TOHF - Група 6 (CTBMP) - Биохимия - Лекции - Коваленко - 2003 - Шрьодингер
Биология във въпроси и отговори
ВЪПРОС:Какво е животът от гледна точка на физиката?
ОТГОВОР:Преди това доминираше концепцията на витализма, според която биологичните явления са фундаментално неразбираеми на базата на физиката и химията, тъй като има някакъв вид "жизнена сила", или ентелехия, или биологично поле, което не подлежи на физическа интерпретация.
През 20-ти век великият физик Бор разглежда проблема за връзката между биологията и физиката въз основа на концепцията за допълване, частен случай на която е принципът на неопределеността на квантовата механика. Бор разглежда допълнителни изследвания на живите организми на атомно-молекулярно ниво и като интегрални системи. Тези два вида изследвания са несъвместими. В същото време "нито един резултат от биологични изследвания не може да бъде недвусмислено описан по друг начин, освен въз основа на понятията на физиката и химията". Животът трябва да се разглежда като "... като основен постулат на биологията, който не подлежи на по-нататъшен анализ", подобно на кванта на действието в атомната физика. Така има взаимно допълване на биологията, от една страна, и на физиката и химията, от друга. Тази концепция не е виталистична, тя не поставя никакви ограничения върху приложението на физиката и химията в изучаването на живата природа. В края на живота си (1961, 1962) Бор променя възгледите си под влияние на напредъка на молекулярната биология. Той отбеляза, че допълването в биологията не е фундаментално, а практично, обусловено от изключителната сложност на живото тяло. Практическото допълване е преодолимо.
Развитието на молекулярната биология доведе до атомистично тълкуване на основните феномени на живота - като наследственост и изменчивост. През последните десетилетия успешно се развива и физическата теория на интегралните биологични системи, основана на идеите на синергетиката.
През 1945 г. Шрьодингер написва книгата "Какво е животът от гледна точка на физиката", която оказва значително влияние върху развитието на биофизиката и молекулярната биология. Тази книга разглежда отблизо няколко критични проблема. Първата от тях са термодинамичните основи на живота. На пръв поглед има решаващо противоречие между еволюцията на изолирана физическа система до състояние с максимална ентропия, т.е. разстройство (вторият закон на термодинамиката) и биологична еволюция, преминаваща от просто към сложно. Шрьодингер каза, че организмът "се храни с отрицателна ентропия". Това означава, че организмите и биосферата като цяло не са изолирани, а отворени системи, които обменят както материя, така и енергия с околната среда. Неравновесното състояние на отворена система се поддържа от изтичането на ентропия в околната среда. Вторият проблем са общите структурни характеристики на организмите. Според Шрьодингер организмът е апериодичен кристал, т.е. високо подредена система, подобна на твърдо тяло, но лишена от периодичност в подреждането на клетки, молекули, атоми. Това твърдение е вярно за структурата на организмите, клетките и биологичните макромолекули (протеини, нуклеинови киселини). Концепцията за апериодичен кристал е важна за разглеждане на явленията на живота въз основа на теорията на информацията. Третият проблем е съответствието на биологичните явления със законите на квантовата механика. Обсъждайки резултатите от радиобиологичните изследвания, проведени от Тимофеев-Ресовски, Цимер и Делбрюк, Шрьодингер отбелязва квантовата природа на радиационната мутагенеза. В същото време приложенията на квантовата механика в биологията не са тривиални, тъй като организмите са фундаментално макроскопични. Шрьодингер задава въпроса: "Защо атомите са малки?" Очевидно е, че този въпрос е безсмислен, освен ако не е посочен, в сравнение с това, което е малкоатоми. Те са малки в сравнение с нашите мерки за дължина - метър, сантиметър. Но тези мерки се определят от размера на човешкото тяло. Следователно, казва Шрьодингер, въпросът трябва да бъде преформулиран: защо атомите са толкова по-малки от организмите, с други думи, защо организмите са изградени от голям брой атоми? Наистина, броят на атомите в най-малката бактериална клетка е Mycoplasma. laidlawii има ред 10 9 . Отговорът на въпроса е, че редът, необходим за живота, е възможен само в макроскопична система, в противен случай редът би бил разрушен от флуктуации. Накрая Шрьодингер се чудеше за стабилността на субстанцията на гените, изградена от леки атоми C, H, N, O, P, в продължение на много поколения. Отговор на този въпрос по-късно дава молекулярната биология, която установява двуверижната структура на дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК).
Ервин Шрьодингер стига до оптимистично, макар и не съвсем успокояващо заключение: „Въпреки че съвременната физика и химия не могат да обяснят тези процеси (протичащи в живия организъм), няма причина да се съмняваме във възможността за научното им обяснение.“ Въз основа на знанията, натрупани в опитите да се дефинират такива фундаментални понятия като пространство, време и материя, физиците се отдалечиха все повече и повече от въпроса „Какво е.“ Това, което ги интересува, не е толкова тавтологията на понятията зад дефиницията, а отношенията, чрез които състоянието на нещата може да бъде сведено до няколко фундаментални величини, уникално характеризирани от предписани процедури за измерване.
