Л.Н.Галль. Межмолекулярая миграция энергии в живых системах. Механизм и последствия.
advertisement
Л.Н.Галль. Институт аналитического приборостроения РАН. г.Санкт-Петербург. Межмолекулярая миграция энергии в живых системах. Механизм и последствия. План доклада. 1. Введение. Обоснование необходимости разработки биофизической теории живой системы взамен существующей биохимической. В биофизической теории, кроме химического взаимодействия биомолекул, должна быть рассмотрена роль воды и физических полей. 2. Можно ли физическое понятие о коллективных процессах применить к биологической системе? 3. О физической модели живой клетки. Молекулярная ячейка, «мягкая» модель. 4. «Жесткая» модель молекулярной ячейки. Преобразование и излучение энергии. 5. Особенности структурирования внутриклеточной воды в молекулярной ячейке живой клетки. 6. Миграция энергии: механизм небиохимической связи между биополимерами. 7. Заключение. 1. Введение. Обоснование необходимости разработки биофизической теории живой системы взамен существующей биохимической. В биофизической теории, кроме химического взаимодействия биомолекул, должна быть рассмотрена роль воды и физических полей. 2. Можно ли физическое понятие о коллективных процессах применить к биологической системе? В этом разделе обосновывается необходимость привлечения принципов и методов нелинейного рассмотрения коллективных процессов, развитых в физике, к описанию межмолекулярных взаимодействий в живых биологических системах. Показано, что для того, чтобы такая биологическая система, как живая клетка, стала бы доступной для нелинейной физики, т.е. для рассмотрения присущих ей коллективных процессов, ее необходимо «упростить» до некоей абстрактной физической модели, доступной для последующего изучения. А чтобы результаты такого рассмотрения имели бы «биологический» смысл, физическая модель клетки должна включать в себя биохимическую модель, не нарушая ее. Успех исследования результатов коллективных процессов в живой клетке в первую очередь зависит от того, удастся ли разработать такую физическую модель. 3. О физической модели живой клетки. Молекулярная ячейка, «мягкая» модель. Для создания «мягкой» физической модели живой клетки необходимо абстрагироваться от рассмотрения любых реальных биохимических процессов в ней, и подойти к проблеме с точки зрения представлений о такой модели, принятых в нелинейной физике. Такое абстрагирование сразу же приведет нас к требуемому решению через утверждение, что клетку следует рассматривать как совокупность элементарных нелинейных молекулярных (субстанциональных) систем, находящихся между собой также в нелинейных отношениях, которые можно было бы именовать нелинейными отношениями второго порядка. В результате задача создания адекватной физической модели процессов живой клетки разделяется на две последовательные задачи: задачи о процессах в нелинейной молекулярной системе и задачи о процессах между нелинейными молекулярными системами. Для задачи первого уровня в качестве «мягкой» физической модели нелинейной молекулярной системы предложена субстанциональная (материальная) система, названная "молекулярной ячейкой". Молекулярная ячейка – это реальное образование из биополимеров, не находящихся в химическом контакте, но в данный промежуток времени расположенных наиболее близко друг к другу, и молекул воды, их разделяющих и с ними связанных. Молекулярная ячейка как физическая модель является и биологически значимой, и полностью неспецифичной, т.е. не имеющей никаких организменных функций. Ее важнейшим свойством является то, что составляющие ее биополимеры могут находиться в состоянии химического взаимодействия с другими молекулами, т.е. абстрагирование к молекулярной ячейке не отменяет и не нарушает межмолекулярные биохимические реакции в клетке. В то же время это абстрагирование позволяет перейти к изучению коллективных процессов в молекулярной ячейке, являющихся следствием движения внешней энергии по молекулярным цепям биополимеров. Рассмотрение нелинейных взаимодействий между молекулярными ячейками является задачей следующего уровня, в рамках которой возможно построение модели самоуправления межмолекулярными процессами в живой клетке. 