.

Здесь мы попытались предположить, какого рода модификации могли бы для этого потребоваться. Возникающие феномены, которые свойственны для теоретического моделирования, стекла и прочие состояния конденсированной среды также являются центральными и для биологии. Однако, представляется, что специальные принципы, пока еще не разработанные в статистической физике, необходимо создать для физической теории разделения генотип-фенотип и картирования, что заключает в себе основу эволюции.

Различие между биологией и физикой (по крайней мере, известное нам) заключается не в том, что “ничто в биологии не имеет смысла кроме, как в свете эволюции” [3], тогда как в физике “все имеет смысл”. Последнее утверждение не представляется в действительности верным вне пределов квантовой физики, так как целую вселенную определенно возможно правильно воспринимать только в свете ее эволюции на протяжении 13,8 миллиардов лет.

Следуя выше указанной аналогии, в биологии, также как и в физике, выполнение измерений инициирует стрелу времени и создает необходимость признания эволюции. Однако, биологическая эволюция характеризуется существенными отличительными признаками, попытка охвата некоторых из которых была здесь нами предпринята, в частности, посредством применения концепций физики конденсированных сред, таких как фрустрация и перколяция (разрушение и просачивание), к центральным процессам биологической эволюции. Очевидно, анализ и обсуждение представленного здесь материала будут относиться только к предварительным рассуждениям для непрерывных, согласованных усилий, которые требуются для объединения биологии и физики.

Тесная связь физики с другими естественными науками привела к образованию ряда пограничных дисциплин: биофизики, молекулярной биофизики, радиобиологии, биоэнергетики, генетики, геофизики, физической химии, химической физики и т.д.

Биофизика – наука, изучающая действие физических факторов на живой организм.

Задачей молекулярной биофизики является исследование физических и физико-химических свойств и взаимодействие макромолекул и молекулярных комплексов, составляющих живые организмы. Сюда же относятся задачи определения структуры биологических систем на молекулярном уровне, тесно связанные с биохимией, а также процессы превращения и миграции энергии. Наиболее важны для биологии исследования молекул белков и нуклеиновых кислот.

Радиобиологияизучает действие ионизирующих излучений на живые организмы.

Биоэнергетика рассматривает вопросы механизма генерации и переноса энергии в живых организмах.

Генетика рассматривает явление наследственности биологических систем.

Геофизика – комплекс физических наук, изучающих физические свойства земного шара в целом и физические процессы, происходящие в его твердой (литосфере), жидкой (гидросфере) и газообразной (атмосфере) оболочках. Геофизика включает физику Земли, гидрофизику и физику атмосферы.

Физическая химия рассматривает суммарно процессы, протекающие с одновременным участием множества частиц.

Химическая физика рассматривает отдельные частицы и взаимодействие между ними, то есть конкретные атомы и молекулы.

Провести четкую границу между этими науками не всегда возможно.

Физические процессы в организме.

Несмотря на сложность и взаимосвязь различных процессов в организме человека часто среди них можно выделить процессы, близкие к физическим.

Например, такой сложный физиологический процесс, как кровообращение, в своей основе является физическим, т.к. связан с течением жидкости (гидродинамика), распространением упругих колебаний по сосудам (колебания и волны), механической работой сердца (механика), генерацией биопотенциалов (электричество) и т.д.

Дыхание связано с движением газа (аэродинамика), теплоотдачей (термодинамика), испарением (фазовые превращения) и т.д.

В организме кроме физических макропроцессов, как и в неживой природе, имеют место молекулярные процессы, которые в конечном итоге определяют поведение биологических систем и понимание которых необходимо для правильной оценки состояния организма, природы некоторых заболеваний, действия лекарств и т.д.

Характеристики и функции организма соответствуют его размеру. Кролик, увеличенный до размеров слона, не мог бы существовать. Да и люди не могли бы функционировать, если бы они были размерами с мышь.

Биологические свойства организма в значительной степени зависят от его геометрической формы, площади поверхности и объема.

Многие биологические свойства организма зависят от отношения площади поверхности к объему . Это отношение определяется так называемой характеристической длиной организма , т.е.

Для человека L~2 м (его высота), для собаки L~ 1 м, для муравья L~0,5 см.

Физика и Биология. Итак, мы пришли к науке, которая занята изучением живого, — к биологии. Когда она делала свои первые шаги, биологи решали чисто описательные задачи; им нужно было выяснить, каким бывает живое, им приходилось, скажем, подсчитывать, сколько у блохи на ноге волосков, и т. д. Когда все это (с большим интересом) было изучено, они обратились к механизму функционирования живого, сперва, естественно, очень грубо, в общих чертах, потому что в разных тонкостях разобраться было непросто.

