Материя организма
Следует характеризовать причинноследственными связями между единицами вещества, определяемыми энергией.
Научный поиск — это всегда путь по непроложенной дороге к тому, что ещё весьма туманно проглядывает гдето вдали. Направление на этом пути нам задаёт теория — независимо от того, является она правильной или нет.
Заключая главу о физических эффектах, сопровождающих процессы роста и деления клеток, необходимо ещё раз остановиться на проблеме их излучения, затронутой во введении к этой главе.
Если же не рассматривать экономические и психологические мотивы, по которым биохимическое сообщество так яростно отрицает достоверность результатов Л. Монтанье, то стоит обратить внимание на целый ряд прямотаки полных совпадений между условиями получения воспроизводимых результатов в опытах Л. Монтанье с аналогичными условиями в опытах А. И. Коновалова (глава 7).
Ещё раз кратко перечислим сумму условий, которые Л. Монтанье считает необходимыми для появления регистрируемого электромагнитного сигнала (ЭМС) от исследуемых образцов.
Люк Монтанье, лауреат Нобелевской премии по биологии 2008 г., получил эту престижную научную награду за расшифровку генома вируса СПИДа, выполненную им еще в 1985 г.
К сожалению, имеющиеся на сегодня знания о магнитных свойствах атомов не позволяют построить физически строго обоснованную модель такого эффекта.
Проблемы, которые нужно решить клеткам эукариот при редупликации хромосом, значительно серьезнее, чем у бактериальных клеток, и прежде всего изза существенно большей по длине ДНК.
Но вот прошло 60 лет, и страсти того времени утихли вместе с отвергнутым и забытым, но от этого не менее замечательным открытием.
Анализируя наблюдаемый эффект, его авторы [10.20, 10.21] отмечали, что ширина и форма резонансных кривых, их температурное поведение, а также достижение постоянной намагниченности в очень слабых полях в опытах по статическому магнетизму показывают, что исследуемые соединения не являются обычными парамагнетиками и что их магнитные свойства определяются коллективным спиновым взаимодействием.
Весьма информативными являются исследования, проведённые с культурами дрожжей при их замораживании в магнитном поле [10.19, 10.24, 10.25].
Экспериментальные результаты состоят в следующем. В процессе исследований было показано, что «широкие линии» ЭПР обнаруживаются исключительно у систем, содержащих гетероатомы в цепи сопряжения, а полимеры с сопряжёнными связями, состоящие только из С и Н, не обнаруживают широких линий никогда [10.18].
История, связанная с открытием магнитных свойств, проявляющихся у живых клеток в период, предшествующий их деле нию, является, возможно, одной из наиболее драматичных в истории биологической науки.
Как следует из главных признаков «живой материи», приведённых в главе 6, для живого характерны процессы самоорганизации в структурах биополимер—вода, происходящие в результате участия и воздействия когерентной энергии в форме одиночных квантов (солитонов).
Безусловным открытием, показывающим связь не только биологических, но и сугубо физических процессов, протекающих на Земле, с окружающим нас космофизическими явлениями, служит обнаруженный, изученный и обоснованный С. Э. Шнолем новый физический феномен, связывающий все процессы, протекающие на Земле, со свойствами пространства и его анизотропией.
Проводимых В. В. Соколовским соавторами в течение 50 лет, показано, что окислительновосстановительные (редокс) реакции и процессы в живом организме, играющие главенствующую роль во всех первичных (базисных) механизмах регуляции жизнедеятельности, обнаруживают свою связь как с вариациями солнечной активности, так и с другими космофизическими флюктуациями.
Исследования в области сверхслабых воздействий физических факторов на живые объекты развивались по двум основным направлениям: статистические исследования корреляций между событиями на Земле и солнечной активностью (в том числе — гелиобиология) и экспериментальные исследования, воссоздающие сверхслабые, близкие к космофизическим воздействия на реальные, в основном биологические объекты. Первое направление насчитывает уже более двухсот лет.
1.Эффекты действия сверхслабых ЭМП на клетки и многоклеточные организмы существуют, физически обоснованы и связаны с элементарными процессами взаимодействия индивидуальных квантов ЭМП с биополимерами, молекулярноводными и водными структурами живых организмов.
Вторым весьма интересным эффектом, связывающим ЭМП живой организм, является эффект излучения, производимого живым организмом.
Практически во всех случаях в экспериментах наблюдался лечебный характер действия ЭМП КВЧ на живые организмы и высокая воспроизводимость наблюдаемых лечебных эффектов.
Энергия квантов ЭМП этого диапазона (фотонов) меньше энергии ионизации большинства биомолекул, но больше энергии водородных связей.
Биологическое действие ЭМП для мощностей, существенно меньших ПДВ, возникает вследствие процессов взаимодействия единичных квантов электромагнитного поля с биополимерами, молекулярноводными и водными комплексами клеток живого организма.
В связи с выявлением вредного действия электромагнитных полей, имеющего место вблизи их мощных источников, в технике безопасности для работы с такими источниками во всех развитых странах на государственном уровне были введены нормы предельно допустимой мощности (ПДМ).
При рассмотрении взаимодействий ЭМП с живыми организмами, как уже говорилось выше, следует выделить два частотных диапазона, принципиально различающихся по физическим и биохимическим процессам, вызываемым ими в биологических объектах.
При всех современных исследованиях биологического действия ЭМП на живые организмы традиционным подходом является рассмотрение не механизмов, а последствий такого действия.
Привело к появлению нового источника электромагнитных полей, связанного с овладением электрической энергией и началом, в XIX в., её технического использования.
Все проведённые эксперименты свидетельствуют также о важнейшей роли магнитного поля Земли в процесс формирования наноассоциатов, а значит, и в механизмах сближения первичных БВСструктур в растворах.
Вторая область на шкале разбавлений, или область «молчания» в биологических эффектах, — это «переходные» концентрации, при которых растворённых молекул ещё вполне достаточно для того, чтобы они продолжали образовывать ассоциаты, но размеры ассоциатов, образованных только молекулами (случай «классических» молекул), уже настолько малы, что средства измерения их более не фиксируют.
Рассмотрение всех экспериментальных результатов, как биологических, так и физикохимических, относящихся к биоактивным веществам, показывает, что в процессе разбавления для них характерен «бимодальный эффект»: наличие двух активных областей — «нормальной» и «аномальной», — разделённых областью отсутствия биологического эффекта («областью молчания»); причем в биологических экспериментах «область молчания» проявляется в большей степени.
Для ответа на этот вопрос необходимо вернуться к описанию механизма преобразования энергии биополимером, представленному в главе 6, и к механизму образования биополимерноводных структур (БВСструктур). Как следует из механизма их образования, не любые растворённые молекулы могут образовывать БВСструктуры.
Еще одним открытием, сделанным группой А. И. Коновалова, является впервые зафиксированное ими в прямом эксперименте образование «наноассоциатов», возникающих в растворах «аномальных» веществ в области сверхвысоких разбавлений. Наноассоциаты Рис. 23. Изменение проводимости [мкСм/см] и эффект ингибирования ибупрофеном в зависимости от степени разбавления в растворе фиксировались методом динамического светорассеяния. Было показано, что соединения с «аномальным» поведением образуют […]
Из сказанного ясно, каким важнейшим прорывом в изучении эффектов «сверхнизких концентраций» явились работы группы академика А. И. Коновалова, проводимые в последние годы в Институте органической и физической химии им. А. Е. Арбузова РАН в г. Казани и посвящённые изучению физикохимических свойств сверхвысокоразбавленных растворов.
В последние 30 лет в нескольких очень серьезных научных учреждениях были проведены исследования, приведшие к открытиям, позволяющим на новой основе вернуться к рассмотрению биологических (а значит, и медицинских) эффектов действия биоактивных препаратов в водных растворах при сверхвысоких разбавлениях.
Когда говорят о различных биологических эффектах сверхвысокоразбавленных растворов, предполагающих наличие активных соединений в ничтожных количествах, эти эффекты, безусловно, ассоциируются с медицинской практикой, называемой гомеопатией. Действительно, гомеопатическое направление, существующее в лечебной медицине, насчитывает уже более 200 лет, хотя, вероятно, целительное действие высокоразбавленных растворов могло быть известно ещё в глубокой древности.
В этой части рассмотрены четыре биофизических открытия, объединяемые тем, что в них аномальным (с точки зрения «здравого смысла» и линейных представлений мезокосма) образом проявляются эффекты действия очень слабых физических и химических факторов, а также тем, что на момент открытия все они были отвергнуты официальной наукой и в лучшем случае именовались парадоксальными, а в худшем — […]
Теперь мы можем предложить физическую формулировку биологического понятия «жизнь»: Жизнь, реализованная в виде живого организма, есть специфическое свойство материи находиться в самосогласованном единстве «вещество—энергия», определяющем формы и поря док взаимодействия единиц вещества (биомолекул), отобран ных в ходе эволюции для оптимальной реализации биохимических процессов этого организма.
На принадлежность к живым системам (живым клеткам), т. е. к материи живого организма, в этом признаке указывает фактор времени: длительность существования фрактальных кристаллических структур воды в условиях цитоплазмы, насыщенной химически активными веществами и находящейся при температуре, превышающей, как правило, значительно, температуру фазового перехода воды в лёд.
Несмотря на то что основополагающий труд Э. Бауэра назывался «Теоретическая биология», его значение гораздо шире, чем область только лишь собственно биологии.
В современной биологии не существует сомнений, что гибель живого организма, по какой бы причине она ни произошла, сопровождается прекращением в нём энергетических процессов.
В живом организме разрушение жидкокристаллических структур воды, частичное или полное, может произойти при снижении поступления к ним энергии (болезни организма) и обязательно произойдет в случае смерти организма, связанной с полным прекращением энергетических процессов, поддерживающих их организацию.
Рассмотрение возможных взаимодействий между БВСструктурами через цепи водных фрактальных кристаллов приводит нас к новому понятию в представлении о живой материи, а именно к понятию «молекулярной ячейки» [146–148].
Таким образом, передача информационных и управляющих потоков энергии в живой системе осуществляется элементарной структурной единицей живой материи, представляющей собой самосогласованную биополимерноводную структуру (БВС), в которой биополимер и связанные с ним водородными связями фрактальные кристаллы воды объединены потоками когерентной энергии — солитонами терагерцового диапазона.
Режим самолокализации энергии — это процесс на биополимере, состоящий в преобразовании входящей в биополимер химической метаболической энергии (неорганизованной, но вызывающей местное колебательное возмущение молекулярной цепи) в когерентный солитон, далее свободно транспортируемой по цепи биополимера. Аналогичное преобразование в когерентный солитон имеет место для внешней энергии любого вида и происхождения, если она вызывает колебательное возмущение любой из […]
В работе Дел Джудичи с соавторами [142], посвящённой дальнейшему развитию солитонных представлений Давыдова в биоэнергетике, было проведено прямое решение дискретного нелинейного уравнения Шредингера (ДНУШ) без обращения к классическому механизму, использованному Давыдовым в первоначальных исследованиях самоканализации энергии на ангармоничных включениях в биополимерные цепи.
История, относящаяся к формулированию третьего главного признака живой материи, так же удивительна, как и многое в биоматематике.
Из изложенного следует второй главный признак существования живой материи.
При переносе энергии нейтральными возбуждениями (энергетическими солитонами) электрических явлений в цепи биополимера не возникает.
позволяет рассматривать их конфигурацию просто как одномерную цепочку диполей, после чего конфигурация молекулы становится доступной для математического описания.
Несмотря на то что в 70х годах прошлого века законы физической синергетики еще не были сформулированы, решение задачи о передаче энергии от молекулыносителя (АТФ) к биополимеру А. С. Давыдов провёл в полном соответствии с её основными положениями, что наглядно демонстрирует эффективность построения «жёстких» моделей при решении нелинейных задач.
Современная биоэнергетика — достаточно развитое направление молекулярной биологии, и её описанию посвящена значительная литература.
Очевиден и ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что живой организм не может существовать без поступления к нему внешней энергии.
Из изложенного выше следует первый главный признак существования живой материи.
Классическая кристаллизация воды с образованием льда — это фазовый переход из жидкой однородной (континуальной) фазы воды в твёрдую фазу.
Отношение современной биохимии к тому факту, что вода протоплазме находится в «связанном» состоянии, можно было бы характеризовать как некое «промежуточное».
При описании строения клетки главной её органеллой всегда называется цитоплазма (параграф 2.3).
Ранее уже неоднократно говорилось, что главным вопросом, на который в молекулярной биологии не сформулирован ответ, является неразрешимое противоречие между уверенностью, что биополимеры — это просто молекулы, т. е. неживая материя, и их «разумным» поведением в живой клетке, живом организме.
С момента возникновения науки биофизики и до настоящего времени в биологической литературе не утихает обсуждение вопроса, существует ли особая «биологическая физика», т. е. некая физика живой материи, имеющая специфические отличия от «физики вообще». И все ведущие биофизики единогласно отвечают на этот вопрос (цитирую по [41]): «Для полного описания и понимания строения и функционирования всех существующих […]
В последние годы резко возросло число работ, посвящённых спинизомерии воды. Спинизомерия — давно известный физический эффект для целого ряда молекул, в том числе для водородаводы.
Как уже говорилось, в мезокосме человека всегда и с несомненностью под кристаллизацией воды понимают образование льда. Постоянно происходящий в природе и знакомый человеку с древних времён этот процесс в физике именуется фазовым переходом {жидкость (вода) твердое тело (лед)} и является наглядной демонстрацией термодинамики открытых неравновесных систем.
Главным отличием «модульной» кристаллографии стал отказ от основополагающего для классической кристаллизации принципа «минимума свободной энергии».
Процессы нелинейной кристаллизации, в которых возникают сложные кристаллические структуры, характеризующиеся фрактальным самоподобием, реализуются в природе достаточно часто в условиях, отличных от стандартных.
Синергетика — это область физики, идеи и методы которой разрабатываются специально для решения сугубо нелинейных, в том числе физических, задач, для которых зачастую не только невозможно предложить математическое решение, но даже невозможно сформулировать постановку задачи, пригодную для такого решения.
Для живой материи понимание особо важно, ибо введение теоретиками солитонов в рассмотрение молекулярных процессов породило много ненужных страстей в их описании и представлении, между тем как солитоны — это тоже не более чем кванты энергии, образованные при её самолокализации в акустических колебательных процессах на различных ангармонизмах молекулярных структур.
Как уже говорилось ранее, энергия является формой материи, обеспечивающей динамичность вещества, его изменчивость.
В квантовой теории поля (КТП) электрон потерял своё место важнейшей элементарной частицы и стал одной из многих элементарных частиц, рождение или аннигиляция которых в различных процессах является постоянным актом превращения веществаэнергии в пространстве Вселенной.
Третья ветвь физики, квантовая теория поля, с середины ХХ в. развивалась только как физика макрокосмоса. Пространственной границей макрокосмоса является абстрактное понятие бесконечности, а временнόй — тысячи и миллионы световых лет.
Пространственная и временнáя области микромира существенно отличаются от мезокосма человека.
Первая по времени возникновения и формулировке основополагающих принципов ветвь физики — это классическая физика, в основе которой лежит ньютоновское представление о непрерывности среды окружающего мира и однонаправленности времени.
Рассмотрение структуры современной физики показывает, что она уже давно представляет собой комплекс наук, объединённых общей целью, но не связанных ни методами, ни подходами, ни даже математическим аппаратом и развивающихся наиболее интенсивно в прикладных направлениях.
То, что сейчас принято называть термином «естественные науки», берёт своё начало в древней Греции от греческого physis, т. е. природа, физика.
Всплеск интереса к физическим подходам объяснения «тайны жизни» произошел в тридцатые годы прошлого века, когда многие выдающиеся биологи, вдохновлённые новыми идеями новыми моделями в физике, пытались найти какиелибо особые физические свойства живого или хотя бы присущие только живым системам особые физические закономерности.
Раздел 2 (Часть II) данной книги посвящен физике — науке, определяющей решение важнейшей задачи биологии, состоящей в разработке её общей теории, теоретической биологии, обладающей предсказательной силой для всех её частных задач. До настоящего времени биология в отличие от физики своей общей теории не имеет.
Исследование строения и взаимодействий биологических макромолекул (биополимеров) живого организма является пред метом молекулярной биохимии, а изучение их функций в организме — предметом молекулярной биофизики.
Как уже говорилось во введении к этой части книги, ни общая биология, ни молекулярная биология, несмотря на выдающиеся успехи и научные достижения в исследовании живых организмов, так и не сформулировали ответа на два своих главных вопроса, постоянно волнующих человечество: «Что такое жизнь?» и «Как жизнь произошла?». Более того, занимаясь множеством задач — от структуры отдельных […]
Вопрос второй, обсуждаемый в несколько меньшей степени, чем первый: «В чём состоят физические и химические начала, единство которых обеспечивает состояние жизни молекулярной системы, изначально принципиально неживой?
Первый вопрос, безусловно, является основным, и он весьма обсуждаем не только в биологии, но и в философии: «Чем характеризуется живая материя, и чем она отличается от материи неживой? Какими качествами живое как высшая форма материи превосходит физическую и химическую формы материи, характерные для неживого?».
Какой должна быть наука, претендующая на имя «теоретическая биология»? Этот вопрос, как ни странно, во всей истории биологии был поставлен и рассмотрен всего один раз: его поставил Э. Бауэр в 1935 г. в своей книге с аналогичным названием, и там же он на этот вопрос ответил. Формулировка, данная Э. Бауэром, поражает своей глубиной и чёткостью.
Анализ литературы за последние несколько десятилетий, посвящённой попыткам теоретического объяснения «феномена жизни», показывает, что в подавляющем большинстве случаев авторами таких работ являются биохимики, иногда — биологи, но среди авторов практически отсутствуют физики.
В сердце биофизики, т. е. в её важнейшей части — в биоэнергетике сохраняется главная «интрига» живых систем.
Важность физических представлений в описании функционирования живых систем становится особо ясной в тех разделах биофизики, которые посвящены непосредственно биоэнергетике и на неё опираются.
Термодинамические представления пришли в молекулярную биологию из химии, где равновесная термодинамика является одним из основных теоретических принципов, используемых для описания хода химических реакций.
Одним из основных принципов «мембранной теории клетки», уже упоминавшихся в предыдущем параграфе, является представление о воде как о средерастворителе для биополимеров, биомолекул и других молекул и ионов, находящихся в цитоплазме клетки.
Рассматривая общие отличия живого от неживого, В. А. Энгельгардт [75] отмечал: «Жизнь качественно превосходит нижележащие формы существования материи … в отношении состава и строения живых объектов, многообразия живых компонентов и сложности специфичных для них химических соединений».
Один из крупнейших современных биофизиков и принципиальный противник мембранной теории клетки Г. Линг [3] относит эту ситуацию исключительно к её историческим корням. Он пишет: «Первым физиологам клетки неизбежно пришлось строить свои представления на неверных посылках.
Заблуждения человечества, в том числе научные, имеют свои исторические корни и, как правило, не поддаются логическому объяснению.
Для биологической науки нелинейный подход ещё является практически неведомым, в то время как именно для неё он фундаментально необходим.
Исторически базой познания человеком окружающего мира являлись предметы и явления, его окружающие.
Следует отметить, что в работах многих выдающихся биологов высказывались мысли, направленные на проблему расшифровки криптограммы жизни.
В предыдущей главе весьма кратко были изложены основные достижения биологической науки, многие из которых по своей значимости являются ведущими во всеобщем знании, полученном человечеством за время его существования.
Важнейшей составляющей получения знаний в молекулярной биологии являются методы натурного и компьютерного эксперимента.
С. Э. Шноль, также убеждённый дарвинист, в своей монографии «Физикохимические факторы биологической эволюции» [49] в качестве движущей силы эволюции предложил рассматривать «кинетическое совершенство», т. е. способность какойлибо полимерной формы, используя свои физикохимические свойства и все возможные внешние источники свободной энергии, более быстро, чем все другие, занимать весь доступный для заполнения ареал.
Как уже говорилось в 2.1, эволюционная теория Ч. Дарвина относилась только к эволюции уже состоявшейся жизни на Земле и ни в коей мере не касалась её происхождения.
Для потребления, передачи и распределения энергии в живом организме существуют и непрерывно действуют молекулярные механизмы питания.
Изучение фотосинтеза как раздела биоэнергетики основано на глубоком понимании роли энергии Солнца и в происхождении жизни на Земле, и в её последующей эволюции вплоть до настоящего времени [37].