4. «Жесткая» модель молекулярной ячейки. Преобразование и излучение энергии. В основу «жесткой» физической модели молекулярной ячейки, абстрагированной не только от клетки, но и от конкретных биополимеров, положены представления о молекулярно-водной субстанциональной системе, обладающей свойством принимать и преобразовывать внешнюю энергию. Приведены решения, полученные на основе КТП, о преобразовании энергии при ее движении по цепи биополимера (химическая энергия – солитон) и о ее излучении в окружающую биополимер поляризуемую водную среду. На основе анализа и интерпретации результатов введены понятия о двух режимах преобразования энергии в этом процессе: режиме энергетической зарядки и режиме энергетической разрядки. Режим зарядки - это преобразование входящей в биополимер химической метаболической энергии (неорганизованной, т.е. не способной совершать работу) в когерентный солитон, движущийся вдоль цепи биополимера. Режим разрядки - это рассеяние энергии в поляризуемой среде, окружающей биополимер, когда поступающий извне поток энергии проходит через эту среду, вызывая упорядочение внутри нее. 5. Особенности структурирования молекулярной ячейке живой клетки. внутриклеточной воды в При построении модели для решения этой задачи необходимо учитывать два существенных обстоятельства. Первое состоит в том, что внутриклеточная вода не является массивом однородной жидкости, также как поверхность биополимера не является однородно-гидрофильной. Второе обстоятельство вытекает из предыдущего квантовомеханического решения для системы биополимер - водная среда и состоит в том, что упорядочение водной среды живой системы происходит в условиях, когда в эту среду излучается когерентная энергия солитонов, формируемых биополимером. Это позволяет для описания кристаллизации воды в молекулярной ячейке живой клетки применять представления и законы нелинейной кристаллографии, из которых следует, что вода будет образовывать фрактальные кристаллы, закрепленные водородными связями на гидрофильных участках биополимера, поскольку для такой кристаллизации требуется внешняя энергия. 6. Миграция энергии: биополимерами. механизм небиохимической связи между Решение задачи о кристаллизации воды в молекулярной ячейке живой системы производится численно методами модульного дизайна. Сумма решений для движения и излучения энергии совместно с решением задачи о структурировании воды под действием излучаемой с биополимера энергии позволяет сформулировать окончательное определение молекулярной ячейки и перечислить ее основные свойства. Итак, молекулярная ячейка субстанциональное образование из двух или нескольких близлежащих на данном отрезке времени молекулярно-водных систем, коллективные процессы возбуждения в которых, связанные с поступлением, преобразованием, и излучением энергии, создают эффект небиохимического межмолекулярного взаимодействия, являющийся специфическим свойством живых систем. Что означает для живой системы этот эффект небиохимического межмолекулярного взаимодействия, а именно, излучения когерентной энергии одними биополимерами биополимерами и ее восприятия другими, возникающий в результате коллективных процессов в молекулярной ячейке? Из приведенных решений видно, что этим излучением поддерживается небиохимическая связь между биополимерами живой клетки, в результате чего их молекулярные конформации и химические взаимодействия становятся взаимно согласованными. Поскольку все биополимеры живой клетки образуют друг с другом молекулярные ячейки постоянно изменяющихся конфигураций, полученный эффект означает, что все эти биополимеры находятся в состоянии постоянного обмена энергией, осуществляемого путем ее излучения в "режиме разрядки" через фрактальные кристаллы воды, исполняющие в данном случае роль антенн, и восприятия через такие же антенны соседними биополимерами. Гибель живой системы и прекращение в ней энергетических процессов ведет к разрушению ее водной кристаллической среды и соответствующему прекращению межмолекулярного обмена энергией. Молекулярная ячейка, таким образом, является связующим звеном между мертвыми молекулами и живой клеткой, то есть новой единицей в иерархии биологической субстанции на Земле. Она проявляет основные свойства жизни, когда хотя бы к одному из составляющих ее биополимеров поступает внешняя энергия, и является неживой в отсутствие такой энергии. 7. Заключение. В заключении приводится ряд фундаментальных и прикладных выводов из изложенной теории.