WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 ||

Подобные исследования были успешно прове- Определить возможность самопроизвольного дены и в отношении активного транспорта прото- перехода изолированной системы между двумя сонов с применением уравнений неравновесной тер- стояниями можно методами классической термодинамики, сравнивая значение энтропии этих состоямодинамики для двух потоков. Во всех случаях варьирование Х+ позволяет оценить феноменологи- ний. В открытой системе возникают стационарные состояния, которые могут находиться далеко от терческие коэффициенты и сродство А движущей мемодинамического равновесия. Вопрос о возможностаболической реакции. В последнее время делаются ти перехода открытой системы из некоторого науспешные попытки применить подобный формачального в конечное стационарное состояние можно лизм для описания процессов фосфорилирования в решить на основе теоремы Пригожина, если оба сомитохондриях и хлоропластах. Считается общепристояния лежат вблизи термодинамического равнонятым, что в этих объектах имеется тесное сопряжевесия. Однако вдали от равновесия уже нельзя сдение между тремя главными процессами, лежащими лать однозначных выводов о том, как меняется в основе биоэнергетики клеточных мембран: элекскорость образования энтропии при приближении тронный транспорт с окислением субстрата (J0, А0), к стационарному состоянию. Эволюция таких нефосфорилирование АДФ с образованием АТФ (JР, равновесных динамических систем определяется АР), транслокация протонов через сопрягающую прежде всего кинетикой взаимодействия составных мембрану (JH, µ ). Ключевую роль играет трансН элементов, а не статистической упорядоченностью мембранная циркуляция протонов, которая индуначального и конечного состояния системы согласцируется переносом электронов и, в свою очередь, но классической термодинамике. Такие системы запускает синтез АТФ. Как оказалось, здесь также имеют ограниченное число конечных состояний и имеет место линейная зависимость между силами и ведут себя наподобие химических машин. Поэтому распространение идей термодинамики на неравнонмоль Oнмоль Na весные системы может дать лишь дополнительную Ja, Jr, Na --------------------- -------------------характеристику далеких от равновесия стационараб см2 с см2 с ных состояний, положение и пути достижения ко400 торых определяются кинетическими уравнениями.

По мере удаления от равновесия будут расти ве300 личины X и J и система может удалиться от равнове12 сия и покинуть область линейной термодинамики, не теряя общей устойчивости. Возможно, однако, что при удалении от равновесия в системе наступает бифуркационное изменение и возникает неустойчивость. Возникает, как говорят, термодинамическая флуктуация, уводящая систему от неустойчивой точки, что может стать причиной распада системы.

- 80 - 40 0 40 80 - 80 - 40 0 40, мВ, мВ Однако при определенных значениях параметров эта флуктуация как бы дает толчок, переводящий систему к новому состоянию, которому и передаетРис. 2. а – соотношение между Ja и, б – соотNa ся устойчивость. Например, появлению предельноношение между Jr и в мочевом пузыре жабы (по Кеплену) го цикла, возникновению диссипативных структур.. в распределенных системах также предшествует на- чали, будет тем больше, чем больше была исходная рушение термодинамической устойчивости вдали неопределенность, или энтропия, системы.

от равновесия. Наконец, переходы между устойчиНапомним, что, согласно теории информации, в выми стационарными состояниями происходят на этом случае количество информации о единственгранице устойчивости, когда система совершает ном реальном состоянии системы скачкообразный переход между ними.

I = log2W. (13) Таким образом, термодинамические признаки За единицу количества информации (бит) приниустойчивости стационарных состояний совпадают с мается информация, содержащаяся в достоверном соответствующими математическими признаками сообщении, когда число исходных возможных сои могут служить их дополнительной характеристистояний было равно W = 2:

кой. Однако вдали от равновесия не существует общих термодинамических критериев направления I = log2W = 1 бит. (14) движения открытой системы, поскольку ее поведеНапример, сообщение о том, на какую сторону упание определяется динамическими свойствами и ла монета при бросании в воздух, содержит количемеханизмами регуляции, а не общими статистичесство информации в 1 бит. Сопоставляя формулы кими закономерностями, как во втором законе (12) и (13) можно найти связь между энтропией (в классической термодинамики. Эта особенность энтропийных единицах) и информацией (в битах) обусловливает также и сложность применения понятий энтропии и информации при описании обS (э.е.) = 2,3 10- 24. (15) щих свойств биологических систем.

Теперь попытаемся формально оценить количество информации, содержащейся в теле человека, где имеется 1013 клеток. С помощью формулы (12) получим величину Согласно формуле Больцмана, энтропия определяется как логарифм числа микросостояний, возI = log2(1013!) 1013log21013 4 1014 бит.

можных в данной макроскопической системе:

Такое количество информации необходимо было S = kБlnW, (12) бы исходно получить, чтобы осуществить единственно правильное расположение клеток в организгде kБ = 1,38 10- 16 эрг/град, или 3,31 10- 24 энтроме. Этому эквивалентно весьма незначительное пийных единиц (1 э.е.= 1 кал/град = 4,1 Дж/К), или снижение энтропии системы на 1,38 10- 23 Дж/К – постоянная Больцмана, W – чис S = 2,3 10- 24 4 1014 10- 9 э.е. 4 10- 9 Дж/К.

ло микросостояний (например, число способов, которыми можно разместить молекулы газа в сосуде).

Если считать, что в организме осуществляется Именно в этом смысле энтропия есть мера неупорятакже уникальный характер расположения аминодоченности и хаотизации системы. В реальных сискислотных остатков в белках и нуклеиновых остаттемах существуют устойчивые и неустойчивые степеков в ДНК, то общее количество информации, сони свободы. Им соответствуют, например, твердые держащейся в теле человека, составит стенки сосуда и молекулы заключенного в нем газа.

I = 1,3 1026 бит, Понятие энтропии связано именно с неустойчичто эквивалентно небольшому понижению энтровыми степенями, по которым возможна хаотизация пии на S 300 э.е. = 1200 Дж/К. В процессах месистемы, а число возможных микросостояний натаболизма это снижение энтропии легко компенмного больше единицы. В полностью устойчивых сируется увеличением энтропии при окислении системах реализуется только одно-единственное 900 молекул глюкозы. Таким образом, формально решение, то есть число способов, которыми осущесопоставление формул (12) и (13) показывает, что ствляется это единственное макросостояние систебиологические системы не обладают какой-либо мы, равно единице (W = 1), а следовательно, энтроповышенной информационной емкостью по сравпия равна нулю. В биологии использовать понятие нению с другими неживыми системами, состоящи“энтропия”, а следовательно, и термодинамичесми из того же числа структурных элементов. Этот кие представления можно только по отношению к вывод на первый взгляд противоречит роли и значеконкретным метаболическим процессам, а не для нию информационных процессов в биологии.

описания в целом поведения и общебиологических свойств организмов. Связь энтропии и информа- Однако связь между I и S в (15) справедлива ции в теории информации была установлена для лишь по отношению к информации о том, какое из статистических степеней свободы. Допустим, что всех W микросостояний реализовано в данный момы получили информацию о том, каким конкретно мент. Эта микроинформация, связанная с располоспособом из всех возможных способов осуществле- жением всех атомов в системе, на самом деле не моно данное макросостояние системы. Очевидно, ко- жет быть запомнена и сохранена, поскольку любое личество информации, которое мы при этом полу- из таких микросостояний быстро перейдет в другое, ‹10, из-за тепловых флуктуаций. А ценность биологиче- взаимном узнавании макромолекул, обеспечивают ской информации определяется не количеством, а специфичность и направленный характер ферменпрежде всего возможностью ее запоминания, хра- тативных реакций, имеют важное значение при нения, переработки и дальнейшей передачи для ис- взаимодействии клеточных мембран и поверхноспользования в жизнедеятельности организма. тей. Физиологические рецепторные процессы, играющие самостоятельную информационную роль в Основное условие восприятия и запоминания жизнедеятельности организма, также основаны на информации – способность рецепторной системы взаимодействиях макромолекул. Во всех случаях переходить вследствие полученной информации в макроинформация возникает исходно в виде конодно из устойчивых состояний, заранее заданных в формационных изменений при диссипации части силу ее организации. Поэтому информационные энергии по определенным степеням свободы во процессы в организованных системах связаны тольвзаимодействующих макромолекулах. В результате ко с определенными степенями свободы. Сам промакроинформация оказывается записанной в виде цесс запоминания информации должен сопровожнабора достаточно энергетически глубоких кондаться некоторой потерей энергии в рецепторной формационных подсостояний, которые позволяют системе для того, чтобы она могла в ней сохранитьсохранять эту информацию в течение времени, неся достаточное время и не теряться вследствие тепобходимого для ее дальнейшей переработки. Биололовых флуктуаций. Именно здесь и осуществляется гический смысл этой макроинформации реализуетпревращение микроинформации, которую система ся уже в соответствии с особенностями организации не могла запомнить, в макроинформацию, которую биологической системы и конкретными клеточнысистема запоминает, хранит и затем может передать ми структурами, на которых разыгрываются дальдругим акцепторным системам. Как говорят, энтронейшие процессы, приводящие в итоге к соответстпия есть мера множества незапоминаемых систевующим физиолого-биохимическим эффектам.

мой микросостояний, а макроинформация – мера множества их состояний, о пребывании в которых система должна помнить.

1. Рубин А.Б. Термодинамика биологических процесИнформационная емкость в ДНК, например, сов. М., 1984.

определяется не только количеством определенных 2. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравнуклеотидов, а общим числом микросостояний, новесных системах. М., 1979.

включающих колебания всех атомов цепочки ДНК.

3. Блюменфельд Л.А. Информация, термодинамика и Процесс запоминания информации в ДНК – это конструкция биологических систем // Соросовский фиксация определенного расположения нуклеотиОбразовательный Журнал. 1997. № 7. С. 88–92.

дов, которое устойчиво вследствие образующихся химических связей в цепочке. Дальнейшая переда* * * ча генетической информации осуществляется в результате биохимических процессов, в которых дис- Андрей Борисович Рубин, доктор биологичессипация энергии и образование соответствующих ких наук, профессор, зав. кафедрой биофизики химических устойчивых структур обеспечивают эф- биологического факультета МГУ, член-корреспонфективность биологической переработки инфор- дент РАН. Область научных интересов: биофизика мации. В целом информационные процессы широ- фотобиологических процессов, перенос электрона ко распространены в биологии. На молекулярном в биомембранах, кинетика биологических процесуровне они протекают не только при запоминании сов. Автор и соавтор 11 монографий, более 300 наи переработке генетической информации, но и при учных статей, учебника по биофизике.

..

Pages:     | 1 ||










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.