|
|
Страница 77 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наукаВ термодинамическом цикле собственно циклический процесс (возвращающийся в одни и те же состояния) происходит в плоскостях функций состояния (энергии). Он материально выражается обратимым изменением рабочего тела. Оно возможно только тогда, когда реализована машина, в которой происходит этот цикл. Первая составляющая термодинамических машин, определяющих существование жизни и её метаболизм, есть белки-ферменты. Вторая – механизмы для переноса электронов на основе заполненных энергетических зон. Третья – биомембраны как накопители и регуляторы переноса электрических зарядов в виде ионов. Цитохромы есть преимущественная машина для переноса электронов с участием заполенных энергетических зон. Роль биомембран в энергетике жизни понял и объяснил П. Митчелл (не используя понятия термодинамических циклов). Сегодня работа Митчелла вошла во все учебники биологии, биофизики и биохимии. Результат термодинамических циклов в виде работы имеет источником поток, проходящий через машину, реализующую цикл. Он не может быть описан в терминах функций состояния. Этот поток необратим. Например, в цикле Карно это поток тепла. В цикле Карно рабочее тело есть энтропия-информация. В энергетики метаболизма животных поток образуют вещества, проходящие через цикл (они показаны в левой части рис. 6.6). Рабочее тело в энергопоставляющих циклах метаболизма есть адениловые нуклеотиды (рис.6.5), в “строительных” циклах – белки-ферменты. При фотосинтезе ситуация не столь прозрачна. В нём первично поток задан квантами света. Они ассоциируются с энергией. Поэтому распространены рассуждения о, якобы, особой ценности излучения Солнца (в отличие от пищи) как источника для работы метаболизма. Это – заблуждение. Энергия в неадиабатических процессах всегда квантуется. Излучение в этом не есть исключение или преимущество. Излучение создаёт всё тот же необратимый поток (причины рассмотрены в параграфе 10). В составе потока при фотосинтезе (кроме излучения) содержатся низкомолекулярные вещества земного происхождения. Термодинамический цикл фотосинтеза включает в себя составляющие, которые используют универсальное для подавляющего большинства видов жизни рабочее тело в виде адениловых нуклеотидов.
Введу поэтому условную схему рис. 6.7, в которой химическая детализация отсутствует. Она немного, но существенно, дополняет схему рис. 6.6. Две группы реакций энергетики метаболизма разделены биомембраной и сопрягаются переносом через неё протона. В этом главнейшее в энергетике жизни. Сугубая конкретность химических реакций как составляющих термодинамического цикла разорвана в цикле участием электрической энергии и элемента машины в виде биомембраны. В результате этого уникальность информации, синтезированной о рабочем теле энергетики жизни – адениловых нуклеотидах – дополняется свободой случайностей в деталях химических процессов с их участием по обе стороны мембраны. Как было пояснено в главе IV, это и есть необходимое условие детерминизма жизни. Для химических реакций в биомолекулах (как составляющих термодинамических циклов) уравнения состояния существенно зависят от ферментов. В живых системах ими являются белки. Синтез белков управляется РНК и ДНК. Поэтому генетическая информация об энергетике жизни и образовании веществ в клетках, содержащаяся в РНК и ДНК, есть запомненный случайный выбор, который эквивалентен “записи” уравнений состояния, определяющих циклы матаболизма. Схема рис. 6.7 иллюстрирует восходящую ступеньку термодинамических циклов энергетики жизни – накопление энергии. Реальное их описание требует использования многих взаимосвязанных плоскостей типа рис. 6.5. Их задают существенные для данной задачи формы энергии и “записанные” для них в ДНК уравнения состояния. Кислородная энергетика более эффективна, чем брожение. Фотосинтез использует свет как источник энергии. Фотолитотрофы производят энергию на основе минеральных веществ. В существенно разных процессах производства энергии для метаболизма присутствуют разные конкретные реакции. Но возникновение и существование жизни есть детерминированный процесс. Это выражает сочетание адениловые нуклеотидов как уникального рабочего тела термодинамических циклов (в частности, ключевая роль АМФ, АДФ, АТФ) с универсальностью переноса протонов и ролью мембран. ДНК и РНК содержат в себе запись запомненных вариантов деталей реализации циклов в живых системах потому, что они кодируют синтез белков-ферментов. Химия реакций конкретна. Но законы химии допускают участие электрического поля в их реализации. Термодинамика требует в циклах производства энергии использовать одновременно разные формы энергии. Сочетание этих условий важнейшее для существования жизни Ни Томсон, ни Шрёдингер не были профессиональными химиками. Для них были непредставимы те изощрённые взаимосвязи и количества последовательных реакций, которые обнаружили биохимики в энергетике метаболизма. Однако роль электрического поля как промежуточного агента, разрывающего специфичность взаимосвязей химических реакций, для Томсона, как родональника термодинамики, и для Шрёденгера, как исследователя, воспитанного на традициях и методах Больцмана, была очевидной. В этом причина гениальности их предсказаний. Хотя потом химики их понимать перестали. Свободная энергия в физической химии отображает грубое осреднение сложных многоступенчатых реакций. Это обедняет понимание термодинамики. В результате биохимики пришли в тупик. Они считали, что стрелка на рис. 6.6, обозначенная словом – энергия, должна иметь смысл химического сопряжения реакций. Иного они не только не мыслили, но (вопреки прямым указаниям классиков) воспринимали в штыки. Искали, казалось бы, мелочь – подходящий фермент для известных субстратов. В. Скулачёв подробно описывает эту ситуацию, в которой приняла участие даже фальсификация экспериментов. Вспоминая или нет Томсона и Шрёдингера – неизвестно, но правильный выход из положения нашёл П. Митчелл. Он ввёл на уровне стрелки, обозначенной “энергия” в схеме рис. 6.6, электрические и механические процессы как причину сопряжения реакций в энергетике метаболизма. То есть, в терминологии этой книги включил в термодинамические циклы энергетики жизни формы энергии ED и PV . Давления и объёмы в этом случае есть переменные, относящиеся к осмотическим процессам. Читая учебники и оригинальную литературу трудно избавиться от впечатления, что некоторые биохимики так и не примирились со справедливостью теории Митчелла, хотя его Нобелевская премия вынуждает их с ней соглашаться и на неё ссылаться. Её присуждения, повторю, добился Л. Полинг. 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:
|
|