Страница 78 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен

Перейду к “нисходящей ступеньке” энергетических циклов жизни, показанной на рис. 6.7 стрелкой вниз. В ней энергия АТФ используется, в частности, для синтеза белков и нуклеиновых кислот. Она же обеспечивает работу мышц и процессы транспорта веществ в организме. Поэтому нисходящая ступенька термодинамических циклов метаболизма (как и восходящая) требует для своего описания использования многих конкретных химических потенциалов и концентраций (многих термодинамических плоскостей), а также сложных уравнений состояния и, как правило, участия дополнительных (не химических) видов энергии. Термодинамические циклы энергетики жизни многоступенчатые. Их нисходящие ступеньки в качестве рабочего тела дополнительно к аденилнуклеотидам используют белки, которые одновременно выполняют функции машины.

Один из процессов “нисходящей ступеньки” – мышечное сокращение. Оно есть результат превращения в механическую работу химической энергии, накопленной в составе АТФ. При термодинамическом анализе задачи первый вопрос – что есть рабочее тело? Работу совершает мышца, её волокна. Именно они должны быть рабочим телом конечного в цепочке циклов превращения химической энергии АТФ в механическую. В составе волокон сократительные функции связаны с белком – миозином.

В терминах химии возможность изменения длины (приращения пути, необходимого для совершения механической работы) задают разные конформации биомолекул. Мышца есть термодинамическая машина. Мышца содержит ферменты, определяющие химические и конформационные изменения макромолекул. В терминах термодинамики это же описывают уравнения состояния, включающие в себя механические переменные. Конкретность биохимии в них приближенно может быть заменена феноменологическим описанием.

Привычно, что все тела (от алмаза до резиновой полоски) удлиняются под действием механических напряжений, например, когда к ним подвешивают груз. В механике величина этого удлинения описывается с помощью характеристики материала – модуля упругости Em , который есть эмпирическая константа, связывающая механические напряжения  и механические деформации m в виде линейной зависимости:

. (6.13)

В этой зависимости модуль упругости Em – положительная постоянная. Причина этого – закон сохранения энергии, так как в обычном смысле механические изменения в телах типа от алмаза до резинки с хорошей степенью точности описываются одной формой энергии – они есть пассивные среды.

Мышца наоборот – при действии растягивающих напряжений  сокращается в длине и этим совершает механическую работу. Мышца с приемлемой точностью может быть описана формулой (6.13), но модуль упругости Em для неё отрицательный.

Нарушение закона сохранения энергии при этом не возникает, так как мышца есть активная система. В её работе, как минимум, участвуют две формы энергии. Она является циклическим термодинамическим двигателем. Это не аналог электромотора, а реализация термодинамического цикла, в котором рабочее тело есть “твёрдое тело”, обладающее отрицательным модулем упругости. Повторю ещё раз, что противоречий с законом сохранения энергии при этом нет, так как в задаче участвуют не менее двух форм энергии – механическая и химическая.

В [109], [110] рассмотрена работа такой термодинамической машины на примере магнитострикции. Здесь отмечу, что термодинамика в этой задаче требует от исследователя анализа свойств рабочего тела, то есть “твёрдой” составляющей мышцы.

Подход биохимиков иной – найти фермент, расщепляющий АТФ, и цепочку продуктов, воздействующих на миозин. Для химических реакций естественна водная среда. Поиски фермента велись в растворах веществ, омывающих мышцу. Его не нашли.

Результат получил В. Энгельгардт, исследуя не растворы, а сам миозин – “твёрдое тело”. Ферменты для процессов, высвобождающих энергию АТФ, оказались принадлежностью самого миозина. Судя по воспоминаниям Энгельгардта, руководящим для него была не термодинамика, а интуиция экспериментатора, пришедшего в биохимию сложным путём (а не узко химическим образованием и опытом работы). Однако, если бы термодинамический подход в широком смысле этой книги был бы естественным в биохимии, то как в задаче Митчелла, так и в опытах Энгельгардта, их путь был бы не интуитивными находками, а результатом закономерной процедуры предварительного термодинамического анализа особенностей задачи.

Что нового или практического даёт приведенный в этой книге термодинамический анализ энергетики жизни, если схемы типа рис. 6.5 здесь не конкретны? – наверняка спросят некоторые из читателей. Эффективность и мощь термодинамики как области науки именно в её кажущейся неконкретности. Термодинамика устанавливает наиболее общие взаимосвязи процессов и явлений, основанные на законах сохранения и превращения энергии. Если в термодинамику ввести конкретную форму уравнения состояния, то она и её результаты становятся конкретными. В биохимии и биофизике накопленный фактический материал огромен. Его систематизация на основе единых принципов – отстаёт. Цель этой работы в том, чтобы сформулировать эти единые принципы.

Страница 78 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука