1.4. Основные концепции физиологии

 

В основе учения о функциях живых организмов, как и многих других дисциплин, лежат некие единые принципы. Здесь мы рассмотрим некоторые из них; о других фундаментальных закономерностях речь пойдет в последующих главах.

 

1.4.1. В основе любой функции лежит структура

 

Характер движения животного зависит от строения его мышц и опорного аппарата (например, костей скелета). При этом характер движения, совершающегося при сокращении той или иной мышцы, зависит от того, как она соединена с опорными элементами и как они сами сочленяются между собой. На таком привычном для нас примере зависимость между структурой и функцией совершенно очевидна. На более низких уровнях организации – тканевом, клеточном, субклеточном и т. д. (рис. 1–1) – эта зависимость становится менее явной, но не менее реальной. Одним из наиболее хорошо изученных примеров зависимости функции от структуры служит механика сокращений скелетных мышц. Наши представления о механизмах этого сокращения в значительной степени получены при изучении ультраструктуры сократительного аппарата мышц и его химических свойств.

Принцип, согласно которому в основе любой функции лежит структура, относится и к биохимическим процессам. Так, взаимодействие между ферментом и субстратом зависит от конфигурации этих молекул. Если изменить конфигурацию молекулы фермента (денатурировать его) путем нагревания выше 40°С, то этого, как правило, бывает достаточно, чтобы он утратил свою биологическую активность.

 

 

 

Рис. 1.1. Иерархические уровни структурной организации многоклеточного животного. У простейших клетка на самом деле представляет собой целый организм. К «основным биоструктурам» относятся мембрана, микротрубочки и филаменты. Выполняемые на каждом уровне функции зависят от структурной организации этого и более низких уровней.

 

 

 

1.4.2. Генетика и физиология

 

Согласно общепринятому мнению, информация, содержащаяся в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), накопилась в ходе естественного отбора, действующего на многие поколения. Те спонтанные изменения (мутации) в нуклеотидной последовательности ДНК, при которых шансы организма на выживание увеличиваются, в среднем закрепляются и частота их встречаемости в данной популяции возрастает. Напротив, мутации, уменьшающие адаптацию данного вида к окружающей среде и снижающие вероятность его выживания и воспроизведения, устраняются (элиминируются). Широко известно, что в процессе дарвиновской эволюции сформировались основные морфологические всех ныне живущих видов. Однако, как мы с вами убедимся, функции (тесно связанные со структурой; см. выше) также претерпели эволюцию в процессе естественного отбора. В то же время, поскольку давление отбора может приводить к каким–то изменениям лишь в рамках определенных химических и физических законов, природа и функции живых систем в конечном счете ограничены фундаментальными химическими и физическими свойствами тех элементов и молекул, из которых они состоят.

К концу XIX в. Август Вейсман разработал теорию наследственности, в которой он выдвинул концепцию непрерывности зародышевой плазмы. Согласно этой концепции, генетический материал, который многоклеточные животные передают своему потомству, содержится в зародышевых клетках. У животных каждого поколения эти клетки образуются непосредственно из зародышевых клеток родителей, и тем самым создается непрерывная линия. Зародышевая плазма генетически независима от соматических клеток, которые развиваются из зародышевых клеток и погибают со смертью животного очередного поколения. ДНК можно считать молекулярным эквивалентом зародышевой плазмы Вейсмана; это своего рода бесконечная прядь из воспроизводящихся нитей, которые передаются от поколения к поколению всем животным данного вида (рис. 1–2).

 

Рис. 1.2. Представление о непрерывности наследственности («зародышевого пути»). Субстрат наследственности сохраняется благодаря физиологической деятельности                                   представителей каждого очередного поколения. Естественный отбор благоприятствует                                                        тем физиологическим процессам, которые увеличивают вероятность воспроизведения и, следовательно, передачи  ДНК очередному поколению.

 

 

Весь слепой процесс эволюции направлен на сохранение ДНК «зародышевого пути», поскольку именно в этой молекуле хранится информация, характерная для данного вида. Если информация эта теряется, то вид моментально и необратимо исчезает. Любые структурные и функциональные особенности, являющиеся как бы «внешними» по отношению к постоянной передаче ДНК «зародышевого пути» от поколения к поколению, направлены в конечном счете на сохранение наследственного материала.

Таким образом, между ДНК и всем организмом существуют симбиотические взаимоотношения. Ни организм, ни ДНК не могут выжить друг без друга. «Сома» обязана своим существованием ДНК, а ДНК неминуемо исчезла бы, если бы во время кратковременного существования организма не действовали соматические функции. Так замыкается философский круг: структурные и функциональные особенности животных того или иного вида и даже их поведение формировались в процессе естественного отбора лишь с одной целью – увеличить вероятность сохранения ДНК данного вида. В связи с этим все соматические функции организма прямо или косвенно направлены на приобретение и сохранение энергии и вещества из окружающей среды. Все остальные проявления можно рассматривать лишь как украшения на гармоничном здании биологических процессов.