Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

ГЛАВА I. СВЯЗЬ БИОЛОГИИ И ФИЗИКИ

§ 1. Отличие живых организмов от неживой природы

Широкое внедрение физических методов исследования в биологию позволило Изучать биологические явления на молекулярном уровне. Блестящими работами биохимиков, физиологов, биофизиков и кристаллографов установлены молекулярные структуры ряда важнейших биологических объектов. Например, выяснена структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — основного носителя наследственной информации, структура молекул миоглобина, запасающих кислород в мышцах животных, структура молекул гемоглобина, входящих в состав красных кровяных телец и переносящих кислород из легких к тканям, строение поперечнополосатых мышц и белковых молекул, входящих в их состав, структура некоторых ферментов, витаминов и ряда других важных биологических молекул.

Новые экспериментальные данные, полученные при исследовании биологических процессов на молекулярном уровне, поставили на повестку дня вопрос об их интерпретации. Поскольку все живые организмы построены из молекул и атомов, выяснение на молекулярном уровне механизма биопроцессов возможно только с помощью квантовой теории, успешно описывающей движение электронов и ядер, из которых состоят молекулы и атомы.

Тесная связь биологии и физики проявилась уже на ранних этапах развития естествознания. Однако наряду с материалистическим пониманием связи между физикой и биологией долгое время существовала глубоко ошибочная, антинаучная точка зрения, получившая название «витализм». Виталисты утверждали, что живое якобы отделено от неживого непроходимой пропастью и подчинено не природным закономерностям, а «жизненной силе» и поэтому непостижимо для человека.

Представления виталистов давно отвергнуты наукой. В настоящее время никто не сомневается в том, что жизнь есть особое

проявление физических и химических процессов, протекающих в сложных молекулярных системах, взаимодействующих с другими системами путем обмена энергией и веществом. Однако и сейчас некоторые ученые придерживаются мнения, что сложность биологических систем исключает возможность их истолкования на молекулярном уровне.

Следует, конечно, иметь в виду, что биологические объекты обладают рядом весьма своеобразных особенностей, отличающих их от тел неживой природы. К этим особенностям прежде всего относится самовоспроизводство и адаптация к изменяющимся внешним условиям, тончайшая регуляция и самосогласованис всех биологических процессов, происходящих в живых системах и обеспечивающих их жизнедеятельность.

Молекулы, входящие в состав живых организмов, необычайно велики, многообразны и сложны. Самыми сложными и разнообразными из всех молекул, входящих в состав клеток, являются белковые молекулы. Их молекулярные массы варьируют от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов.

Величайшее разнообразие биологических организмов не означает чрезвычайного многообразия химических единиц, из которых они построены. Это разнообразие определяется многочисленными комбинациями одних и тех же соединений и атомных групп. Например, все белки состоят в основном из 20 остатков аминокислот. Молекулы ДНК строятся из четырех типов нуклеотидов.

При изучении тел неживой природы было установлено, что по мере усложнения атомных систем появляются новые качества. Понятия температуры, энтропии, звуковых волн и других элементарных коллективных возбуждений применимы к системе атомов и молекул, но неприменимы к одному атому.

Не может быть сомнения в том, что все своеобразие живых организмов, отличающее их от тел неживой природы, возникает в результате особой организации сложных молекулярных систем, в основе которых лежат те же элементарные законы, которые определяют свойства атомов и молекул и построенных из них тел неживой природы.

Рост, развитие и воспроизведение живых организмов связаны с разнообразными химическими реакциями. В их изучение значительный вклад внесла биохимия. Однако в биохимии главное внимание уделялось исследованию взаимодействия между атомами при непосредственном их соприкосновении. Как писал в 1957 г. лауреат Нобелевской премии Сент-Дьердьи [561, биохимия «все еще продолжает быть наукой Лукреция или Эпикура: буква — черта — буква». Биологические явления обусловлены более тонкими, слабыми, короткодействующими и дальнодействующими силами (см. § 6). Они могут быть описаны только на языке квантовой

механики, созданной в тридцатых и сороковых годах этого столетия на основе обобщения большого числа экспериментальных данных о свойствах атомов и молекул, их взаимодействий между собой и с электромагнитным полем.

В настоящее время никто не отрицает применимость законов фиэики и химии к исследованию биологических явлений. Подавляющее большинство ученых согласны с тем, что все разнообразные проявления жизни в конечном счете можно объяснить на основании тех же физических и химических законов, которым подчиняются неживые системы. Однако некоторые придерживаются мнения, что требуется развитие новой, еще не созданной физики.

Конечно, квантовая физика не является застывшей наукой, она непрерывно развивается. Совершенствуются математические методы описания сложных молекулярных систем. Большую роль при этом играют исследования, основанные на использовании современных электронных счетных машин.

Основная и а дача теоретической биофизики в настоящее время состоит в теоретическом исследовании специфических особенностей, определяющих строение и свойства биологических молекул и простейших надмолекулярных структур. Успешному решению этих вопросов могут содействовать большие достижения в области экспериментальных исследований биологических явлений и теоретических исследований в области молекулярной физики и физики твердого тела.

Теоретическая биофизика должна учитывать существенное отличие биологических объектов от тел неживой природы. Все биологические объекты являются открытыми системами. Их жизнедеятельность возможна только при обмене с окружающей средой энергией и веществом. Основные процессы в живых организмах происходят при непременной затрате энергии. Эта эпергия поставляется продуктами питания.

Если построение белков из аминокислот в клетках живых организмов требует затраты энергии, то их распад в водной среде клетки может происходить самопроизвольно с выделением энергии. По некоторым данным, период полураспада белков сердечной мышцы равен примерно 30 дням. Организм должен непрерывно заменять распадающиеся белковые молекулы новыми. Таким образом, все белки и, следовательно, все живые организмы находятся, как говорят физики, в метастабильном (неустойчивом) состоянии. Жизнь возможна только потому, что переход от такого неустойчивого состояния к устойчивому, соответствующему полному термодинамическому равновесию, требует очень большого времени.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление