Лекции по курсу «Медицинская синергетика»

Введение

Стремительное развитие биофизики сопровождается проникновением ее в различные области биологии и тесным взаимодействием со смежными дисциплинами - физикой, химией, математикой, кибернетикой. Именно этим определяется вклад биофизики в решение современных проблем биологии и медицины. Широкое развитие биофизики и проникновение ее в различные смежные области биологии и медицины стало возможным главным образом благодаря формированию в биофизике собственной теоретической базы, необходимой для обоснования теоретической биологии, разработке общетеоретических подходов к явлениям жизни, основанных на термодинамике, теории информации, теории автоматического регулирования и др. Целью дисциплины "биофизика" является последовательное изложение основ биофизики как самостоятельной науки, имеющей свой предмет и методы исследования, собственную теоретическую концептуальную базу и область приложения. Задача общего курса состоит также в выявлении единства в многообразии биологических явлений путем раскрытия общих молекулярных механизмов взаимодействий, которые лежат в основе биологических процессов. Предмет биофизики достаточно сложен и многогранен, его изложение требует привлечения не только материалов из различных разделов биологии, но и широкого использования современных представлений и методов физики, математики, физической химии и др. Для понимания биофизики требуется умение мыслить и "биологически" и "физически". Быстрый темп развития науки, возникновение новых (пограничных) отраслей науки (таких, например, как синергетика) приводят к тому, что запаса конкретных знаний, полученных в вузе, хватает специалисту лишь на весьма ограниченное время. Поэтому основной целью дисциплины является изложение основ (фундаментальных понятий, логических концептуальных схем) биофизики и принципов ее применения в научных исследованиях, что позволит самостоятельно применять и целенаправленно пополнять свои знания.

Физика располагает двумя подходами к изучаемым явлениям, двумя уровнями их исследования. Первый уровень - феноменологический, основанный на изучении наиболее общих закономерностей, но не рассматривающий детальную природу явлений. Второй уровень - атомно-молекулярный, позволяющий в конечном счете выявить элементарные основы явлений и определить их количественные характеристики. Феноменологическая теория говорит о том, что может быть, а атомно-молекулярная о том, что есть. Указанные два подхода не противоречат друг другу.

Термодинамика является общефеноменологической теорией, методы которой с большим успехом могут быть распространены на изучение всей материи и особенно плодотворны при исследовании химических и биохимических процессов. Термодинамический подход оказался одним из наиболее мощных методов исследования макроскопических систем, поскольку он основан на наблюдаемых и измеримых свойствах материи, позволяющий предсказывать те или иные свойства веществ (электрические, магнитные или сродство веществ друг к другу).

Одним из важнейших свойств живых систем является их способность поглощать, трансформировать энергию в различных формах и использовать ее в процессах метаболизма для обеспечения роста, развития, размножения. Общие закономерности процессов энергообмена, сопровождающих биохимические превращения, изучают с помощью методов классической химической термодинамики. Метаболические процессы, такие как окислительно-восстановительные реакции, синтез и гидролиз макроэргических соединений, транспорт веществ и ионов через мембраны, двигательная активность, утилизация энергии света при фотосинтезе, связанные с трансформацией энергии, подчиняются закону сохранения энергии или первому закону термодинамики. Однако первый закон термодинамики не позволяет охарактеризовать (описать) процессы перехода системы из одного состояния в другое, поскольку оценку энергетических эффектов тех или иных превращений с помощью указанного закона получают путем сравнения параметров начального и конечного состояний системы. Предсказать направление развития эволюционного процесса можно, опираясь на второй закон термодинамики, который вводит количественное понятие энтропию. Закон утверждает, что при необратимых процессах энтропия изолированной системы увеличивается и достигает конечной максимальной величины, т.е. второй закон является критерием эволюции на пути достижения конечного равновесного состояния. Однако в открытых системах (каковыми являются, в частности, все живые организмы) в равновесном состоянии никакие направленные процессы не происходят (кроме случайных флуктуации около положения равновесия), что равносильно прекращению существования биологической системы.

К счастью, как показывает опыт, в мире живых организмов это не происходит биологическим системам присуща пространственная и функциональная организация, которая не поддается тенденции к нарастанию энтропии до максимального значения. Обусловлено тем обстоятельством, что, хотя энтропия обширной совокупности материи, рассматриваемой как изолированная система, увеличивается, тем не менее в отдельных ее областях она может уменьшаться, порождая локальную упорядоченность за счет других частей изолированной системы. При этом в открытой системе может установиться стационарное со­стояние, критерии достижения которого и представляют наибольший интерес.

Особое значение приобретают проблемы устойчивости стационарных состояний и критерии достижения их вдали от равновесия, а также термодинамика процессов самоорганизации, имеющих большое биологическое значение. Ответы на указанные вопросы могут быть получены в рамках термодинамики необратимых процессов (неравновесной термодинамики), основные положения которой излагаются в данном пособии.

Предполагается, что студент знаком с основными положениями равновесной термодинамики по курсам общей физики и химии, а также с интегральным и дифференциальным исчислением в объеме 1-го курса вуза.