5. Энергия, эмерджентные законы и иерархия жизни

Как я уже подчеркивал, никакая жизненная функция невозможна без энергии. Метаболической энергии требует не только любое сокращение мышц или любая деятельность, но и любая случайная мысль, появляющаяся в мозгу, любое движение тела даже во время сна и даже репликация ДНК в клетках организма. На самом базовом биохимическом уровне метаболическая энергия производится входящими в состав клеток полуавтономными молекулярными образованиями, которые называют дыхательными комплексами. Самая важная молекула, играющая центральную роль в метаболизме, носит несколько отталкивающее имя аденозинтрифосфата и обычно обозначается аббревиатурой АТФ. Биохимические подробности метаболизма чрезвычайно сложны, но главным образом он включает в себя разложение молекулы АТФ, сравнительно неустойчивой в среде, существующей внутри клетки, и превращение аденозинтрифосфата (содержащего три остатка фосфорной кислоты) в АДФ, аденозиндифосфат (в котором этих остатков всего два) с высвобождением энергии связи с третьим кислотным остатком. Энергия, получаемая из распада этой связи, и есть источник метаболической энергии, то есть именно она поддерживает нашу жизнь. Обратный процесс снова превращает АДФ в АТФ с использованием энергии, получаемой из пищи при помощи окисляющего дыхания у млекопитающих, например человека (поэтому нам необходимо вдыхать кислород), или фотосинтеза у растений. Цикл высвобождения энергии при распаде АТФ на АДФ и обратного превращения АДФ в АТФ для сохранения энергии в последнем образует непрерывный замкнутый процесс, очень похожий на зарядку и разрядку аккумулятора. Схема этого процесса, представленная на с. 121, к сожалению, не передает всей красоты и элегантности этого невероятного механизма, обеспечивающего питание большинства форм жизни.

С учетом столь важной роли потока АТФ неудивительно, что его часто называют ходячей монетой метаболической энергии почти всех форм жизни. Хотя в каждый момент наше тело содержит всего около 250 г АТФ, нужно помнить об одном совершенно необычном обстоятельстве: в течение суток человеческий организм производит в среднем порядка 2 ? 10²⁶ – то есть двухсот триллионов триллионов – молекул АТФ, суммарная масса которых составляет около 80 кг. Другими словами, за сутки мы производим и перерабатываем АТФ в количестве, эквивалентном массе нашего собственного тела! Вместе взятые, эти молекулы АТФ обеспечивают необходимый нам уровень метаболизма, давая те приблизительно 90 ватт, которые требуются нам для поддержания жизни и питания нашего тела.

Эти маленькие генераторы энергии, дыхательные комплексы, находятся в волнистых мембранах, расположенных внутри митохондрий, образований в форме картофелины, плавающих по внутреннему объему клеток. Каждая митохондрия содержит приблизительно от пятисот до тысячи таких дыхательных комплексов, а внутри каждой клетки нашего тела имеется приблизительно от пятисот до тысячи митохондрий: их число зависит от типа клетки и ее энергетических потребностей. Поскольку мышцы требуют большего притока энергии, их клетки плотно набиты митохондриями, в то время как в жировых клетках их намного меньше. Итак, в среднем каждая клетка человеческого тела может содержать до миллиона таких микроскопических машин, распределенных по митохондриям и работающих круглые сутки, производя то астрономическое количество молекул АТФ, которое необходимо нам для поддержания жизни, сил и здоровья. Скорость производства суммарного количества АТФ есть мера уровня метаболизма.

