Биологическая мембрана

Биологическая мембрана

Для объяснения наиболее общих механизмов функционирования и регуляции живой клетки предлагается новый принцип - принцип жизненной динамики или динамики всех физико-химических процессов в ней. Принцип может быть сформулирован следующим образом: "Существование живой клетки невозможно без непрерывного, саморегулирующегося процесса распада и образования связей самой различной природы (ионных, ковалентных, водородных, а также ион-дипольных, ориентационных, индукционных, дисперсионных и гидрофобных взаимодействий) в системе биологических мембран, включающей и мембраны клеточных органелл".

Учитывая центральную роль биологических мембран в регуляции клеточного метаболизма, жизненная динамика должна включать всю совокупность процессов возникновения и распада внутри- и межмолекулярных взаимодействий и вызываемых ими движений молекул, сложных молекулярных комплексов и надмолекулярных образований в живой клетке. Сюда входят реакции свободнорадикального окисления липидов биологических мембран, которые вместе с процессами гидролиза богатых энергией соединений могут вызывать структурные и конформационные изменения в мембранах и приводить к латеральным (в плоскости мембраны) и трансферальным (перпендикулярно к ней) автоколебательным движениям структурных компонентов биомембран.

Такие автоколебательные движения обеспечивают трансмембранный транспорт биологически важных веществ и продуктов их взаимодействия с соединениями и ионами из окружающей клетку среды и с метаболитами, образующимися на обеих поверхностях биомембран, а также синхронизируют во времени и пространстве функционирование мембраносвязаных и свободных ферментов, находящихся в околомембранном пространстве.

Следует подчеркнуть особое значение автоколебаний биологических мембран для транспорта молекул, их ассоциатов и ионов. Колеблющиеся участки мембран могут выполнять при этом роль своеобразного насоса, в основании действия которого лежит в среднем направленное вибрационное перемещение частиц под действием в среднем ненаправленных периодических сил.

В целом, описанное выше сочетание процессов может обеспечивать их пространственно-временную упорядоченность, т. е., организацию живой клетки как целостной, открытой (непрерывно обменивающейся веществом, энергией и информацией с внешней средой), неоднородной, динамической системы, которая саморегулируется и самовоспроизводится. В такой системе компартментализация играет роль важнейшего фактора регуляции, с помощью которого осуществляется координация функций всех других регуляторных систем, включая генетические, и обеспечивается динамический порядок: все необходимое доставляется в соответствующее место, в определенное время и в необходимом количестве.

Значение организации для биологических систем А.Сент-Дьерди определил следующим образом: "Один из основных принципов биологии организация; это означает, что две системы, составленные вместе определенным образом, образуют новую единицу - систему, свойства которой не аддитивны и не могут быть описаны посредством свойств составляющих ее частей". Именно образование и поддержание организации живой клетки, как целостной, открытой, неоднородной, динамической системы, способной к саморегуляции и самовоспроизводству, представляет собой фундаментальное отличие жизненной динамики от любой другой совокупности физико-химических процессов. В ходе эволюции от одноклеточных к многоклеточным организмам со специализацией клеточных функций динамика отдельных клеток определила (и в этом объяснение термина "жизненная") динамику поведения образований более высоких уровней - тканей, органов и целостных организмов, как открытых целостных систем иерархического строения. При этом важнейшим связующим звеном в динамике всех систем организма являются процессы, которые протекают на плазматической мембране, отделяющей клетку от внешней среды. По словам Т.Уотермена: "Свойства плазматической мембраны лежат в основе специфического потока веществ и энергии в организм и из него, а, следовательно, и в основе характеристик организма, как открытой системы". При таком подходе генному аппарату клетки неизбежно остается роль фактора стабильности при ее самовоспроизводстве и функционировании или, говоря другими словами, роль нот, по которым исполняется "музыка жизни", характерная для данного организма. Следует особо подчеркнуть, что столь радикальный пересмотр взаимоотношений в системе "ядро-цитоплазма" в пользу главенства цитоплазмы не противоречит законам современной генетики, поскольку касается лишь механизмов экспрессии генов в клетках высших организмов и во многом углубляет представления целостной картины живого. Принцип жизненной динамики можно рассматривать как современный, конкретизированный для живых клеток, с учетом особенностей их состава и пространственного строения, вариант основного принципа термодинамического объяснения функционирования живых систем - принципа устойчивого неравновесия, сформулированного Э.С. Бауэром. В разработке этого варианта использован концептуальный аппарат термодинамики сильно неравновесных сложных открытых динамических систем, а также синергетики - науки о самоорганизации таких систем. Непрерывные физико-химические изменения молекул в процессах жизненной динамики приводят к изменению их дипольных моментов и, как следствие, к неравновесной поляризации структурных компонентов мембранной системы клеток (диэлектриков по своей физической природе). Это может обусловливать так называемый "биоэлектретный эффект", который проявляется в виде электростатических микрополей живых клеток. Генерируемые таким образом поля достаточны по своей величине для того, чтобы влиять в свою очередь на протекание процессов жизненной динамики. В результате возникает единый комплекс взаимосвязанных изменений химического и электрического состояния вещества, образующего живую клетку, так что воздействие на одну из составляющих комплекса неизбежно приводит к перестройке других составляющих, а следовательно, и комплекса в целом. 

Известно, что жизнь возникла, эволюционировала до высших ее форм и существует в условиях геомагнитного поля Земли, которое состоит из постоянной и переменной (менее двух процентов от первой) компонент и претерпевает непрестанные изменения, обусловленные процессами, протекающими на Солнце, в межпланетном пространстве и в атмосфере Земли. Уменьшенной моделью геомагнитного поля Земли в тибетской и китайской медицине принято рассматривать электромагнитное поле организма человека. Совпадение характеристик этих полей является идеальным для нормального, здорового функционирования организма. Поэтому роль электромагнитных полей в жизнедеятельности живых организмов трудно переоценить. Все же в последние годы становится все более очевидным, что свойства вышеназванных полей не позволяют описать целый ряд феноменов, характерных для живых организмов, таких как биополе, ясновидение, телепатия и др. Объектом теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении стали так называемые торсионные (или спинорные, аксиальные, формовые) поля, которые, как стало ясно сейчас, являются непременными, ранее не замечаемыми спутниками любых электромагнитных излучений. Торсионные поля представляют собой простейшие вакуумные возмущения. К генерации их способны все материальные тела живой и неживой природы. Однако в обычных условиях эти поля достаточно слабые и поэтому практически не проявляются. Все же при помощи определенных тел или устройств определенной геометрической формы, способных к деформации плоской геометрии физического вакуума, можно достигнуть генерации торсионных полей большой напряженности, которые можно зарегистрировать с помощью лабораторных устройств или индикаторов. Простейшим примером генератора торсионных полей может служить такое широко известное устройство ячеистого строения, как обычное мучное сито, способность которого снимать головные боли (даже в случае сотрясения мозга) при размещении его определенным образом рядом с головой больного известна в народной медицине достаточно давно. Такие же свойства имеют пустые медовые соты, для которых также характерна ячеистая структура. Это явление получило название эффекта полостных структур. Можно предполагать, что все живые существа, являющимися образованиями из динамических ячеек - живых клеток - способны к подобному эффекту, который, однако, должен быть у них более выраженным из-за протекающих в клетках процессов жизнедеятельности. Еще одним примером генератора торсионных полей, но уже другого строения, являются египетские пирамиды. Как было недавно показано в работах известного специалиста в области торсионных полей А. Е. Акимова, древние египтяне использовали способность левых торсионных полей (эти поля делятся на левые и правые по ориентации спинов частиц, которые их образуют) тормозить ход биохимических процессов. Для мумификации умерших они размещали их тела в точках максимальной напряженности торсионных полей. Дело египетских жрецов было позже продолжено как учеными и инженерами, так и одаренными любителями. Однако, в последние десятилетия попытки создания генераторов торсионных полей приобрели характерный для деятельности создателей пирамид ореол таинственности, а затем и секретности, когда стало ясно, что с помощью таких устройств можно влиять на процессы жизнедеятельности живых организмов, на психику и поведение людей, то есть, речь идет о так называемых психотронных генераторах и других разновидностях невиданного ранее оружия дистанционного действия. Как утверждает автор одной из первых монографий по теории физического вакуума и природе торсионных полей Г. И. Шипов, эти поля, генерируемые материальными объектами, могут активно взаимодействовать с физическими и эмоциональными структурами организма человека и в основе мышления человека лежит, прежде всего, генерация и восприятие первичных торсионных полей, имеющих, по меньшей мере, три необходимые для этого уникальные свойства:

способность переносить информацию без переноса энергии;

скорость распространения, превышающая скорость света в 1 млн. раз;

высокая проникающая способность. 

Несмотря на неполноту опубликованных данных есть все основания предполагать, что торсионные поля являются важнейшим фактором наиболее быстрого обмена информацией между клетками и тканями, который обеспечивает рефлекторную гармоничность организма и синхронизацию процессов в нем, а также невидимую сеть коммуникации между организмами и их популяциями в иерархическом устройстве биосферы Земли. Внешними источниками свободной энергии для процессов жизненной динамики служат солнечный свет (прежде всего для растений и фотосинтезирующих бактерий) и ионизирующее излучение природного радиоактивного фона, геомагнитное поле Земли и легкие аэроионы ее атмосферы, образующиеся в результате ионизации молекул воздуха, а также неокисленные органические вещества, поступающие в клетки извне и используемые в качестве первичных источников энергии, ферментативные превращения которых ведут к образованию богатых энергией фосфатных соединений - своеобразной энергетической "валюты" для удовлетворения потребностей жизнедеятельности клетки. Молекулярный кислород, как внешний фактор, играет особо важную (возрастающую по мере перехода к более высоким ступеням эволюции) роль в энергетическом обеспечении процессов жизненной динамики у всех аэробных организмов. Во-первых, кислород служит конечным акцептором электронов в цепи переноса их в основном энергопоставляющем процессе живой клетки - процессе окислительного фосфорилирования. Во-вторых, он выступает активным реагентом в реакциях свободно радикального окисления липидов системы биомембран клетки, благодаря которым изменяется их конформация и конформации связанных с липидами белков, включая и ферменты, и создается пространственное расположение молекул последних и их ближайшего микроокружения, необходимое для проявления каталитической активности ферментов.

