|
|
Страница 75 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наукаВ [3] кратко были сформулированы основы циклического преобразования энергии в живых системах. Объясню это подробнее. Первое, что на сегодняшний день абсолютно достоверно в энергетике жизни, есть негативное утверждение – в энергетике живых систем не участвует термодинамический цикл Карно, преобразующий тепло в механическую работу, (понятие – механическая работа – в этой формулировке имеет упомянутый в предыдущих параграфах расширенный смысл, включающий в себя электрическую энергию и работу). Ещё В. Томсон (Кельвин) писал в 1852 г. (в период возникновения термодинамики), что организм животного действует не как тепловой двигатель и очень вероятно, что химические силы производят внешнюю механическую работу посредством электрических сил [116]. Об этих же двух необходимых особенностях энергетики жизни намного позже почти дословно пишет Э. Шредингер: “организм животного действует не как тепловой двигатель, и очень вероятно, что химические силы производят внешние механические эффекты посредством электрических сил” [49]. Последующие полстолетия подтвердили это. Первая часть этих предположений впервые была проверена ещё в 1882 г. и с тех пор многократно подтверждена экспериментально, в частности, путём сопоставления калорийности потребляемой пищи и механической работы, совершаемой, например, человеком. В таких опытах итоговое преобразование в механическую работу происходит с к.п.д. 25% . Если бы в этом участвовал цикл Карно, то разность температур в нём должна была бы составлять 105 оС, то есть в организме должны были бы существовать участки, нагретые до температуры 142 оС [117]. Такого для известных высших форм жизни нет. Как предсказал ещё Томсон, энергетика жизни должна иметь химическую основу. Её дополняет использование жизнью излучения Солнца. В этом неявно подразумевается необходимость циклических процессов как основы энергетики жизни. Жизнь для своего возникновения и метаболизма не нуждается в негэнтропии, как утверждали в том числе и классики ХХ века, например, Л. Бриллюэн (а за ними повторяют многие). Она есть иерархический рост энтропии. Для роста энтропии необходим подвод энергии к системе. Его реализуют циклические процессы. Энергетика жизни должна иметь основу в виде нетеплового термодинамического цикла. В таком цикле энтропия перестаёт быть ведущей переменной. Но информация и её выражение энтропией есть первичное для природы. Это находится в точном соответствии с приматом “проектов”, создаваемых человеком (с учётом пояснений об этом в первой главе). Поэтому природа может нечто “изобрести”, если это “изобретение” сопровождают изменения энтропии-информации. Она есть функция комплексного переменного и в таком виде содержит действительную составляющую (семантическую информацию), которая отражает участие в “изобретениях” однозначности физико-химических законов. Как было пояснено в начале этой главы, циклический процесс преобразования энергии в работу требует для своего осуществления не менее двух разных форм энергии. Для энергетики жизни важнейшая из них прямо указана ещё В. Томсоном – энергия электрического поля (электрических сил в его терминологии). Это подтверждено (как предположение) Э. Шрёдингером и получило законченное выражение в работах П. Митчелла (изложение их результатов см., например, учебник [56]). Интересно, что понимание особенностей функций состояния и заданной этим необходимости участия второй формы энергии (электрической) при циклических процессах в живых системах элементарно понятно классикам, разделённым столетием. Но известно, что реальное, абсолютно необходимое a priori описание участия электрических процессов в энергетики жизни, полученное П. Митчеллом, не признавалось очень долго. То, что ему удалось опубликовать свои результаты, оказалось случайностью. Ещё большей случайностью было их признание, которого без настойчивости Нобелевского лауреата Л. Полинга ему бы не получить (об этом рассказывает, например, В. Скулачёв). Энергия организму нужна непрерывно. Пища как источник энергии поступает в организм извне и непререрывно. Казалось бы, возможна ситуация “водопада”, когда можно не интересоваться “дождями”, замыкающими цикл преобразования энергии с участием “водопада”. Однако организм есть некоторая “машина-изделие”. В его составе преобразования энергии производят одни и те же “устройства”, возвращающиеся в исходное состояния. С учётом этого неизбежна цикличность процесса получения и преобразования энергии для метаболизма организмов. Как многократно подчёркнуто выше, для реализации термодинамического цикла (для того, чтобы в плоскости функций состояния получить траектории, зависящие от пути протекания процессов) необходимо использовать, как минимум, две формы энергии. Однако для реализации циклов только этого недостаточно – требуется разделить во времени или в пространстве прямые и обратные процессы, сопроводить это разделение соответствующими ему условиями – нужна термодинамическая машина, реализующая термодинамический цикл. Её примеры для взаимных превращений тепла и механической работы [118], [119] есть паровые или газовые машины и турбины, реактивные двигатели и двигатели внутреннего сгорания, холодильники и кондиционеры, погодные процессы и гроза. Тепло не является единственным источником работы термодинамических циклов. Если источник для работы циклов есть химические реакции, то без противоречий со вторым началом