Страница 80 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука

Клетка для снабжения себя энергией ис­поль­зует термоди­намичес­кие циклы на основе электрической и химической энергии. Но клетке нужны и химические синтезы веществ. Их реализуют химические тер­модинамичес­кие цик­лы типа рис. 6.5. Для их существования так же не­об­ходима тер­модина­ми­ческая машина, в которой разделяются во време­ни или в пространстве прямые и обратные составляющие циклов. Она реализуе­т­ся с помощью бел­ков-ферментов. Этот общий принцип детали­зирован в [1], [105] – [107], [123]. Поясню его, допо­л­нив след­ствиями вве­де­ного выше в этой главе.

Главное отличие белка-машины от тепловой машины состоит в ис­­поль­зуемых молекулярных степенях свободы рабочего тела. В работе теп­ловой ма­ши­­­ны тепло участвует как информация о движении по всем степеням свободы молекул газа – ра­бо­чего тела. Разделение прямых и обратных процессов цикла во времени или в пространстве невозможно иначе, чем реализацией машины с ме­ха­ни­ческими деталями управления путями цикла. Эти детали несопоставимо велики по отношению к мо­ле­ку­­ляр­ным масштабам. Машина организует по­то­ки простейших молекул и тепла, которое отображает их случайные движения по всем степе­ням свободы. Как подчеркивалось неоднократно выше, тепловая маши­на использует в ка­че­стве рабочего тела энтропию-информацию о газе. Тер­мо­динамический цикл как комбинация состояний и пу­тей рис. 6.3 даст одинаковый ре­зуль­тат при любом веществе как рабо­чем теле.

В химических термодинамических циклах тепло может уча­ст­во­вать, но оно не является определяющей формой энергии в цикле. Хими­чес­­кие реакции есть превращения энергии конкретных внутренних сте­пе­­ней свободы молекул. Химическая термодинамическая машина долж­на уп­рав­лять состояниями ин­ди­ви­дуальных молекул.

Биомолекулы имеют боль­шие размеры. Они сложны и структури­рованы. В них происходят конформационные перестройки структуры, ко­торые можно рассматривать как механические процессы. Попытки на этой основе сопоставить “автомобильный двигатель” и белок как тер­мо­­динамические машины, казалось бы, упираются в тупик. Он возникает из-за того, что положения поршней и клапанов в тепловом двигателе задаются строго и затраты энергии на это пренебрежимо малы, а в инди­ви­ду­аль­ной молекуле принцип неопределённости Гейзенберга приводит иногда к затра­там энергии на измерения, превышающим работу цикла. Воз­ни­кает вы­вод, что молекулярные машины не могут рабо­тать об­ра­тимо. Для их работы необходимо изменять конструкцию при переходе от прямого к обратному циклу. Вывод правильный, но он аналогичен и для тепловой машины. Ведь прямые и обратные сос­тав­ляющие её цикла не­воз­можны в одной и той же машине. Закрытые или открытые клапана ав­томобильного двигателя, разные направления движения в нём порш­ней описывают разные машины. Они объединены ин­же­нерами в одно изде­лие, но, кстати, не всегда. В паровых и газовых тур­би­нах составляющие циклов действительно происходят в разных изде­ли­­ях (котёл или камера сгорания, компрессор, турбина, кон­ден­­са­тор).

Если эти изделия изготовлены и собраны вместе, то в обычных тепловых термодинамических циклах возникает некая “квантовость”. В котле рабочее тело нагревается до конкретной температуры. Компрессор его сжимает до заданной величины давления, и т.п. Но в этом случае очевидна возможность разбить реальный цикл тепловой машины на сум­му циклов-составляющих и устремить их площадь к нулевому пределу. Обратимость тепловой машины создаёт именно эта идеализация, вопре­ки реализации машины как изделия и второму началу термодинамики в формулировке Каратеодори (параграф 3 этой главы, п. 7).

Химические реакции имеют энергетические барьеры (пороги акти­ва­ции). Преодоление этих порогов нельзя пред­ста­вить с помощью пре­де­ла последовательности циклов-составляющих. Как многократно подчёр­кивалось выше, тепловые термодинамические циклы содержат необ­ра­ти­мость того же типа, что и химическая – неадиабатические переходы в тер­­модинамике всегда содержат скачки. Их причина во втором начале термодинамики (в той его части, которую отображает формулировка Каратеодори) и в уравнении состояния (1.14), которое есть строгая за­ме­на эмпирического соотношения неопределённости Гей­зенеберга. Они для практических задач тепловых циклов пренебрежимо малы.

В адиаба­ти­чес­ких составляющих тепловых циклов возможно стро­го непрерывное из­ме­­­не­­ние энергии. В неадиабатических составляющих – оно всегда дис­к­рет­но, но величина ступеньки иногда может быть пре­неб­режимо мала. Для химических и химико-электрических цик­лов сопряжённые скач­ки рис. 6.5 есть основа их работы. При этом надо учитывать, впер­вые введенное в моих работах [3], [11] – температура есть об­рат­ное вре­мя, а потому адиабатичность и неа­ди­абатичность на уровне един­ст­вен­ной мо­лекулы выражается сложнее, чем с помощью энтропии, ис­поль­зу­е­мой в физической химии.    

В тепловой машине содержится рабочее тело со своим уравнением состо­я­ния и собственно машина-изделие. Она необратима, но для неё воз­­можна предельная обратимость (принцип безударности Лаза­ря и Са­ди Карно),  ре­а­лизуемая мысленной (другой) ма­ши­ной-из­де­­лием.

Химическая термодинамическая машина как изделие содер­жит­ся в уравнениях состояния для её рабочего тела – индивидуальных моле­кул белка. Потоки веществ со своими химическими потенциалами i и кон­цен­трациями ni есть источ­ник для работы такой машины. Белок (фер­мент) есть одновременно и машина, и её рабо­чее тело. Эти его функции нельзя разделить даже мысленно. В этом важны подробности, которые рассмотрены в [12].

Независимо от формы, конкретизация работы белков в живых сис­темах является огромной по объёму самостоятельной работой. Часть све­дений о ней изложена в учебном пособии [124].