Человеческое тело содержит около ста триллионов (10¹⁴) клеток. Хотя у них широчайший спектр самых разных функций, от нервной и мышечной до защитной (кожа) и накопительной (жир), все они имеют одни и те же базовые черты. Все они перерабатывают энергию одним и тем же образом, при помощи иерархии дыхательных комплексов и митохондрий. И это порождает следующую сложную задачу. Приблизительно пятьсот дыхательных комплексов каждой митохондрии не могут действовать независимо друг от друга; для эффективной работы митохондрии и правильной, упорядоченной подачи энергии в клетку они должны работать совместно, интегрированным и согласованным образом. Точно так же приблизительно пятьсот митохондрий, входящих в состав каждой клетки, не могут работать независимым друг от друга образом; подобно дыхательным комплексам они должны взаимодействовать интегрированным и согласованным образом, чтобы все 10¹⁴ клеток, составляющих наше тело, получали энергию, необходимую им для эффективной и правильной работы. Более того, эти сто триллионов клеток должны быть организованы в многочисленные подсистемы – например, различные органы тела, – энергетические потребности которых сильно различаются и зависят от их функций и нагрузки на них, что позволяет нам производить все те разнообразные действия, которые составляют жизнь, от мышления и танцев до секса и восстановления ДНК. И вся эта взаимосвязанная, многоуровневая динамическая система должна быть достаточно прочной и устойчивой, чтобы продолжать непрерывно работать до ста лет!

Иерархия потока жизненной энергии, от дыхательных комплексов (слева вверху), которые производят нашу энергию, через митохондрии и клетки (в центре и справа вверху) до многоклеточных организмов и социальных структур. С этой точки зрения энергоснабжение и поддержание жизни городов обеспечивают в конечном итоге молекулы АТФ, производимые в наших дыхательных комплексах. Несмотря на все различия внешнего вида и инженерных конструкций этих уровней, энергия распространяется на каждом из них по заполняющим пространство иерархическим сетям, обладающим сходными свойствами

Естественно было бы обобщить эту иерархию жизни, распространить ее за пределы отдельных организмов и приложить к общественным структурам. Выше мы говорили о том, как муравьи создают в коллективном сотрудничестве поразительные сообщества, строящие замечательные сооружения, следуя эмерджентным правилам, которые возникают из их интегрированного взаимодействия. Многие другие организмы, например пчелы или растения, также образуют сходные интегрированные сообщества, становящиеся коллективной личностью.

Но самый предельный и поразительный пример можно найти в нас самих. В течение очень короткого времени мы прошли путь от существования в маленьких, довольно примитивных группах, состоящих из нескольких индивидуумов, до полного господства над планетой и создания городов и общественных структур, охватывающих многие миллионы человек. Подобно тому как организмы связаны интеграцией эмерджентных законов, действующих на уровне клетки, митохондрии или дыхательного комплекса, города возникли из фундаментальной эмерджентной динамики социальных взаимодействий и связаны ею. Такие законы – не «случайности», а результат эволюционного процесса, действующего на множественных интегрированных уровнях структуры.

Этот многогранный, многомерный процесс, составляющий жизнь, проявляется и воспроизводится в мириадах разных форм огромного диапазона, в котором разброс по массе превышает двадцать порядков величины. Многочисленные динамические агенты действуют по всей гигантской иерархии, распространяющейся от дыхательных комплексов и митохондрий до клеток, многоклеточных организмов и общественных структур, связывая воедино ее части. Тот факт, что эта система выживает и остается столь прочной, устойчивой и жизнеспособной уже более миллиарда лет, говорит о том, что на всех масштабах должны были возникнуть эффективные законы, управляющие их поведением. Выявление, выражение и понимание этих эмерджентных законов, охватывающих все формы жизни, – грандиозная задача.

Именно в этом контексте следует рассматривать законы аллометрического масштабирования: их систематическая регулярность и всеобщность позволяет получить информацию о таких эмерджентных законах и основополагающих принципах. Поскольку окружающая среда изменяется, все эти разнообразные системы должны быть масштабируемы, чтобы успешно справляться с постоянно встающими перед ними задачами адаптации, развития и роста. На самых разных пространственных и временных масштабах должны действовать одни и те же общие, фундаментальные динамические и организационные принципы. Масштабируемость живых систем лежит в основе их поразительной прочности и жизнестойкости, на уровне как отдельных организмов, так и жизни в целом.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.