Биология в новом свете

Динамическое равновесие на различных уровнях биологической организации. А — молекулярный; Б — субклеточный (митохондрии); В — клеточный; Г — органы и организмы; Д — биоценоз

Поскольку состав молекул непрерывно обновляется, то построенные из них клеточные компоненты — митохондрии, хлоропласты, ядро, наружная клеточная мембрана и т. д. — представляют собой не статические элементы, которые можно сравнивать с техническими изделиями, а динамические структуры, распадающиеся и синтезируемые при динамическом равновесии. Динамика заметна и в ионном составе содержимого клетки. В клетке поддерживается ионная среда, по своему составу совершенно отличная от окружающей, хотя в большинстве случаев суммарная концентрация ионов в клетке такая же, как и во внешней среде. По отношению к окружающей среде клетка "изотонична"[4], ибо в противном случае высокие давления, вызванные процессами осмоса, разрывали бы клетку, тем не менее ионный состав ее иной. Например, в сыворотке крови человека ионов натрия содержится примерно в 10 раз больше, чем ионов калия, а внутри эритроцита соотношение концентраций этих ионов совершенно обратное. В результате возникают сильные градиенты концентраций, благодаря которым ионы калия выходят из клетки, а ионы натрия стремятся внутрь нее. Клетка подобна кораблю, давшему течь, и, чтобы предотвратить гибель этого "корабля", постоянно работают ионные "насосы", удаляя натрий и "накачивая" калий.

Хотя суммарная концентрация ионов в клетке такая же, как и во внешней среде, концентрации отдельных ионов, особенно ионов калия (К) и натрия (Na), существенно отличаются. Такие жизненно важные для клетки различия поддерживаются специальными ионными насосами, локализованными в клеточной стенке. Однако под действием разности концентраций ионы непрерывно стремятся назад и в результате возникает динамическое равновесие, подобное тому, которое устанавливается в резервуаре с водой

Таким образом, концентрация ионов в клетке поддерживается на достаточно постоянном уровне и находится в динамическом равновесии. Аналогичным образом ведут себя и другие вещества, содержащиеся внутри клетки. Динамическое равновесие другого рода присуще различным органическим молекулам, которые разлагаются в клетке в процессе обмена веществ. Их называют метаболитами. Такие соединения, как, например, разного рода сахара, пассивно проникают (диффундируют) или засасываются клеткой и подвергаются здесь разложению. Следовательно, это не приток и сток, которые взаимно компенсируются, а приток и уничтожение. Такие процессы весьма многочисленны.

В сообщающихся сосудах обмен водой продолжается и после того, как уровни в них установились. В этом легко убедиться, подкрасив воду в одном из сосудов. Тем не менее такая структура является статической, ибо процесс обмена здесь не требует затрат энергии

Далее мы еще будем говорить об энергетическом балансе таких процессов. Здесь же мы только отметим, что не все системы, в которых происходит обмен, относятся к системам динамического равновесия. Представим себе два сообщающихся сосуда. Когда уровни воды в них выравниваются, обмен воды все равно продолжается за счет самодиффузии; но, поскольку этот процесс не связан с преобразованием энергии, подобная система является статической, а не динамической.

Хотя живая клетка как строительный кирпичик животного или растения в целом является динамической структурой, находящейся в состоянии динамического равновесия, некоторые из ее частей имеют статическую природу. Во многих случаях содержание воды в клетке пассивно регулируется ее энергетическим уровнем. В этом отношении клетку можно смело сравнивать с сообщающимися сосудами. Правда, энергетический уровень клетки определяется не силой тяжести, а сложным взаимодействием различного вида энергий. Однако об этом несколько позже.