ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Периодические химические и биологические процессы из "Биофизика" Возникновение упорядоченного во времени и пространстве коллективного поведения открытой системы в результате перехода, подобного фазовому, означает наличие особых регуляторных возможностей у таких систем. Пространственная локализация вещества (см. с. 503) является вероятным механизмом стабилизации диссипативной структуры по отношению к изменениям химического окружения. [c.511] Биологические макромолекулы, надмолекулярные структуры, клеточные органоиды, клетки, организмы, популяции — сложные системы, т. е. совокупности элементов, взаимодействующих друг с другом. Изучение явлений жизни исходит из исследований этих взаимодействий. Вместе с тем физическое рассмотрение сложной системы не может не основываться на изучении составляющих е элементов, взятых порознь, вплоть до молекулярного уровня организации. Сами взаимодействия определяются природой этих элементов. Соответственно мы имеем дело с ферментом и геном, с аксоном и миофибрилдой, с митохондрией и хлоропластом. Эти элементы более сложных систем в свою очередь представляют собой сложные системы. Анализ явлений жизни на всех уровнях организации требует подходов, согласующихся с представлениями общей теории систем. [c.512] В этой книге не раз подчеркивалось, что организмы представляют собой химические машины, в которых посылка, рецепция ж преобразование сигналов имеют молекулярную природу. В искусственных твердотельных машинах есть лишь один способ борьбы с дефектами или износом деталей — их замена новыми. Зколько-нибудь значительные допуски в таких машинах недопустимы. Напротив, химическая машина организма характеризу- ется большими люфтами , недостатки преодолеваются посредством целого ряда компенсаторных механизмов, работающих как ла метаболическом, так и на генетическом уровне (см. также 17.7). [c.512] Регуляция, обеспечивающая поддержание гомеореза или оптимальные реакции на внешние воздействия, осуществляется в результате взаимодействия между выходными и входными сигналами, т. е. вследствие обратной свяаи. В простейшем случае регуляция поддерживает выходную величину на постоянном уровне, например, температуру лабораторного термостата. Проств11-шая регулируемая система содержит управляющее устройство, подвергающееся воздействию выходного сигнала, и объект управления, выдающий этот сигнал (см. с. 463). [c.513] Взаимодействия в биологической системе являются сильными— химическими и слабыми — межмолекулярными (см. 2.11). Как правило, химические реакции, а также слабые кооперативные взаимодействия нелинейны. Нелинейность необходима для реализации системы управления. Кооперативность всегда означает нелинейность ответа системы на входной сигнал. [c.513] Как мы видели, нелинейные системы ведут себя весьма разнообразно. Наличие множественных стационарных состояний определяет возможности переключения системы из одного режима в другой даже при слабых воздействиях. Таким образом, нелинейные системы обладают регуляторными возможностями. [c.513] Математический аппарат теории управляющих систем есть аппарат дифференциальных уравнений. Такое уравнение описывает связь между входными и выходными сигналами. Так называемый метод передаточных функций, основанный на применении преобразования Лапласа, позволяет получить феноменологическое описание систем управления. При этом эффективен описанный выше метод фазовых портретов, позволяющий непосредственно анализировать проблемы устойчивости. [c.513] Рассмотрение организма как регулируемой системы, проводимое физико-математическими методами, есть основа теоретической физиологии. В 16.6 рассмотрена в качестве примера проблема фибрилляции сердечной мышцы. Теория позволяет установить параметры, от которых зависит поведение системы, и указать способы воздействия на эти параметры. В сущности, такой же характер имоет целый ряд физиологических проблем (в частности, проблема иммунитета, 17.11). Необходимо раскрыть физическую сущность регуляторных явлений, установить, от чего зависит регуляция, и тем самым найти причины патологических отклопспий. В зтом смысле физика есть основа физиологии. [c.513] В предыдущей главе мы ознакомились с автоколебательными и автоволновыми процессами, характерными для открытых систем, находящихся вдали от равновесия. Единственный экспериментальный факт, который мы пока привлекли, состоял в периодическом изменении популяций зайцев и рысей, соответствовавшем модели Вольтерра (с. 498). Однако таких биологических фактов множество. На всех уровнях органйз ции, от макромолекулярного до популяционного, в биологических системах происходят незатухающие колебания характеристических физических параметров — ферментативной активности, концентрации метаболитов, параметров, определяющих физиологическое поведение, численности популяций и т. д. [c.514] Можно привести аргументы в пользу того, что биологическая система не только может, но и должна быть колебательной. Первый аргумент следует из всего изложенного в предыдущей главе. Сложная открытая система, включающая автокаталитические химические реакции, вдали от равновесия зачастую выходит на предельные циклы. Следовательно, автоколебания в такой системе весьма вероятны. Второй аргумент приведен Молчановым. Биологические системы являются результатом длительной эволюции. Устойчивые системы за время эволюции должны были уравновеситься, стать частью среды. Напротив, неустойчивые системы за это время распались. Следовательно, лишь системы, внутренние движения в которых имеют колебательную природу, могли сохраниться. [c.514] Четвертый, не менее существенный аргумент состоит в том, что сколько-нибудь сложная машина может работать непрерывно лишь путем периодического преобразования энергии в работу. Периодичность свойственна любым движущимся устройствам — одним из величайших изобретений Homo sapiens было колесо (см., впрочем, с. 413). Очевидно, что сложная живая система, обладающая автономным существованием, эволюционно достигает уровня периодически работающей машины — мы имеем в виду системы дыхания и кровообращения. Движения животного — бег гепарда, прыжки кенгуру, полет птицы, плавание рыбы, скольжение змеи, движение ресничек инфузории — представляют собой периодические, зачастую автоволновые процессы превращения химической энергии в механическую работу (гл. 12). Теоретическое и экспериментальное исследование химических и биологических периодических явлений имеет поэтому весьма важное вначение для биофизики, биохимии, физиологии, для биологии в целом. [c.515] Вернуться к основной статье