В метаболических функциях важную роль играет обратная связь (петли обратной связи), образующаяся при автокаталитических реакциях. Само название говорит о том, что обратная связь – это обратное воздействие результатов процесса на его протекание или воздействие управляемого процесса на управляющий орган.

«В то время как в неорганическом мире обратная связь между „следствиями“, конечными продуктами нелинейных реакций, и породившими их „причинами“ встречается сравнительно редко, в живых системах обратная связь, как установлено молекулярной биологией, напротив, является скорее правилом, чем исключением» [12].

Обратная связь может быть положительной и отрицательной. Положительная и отрицательная обратные связи – это своего рода два рычага управления. Они регулируют биологические процессы, поддерживая их в пределах, обеспечивающих оптимальные условия жизнедеятельности организма. В отсутствие обратной связи деятельность становится неуправляемой, хаотичной, не сообразной ситуации и потребностям организма.

Роль положительных и отрицательных обратных связей различна. Отрицательная обратная связь – это такой тип обратной связи, при котором входной сигнал системы изменяется так, чтобы противодействовать изменению выходного сигнала. Отрицательная обратная связь стабилизирует систему.

Пример отрицательной обратной связи – терморегуляция. Когда температура тела повышается (или понижается), терморецепторы в коже и гипоталамусе регистрируют изменение, вызывая сигнал из мозга. Данный сигнал, в свою очередь, вызывает ответ – понижение температуры через потоотделение, разнообразные терморегулирующие реакции. Именно отрицательная обратная связь поддерживает температуру тела человека около 37 °C.

Вот другой пример отрицательной обратной связи. Когда концентрация углекислого газа в организме человека увеличивается, легким приходит сигнал к увеличению их активности и выдыханию большего количества углекислого газа.

Вообще, отрицательная обратная связь широко используется живыми системами разных уровней организации – от клетки до экосистем – для поддержания постоянства структурной организации, или гомеостаза (греч. gomos – равный, неизменный, stasis – состояние). Проще говоря, отрицательная обратная связь – это механизм поддержания саморегуляции.

Отрицательные обратные связи обеспечивают стабильность всех функций живых систем, их устойчивость к внешним воздействиям, делают систему более устойчивой к случайному изменению параметров. Они являются основным механизмом энергетического и метаболического баланса в живых системах. Человек и все живые существа живут, главным образом, благодаря отрицательной обратной связи.

Положительная обратная связь – это такой тип обратной связи, при котором изменение выходного сигнала системы в одну сторону приводит к изменению входного сигнала в ту же сторону, в результате чего выходной сигнал продолжает далее отклоняться от первоначального значения (система разгоняется).

Если отрицательные обратные связи способствуют восстановлению исходного состояния, то положительные – уводят организм все дальше от исходного состояния.

Но поскольку положительная обратная связь ускоряет реакцию системы на изменение входного сигнала, организм использует ее в определенных ситуациях, когда требуется быстрая реакция в ответ на изменение внешних параметров. Положительные обратные связи играют позитивную роль усилителей процессов жизнедеятельности. Особую роль они играют для роста и развития. В частности, положительная обратная связь преобладает в период эмбрионального развития, ибо такая связь необходима для создания и развития новых структур, новых органов.

Наличие обратных связей является важной стороной управления в живых системах. Принцип обратных связей является одним из основных принципов самоуправления, саморегуляции и самоорганизации. Без наличия обратных связей процесс самоуправления невозможен.

Концепция ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности была предложена французским естествоиспытателем Луи Пастером в конце XIX века и остается основополагающей и сегодня. В связи с этим чрезвычайно важным оказалось исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.

Ферменты – это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, то есть в пределах примерно от 5 до 40 градусов. Можно сказать, что ферменты – это биологические катализаторы.

Основатель органической химии, шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус был первым ученым, осознавшим исключительно высокую упорядоченность и эффективность химических процессов в живых организмах. Именно он впервые установил, что основой основ живого организма является катализ, а точнее биокатализ[37], то есть присутствие в химической реакции различных природных веществ (биокатализаторов), способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти биокатализаторы в живых системах определены самой природой. Возникновение и эволюция жизни на Земле была бы невозможны без существования ферментов, служащих, по сути дела, живыми катализаторами.

Встал вопрос о возникновении органической жизни, который является одним из самых интересных и сложных вопросов современного естествознания.

В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химики не интересовались вопросом происхождения вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека.

Постепенное развитие науки XIX века привело к детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. И в середине XX века появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания, наука о самоорганизации химических систем. В ее основу заложен принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, то есть к самоорганизации[38] химических систем.

Под эволюционными проблемами понимаются проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

Теория самоорганизации, говоря словами выдающегося советского химика В. И. Кузнецова, «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации». По сути, речь идет об использовании химического опыта живой природы.

Каким образом природа в результате химических соединений образовала сложнейший высокоорганизованный комплекс – биосистему? Ответить на этот вопрос означает объяснить, каким образом природа из минимума химических элементов и соединений создала сложнейшие макромолекулы, а затем высокоорганизованный комплекс биосистем.

Для того чтобы элементарные частицы могли объединиться в атомы, должны были соблюдаться жесткие условия, характеризующиеся так называемыми фундаментальными постоянными.

Для нашей планеты таких фундаментальных постоянных четыре: скорость света в вакууме С = 299792,458 км/с; заряд и масса электрона; постоянная Планка, связывающая свойства волны и частицы, которая составляет 6,626 × 10^–34 Дж/с.