Днес има всички основания да се твърди, че съвременната физика не отговаря на границите на своята приложимост за разглеждане на биологични явления. Трудно е да се мисли, че такива граници ще бъдат открити в бъдеще. против,Развитието на биофизиката като част от съвременната физика свидетелства за нейните неограничени възможности. Необходимо е, разбира се, да се въведат нови физични понятия, но не и нови принципи и закони. Понятието живот обхваща много явления с много различна степен на сложност. Както знаете, много биолози виждат сложността и разнообразието като една от основните характеристики на живите същества. Философите се интересуват от проблема за живота преди всичко, защото той засяга произхода и съществуването на човека. Но свойството „да бъдеш жив“ несъмнено е общо за две толкова различни същества като E. coli и човека. Малко вероятно е общата дефиниция да каже нещо за изключително различните характеристики на тези същества. Ако искаме да разберем живота като специална форма на организация на материята, тогава трябва да помним, че тази характеристика по никакъв начин не включва гигантски качествени и количествени разлики в нивото на организация на низшите и висшите организми.
Има ли ясно разграничение между живо и неживо? В момента биолозите ще отговорят на този въпрос по-скоро отрицателно. Всъщност едва ли е възможно ясно да се определи тази граница. Например, вирусна частица в правилната среда - използвайки метаболизма на клетката гостоприемник - може да се размножи, понякога толкова необуздано, че в резултат на това целият организъм гостоприемник умира. По този начин вирусът има качества, които иначе се срещат само в живите организми - съществуването на които, както знаете, също винаги зависи от определени условия на околната среда. Но, от друга страна, вирусите са частици, характеризиращи се с определена форма и състав и способни, подобно на неорганичните вещества, да образуват кристална решетка. Очевидно в този си вид те не попадат под никакво определение за живеене. Освен това вирусните частици могат да бъдатразлагат на отделни молекулни компоненти и ги сглобяват отново в инфекциозни единици – в този случай се губи първоначалната им индивидуалност. Животът и смъртта тук променят обичайното си значение.
В математиката е обичайно да се прави разлика между необходими и достатъчни условия. В нашия случай е много по-лесно да поставим необходимите условия за съществуване на живот - в този случай трябва да се грижим само за задължението, но не и за пълнотата.
От анализа на живите системи, с които разполагаме, знаем, че метаболизмът протича във всички клетки, или по-точно метаболизмът (тъй като на първо място имаме предвид трансформацията на свободната енергия), което е необходимо условие за съществуването на всяка форма на живот). Само чрез постоянно използване на притока на свободна енергия системата може непрекъснато да се актуализира и по този начин да забави падането си в състояние на термодинамично равновесие, което Ервин Шрьодингер уместно нарече състояние на смърт. Динамичният ред, характерен за жизнените процеси, може да се поддържа само чрез постоянно компенсиране на производството на ентропия.
Следващото необходимо условие е способността да се самовъзпроизвежда. Всички молекули и специфични подредени надмолекулни структури, които са възникнали поради междумолекулни взаимодействия, имат ограничен живот поради топлинно движение. За да не се загуби информацията, натрупана в тях, те трябва да имат време да изградят поне едно идентично копие, съдържащо плана на структурата и функционирането на оригиналната структура преди тяхното срутване. Всяко биологично подреждане се ръководи от информация.
Обучението изисква специфични взаимодействия. Крайните стойности на енергиите на взаимодействие и смущенията, създадени от топлинните флуктуации, правят абсолютно точното възпроизвеждане невъзможно по принцип. Винаги съществуваопределен процент грешки или мутации - наличието на тези грешки е съществено условие за възможността за еволюционен прогрес.
Разбира се, и двете последни условия трябва да се считат за необходими само ако въпросната система не може постоянно да възниква de novo. Само за една развиваща се система е важно да се запази и развие веднъж постигнатото информационно състояние. Това е пряко свързано със сложността на живите системи.
Вече е общоприето, че трите съществени предпоставки за формирането на живи структури са метаболизъм, самовъзпроизвеждане и изменчивост. Тези свойства са необходими, но не са достатъчни. Количественото теоретично разглеждане на динамиката на биологичните системи от реакции показва, че не всякакъв вид самовъзпроизвеждане и изменчивост може да доведе до появата на системи, способни на неограничена еволюция.
Едно от най-големите научни постижения на нашия век е изясняването на молекулярния механизъм на трансфер на информация и наследяване в живите организми. Всички живи същества използват една и съща универсална схема за кодиране, прехвърляне (и транслиране) на информация и биосинтез. Тези процеси са доминирани от два класа молекули: нуклеинови киселини като носители на законодателния принцип и протеини като носители на изпълнителния принцип. Протеините определят цялата времева корелирана програма за синтез на жива клетка. Информация, т.е. структурният план на клетката и, следователно, на целия организъм, е вграден в една молекула нуклеинова киселина. Копия от този строителен план се предават от поколение на поколение.
Нека дефинираме живия организъм като отворена, саморегулираща се, самовъзпроизвеждаща се и развиваща се хетерогенна система, най-важните функционални вещества на която са биополимери - протеини и нуклеинови киселини.Организмът е историческа система, в смисъл, че е резултат от филогенетично, еволюционно развитие и сам преминава през пътя на онтогенетичното развитие – от зигота до старост и смърт.
Е. Шрьодингер "Какво е животът от гледна точка на физиката", М., Атомиздат, 1972 г.,
М.Айген, Р.Винклер "Играта на живота", М., Наука, 1979 г.,
M.V.Volkenstein "Биофизика", М., Наука, 1988.