3.1 Биология тарихындағы механизмі және витализмі

Тіршілік мәнінің концепциясы философияның негізгі сұрағына тікелей қатысты, оның мәні болмыс пен сана, материя мен рух арақатынасында диалектикалық материализм бұл сұрақты келесідей шешеді: болмыс, материя – бастапқы; сана, рух – екінші мәрте, яғни сана ең жоғарғы тірі мен өлінің айырмашылығы материяның қасиеті болып табылады. Мұндай түсінікте тіршілік ерекше күрделі материяның тіршілік формасы. Материяны заманауи түсіну тіршілік мәнін толық сипаттауға мүмкіндік береді. Тіршіліктің негізгі функциялары энергияны пайдалану, қозғалыстағы заттарды тасымалдау, ферментативті катализ, иммунитет, сигнал беру мен жүйкелік іс - әрекеттің механизмдерінің көбею материалдық ұстаным жағынан түсіндіреміз. Бірақ ең алдымен философтар мен ғалымдар орталарында тіршілік туралы көзқарастардың дамуына тарихи анықтама берген жөн болар.

Тарихи тұрғыда бұл сұраққа екі қарама-қайшы көзқарас болды, олар материалистік және идеалистік. Біріншісі – механизм, екіншісі – витализм. Механизм (грек тілінен аударғанда mechane – құрал, құрылыс деген мағынаны береді) тіршілікті қозғалыстың кәдімгі механикалық және физикалық формалары және материяның айналуымен түсіндірді. Механизм – танымның біржақты тәсілі, материяның механикалық формасын жалғыз объективті деп мойындауға негізделген. Тіршілік мәнінің бірнеше механистік түсіндірмелері болды. Тегінде механизм – тіршілік – классикалық Ньютондық механика принциптеріне негізделіп түсіндірілді. Оның әрбір өткен және болашақ қадамы есептелуі мүмкін. Туу, өмір мен өлім де, күннің шығысы мен батысы сияқты циклді заңды. Бұл түсіндірме бүгінгі таңда тарихи ықыласқа ие. Машиналық теория 17-18 ғасырларда әйгілі болды. Тіршілік статикалық өзгермейтін құрылымдарда машиналық үрдістер тәрізді болатын физикалық және химиялық үрдістер соммасы тәрізді көрінетін. Мұндай түсіндірмеде эволюцияның даму идеясы болмады. Тірі әлем белгілі бір тәртіп бойынша жұмыс істейтін күрделі физикалық-химиялық механизм ретінде қарастырылды. Механизм физикализм ретінде ХІХ ғасырдың соңы мен ХХ ғасырдың басында пайда болды және тек ХХ ғасырдың ортасында ғана толық біткен формаға ие болды. Физикалистердің ойларына сәйкес тіршілік дамиды, бірақ негізінде ол жай физикалық химиялық үрдістерден құралған. Оған қоса биологиялық үрдістер ең алдымен қарапайым химиялық үрдістермен байланысады, ал химиялық өз кезегінде одан да қарапайым физикалық үрдістермен байланысады. Түрлі күрделі деңгейдегі қатынастар жинақтар принципі деп аталады. Жинақ принципі немесе редукцияға негізделген тану әдісі редукционизм деп аталады (латын тілінен аударғанда reductio – артқа жылжыту, бұрынғы қалпына қайтару), сондықтан физикализм өзінің әдіснамалық қолданысында редукционизмнің соңғы формасы ретінде орын алады. Механизм сияқты материалдық қалыптасуларға сапалы спецификаны жоққа шығару тән, себебі күрделілері қарапайым элементтермен қосылады, толығы оның бөліктерінің есесіне қосылады. Физикализмнің табиғи ғылыми дүниетаным ретінде дамуына ХІХ ғасырдың екінші жартысы мен ХХ ғ. бірінші жартысындағы физика мен химия жетістіктері, тірі денелерде бейорганикалық денелердің қасиеттері мен заңдарының (физика-химиялық мәнде) ашылуы себеп болды. Тіршілік химиялық және физикалық заңдылықтар бойынша зат және энергия алмасу үрдістеріне салды. Көрнекті ғалымдардың физикализм рухындағы бірқатар сипатты пікірлерін келтірейік.

Бертран Рассел – ағылшын философы, математик, логик; 1951 ж. жазылған: «жанды материя жаңды материяны басқаратындарынан өзге заңдарға бағынады деп санауға себеп жоқ және жанды материяның барлық әрекеттерін физика мен химия құралдарымен теориялық тұрғыда түсіндіруге болады деп пайымдауға жеткілікті негіздер бар». Осылайша, биология физика мен химияның бөлшегі болады деп растау керек.

Эрвин Шредингер – австриялық физик, квантты механик 1946 ж. «жанды материя, қазіргі уақытқа дейін анықталған физикалық заңдардан ауытқымаса да, басқадай, әлі ашылмаған физикалық заңдарға бағынуы ықтимал, олар анықталғанда бастапқылары сияқты физиканың бөлінбес бөлшегіне айналады» деп мәлімдеді. Яғни әзірше шешілмеген тіршілік көріністерінің түрлері ерте ме, кеш пе физикалық үрдіс ретінде түсіндірілетін болады. ХХ ғасырдың екінші жартысында физиканың қарқынды дамуы, жаңа элементарлық бөлшектердің және физикалық өрістердің ашылуы, кибернетика мен ақпараттық теорияның жетістіктері табиғаттағы, соның ішінде тірі ағзалардағы күрделі материалдық өзара әрекеттестіктерді толық түсіндіреді және күрделі биологиялық үрдістерді түсінуде құпиялар азаяды.

Витализм (vitalis латын тілінен – өмірлік, тірі) тіршілік тек физикалық-химиялық құбылыстарға ғана саймайды, онда әрі ерекше «өмірлік күштері» әрекет етеді деп сендіреді. Витализм – ескі тұжырымдама, оның тамыры механизм тамыры сияқты классикалық көнелікке таралған. Ұлы антикалық философ Аристотель (б.э.д. IV ғасыр) «энтелехия»  түсінігін енгізді, ол «материяға» қарсы қойылады және ол ағза түрінің жетілгендігі туралы түпкілікті себепті, мақсатты идеяны білдіреді және дамуды басқарады. Аристотельдің анықтамасы бойынша тірі табиғатқа «өз – өзіндегі мақсат тән». 18 ғ. басында неміс дәрігері және химигі Шталь кейіннен Лавуазье теріске шығарған химияда белгілі флогистон теориясының авторы – медицинада анимизма (латынша anima – жан, рух) атауымен белгілі виталистикалық теорияны дамытты. Штальдың пайымдауы бойынша тірі ағза үшін бастысы – оның жаны, ол денені басқарады және оның ыдырауына жол бермейді. IX ғ. химия мен физикада керемет жаңалықтар ашылды, виталистер өз жақтастарын тез жоғалта бастады. Виталистер органикалық заттар тек «өмірлік күш» көмегімен ғана пайда бола алады деп сендірді, бірақ 1828 ж. Вёлер бейорганикалық заттектен несепнәрді синтездеді жануарлардан шығатын құрамында азот бар органикалық заттек. Атақты француздық микробиолог Луи Пастер қанттың ыдырауы (ашуы, демалу) – тірі жасушаның ерекше қасиеті деп санады, бірақ 1897 ж. Бухнер ашытқыдан ферментті сығынды алды және жасушасыз жүйеде, яғни ешқандай да «өмірлік күшсіз» қанттарды ашытты. Рубнердің ашқан жаңалығы витализмше қатты соққы болды: 20 ғасырдың басында ол энергияның сақталу заңы органикалық, тірі әлемде де әрекет ететінін анықтады. Алайда энтелехия идеясы толықтай еңсерілмеді. 20 ғасырдың басында витализм жүйесі көрнекті неміс биологы және философы Ханс Дришпен едәуір толық баяндалды. Ол өзі ашқан эмбриондық реттеуге сүйене отырып, Дриш организмнің дамуы механицистер пайымдағандай алдын ала белгіленген, ертерек жоспарланған экстенсивті (кеңістіктік) әртүрлілікке сыймайды, бірақ интенсивті (кеңістікті емес) әртүрліліктен экстенсивтіге ауысу болады деп сендірді. Мұндай ауысу тек тірі жүйелерге тән және өзіндік ерекше виталдық факторлардың энтелехияның әрекетімен жүзеге асырылады. Энтелехияны, өмірлік күшті мойындау көбіне антропоморфтық бейнелерге әкелетінін ескертеміз: субстанционалдық жан, психикалық күш туралы ілім. Бұл түсініктерге психовитализм (психизм), мистицизм негізделеді. Мұндай түсініктерді қолдауға ми жұмысының принциптерін, эмбриондық даму векторларын, биологиялық эволюцияның бағытталған және «мақсатты» сипатын түсінудегі өте үлкен және әлі шешілмеген қиындықтар септігін тигізеді. Витализмнің оң мәні биологиялық себептілікке деген механистикалық көзқарастарды сынауында, биологиялық ақпарат бойынша жұмыстарды ынталандыруында болды. Өзін-өзі ұйымдастыру (синергетика) туралы жүйелі көзқарас пен заманауи ілімнің дамуымен ерекше тірі ұйымның себептерін сыртқы күштерден емес, жеткілікті күрделі жүйелердің өздігінен және эмерджентті туындайтын жаңа қасиеттерінен іздей бастады. Тірінің ерекшелігі жоққа шығарылмайды, бірақ ол едәуір күрделі ұйымдасқан материяның табиғи қасиеті ретінде шығарылады. Органикалық макромолекулалардың – бәрінен бұрын ақуыздар мен нуклеинді қышқылдар күрделілігінің қандай да бір шекті деңгейі одан кейін өмір сапасы туындайтын шегі («себеп») болып табылады. Жалпы философиялық мағынасында сандық өзгерістердің сапалылыққа ауысуы туралы айтуға болады. Бұл сапалық ерекшелікті түсіну – біздің әрі қарайғы міндетіміз. Алайда жалғыз философиялық рационализм, анық эмпирикалық (тәжірибелік) білім қажет. Оларды жаратылыстану ғылымы, соның ішінде биология қарастырады.

3.2 Тірі материя және оның қозғалысының негізгі формасы. Тірі жүйедегі зат және энергия алмасу

Тірі материя өлі материя сияқты физикалық қасиеттерге ие. «Материя» түсінігі сан қырлы. Жалпы материя әрқилы түрлері ретінде болатын заттектер мен өріс жиынтығы болып табылады. Заттектер деп тыныш массалары бар нысандар мен жүйелерді айтады. Жазық – тыныш массалары жоқ материя түрлері. Мысалы, электромагниттік өріс квант формасындағы энергияның сәулеленуі. Сонымен қатар, гравитациялық жазық, нейтринді сәулелену де бар. Заттек пен жазық арасында қатаң шекара жоқ, себебі заттектердің элементарлы бөлшектері, мысалы электрондар бір уақытта корпускулярлы және толқынды қасиеттерге ие (толқынның дуализмі мен бөлшектері). Кванттық механиканың бұл базалық жағдайлары ХХ ғ. 20 – 30 ж.ж. қалыптасқан. Бұл жаңа ғылымның көрнекті өкілі дат физигі Нильс Бор болды. Тірі материя өте күрделі заттек және сонымен қатар, күрделі көп факторлы өріс болып табылады. Деңгейдің күрделілігі материяның тірі екендігін көрсетеді, бірақ оның ішінде қарапайым физикалық және химиялық заңдар әсер етеді. Материяның күрделілік деңгейі бойынша жаратылыстану ғылымдарының назар салалары да шектеледі. Атомдар – физиканың іс – әрекет өрісі, молекулалар – химияның нысаны, макромолекулалар деңгейінен биология басталады, себебі бұл деңгейден тірі материяны сипаттайтын сапалы жаңа қасиеттер пайда болады. Биологиялық макромолекулалар – бұл ақуыздар, липидтер, көмірсулар мен нуклеин қышқылдары. Ақуыздар мен нуклеин қышқылдары бейпериодты полимерлерді құрайтынына тағы да назар аударамыз, өйткені олардың мономерлері – ақуыздардағы 20 түрлі аминқышқылдар және ДНК мен РНК-дағы 4 түрлі нуклеидтер – ретсіз кезектеседі. Бұл өлі табиғатта болмайтын тірі материяның үлкен құрылымдық саналуандылығының көзі болып табылады. Кез келген материя қозғалыста өмір сүреді. Кең мағынасында материяның қозғалысы деп оның үнемі дамуын, өзгеруін, заттардың өріске және одан кері айналуын түсінеді. Тірі материя қозғалысының негізгі түрін түсіну үшін ең алдымен маңызды бастапқы түсінікті термодинамиканың 2-заңын игеру қажет. Оның мәні табиғатта әуелден фундаменталдық ассиметрияның, заттектер мен өрістердің (энергия) бөлінуіндегі тепе-теңсіздіктің болуында, сондықтан барлық физикалық үрдістер (материялардың қозғалысы) өздігінен тепе-теңдік жағдайына қол жеткізуге бағытталған. Бұл заттек пен өрістің ұйыған және сиретілген учаскелері болғанда материяның реттелген, құрылымдастырылған жағдайдан заттек пен өрістің диффузиялық, гомогендік бөлінуіне ауысуын білдіреді. Мұндай диффуздық жағдайда материя ең төмен бос энергияға жұмыс істеуге қабілетті энергияға және керісінше максималды энтропияға жұмыс істеуге қабілетті емес ыдыраған энергия бөлігіне ие болады. Бұл ереже барлық өздігінен жүретін үрдістерге, соның ішінде тербелмелілерге қатысты: ыстық дене ерте ме, кеш пе салқындайды (энергия ыдырайды); ыршыған доптың амплитудасы төмендейді және соңында тоқтайды және т.б. Бұл материяның бұзылу үрдісі өздігінен қайтымсыз. Термодинамкианың қалыптасқан екі ережесі негізінде физика заңдарына бағынатын және өздігінен ыдырауға, минималды бос энергия мен максималды энтропиямен тепе-теңдік жағдайына ұмтылатын тірі материя үшінде толықтай әділ. Алайда тірі материя, расында тірі болғанда тепе-теңсіз, құрылымдасқан, жоғары реттелген болады. Онда жұмыс істеуге дайын бос энергия болады, ал энтропия минималды. Мұндай жағдай сыртқы энергияның келуінен және оның макромолекулалардың химиялық байланыстарының энергиясына ауысуы есебінен қолдау табады. Заттектер мен өрістің шоғырлануы, яғни материяның ішкі бос энергиясының жоғарлауы сыртқы энергияны жұтумен байланысты әр түрлі биосинтездер үрдісінде (қарапайымнан күрделі заттардың пайда болуы) жүреді. Бұл дегеніміз өмір – өлімнің қарама-қарсылығы сыртқы энергияның негізгі түрі күн сәулесі болып табылатындықтан тіршілік формуласын нақты көрсетуге болады. Биосинтез: төмен молекулярлық заттек (өлі материя), жарықтың кванттары (электромагниттік өріс). Өнім: жоғары молекулярлық заттек (тірі материя). Осылайша, қарапайым тірі заттектің биосинтезі барысында заттек пен энергия ағымдарының өзара әрекеттестігі және ыдыраудың кері үрдісі, яғни заттек пен энергия алмасу, тіршіліктің фундаменталдық қасиетін, тірі материя қозғалысының негізгі түрін құрайды. Бұл анықтамаға тіршіліктің сан түрлі сипаттары негізі: тіршілік – материяның (материя айналымы, заттек пен энергия алмасу) сыртқы энергияны сіңіру мен трансформациялау есебінен реттелген тепе-теңдіксіз жағдайдың (жоғарғы бос энергия мен төмен энтропия) қолдаумен қозғалысының ерекше түрі; тіршілік – бұл төмен реттілікті ортада (жоғары энтропияда) жоғары реттілікті (төмен энтропияны) қолдау; тіршілік энтропияның өсуіне кедергі келтіреді; тіршілік – бұл заттек пен өрістің синтезі. Бұдан әрі біз заттектің биосинтезі және энергияны пайдалану мәселелеріне толығырақ тоқталамыз.

3.3 Энергия трансформациялау және қолдану

Сонымен, тіршіліктің материялық мәні ең алдымен тірі жүйе (жасуша, организм, биоценоз) мен оны қоршаған орта арасында жүретін үздіксіз заттек пен энергия алмасудан көрінеді. Бұл мағынада биологиялық жүйелер ашық болып табылады. Әр түрлі организм әр қилы энергияны пайдаланады, сол себепті оларды автотрофты және гетеротрофты деп бөледі. Автотрофты ағзалар (сөзбе - сөз аударса – өздігінен қоректенуші) өлі табиғаттың энергиясын сіңіріп алуға қабілетті. Ең алдымен бұлар фотосинтез процессі – бейорганикалық су мен көмірқышқыл газынан органикалық заттек глюкозаны қалптастыру үшін күннің жарығын пайдаланатын жасыл өсімдіктер, сондай-ақ күрең, қызыл және көк-жасыл балдырлар. Автотрофтарға сондай-ақ, хемосинтез реакцияларына қарапайым химиялық реакциялар есебінен органикалық заттектер синтезіне қабілетті бірқатар бактериялар жатады. Бұл жағдайда бастапқы энергия (күндік не химиялық) күрделі органикалық молекулалардың химиялық байланысы энергиясына түрленеді, автотрофтар өздеріне өздері қоректі қалыптастырады. Гетеротрофты ағзалар (басқалардың есебінен қоректенетін) – адам, барлық жануарлар, саңырауқұлақтар, сондай-ақ көптеген бактериялар – қоректі автотрофтар, көбінесе өсімдіктер өндіретін дайын органикалық заттектер түрінде алады. Бұл қоректің құрамынан олар химиялық байланыстармен орайласқан энергияны да алады. Егер қоректің органикалық заттегін едәуір қарапайым заттектерге ыдыратса энергия бөлініп шығады. Мәнісінде гетеротрофтар өсімдіктер арқылы химиялыққа түрлендірілген сол күн көзінің энергиясын алады. Осыдан өсімдікті организмдердің жануарлар мен адамды энергетикалық қамтамасыз етудегі делдал ретіндегі үлкен ролі айқын көрінеді. Бұл тәуелділіктен құтылуды, қандайда бір энергияны тікелей өлі табиғаттан алуды адамзат әлі үйренген жоқ. Алайда академик В. И. Вернадский мұндай ғылыми міндетті алға тартқанмен, іс фантастикалық шығармадан әрі жылжыған жоқ және жақын болашақта жылжи қоймас. Сондықтан бүкіл әлемнің биологтары үшін ең басым міндеттердің бірі фотосинтез механизмін, оны өсімдіктерде максималды үдету және мүмкіндігінше жасанды жағдайда жаңадан өндіру үшін егжей-тегжейлі түсіну болып табылады. АТФ-та үлкен көлемде энергия қор болып жиналатын АТФ молекуласында фосфор қышқылының қалдығы арасында екі байланыстар болады. Осы кезде АТФ АДФ-қа және фосфор қышқылының (фосфат) қалдығына бөлінеді. АТФ-қа қайта түзелу үшін сыртқы энергияны жұту қажет болады. Энергетикалық алмасу реакциясын бір шама толығырақ қарастырайық. Энергияның бастапқы шығу көзіне қарамастан барлық ағзалар – автотрофтар және гетеротрофта – алдымен энергияны әрі қарай пайдалану үшін ыңғайлы жағдайға алмастырады. Бұл аденозинтрифосфорлы қышқылы – АТФ молекулаларындағы макроэнергиялық (энергияға бай) деп аталатын байланыстар. АТФ молекулалары аденозиндифосфорлы (АДФ) немесе аденозинмонофосфорлы (АМФ) қышқылдардан және фосфор қышқылының бос молекулаларынан, бірақ міндетті түрде сыртқы күн көзінің және химиялық (эндотермиялық реакция) – энергияны тарту жағдайында қалыптасады. Макроэнергиялық байланыста жинақталған энергияның көлемі қарапайым болады, мысалы, глюкоза молекуласының ішіндегіге қарағанда едәуір артық, сондықтан АТФ құрамында энергияны жасуша шеңберінде сақтау және тасымалдау ыңғайлы. Бұл энергия қолданылған жерлерде АТФ АДФ-ке және фосфатқа (аса қажет жағдайда тіпті АМФ және екі фосфатқа) ыдырайды, ал босаған энергия қандай да бір сол жұмысқа – өсімдік жасушаларының хлоропластарында глюкозаның синтезіне, ақуыздардың және басқа да макромолекулалардың синтезіне, жасушадан басқа жасушаға заттектерді тасымалдауға, қимыл және басқаларына жұмсалады. АДФ немесе АМФ және фосфат сыртқы энергияның кезекті мөлшерін ала отырып қайтадан қосыла алады, содан кейін ыдырап және энергияны жұмысқа бере алады. АТФ-тің циклі түрленуі көп рет қайталанады. Осылайша АТФ жасуша ішінде энергияны әмбебап тасушы, жасуша ішіндегі үрдістер үшін энергетикалық төлемдердің өзіндік ұсату тиыны ретінде қызмет атқарады. Бізге АТФ-тің қызметі және оның циклі айқын болғаннан кейін жасушалық энергетиканың барлық мәселесі энергияның бастапқы көздерін және оның АТФ ауысу механизмін түсінуге саяды. Жалпы түрде жағдай мынадай: фотосинтетикалық автотрофты организмдерде АТФ-тің АДФ-ке және фосфаттан синтезі күн энергиясымен, ал гетеротрофтарда – азықтық өнімдердің қышқылдануынан шығатын энергиямен генерацияланады. Осылайша, АТФ синтезі үшін өсімдіктерге жарық, жануарлар мен адамдарға органикалық азық қажет. Жарық энергияның бастапқы көзі болып табылады, ол өсімдіктерде фотосинтез реакцияларында пайдаланылады. Түпкілікті мәнінде фотосинтез реакциясы жеткілікті түрде қарапайым:

6СО₂ + 6H₂O + жарық энергиясы = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

Жарық энергиясының көмегімен көмірқышқыл газы мен судан 6-көміртекті органикалық заттек – глюкоза (моносахарид) алынады, және «артық» өнім ретінде атмосфераға кететін оттегі қалыптасады. Шындығында реакция едәуір күрделірек, ол екі сатыдан тұрады: жарықты және қараңғылы. Алдымен жарықта ерекше құрамында Mg бар хлорофилл ақуызының көмегімен су оттегі мен сутегіне ыдырайды, ал сутегі энергиясы АТФ синтезіне беріледі. Тек осыдан кейін қараңғылы сатыда сутегі көмірқышқыл газымен қосылады және глюкоза қалыптасады. Бұл жағдайда АТФ бір бөлігі глюкозаға энергиясын бере отырып ыдырайды. Глюкоза өсімдікке топырақтан түсетін минералдық заттармен (азот, күкірт, фосфор, темір, магний, кальций, калий, натрий және т.б.) бірге едәуір күрделі синтез үшін негізге айналады, жасушаның жұмысшы құрылымдары құрылатын полисахаридтерді, липидтерді, ақуыздарды, нуклеин қышқылдарын қалыптастырады. Бірақ бұл синтездер де глюкоза синтезі сияқты энергетикалық шығынды талап етеді. Бұл жерде жарықты тікелей пайдалану мүмкін емес (эволюция мұндай ауысуларды құрған жоқ), сондықтан глюкозаның бірқатар бөлігі энергетикалық субстрат ретінде жұмсалады, яғни глюкоза энергияның қайталама көзіне айналады. Глюкоза ыдырайды және энергия береді – алдымен АТФ синтезіне, кейіннен АТФ ыдырауына макромолекулалардың биосинтезіне. АТФ-тің елеулі бөлігі жоғарыда айтылғандай басқа жұмысқа заттектерді тасымалдау, жасушалардың қозғалысына және т.б. жұмсалады. Едәуір тиімді глюкоза оттегінің қатысуымен ыдырайды:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + энергия.

Химиялық мәні бойынша бұл – глюкозаның толық тотығуы (жануы). Тірі жасушада бұл «жану» баяу жүреді, сатылап, яғни энергия аз мөлшерлерде бөлінеді және оның үлкен бөлігі (шамамен 55%) АТФ синтезіне пайдаланылады, қалғандары жылу түрінде тарайды. Глюкозаның бір молекуласының толық тотығуы АТФ 38 молекуласының синтезін қамтамасыз етеді. Тотығу үшін оттегіні біз атмосфералық ауадан тыныстасақ, химиялық деңгейде де глюкозаның оттегімен тотығуын тыныс алу деп атайды. Оның басты сипаты – органикалық заттектің глюкоза түрінде құрылуының бірінші сатысын қамтамасыз ететін фотосинтезге қабілеттілігі. Бірақ тыныс алу да толық шамада өсімдіктерге тән, өйткені дәл осы үрдіс глюкозадан (сондай-ақ майлардан және артық ақуыздардан) энергияны алады, оны уақытша АТФ-ке және әрі қарай күрделі макромолекулаларға ауыстырады. Дәл осы сызба, бірақ фотосинтез реакциясын алып тастағанда жануарлар жасушаларының гетеротрофты метоболизміне сәйкес келеді. Бұл жағдайда глюкоза (сондай-ақ басқа да көмірсутектер, майлар, трофикалық ақуыз және т.б.) жасушаға сырттан дайын түрде түседі. Бұл материалдардың бір бөлігі тыныс алуға (АТФ синтезі арқылы энергия алу үшін отынға), ал бір бөлігі – бірқатар өзгерістерден кейін жаңа макромолекулалар синтезіне құрылыс материалы ретінде кетеді. Осылайша, гетеротрофтарда қорек екі мәнге ие – энергетикалық және пластикалық (құрылыстық). Жасушаның энергетикалық және пластикалық (құрылыстық) метоболизмі үрдістердің бірлігіне көңіл аудару керек. Энергия сыртқы ортадан алынады, ең алдымен құрылыс процесстерін жүзеге асыру үшін, тірі материяны құру үшін АТФ-ке түрленеді немесе керісінше: тірі материяны қалыптастыру, яғни қарапайым бейорганикалық заттектерден макромолекулалар синтезі сыртқы энергияны сіңірумен ғана мүмкін болады. Энергетикалық және пластикалық алмасу бағдарларының қиылысу нүктелері энергетикалық және пластикалық метоболизмнің жанасу орнын білдіреді. Тірі жасушада мұндай орындар өте көп. Жарық ағымы мен глюкоза синтезінің жанасуы (фотосинтез реакциясы) хлоропласттарда – өсімдік жасушаларының арнайы органоидтарында, тыныс алу мен глюкозаның тотығуы АТФ синтезінің жанасуы – митохондрияларда, АТФ ыдырау мен жасушалық ақуыздар синтезінің жанасуы – рибосомаларда және т.б. жүреді. Талқыланып отырған мәселе көзқарасынан – тіршіліктің материалдық мәні – барлық қарастырылған жасушадағы заттектер мен энергия алмасу үрдістері қарапайым физикалық-химиялық реакцияларды білдіреді. Мұнда негізгі оқиғалар сутегі атомдарының элементарлы зарядталған бөлшектерге – протондар (Н+) мен электрондарға (е-) ыдырауымен және олардың хлоропластар мен митохондриялардың ішінде мембрананың әр түрлі жағына индукцияланған ауысуларымен байланысты. Бұл органоидттарда электрлі батарейкалардағыдай шамамен 0,2 вольт электр қуатының реттілігі құрылады, ол қажет болған жағдайда электрлік (протонды) токқа асады, ал бұл ток өз кезегінде АТФ синтезі ферменттерін айналдырады және белсендіреді. Осыған ұқсас физикалық-химиялық түрленуді біз басқа да жасушалық құрылымдардан көреміз.

3.4 Ақуыздар – тіршіліктің құрылымдық-функциональдық негізі

Ақуыздар ұзындығы 50–100–500 және оданда көп мономерлер болатын полимерлі молекулалар аминқышқылдар болып саналады. Амин қышқылдардың олардың еркін шектеріне радикалдарына тән химиялық қасиеттері бойынша әр түрлі 20 түрі бар. Бос электрлі заряды бар аминқышқылдарын ерекше бөлеміз. Мысалы, аспарагинді және глутаминді қышқылдар теріс зарядқа (артық–СОО тобы), аргинин, лизин, аспарагин және глутамин – оң зарядқа (артық –NH+ тобы) ие. Кейбір аминқышқылдарында бос гидроксилді топтар (–OH). Жиынтығында белсенді топтар ақуыз молекуласына әр түрлі зарядты аминқышқылдары қатынасына байланысты оң немесе теріс электрлік заряд береді. Бұдан басқа цистеин және метионин сияқты аминқышқылдарының бос шегінде күкірт (топ –SH немесе –SCH₃) болады және полипептидті шынжырдың учаскесін ілмекке тарта отырып өзара -S-S- көпірлерін құрай алады. Ақуыз молекуласының осы және аминқышқылдарының жиынтығы мен ретінен (яғни оның бастапқы құрылымынан) толық тәуелді басқада ерекшеліктері судың ортасындағы әр молекулаға қайталанбас екінші және үшінші (үш өлшемді) құрылым береді. Әрбір ақуыз молекуласында қатаң белгілі бір орындарында, көбіне құрамында қандай да бір металл (темір – Fe, магний – Mg, мыс –Cu және т.б.) немесе басқа да ерекше қосылыстары болатын белсенді учаскелері бар. Бұл учаскелер көбінесе ақуыздардың ерекше қызметтеріне жауап береді. Ақуыз молекуласының оның қызметінің механизмін түсіндіретін маңызды қасиеті бұл қандайда бір тітірткендіргішке жауап ретінде өзінің үшінші (үш өлшемді түрін) құрылымын қайтымды өзгерте алу қабілеті. Тітіркендіргіш ретінде көбінесе АТФ молекуласының ыдырауынан болатын энергетикалық разряд болады. Мұндай қайтымды денатурация немесе конформациялы қайта құру, міне осылар молекуламен атқарылатын жұмыс. Молекуланың конформациялы қайта құрылуы серіппенің сығылу және босану цикліне ұқсас: сыртқы қысымнан серіппе сығылады және ішкі энергия қорына ие болады, ал кері жүрісте жұмыс атқарады. Ақуызды молекуланың құрылымына және оның орналасқан жеріне байланысты атқарылатын жұмыс, яғни функция әртүрлі болады. Төменде негізгі тіршілік функцияларын іске асырудағы ақуыздардың қызметі көрсетілетін болады: тірек-қимыл, тасымалдық, каталитикалық, қорғаныс, сигналдық. Әдетте ақуыздардың энергетикалық функциясын да атайды. Шынында да, ақуыздар өздерінің химиялық құрылымдарында энергияның үлкен қорын алып жүреді. Олар жекелеген амин қышқылдарына ыдырай алады, олар өз кезегінде глюкоза сияқты митохондрияда көмір қышқыл газы және суға дейін тотығады және АТФ синтезіне энергия береді. Алайда бұл жол энергетикалық алмасуда резервті ретінде негізгі энергия сыйымды субстраттар – көмірсутегі мен майлардың қорлары біткен жағдайда қолданылады. Ақуыздардың энергия алмасуда қолданылуы жасуша үшін ысырап, өйткені аминқышқылдары тапшы өнім, олардың көбі жануарларда синтезделе алмайды, өсімдік өнімінен алынады (таптырмайтын амин қышқылдары). Ақуыздар едәуір жоғары бағытталған бірегей құрылымға ие. Бұл жағдайда ақуыздарды энергия алу үшін ыдырату, пешті ассигнациямен жаққанға тең. Бұдан басқа, амин қышқылдарын оларды глюкозаның жартылай ыдыраған өнімімен теңестіру үшін алдын ала азоттан босатып алу (дезаминдеу) қажет, ал әрі бұл қосымша жұмыс, әрі ағзадағы маңызды элементті жоғалту (азот қарапайым қосылыстар құрамында несеппен шығарылады). Осылайша, ақуыздар энергетикалық алмасуда өте сирек пайдаланылады – ашыққанда, ауырғанда, жастық метаморфоздарда. Ақуыздардың жоғарыда аталған және төменде қарастырылатын негізгі функциялары елеулі маңызды, себебі оларды іске асыруда ақуыз құрылымының бірегейлігі, оның қайталанбас түрлері және белсенді орталары пайдаланылады.

3.5 Тірек және қозғалыс

Тірек-қимыл функциясы жасушаның және ағзаның барлық тіршілігін қамтамасыз етуде маңызды орын алады. Органоидтар жасушаның ішінде, жасушалардың өздері суда немесе қатты бетте, ағзалар олардың тіршілік ету орталарында қозғалады. Қозғалыс тірексіз мүмкін емес, сондықтан жасушада да және ағзада да кешенді тірек-қимыл құрылымы қалыптасады. Мысалы, адамда бұлшықеттері қаңқамен байланысқан және осындай комбинацияда ғана бұлшықеттің жұмысы тиімді болады. Омыртқалы жануарларда және адамда тіректі біріктіруші ұлпаларда жасуша аралық негізінде арнайы талшықты ақуыз коллагендер бар (сүйекті, сіңірлерді қайнатқанда ол ісінеді және желім береді, ақуыздың желім беруші деген атауы да осыдан). Сүйектерде жасуша аралық коллагенді негіз үлкен қаттылық үшін кальций тұздарымен минералданған. Тіректі ақуыз микрожіпшелері және микротүтікшелері болады және жасушаның өзінде олар жасушаға белгілі бір түр береді, өскіндерді қолдайды (мысалы, жүйке талшықтарында). Бұлшықет ұлпасы жасушаларында арнайы қысқартушы жіптер – миофибриллдер болады, олар жасушаның және күллі бұлшықеттің жиырылуын қамтамасыз етеді. Әрбір миофибрилла негізгі екі түрі актин және миозин ақуыздарының молекулаларынан құралған. Актин мықты микрожіпті қалыптастырады, олар бойынша миозиннің аяқтары қадам басады. Әр қадам – бұл миозин молекуласының үштік құрылымының өзгеруі, оның АТФ энергиясы әсерінен қайтымды денатурациясы болады. Бір аяқ микрожіпке ілініп иілсе, басқа аяқ түзеледі және микрожіптің жаңа бір жеріне ілігеді. Сосын олар қызметтерімен ауысады – бірінші аяқ микрожіптен босанады және жазылады, ал екіншісі иіледі және жіпті тартады. Әр қадам АТФ энергиясын талап етеді. Осылайша АТФ бар болған жағдайда аяқтар микрожіп бойында тез жүреді, ал дәлірек – жіпті өзіне тартады, өйткені миозиннің әртүрлі жаққа бағытталған шоғырлары құйрықшаларымен бекітілген және әр шоғырдың аяқшалары өз микрожіптерін қарама-қарсы бағытта тартады. Қаңқа бұлшықеті көлденең жолақты бұлшықет талшықтарынан тұрады. Бұлшықет талшықтарының айтарлықтай көлемін миофибриллдер алып жатыр. Бір-біріне параллельді миофибриллдер ашық және қара дискілердің орналасуы сәйкес келеді, ол көлденең сызықтың пайда болуына әкеледі. Миофибриллдердің құрылымдық бірлігі – саркомер, ол жуан (миозин) және жіңішке (актин) жіпшелерден құралған. G‑актин – глобулярлы, F‑актин – фибриллярлы актин. Бастысы, бұлшықет қызметін сипаттаудан алатынымыз қимылдың қарапайым физикалық-химиялық мәнін түсіну, ол миозин ақуызы молекуласының көлемдік түрінің өзгерісіне саяды. Бұл түр немесе үштік құрылым өз кезегінде молекула ішіндегі химиялық байланыстардың күшіне тәуелді. АТФ молекуласының ыдырауынан болатын энергетикалық разряд жағдайында байланыс күшін күрт, бірақ қысқа мерзімге өзгереді, молекула жұмыс істеп «селт етеді» (иіледі және сол сәтте жазылады). Миозин реакциясының мәні соншалықты қарапайым, жасушадан алынған таза ақуыздарда немесе АТФ қосқанда тіпті өлі жасушалардан in vitro («шыныда», пробиркада, яғни жасанды жағдайда) алынады. Осыған ұқсас бірақ басқа ақуыздармен қозғалыс механизмі көптеген бір жасушалы ағзалар (мысалы, инфузория), сперматозоидттар, кейбір жабынды (эпителиалды) ұлпалар жабынды кірпікшелі мен талшықтылар үшін белгілі болады. Сонымен, қозғалыс –тіршіліктің маңызды бір үлгісі – толық материалды мәнге ие.

