CC BY
72
-►
Дискуссионные вопросы и гипотезы
УДК 577.23
Л.Н. Галль, Н.Р. Галль КОЛЛЕКТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ В БИОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМАХ
Понятие биоэнергетики в современной классической биофизике, как правило, относят к процессам, происходящим в наименьшем из известных живых организмах - в живой клетке. При этом под биоэнергетикой понимают процессы энергообеспечения организма за счет внешних энергетических ресурсов, в том числе и на молекулярном уровне. Адресация к клетке при таком подходе вполне оправдана, ибо клетка - это полноценный сложный организм, поддержание жизни которого достигается множеством сменяющих друг друга межмолекулярных биохимических взаимодействий. В этих процессах системы биомолекул, обеспечивающие жизненные функции клетки, взаимодействуя между собой, а также с малыми молекулами и ионами в межмолекулярной водной среде клетки, меняют свой состав, форму и положение в пространстве. Изучение межмолекулярных биохимических процессов лежит в основе современной теории функционирования клетки, а внутриклеточная водная среда, в которой происходит взаимодействие молекул, рассматривается для них только как жидкий растворитель.
Основу биохимической теории клетки составляет утверждение, что все функции клетки в ее общении с межклеточной средой полностью обеспечиваются свойствами клеточной мембраны, ее каналами и насосами, а молекулярные процессы, происходящие внутри клетки, запускаются и прекращаются специальными «сигнальными» белковыми молекулами, перемещающимися в жидкой водной среде от одного биополимера к другому и взаимодействующими с ними. Тем самым биофизические представления о живой клетке, по сути дела, подменяются биохимическими с типичными для биохимии взглядами на взаимоотношения молекул и растворителя.
Не менее ста лет в биофизике высказываются и другие представления о роли внутриклеточной воды в межмолекулярных процессах и биоэнергетике живой клетки. В современных работах Г. Линга [1], Дж. Поллака [2], а ранее - в работах Д.Н. Насонова [3], А.С. Трошина [4], А. Сент-Дьерди [5] и многих других ученых излагаются экспериментально обоснованные представления об упорядоченности внутриклеточной водной среды. Эта межмолекулярная водная среда (протоплазма) клетки, по их мнению, принимает непосредственное активное участие не только во всех внутриклеточных, но и в межклеточных процессах, и «свести концы с концами» в вопросах энергетики клетки можно только при учете ее роли. Более того, Г. Линг в книге [1] утверждает, что ошибочная трактовка функций клеточных органелл и протоплазмы клетки ведет биологию к неминуемому краху. Но «официальная» биология как бы вовсе не замечает этой точки зрения: она ее попросту игнорирует и в полемику по этому вопросу не вступает. Одновременно во всех учебниках по биологии и биофизике представлена только «биохимическая» теория клетки, и именно этим представлениям о функционировании живой клетки учат всех современных студентов-биологов и медиков во всем мире.
Почему же так происходит? Почему экспериментально подтвержденные представления о роли воды во внутриклеточных процессах не используются современной биофизикой? Чтобы ответить на эти вопросы, следует рассмотреть, на какой фундаментальной основе покоятся взгляды обоих направлений в биофизике.
Легко видеть, что современная биология, названная выше «официальной», полностью основана на представлениях о линейности процессов
в живой природе. Линейные представления, более трехсот лет главенствовавшие в естественных науках, глубоко проникли в корни экспериментальной биологии и определяют трактовки всех биологических экспериментов. Более того, линейность лежит не только в основе интерпретации, но и в самой постановке экспериментов, которые всегда задумываются и ставятся как измерение отклика биологической системы на контролируемый экспериментатором химический или физический действующий фактор. Но именно такие эксперименты, относящиеся к исследованию межмолекулярных взаимодействий свободных молекул в неупорядоченной жидкой водной среде (эксперименты «в пробирке»), составляют научную базу «биохимической» теории клетки. Их результаты просты для объяснений, легки для математических расчетов и не требуют глубоких познаний в области физики. Физической теории при этом отводится «удобная» второстепенная роль: «объяснять» полученные результаты, а не первостепенная - предсказывать их. И сами эксперименты такого рода, и их трактовки полностью укладываются в линейные представления, в связи с чем научная база «биохимической» теории производит впечатление надежной и обоснованной.
Совсем другая ситуация с теоретической базой у направления, неотъемлемой частью которого являются представления о структурированности внутриклеточной водной среды. Привлекая воду в качестве полноправного участника внутриклеточных процессов, представители этого направления неминуемо попадают в область нелинейных процессов, к которым относится взаимодействие воды и биополимеров. А в этом случае попытка обойтись без современной нелинейной физики становится именно тем основополагающим фактором, который не позволяет построить теорию, не содержащую внутренних противоречий.
Из вышесказанного следует, что первостепенным вопросом, который необходимо решить для создания непротиворечивой и энергетически обоснованной теории функционирования живой клетки, является вопрос о роли внутриклеточной воды, и, в частности о том, как именно эта вода структурируется. Но поскольку этот вопрос относится к области нелинейной физики, для ответа на него необходимо обратиться к одному из важнейших ее понятий - понятию о коллективных процессах.
Можно ли физическое понятие о коллективных процессах применять к биологической системе?
Как известно, коллективные процессы - это процессы возбуждения физической системы, в которые вовлечено одновременно большое число составляющих ее частиц, атомов и молекул, двигающихся согласованно. При теоретическом рассмотрении того, как участники коллективного процесса влияют друг на друга, всегда обнаруживаются совершенно новые свойства системы в целом. Весьма наглядно представление о коллективных процессах может использоваться, например, в физике плазмы или в физике твердого тела.
Действительно, при рассмотрении свойств твердых тел уже давно было показано, что кристалл нельзя описать только как сумму свойств составляющих его атомов. Квантовомеханичес-кое рассмотрение возбуждения кристаллической решетки как нелинейной колебательной системы образующих ее атомов и электронов показывает, что эти колебания являются коллективным процессом. «Коллективность» возбуждения кристаллической решетки проявляется в решении соответствующих нелинейных уравнений, описывающих систему в целом, в связи с чем для описания этих коллективных свойств привлекаются представления о «квазичастицах»: фононах, экситонах, плаз-монах, дырках и т. п. Без этих частиц как реально существующих не удается интерпретировать экспериментальные данные, и значимые процессы в металлах, полупроводниках и диэлектриках описываются теоретически корректно только тогда, когда мы учитываем присутствие в них квазичастиц. То же самое мы видим и в физике плазмы, где коллективные процессы отражают саму природу плазмы, ее главное свойство: появление нового типа взаимодействия заряженных частиц посредством дальнодействующих сил, т. е. через электрические и магнитные поля, создаваемые этим же коллективом частиц.
На наш взгляд, в биосистемах с присущим им взаимодействием большого числа индивидуальных степеней свободы, несомненно, должны присутствовать значимые коллективные эффекты, описание которых может быть построено на тех же принципах, что и системах неживых. Физика неживого мира уже давно не существует без учета коллективных процессов, в то время как живые системы с этих позиций до сих пор не рассматривались.
Это означает только то, что плодотворные представления нелинейной физики, по существу, еще не восприняты «науками о жизни» и продолжают ими игнорироваться. Действительно, если бы сейчас кому-либо вдруг захотелось начать разрабатывать «новую» теорию твердого тела и при этом не рассматривать его как единое целое, а разбить на элементарные составляющие, т. е. исходные атомы, то важнейшие свойства твердых тел выпали бы из такой теории: ведь из одних и тех же атомов можно создать и металл, и полупроводник, и диэлектрик. Такая теория была бы абсолютно неплодотворна, ее результаты перестали бы описывать экспериментальные данные, и она сразу была бы отвергнута! А вот в биофизике живую клетку изначально рассматривают лишь как совокупность множества элементарных независимых составляющих - молекул, между которыми происходят индивидуальные биохимические взаимодействия, и не удивительно, что при этом не возникает даже и вопроса о наличии в этой системе каких-либо свойств, присущих коллективным процессам. Следствием такого подхода является фактическое исключение из физиологии клетки вопроса о причинной связи между последовательностью внутриклеточных процессов и об их синхронизации. Безусловно, существует и объективная причина этой ситуации: все коллективные процессы, рассматриваемые до сих пор в физике, относятся к объектам неизмеримо более простым, чем живые клетки, а они многократно сложнее любой физической системы и по структуре, и по принципам внутриклеточных взаимодействий. Сложности добавляет и то обстоятельство, что в многоклеточном живом организме строение и функции различных клеток сильно отличаются друг от друга, а тем более - от организмов одноклеточных.
Следовательно, чтобы такая биологическая система, как живая клетка, стала доступной для нелинейной физики, т. е. для рассмотрения коллективных процессов, присущих ей как некоей сложной физической системе, клетка должна быть представлена в виде абстрактной физической модели, доступной для последующего изучения. Кроме того, чтобы результаты такого рассмотрения имели «биологический» смысл, физическая модель клетки должна быть адекватна живой клетке по характеру и последовательности происходящих в ней биохимических процессов.
Физическая модель живой клетки
Построение физической модели живой клетки -наиболее сложный вопрос, не решенный до настоящего времени в теоретической биологии. Любая клетка, как уже указывалось, есть многофункциональная специфичная живая система; клетки с различными физиологическими функциями составляют весьма значительное множество, и создание адекватной физической модели какой-либо конкретной клетки - не предмет данной работы. В ней будет рассмотрен лишь круг вопросов, относящихся к коллективным процессам. Более того, для решения поставленной задачи необходимо абстрагироваться не только от конкретной клетки вообще, но и от любых реальных межмолекулярных процессов в ней, и подойти к проблеме с точки зрения принятых в нелинейной физике представлений о «мягкой» физической модели. Такое абстрагирование сразу же приведет нас к требуемому решению путем утверждения, 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: о процессах в нелинейной молекулярной системе и о процессах между нелинейными молекулярными системами.
В качестве «мягкой» модели нелинейной молекулярной системы первого уровня, как биологически значимой, так и полностью неспецифичной, т. е. не имеющей никаких организменных функций, в статье [6] нами было предложено принять субстанциональную (материальную) систему, названную «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 (рис. 1).
Важным свойством молекулярной ячейки является то, что составляющие ее биополимеры могут в этот же промежуток времени вступать в любые химические взаимодействия с другими молекулами, т. е. абстрагирование к молекулярной ячейке не отменяет и не заменяет молекулярную динамику при исследовании межмолекулярных
>//л г ' ^
Рис. 1. Схематическое изображение молекулярной ячейки (неживая система): 1 - молекулярный каркас ячейки; 2 - межмолекулярная водная среда; 3, 4 - молекула и ион примеси; 5 - адсорбированные слои воды вблизи молекул и ионов
биохимических реакций в клетке. В то же время это абстрагирование позволяет перейти к изучению коллективных процессов в молекулярной ячейке, которые есть следствие нелинейных возбуждений в молекулярных цепях при движении по ним внешней энергии, и соответствующих нелинейных откликов водной среды, прилегающей к биополимерам. Как будет показано далее, указанные коллективные процессы характерны именно для живых систем и происходят одновременно с участием биополимеров в межмолекулярных биохимических реакциях и независимо от них. Движение энергии вызывает появление самосогласованных конформаций субстанциональной системы посредством дальнодействующих сил, т. е. через энергетические поля, создаваемые в результате этого движения. Термин «энергетические» поля означает, что в живой системе происходит постоянная трансформация энергии: механической в электромагнитную, тепловую, световую и наоборот. Благодаря появлению указанных конформаций, как будет показано далее, биополимеры и вода образуют единую систему, удерживаемую энергетическим полем в состоя-
нии относительного устойчивого неравновесия, и это состояние сохраняется так долго, как долго система потребляет внешнюю энергию. Но даже в таком, абстрагированном от реальной клетки и уменьшенном до молекулярной системы, виде эта сугубо нелинейная задача остается формализованной только в виде «мягкой модели», недоступной для аналитического исследования существующими математическими методами.
Главным приемом синергетического подхода к таким задачам является конструирование специальных «жестких моделей» [7], сохраняющих все принципиально важные особенности «мягкой модели», но упрощенные, как правило, за счет граничных условий до состояния, допускающего аналитические решения. Невероятной удачей для конструирования жесткой модели молекулярной ячейки можно считать появление в литературе теоретических работ, посвященных процессам, сопровождающим движение энергии по цепи биополимера. Объединение результатов этих работ можно использовать как решение для соответствующей «жесткой модели». Выводы, следующие из такого подхода, позволяют утверждать, что молекулярная ячейка является не просто удобной математической моделью или математическим приемом. Она описывает новый субстанциональный элемент в биологической иерархии, обладающий характерными признаками и живой, и неживой системы в зависимости от поступления (или непоступления) в него внешней энергии. Далее будет рассмотрено, каким образом передача энергии по цепям биополимеров формирует и согласует молекулярно-водные субстанциональные системы живого организма.
Рассмотрение нелинейных взаимодействий между молекулярными ячейками выступает задачей следующего уровня, в рамках которой возможно построение модели самоуправления межмолекулярными процессами в живой клетке. Идея этой «мягкой» модели основана на представлении, что все живые (и неживые) биологические системы на молекулярном уровне состоят из множества прилегающих друг к другу молекулярных ячеек, причем каждый биополимер является граничным не менее чем в двух молекулярных ячейках. Макромолекулы, образующие молекулярные ячейки в живых клетках, - это всевозможные биополимеры, участвующие в контактных биохимических реакциях в процессе жизнедеятельности клетки как полноценного живого организма. Дально-
действующее взаимодействие через водную среду между биополимерами в одной ячейке или между молекулярными ячейками влияет на последовательность межмолекулярных процессов в клетке, способствует их синхронизации и взаимной согласованности. И хотя очевидно, что, следуя определению, молекулярные ячейки как субстанциональные системы можно ввести не только для живых, но и для любых неживых биологических и химических систем, они будут принципиально отличаться структурой воды у поверхности биополимеров. Тем не менее, введение понятия молекулярной ячейки для биохимических систем в эксперименте позволяет по-новому рассмотреть проблему миграции энергии «дальних» бесконтактных взаимодействий молекул в растворе и объяснить особенности этой миграции для молекул в различных растворителях.
«Жесткая» физическая модель молекулярной ячейки
В основу такой модели, абстрагированной не только от клетки, но и от конкретных биополимеров, положены представления о молекулярно-водной субстанциональной системе, обладающей свойством принимать и преобразовывать внешнюю энергию. Согласно предлагаемой модели (рис. 2) биополимер представляет собой линейный полимер с шагом а, состоящий из цепочки слабо связанных мономеров с массой т, каждый из которых имеет дипольный момент, направленный вдоль цепочки. Водная среда, окружающая биополимер, рассматривается в модели как электретная, составленная молекулами воды, т. е. электрическими диполями с достаточно большими дипольными моментами. Для конкретизации энергетического процесса в качестве источника внешней энергии взята метаболическая реакция аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) с биополимером в его произвольной точке. Для такой жесткой модели с помощью обобщения работ [8] и [9] можно найти квантовомеханическое решение, которое бы описывало как движение энергии по цепи биополимера, так и ее излучение в окружающую биополимер водную среду.
Как было показано А.С. Давыдовым [8], задача движения энергии по молекулярной цепи одномерного полимера, в которой учтены все особенности внутренних взаимодействий в этой цепи, имеет единственное решение, представляющее
собой солитон, выражение для которого имеет вид:
ФД, ^ = (^72>сЬ^),
где Q = таОНИ2 = та%2/2кЬ2(1 - s2), параметр нелинейности О =%2/к(1 - s2), к - продольная упругость молекулярной цепи, % - параметр связи внутримолекулярных возбуждений с продольным смещением массы т, а величина 5 = У/Уа есть отношение скорости V распространения возбуждения (солитона) к скорости продольного звука V.
Профиль волны ФД, 0, описывающей солитон, в процессе распространения волны не меняется:
ЭФ /д( = -^Ф /Эх,
сс
т. е. ФД, 0 - стационарная волна. Это возбуждение характеризуют устойчивую ветвь решений уравнения Шредингера (52 < 1). Колебательные
А
<
АТФ <
▼
Рис. 2. «Жесткая» модель молекулярной ячейки живой системы. Вблизи биополимеров вода структурирована в виде фрактальных кристаллов
солитоны служат переносчиками дальнодей-ствующей энергии вдоль молекулярных цепочек в (1 + 1)-мерном случае. С учетом того, что энергия в молекулярную цепь поступает в результате химической метаболической реакции, данное решение показывает, что молекулярная цепь преобразует энергию низкого качества - некогерентную, растянутую во времени, в солитон - когерентную энергию высокого качества, способную приводить к механической работе. Такая интерпретация результата, полученного А. С. Давыдовым для описания движения энергии в молекулярных системах, весьма близка к мнению Э. Шредингера, высказанного им в известной книге «Что такое жизнь с точки зрения современной физики»: «то, чем кормится организм - это отрицательная энтропия». Действительно, повышение качества энергии вполне можно интерпретировать как уменьшение энтропии, и такая возможность свойственна только живым биологическим системам.
В работе [9] было показано, что результат А.С. Давыдова можно получить и по-другому, независимо от конкретных допущений о колебательном (фононном) механизме нелинейности. Все рассмотрение в статье [9] сразу же ведется с позиций квантовой теории поля, и солитоны рассматриваются как Бозе-конденсация эксито-нов, причем солитон ФД, ?) рассматривается как следствие нелинейного самосвязывания экситон-ного поля Гейзенберга у(^, ?). Нелинейное происхождение солитонного решения проявляется в его исчезновении, когда параметр нелинейности О обращается в нуль. При этом хорошо видна связь между решениями, полученными в работах [8] и [9]: поле внутримолекулярного возбуждения с внутренним взаимодействием у может вызывать конформационные изменения в молекулярной цепочке, которые как раз и описываются фононным полем, и в статье [9] показана возможность получения такого фононного уравнения для деформации молекулярной цепочки, распространяющейся со скоростью солитона V. В этом случае теория сама приводит нас к полю деформаций (фононно-му), локализованному вокруг солитонного центра и распространяющемуся с солитонной скоростью, поскольку фонон и колебательное возбуждение принадлежат к одной динамической самодостаточной категории: продольная звуковая волна вызывается локализованным колебательным возбуждением и одновременно действует как потенциальная яма для него. Важнейшим при этом яв-
ляется вывод, что солитон можно рассматривать как реакцию одномерной цепочки на любое внешнее, даже слабо локализованное, возмущение, связанное с любым некогерентным поступлением энергии, и эта реакция состоит в преобразовании поступившей энергии в когерентную форму посредством локализованной Бозе-конденсации эк-ситонов (или, если кто предпочитает, фононов), которая фактически представляет собой солитон Давыдова.
Переход к использованию симметрии позволяет в рамках единого подхода квантовой теории поля рассмотреть более сложную, чем в монографии [8], ситуацию: линейный полимер, помещенный в поляризуемую среду (для данной биологической задачи - в воду). В этом случае (1 + 1)-мерная вращательная симметрия полимера, задающего предпочтительное направление в основном состоянии, нарушается при взаимодействии солитона с (3 + 1)-мерным окружающим электретом. Как следует из теоремы Голдстоуна [10], спонтанное нарушение симметрии вызывает появление лишенных массы бозонов (бозонов Голдстоуна), которые играют роль носителей даль-нодействующей корреляции между составляющими элементами системы, т. е. между полимером и электретом. Эти бозоны Голдстоуна представляют собой коллективные колебания, которые для поляризуемой среды (электрета) можно описать с помощью когерентных волн Фрёлиха [11].
Для описанной системы в работе [9] было показано, что если разрушение симметрии рассматривается как результат поляризации электрета (воды), то эта динамика сама создает моды Голд-стоуна, которые представляют собой связанные состояния поля у(х). Эти связанные состояния у-полей включают в себя солитонное поле Фс(х) и бозонное поле Р(х) с нулевой щелью. Таким образом, теорема Голдстоуна позволяет получить на границе изменения порядка общее решение Р(х) = Фс(х) для среды и для полимера, существование которого определяет возможность излучения энергии солитона в среду. Очевидно, что когда решение Р(х) имеет одну и ту же частоту в двух конечных соприкасающихся системах, энергетические волны могут распространяться через границу без всяких затрат, поскольку выражение
в обеих системах - полимере и окружающей его воде - представляет собой инвариантное преобра-
зование [9]. Рассмотренная модель может также трактоваться как осцилляция между двумя различными коллективными режимами, один из которых характеризуется локализованной конденсацией (солитон Давыдова), а другой - однородной конденсацией. Оба режима управляются одним и тем же механизмом Бозе-конденсации, хотя и в разных формах из-за разной геометрической конфигурации.
Анализ и интерпретация этого решения позволяют считать его энергетическими элементами общего решения для рассматриваемой жесткой модели молекулярной ячейки. В соответствии с терминологией статьи [9] эти элементы в дальнейшем будем именовать следующим образом: первый - режимом энергетической зарядки, а второй - режимом 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. (Напомним, что любое внешнее, даже слабо локализованное возмущение молекулярной цепи, связанное с любым некогерентным поступлением энергии, также преобразуется этой цепью в солитон).
Режим разрядки - это рассеяние энергии в двумерной среде, когда поступающий извне поток энергии проходит через эту среду и вызывает внутри нее упорядочение. При этом предполагается, что окружающая полимер среда (вода) имеет высокий уровень организации, т. е. вода структурирована. Однако никаких более конкретных предположений о характере структурированности воды из работы [9] не следует, а это означает, что третьим элементом решения для жесткой модели молекулярной ячейки должно быть решение задачи о структуре воды, окружающей биополимер.
Особенности структурирования
внутриклеточной воды в молекулярной ячейке живой клетки
При построении модели для решения этой задачи необходимо учитывать два существенных обстоятельства. Первое состоит в том, что внутриклеточная вода не представляет собой массива однородной жидкости, так же как поверхность биополимера не является однородно-гидрофильной. Второе обстоятельство вытекает из предыдущего квантовомеханического решения для си-
стемы 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. При этом, как следует из представлений и законов нелинейной кристаллографии [12, 13], вода образует фрактальные кристаллы, закрепленные водородными связями на гидрофильных участках биополимера.
Как показано в статье [12], при кристаллизации воды в обозначенных выше условиях вместо принципа «минимума свободной энергии», определяющего ход классической кристаллизации из объема, реализуется принцип полной связанности структур, соответствующий более общему условию их стабилизации, по сравнению с критерием энергетическим. Реализация полной связанности при самоорганизации (кристаллизации) структур связанной воды, между молекулами которой имеются только слабые водородные связи, возможна лишь в том случае, если оси образующегося кристаллического модуля являются криволинейными. Однако вызываемое этим увеличение длины связей возможно только при затрате внешней энергии Е, обеспечивающей поддержание возникших упругих напряжений (ДЕ > 0). В биологических системах, с биополимерами которых вода образует очень слабые водородные связи, динамика роста структур связанной воды на гидрофильных «выступах» структуры биополимера состоит в последовательном присоединении димеров воды. Основным элементом структуры воды является спираль 30/11, и фрактальные стабильные конструкции в живых биологических системах образуются различным сочетанием этих спиралей в условиях постоянной подпитки этого процесса энергией «разрядки» солитонов. За счет энергии разрядки и в результате последовательного присоединения димеров воды происходит ветвление самоорганизующихся структур связанной воды, причем формы кристаллических фракталов, которые создаются из последовательных димеров воды, - нелинейны (спирали из стержней, скрученные ленты и т. п.), и эти фракталы находятся в состоянии «относительного устойчивого неравновесия» [13], сохраняя свою структуру и форму значительное время. Однако модульные структуры воды не просто нелинейны, они к тому же необычайно разнообразны: хотя и образованные одним типом модулей, они собраны по разным алгоритмам сплетений групп. Слабые связи, объединяющие
части такого фрактального кристалла, позволяют ему реагировать на внешние воздействия, не изменяя существенно строения частей системы. Кроме того, из-за этих слабых связей при сборке фрактального кристалла происходит изменение строения уже сложившихся уровней под влиянием вновь возникающих. На каждом уровне иерархического соединения модулей могут возникнуть новые возможные варианты сплетений групп, определяющих их строение и свойства, которых не было в исходных частях системы. Далее эти фрактальные структуры становятся основой при росте последующих уровней и, таким образом, создаются новые возможности для их дальнейшей эволюции.
В связи с тем, что фрактальные кристаллы воды имеют увеличенную длину связей по сравнению со льдом 1Н, образующемся при кристаллизации из массива воды, они являются энергонапряженными, и их рост, как уже указывалось, возможен только в том случае, если у системы имеется «лишняя» энергия, необходимая и для роста, и последующего поддержания энергонапряженного состояния. Как уже отмечалось, у живой системы такая энергия не только имеется, но она в режиме «разрядки» постоянно излучается из биополимера в окружающую его водную среду. Тем самым выполняется основное условие создания высокоорганизованной водной среды вокруг биополимеров живой системы и ее длительного существования, и реализуется третий -субстанциональный элемент молекулярной ячейки. Если использовать соответствующие потенциалы, то можно рассчитать зависимость «запасенной» упругой энергии в структурах воды от числа образующих их молекул [13]. Фрактальная природа структур связанной воды предохраняет их от фазового перехода в кристаллическую структуру классического льда 1Н при сильных охлаждениях (на морозе). Более того, при частичном или полном разрушении фрактальных структур воды энергия, затраченная на их образование, будет высвобождаться. Фрактальные кристаллы, которые связаны с гидрофильными поверхностями биополимеров, при контакте с «жидкой» частью воды молекулярной ячейки используют ее как строительный материал для своего роста или переходят в нее при разрушении в том случае, когда от биополимера перестает поступать энергия, необходимая для поддержания их фрактальной структуры.
Молекулярная ячейка - основные результаты
Сумма решений, полученных в предыдущих разделах при рассмотрении коллективных эффектов в жесткой модели молекулярной системы живой клетки - молекулярной ячейке, позволяет сформулировать ее окончательное определение и перечислить ее основные свойства. Молекулярная ячейка - это субстанциональное образование из двух или нескольких близлежащих на данном отрезке времени молекулярно-водных систем; коллективные процессы возбуждения в этих системах, связанные с поступлением, преобразованием и излучением энергии, создают эффект небиохимического межмолекулярного взаимодействия - специфического свойства живых систем.
Что же означает для живой системы этот новый эффект небиохимического межмолекулярного взаимодействия, а именно излучения и восприятия когерентной энергии, возникающий в результате коллективных процессов в молекулярной ячейке? 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 (антенны) и восприятия через такие же антенны соседними биополимерами. Действительно, в молекулярной ячейке энергией, определяющей как состояние биополимера, так и поддержание окружающей его водной среды, служит энергия солитона, движущегося по цепи биополимера. Эта энергия в первую очередь расходуется на химическое взаимодействие биополимера с другими молекулами, его механические конформации и перемещение в пространстве. Излишек энергии имеет возможность излучаться к другим полимерам молекулярной ячейки, поскольку на поддержание фрактальной кристаллической структуры воды (а в живой системе эта структура воды сформирована всегда!) необходима лишь незначительная доля энергии. Этим излучением поддерживается небиохимическая связь между биополимерами живой клетки, и их молекулярные конформации становятся взаимно согласованными. Гибель живой системы и прекращение в ней энергетических процессов ведет к разрушению ее водной кристаллической среды и соответствующему прекращению межмолеку-
лярного обмена энергией. Молекулярная ячейка, таким образом, выступает как новая единица в иерархии биологической субстанции на Земле, связующим звеном между мертвыми молекулами и живой клеткой. Ее выявление и определение ее свойств позволяет по-новому представить иерархию биологической субстанции на Земле (см. таблицу).
Иерархия биологической субстанции на Земле
Ступень (сверху вниз) Организация или свойство
Многоклеточный организм Жизнь + организменная организация + поликлеточная организация
Живая клетка Жизнь + организменная организация
Молекулярная ячейка Проявляет основные свойства жизни при поступлении энергии
Молекула Неживой элемент, косная материя
Данная таблица подчеркивает основное свойство молекулярной ячейки: она может принадлежать как к живой, так и к неживой материи. Эта ячейка проявляет основные свойства жизни, когда хотя бы к одному из составляющих ее биополимеров поступает внешняя энергия, и является неживой при отсутствии такой энергии.
Спиновое эхо - физический эффект сложения последовательности импульсных сигналов
Основной сложностью в интерпретации энергетики живой клетки следует считать небольшую величину энергии одиночного солитона, которая при гидролизе даже всех трех фосфатных групп АТФ составляет немногим более 0,5 эВ. Этой энергии явно недостаточно для большинства химических реакций, в которые вступает биополимер, особенно если они сопряжены с необходимостью его механического перемещения. В связи с этим необходимо рассмотреть вопрос о возможном механизме, приводящем к преобразованию множества слабых (низкоэнергетических) импульсов в импульсы, энергетически значимые.
В качестве одного из возможных механизмов усиления энергетических сигналов в живой системе рассмотрим механизм, подобный физическому эффекту «спинового эха». Правомочность распро-
странения спинового эха на биологические системы уже рассматривалась в работе [14], и поэтому здесь достаточно лишь кратко повторить основные доводы из этой статьи.
Как известно, эффект спинового эха состоит в формировании анизотропной магнитной средой, находящейся во внешнем магнитном поле, нового электромагнитного импульса из последовательности двух и более импульсов, поступающих в эту среду (параметрическое эхо), или в формировании такого импульса в результате возмущения самой среды внешним электромагнитным, акустическим или иным физическим полем (ангармоническое эхо). Как было показано в работе [15] для твердого анизотропного магнетика, в обоих процессах имеется конечная вероятность появления импульсного сигнала эха, превышающего по амплитуде исходные сигналы.
Можно ли теоретические представления спинового эха распространить на живые биологические системы? Этот вопрос еще не рассматривался теоретически и потому ответить на него пока можно лишь путем аналогии.
Из модели молекулярной ячейки следует, что анизотропная среда фрактальных кристаллов воды, обладающих упорядоченными спиновыми моментами, вполне соответствует требованиям, предъявляемым к среде, способной создавать параметрический или ангармонический эхо-сигнал в ответ на серию импульсных или полевых внешних воздействий. В качестве постоянного магнитного поля может выступать магнитное поле Земли. В качестве воздействий, побуждающих к возникновению сигнала эха, могут выступать импульсные сигналы различного происхождения и внешние физические поля. Безусловно, для доказательства реальности указанного механизма должно быть получено решение «жесткого» варианта такой модели, и его получение - это лишь дело времени.
Считая, что механизм усиления слабых импульсных или полевых сигналов существует, рассмотрим с этой точки зрения взаимодействие молекулярных ячеек в клетке и их реакцию на внешние физические поля.
Прежде всего, множество актов передачи химической энергии от АТФ к биополимеру, сопровождающихся немедленным преобразованием качества переданной энергии и формированием солитонов (заметим при этом, что в данной модели точка взаимодействия АТФ с биополимером
не имеет значения) может сопровождаться процессами сложения амплитуд солитонов и образованием импульсов с энергией, достаточной для обеспечения химических реакций даже с очень большими потенциальными барьерами, а также и механических затрат энергии биополимера. Если в текущее время данный биополимер не участвует в химическом взаимодействии и не совершает механических действий, требующих энергетических затрат, он переизлучает практически всю полученную им химическую метаболическую энергию ближайшим к нему биополимерам, побуждая их к химическим и (или) механическим событиям. Тем самым поддерживается связь между биополимерами в молекулярной ячейке и между молекулярными ячейками в живой клетке, и их конфор-мации и химические взаимодействия становятся взаимно согласованными. Именно таким образом дальнее взаимодействие между молекулярными ячейками влияет на определение последовательности межмолекулярных процессов в клетке, способствует их синхронизации и взаимной согласованности.
Из представленных в данной статье соображений следует ряд важных выводов, имеющих как фундаментальное, так и прикладное значение.
1. На молекулярном уровне процессу жизни соответствуют энергетические процессы, состоящие в преобразовании биополимерами химической энергии в энергию более высокого уровня и поддержании (за счет этой энергии) системы биомолекула - вода в состоянии относительного устойчивого неравновесия, сохраняющегося так долго, как долго система потребляет внешнюю энергию. При этом основным механизмом межмолекулярной связи для биополимеров, не находящихся в прямом химическом контакте, является излучение и прием энергетических импульсов от близлежащих молекулярно-водных систем, образующих, таким образом, субстанциональное образование - молекулярную ячейку. Коллективные процессы возбуждения в молекулярной ячейке, связанные с поступлением, преобразованием и излучением энергии, есть специфическое свойс-
тво живых систем, отличающее их от систем неживых.
2. Молекулярные ячейки, составляющие живые клетки, не «самостоятельные» системы в том смысле, что они «сами себя не кормят», но нуждаются в непрерывной энергетической подпитке из внешней среды. Для этой подпитки молекулярных ячеек служит сам организм (клетка), и как только он перестает исполнять свои функции - снабжать энергией свои молекулярные ячейки, - они перестают функционировать, разрушаются их фрактальные антенны, и организм умирает.
3. Из приведенной модели также следует вывод о неприхотливости молекулярной ячейки в энергетической «пище». Всю поступающую химическую метаболическую энергию биополимеры молекулярной ячейки перерабатывают в энергию высшего качества - солитон, но в солитон также преобразуется любое внешнее, даже слабо локализованное, возмущение молекулярной цепи, связанное с любым некогерентным поступлением энергии. Взаимный обмен электромагнитной энергией между биополимерами молекулярной ячейки означает, что в качестве «подпитки» биополимеры готовы принимать не только химическую, но и внешнюю электромагнитную энергию (в широком диапазоне частот), а, возможно, даже и акустическую. Отсюда непосредственно следует фундаментальный вывод о том, что формы жизни, к которым мы привыкли на Земле и которые используют именно химическую энергию (пищу), приводящую к обязательному движению вещества через живую систему, не являются единственно возможными, а значит возможна жизнь, использующая для своего поддержания электромагнитную, гравитационную или другие формы энергии физических полей.
Прикладных же выводов может быть сделано много. К основным из них, по-видимому, можно отнести возможность управлять клеткой с помощью направленных сигналов физической природы. В конечном итоге это позволит создать новую медицину - безлекарственную медицину здоровья и, возможно, безлекарственно решить не только проблему онкологии, но и многих других системных заболеваний организма.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Линг, Г. Физическая теория живой клетки: незамеченная революция [Текст] / Г. Линг-СПб.: Наука, 2008. - 376 с.
2. Поллак, Дж. Клетки, гели и двигатели жизни [Текст] / Дж. Поллак. - М.: Мир, 2007.
3. Насонов, Д.Н. Местная реакция протоплазмы и распространяющееся возбуждение [Текст] / Д.Н. Насонов. - М., Л. : Изд-во АН СССР, 1962. - 426 с.
4. Трошин, А.С. Проблема клеточной проницаемости [ Текст] / А. С. Трошин. - М., Л. : Изд-во АН СССР, 1956. - 474 с.
5. Сент-Дьерди, А. Биоэнергетика [Текст] / А. Сент-Дьерди. - М.: ОГИЗ, Госиздат мат.-физ. лит-ры, 1960.
6. Галль, Л.Н. Новый подход к проблеме биоэнергетики - новые методы исследований в науках о жизни [Текст] / Л.Н. Галль, Н.Р. Галь // Научное приборостроение. - 2008. - Т. 18. - № 2. -С.52-60.
7. Трубецков, Д.И. Введение в синергетику. Хаос и структуры [Текст] / Д.И. Трубецков. - М.: Едиториал УРСС, 2004. - 240 с.
8. Давыдов, А.С. Солитоны в молекулярных системах [Текст] / А.С. Давыдов. - Киев: Наукова думка, 1988. - 304 с.
9. Del Guidice, E. An approach to collective behavior of biological systems based on quantum field theory [Text] / E. Del Guidice, S. Doglia, M. Milani
[et al.] // Nucl. Phys. - 1985. - Vol. B251-[FS 13] -P. 375-400.
10. Гриб, А.А. Проблема инвариантности в квантовой теории поля [Текст] / А.А. Гриб. - М.: Наука, 1978. - 274 с.
11. Fröhlich, H. Advances in Electronics and Electron Physics [Text] / H. Fröhlich; ed. L. Morton // Advances in Electronics and Electron Physics. -1980. -Vol. 53. - P. 858.
12. Бульенков, Н.А. О возможной роли гидратации как ведущего интеграционного фактора в организации биосистем на различных уровнях иерархии [Текст] / Н.А. Бульенков // Биофизика. - 1991. - Т. 36. - № 2. - С. 181-243.
13. Лобышев, В.И. Роль модульного дизайна в изучении процессов системной самоорганизации [Текст] / В.И. Лобышев, А.Б. Соловей, Н.А. Бульенков // Биофизика. - 2003. - Т. 48. -№ 6. - С. 1011-1017.
14. Галль, Л.Н. Механизм межмолекулярной передачи энергии и восприятия сверхслабых воздействий химическими и биологическими системами [Текст] / Л.Н. Галль, Н.Р. Галь // Биофизика. - 2009. - Т. 54. - № 3. - С. 563-574.
15. Плешаков, И.В. Об эффекте усиления при возбуждении и регистрации параметрических эхо-сигналов [Текст] / И.В. Плешаков, Я. А. Фофанов // Научное приборостроение. - 2007. - Т. 17. - № 2. -С.35-38.
