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

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.