3. 3. Физико-химические и мол екулярно-&иологнческие основы существования живого

• Закон хиральной чистоты Л. Пастера

• Закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского

• Термодинамическое правило Вант-Гоффа — Аррениуса

• Биогеохимические принципы В, И, Вернадского

• Закон сохранения термодинамического состояния

• Теорема (афоризм) 3. Шрёдингера

• Теорема (афоризм) Хаасе

• Теорема Г. Атлана

• Теорема Бриллуэна

Поскольку все экологические системы имеют в своем составе живое и без него теряют свою специфику, необходимо уяснить закономерности фукнционирования этого живого — • самые общие и затем частные. Пер­вым в этом ряду, вероятно, следует поставить закон хиральной чистоты Л. Пастера: живое вещество состоит из хирально чистых структур. Хи- ральность, или хиральная чистота,— наличие исключительно объектов, несовместимых со своим зеркальным отражением (типа правой и левой руки, откуда и происхождение термина: гр. «хира» — рука)^I. Белки жи­вого построены только из «левых» (поляризующих свет влево) амино­кислот, нуклеиновые кислоты сложены исключительно из поляризующих свет вправо Сахаров и т. д. Синтетически такие вещества получить очень трудно. Вещества небиогенного происхождения хирально симметричны — «левых» и «правых» молекул в них поровну.

Хиральная чистота обуславливает специфику живого, несводимость его к неживому и практическую невозможность получения живого из нежи­вого в современных условиях Земли. Для этой планеты возникновения жизни — уникальный, катастрофический процесс^II. Закон хиральной чисто­ты и тот факт, что синтезировать хирально чистые вещества в лабора­торных условиях возможно лишь с помощью весьма сложных методик асимметрического синтеза, делают бессмысленными спекулятивные рас­суждения об отсутствии граней между неживым и живым. Искусственное конструирование живого, если говорить о природе Земли, практически неосуществимо^III. Вместе с тем, хиральная асимметричность, свойствен­ная всему живому, объективно указывает на его физико-химическое един­ство, что и отражает закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского: все живое вещество Земли физико-химически едино.

Этот закон не исключает количественной биогеохимической специфики видов живого, даже половых и возрастных, возможно индивидуальных химических и физических отличий у тканей организмов. Однако качест­венно жизнь едина, и потому подчиняется единым «правилам игры», в том числе термодинамическому правилу Вант-Гоффа — Аррениуса, правилу поверхностей и биогеохимическим принципам В. И. Вернад­ского.

Термодинамическое правило Вант-Гоффа — Аррениуса в биолого- экологической модификации гласит, что подъем температуры на 10°С приводит к 2—3-кратному ускорению химических процессов. Фактически обмен веществ в одних случаях усиливается многократно (до 7,4 раз), а в других повышение температуры его замедляет.

Правило Вант-Гоффа — Аррениуса существенно углубляется зако­номерностью, формулируемой для теплокровных животных в виде пра­вила поверхностей. Формулировку и расшифровку этого правила техни­чески и по смыслу удобней оказалось привести в разд. 3.4.2.

Экологический эффект всемирного повышения температуры на 10°С довольно трудно предсказуем. Скорее всего изменение среднеглобаль- ней температуры в таком размере катастрофично. Среднеглобальная температура атмосферы у поверхности Земли около 15°С. За последний 1 миллион лет она изменялась в пределах 5°С похолодания и 2°С потеп­ления. При изменении среднеглобальной температуры на 10°, т. е. в 1,5 ра­за от современного уровня, скорее всего будет нацело нарушено действие принципа Ле Шателье — Брауна (разд. 3.2.3) — биота как бы сама себя «съест», так как процессы обмена веществ, усиливаясь, приведут не к сопротивлению изменениям в окружающей биоту среде, а к быстрой само­деструкции биосферы.

При этом будут глубоко нарушены первые два биогеохимических принципа В. И. Вернадского, а третий его принцип будет существенно искажен. Первый биогеохимический принцип В. И. Вернадского гласит: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Этот принцип уже в наши дни нарушен, хотя и обратимо, как сказано выше при обсуждении прин­ципа Ле Шателье — Брауна (разд. 3.2.3). Второй биогеохимический прин­цип В. И. Вернадского: эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в на­правлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Этот принцип при антропогенном измельчании средних размеров особей биоты Земли в ходе процессов экологического дублирования (лес сменяется лугом, крупные животные мелкими) начинает действовать аномально интен­сивно (см. правило Ю. Одума в разд. 3.8.1), что также нарушает дей­ствие принципа Ле Шателье — Брауна.

Поскольку, согласно третьему биогеохимическому принципу В. И. Вер­надского, живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца, биосферная солнечно- земная связь с нарушением первых двух биогеохимических принципов В. И. Вернадского и принципа Ле Шателье — Брауна резко изменяется. Космические воздействия могут из системы поддержания биосферы пла­неты превратиться в агенты, ее разрушающие. Процесс может стать само­развивающимся и необратимым. Пока биосфера еще находится в обра­тимом состоянии, но угроза ее самодеструкции все время растет. К этому вопросу целесообразно вернуться после рассмотрения всей группы зако­номерностей, регулирующих функционирование природных систем пла неты. Начнем этот перечень с экологических законов, правил и принципо] жизни отдельного организма.

Как бы в промежутке со следующим блоком обобщений (разд. 3.4^Л стоит закон сохранения термодинамического состоянияэнтропия и ин формация обратно пропорциональны, что ведет к дифферециации отдель ных функций организма и, следовательно, специализации его частей. Этс вызывает эволюционные адаптации, в том числе ведет к развитию систем управления, соотносящих работу отдельных реагентов и стабилизирующю их параметры. Этот закон объясняет внутренние побудительные меха­низмы возникновения адаптации, тенденцию к эволюционным переменам. Внутренние процессы сложно взаимодействуют с процессами, вызывае­мыми внешними причинами, в рамках четырехединства биологических систем: их целостности, преобразуемое™, саморегуляции и воспроизво­димости.

Чтобы закончить с проблемами термодинамики и энтропии и перейти к биосистемам, обратимся к группе теорем, или афризмов, сформулиро­ванных для уровня отдельной особи. Первой в этом ряду стоит теорема (афоризм) Э. Шредингера (1944) о «питании» организма отрицательной энтропией. Эта теорема утверждает, что упорядоченность организма (особи) выше, чем окружающей его среды и он (организм) отдает в эту среду больше неупорядоченности, чем получает:

d.S — d_sS = —S, если d,S>d₍S,

где d,S — внешняя энтропия, a d,.S — внутренняя энтропия.— S выступа­ет как мера упорядоченности. Совершенно очевидна связь теоремы Э. Шре­дингера с теоремой сохранения упорядоченности И. П. Пригожина {разд. 3.2.3).

Следующие три обобщения носят столь же уточняющий характер. Их ряд начинается теоремой (афоризмом) Хиасе (1963): организм «пи­тается» положительной энтропией, т. е. энергетическая ценность пищи выше, чем этот же показатель продуктов диссимиляции. Иначе — орга­низм существует до тех пор и постольку, поскольку имеется положитель­ный энергетический баланс.

Теорему (афоризм) Э. Шредингера дополняет теорема Г. Атлана (1968), утверждающая, что организм «питается» не только отрицатель­ной энтропией, но и «шумом». Часть информации, содержащейся в нище, в ходе ассимиляции неизбежно теряется.

Завершает группу сходных обобщений теорема Ёриллуэна (1956) о том, что энтропия отходов больше энтропии пиши. По сути дела, по со­держанию это повторение теоремы Э. Шредингера:

s_ns — S,„ = — S, если S_lb>S_ns,

где S_nj — энтропия пищи, a S_eb — энтропия продуктов диссимиляции.

11еречисленные теоремы «оголяют» физический смысл достаточно очевидных истин.

¹ Летунов В Н. Термодинамические аспекты теории адаПГааиЙ//Тр./Зоол. ин-t ЛИ СССР. 1987. Т. 160, С. 31—40