термодинамики производство энергии не требует разности температур (в классическом смысле цикла Карно). Две формы энергии в составе цикла реализуются тогда без прямого участия тепловой энергии. Но специализированная машина остаётся условием реализации любых термодинамических циклов. Способы энергообеспечения живых организмов принято разбивать на три класса: брожение, дыхание, фотосинтез. Выделю наиболее общее для них в формах энергии и реализации соответствующих им термодинамических машин, не анализируя подробно различия. Для анализа циклических процессов необходимы уравнения, описывающие изменения одного из термодинамических потенциалов типа расширенной таблицы 6.1. Поскольку цикл Карно не участвует в производстве энергии для метаболизма, то для описания биоэнергетических циклов недостаточно переменных, использованных в потенциалах таблицы 6.1. В них должна участвовать дополнительно электрическая энергия ED, химическая энергия ini и(например при работе мышц) механические напряжения и деформации m. Может играть заметную роль энергия PV, но в виде парциальных давлений и объёмов. Учитывая роль в физической химии свободной энергии Гиббса G, можно для иллюстрации принять её изменение. Поскольку при большем числе переменных, чем в таблице 6.1, нет общепринятых названий термодинамических потенциалов, то буду на основе первой пары независимых переменных использовать обозначения потенциалов из таблицы 6.1, а дополнительные независимые переменные обозначать индексами при потенциалах. Например, в качестве основы циклов энергетики жизни может быть принято изменение свободной энергии Гиббса, включающее в себя дополнительные формы энергии: . (6.10) Как термодинамический потенциал свободная энергия (тем более в данной форме) не единственная. Возникает цепочка задач, которую по отношению к метаболизму в явном виде не формулировали и не ставили: Проанализировать в какой мере и для каких циклов и их составляющих велики или малы изменения конкретных форм энергии. Выбрать определяющие формы энергии рассматриваемого цикла. Их может быть больше двух, а сам цикл может состоять из нескольких взаимосвязанных циклов. Для выбранных форм энергии, исходя из требований задач, установить независимые переменные в каждой из пар интенсивных и экстенсивных переменных данной формы энергии и записать отвечающие им термодинамические потенциалы. Определить, что есть рабочее тело для цикла. На основе экспериментов определить уравнения состояния в пределах выбранных форм энергии и их независимых переменных. С помощью соотношений Максвелла проверить эмпирические уравнения состояния. В случае существенного невыполнения соотношений Максвелла пересмотреть результаты п.п. a – f. В случае малых отличий экспериментальных уравнений состояния от его корректировки с помощью соотношений Максвелла в дальнейшем использовать тот вид уравнений состояния, который удовлетворяет соотношениям Максвелла. Рассмотреть превращения рабочего тела, связанные с изменениями выбранных форм энергии, используя уравнения состояния. Определить потоки, которые есть источники энергии в цикле. На основе п.п. a – g определить условия, которые необходимо реализовать в живой системе как термодинамической машине, для того, чтобы функции состояния изменялись разным образом на разных путях в составе цикла. В это входит анализ участия в циклах мембран, ферментов, электрических, механических и осмотических факторов. Проследить как и где в выбранных термодинамических циклах реализуется безударность Лазаря и Сади Карно – квазиравновесность циклов или почему она невозможна. Формулировать и решать биологические, биофизические и биохимические задачи методами, использующими результаты п.п. a – i. В этом и последующих параграфах рассмотрю сформулированные в п.п. a – j особенности энергетики жизни.
Адениловые нуклеотиды есть рабочее тело энергетических циклов жизни. Например, у бактерий, энергетика которых использует брожение как процесс производства энергии, число оборотов АТФ в день составляет порядка 300 тысяч. Средняя продолжительность жизни одной молекулы АТФ в этих процессах (время высокоэнергетического состояния в термодинамическом цикле) составляет величину порядка 0,3 с. Реакции, описывающие взаимные превращения адениловых нуклеотидов, выделение и поглощение при этом энергии известны со множеством тонких деталей их реализации. Они описаны в учебниках по биохимии и биологии (например, [45], [56], [57]). Повторять их детали не буду. Важно подчеркнуть, что практически единственное в природе аккумулирующее энергию вещество АТФ есть представитель класса соединений – нуклеотидов. Этот же класс соединений ответственен за существование РНК и ДНК. Поэтому химическая основа возникновения первичных для жизни веществ одновременно даёт исходный материал – нуклеотиды – для выбора из случайностей и запоминания как при синтезе информации о РНК и ДНК, так и в энергетике жизни. В вопросе о времени и путях абиогенного синтеза нуклеотидов при первичном зарождении жизни есть спорное. Однако фактом является то, что жизнь существует, то есть такой синтез имел пути осуществления.
В координатах i ni можно построить замкнутый термодинамический цикл, производящий работу за счёт перекрестных на протяжении цикла изменений химических потенциалов i и концентраций ni. При химических формах энергии разные пути реакций (изменения функций состояния) реализуются с помощью ферментов. Иллюстрация таких циклов дана на схеме рис. 6.5.