Когда-то между биологией и физикой существовали интересные отношения: именно биология помогла физике открыть закон сохранения энергии; ведь Майер установил этот закон при изучении количества тепла, выделяемого и поглощаемого живым организмом.

Биология — настолько широкое поле деятельности, что есть уйма проблем, о которых мы даже не упоминаем; скажем, вопрос о том, как осуществляется зрение (что свет делает внутри глаза) или как работает ухо и т. д. (Как работает мысль, мы обсудим, когда будем говорить о психологии.)
работки сахарозы, которая потом в темноте поглощается, поддерживая жизнь растения. Когда животное поедает растение, сахароза порождает в животном цепь химических реакций, тесно связанных с фотосинтезом растений (и с обратной ему цепочкой в темноте).

В клетках живых организмов происходит множество хитро задуманных химических реакций: одно соединение превращается в другое, затем в третье, затем еще и еще. Фиг. 3.1 дает некое представление о гигантских усилиях, предпринятых в изучении биохимии; там сведены воедино наши знания о малой доле того множества цепочек реакций (примерно 1% общего количества), которые происходят в клетке.

Вы видите здесь ряд молекул, последовательно превращающихся одна в другую, — цикл с довольно мелкими шагами. Это — цикл Кребса, или дыхательный цикл. Судя по изменениям в молекулах, каждое вещество и каждый шаг в цикле довольно просты, Но эти изменения относительноТак вот, все эти вопросы, стоящие перед биологией, на самом деле для биолога отнюдь не главные, отнюдь не они лежат в основе жизни. Если мы их и поймем, нам все равно не понять сущности жизни. Вот вам пример: люди, изучающие нервы, понимают, что их работа очень нужна, ведь животных без нервов не бывает. Но жизнь без нервов возможна. У растений нет ни.нервов, ни мышц, и все же они работают, живут (что одно и то же). Значит, самые фундаментальные проблемы биологии нужно искать глубже.При этом мы установим, что у всех живых существ есть много общих черт. Самое же общее между ними то, что они состоят из клеток, внутри каждой из которых действует сложный механизм химических превращений. В растительных клетках, например, есть механизм поглощения света и выработки сахарозы, которая потом в темноте поглощается, поддерживая жизнь растения. Когда животное поедает растение, сахароза порождает в животном цепь химических реакций, тесно связанных с фотосинтезом растений (и с обратной ему цепочкой в темноте).

Сам фермент состоит из другого вещества — белка. Молекулы ферментов велики и сложны. Все ферменты отличаются друг от друга, причем каждый предназначен для контроля некоторой определенной реакции. На фиг. 3.1 возле каждой реакции обозначены названия нужного фермента (а иногда один фермент контролирует и две реакции). Подчеркнем, что сам фермент в реакцию не вовлекается. Он не изменяется, его дело только передвинуть атом с одного места в другое. Передвинет в одной молекуле и готов уже заняться следующей. Совсем как станок на фабрике, причем должен иметься запас нужных атомов и возможность избавляться от ненужных. Возьмите, например, водород: существуют ферменты, имеющие специальные ячейки для переноса водорода в любой химической реакции. Скажем, имеются три или четыре фермента, которые понижают количество водорода; они используются во многих местах цикла. Интересно, что механизм, высвобождающий водород в одном месте, придерживает этот атом, чтобы использовать его еще где-нибудь.

Вернемся, однако, к описанию ферментов и белков. Не все белки — ферменты, но все ферменты — белки. Существует множество белков —таких, как белки мышц, структурные белки, скажем, в хрящах, волосах, коже — не являющихся ферментами. И все-таки белки—очень характерная для жизни субстанция; во-первых, это составная часть всех ферментов, а во-вторых, составная часть многих иных живых веществ. Структура белков проста и довольно занятна. Они представляют собой ряды, или цепи, различных аминокислот. Существует два десятка разных аминокислот, и все они могут сочетаться друг с другом, образуя цепи, костяком которых являются группы СО—NH и т. п. Белок — это всего лишь цепочки, сложенные из этих 20 аминокислот. Каждая аминокислота, по всей вероятности, служит для каких-то специальных целей. В некоторых аминокислотах в определенном месте находится атом серы; два атома серы в одном и том же белке образуют связь, т. е. схватывают цепь в двух точках и составляют петлю. В других есть избыточный атом кислорода, придающий им кислотные свойства; характеристики третьих — щелочные. В некоторых бывают большие группы атомов, свисающие с одной стороны и. занимающие много места. Одна из аминокислот — пролин — в действительности не амино-, а иминокислота. Эта небольшая разница приводит к тому, что когда в цепи есть пролин, то цепь перекручивается. Если бы вы захотели создать какой-то определенный белок, то вам пришлось бы дать такие указания: здесь поместите серный крюк, затем добавьте чего-нибудь, чтобы заполнить место, теперь привяжите что-нибудь, чтобы цепь перекрутилась, и т. д. Получились бы скрепленные между собой замысловатые цепочки со сложной структурой; все ферменты, по-видимому, устроены именно так. Одним из триумфов современной науки было открытие (в 1960 г.) точного пространственного расположения атомов некоторых белков; в них 56—60 аминокислот подключены друг за другом. Было установлено точное местоположение свыше 1000 атомов (даже до 2000, если считать и водород), входящих в сложную структуру двух белков (один из них — гемоглобин). А одна из печальных сторон этого открытия проявилась в том, что из этой картины ничего увидеть нельзя; мы не понимаем, почему она такая. Именно эту проблему и следует сейчас атаковать.

Фиг. 3.2. Схема ДИК.
Структура ДНК долго изучалась сперва химически (составные части), затем рентгенографически (пространственная структура). В результате пришли к следующему знаменательному открытию: молекула ДНК —это пара цепочек, навитых друг на друга. Скелет каждой цепочки, хотя и похожий на белковые цепи, но химически отличный от них —это ряд сахарных и фосфатных групп, как показано на фиг. 3.2. Из этой схемы видно, как в цепи может храниться инструкция, ибо, разняв цепочку на две нитки, вы получаете ряд веществ BAADC…; не исключено, что этот ряд у каждого организма свой. Значит, можно думать, что каждый особый ряд ДНК содержит в себе особые указания, как производить белки.

Как же мыслится при этом воспроизведение? Пусть цепь расщеплена на две. Как сделать другую такую же? Если

в веществе клетки есть фабрика, вырабатывающая фосфат, сахар и звенья А, В, С, D (пока не привязанные к цепи), то к нашей половинке цепочки присоединятся только подходящие звенья, дополняющие BAADC, т. е. ABBCD…. При делении клетки цель разнимается посредине на две нитки, каждая переходит в свою клетку и там набирает себе дополнение.

Широкое внедрение физических методов исследования в биологию позволило Изучать биологические явления на молекулярном уровне. Блестящими работами биохимиков, физиологов, биофизиков и кристаллографов установлены молекулярные структуры ряда важнейших биологических объектов. Например, выяснена структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — основного носителя наследственной информации, структура молекул миоглобина, запасающих кислород в мышцах животных, структура молекул гемоглобина, входящих в состав красных кровяных телец и переносящих кислород из легких к тканям, строение поперечнополосатых мышц и белковых молекул, входящих в их состав, структура некоторых ферментов, витаминов и ряда других важных биологических молекул.

Новые экспериментальные данные, полученные при исследовании биологических процессов на молекулярном уровне, поставили на повестку дня вопрос об их интерпретации. Поскольку все живые организмы построены из молекул и атомов, выяснение на молекулярном уровне механизма биопроцессов возможно только с помощью квантовой теории, успешно описывающей движение электронов и ядер, из которых состоят молекулы и атомы.

Представления виталистов давно отвергнуты наукой. В настоящее время никто не сомневается в том, что жизнь есть особое

проявление физических и химических процессов, протекающих в сложных молекулярных системах, взаимодействующих с другими системами путем обмена энергией и веществом. Однако и сейчас некоторые ученые придерживаются мнения, что сложность биологических систем исключает возможность их истолкования на молекулярном уровне.

Следует, конечно, иметь в виду, что биологические объекты обладают рядом весьма своеобразных особенностей, отличающих их от тел неживой природы. К этим особенностям прежде всего относится самовоспроизводство и адаптация к изменяющимся внешним условиям, тончайшая регуляция и самосогласованис всех биологических процессов, происходящих в живых системах и обеспечивающих их жизнедеятельность.

Молекулы, входящие в состав живых организмов, необычайно велики, многообразны и сложны. Самыми сложными и разнообразными из всех молекул, входящих в состав клеток, являются белковые молекулы. Их молекулярные массы варьируют от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов.

Величайшее разнообразие биологических организмов не означает чрезвычайного многообразия химических единиц, из которых они построены. Это разнообразие определяется многочисленными комбинациями одних и тех же соединений и атомных групп. Например, все белки состоят в основном из 20 остатков аминокислот. Молекулы ДНК строятся из четырех типов нуклеотидов.

При изучении тел неживой природы было установлено, что по мере усложнения атомных систем появляются новые качества. Понятия температуры, энтропии, звуковых волн и других элементарных коллективных возбуждений применимы к системе атомов и молекул, но неприменимы к одному атому.

Не может быть сомнения в том, что все своеобразие живых организмов, отличающее их от тел неживой природы, возникает в результате особой организации сложных молекулярных систем, в основе которых лежат те же элементарные законы, которые определяют свойства атомов и молекул и построенных из них тел неживой природы.

механики, созданной в тридцатых и сороковых годах этого столетия на основе обобщения большого числа экспериментальных данных о свойствах атомов и молекул, их взаимодействий между собой и с электромагнитным полем.

В настоящее время никто не отрицает применимость законов фиэики и химии к исследованию биологических явлений. Подавляющее большинство ученых согласны с тем, что все разнообразные проявления жизни в конечном счете можно объяснить на основании тех же физических и химических законов, которым подчиняются неживые системы. Однако некоторые придерживаются мнения, что требуется развитие новой, еще не созданной физики.

Конечно, квантовая физика не является застывшей наукой, она непрерывно развивается. Совершенствуются математические методы описания сложных молекулярных систем. Большую роль при этом играют исследования, основанные на использовании современных электронных счетных машин.

Основная и а дача теоретической биофизики в настоящее время состоит в теоретическом исследовании специфических особенностей, определяющих строение и свойства биологических молекул и простейших надмолекулярных структур. Успешному решению этих вопросов могут содействовать большие достижения в области экспериментальных исследований биологических явлений и теоретических исследований в области молекулярной физики и физики твердого тела.

Теоретическая биофизика должна учитывать существенное отличие биологических объектов от тел неживой природы. Все биологические объекты являются открытыми системами. Их жизнедеятельность возможна только при обмене с окружающей средой энергией и веществом. Основные процессы в живых организмах происходят при непременной затрате энергии. Эта эпергия поставляется продуктами питания.

Если построение белков из аминокислот в клетках живых организмов требует затраты энергии, то их распад в водной среде клетки может происходить самопроизвольно с выделением энергии. По некоторым данным, период полураспада белков сердечной мышцы равен примерно 30 дням. Организм должен непрерывно заменять распадающиеся белковые молекулы новыми. Таким образом, все белки и, следовательно, все живые организмы находятся, как говорят физики, в метастабильном (неустойчивом) состоянии. Жизнь возможна только потому, что переход от такого неустойчивого состояния к устойчивому, соответствующему полному термодинамическому равновесию, требует очень большого времени.

Связь между физическими и биологическими процессами

1 Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение Гимназия №14 г. Белорецк муниципального района Белорецкий район Республики Башкортостан

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

I . Введение.

Электричество играет порой невидимую, но жизненно важную роль в существовании многих организмов, включая человека. Например, кость живого организма обладает пьезоэлектрическими свойствами, поэтому ее деформация сопровождается возникновением электрического поля. Вследствие этого важную роль в саморегуляции нагрузки на кость играют изменения электрического поля в костной ткани. [2] Нам показалось интересным и возникновение нервного импульса и его поступление в головной мозг, обусловленное электрическими процессами в организме, поэтому мы хотим попытаться рассмотреть данный процесс в своей работе.

Безусловно, сердце является одним из важнейших органов жизнедеятельности организма, а один из главных показателей работы сердца – давление, с которым оно нагнетает кровь в сосуды. [2] Процесс этот сложный для понимания с биологической точки зрения, то я попыталась разобраться в нем, проведя сравнение его с движением жидкостей и газов по трубам.

Цель: показать взаимосвязь физики и биологии на примере некоторых процессов в живых организмах.

Изучить процесс поступления нервного импульса в головной мозг с физической и биологической точки зрения;

Провести аналогию между движением жидкостей и газов по трубам и движением крови и газов по кровеносным сосудам;

Применение полученных знаний на практике.

II . Живое электричество.

Какова природа сигналов, передающихся от клетки к клетке по нервным волокнам?

В настоящее время природа нервного импульса раскрыта: это удивительно тонкий электрохимический процесс, в основе которого лежит перемещение ионов через оболочку клетки. Так как живой организм на 80% состоит из воды, то с точки зрения физики мы рассмотрим возникновение, протекание и поддержание в течение длительного времени электрический ток в электролитах.

1. Электрический ток в жидкостях.

Атомы, потерявшие один или несколько наружных электронов, а также молекулы, в состав которых входят такие атомы, называются положительными ионами. Атомы или молекулы, имеющие лишние электроны, называются отрицательными ионами.

Ионы в электролитах.

Что происходит в растворах солей или кислот, в газах, когда в них движутся электрические заряды?

Дистиллированная (химически чистая) вода почти не проводит электрический ток, но стоит в ней растворить немного какой-нибудь кислоты или соли, то раствор ток проводить начнет. Как это объяснить? Как объяснить также, что в отличие от металлов электрический ток в растворах кислот и солей связан с переносом вещества?

Данные явления наблюдаются вследствие диссоциации – процесса распада молекул на положительно заряженные и отрицательно заряженные ионы. Электролит – это жидкий проводник, носителями зарядов в котором являются положительные и отрицательные ионы. Наличием ионов и объясняется электропроводность растворов электролитов.

При повышении температуры электропроводность электролитов возрастает. Это можно объяснить тем, что при высокой температуре вязкость жидкостей (Вязкость (внутреннее трение) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой) уменьшается и ионы приобретают большую подвижность. Итак, ток в электролитах осуществляется движением ионов (положительных — к катоду, отрицательных — к аноду). Проводники такого рода называются ионными проводниками. [5]

2. Распространение нервных импульсов.

Нервная ткань – совокупность связанных между собой нервных клеток (нейронов, нейроцитов) и вспомогательных элементов (нейроглии), которая регулирует деятельность всех органов и систем живых организмов. Это основной элемент нервной системы, которая делится на центральную (включает головной и спинной мозг) и периферическую (состоящую из нервных узлов, стволов, окончаний).

Строение нервной ткани. Основная структурная единица – это нейрон. Он имеет тело – перикарион, в котором находятся ядро, органеллы и цитоплазма и несколько отростков (рис. 1). Именно отростки являются отличительной чертой клеток этой ткани и служат для переноса возбуждения. Длина их колеблется от микрометров до 1,5м. Тела нейронов также различных размеров: от 5 мкм в мозжечке, до 120 мкм в коре головного мозга.

Рис. 1. Строение нейрона.

Строение аксона. Начинается он от тела нейрона аксонным холмиком, на всем протяжении не разветвляется и только в конце разделяется на ветки. Аксон – это длинный отросток нейроцита, который выполняет передачу возбуждения от перикариона.

Передача импульсов в клетках осуществляется с помощью натрий-калиевого насоса.

Рис. 2. Натрий-калиевый насос.

Вследствие дисбаланса переносимых электрических зарядов внутренняя поверхность мембраны заряжается отрицательно, а внешняя – положительно. Ионы К + и Na + активируют аденозинтрифосфатазу (АТФ-аза) клеточных мембран, обеспечивающую энергией калий-натриевый насос (рис. 2). Активация других ферментов за счет ионов К + и Na + заключается в поддержании фермента в функционально активном состоянии. Эти ионы оказывают существенное влияние на деятельность центральной нервной системы (ЦНС). [4]

В процессе передачи нервного импульса важную роль играет нейромедиатор ацетилхолин. Ацетилхолин (рис. 3) производится в нервных клетках из холина и ацетилкофермента-А (ацетил-КоА).

Рис. 3. Строение молекулы ацетилхолина.

Рецепторы ацетилхолина делятся на две группы — мускариновые и никотиновые. Стимуляция мускариновых рецепторов приводит к изменению метаболизма в клетке через систему G-белков* (метаботропные рецепторы), а воздействие на никотиновые — к изменению мембранного потенциала (ионотропные рецепторы). Это происходит благодаря тому, что никотиновые рецепторы связаны с натриевыми каналами на поверхности клеток. [3]

III . Движение жидкостей.

Какие же силы определяют движение жидкости?

Движение жидкостей и газов по трубам.

Рассмотрим движение жидкостей и газов по трубам.

Жидкость в трубе или при обтекании твердых тел при течении с малыми скоростями течет слоями, скользящими друг по другу. Такое течение называется ламинарным.

При увеличении скорости течения характер течения меняется. Слои непрерывно перемешиваются, возникают области вихревого, вращательного движения. Такое течение называется вихревым или турбулентным .

Стационарный поток.

Рис. 4. В стационарном потоке расход жидкости Q = S * v .

Подчеркнем, что разная скорость в разных точках трубы не противоречит тому, что течение стационарно — лишь бы скорость не менялась во времени в данной точке трубы.

Связь между давлением и скоростью в стационарном потоке.

Обратимся теперь к распределению давления в разных точках жидкости при стационарном течении жидкости по трубе переменного сечения (Рис. 5).

Рис. 5. Зависимость давления от скорости в стационарном потоке.

Рассмотрим движение некоторого объема жидкости в трубе переменного сечения. В сужающейся части трубы выделенный объем движется ускоренно, в расширяющейся части — замедленно. По второму закону Ньютона тело массы m испытывает ускорение a , если на него действует сила:

В нашем случае m есть масса выделенного объема жидкости, a - ускорение. Сила F есть разность сил давления, действующих на заднюю (по ходу движения) поверхность выделенного объема и на переднюю поверхность:

где S — величина задней и передней поверхности выделенного объема. На рисунке выделен объем около оси трубы в виде цилиндра или призмы. Конечно, такая форма выделенного объема сохраняется в трубе переменного сечения очень малое время, но для нашего рассуждения это не существенно. p_A и p_B - давление в точках А и В. Очевидно, в сужающейся части трубы ускорение и сила направлены вперед и давление в точке А больше давления в точке В. Аналогично для расширяющейся части трубы давление больше в точке D , чем в точке С. Мы можем сказать, что при проталкивании жидкости через узкую часть трубы в широкой части трубы возникает повышение давления, связанное с инерцией жидкости.

Связь давления и скорости , объясненная нами с помощью второго закона Ньютона, конечно, находится в согласии с законом сохранения энергии. [ 5 ]

Движение жидкостей и газов по трубам также объясняется законом Бернулли:

ρ — плотность жидкости,

v — скорость потока,

h — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,

p — давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости,

g — ускорение свободного падения.

Аналогия с уменьшением давления в суженной части трубы струи жидкости или газа прослеживается в движении крови по сосудам.

Б) Движение крови в кровеносных сосудах.

Гемодинамика — один из разделов биомеханики, изучающий законы движения крови по кровеносным сосудам. Задача гемодинамики — установить взаимосвязь между основными гемодинамическими показателями, а также их зависимость от физических параметров крови и кровеносных сосудов.

К основным гемодинамическим показателям относятся давление и скорость кровотока .

Скорость кровотока через сосуды сейчас определяют чаще всего с помощью двух методов: электромагнитного метода и метода разведения индикатора.

Режимы течения крови, как и жидкости, разделяют на ламинарное и турбулентное.

Рассмотрим подробнее движение крови в кровеносной системе организма (Рис. 6).

Рис. 6. Схематичное изображение кровеносно-сосудистой системы.

Модель Франка.

Для удобства рассмотрения выделим две фазы кровотока в системе “левый желудочек сердца — крупные сосуды — мелкие сосуды” (рис. 7):

1-я фаза — фаза притока крови в аорту из сердца с момента открытия аортального клапана до его закрытия (рис. 7). Во время поступления крови из сердца стенки крупных сосудов растягиваются благодаря их эластичности, часть крови резервируется в крупных сосудах, а часть проходит в мелкие сосуды (рис. 7).

2-я фаза — фаза изгнания крови из крупных сосудов в мелкие после закрытия аортального клапана (рис. 7). Во время этой фазы стенки крупных сосудов за счет упругости возвращаются в исходное положение, проталкивая кровь в микрососуды. В это время в левый желудочек поступает кровь из левого предсердия (рис.7).

Рис. 7. Схема модели Франка.

В модели Франка сделаны следующие допущения.

1. Все крупные сосуды объединены в один резервуар с эластичными стенками, объем которого пропорционален давлению. Они (а, следовательно, и резервуар) обладают высокой эластичностью; гидравлическим сопротивлением резервуара пренебрегают.

2. Система микрососудов представлена как жесткая трубка. Гидравлическое сопротивление жесткой трубки велико; эластичностью мелких сосудов пренебрегают.

3. Эластичность и сопротивление для каждой группы сосудов постоянны во времени и в пространстве.

4. Не рассматриваются переходные процессы установления движения крови.

5. Существует “внешний механизм" закрытия и открытия аортального клапана, определяемый активной деятельностью сердца. [ 1]

Читайте также: