Страница 76 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен

Как и при тепловых процессах, термодинамические циклы жизни должны строиться в виде предела последовательных приближённо равновесных процессов. В тепловой машине неустранимые скачки вблизи этого предела слишком малы для практического влияния на результаты цикла. В химических и химико-электрических циклах они есть принципиальная составляющая циклов.

В тепловых циклах через машину проходит поток тепла, с участием которого изменения тепловой энергии превращаются в работу. Формы энергии, которые позволяют тепловой машине работать, а не быть курьезным вечным двигателем, есть тепловая и механическая энергия.

Для живых систем исходный поток образуют вещества или кванты света. Множественность форм энергии, создающая реальность “двигателя” при взаимодействиях этого потока с организмами, отражают нетепловые формы энергии – химическая, электрическая, механическая. Энергетика жизни есть взаимодействие этих форм энергии. Вторичные процессы, приводящие к изменениям энтропии, создают ту информацию (запомненный случайный выбор), без которой природа творить не может. Но приоритет форм энергии, не зависящих явно от энтропии (например, электрической), создаёт высокую вероятность случайной реализации изощрённых взаимодействий, так как такие формы энергии описываются семантической информацией – физико-химическими законами. Но ещё раз подчеркну – термодинамика метаболизма не сводится только к анализу свободной энергии в терминах таблицы 6.1 или к классической термодинамике растворов. Последнее поясню примером.

Важнейшая реакция в кислородной энергетике жизни есть обратимое изменение валентности атома переходного металла – железа:

. (6.11)

Заменяющие её исключения существуют, но относительно редки. Например, их реализует “голубая кровь” некоторых видов рыб и членистоногих, в которой происходит аналогичное изменение валентности атомов меди. В хлорофилле подобную роль играет магний.

Реакция (6.11) может быть реализована в простейшей электрохимической ячейке [120], [121], в которой заданы два электрода в растворе солей (электролита) и внешний источник электрической разности потенциалов. Классическая электрохимическая ячейка на основе такой реакции реализуется с использованием системы в виде раствора ферроцианида вместе с феррицианидом (известных в фотографии как красная и жёлтая кровяная соль):

. (6.12)

За счёт изменения валентности железа происходят переходы, изменяющие относительные концентрации компонент – ферроцианида и феррицианида. Между электродами переносятся только электроны, замыкающие электрический ток через ячейку. Возникает уникальная ситуация. Электрический ток (заряды) в ячейке с таким электролитом переносится в растворе электролита без выделения веществ на электродах.

Для того, чтобы реакция (6.11) вошла в состав циклического процесса преобразования энергии, необходимо реализовать на путях цикла изменения одних химических потенциалов при разных значения других. Это означает, что только электролиты на основе солей железа не могут быть рабочим телом для циклического преобразования энергии с использованием реакции (6.11). Как основа рабочего тела в термодинамических циклах необходимы вещества, содержащие атом железа (или другой, подобный ему по изменениям валентности, например меди), в которых процессы переноса электрона происходят по разным путям в составе цикла в силу дополнительных физико-химических условий. Циклы типа рис. 6.5 дополняются термодинамическими плоскостями электрической и механической энергии. Тогда обратимая реакция (6.11) может стать составляющей термодинамического цикла, что невозможно в классических растворах солей.

Биомолекулы есть объекты, которые по характеру коллективизации образующих их атомов занимают промежуточное положение между собственно молекулами солей или подобных простейших соединений и твёрдым телом. Управляют их структурой химические связи всех типов, но огромные количества атомов в молекуле и их энергетических уровней создают подобие зонной структуры, характерной для объединения атомов в твёрдые тела. Образующие её электроны называют  -электронами. В результате исчезает обратимая однозначность электрохимии солей с изменяющейся валентностью ионов. Казалось бы, простейшая реакция (6.11), в живых системах реализуется сложнейшим образом. Например, при кислородном метаболизме в переносе электронов участвуют цепочки цитохромов – крупных биомолекул, содержащих атом железа. В них главным остаётся всё то же изменение его валентности, передающее электрон как носитель энергии. Но пути этого процесса отличны от других составляющих термодинамического цикла. В частности, форма цепочки цитохромов в переносе электрона есть выражение в биоэнергетике безударности Лазаря и Сади Карно как основы для высокого к.п.д. циклических процессов при метаболизме. В химико-электрических циклах, как правило, переход к нулевому пределу площади цикла невозможен. Цитохромы минимизируют величину дискретных скачков в циклах.

Термин – перенос электрона – многими воспринимается буквально. Однако электроны подчиняются статистике Ферми, то есть неразличимы (ненумеруемы в отличие от молекул в распределении Больцмана-Максвелла). Поэтому перенос электрона в цепочках цитохромов, происходящий преимущественно с участием реакции (6.11), есть коллективный процесс, происходящий в их системе -электронов.

По этой же причине и обычный электрический ток в металлическом проводнике так же есть вклад в коллективный процесс. Электрон при реакции (6.11) в электролитической ячейке поступает в зону проводимости металла электрода. В ней есть свободная часть. При ненулевой температуре электроны в металлах по отношению к границе Ферми описываются распределением Больцмана-Максвелла, то есть “квазинумеруемые”. Добавочный электрон качественно процессы в зоне проводимости не изменяет. Перенос электрона в цепочки цитохромов этой особенностью не обладает. Система -электронов есть аналог заполненной зоны, но при относительно малом числе электронов в ней. Лишний электрон в ней может “поместиться” только, если она изменилась. Но это есть произошедшая химическая реакция.

В электролитической среде организма и в биомолекулах невозможен электронный ток (как аналог тока в проводниках). Проводников электричества как веществ с частично заполненной зоной проводимости в живых системах нет, поэтому ток электронной проводимости в них нереализуем. Передача электрона в пространстве в них должна происходить с участием заполненных зон. Это возможно как последовательность взаимосвязанных окислительно-восстановительных реакций – иным способом при метаболизме невозможен перенос электрона в пространстве и во времени. Сложная цепочка цитохромов есть вынужденная замена металлического проводника. В отличие от этого перенос иона хорошо описывается как движение индивидуальной частицы, обладающей массой и имеющей дополнительную характеристику – заряд. Ионы могут накапливаться на мембранах как на электрических конденсаторах. Они могут перетекать между сторонами мембраны через её дефекты – включения белковых молекул, проницаемых для ионов (ионные каналы).

При горении электроны могут оставаться свободными (даже, если оно началось в твёрдой или жидкой среде, то неизбежное испарение создаёт газообразную среду, которая это разрешает). Живую среду характеризует принцип структурной комплементарности. Поэтому окислительная реакция в живой системе не может развиваться как цепная (подобно горению) – принцип структурной комплементарности делает высокой вероятность сопряжённой восстановительной реакции, которая блокирует путь цепного развития окисления. Электроны свободными оставаться не могут. Они связываются за счёт последующих реакций.

Для того, чтобы возник термодинамический цикл, необходимо разделить пути процессов преобразования энергии в цикле – нужна машина, реализующая цикл. В энергетике жизни её создают обязательная электрическая составляющая окислительно-восстановительных реакций и два разных типа носителей тока, возникающих как их результат. Этим вводятся условия, ограничивающие случайности так, чтобы повысить вероятность самопроизвольного возникновения химико-электрического термодинамического цикла и машины для его реализации.

Не “воля изобретателя” цикла, не поставленная “им” цель, а случайности, ограниченные условиями физических законов, вводят термодинамические циклы метаболизма и реализуют в них максимально разрешённую ими же безударность на путях, составляющих цикл.

Окисление при горении есть экспоненциальная цепная реакция. Окисление как источник энергии живых систем имеет форму термодинамического цикла. Игнорируя это, пищевую энергетику жизни, зная конкретные реакции, тем не менее нередко подразумевают в виде такого же окисления, как при горении, только отличающегося целенаправленными, предзаданно совершенными и сложными реакциями.

Горение как источник тепла требует цикла Карно для его преобразования в механическую работу или другие формы энергии. Этот путь запрещён не только тем, что низок к.п.д. цикла Карно в допустимом для организма диапазоне температур. Он заблокирован биохимической основой жизни – принципом структурной комплементарности, а в конечном итоге иерархическими 6N-мерными симметриями фазового пространства, ответственными за возникновение и эволюцию жизни и биохимическое сопряжение реакций.

Забегая вперёд, надо отметить, что хотя достоверно цикл Карно в энергетике жизни не участвует, поток тепла через живые системы остаётся первичным источником энергии биосферы. Причина в том, что пищевую основу жизни первично создают преимущественно растения, а они потребляют излучение Солнца. Почему, как и какую роль в этом играет поток тепла, рассмотрю в параграфе 10 этой главы.

Страница 76 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука