При катализе идет реакция химического взаимодействия катализатора с реагентами с образованием при этом промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой.
Если в ходе реакции идет постоянный приток извне новых реактивов, отвод готовой продукции, а также выполняются некоторые дополнительные условия, реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами (ЭОКС).
С точки зрения А. П. Руденко, процесс химической эволюции неотделим от явления катализа, причем объектом служит не отдельная молекула, а каталитическая система.
Наиболее сложным случаем катализа является автокатализ, возникающий при каталитическом воздействии продукта реакции на вступающие в нее исходные вещества. Таким образом, на химическом уровне организации материи возникает способность многократного самоускорения, изменения и развития, а саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного притока энергии.
Основным источником энергии, по мнению Руденко, является химическая реакция, которая борется с равновесием и самоорганизацией каталитических систем. В результате борьбы преимущество получает та, которая развивается на основе реакции с бо́льшим выделением тепла[40] и с ростом активности (базисная реакция). Максимальное эволюционное преимущество получает каталитическая система, развивающаяся на базе реакции с самым большим тепловыделением.
Базисная реакция является не только источником энергии, необходимой для полезной работы в системе, которая направлена против равновесия, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.
– Руденко считает, что источником энергии, необходимой для полезной работы в организме, которая направлена против равновесия, является базовая химическая реакция. Базовая реакция – это та, которая идет с наибольшим тепловыделением. Это правильно?
Аструс: Нет, не совсем. Внутренняя энергия не задевается. Надо обязательно затрагивать именно внутреннюю энергию.
– Нам непонятно: с одной стороны, базовая реакция должна идти с ростом негэнтропии, а с другой – она характеризуется большим тепловыделением. А это ведет к росту энтропии (потерь энергии). Как связать два противоположных свойства?
Аструс: Как внешнее и внутреннее.
– Реакция – внешний фактор, выделение тепла – внутренний фактор. А как задеть внутреннюю энергию?
Аструс: Привлечь как диссипативный элемент, который нарушает закон равновесия.
– Нарушает закон в какую сторону?
Аструс: Возникает дискретность то вверх, то вниз. Вызывается раскачка. А при раскачивании возникает эффект усиления.
В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Те же центры, изменение которых связано с уменьшением активности, постоянно выключаются из кинетического процесса, они «не выживают».
С точки зрения Руденко, при многократных последовательных необратимых изменениях катализатора переход его на все более высокие уровни сопровождается эволюцией механизма базисной реакции как за счет изменений состава и структуры катализаторов, функционировавших в начале реакции, так и за счет дробления химического процесса на элементарные стадии и появления новых катализаторов этих стадий. Эти новые катализаторы появляются за счет их саморазвития.
А. П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализатора, при которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.
Большую роль в этом процессе играет так называемый автокатализ, благодаря возникновению которого происходит самоускорение базисной реакции.
Итак, суть теории эволюционного катализа Руденко заключается в том, что в любой открытой системе (в живом организме) в процессе, направленном к равновесию, (за счет свободной энергии обменного процесса) происходит выделение энергии, часть которой расходуется на полезную работу, направленную против равновесия, а часть рассеивается в виде тепла.
Процесс, направленный к равновесию, – это катаболизм, связанный с химической реакцией распада продуктов питания и их окислением. Катаболизм идет с выделением энергии и ростом энтропии.
Процесс, направленный против равновесия, – это анаболизм, связанный с синтезированием новых клеток за счет энергии, выделившейся при катаболизме. Этот процесс идет с поглощением энергии и ростом негэнтропии (энтропия падает).
Итак, в настоящее время существуют два наиболее разработанных теоретически подхода в оценке физической сущности явления самоорганизации в открытых системах. Это подход с позиций неравновесной термодинамики Пригожина и подход с позиций эволюционного катализа Руденко. Оба этих подхода одинаковы в оценке антиэнтропийной природы процесса самоорганизации.
Принципиальное различие теорий самоорганизации Пригожина и Руденко заключается в следующем. Конструктивную роль в возникновении самоорганизации, согласно Пригожину, играет условие необратимости, а согласно концепции эволюционного катализа – условие неравновесности. Причиной самоорганизации в первом случае является диссипация энергии, а во втором случае – внутренняя полезная работа против равновесия. Движущей силой самоорганизации в первом случае является отрицательная энтропия, поступающая в открытую систему из внешней среды, а во втором случае – часть потока свободной энергии обменного процесса в открытой системе [14].
Автоколебания в организме человека
Колебания характеризуются амплитудой и периодом, или обратной ему величиной – частотой колебаний. Амплитуда есть наибольшее отклонение переменной величины от ее среднего значения. Физический смысл частоты – число колебаний в единицу времени. Измеряется частота колебаний в герцах.
Когда период колебаний сохраняется постоянным за все время измерения, такой процесс называется строго периодическим. В апериодическом случае значение периода колебаний не является постоянной величиной. Если имеет место ряд параллельных простых колебательных процессов, суммарное сложное колебание представляет собой суперпозицию всех входящих в него элементарных составляющих сигналов.
Важно отметить, что хотя организм находится в равновесии, его физиологическое состояние может быть динамическим. Во многих организмах наблюдаются эндогенные[41] изменения, связанные с ритмами. Так, даже находясь в гомеостазе, температура тела, кровяное давление, частота сердечных сокращений и большинство метаболических индикаторов не всегда находятся на постоянном уровне, но изменяются в течение времени.
Физиологические колебательные процессы в живых организмах, уже многие тысячи лет наблюдаемые человечеством, являются собственными биоритмами. Природой собственных биоритмов являются непрерывные чередования фаз потребления и выделения энергии посредством управляемых реакций синтеза и расщепления АТФ, направленные на обеспечение устойчивого неравновесного термодинамического состояния биологических систем.
В теле человека постоянно имеют место периодические и апериодические колебательные процессы различных частот и амплитуд. Их локализация определяется биофизическими свойствами как задающих генераторов (ритмообразователей, пейсмекеров[42]), так и окружающих их тканей.
Следует различать естественные и искусственные пейсмекеры. Естественные пейсмекеры – это совокупность нервных и мышечных клеток, задающих ритм деятельности какой-либо системе или органу. Физиологическая роль естественного пейсмекера состоит в обеспечении автоматизма и регуляции интенсивности работы физиологических систем организма (в том числе и центральной нервной системы) за счет изменения частоты (ритмики) возбуждения. Отличительной особенностью функциональной организации пейсмекера являются способность к самовозбуждению, участию в развитии распространяющегося возбуждения, исходящего из другого пейсмекера.
Искусственные пейсмекеры – это электроимпульсные устройства, позволяющие навязывать искусственный ритм сокращений различным естественным возбудимым образованиям. Разработаны, в частности, электронные стимуляторы деятельности сердца, дыхания, пищеварительной, мочеполовой и других систем [15].
Центральным ритмообразователем традиционно принято считать сердце. В синусовом узле сердца имеется небольшое количество клеток – «истинных водителей ритма» – это пейсмекер сердца. В таких клетках за фазой реполяризации (возврата к состоянию расслабления) следует фаза самостоятельной медленной деполяризации (электрического возбуждения, или активации сердца), приводящая к повышению деполяризирующего электрического тока до порогового уровня и генерации потенциала действия. Собственный источник энергии – энергия метаболизма клеток.