Следует подчеркнуть, что в составе химической энергии конкретно независимые и сопряжённые переменные можно выбирать произвольно, исходя из требований данной задачи, то есть изменения химической энергии могут иметь вид не только суммы вида i dni, но и включать в себя члены вида ni di или вида dna – n d + … . Соответственно на схемах типа рис. 6.5 перекрестно сопряжённые переменные, которые определяют отличие для функций состояния путей прямых и обратных составляющих циклов, могут реализоваться разными способами. Определяют пути реакций – белки-ферменты. Наиболее значительное отличие биохимических реакций в живых организмах состоит в том, что каждая прямая или обратная реакция имеет свой фермент. На языке термодинамики это означает, что в большинстве реакций метаболизма их прямые и обратные пути – различны, то есть являются составляющими простых или сложных термодинамических циклов. Ферменты в химических термодинамических циклах жизни или в их химических составляющих являются одновременно рабочим телом цикла и машиной, которая необходима для реализации цикла. Химические реакции конкретны. Их совместное протекание требует между ними сопряжения по первичным и промежуточным продуктам. В этом участвуют требования энергетического сопряжения между реакциями, а также особенности диффузионных и других транспортных процессов, выделения и распределения ферментов. Только случайность не может обеспечить в этом необходимую согласованность. В этом есть подробности, которые вынесены в [12]. Схема рис. 6.5 в своём прямом виде (включая не показанные на ней ферменты) характерна для образования веществ в клетке. В энергетических циклах жизни она скорее исключение, чем правило. Дело в том, что реакции, сопровождающиеся большими изменениями энергии, относятся к окислительно-восстановительным. Первичное получение энергии, например в кислородной энергетике жизни, есть окисление соединений углерода. Окисление есть выделение свободного электрона (носителя электрического заряда). Если электрон отщеплён конкретно от водорода, то образуется ещё и положительный ион (протон, носитель заряда в электролитах). То есть важнейший для энергетики класс химических реакций неустранимо создаёт электрические заряды. Они являются источниками электрического поля. В схеме рис. 6.5 не показана плоскость энергии этого поля, хотя она существенно участвует в окислительно-восстановительных реакциях метаболизма. Поскольку свободными электроны оставаться не могут, то возникает два эффекта. Итоговый состоит в том, что окислительная фаза химической реакции дополняется восстановительной, в которой присоединение электрона превращает электрическую энергию в энергию химических связей, в частности, в составе АТФ. Промежуточный в том, что свободный электрон в организме невозможен. Его перенос происходит в результате процессов в энергетических зонах сложных молекул. Электролитическая среда организма разрешает роль свободных носителей электрических зарядов для ионов, в виде протона или ионов лёгких металлов. Укрупнённо цикл производства энергии в живых системах содержит прямую составляющую, которая почти без исключений есть запасание химической энергии питательных веществ (или квантов света) в виде энергии связей АТФ. Обратная составляющая такого цикла использует энергию АТФ для производства работы. Она имеет формы от расхождения хромосом при делении клетки до мышечных сокращений и накопления зарядов на мембранах нейронов с помощью натриевого насоса. Энергоноситель в виде АТФ не распределяется по организму из единого источника, а производится непосредственно в клетках. Централизовано организм распределяет глюкозу как продукт для окисления и кислород. Причём последнее, как правило, происходит не в форме свободного атома или молекулы кислорода, а путём “консервирования” и последующего выделения электрона, необходимого для окисления. Именно это делает всем известный гемоглобин. При пищевой основе энергетики жизни прямую составляющую цикла изображают схемами типа рис. 6.6. Питательные вещества расщепляются до состояния субстрата, которому соответствует фермент, катализирующий его реакцию с окислителем. Результат реакции есть выделение энергии, используемой для синтеза АТФ в реакции неорганических фосфатов с АДФ.
Как бы ни был эффективен принцип структурной комплементарности (или даже – потому, что он эффективен), разнообразие классов реакций ограниченное. Схема рис. 6.6 есть иллюстрация потоков веществ и энергии. Как термодинамический цикл она в чисто химическом виде, как правило, нереализуема – химическое сопряжение окислительной и восстановительной фаз цикла, если и возможно, то индивидуальным путём в конкретных условиях. Случайность создаёт и поддерживает жизнь, а потому как система такое сопряжение невозможно. Но ведь электрические заряды и поля есть главное как на восходящей, так и на нисходящей ветвях этого цикла. Они разрывают узкую специфику сопряжения окислительных и восстановительных составляющих реакций. Электрические заряды должны переноситься в пространстве и могут накапливаться на мембранах как электрических конденсаторах. Появляются новые случайности, выбор и запоминание из которых создаёт термодинамическую машину для реализации химико-электрического цикла. Категория: Библиотека » Философия Другие новости по теме: --- Код для вставки на сайт или в блог: Код для вставки в форум (BBCode): Прямая ссылка на эту публикацию:
|
|