Изучение энергетического фактора, «потока энергии», играющего важнейшую роль в существовании и функционировании живых систем, является центральным разделом современной молекулярной биологии, получившим общее название «биоэнергетика».
Возникновение многоклеточных организмов по времени практически совпадает с возникновением организмов одноклеточных.
Как известно, наследственность есть способность организма передавать из поколения в поколение свои признаки, также как изменчивость — это способность организма приобретать новые признаки.
Физиологические основы функционирования живого организма — клетки — составляют обширную самостоятельную науку, и её принципы здесь не излагаются.
Генетическая информация закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК, организованных в функциональные участки, называемые генами. Гены кодируют белки, т. е. они содержат информацию об аминокислотной последовательности в белках.
Белки способны выполнять множество функций и составляют основную массу «функционального вещества» живой клетки.
Величайшим достижением первого, экспериментальноописательного периода биологии, относящегося к XIX в., его венцом и одновременно его теоретическим завершением явилась эволюционная теория Ч. Дарвина [2], позволившая систематизировать историческом плане развитие живой природы на планете Земля.
Так в чём же суть этой модели, почему она — «мембранная», какой ещё может быть модель клетки и какой же она должна быть? Каким образом принципы физиологии клетки вытекают из её модели?
Отсутствие знаний о существовании принципиального различия между свойствами материи «живого» и «неживого» и проистекавшие из этого ошибки в трактовке экспериментов привели тогда не только к полному отказу от протоплазменной модели клетки, но и к последующим гонениям на эту модель.
Сороковые–пятидесятые годы ХХ в. ознаменовались усугублением разделения «областей интересов» между биологией и физикой и одновременно значительным «сращиванием» биологии и химии.
Краеугольным камнем представлений о процессах, протекающих в клетке, явился вопрос о «связанном» состоянии воды ротоплазме, а главной проблемой, на изучение и объяснение которой были направлены основные силы «клеточных» физиологов, стала проблема ассиметричного распределения ионов Na+ и K+ межклеточной среде и в протоплазме клетки. «Протоплазменщики» и «мембранисты» давали этому экспериментальному факту совершенно разные объяснения.
Истоки биологии — науки о живом — восходят к тем исследованиям еще XVII в., когда Р. Гук наблюдал растительную ткань в первый, весьма примитивный, оптический микроскоп, благодаря чему возникло представление о клетке как о независимом образовании в живой ткани (растений) и вслед за тем — как о мешочке с жидкостью.
Не менее значимыми оказались и достижения биологии молекулярной. Именно молекулярная биология позволила на научной основе обратиться к проблеме предбиологической эволюции происхождению жизни.
В своём развитии биология прошла сложный путь, тем более трудный, что ее предметом были разнообразные проблемы живой природы, и на этом пути она добилась выдающихся успехов в понимании картины живого на Земле.
Этот раздел книги целиком посвящен биологии: её истории, её успехам и её нерешенным вопросам.
Нелинейность в живых системах, управляемых множеством факторов, переплетенных друг с другом и связанных множеством же обратных связей, состоит в том, что в них очень небольшие, «сверхслабые», воздействия на одну или несколько таких связей могут привести к огромным, «макроскопическим», последствиям для всей системы и даже полностью изменить ход ее последующих изменений или развития.
По сути дела, термин «нелинейность» есть попытка выразить словами, понятными любому гуманитарному человеку, то невероятное сплетение различных причин и факторов, в результате которого ход процессов при самоорганизации наблюдаемого объекта теряет привычные этому человеку простые пути поведения перестаёт очевидным для него образом отвечать на действие внешних факторов.
Людей, разумное человечество всегда интересовали книги и идеи, посвящённые «феномену жизни». Чем глубже люди в своих исследованиях проникали в устройство и функционирование даже самых простых, одноклеточных организмов, тем более невероятным представлялось то, что все эти столь сложные процессы могли возникнуть «сами собой» и не гденибудь, а на нашей Земле.
Эта книга имеет более чем десятилетнюю историю. Она, как и предыдущая книга,1 посвящена описанию молекулярных принципов, на которых построен процесс жизни, и тому, каким образом в живой клетке осуществляются ее жизненные функции. Тема жизни всегда интересовала людей, независимо от их занятий и области научных интересов. Учеными различных специальностей — не только биологами, но и физиками, […]
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК