Энергия в биологических системах

1.1. Примеры бифуркации в системах

Огромное количество молекул, атомов в природе обычно находится в объединениях-коллективах, которые принято называть системами. Так атмосфера Земли объединена в систему благодаря наличию в ней взаимодействующих гравитационных, температурных, электромагнитных полей.

Человек представляет собой систему атомов и молекул, в которой взаимодействуют все виды энергетических полей, известных сегодня науке: гравитационное, температурное, химическое, ядерное, электромагнитное и т.д.

Закономерности существования систем с разной степенью приближения к истинно природным явлениям устанавливаются учеными в виде разнообразных моделей и математических формул.

Представляют интерес две модели систем: закрытые (замкнутые, консервативные) и открытые. Закрытая система взаимодействует только сама с собой внутри себя, допуская интегративно-нулевое взаимодействие с другими системами. Открытая система взаимодействует с другими системами. Деление достаточно условно. Так, например, атмосферу Земли можно рассматривать в первом приближении как закрытую систему, так как силы её взаимодействия с энергетическими полями Земли значительно больше, чем силы взаимодействия с другими планетами, с отдельным человеком и т.д.

Одним из основных законов для модели закрытая система является второй закон термодинамики. Он констатирует, что замкнутая система имеет своим естественным равновесным состоянием - хаос, т.е. такое динамическое состояние равновесия, в котором энергия распределена в среднем поровну между частицами системы. Так, если брать за образец атмосферу Земли, то мы увидим, что химический состав её в естественном состоянии равномерен. В случае повышения концентрации какого-то химического элемента или температуры в данном локальном месте сразу же начинаются процессы, которые ведут к выравниванию.

Чисто замкнутых систем в природе нет, ибо любая система связана на различных энергетических уровнях с другими системами. Так атмосфера Земли: взаимодействует с различными видами космических излучений, которые пронизывают её, оставляют в ней энергию; не может выровнять концентрацию химических элементов и температуру по радиусу (по высоте) от Земли и т.д. Тот факт, что любая замкнутая система является условно замкнутой, позволяет снять многие парадоксы, возникшие в результате слепого постулирования второго начала термодинамики.

Все ли мы знаем о поведении огромного количества атомов и молекул? Казалось, с появлением законов термодинамики появилась такая наезженная колея в сознании, что ничего новенького, любое отклонение можем предсказать и рассчитать. Правда, есть облачко на горизонте, как это уже было в истории науки неоднократно и наиболее ярко - в конце XIX столетия. Наука считает, что огромное количество атомов и молекул располагается в пространстве хаотично в состоянии динамического равновесия. Только вот как снять парадокс: Естественным состоянием природы в замкнутой системе является – хаос. В таком случае откуда же берутся в ней симметричные объекты: кристаллы, люди” - это большой вопрос. Анализ [1] показывает,что с огромными

случаются казусы почище парадокса. Идет все по закону и хаос торжествует, а тут ба – бах - и катаклизма!

Пример? Пожалуйста, поближе к дому. Воздух в комнате. Идеальный пример торжества законов термодинамики. При температуре +20⁰С атомы и молекулы мечутся. Скорости достигают значений, показанных в предыдущем параграфе. Но давайте будем понижать температуру. Что-то с воздухом стало происходить. Он перестал быть прозрачным и вдруг – (это же ужас!) прямо из воздуха начали появляться объекты, которые мы сами видим своими глазами. Да поглядите внимательнее - они же симметричны. Это не хаос какой-то, это же элегантные снежинки с великолепной симметрией. Что произошло? Хаос родил симметрию! Да какую! Сам И. Кеплер не обошел вниманием такую красоту [2]. Оказывается, на температурной оси есть такое значение температуры, при котором хаос рождает два состояния: хаос и порядок. Начался процесс бифуркации , [ < bifurcus раздвоенный] [3].

Значение температуры в данном примере, вообще значение любого параметра, при достижении которого начинается процесс бифуркации, называют точка бифуркации.

Другой пример,- и тоже с воздухом. Давайте температуру будем увеличивать. Выйдем в теплое море - эдак куда- нибудь южнее Японии. Огромные зеркала воды, острова и солнце нещадно палит. Разогрев атмосферы происходит неравномерно. Какие-то участки поверхности, особенно неоднородные: мели, рифы, острова, поверхность воды – и отражают неодинаковое количество тепла. Молекулы воздуха, запасая энергию, начинают раскручиваться. Раскрутка захватывает целые воздушные зоны, наконец, масса воздуха срывается в закрутку. Возникает вихрь, который вобрал в себя избытки энергии Солнца. Вращение его происходит в огромном пространстве относительно холодного воздуха, окружающего вихрь. Возникло явление бифуркации в атмосфере.

А вот неожиданный ракурс локализации энергии. Просто кипарис и кипарис Ван Гога. Посмотрите, какие вихри нарисовал Ван Гог, и сколько тревоги и энергетической емкости добавилось на полотне!

Рассмотрим хорошо знакомую нам в обиходе воду. Её молекула - H₂O. Интересно ведет она себя при изменениях температуры:

·

. · · · ··

· · · · ·

· · · ·· hn

· ·· · ···

· ·

2 1 0 3 4

273 293 373 2000 5000 T,К

Рис. 2. Геометрическая форма упаковки H₂O

как функция температуры T

На температурной шкале возникает несколько замечательных точек (температурных зон), в которых происходит разделение среды - бифуркация. При повышении температуры за точкой 0 встречаем зону динамического равновесия 3, где молекулы начинают раскручиваться. Достаточно незначительных неоднородностей, как начинают возникать локальные вихри. В кручении вихрей принимает участие много молекул. В точке 4 приток энергии столь велик, что внутри каждой молекулы возникают сложные отношения между атомами. Химические связи с трудом удерживают атомы в химическом соединении. Атомы начинают ходить-колебаться друг относительно друга, будто они на пружинках. В этой температурной зоне возникает совершенно удивительное преобразование хаоса в порядок периодики: из молекул начинает рождаться электромагнитное излучение строго определенных частот. При понижении температуры за точкой 0изпара в зоне 1 образуется вода в известном нам жидком виде. Возникает бифуркационное явление ( из хаоса рождается порядок) - вода - жидкий кристалл с так называемым ближним порядком. При переходе через температурную точку 2 из достаточно подвижной, пластичной, текучей воды начинает выстраиваться кристаллическая структура с дальним порядком. Все атомы выстраиваются как солдаты на плацу во время парада. (Позвольте еще раз напомнить, что человек в основном состоит из воды.)

1.2. Кросс – катализ

Получается, что для природы характерно наличие точек бифуркации по определенным параметрам (мы рассмотрели только один параметр - температуру). Для природы характерно запасать энергию в определенном диапазоне температур в виде вращательного движения.

Для человеческого организма не чужд класс каталитических реакций - так называемый кросс-катализ (перекрестный катализ). Он играет существенную роль в метаболических* функциях (метаболизм от греч. metabole-перемена, превращение) [4]. Приведем пример такой реакции, описанной в [1]:

* Слово использовано в узком смысле – промежуточный обмен, т.е. превращение определенных веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов.

A X B

D

Y C

Рис. 3. Реакция перекрестного катализа

Идет удивительная реакция, характерная для работающего биологического объекта. По параметру концентрации в определенной химической среде возникает бифуркационное явление, в результате которого в среде возникает устойчивое кольцо локализации энергии - вихрь.

Из вещества Y получается X , а из X одновременно получается Y и процесс устойчив. Такой реакцией, например, может быть описана взаимосвязь между нуклеиновыми кислотами и протеином: нуклеиновые кислоты являются носителями информации, необходимой для синтеза протеинов, а протеины в свою очередь синтезируют нуклеиновые кислоты.

Позвольте! Но это же напоминает те явления, которые мы наблюдали на небиологических объектах природы. А может быть эта весточка одна из многих о том, что человека не следует вырывать из природы, как мы теперь говорим: из окружающей среды. Приятно сознавать, что человек - органичная часть (элемент) природы, который проявляет собой одну из её ипостасей.

В таком случае законы, которые мы открыли, изучая небиологическую природу, распространяются и на человека. Можно сказать так: человек представляет собой огромную систему атомов и молекул, в которой по определенным параметрам (температура, концентрация и т.д.) могут возникать точки бифуркации, различные формы локализации энергии в том числе и в виде устойчивых колец-вихрей.