Биологические ритмы как способ существования живой материи (стр. 2 из 3)

На рис.3 приведен пример упрощенного графика циклов синтеза-расщепления АТФ.

Рис.3. Упрощенный график синтеза-расщепления АТФ.

U - количество АТФ в клетке; I – процесс синтеза; П – процесс расщепления.

Как видно из графика на рис.3, изображенные на нем процессы синтеза АТФ (кривая I), и расщепления АТФ (кривая II) по своей форме близки к экспонентам.

Верхние и нижние границы концентрации биохимических веществ Umax и Umin определяются соответствующими положительной и отрицательной обратными связями, имеющимися в живых системах.

Скорость протекания биохимических реакций регулируется соответствующими биохимическими катализаторами, ускоряющими эти реакции, и ингибиторами, замедляющими их, как это видно из рис.4, где представлен пример схемы работы механизма регуляции ферментативных реакций.

Рис.4. Пример схемы регуляции ферментативных реакций

Цифры, заключенные в кружки, указывают вероятные участки действия гормонов. 1 - изменение проницаемости мембраны; 2 - переход фермента из неактивной формы в активную; 3 - изменение скорости трансляции мРНК на рибосомальном уровне; 4 - индукция образования новой мРНК; 5 - репрессия образования мРНК.

Аналогично происходят групповые когерентные биохимические реакции на уровне органов, систем и организмов в целом.

Основные физиологические параметры человека, такие как температура тела, частота сердечных сокращений, артериальное давление и др. испытывают периодические колебания с периодом в одни сутки, а также в одну неделю, что связанно с трудовым процессом. На рис. 5 представлен пример идеализированных типовых колебаний функциональных сдвигов организма человека.

Рис.5. Идеализированные типовые колебания функциональных сдвигов организма человека

1 – суточные колебания функционального сдвига; 2 – недельное среднедействующее колебание функционального сдвига; 3 – среднедействующее значение функционального сдвига

Как видно из рис.5, колебания функциональных сдвигов организма человека зависят как от периодических суточных, так и от недельных нагрузок.

С точки эрения биологии эти процессы представляют собой результат когерентных непрерывных биохимических реакций последовательностей метаболических циклов, содержащих чередующиеся процессы анаболизма – синтеза веществ, и катаболизма – расщепления веществ. В результате этих реакций все параметры внутренней среды живых систем находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно соответствующих средних значений.

С точки зрения физики эти процессы представляют собой когерентные непрерывные термодинамические колебания, содержащие чередующиеся фазы соответственно выделения и затрат энергии.

Во время фазы затрат энергии энергетические процессы в клетках в основном ориентированы на синтез АТФ. Во время фазы выделения энергии происходит расщепление АТФ путем гидролиза.

На рис.6 представлены графики:

а) чередования синтеза и расщепления АТФ;

б) чередования затрат и выделения энергии.

Рис.6.

а) График чередования фаз синтеза и расщепления веществ;б) График чередования фаз потребления и выделения энергии;I – фаза потребления энергии;II - фаза выделения энергии.Wп – среднедействующее значение потребляемой энергии при синтезе АТФ;Wв – среднедействующее значение выделяемой энергии при расщеплении АТФ;Wср – среднедействующее результирующее значение выделяемой энергии;

Как видно из рис.6, в результате последовательных циклов биохимических реакций синтеза и расщепления АТФ, при которых происходят термодинамические колебания, выделяется энергия Wср>0.

Значение энергии Wср определяется реакцией организма на внутренние воздействия и воздействия внешней среды путем ферментативной регуляции процессов синтеза и расщепления АТФ.

Таким образом, эти термодинамические колебания потребления и выделения энергии и являются механизмом обеспечения устойчивого неравновесного термодинамического состояния.

Величина устойчивости неравновесного термодинамического состояния определяется параметрами механизмов регуляции ферментативных реакций и биологическими свойствами организма.

Датчиками, определяющими скорость и характер метаболических процессов, в живых организмах являются аллостерические модуляторы и гормоны, непрерывно контролирующие термодинамическое состояние организма.

Устойчивость неравновесного термодинамического состояния биологических систем обеспечивается следующим образом:

при минимальном значении неравновесного термодинамического состояния клеток, органов и целостного организма, например температуры, датчики включают режим расщепления АТФ, в результате чего энергетика организма (его температура) начинает возрастать, достигая некоторого максимального значения;

при максимальном значении неравновесного термодинамического состояния клеток, органов и целостного организма (температуре) датчики включают режим синтеза АТФ, при котором энергетика организма (температура) начинает уменьшаться.

Отсюда видно, что неравновесное термодинамическое состояния организма всегда непрерывно колеблется в определенных пределах, обеспечивая тем самым устойчивость этого состояния.

В этом также нетрудно убедиться на примере частично управляемой физиологической функции организма – дыхании, при котором в одной фазе – вдохе - обеспечивается снабжение организма кислородом, в при другой фазе – выдохе – удаляется углекислый газ. Процессы вдоха и выдоха непрерывно регулируются. В спокойном состоянии глубина дыхания незначительная, а его частота – низкая. Однако при интенсивной работе значительно возрастает как глубина дыхания, так и его частота. Отсюда видно, что в зависимости от нагрузки эта физиологическая функция, совместно с другими, оперативно изменяет свои параметры для сохранения устойчивого неравновесного термодинамического состояния организма при изменившихся условиях.

Из этого следует, что кроме “Всеобщего закона биологии” Э. Бауэра биологические системы подчиняются также закону Доброборского, излагаемому в следующей редакции:

Закон Доброборского

Устойчивость неравновесного термодинамического состояния биологических систем обеспечивается непрерывным чередованием фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ

Из этого закона вытекают следующие следствия::

1. В живых организмах ни один процесс не может происходить непрерывно, а должен чередоваться с противоположно направленным: вдох с выдохом, работа с отдыхом, бодрствование со сном, синтез с расщеплением и т.д.

2. Состояние живого организма никогда не бывает статическим, а все его физиологические и энергетические параметры всегда находятся в состоянии непрерывных колебаний относительно средних значений как по частоте, так и по амплитуде.

Эти колебания и являются биоритмами.

Таким образом, живые организмы с помощью биоритмов обеспечивают устойчивость своего неравновесного термодинамического состояния. Отсюда можно считать, что биоритмы являются способом существования всех живых организмов.

3. Собственная и принудительная частота биоритмов

В живых организмах жизнедеятельность каждой клетки, каждого органа, каждой системы и целостного организма характеризуются соответствующими комплексами биологических ритмов, параметры которых находятся в тесной взаимосвязи и определяются как внутренними свойствами соответствующих элементов организма, так и их ролью в составе того или иного органа или системы, а также средой обитания.

Например частота сердечных сокращений у человека в спокойном состоянии составляет 58 –75 уд/мин., а при большой нагрузке может доходить до 160 и более, циклы биохимических реакций, связанных с перевариванием пищи, происходят, например, от 3 до 5 раз в сутки, в зависимости о режима питания и т.д.

Поскольку каждый живой организм по-своему уникален, для него будет характерен соответствующий только ему оптимальный образ жизни: время сна и бодрствования, режим и состав питания, соответствующая окружающая среда, необходимые физические нагрузки и многое другое.

В связи с этим для такого живого организма будут характерны и соответстующие только ему биологические ритмы физиологических параметров.

Однако в реальной жизни такой режим невозможен, так как он не может существовать в отрыве от условий окружающей его обстановки.

Каковы же условия этой обстановки?

Одним из основных условий является период цикла сон-бодрствование равным 24 часам. Это условие определяется периодом вращения Земли вокруг своей оси.

Вторым основным условием является то, что человек живет в обществе, в связи с чем должен подчиняться его правилам, в частности режиму дня, времени работы и отдыха, времени приема пищи и т.д.

Поэтому в большинстве случаев параметры биоритмов его организма являются принудительными.

Каким же образом в организме человека происходит согласование собственных и принудительных биоритмов?

Здесь необходимо обратить внимание на то, что все процессы, происходящие в организме человека в условиях собственного биоритма, являются абсолютно необходимыми для его жизнедеятельности, так как иначе происходит накопление значений невосстанавливающихся функциональных сдвигов, что может привести к потере работоспособности, заболеваниям и гибели.