3.6 Заттарды тасымалдау

Заттарды ағза мен орта арасында тасымалдау – заттар алмасу үрдісінде қажетті саты. Бұл қоректік материалдарды сіңіру және қалдықтарды шығару, оттегін сіңіру және көмірқышқыл газын шығару, бейорганикалық иондардың, судың және басқа да заттектердің тасымалы. Заттарды сіңіру және бөлу әдістері мен механизмдері күрделілігі әр деңгейдегі ағзаларда – бір жасушалы және көп жасушалыларда, жануарлар мен өсімдіктерде ерекшеленеді. Ұйымның жоғарғы деңгейінде – көп жасушалы жануарларда – бұл үрдістерге бұлшықеттік және кірпіктік механизмдер қосылады: омыртқалыларда олжаны аңду және ұстау, жұту және ішек бойынша толқи жиырылу, отыратын омыртқасыздарда – мысалы қос қақпалы мидилі моллюскілер. Су ағымдарын айдау және планктонды сүзу. Жоғарғы өсімдіктерде су мен тұздарды тамырдан сабағы мен жапырақтарына тасымалдау үшін осмостық диффузияның – ерітінділердің концентрация градиенті бойынша, яғни заттардың жоғары концентрациялы ортасынан төмен, концентрациялы ортасына қозғалысының маңызы үлкен. Бұл тасымал қарапайым физикалық-химиялық негізге ие және энергетикалық шығынды талап етпейді. Синтезделген заттектердің (қанттардың) кері қарай қозғалысы, керісінше энергияны талап етеді.

Кіші молекулалардың тасымалына көбінесе олардың едәуір ірі тасымалдаушы-молекулалармен байланысуы себептеседі. Әдеттегі мысал – өкпе арқылы қанға және әрі қарай ағзаның барлық жасушаларына жұтылатын атмосфералық ауадан оттегінің тасымалы (қоректік субстраттардың тотығуы және энергия алу үшін). Бұл жағдайда оттегі өкпе қуысынан осмостық қысым арқылы қылтамырларға, бұдан әрі арнайы жасушаларға – эритроциттерге (қызыл қанды денелер) түседі, онда ерекше ақуыз гемоглобинмен химиялық байланысады. Оттегінің гемоглобинмен байланысу принципі өте қарапайым. Бұл ақуыздың құрамында темірдің атомдары бар және солар оттегімен тотығады – темір уақытша тотыққа айналады (әдетте темір ауада тотыққа айналады). Алайда темірдің оттегімен байланысы мықты емес, сондықтан эритроциттер ағза ұлпаларына тереңірек енген сайын, онда оттегінің шоғырлануы төмен, гемоглобин өзімен байланысқан оттегіні береді, ол енді жасушаға, әрі қарай митохондрияға қосылады. Оттегі тасымалында гемоглобин молекуласының конфигурациясы (үштік құрылым) шешуші мәнге ие, одан байланысқан темірдің тотығу қалпына келу қабілеті тәуелді. Орақ тәрізді жасушалық анемия (эритроциттер әдеттен тыс орақ түріне ие болады) деп аталатын сырқатта гемоглобин құрамындағы тек бір ғана амин қышқылының ауысуы оның түрін соншалықты өзгертеді, темір оттегіге қатысты тиімсіз болып қалады. Тыныс алу бұзылады. Ағза мен орта арасында заттектерді тасымалдаудың қиын сәті – ол бір немесе көп жасушалы, жануар немесе өсімдік организмі болса да – жасуша қабығын өту болып табылады. Жасуша қабығы липидті-ақуызды мембрана (плазмалемма) және көмірсутекті қабырғадан тұрады. Жасуша қабырғасы, тіпті өсімдік жасушалары сияқты жуаны су мен онда еріген заттектерге қатты кедергі болмайды, алайда плазмалемма нағыз тосқауылдық қасиетке ие, өйткені оның негізі, сулы ерітінділер үшін іс жүзінде өткізбейтін липидтердің (майлардың) екі қабатынан тұрады. Билипидті қабат арқылы тек газдар (ұсақ электрлі бейтарап молекулалар) мен май еріткіш заттектер (спирттер, ацетон және т.б.) оңай өтеді. Бірақ жасушаға ең алдымен қоректік органикалық және минералды заттар қажет. Зарядталған бөлшектерді – иондарды, сондай-ақ үлкен емес органикалық молекулаларды-амин қышқылдарды, қанттарды және т.б. тасымалдау үшін липидті мембраналарда көптеген ақуызды саңылаулар қойылған. Мембрана липидті фондағы ақуыз мозайкасына ұқсайды. Мембрана тесіктерінің ақуыздары басқа да көптеген ақуыздар тәрізді сумен әрекеттеседі, сондықтан іс жүзінде саңылау су арнасын білдіреді. Алайда ақуыз құрамдастарының арқасында әрбір мұндай арна талғамдық өткізгіштікке ие K+, Na+, Ca₂+, Cl иондары және басқалары үшін. Иондармен бірге жасушаға олармен байланысқан органикалық молекулалар – қанттар мен амин қышқылдары өтеді, осылайша жасушаның қоректенуі жүзеге асырылады. Қарастырылған жағдай заттардың енжарлы тасымалын білдіреді, ол энергияның шығынын талап етпейді. Арналардың тіпті өзгеше түрі ионды сорғылар болып келеді, олар иондарды олардың концентратының градиентіне қарсы соруға қабілетті. Терминнің өзіне сай сорғылар тек энергия жұмсай отырып жұмыс істей алады және заттектерді осылай тасымалдау әдісі белсенді тасымал деп аталады. Сорғының ақуызды саңылауы АТФ молекуласын ыдыратуға және алынған энергия есебінен иондарды олардың диффузиялық күшіне қарсы итеруге қабілетті. Осылайша құрылған иондардың сыртқы артығы кері енжарлы жолмен қайтарылады, бірақ өздерімен қажетті органикалық заттарды ала жүреді. Осылай белсенді және енжар тасымалдың үйлесімділігі жасушалардың қоректенуін қамтамасыз етеді. Жасуша сыртындағы натрий ионының молшылығы электрлі токты қоздыруға және жүйке қозуын жүргізуге қолданылады. Тіпті заттарды мембранды тасымалдау механизмдерін үстіртін қарастырғанның өзі бұлшықет жиырылуы жағдайында сияқты белсенді тасымалдау жұмысы да АТФ энергиясының қайта қалыптасуымен ақуыз тесіктері молекулаларының қайтымды қарама-қарсы жаққа бағытталған иондар мен қор заттектердің баяу тасымалы қарапайым диффузияны құрайды, бірақ өткен белсенді тасымалдың әсерінен болғанын көрсетеді. Бұл үрдістердің барлығы физикалық химиялық заңдылықтар негізіне бағынады.

3.7 Ферментативті катализ (Биокатализ)

Катализ – бұл сыртқы қосымшалар катализаторлардың көмегiмен химиялық реакциялардың жылдамдығының қоздырылуы немесе өзгеруі. Катализ химия өнеркәсiбiнде мүсәтір, күкірт және азот қышқылдарын, мотор отынын, түрлі полимерлерді алу кезiнде қолданылады. Катализ тірі ағзаларда да кең таралған. Катализаторлардың қатысуымен тектiк мәлiметi iске асады және заттек пен энергия алмасудың барлық үрдістері жүзеге асырылады. Катализ жасушаларда, жасуша аралық сұйықтар мен қуыстарда, ас қорыту трактінде жүреді. Биохимиялық реакциялардың катализаторлары рөлiн ферменттер деп аталатын арнайы ақуыздар атқарады. Әрекеттесуші заттектердің салыстырмалы төмен шоғырлануларында және қалыпты температурада (40 градустан жоғары емес) жасушалық реакциялар ферменттердің көмегімен миллион және миллиард рет үдейдi. Синтезге бағытталған анаболитикалық және ыдыратуға бағытталған катаболитикалық ферментативті реакцияларды ажыратады. Бiрнеше әртүрлi ферменттер олар бойынша ұласпалы реакциялар жүзеге асатын тiркес (метаболиялық жолдар) құрастыра алады: заттек (субстрат) ферменттен ферментке берiледi және кезеңдi қайта құруға душар болады – күрделенуге немесе керiсiнше, азып-тозу. Әдетте мұндай полиферментті кешендер жасуша мембраналарында немесе оның органоидтарында құрылады.

Ферменттер катализделетiн реакцияның түрi бойынша өте ерекше. Әртүрлi әсерлі бiрнеше мың ферменттер белгiлi және олардың әрқайсысы ерекше, басқаларынан өзгеше кеңiстiктi құрылымға ие. Ферменттiң молекуласы ақуыз емес компонент – кофермент (көбінесе бұл витаминдер, металлдар ионы болады) қосылған белгілі бір жерде оралған полипептидтi желi түрінде келеді. Дәл осы ерекше орын ферменттiң функциясына жауап береді, ол белсендi орталық деп аталады. Өзінің белсендi орталықтарының молекулалық ерекшелiктері арқасында ферменттер керек заттектерді-субстраттарды таниды және ұстайды, оларды қосылыс (синтез) үшін жақындастырады немесе керісінше ыдырау (лизис) реакцияларында ажыратады. Бұл жағдайда ферменттің өзі ыдырамайды, тек өзінің үштік құрылымын өзгертеді – қысқа мерзімді және қайтымды молекуланың денатурациясы, оның конформациялы қайта құрылуы жүреді. Дегенмен ферменттер тиiстi реакциялардың белсендіру энергиясын дүркiн-дүркiн төмендетсе де, оларды жүзеге асыру үшiн белгілі бір энергия қажет етіледі. Энергия НАД, ФАД немесе гем сияқты тотықтырғыш – қалпына келтiргiш кофакторлармен шығара алады. Синтетаз (лигаздар) сыныбының ферменттерi АТФ молекуласын АДФ пен фосфатқа дейiн ыдыратуға қабілетті және бөлінген энергияны өзінің конформациялы қайта құрылуына пайдаланады. Күрделi заттар синтезi бойынша жасалған жұмыстан кейiн энергияның үлкен бөлігі жоғалмайды және жылу түрінде кетпейді – ол тек синтезделетін заттардың жаңа химиялық байланыстарына өтеді. Кейiннен бұл заттек ыдыраған жағдайда энергия басқа жұмысты атқару үшін қайтадан алына алады. Ферментативті катализдың егжей-тегжейіне берілмей-ақ, бұл маңызды биологиялық функция қарапайым физикалық-химиялық реакциялардың сомасы ретінде іске асырылатыны көрініп тұр. Олардың ең маңыздысы ферменттің субстратты стереохимиялық молекулалық тануы және ақуыз – фермент молекуласының конформациялы қайта құрылуы, оның мәні бұлшықеттiң жиырылуы немесе белсендi тасымал реакциясы сияқты молекула iшiндегі химиялық байланыстар күшiнің қайтымды өзгерiсiнде тұр. Ферментативтік реакция жылдамдығының фермент пен субстраттардың шоғырлануларынан тәуелдiлiгiн зерттеу оның қарапайым жағдайларда Михаэлис-Менттің теңдеуiмен бейнеленетінін көрсеттi. Осыдан ферментативтік реакциялардың негiзiнде кәдiмгi химиялық реакциялар негiзделген сол заңдар мен қағидалар жататыны шығады. Алайда әлі күнге дейін ферментативті катализдің бiртұтас теориясы жасалмаған, өйткенi ферментативтік реакциялардың жүру механизмдері өте күрделi, көп факторлы және сан түрлi, айнымалы шамалардың үлкен санынан, мембраналардағы ферменттердiң өзара орналасуынан тәуелдi болады және бiрқатар жағдайда математикалық сипаттауға көнбейдi және де осыдан күрделiлiктiң жаңа деңгейiнiң ерекшелiгi сияқты биологиялық реакциялардың эмердженттік ерекшелiгi айқындалады.

3.8 Қорғаныш реакциялары. Иммунитет.

Тірі жүйелер – ағзалар, жасушалар, жасушалы органоидтар – биологиялық (биохимиялық) даралықты сақтаулары тиіс. Оларға өзге текті молекулалардың қосылуы, вирустармен, бактериялармен, басқадай паразиттермен байланысуы паразиттердің ағзаға, оның жасушаларына түсуі жағдайында тікелей улы зияны туралы айтпағанын өзінде тиісті құрылымдардың, мысалы, ферменттердің немесе жасушалық мембраналардың және олардың функцияларының бұрмалануына әкеледі. Өзінің тектік мәнімен осы ағзаға қарама-қарсы өзге текті агенттердің жиынтығын (бөгде немесе бұрмаланған молекулалар, вирустар, бактериялар, жасушалар) антигендер деп атайды. Биологиялық даралықты қолдаудың аса маңыздылығынан ағза эволюциясында антигендерден қорғау және жауап қайтару жүйесінен иммунитет туындайды және біртіндеп жетілдіріледі. Иммунитеттiң жеке көрінісі – жұқпалы ауруларды қабылдамауы. Оның құрылымдық және функционалдық тұтастығын және биологиялық даралылығын сақтауға бағытталған ағзаның қорғаныш реакцияларын зерттеуiмен иммунология ғылымы шұғылданады. Ағзаның оның антигендерімен иммунды қатынастары және тиiстi қорғаныш механизмдері өте күрделi, бiрақ әрбір мәдени адамның ең болмағанда олар туралы жалпы түсінігі болуы тиіс. Енді өсімдіктерде бактерияларды өлтіретін (олар сарымсақ пен пиязда көп) ұшатын заттектер-өзгешеліксіз фитонцидтер, жабынды ұлпалардағы балауыз қабаттары, жасуша қабырғаларында фитопатогендерді бітеп тастау, өлген жасушаларда улы өнімдердің жинақталуы және басқалары сияқты қорғаныш факторлары бар. Жануарларда «келiмсектердi» жалмауға қабілетті арнайы жасушалар-фагоциттер және басқа да едәуір мамандандырылған жасушалар жекеленедi. Иммундық жүйенiң күрделiлiк деңгейi қарапайым омыртқасыздардан едәуір ұйымдасқан омыртқалы жануарларға дейінгі эволюцияда артады және қорғаныш механизмі сүтқоректілерде, соның ішінде адамда едәуір дамыған. Бiздiң ағза ең алдымен туыстан бар ерекшеліксіз иммунитеттiң әр түрлi формаларын көрсетедi – эволюциялық көне, төменгi жануарларға тән. Бұл тері және шырышты тосқауылдар, тері және май бездерінен бөлінетін бірқатар қышқылдардың бактерицидтік әсері, жас сұйықтығында болатын ерекше фермент лизоцимнің бактериялық қабырғаларды бұзуы және басқалары. Ағзаға енген бактериялар фагоциттермен және арнайы бактерияға қарсы ақуыздармен жойылады, вирустарға қарсы ерекше ақуыз интерфон әрекет етеді. Бұдан басқа жоғарғы жануарларда және адамда қызыл жілік майы, айыр безі – тимус, көк бауыр, лимфо түйіндері, асқорыту және тыныс алу жолдарының лимфоидті ұлпалары (мысалы, көмекей бездерінде, соқыр ішекте) енетін күрделі иммундық жүйе дамиды. Иммундық жүйе қалыптасқан ерекше иммунитетті қалыптастырады және қолдайды. Иммундiк жүйенiң жасушалары арасында орталық орынды лимфоциттер алып отыр. Өзге текті антигендермен байланысуда олардың табиғаты мен құрылымдарына байланыста иммундық жүйе иммундық жауаптың әр түрлi формаларын бередi: В-лимфоциттермен ерекше ақуыздардың антиденелердің (гуморальды иммунитет) қалыптастырылуы және қанға бөлінуі; өзге текті немесе өзінің мутанттық жасушаларына талғамды жауап қайтарушы Т-лимфоциттердің көбеюі (жасушалық иммунитет); антигендермен қайталап кездескенде жедел және мықты жауап беруге қабілетті ұзақ жасайтын Т- және В-лимфоциттердің «иммунологиялық жадының пайда болуы» әрекеттесетін ердiң қанына лимфоциттермен ерекшелеу (гуморальды иммунитетi) қарсы денелер; сол антигеннің қайталап кездесуі жағдайында жауаптың таңдамалы жоқтығынан байқалатын иммунологиялық толеранттылықтың (сөзбе – сөз төзімділіктің) қалыптасуы; аллергияның пайда болуы – ерекше антигенге жоғары сезімталдық болады. Айтқандай, ағзада иммунологиялық шиеленіс тек вирустармен, бактериялармен және өзге текті жасушалармен ғана емес, сондай-ақ паразиттік құрттармен (ішекқұрттарымен немесе гельминттермен), ауыстырып салынған мүшелермен, қатерлі ісіктермен және тіпті жүкті анада өз ішіндегі нәрестемен де туындауы мүмкін. Антигендердi өте нәзiк айырып тануы және максималды иммундық ерекшелiкті антиденелер – лимфоциттермен шығарылатын және иммуноглобулин деп аталатын арнайы иммундық ақуыздар қамтамасыз етедi. Эмбрионды даму барысында және туғаннан кейін антигендердің сәйкес түрлеріне қарсы белгілі бір антиденелерді өндіруге белсендірілген көптеген лимфоциттер пайда болады. Нәтижесінде антигенмен кезіккенге дейін ағзада көптеген (кемінде 10 мың) әр түрлі антигендерге антиденелерді синтездеу бағдарламасында лимфоциттер топтары алдын ала пайда болады. Антиденелердің – иммуноглобулиндердің молекулалық құрылымы жақсы зерттелген. Бұл негізінде гликопротеидті, яғни ақуызды, бірақ көмiрсутекті құрылым болатын молекула. Оларда аминқышқыл құрамы бойынша тербелмелі шеткі бөлімшелері болады, олар ферменттегілердей белсенді орталықты құрады. Антиденелердің белсенді орталығы мөлшері мен құрылымы бойынша антиген молекуласының детерминантты (танығышты) учаскелеріне сәйкес келетін ерекше конфигурациялы өзіндік молекулалық қуыс болып келеді. Осылайша белсенді орталық антиденелердің белгілі бір антигенмен ерекше байланысу қабілетін анықтайды. Кілт комплементарлы өз құлпына сәйкес келетінге ұқсас молекулалық комплементарлық – толықтылық қағидасы орындалады. Иммуноглобулиндердің тербелмелі бөлшектеріндегі көптеген аминқышқылды ауысулар кез келген табиғи не жасанды антигендерді байлауға қабілетті таусылмалы белсенді орталықтар жиынтығын құрайды. Осылайша, иммундық ерекшелiк негiзiнде, соның ішінде вирустарды, бактерияларды және бөгде жасушаларды айырып тануында молекулалардың стереохимиялық құрылымының қарапайым сәйкестігі жатыр. Ақуыздардың басқа функцияларымен келтірілген бұрынғы мысалдар сияқты бұл жағдайда да тірі организмдерге ғана тән күрделі реакциялардың материялдық мәндері толық байқалады. Жасанды иммундалған жануарлардан алынатын ерекше антиденелер препараттары (иммунды сарысу деп аталатын) инфекциялық дерттерді диагностикалауда, алдын алуда және емдеуде және бірқатар басқадай жағдайларда медицинада және тәжірибелік биологияда кеңінен қолданатыны қоса айту ғана қалды. Мысалы, улы жыландар шаққанда сол уға тән уға қарсы (уға қарсы дәрi) сарысуды қолданады. Сiбiр энцефалитiнiң вирусы жұқтырылғанда организмнің өз иммунитетін гамма-глобулинның инъекцияларымен күшейтіледі. Қатерлi ісiкке күдiк туындағанда дәл диагнозды науқастың қанының қатерлi iсiк антигендеріне реакциясы бере алады; тіпті ерте жүктiлiкті бүгінгі күні әйелдің қанында немесе несебінде ұрықтың ерекше антигендерін табу арқылы оңай белгiлейдi. Қазiргi иммунологияның өте күрделi мәселесi – қорқынышты ауру – жұқтырылған иммун тапшылығы синдромын (ЖИТС) туғызатын адамның иммун тапшылығы вирусынан (АИТВ) қорғау әдісін табу. Бұл вирус лимфоидтық жасушаларды таңдай отырып зақымдайды, иммунитетті қамтамасыз етуі тиіс дәл сол лимфоциттер, бірақ зақымданған олар өз міндеттерін орындай алмайды. ЖИТС-пен ауырған науқас сау адам жеңіл салқын тию ретінде өтетін қарапайым инфекциялардан қатты зардап шеге бастайды. Көбінесе мутантталған қатерлі жасушалардың пайда болуы қатерлі жағдайға әкеп соғады, олар иммундық қадағалаудың болмауынан қатерлі ісікке айналады. АИТВ қанмен немесе жыныстық жолмен таралады. Емделудің тиімді құралдары әлі анықталмаған. Қорғанудың жалғыз әдісі басқаның қанымен байланысудан сақтану (сол үшін бір реттік шприцтар қолданылады), сондай-ақ жыныстық өмірге сау және сақтықпен қарау болып табылады.

3.9 Сигнал беру. Гормондық және жүйелік реттеу

Ағзалардың, сондай-ақ мүшелер мен жасушалардың мiнез-құлқы мен өзара әрекеттесулерін үйлестiру үшiн ағзаның iшiнде сигнал беру қажет. Жануарлар ең алдымен иістерді қолданады, яғни химиялық сигнализацияны. Иiстi заттар түрлi молекулалар жануарларда терi бездерінен, дем шығарғандағы ауамен, несеппен және т.б. сұйықтармен, ал өсімдіктерде жапырақтармен, қабығымен, гүлдерімен бөледі. Әр түрлі жануарларда иістер иiс сезу мүшелерімен немесе жамылғыларында диффузионды таралған хеморецепторлы жасушаларымен қабылданады. Бiр жағынан, аттрактанттар (елiктiргiш) – қызықтыратын заттар, соның iшiнде феромондар – жыныстық серіктерін тартатын, екінші жағынан – репелленттер – қорқытатын заттар деп бөлінеді. Елiктiргiш және репелленттер зиянды құрт-құмырсқалармен, ұлулармен, кеміргіштермен және басқа да жануарлармен күресте өте тиiмдi. Олардың әсер ету диапазоны бiрнеше шақырымға жете алады. Иiстi шөптерді, майларды ежелгi уақыттан бері қолданған. Қазіргі уақытта көбінесе аттрактанттар мен репелленттер ретінде өздерінің молекулалық құрылымдарымен табиғи иісті заттектерге ұқсайтын синтетикалық препараттар қолданылады. Көптеген ағзалар қарым-қатынас үшiн жарықты қолданады. Сәуле тарату қасиетіне кейбiр бактериялар, саңырауқұлақтар, қарапайымдар, медузалар, шаян тәрiздiлер, құрт-құмырсқалар балықтар ие. Арнайы заттар – люминофорлар қысқа толқынды сәулелендіру, электрлік разрядтың немесе химиялық реакцияның әсерінен сәулелі энергияның үлесін бөледі. Люминесценция деп аталатын бұл құбылыс сондай-ақ өлі табиғатта да белгілі, мысалы, ақ фосфордың, кальцийдiң, барийдің, стронцийдің, күкіртті қосындыларының сәуле таратуы. Биолюминесценция әртүрлi ағзалармен жарықтандыру үшін және өз олжасын тарту, жыртқыштарды үркіту, жыныстық серігін қызықтыру үшін қолданылады. Жануарлардың сигнал беруінде сондай-ақ дыбыстардың, қалыптардың, қимылдардың маңызды мәні бар. Сигнал берудің бұл формалары адам эволюциясында жетекші болып қалыптасты. Академик И. П. Павлов адамдардың қарым-қатынас жасау түрі ретінде сөзге ерекше мән бере отырып, бірінші сигналдық жүйеге біріктірілген барлық сигналдарға қарсы қойып, оны екiншi сигналдық жүйе деп атады. Сөздiң сигнал беру әдiсi ретіндегі ерекшелiгi бұл сөздерде бiрiншi сигналдық жүйенiң сансыз сигналдарының жалпыламасы бар болуында және осылайша сөздер «сигналдардан сигнал» болып қалыптасады. Сөз құбылыстардың бірі және адамның жоғары жүйке қызметiнiң аспабы болып табылады. Мүшелердің, ұлпалардың және жекелеген жасушалардың арасында өзара әрекет үшін және сыртқы әлемнен сигналдарды қабылдау үшін ағза ішінде реттеудің гормондық және жүйкелік механизмдері қолданылады. Гормондық реттеу биологиялық белсендi заттар көмегiмен iске асады, олардың арасында басты қызметті гормондар (грекше hormao – түрткi боламын, қимылға келтіремін) ойнайды. Гормондар қанға ерекше эндокринді бездерiмен немесе ішкі секреция бездерімен (гипофиз, бүйрек үсті, қалқанша, асқазан асты, жыныстық және басқа бездерi) бөлінеді. Мүшелерге нысанаға гормондарды жеткiзу организмнің сұйықтық ортасы – қан, лимфа және жасушааралық сұйықтықтар арқылы iске асады, сондықтан сигналдарды берудiн осы механизмі гуморальды (латынша humor – сұйық) деп аталады. Эндокриндік жүйе орталық жүйке жүйесiнің бақылауында болады. Сондықтан жүйкелік қозу организмді орынды әрекетке жұмылдыратын үнемі гормоналдық әсерлер толқынына айналады. Мысалы, стресс (қорқыныш, физикалық аса жүктелу) ахуалдарында бүйрек үсті бездері қанға адреналин гормонын лақтырады, ол оттегін пайдалануды және қанда глюкозаның шоғырлануын күрт жоғарлатады, бұл өз кезегінде энергия өндірудің жоғарлауына әкеледі. Осылайша, іс жүзінде біртұтас нейрогуморалдық реттеу іске асырылады. Көптеген гормондар химиялық табиғаты бойынша пептидтерден (ұсақ ақуыздар) тұрады, сонымен қатар, стероидтар (липидтер классынан) мен миноаминдер (өзгертілген аминқышқылдар) де болады. Әрбір гормон белгілі бір жасушаларға немесе жасушалардың бірнеше типтеріне әсер етеді. Гормонды сигналды қабылдау жасушаның қабықшасында немесе цитоплазмасында орналасқан арнайы молекулалық рецепторлармен жүзеге асырылады. Қозушы рецептор химиялық реакциялар тізбегін катализдеп, сигналды әрі қарай жасушаның жұмыс құрылымдарына жеткізеді. Нәтижесінде ерекше синтездер секрециясы (белсенді заттардың келуі) формасында, жасушалардың көбеюі мен өсуі түрінде жауап реакциясы жүреді. Осылайша гормондар ағзаның өсуі мен дамуы, қызметтерінің реттелуіне қатысады. Торшада торша плазмасы орналасқан (гликопротеидтермен немесе гликолипидтермен) арнайы молекулалармен iске асады. Желдi рецептор, сигнал бәрiнен алыс химиялық реакциялардың шынжыры катализдей алып бередi – торшаның жұмыс құрылымдарына (белсендi заттардың лақтыруы) секрецияның формасындағы қарсы реакция нәтижесінде жүредi, көбейту және торшалардың өсуi, ерекше синтездер. Сайып келгенде, гормондар жұмыс жасауды регуляцияларда қатысады, өсу және организмның дамытуы. Қарсы реакцияға жасушалы рецепторды гормонның танулары барлық кезеңдерде қарапайым физикалық-химиялық үрдістер iске асады: стереохимиялық сәйкестiктiң негiзi, молекулалардың аударылатын (селк ете түсу) конформация өзгерiсi, бiр реакциядан басқасына энергияның өткелiне молекулалық тану т.с.с. Жүйке реттелуі ұзын өскіндері бар және жүйке торлары немесе түрлі күрделі торлармен байланысқан ерекше жүйке жасушалары нейрондар көмегімен жүреді. Жүйкелік реттелу айтарлықтай қарапайым бір жасушалы жануарларда гидра мен медузада, ал жоғары сатылы омыртқалыларда, әсіресе адамда, онда бас және жұлында бар.

Адамда жоғары жүйке әрекетінің күрделі көрінісі болып психикалық белсенділіктің жоғары деңгейі ретіндегі сана. Сананың маңызды функциясы ойлау болып табылады. Ойлау заттар мен көріністердің мәнін түсінуге, жаңа идеялар қалыптасуына, әрекеттерді ойша құру және олардың салдарын алдын ала болжай білуге бағытталған. Нейробиология саласында көптеген сұрақтар мен ақ дақтар қалады, себебі, сөз тіршілік көрінісінің күрделі формасы жөнінде қозғалуда, дегенмен элементарлы үрдістер жеткілікті түрде зерттелген. Жүйке ұлпасының құрылымдық бірлігі болып жүйке жасушасы нейрон саналады. Нейрондардың көптеген бұталанған байланыстары бар, өте күрделілері бас миы қыртысында. Соған байланысты бір жағынан сезімтал рецепторларға (терi, көру, акустикалық, иiс сезу, iшкi органдардың рецепторлары), ал екінші жағынан барлық реттелетін орындаушы мүшелерге (бұлшықет, ас қорытатын жүйе, бездер т.б.) таралады. Жүйкелік реттелудің қарапайым көрінісі болып рефлекс саналады, жүйке жүйесі арқылы жүзеге асатын сыртқы және ішкі қоздырғыштарға ағзаның жауап реакциясы. Рефлекстер туралы ұғымды француз натуралисты және философ Р. Декартпен 17 ғасырда ұсынылды. 1863 ж. ресейлiк физиолог И. М. Сеченов «саналы немесе санасыз тіршіліктің барлығы шығу тәсіліне байланысты рефлекстің негізі» деп тұжырымдаған. Бұл тұжырымдамалар 20 ғ. И. П. Павловпен шартты және шартсыз рефлекстерді зерттеуде дамыды. Көп санды және түрлi рефлекстер күрделi мінез актілеріне, түйсік деп жіктеледі, солардың негізінде барлық жоғары жүйке қызметi дамиды. Төменгі сатылы жануарларда тұқымқуалаушылықпен бекітілген шартсыз рефлекстер басым болады, ал адамда оқу, тәрбие, еңбек іс-әрекеті сияқты үрдістер барысында қалыптасатын пайда болған шартты рефлекстер басым болады. Нейрондардың биофизикалық принциптегі де жұмыстары белгілі. Нейрондар өскіншелері арқылы сигналдар секунд шамасында үлкен қашықтықтарға беріле алады. Ыстық затқа қолыңызды тигізсеңіз дәл сол сәтте рефлекторлы жауап келеді. Сол уақыт аралығында сигнал саусақтан бастап арқа ганглиоларына одан әрі қарай жұлынға дейін сезімтал жүйке талшықтары арқылы өтіп, басқа жүйке жасушаларына өтіп, қолды ыстық заттан жұлатын бұлшықеттерге қайтып келуге үлгереді. Жүйке талшықтары бойынша берілетін сигнал нейронның беткі мембранасында генерацияланатын электромагниттік өрістер мен электр тогының көмегімен жүзеге асады. Сигналдың берiлуi жүйке талшықтарынан электр тогы және нейронның шалағай мембрана шығарылатын электромагниттi өрiстер көмегiмен iске асатыны анықталған. Жүйке жасушасының мембранасында иондық сорғылардың жұмысы арқасында жұмыстың арқасында 80 милливольтқа жететін шамалардың түрлі көрсеткіштері (сырттан плюс, iшiнен минус) байқалады. Сыртқы оң зарядтың негізгі тасымалдаушы болып натрий иондары болып табылады. Мембраналар бөлiктері ыдырағанда натрий иондары жасушаға талпынатын ақуыз тесіктері ашыла бастайды (қарапайым диффузия заңы бойынша). Зарядталған бөлшектер ағыны, бұл жағдайда сулы ақуызды канал бойынша натрий иондарының ағыны электр тогын құрайды. Электр тогы өткізгіш маңында электромагниттік өріс тудыратыны бәрімізге жақсы белгілі, сол тәрiздi ротор орамдарында да болады. Пайда болған электромагниттi өрiс сол мезетте - ақ маңындағы ақуыз тесіктеріне көшеді, оларды натрий иондары үшiн ашады. Бір тесіктен екінші тесікке дейін торлы реакция пайда болады, ал ол өз кезегінде барлық жүйке талшықтарына дейін таралады. Талшықтың ұшында келесі жасушаны қоздыратын мембрананың түршігуімен және заттың медиатр үлесі ағынымен жүйке импульсының берілуі аяқталады. Егер бұл бұлшықеттiк жасуша болса, ұсақ жіпшелер мен миозин қатысуымен жиырылғыштық реакция жүреді Электр қоздырғыштық және өткiзгіштік қабiлетiне басқа да ұлпалар ие екенін ескерейік, негізінен жүректiң бұлшықеттiк шоқтары. Бұл оның ырғақты, үзiлiссiз және белгiлi мөлшерде автономды жұмысын ұйымдастыруға мүмкiндiк бередi. Жүректiң тоқтауы жағдайында, егер онда күштi құрылымдық бұзушылықтар пайда болмаса, оның жұмысын электр тогы разрядымен қалпына келтiруге болады, мұны жедел көмек көрсететін медицинада жасайды. Ми, жүрек және басқа да мүшелердің өткізгіштерінің электр белсендiлiгi әрбiр жеке мүшенің және барлық ағзаның кейбiр жиынтық биоөрiсіне жіктеледі. Бұл электромагниттi өрiс жеңіл тіркеледі және жүрек, ми ауруларын анықтауда бағалы диагностикалық белгісі ретінде қызмет атқарады (электрокардиография, электроэнцефалография). Ерекше сезімтал – экстрасенстер (көріпкел) бөгде адамның биоөрiсінің тербелiсiн өз рецепторларымен сезуге, тіпті кейбiр диагноздарды қоюға қабілетті болады. Биологиялық сигнализация механизмдерін қарастыра отырып, олардың негізі қарапайым физикалық – химиялық үрдістер екенін көруге болады. Жасуша мембраналарының ақуызды – көмірсулы рецепторлары аттрактанттар және репелленттер, гормондар мен медиаторлар сияқты түрлі сигналды молекулаларды стереохимиялық түрде анықтайды. Жарықты, сонымен қатар, көзкөрерлік бейнелерді қабылдау көздің ішкі тор қабығында сауытша – таяқша сияқты жарық сезгіш жасушалар мембраналарындағы ақуызды рецепторлардың электромагниттік қозуына негізделген. Барлық жағдайда әрекет етуші молекулалар қайтымды конформациялы денатурацияға ұшырайды. Сигналдардың берілуіне жиі ферментативті реакциялар кіріседі, онда да жұмыс сәті болып конформациялы қайта құрылу болып табылады. Тәжірибе жүзінде барлық сигналдық және реттеуiш үрдістер энергияның шығынымен болады. Өсiмдiктердiң жасушаларындағы күн энергиясы глюкозаның синтезiн шығарады, жануарларда глюкозаның тотығуы АТФ молекулаларын синтездеуге энергия бередi. АТФ макроэнергиялық байланыстарынан энергия жұмысқа кіріседі, яғни басқа химиялық байланыстарға электрлік, жарықтық, механикалық энергияға айналады және қалдық жылу ретінде ғарышқа бытырайды. Тiршiлiк әрекетiнiң басқа түрлерi сияқты сигнализация, гормонды және жүйке қызметi материяның тіршілік ету нұсқаларын, заттек және өріс сияқты материяның өзгеруіне әкеледі. Тіршілік материалды, оның физикалық және химиялық негізін заттар мен энергия алмасу құрайды. Материя, оның ішінде тірі материя – бұл объективтi шындық, ол санадан, рухтан тыс, қандай да бір «тiршiлiк күшіне» тәуелсiз тіршілік етеді. Материя алғашқы, сана екiншi реттік материядан туындайды, яғни тірі материяның қасиетін көрсетеді, оның қозғалыс формаларының бірін көрсетеді. Қозғалыс – материяның  барлығына ортақ қасиет. Тiптi бұл қасиеттен де жоғары, бұл оның тіршілік ету тәсілі. Бұл мағынада тірі материя мен оның функционалдық көрсеткіштерін, соның ішінде тірі ми мен оның өнімі сананы бөліп қарастыру мүмкін емес. Тіршілік – бұл қозғалыстың күрделі формасы, әсіресе күрделi қалыптасқан материяның, сапалы (эмерджентті) бейорганикалық материя қозғалыс формаларынан ерекше. Бұл жаңа сапа тіршілік құрамдас бөлiктерiнiң қасиеттерiнiң жиынтығы сияқты туындайды. Сан сапаға ауысады, бүтіні оның барлық бөлшектер жиынтығынан да артық болады. Сол сияқты ұйымдар мен әлеуметтiк жүйелер қозғалысының формалары да жеке тірі индивид ұйымдары мен қозғалыстарынан күштірек болады. Қазiргi заманғы биологияда тіршілік мәнін материалдық тұрғыда түсіндіру үшін нақты негіздер жеткілікті.