Значение молекулярного кислорода для процессов жизненной динамики не ограничивается только его участием в обеспечении живых клеток энергией. Без кислорода невозможен биосинтез и, соответственно, обновление им же окисленных важнейших структурных компонентов биомембран - стеринов и ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав фосфолипидов. Необходимость одновременного и согласованного осуществления всех перечисленных функций определяет особое, системное значение молекулярного кислорода для дифференцированных клеток, как "общественных, коллективных существ", образующих ткани и органы многоклеточных организмов. Ярким и наглядным проявлением процессов жизненной динамики, наиболее выраженным у нормальных и опухолевых клеток организма человека и животных, являются движения протоплазмы, которые можно наблюдать при помощи светового микроскопа. Клетки, как отдельные так и в составе тканей, непрерывно изменяют свои очертания, могут замирать при раздражении, пульсируют, образуя впячивания и выступы и создавая тем самым, как заметили Г. М. Франк и В. Г. Астахова, впечатление непрерывного кипения. Аналогично ведут себя также клеточные органеллы, и прежде всего митохондрии и ядра живых клеток. Из-за ограниченной разрешающей способности светового микроскопа доказательства непрерывного движения мембранных образований живой клетки могут быть получены лишь косвенным путем. При этом, как отметил Г. М. Франк еще в 1962 году, впервые, по-видимому, осознавший функциональное и регуляторное значение структурной подвижности для жизнедеятельности клетки: "Чем более тонкий метод с наибольшей разрешающей способностью мы применяем, тем шире обнаруживаются отсутствия стабильности клеточных структур и непрерывное их изменение". Любые воздействия на живую клетку и изменения в окружающей ее среде (которые представляют собой сигналы, несущие информацию извне) приводят к соответствующим изменениям процессов жизненной динамики, которые компенсируют эти внешние воздействия. Таким образом обеспечивается адекватность взаимодействия клетки, как простейшей биологической системы, с ее окружением, то есть адаптация клетки к условиям внешней среды. Нарушения естественного протекания процессов жизненной динамики ведут к патологическим изменениям живой клетки. В случае продолжительности таких нарушений под воздействием различных физических и химических канцерогенных факторов, длительной гипоксии клеток, оказывающихся в условиях вяло протекающих, хронических воспалительных процессов, какими являются практически все предраковые состояния, а также в случаях биосинтеза аномальных для дифференцированной клетки белков в результате включения генома онкогенных вирусов в клеточный геном, происходит дезорганизация клетки и вынужденный переход ее на более примитивный уровень организации, характерный для всех делящихся клеток эукариотов на ранних этапах дифференцировки, то есть происходит злокачественное перерождение клетки. Единой общей чертой, объединяющей более 700 известных сейчас канцерогенных факторов, абсолютно различных по своей физической и химической природе (например, химические канцерогены и ионизирующее излучение, онковирусы, физическая травма и вживление пластмассовых пластинок, влияние геопатогенных зон, на счет воздействия которых сейчас относят более 50% злокачественных опухолей), является их дезорганизующее влияние на дифференцированные клетки. С этих позиций достаточно просто объясняется одна из сложнейших загадок онкологии: "Как под влиянием разнообразных по своей природе факторов возникает единый по множеству своих признаков процесс - злокачественная трансформация клеток?" Наиболее характерные особенности такой трансформации описаны в опубликованной автором в 1974 году кислородно-холестериновой гипотезе возникновения рака. Единственным исключением из принципа жизненной динамики является анабиоз у низших организмов и во многом сходные с ним процессы, происходящие при глубоком охлаждении и постепенном отогревании изолированных органов, тканей и отдельных клеток, а также целых организмов. При переходе клетки к анабиозу процессы жизненной динамики в ней почти полностью прекращаются, однако все ее структурные образования временно остаются в целостном, жизнеспособном состоянии, при котором сохраняется возможность возобновления нормальной жизнедеятельности при соответствующих благоприятных условиях. Во всех же других случаях прекращение процессов жизненной динамики неизбежно ведет к дезорганизации и гибели клетки. Все изложенное дает основание заключить, что принцип жизненной динамики определяет главное отличие живого и имеет, по всей видимости характер закона, устанавливающего единственно возможный путь перехода вещества, энергии и информации в организацию, рассматриваемую наряду с ними в качестве третьего составного компонента материи и определяемую с позиций кибернетики как разность между максимальной и текущей неопределенностью системы. Говоря другими словами, организация является мерой дефекта неопределенности системы по уравнению:

O = H 4max 0 - H, 

,где O - организация системы, H 4max 0- максимальная неопределенность системы, H - текущая неопределенность системы. Неопределенность системы определяется по известной формуле К. Шеннона:

H = 7 S 0 p 4i 0 log p 4i 0, 

,где p 4i 0- вероятность пребывания системы в i-ом состоянии, n - число состояний.