Страница 77 - 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'>Биомембраны и электричество

    В 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.

    Рис. 6.7.

     
    Тот бесспорный факт, что циклы в составе мета­бо­лизма есть осно­ва жизни, по­ня­­тен. Сло­во – цикл – при опи­са­нии жизни встреча­ется часто. Од­на­ко смысл тер­моди­на­ми­чес­­ких циклов в не­го не вкла­ды­вается и не ис­следуется. Изобразить термодинамический химико-элек­три­чес­кий цикл ме­та­бо­лиз­ма с рабочим те­лом в ви­де аде­ни­ловых нуклеотидов на плос­ко­стях разных форм энер­гии (вклю­чая индивидуаль­ные пло­с­кости  ni) для этой книги гро­мозд­ко.

    Подпись: Рис. 6.7.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. 





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