Страница 76 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наука - Философия на vuzlib.su
Тексты книг принадлежат их авторам и размещены для ознакомления Кол-во книг: 64

Разделы

Философия как наука
Философы и их философия
Сочинения и рассказы
Синергетика
Философия и социология
Философия права
Философия политики

  • Статьи

  • align=left style='text-align:left'>Перенос электрических зарядов в термодинамических циклах метаболизма

    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.





     
    polkaknig@narod.ru ICQ 474-849-132 © 2005-2009 Материалы этого сайта могут быть использованы только со ссылкой на данный сайт.