Упорядоченность биоструктур. 
Естествознание

В биологии считается, что все биологические структуры, из которых строятся живые организмы, начиная от макромолекул до человека, упорядочены. Проверить степень упорядоченности той или иной системы можно, измерив ее энтропию.

Организм человека состоит примерно из 10¹³ клеток. Можно предположить, что каждая клетка имеет свое собственное место в организме, и если ее переместить в другое место, то это может привести к изменению в функционировании системы. Если взять за единицу изменения энтропии ее изменение при переходе 1 г воды из жидкого состояния в газообразное, тогда изменение энтропии при «сборке» организма человека из хаотического набора клеток будет эквивалентно изменению энтропии при испарении 10^-9 г воды.

Создание биополимеров — белков, нуклеиновых кислот и др. — из хаотического набора молекул, с учетом что таких биополимеров в одной клетке порядка 10⁸ штук, понижает энтропию; в наших единицах это соответствует 6 • 10^-2 г воды.

В организме взрослого человека содержится около 7 кг белков и около 150 г молекул ДНК. Если учесть все процессы упорядочивания в организме человека, то это соответствует изменению энтропии в наших единицах 301,5 г воды. И главный вклад дает упорядочивание аминокислотных остатков в белках.

С помощью физико-химического подхода можно найти степень упорядочения в живых системах, но остается непроясненным вопрос смысла высокой упорядоченности живого. Интуитивно чувствуется, что биоструктуры обладают особой упорядоченностью, измерять которую в энтропийных единицах, конечно, можно, но многого для понимания особенностей живой материи при этом не стоит ожидать.

В основе ощущения особой упорядоченности биологических структур лежит то обстоятельство, что она имеет смысл. Так, на вопрос: «Почему кристалл поваренной соли имеет такую, а не другую структуру?» — ответ будет прост: расчеты с использованием законов физики показывают, что такая структура соответствует минимуму свободной энергии системы, т. е. она (структура) наиболее стабильна. А вопрос: «Для чего нужна такая структура соли?» — бессмыслен. А вот вопрос: «Для чего молекула гаммаглобулина построена так, а не иначе?» — имеет ответ: для осуществления функции иммунной защиты и предотвращения гибели организма.

Попробуем разобраться в том, что такое «смысл» биологической упорядоченности и какими свойствами должны обладать системы, упорядоченность которых имеет смысл. Впервые четко поставил эти вопросы и попытался на них ответить английский биолог Г. Кастлер^[1]. Он приводит такой пример. Пусть имеется сейф с цифровым замком. Мы случайно выбрали последовательность цифр для кодирования замка. До этого любые последовательности цифр ничем друг от друга не отличались. Все они не имели смысла.

Введение

нашей последовательности цифр в замок сейфа сделало осмысленной именно эту последовательность, так как именно она открывает сейф.

Вот эта осмысленность и создает представление о высокой упорядоченности биологических объектов.

Силовое и параметрическое переключение.

Биологические системы характеризуются важной особенностью — способностью переключаться в разные режимы функционирования. Например, переход от сна в бодрствование и обратно — это включение разных типов метаболизма; переход ряда насекомых из гусеницы в куколку и далее в бабочку. Это примеры переключения из одного устойчивого состояния в другое. Подобно выключателю. Когда он в одном состоянии — свет горит, в другом — свет выключен. Перевод системы из одного устойчивого состояния в другое можно осуществить двумя способами: силовым и параметрическим.

Пусть система имеет два устойчивых стационарных состояния А и В. Изначально она находится в состоянии Л, из которого ее не могут вывести малые возмущения. Но если увеличивать возмущение, то рано или поздно система покинет состояние А и перейдет в состояние В. Это есть силовое переключение.

При параметрическом переключении воздействуют непосредственно на параметры системы, например, изменяют скорость, с которой поступает субстрат, температуру системы и т. д.

Изменение этих параметров меняет условия устойчивости первого состояния до такого уровня, что оно становится неустойчивым, и система со временем попадет в область притяжения второго, и теперь единственного, устойчивого состояния. Возврат системы в первое устойчивое состояния либо возможен, либо нет. Соответственно, могут быть обратимые либо необратимые переключения.

Параметрическим способом происходит переключение изменений любой генетической программы.

• [1] Каспиер Г. Возникновение биологической организации. М.: Мир, 1967.