Основная цель статьи - привлечь внимание практических работников сферы образования к актуальной проблеме повышения качества образования, используя современные подходы к изучению биологических процессов.
Последние десятилетия характеризуются не только интенсивным развитием всех естественных наук, но и их взаимным проникновением друг в друга (физическая химия, математическая физика и т.д.). Особенно заметно влияние точных наук, таких как физика и математика, на биологию: возникают направления '"биофизика", "математическая биология". Так, теория наследственности Менделя основана на теории вероятности.
Первое внедрение физики в биологию состояло в использовании физических методов в биологических исследованиях: рентгеноструктурный анализ, спектрофотометрия, фотокалориметрия. С их помощью получено много важных результатов.
Но понятие биофизики гораздо шире. Современная физика - единая наука о строении и свойствах вещества и поля - должна служить теоретической основой любых областей естествознания. И это уже реализовано в химии.
Ввиду чрезвычайной сложности биологических явлений, теоретическая биология развивалась до некоторого времени практически независимо от физики. Однако процесс объединения этих дисциплин уже начался. Биофизику можно определить как науку, использующую физические законы, методы и подходы для объяснения биологических явлений. Можно сказать, что сегодня биофизика начинается с физической постановки задачи, относящейся к живой природе.
В современной биофизике существует несколько важнейших проблем. Первая из них - это соотношение между биологическим развитием и теорией информации. В последнее время понятие "информация" стало широко использоваться не только в рамках точных наук, но и при изучении биологических дисциплин, в педагогике, в общественных науках. Необходимо отметить, что значительные достижения в области указанных выше наук объясняются новыми представлениями о природе информации. Наступило время, когда информацию стали рассматривать как всеобщее свойство материи наряду с понятиями вещество и энергия. И если прошедший век называли атомным или космическим, т.е. эпохой применения высокоэнергетических технологий, то наступивший век принято считать эрой информатизации, малоэнергетических технологий. В науке появляется термин "информационный подход" как метод познания сути некоторых явлений реального мира. Информационный подход приобретает методологическую сущность. Однако изучение понятия информации в вузах медицинского профиля сопряжено с рядом методических трудностей.
С одной стороны, несмотря на эпохальность понятия информации, очень ограничены временные рамки, как в курсе информатики, так и в курсе медицинской и биологической физики для изучения данного вопроса. А с другой стороны, применительно к биологическим системам требуется особое изложение и толкование информации и связи ее с другими понятиями, такими как упорядоченность и энтропия. Поскольку, например, при изучении свойств нуклеиновых кислот и белков приходится говорить об информации в процессах трансляции, транскрипции, репликации, то часто возникает ошибочное представление о том, что в организме человека запасено огромное ее количество. А биосистемы в связи с этим обладают якобы повышенной упорядоченностью по сравнению с неживой материей.
В публикациях последнего времени обращает на себя внимание статья директора Института общей физиологии РАМН академика К.В.Судакова "Информационный принцип в физиологии: анализ с позиций общей теории функциональных систем", в которой сформулировано понятие информационной среды организма. По представлениям автора статьи она состоит из совокупности информационных элементов его отдельных органов. В статье утверждается, что существует своего рода "информационный каркас организма", который определяет согласованное, целенаправленное взаимодействие различных функциональных систем.
Однако классический пример на расчет количества информации, запасенной в белках и нуклеиновых кислотах человека, показывает, что запас на самом деле не столь уж и велик. Теоретически энергия, затраченная при записывании такого количества информации, численно равна той, которая необходима, чтобы испарить стакан воды. Разумеется, что в реальности это будет немного больше, поскольку информацию нужно не только записывать, но и хранить, передавать и т.д. Такой учет, тем не менее, дает не слишком большую поправку. В чем же разница между упорядоченностью и связанной с ней информацией, в случае создания строго упорядоченной кристаллической структуры и в случае возникновения новых биологических систем?
Отличие в том, что при кристаллизации не создается новой информации. Это информация известная
a priori Биологические же системы являются творцами новой информации. Это происходит в результате запоминания случайных мутаций и генетических рекомбинаций (при размножении). В результате этого биосистемы получают возможность эволюционировать. Шмальгаузен отмечал, что количество информации содержащееся в хромосоме не существенно, важным является качество или ценность информации. "Во всех случаях, когда проводится сравнение и отбор информации, это происходит на основе их оценки по качеству... В биологии основное значение приобретает качественная оценка информации".
Ценность биологической информации совсем не в ее количестве, а в ее качестве, целесообразности, а также в эффективности ее переработки, в возможности ее запоминания и использования в процессах жизнедеятельности. Данная целесообразность информации позволяет биополимерам выполнять определенные функции: взаимно узнавать друг друга (антиген-антитело, рецепция и т.д.), осуществлять направленность в работе (ферменты, мышечные сокращения и т.д.)
При этом следует иметь в виду, что ценность информации нельзя определить однозначно, подобно тому, как можно определить ее количество при помощи формул Хартли или Шеннона.
Однако ценность можно условно определить как степень незаменимости информации. Например, ценность кодонов можно определить по степени незаменимости кодируемых ими аминокислотных остатков.
Каждый организм развивается онтогенетически и несет память о филогенетическом, эволюционном развитии. И онтогенез, и филогенез идут в направлении возрастающей сложности и представляют собой процессы возникновения и запоминания новой информации, а также возрастания ценности информации. М.В.Волькенштейн отмечал, что "увеличение сложности означает увеличение числа разнородных элементов системы и связей между ними. Возрастает незаменимость элементов системы и, значит, ценность информации". Расшифровка генома человека, о которой было объявлено в начале этого года доказала правильность данного утверждения. То, что геном человека включает в себя около 30 тысяч генов (ненамного более чем у дрозофилы), а не 100 тысяч, как предполагалось ранее, может служить доказательством увеличения сложности генетической системы в процессе эволюции.
Другой проблемой, связанной с первой является изучение термодинамических основ жизни. Термодинамика использует понятие энтропии, характеризующее энергетическое состояние системы (организма). Термодинамика рассматривает один из фундаментальных законов природы - II второе начало термодинамики. Согласно этому закону в изолированной системе могут самопроизвольно протекать только такие процессы, при которых энтропия или остается постоянной (обратимые) или увеличивается (необратимые). Таким образом, с помощью энтропии можно выяснить, какие процессы возможны при данных условиях, в каком направлении и до какого предела они могут идти. И поскольку энтропию, как и информацию, связывают с порядком (беспорядком), то по отношению к биологической системе стоит обратить внимание не на данное смысловое значение, а подчеркнуть значение энтропии как меры рассеивания энергии при необратимых процессах. Печальный смысл энтропии в том, что чем больше энтропия, тем больше рассеяние энергии и тем более необратим процесс. Таким образом, энтропия - мера трудности возврата системы в первоначальное состояние. При необратимых процессах система в конце концов приходит к состоянию термодинамического равновесия все параметры которого выровнены. Работоспособность такой системы равна нулю (вспомним тепловой двигатель, который работает благодаря разности температур в нагревателе и холодильнике). Особенностью биологических систем является то, что в них нет обратимых процессов. Все процессы в них носят необратимый характер, а значит не вся энергия переходит в полезную работу. Часто она рассеивается в виде тепла Например, мышечное сокращение имеет к.п.д. 30%, а гликолиз 36%. С другой стороны, очевидно, что если организм функционирует, то он не достигает равновесного состояния с максимальной энтропией. Жизнь как будто отменяет II закон термодинамики. Принято говорить об "анти-энтропийности жизни". Однако это решительное противоречие между эволюцией изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией, и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному является кажущимся. Организм есть открытая система, энтропия которой может и убывать. Но все это общие слова, не объясняющие ни особенности пространственно-временного порядка открытой системы, ни смысла понятия "антиэнтропийность".
В природе существует два типа упорядоченности - статическая и динамическая. В первом случае порядок реализуется в термодинамически равновесных условиях при достаточном понижении температуры, например при кристаллизации жидкости. Статическая упорядоченность возникает в результате фазового перехода, условия которого являются равновесными. Такая упорядоченность (периодический кристалл) в биологии практически не встречается. По Шредингеру живой организм есть апериодический кристалл, т.е. высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов. Понятие об апериодическом кристалле важно для рассмотрения явления жизни на основе теории информации. Динамический порядок живой системы реализуется не потому, что энтропия понижается вследствие понижения температуры, а потому, что имеется отток энтропии из открытой системы в окружающую среду. Возникновение пространственно-временной структуры в этом случае имеет характер неравновесного фазового перехода. Исследование динамической упорядоченности, имеющие фундаментальное значение для физики и биологии начались сравнительно недавно.
Открытые системы, далекие от равновесия получили название диссипативных систем. В таких системах возникают процессы самоорганизации в пространстве и времени. Именно неравновесность системы, возникающая благодаря оттоку энтропии, служит источником упорядоченности. Область биофизики, изучающая диссипативные системы и их самоорганизацию, называется синергетикой. И. Пригожин составил уравнение баланса энтропии для открытых систем:
Первое слагаемое в правой части уравнения является изменением энтропии внутри системы, а второе - снаружи. И.Пригожин писал “Жизнь больше не выглядит как островок сопротивления
II-му началу термодинамики... Она возникает теперь как следствие общих законов физики с присущей ей специфической кинетикой биохимических реакций, протекающих в далеких от равновесия условиях. Благодаря этим специальным кинетическим законам потоки энергии и вещества создают флуктуационный и структурный порядок в открытых системах”. В настоящее время наблюдается объединение теории эволюции с физикой, кибернетикой, теорией информации. Эволюция рассматривается с позиций синергетики как явление самоорганизации в открытой системе, реализуемое за счет оттока энтропии в окружающую среду. Таким образом, в неравновесных системах принцип хаотизации Больцмана меняется на принцип упорядоченности. Заслуга неравновесной термодинамики в том, что она провозглашает самоорганизацию общим свойством всех открытых систем: химических, биологических, социальных.
Особенностью биологических систем является еще и то, что они являются открытыми системами в стационарном состоянии. Т.е. приток и отток энтропии происходит с постоянной скоростью:
Благодаря стационарности организм поддерживает постоянство своих параметров. Т.е. биосистемы обладают способностью к авторегуляции. Например, можно вспомнить регуляцию содержания сахара в крови. Известно также, что человек поддерживает постоянство своего веса несмотря на то, что в течение дня потребляет достаточно большое количество пищи. Условия нашего существования требуют, чтобы температура тела поддерживалась на уровне 36,6 °С и, чтобы ее поддерживать, организм использует не увеличение энергии за счет пищи, а отток снижение энтропии
Еще одним примером пристального внимания биофизиков в последнее время является кинетика биополимеров. В статье А. Н. Тихонова "Молекулярные моторы" уже вводится понятие ротора и статора молекулы АТФ (аденозинтрифосфата). Молекула АТФ является источником энергии для биохимических, транспортных процессов внутри клетки. Причем отмечается высокий КПД (60%) и большая мощность молекулы кинезина - переносчика различных органелл. Если бы такой мощностью обладали автомобильные моторы, то они легко смогли бы разогнать машину до скорости больше скорости звука. Интересным и специфичным понятием в биофизике является понятие конформационной машины. Его ввел в биофизику Л. А. Блюменфельд. Касаясь различия в работе обычной макроскопической (тепловой) и молекулярной машин, следует отметить, что в последней - механические и термодинамические степени свободы не разграничены четко между собой. Т. е. направленное движение отдельных частей молекул происходит на фоне хаотических тепловых движений и существенным является то, что они сопоставимы друг с другом по амплитуде. Это обстоятельство позволяет не слишком точно "подгонять" детали молекулярных машин друг к другу, что дает возможность изменять конструкцию А следствием этого является возможность эволюционировать, каковая отсутствует в неживой природе.
Из всего вышесказанного следует, что у студентов должно быть сформировано представление о том, что описание биологических процессов с помощью законов физики требует особого подхода что вся работа биополимеров по программе, записанной с помощью последовательности аминокислотных остатков, происходит по своим, особым, специфическим законам, которые нам еще предстоит понять.
ЛИТЕРАТУРА
Волькенштейн М. В. Биофизика – М.: Наука, 1988
Тюдзе Р. Каваи Т. Физическая химия полимеров: Пер. с японск.-М.:Химия, 1977
Чанг Р. Физическая химия с приложениями к биологическим системам: Пер. с англ. –М.: Мир, 1980
Кадомцев Б. Б. Динамика и информация //Успехи физических наук. –М., 1998
А.Н. Тихонов Молекулярные моторы.// Соросовский образовательный журнал. №6, 1999 г.
