Метастабильные системы и жизнь
Метастабильные системы
Начнём с детской загадки: Какие камни в море? [мокрые]. Зададим очень похожий вопрос: Какие системы существуют в природе? [устойчивые].
Неустойчивые системы просто не могут существовать: они будут сразу же разрушены. Чтобы существовать, каждая система должна обладать определённым уровнем устойчивости.
Вернёмся к примеру с мячом на вершине, склоне или основании холма, который мы рассматривали на предыдущем занятии. Мяч на вершине холма находится в неустойчивом состоянии: малейшее движение, и мяч покатится вниз. На склоне холма мяч тоже катится вниз, если только он не попадёт в ямку и остановится в ней. Только внизу, на дне самой нижней ямы, он остановится (может быть, после нескольких колебаний). Там его гравитационная потенциальная энергия будет минимальной.
В ямках на склоне его энергия имеет только локальные минимумы. Если мы применим достаточно большое возмущение, мяч перекатится через край и продолжит катиться по склону. Подталкивая мяч к краю ямки, мы увеличиваем его гравитационную энергию, поднимая её выше потенциального барьера (поднимая мяч выше края), и запас энергии, сохранённый в этом метастабильном состоянии, высвобождается.
Метастабильные системы и состояния часто встречаются и играют важную роль в природе и в нашей жизни.
Рассмотрим химическую реакцию, например, горение угля C + O2 -> CO2 . Система C + O2 была в метастабильном состоянии, и горение привело её в устойчивое состояние CO2 , химическая энергия которого минимальна. Высвобожденная энергия выделилась в виде тепла и света. Чтобы началось горение, мы должны преодолеть потенциальный барьер: поднять температуру небольшой части угля выше порога горения.
Минимум ядерной потенциальной энергии достигается для железа. Это значит, что все элементы, за исключением железа, метастабильны. Они не превращаются в железо из-за очень высоких потенциальных барьеров.
В живых организмах метастабильные состояния играют очень важную роль.
Организмы должны иметь потенциальную энергию. Она должна сохраняться долгое время без рассеяния и обеспечивать работу, нужную для жизни организма. В метастабильных состояниях энергия высокого потенциала защищена от рассеяния потенциальным барьером, и эти состояния обеспечивают энергетические нужды организма.
Необходимая энергия сохраняется в жирах, углеводах и даже белках и высвобождается специальными энзимами. Так организм может управлять энергетическими потоками и потенциальными барьерами.
Определение свойств жизни
Начиная с 1960-х годов, Анохин, Бернштейн и Штеренберг подчёркивали, что способность к опережающему реагированию является отличительным свойством жизни. Это значит, что организмы способны реагировать не только на важные для их существования события, но также на опережающий знак-сигнал-информацию (звук, запах, свет и так далее).
Поскольку энергия сигнала, как правило, гораздо меньше энергии реагирования, такая реакция называется усилительно-сохранительным реагированием. Реакция должна соответствовать возможному событию (хищник, жертва, вода, партнёр) до контакта. Такой ответ даёт организму гораздо больше шансов на выживание. Например, для бабочек достаточно 2-3 молекул на м3 воздуха, чтобы ответить партнёру.
Физика и химия жизни
Следуя Штеренбергу, рассмотрим, какие свойства должны иметь организмы, чтобы обеспечить усилительно-сохранительные реакции:
1. Организм использует метастабильные состояния, защищённые потенциальными барьерами, чтобы обеспечить нужные ответы.
2. Организм имеет вещества и структуры, регулирующие высвобождение энергии в ответ на сигнал-информацию – слабый, но специфический энергетический импульс. Такие структуры, называемые стрейторами, могут изменять состояние потенциального барьера и управлять процессом высвобождения энергии. Они могут устранить или восстановить потенциальный барьер в ответ на сигнал. Такие вещества и структуры называются катализаторами в химии и энзимами в биологии. Их действие высоко избирательно.
3. Организм имеет вещества и структуры, преобразующие
высвобожденную энергию в работу для его выживания. Это может быть костно-мышечная система организма, преобразующая сокращение мускулов в огромное число комбинаций весьма различных движений. Это может быть устройство в машине, преобразующее движение цилиндров во вращение колёс.
Сиэл
Структура, удовлетворяющая этим трём условиям, называется сигнальным элементом – сиэлом. Это – элементарная структура, «знающая», на какой сигнал и как реагировать. В структуре сиэла мы видим смысловой, не только физический аспект реакции, определяющий локальную часть специфического ответа организма. Из многих триллионов этих элементарных смыслов строятся функции отдельных клеток, из них – функции органов и функции целого организма. Сиэл – элементарная структура управления, в которой низкая энергия сигнала управляет гораздо более мощными энергетическими потоками.
Программа
Это структура, способная создавать сигналы для данного организма или автоматической машины. Примеры: ДНК, РНК, компьютерные диски, exec-файлы.
Организованная система
Это система, существование и работа которой зависит от её сиэлов – например, организмы. автоматические машины, роботы и совокупности таких систем.
Самоорганизация
Энергия сигнала гораздо меньше энергии ответа. Организм сам обеспечивает энергию для ответов и нужных реорганизаций. Активность организма в ответ на внутренние сигналы (голод, любопытство) – также пример самоорганизации.
Упорядочение
Определение фон-Неймана: система тем более упорядочена, чем меньше информации нужно, чтобы описать её. Чтобы описать хаотическое бесконечное множество точек на плоскости, нужно бесконечное количество информации. Но если это – точки на прямой, достаточно определить два параметра m и b: y = mx + b. Если вы пытаетесь решить проблему методом проб и ошибок, вам может потребоваться практически бесконечное число проб. Но если вы применяете алгоритм, содержащий последовательность операций, то число проб будет гораздо меньше, так что решение станет более упорядоченным.
Разнообразие жизни и жизнь как целое
Жизнь на Земле весьма разнообразна. Припомните китов и москитов, секвойи и бактерии. Все они очень сложны и очень различны и все сильно зависят от других живых организмов. Все они принадлежат к одной и той же экосистеме, которая называется Жизнь на Земле. Искусственные вещи, которые люди изобрели для улучшения их жизни, также принадлежат к этой экосистеме. Некоторые из них функционально похожи на живые существа, хотя пока что гораздо проще. Так что пока мы не можем считать их живыми.
Общие свойства природных живых существ
1. Все живые существа очень сложны и упорядочены.
Сложность связана с большим количеством различных устройств, организованных в целостный организм. Даже простейшее живое существо гораздо сложнее, чем любая система, построенная людьми.
2. Все живые существа включены в большие системы материи и энергии.
Всем организмам нужна энергия и определённые вещества, чтобы жить. Растения создают органические вещества, используя солнечный свет для фотосинтеза. Животные и грибы получают молекулы высокой энергии от растений и других живых существ.
3. Вся жизнь зависит от химических реакций в клетках.
Клетки - высокоорганизованные блоки жизни. Большинство живых организмов имеют типичные молекулярные блоки и типичный набор химических реакций. Бактерии и сине-зелёные водоросли одноклеточны, а большие организмы, например, люди, имеют триллионы взаимозависимых клеток.
4. Всем живым существам требуется вода в жидком состоянии.
Вода в жидком состоянии обладает некоторыми необычными свойствами, например, способностью растворять многие вещества и высокой теплоёмкостью. Это делает воду необходимой средой в клетках.
5. Организмы растут и развиваются.
Все организмы меняют формы и функции на разных стадиях их жизни.
6. Живые существа регулируют использование энергии и ответы их окружению.
Мы уже знаем о сигнальных реакциях. Когда температура нашего теля существенно меняется, мы потеем или дрожим и так регулируем температуру. Во время периодов сильного холода или засухи многие растения засыпают, а животные становятся вялыми или тоже засыпают (медведь в берлоге). Во время более тёплых или влажных периодов растения цветут, а животные начинают воспроизводительный цикл.
7. Все живые вещества имеют один и тот же генетический код, который при воспроизведении переходит от родителей к детям.
Химическими реакциями в клетках управляет код на языке молекул ДНК. Вся наследственная информация существует на одном генетическом языке. Процесс воспроизведения может быть весьма различным: от деления клетки на две до сексуального воспроизведения. Но во всех случаях жизнь состоит из цепочек родителей и детей.
