Astronet > Informaciya, termodinamika i konstrukciya biologicheskih sistem

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

INFORMACIYa, TERMODINAMIKA I KONSTRUKCIYa BIOLOGIChESKIH SISTEM

L.A.Blyumenfel'd (MGU im. M.V.Lomonosova)
Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale, N 7, 1996 g. Soderzhanie

SKOL'KO STOIT BIOLOGIChESKAYa UPORYaDOChENNOST'?

Pochti vo vsyakoi knige, posvyashennoi teoreticheskoi biologii i biofizike, mozhno vstretit' slova ob udivitel'noi uporyadochennosti biologicheskih struktur na vseh urovnyah ot makromolekul do cheloveka. Rassuzhdeniya ob antientropiinyh tendenciyah zhivogo, ob antientropiinom haraktere biologicheskoi evolyucii stali obshim mestom ne tol'ko u biologov i filosofov, no i u fizikov. Eti utverzhdeniya osnovany na chuvstve udivleniya, kotoroe ispytyvayut uchenye, nablyudayushie biologicheskie struktury i processy. Dlya utverzhdeniya, chto uporyadochennost' odnoi sistemy vyshe, chem drugoi, nuzhno eti uporyadochennosti izmerit'. Izmerimaya, vyrazhaemaya chislom uporyadochennost' mozhet otnosit'sya lish' k makrosostoyaniyu sistemy. V rasporyazhenii fiziki imeetsya poka lish' odna velichina, harakterizuyushaya stepen' uporyadochennosti - entropiya. Ocenim poetomu izmeneniya entropii, svyazannye s vozniknoveniem biologicheskoi organizacii.

Uporyadochennost' postroeniya mnogokletochnogo organizma iz kletok

Telo cheloveka soderzhit primerno 10¹³ kletok. Dopustim, chto sredi nih net ni odnoi pary odinakovyh i chto ni odnu paru nel'zya pomenyat' mestami bez narusheniya funkcionirovaniya organizma. Eto znachit, chto otnositel'noe raspolozhenie kletok v tele cheloveka odnoznachno. Kolichestvo informacii, neobhodimoi dlya postroeniya takoi edinstvennoi struktury iz 10¹³! vozmozhnyh,

$I = \log_2 (10^{13} !) \approx 10^{13} \log_2 10^{13} \approx 4 \cdot 10^{14} bit.$

(6)

Otsyuda sleduet, chto ponizhenie entropii pri postroenii organizma cheloveka iz kletok sostavit

$\Delta S \approx 2 \cdot 10^{-24} \cdot 4 \cdot 10^{14} \approx 10^{-9} ee.$

(7)

Pri isparenii odnogo gramma vody entropiya povyshaetsya primerno na 1 ee. Takim obrazom, ponizhenie entropii pri perehode ot haoticheski raspolozhennyh kletok k organizmu cheloveka chislenno ravno povysheniyu entropii pri isparenii 10^-9 gramm vody. Prinyatye postulaty ob otsutstvii odinakovyh kletok i o nevozmozhnosti ih perestanovok lish' uvelichili rasschitannoe po formule (6) kolichestvo trebuemoi informacii, tak chto $\Delta S$ na samom dele gorazdo men'she.

Uporyadochennost' postroeniya kletki iz biopolimerov

Kolichestvo molekul biopolimerov (belkov, nukleinovyh kislot, poliuglevodov i dr.) v odnoi kletke sostavlyaet v srednem 10⁸. Dopustim snova, chto vse molekuly razlichny, a ih otnositel'noe raspolozhenie unikal'no. Kolichestvo informacii, neobhodimoi dlya postroeniya odnoi kletki iz gotovyh biopolimerov,

$I \approx 10^8 \log_2 10^8 \approx 2,6 \cdot 10^9 bit,$

(8)

a dlya vseh kletok v organizme cheloveka 2,6*10²² bit, chto sootvetstvuet ponizheniyu entropii primerno na 6*10^-2 ee.

Uporyadochennost' postroeniya belkov i DNK iz monomerov

Organizm vzroslogo cheloveka soderzhit okolo 7 kg belkov i 150 g DNK, chto sootvetstvuet $\approx 3 \cdot 10^{25}$ aminokislotnyh i $\approx 3 \cdot 10^{23}$ nukleotidnyh ostatkov. Dlya sozdaniya edinstvennoi posledovatel'nosti iz 20³*10²⁵ vozmozhnyh, dlya belka neobhodimo $\approx 10^{26}$ bit. Dlya DNK neobhodimo $\approx 6 \cdot 10^{23}$ bit. V pereschete na entropiyu poluchaem dlya belkov i DNK 300 i 1,4 ee sootvetstvenno. Takim obrazom, uporyadochennost' biologicheskoi organizacii chelovecheskogo tela "stoit" 301,5 ee i podavlyayushii vklad vnosit uporyadochennoe raspredelenie aminokislotnyh ostatkov v belkah. Ponizhenie entropii pri vozniknovenii takoi biologicheskoi organizacii s legkost'yu kompensiruetsya trivial'nymi fizicheskimi i himicheskimi processami. Povyshenie entropii na 300 ee obespechivaetsya ispareniem 170 g vody. Eti ocenki pokazyvayut, chto vozniknovenie i uslozhnenie biologicheskoi organizacii proishodit prakticheski "besplatno". Vse razgovory ob antientropiinyh tendenciyah biologicheskoi evolyucii osnovany na nedorazumenii. Soglasno fizicheskim kriteriyam, lyubaya biologicheskaya sistema uporyadochena ne bol'she, chem kusok gornoi porody togo zhe vesa. Hotya eti ocenki ne mogut byt' osporeny, oni vyzyvayut chuvstvo neudovletvorennosti. Ved' bez vsyakih raschetov porazitel'naya uporyadochennost' biologicheskih struktur i processov sovershenno ochevidny. Esli fizika govorit, chto eta uporyadochennost' nichego ne stoit, to hochetsya otvetit': tem huzhe dlya fiziki. Intuitivno chuvstvuetsya, chto biostruktury obladayut osoboi uporyadochennost'yu, izmeryat' kotoruyu v entropiinyh edinicah, konechno, mozhno, no mnogogo dlya ponimaniya osobennostei zhivoi materii pri etom ne stoit ozhidat'. V osnove oshusheniya osoboi uporyadochennosti biologicheskih struktur lezhit to obstoyatel'stvo, chto ona imeet smysl. Osmyslenno to, chto imeet cel'.

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: informaciya - entropiya - termodinamika Publikacii so slovami: informaciya - entropiya - termodinamika
Sm. takzhe: Golograficheskii princip i chainik Golograficheskii princip Informaciya Goryachie chernye dyry Matematicheskaya teoriya svyazi Entropiya bol'shogo kanonicheskogo ansamblya v rasshiryayusheisya Vselennoi Absolyutnaya temperatura

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce