Глава 4. Центральная роль прогноза
P. E. Davidson,
in The Recapitulatory Theory and Human Infancy,
Columbia University Press, 1914.
Энергия течет через все системы организма, и поток её оставляет в нём структурный след. В 1960-х и начале 1970-х годов, пытаясь понять, что такое биологическое дыхание, я создавал много разных «модельных» систем химии дыхания.
В одном из экспериментов 1971 года я использовал аскорбиновую кислоту, перекись водорода, йод и медь. Каждые несколько секунд смесь поочередно меняла цвет и испускала клубы газа. Такую реакцию называют колебательной или реакцией Белоусова-Жаботинского. Происходящее заставило меня осознать, что в «построении структуры» может участвовать особое временнóе измерение, более интересное, чем при простом рассеянии энергии со временем. Начавшись в некоторой точке, колебательная реакция такого рода может генерировать в пространстве интересные кольцевые и спиральные структуры.
Я представляю взаимодействие между потоком энергии (например, между сахаром и кислородом) и структурой таким образом: структура задерживает проходящий поток и использует его для собственной поддержки и усложнения. (По-другому можно посмотреть на это так: если энергия может что-то сделать, она это делает; и это что-то есть построение структуры. Живая структура — это своего рода энергетический заряд, и очень важна спонтанность природы взаимодействий при наличии источника энергии.) Химическая природа источника энергии (и энергетического «поглотителя», которым обычно является кислород) влияет на природу структурного строительства.
С позиций О. Варбурга, А. Сент-Дьёрди и др. между энергией, выделяемой при гликолизе, и энергией митохондриального дыхания существует важное различие. Они чувствовали, что гликолиз является более примитивной формой энергопроизводства и поддерживает только элементарное функционирование и деление клеток, в то время как более эффективное дыхание обеспечивает дифференцировку клеток и сложные функциональные процессы.
Варбург полагал, что особые свойства дыхательной энергии может объяснить локализация митохондрий в клеточном пространстве. А Сент-Дьёрди думал, что дыхание напрямую удерживает структурные белки клетки в особом электронном состоянии. В настоящее время признано, что местоположение митохондрий создает внутри клетки энергетический градиент (АТФ). (Существование этих градиентов было предметом догматический сомнений.) И, например, полиамины, которые связаны с ростом скорости деления клеток, по-видимому, смещают клеточный метаболизм от дыхания в сторону гликолиза. Оказывается, природа источника энергии важнее, чем думали многие биологи.
Участвующие в адаптации и размножении гормоны регулируют баланс между гликолизом и дыханием. В других работах (например, J. Orthomol. Psych., 1975) я рассматривал гормоноподобные свойства различных питательных веществ. В 1930-х годах заметили, что все изменения у крыс, в питании которых отсутствовали «незаменимые жирные кислоты», совпадали с изменениями, происходящими при гипертиреозе. Параллельно с равновесием (или антагонизмом) между противоборствующими гормонами, похоже, существует какой-то баланс и оппозиция между различными видами пищевой энергии.
Различные пищевые источники энергии оказывают сложное структурное и функциональное влияние на организм, и я намерен в ближайшее время обсудить это более подробно. Но есть данные, говорящие об относительно простой абсорбционной или растворительной совместимости между клеточным веществом, находящимся в определенном энергетическом состоянии, и молекулами топлива, предпочитаемыми конкретным энергетическим состоянием. Вероятно, это может объяснить явные «направленные мутации» в способности микроорганизмов использовать новые вещества в качестве питания, которые наблюдали C. C. Lindegren, J. Cairns и другие. При адаптации к имеющимся в наличии продуктам не требуется никаких предвидений, а только своего рода структурное приспособление.
В процессе суточного цикла смены дня и ночи доступность пищи изменяется, и для защиты от стресса при участии множества гормонов происходит регулирование обмена веществ и нервной функции (рис. 1). Имеет место обучение — в том смысле, что циклическое повторение предвидят даже «простые» организмы. У людей и других млекопитающих наблюдают «феномен рассвета», когда к восходу солнца уровень сахара в крови поднимается до дневного уровня.
Если во время беременности нет недостатка в питании, и окружающая среда не вызывает стресс, то мозг плода растет быстрее, чем в случаях, когда беременность протекает в условиях недоедания или стресса. Мозг является метаболически дорогим органом, а больший мозг, как правило, соответствует ускоренному метаболизму организма в целом. Если плод в утробе получал хорошее питание и подвергался воздействию в меньшей степени со стороны кортизола и в большей степени со стороны прогестерона, то создается впечатление, что развивающийся плод ожидает относительного пищевого изобилия и в течение всей предстоящей жизни.
В эволюции тенденция к доминированию головы (цефализация) у животных накладывается на другую тенденцию (известную также у растений). Её называют ювенилизацией, педоморфизмом или неотенией, когда ранняя стадия развития организма, ювенильная, длится у потомства все дольше и дольше, в конце концов становясь нормальным взрослым типом. Детеныши обезьяны по пропорциям тела и поведению напоминают людей гораздо больше, чем взрослые обезьяны. Младенец представляет наше эволюционное будущее.
Эмбриологи наблюдают, как «онтогенез повторяет филогению» — на раннем этапе развития млекопитающие проходят через стадии, напоминающие рыб и рептилий. Меня всегда интриговал тот факт, что рост объема мозга по отношению к телу, наблюдаемый при переходе от взрослого к младенцу, можно увидеть и при дальнейшем обратном движении от младенца к эмбриону, примерно на втором месяце или седьмой неделе развития. То есть первые несколько недель онтогенеза повторяют филогению, но затем и онтогенез также предвосхищает филогению, которая еще не наступила (рис. 2).
Физические/химические структуры, приспосабливаясь к проходящему и усложняющему их потоку энергии, отображают прошлые и сиюминутные состояния, типы источников энергии и энергопотребления. По-видимому, различные анатомические и физиологические системы соответствуют разным геологическим периодам. Ранний эмбрион (который по отношению к его энергетическому запасу очень мал) находится в чрезвычайно благоприятных энергетических условиях. Это обстоятельство, судя по всему, способствует развитию определенных структурных взаимосвязей, которые закладывают возможные направления структурно-функционального развития, случись в будущем более щедрая в отношении внешних энергоресурсов ситуация.
ПРИМЕЧАНИЯ. Термином «ароморфоз» обозначают внезапное появление новой биологической формы при подходящих энергетических условиях (например, М. И. Будыко, «Эволюция биосферы», 1986). Педоморфоз, или ювенилизм, можно рассматривать как «ароморфный» ответ на окружающую среду (или нишу), которая становится все более питательной. Младенческая форма, которая требует взращивания, упорно использует преимущества более щедрой и энергонасыщенной среды. И В. И. Вернадский, и Илья Пригожин внесли свой вклад в разработку теории о возникновении порядка из беспорядка. F. D. Peat излагает идеи Пригожина в книге Synchronicity (Bantam Books, 1987).
Для каждого этапа эволюционной истории характерна своя метаболическая химия. Защищая и стимулируя митохондриальное дыхание, мы вносим свой вклад в нашу собственную эволюцию. (Более подробно об этом — в главах «Молодость, энергия, регенерация» и «Жизнь природы»).
* За этой идеей стоит принцип Ле Шателье, согласно которому система настраивается таким образом, чтобы восстановить нарушенное равновесие. Каждую часть потока можно рассматривать как нарушенное равновесие. Процесс усложняющего упорядочивания структуры обычно поглощает возмущающую энергию.
Имея в виду конкретно сердечную мышцу, Сент-Дьёрди сказал, что «структуру выстраивает функция». Обобщенные принципы стабильности прольют свет на жизненные процессы, в которых стимуляция приводит к росту и адаптации. По фрагментам большая часть необходимых знаний уже собрана.
У животных предложенный закон ароморфоза о максимальном стремлении живых систем задерживать поток энергии будет подразумевать склонность к большему мозгу, большей продолжительности жизни и, вероятно, более теплым организмам с более высоким энергетическим зарядом.
Выясняется, что по сути развитие млекопитающего является
процессом не рекапитуляции, а, скорее, адаптации и упреждения.
P. E. Davidson,
in The Recapitulatory Theory and Human Infancy,
Columbia University Press, 1914.
Энергия течет через все системы организма, и поток её оставляет в нём структурный след. В 1960-х и начале 1970-х годов, пытаясь понять, что такое биологическое дыхание, я создавал много разных «модельных» систем химии дыхания.
В одном из экспериментов 1971 года я использовал аскорбиновую кислоту, перекись водорода, йод и медь. Каждые несколько секунд смесь поочередно меняла цвет и испускала клубы газа. Такую реакцию называют колебательной или реакцией Белоусова-Жаботинского. Происходящее заставило меня осознать, что в «построении структуры» может участвовать особое временнóе измерение, более интересное, чем при простом рассеянии энергии со временем. Начавшись в некоторой точке, колебательная реакция такого рода может генерировать в пространстве интересные кольцевые и спиральные структуры.
Я представляю взаимодействие между потоком энергии (например, между сахаром и кислородом) и структурой таким образом: структура задерживает проходящий поток и использует его для собственной поддержки и усложнения. (По-другому можно посмотреть на это так: если энергия может что-то сделать, она это делает; и это что-то есть построение структуры. Живая структура — это своего рода энергетический заряд, и очень важна спонтанность природы взаимодействий при наличии источника энергии.) Химическая природа источника энергии (и энергетического «поглотителя», которым обычно является кислород) влияет на природу структурного строительства.
С позиций О. Варбурга, А. Сент-Дьёрди и др. между энергией, выделяемой при гликолизе, и энергией митохондриального дыхания существует важное различие. Они чувствовали, что гликолиз является более примитивной формой энергопроизводства и поддерживает только элементарное функционирование и деление клеток, в то время как более эффективное дыхание обеспечивает дифференцировку клеток и сложные функциональные процессы.
Варбург полагал, что особые свойства дыхательной энергии может объяснить локализация митохондрий в клеточном пространстве. А Сент-Дьёрди думал, что дыхание напрямую удерживает структурные белки клетки в особом электронном состоянии. В настоящее время признано, что местоположение митохондрий создает внутри клетки энергетический градиент (АТФ). (Существование этих градиентов было предметом догматический сомнений.) И, например, полиамины, которые связаны с ростом скорости деления клеток, по-видимому, смещают клеточный метаболизм от дыхания в сторону гликолиза. Оказывается, природа источника энергии важнее, чем думали многие биологи.
Участвующие в адаптации и размножении гормоны регулируют баланс между гликолизом и дыханием. В других работах (например, J. Orthomol. Psych., 1975) я рассматривал гормоноподобные свойства различных питательных веществ. В 1930-х годах заметили, что все изменения у крыс, в питании которых отсутствовали «незаменимые жирные кислоты», совпадали с изменениями, происходящими при гипертиреозе. Параллельно с равновесием (или антагонизмом) между противоборствующими гормонами, похоже, существует какой-то баланс и оппозиция между различными видами пищевой энергии.
Различные пищевые источники энергии оказывают сложное структурное и функциональное влияние на организм, и я намерен в ближайшее время обсудить это более подробно. Но есть данные, говорящие об относительно простой абсорбционной или растворительной совместимости между клеточным веществом, находящимся в определенном энергетическом состоянии, и молекулами топлива, предпочитаемыми конкретным энергетическим состоянием. Вероятно, это может объяснить явные «направленные мутации» в способности микроорганизмов использовать новые вещества в качестве питания, которые наблюдали C. C. Lindegren, J. Cairns и другие. При адаптации к имеющимся в наличии продуктам не требуется никаких предвидений, а только своего рода структурное приспособление.
В процессе суточного цикла смены дня и ночи доступность пищи изменяется, и для защиты от стресса при участии множества гормонов происходит регулирование обмена веществ и нервной функции (рис. 1). Имеет место обучение — в том смысле, что циклическое повторение предвидят даже «простые» организмы. У людей и других млекопитающих наблюдают «феномен рассвета», когда к восходу солнца уровень сахара в крови поднимается до дневного уровня.
 |
| Рис. 1. Рост кортизола ночью |
В эволюции тенденция к доминированию головы (цефализация) у животных накладывается на другую тенденцию (известную также у растений). Её называют ювенилизацией, педоморфизмом или неотенией, когда ранняя стадия развития организма, ювенильная, длится у потомства все дольше и дольше, в конце концов становясь нормальным взрослым типом. Детеныши обезьяны по пропорциям тела и поведению напоминают людей гораздо больше, чем взрослые обезьяны. Младенец представляет наше эволюционное будущее.
Эмбриологи наблюдают, как «онтогенез повторяет филогению» — на раннем этапе развития млекопитающие проходят через стадии, напоминающие рыб и рептилий. Меня всегда интриговал тот факт, что рост объема мозга по отношению к телу, наблюдаемый при переходе от взрослого к младенцу, можно увидеть и при дальнейшем обратном движении от младенца к эмбриону, примерно на втором месяце или седьмой неделе развития. То есть первые несколько недель онтогенеза повторяют филогению, но затем и онтогенез также предвосхищает филогению, которая еще не наступила (рис. 2).
 |
| Рис. 2. Онтогенез предсказывает филогению |
ПРИМЕЧАНИЯ. Термином «ароморфоз» обозначают внезапное появление новой биологической формы при подходящих энергетических условиях (например, М. И. Будыко, «Эволюция биосферы», 1986). Педоморфоз, или ювенилизм, можно рассматривать как «ароморфный» ответ на окружающую среду (или нишу), которая становится все более питательной. Младенческая форма, которая требует взращивания, упорно использует преимущества более щедрой и энергонасыщенной среды. И В. И. Вернадский, и Илья Пригожин внесли свой вклад в разработку теории о возникновении порядка из беспорядка. F. D. Peat излагает идеи Пригожина в книге Synchronicity (Bantam Books, 1987).
Для каждого этапа эволюционной истории характерна своя метаболическая химия. Защищая и стимулируя митохондриальное дыхание, мы вносим свой вклад в нашу собственную эволюцию. (Более подробно об этом — в главах «Молодость, энергия, регенерация» и «Жизнь природы»).
* За этой идеей стоит принцип Ле Шателье, согласно которому система настраивается таким образом, чтобы восстановить нарушенное равновесие. Каждую часть потока можно рассматривать как нарушенное равновесие. Процесс усложняющего упорядочивания структуры обычно поглощает возмущающую энергию.
Имея в виду конкретно сердечную мышцу, Сент-Дьёрди сказал, что «структуру выстраивает функция». Обобщенные принципы стабильности прольют свет на жизненные процессы, в которых стимуляция приводит к росту и адаптации. По фрагментам большая часть необходимых знаний уже собрана.
У животных предложенный закон ароморфоза о максимальном стремлении живых систем задерживать поток энергии будет подразумевать склонность к большему мозгу, большей продолжительности жизни и, вероятно, более теплым организмам с более высоким энергетическим зарядом.