8. Все живые существа имеют общее происхождение и участвуют в одном и том же процессе эволюции.
Чарлз Дарвин и другие учёные доказали это для всех живых существ, имеющих клетки с ядрами. В конце 1970-х годов биолог Карл Весе открыл две группы очень простых одноклеточных организмов без ядер. Эти клетки имеют химические процессы, сильно отличающиеся от процессов для остальной клеточной жизни. Они представляют собой отдельные сферы жизни: одноклеточной без ядер.
Мы должны также рассмотреть вирусы. Вирус – это короткая цепочка РНК или ДНК с белковым покрытием, допускаемым рецепторами клетки, в которую вирус проникает и воспроизводит себя, используя механизмы этой клетки. Вирусы очень быстро изменяются, мутируя в миллионы раз быстрее, чем обычные клетки, или обмениваясь секциями своей ДНК с другими цепочками (из клетки или от других вирусов). Они представляют не клеточную жизнь, а жизнь, использующую клеточные организмы и их клетки.
Metastable systems
We can start with childish riddle: What rocks are in sea? [wet]
We ask a very similar question: What systems do exist in nature? [stable]
Unstable systems simply can’t exist: they will be destroyed at once. To exist, each system must have a definite level of stabiity.
Let us return to example with a ball on top, slope, or bottom of a hill (see previous lecture). The state of the ball on top of the hill is unstable: any slightest movement, and the ball will roll down. On slope of a hill, the ball will also roll down, unless it gets into a pit and stops there. Only down the hill, in the bottom of the lowest pit, it stops (maybe, after several oscillations). Its gravitational potential energy will be minimal there.
In pits on slope, this energy has only local minima. If we apply an enough big disturbance, the ball will go up the ridge and then continue to roll down on the slope. We increase its gravitational energy, making it higher than ridge potential barrier, and the reserve of energy, saved in this metastable state, releases.
Metastable systems and states are widely distributed in nature and in our life.
If we consider a chemical reaction, for example, burning of charcoal: C + O2 -> CO2 , we see that a system C + O2 was in a metastable state, and the burning brought it into a stable state CO2 with minimum of chemical energy; released energy transferred into heat and light. To start the burning, we must overcome the potential barrier: increase temperature of some small part of charcoal higher that threshold of burning.
For potential nuclear energy, the minimum is achieved for iron. It means that all elements, with exception of iron, are metastable. They don’t turn into iron due to very high potential barriers.
In live organisms, metastable states play very important role. Organisms must have a potential energy, and it has to be conserved long time without dispersion, to ensure work, needed for life of the organism. In metastable states, high potential energy is protected from dispersion by potential barrier, and just metastable states ensure energetic needs of an organism. Needed energy is being conserved in fats, hydrocarbons, and even proteins, and is being released by specific enzymes. So an organism can manage energetic flows and potential barriers.
Determining properties of life
Beginning with 1960s, Anokhin, Bernstein, and Shterenberg emphasized that an ability to forestalling respond is a distinguishing feature of life. It means that organisms are able to react not only to important for their existence event, but also to forestalling low energetic sign – signal-information (sound, smell, light, etc). Because the energy of the sign is, as a rule, essentially less that the energy of respond, such a reaction is called a booster-conserve respond. The respond must be adequate to the event (predator, victim, water, sex partner) even before the contact. Such a respond gives to an organism much more chances for conservation. For example, for butterflies, it is enough 2-3 molecules in m3 of air, to respond to a sex-partner.
Physics and chemistry of life
Following Shterenberg, we consider, what features must have organisms, to ensure booster-conserve responds:
1. Organism uses metastable states with energy, protected by potential barrier, to ensure the responds.
2. Organism has substances or structures, regulating releasing of this energy in respond to a signal-information – weak, but specific energetic impulse. Such structures, called straightors, are able to change state of the potential barrier and manage the process of energy releasing. They can rid of or restore potential barrier in respond to the signal. Such substances or structures are called catalysts in chemistry and enzymes in biology. Their action is highly selective.
3. Organism has substances or structures, transforming released energy in work for its conservation. For example, it can be a ferment that is not only a catalyst, but defines a direction of chemical reaction together with cell membrane. It can be the bone-joint system of an organism, transforming contraction of muscles into a huge number of combinations of very different movements. It can be a kinematic part of a machine, transforming rotation of the engine into a specific work.
A siel
A structure that meet all three conditions, is called a signal element – siel. It is an elementary structure, “knowing”, to what signal and how to react. In the structure of a siel, we see a semantic, not only physical aspect of a reaction, directed specifically to a local part of a respond of an organism. From many trillions of these elementary meanings, functions of individual cells are put together, from them – functions of organs, from them – functions of organism as a whole.
Siel is an elementary structure of management, in which a low energy of a signal manages essentially more powerful energetic flows.
A program
It is a structure, able to create signals for given organism or automatic machine. Examples: DNA, RNA, computer discs or exec-files.
An organized system
It is a system, existence and work of which depends on siels included, as organisms, automatic machines, computers, robots, and sets of them.
Self-organization
Signal energy is many times less that response energy. So organism itself ensures energy for the response and needed reorganizations. Activity of an organism in response to inner signals (hanger, curiosity) is also an example of self-organization.
Ordering
Definition of ordering belongs to von Neumann and says that a system is the more ordered, the less information is required to describe it. To describe a chaotic infinite set of points on a plane, you need infinite quantity of information. But if they are on a line, you can write y = mx + b. If you try to find a solution of a problem by trials and errors, you can need practically infinite number of trials. But you apply an algorithm, containing a sequence of operations, directed to the solving, the number of trials is essentially reduced, so the solution becomes more ordered.
Diversity of life and life as whole. Life on Earth is very various. Remember whales and mosquitoes, sequoias and bacteria. All of them are very complex and different and still highly depend on other living things. All of them belong to the same ecosystem that is called Life on Earth. Artificial things, that human beings invented for improvement of their life, also belong to this ecosystem. Some of them are functionally similar to life things, though much simpler up to now. So up to now, we don’t consider them alive.
Common features of natural living things
1. All living things maintain a high degree of order and complexity. Complexity is related to the number of different parts that are organized to make the whole. Even the simplest living thing is much more complex than any object ever constructed by humans.
2. All living things are parts of larger systems of matter and energy. All organisms need energy and building materials to live. Plants create organic matter, using Sun’s radiation by photosynthesis. Animals and fungi obtain energy-rich molecules from plants and other living things.
3. All life depends on chemical reactions in cells. Cells are highly organized building blocks of life. Most living things share a basic set of molecular building blocks and chemical reactions. Organisms like bacteria and blue-green algae are single-celled, while larger organisms such as human beings incorporate trillions of interdependent cells.
4. All living things require liquid water. Liquid water possesses several unusual properties, like its ability as a solvent and its high heat capacity, which make it an essential medium in the cells.
5. Organisms grow and develop. All organisms change in form and function at different stages in their lifetimes.
6. Living things regulate their use of energy and respond to their environment. We already know about signal reactions. When a temperature of our body is changed significantly, we are sweating or shivering and regulate it. During periods of extreme cold or dryness, many plants are dormant and animals become sluggish. During warmer or wetter periods, plants flower and animals enter reproductive cycle.
7. All living things share the same genetic code, which is passed from parents to off-springs by reproduction. The chemical reactions in a cell are governed by a code in the language of DNA molecule. All heredity information uses a single genetic language. The process of reproduction can be very different: from splitting of a single cell into two offspring up to human sexual reproduction. In all cases, life consists of a chain of parents and offspring.
8. All living things have common ancestry and participate in the same process of evolution. Charles Darwin and other scientists proved it for all life based on cells with nuclei. In the late 1970s, biologist Carl Woese discovered two groups of extremely simple one-celled organisms without nuclei. These cells have remarkable distinctive and varied chemical processes that set them apart from all other cellular life. They are separate domains of single-celled life without nuclei.
We have also to consider viruses. A virus is a short length chain of RNA or DNA wrapped in a protein coating that fits cell receptors and replicates itself using the cell’s machinery. They can change very rapidly, either mutating millions times faster than normal cells or swapping sections of their DNA with other chains (from a cell or from another virus). They are not representatives of cell life, but live using cell organisms and their cells.