Свободная энергия и биологическое окисление
Движение и перемещение в пространстве живого микроскопического, как бактерия, или макроскопического, как спортсмен, объекта, как и внутренние, невидимые невооруженному глазу, биохимические процессы, требуют затрат энергии (как любая работа). Необходимую для совершения работы энергию все живые биологические объекты получают с пищей, извлекая часть ее из химических связей молекул (пищи, конечно). Однако на полезную (понимай – созидательную) работу может быть затрачена не вся, а только свободная энергия (G)системы (например, молекулярной) при постоянной температуре и давлении. Обладание (кроме «занятой») некоторой долей свободной энергии – неотъемлемое (да и необходимое) свойство живой материи. Физикой живые биологические объекты рассматриваются как открытые, неравновесные системы, причем далекие от термодинамического равновесия, означающего для них – «смерть». В этом смысле человеческий спорт – способ быть подальше от «смертельного равновесия».
В биохимии, условимся, под свободной энергией системы понимать способность совершать полезную работу, такую, которая может быть затрачена на созидание – образование чего-то нового, более сложного и упорядоченного (на креатив, как теперь выражаются продвинутые).
На нашей планете главный источник свободной и доступной для использования живыми организмами энергии – Солнце – ближайшая звезда. В результате протекающих на Солнце ядерных реакций (вспоминайте, про синтез атомов гелия) огромное количество энергии в виде электромагнитного излучения (γ-лучей и ультрафиолета, видимого и инфракрасного – теплового, миллиметрового и далее) и элементарных частиц ежесекундно выбрасывается в окружающее пространство (и Земле достается лишь малая толика от него). Значительную часть высокоэнергетического излучения – жесткого, способного разрывать химические связи (и таким образом «мешать жить») задерживает атмосфера Земли. Видимое (нами и многими другими живыми организмами), тепловое (невидимое, но ощущаемое органами чувств) и длинноволновое (радио-) излучение не разрушает вещество. Попадающие на поверхность Земли солнечные фотоны (они же электроны, когда «пойманы») живая природа успешно «приручила» с помощью фотосинтезирующих систем. Вообще, электромагнитные волны видимого диапазона практично используются биологическими системами (и, конкретно, Вами и сейчас в качестве носителя информации).
Фотосинтезирующие системы растений ступенчато – порциями поглощают кинетическую энергию электронов, превращая ее в потенциальную энергию химических связей органических молекул – углеводов (школьный курс: они синтезируются растениями из H2O и CO2). Углеводы, особенно, высокомолекулярные (крахмал, гликоген), «насыщенны» потенциальной энергией, локализованной на химических связях (которые электронными облаками прочно связывают атомы в молекуле – «браке по любви и расчету»). Фактически, растения накапливают и удерживают электромагнитную энергию Солнца, а вся зеленая (и не зеленая), наземная (и подземная) растительная биомасса Земли это огромный «аккумулятор», рис. 2. К примеру, картофель накапливает энергию «про запас», конечно, себе, а не нам, поэтому заполняет клубни крахмалом, а не мышечным гликогеном («спортивно» устрашающего культуриста).
Рис. 2. Солнце – первичный источник энергии живых организмов, в том
числе, спортсменов.
Окисляя («сжигая») органические вещества растений (крахмал и другие) многие живые организмы на Земле (из них и колорадские жуки, и животные, и люди) «пристрастились» использовать выделяющуюся энергию, не позволяя ей полностью (и попусту) рассеяться. (Таким образом, энергию, заработанную, между прочим, упорным трудом фотосинтезирующих систем картофельной ботвы, так называемые высшие фактически отбирают у растений, заодно приобретая массу биологического строительного вещества, да еще безвозмездно. А может и «возмездно», если вспомнить про культурное земледелие).
Окисление веществ в природе (вне живого) в ходе химических реакций (коррозия железной конструкции на воздухе, «прение» осенних листьев, горение пропан-бутановой смеси в газовой горелке или пожар, «упаси …») – это свободное окисление (с участием кислорода). Оно сопровождается выделением тепла в окружающую среду, соответственно:
- положительным изменением энтальпии +ΔH, характеризующей теплосодержание системы (становится горячо на пожаре);
- отрицательным изменением свободной энергии –ΔG,поскольку система утратила некоторую ее часть, (что сгорело, то пропало);
- положительным изменением энтропии +ΔS, указывающей, что система стала менее упорядоченной (беспорядка на пожарище больше).
При свободном окислении, подчиняющемся законам термодинамики (и химии) величина –ΔG, которая могла бы быть потрачена на совершение полезной работы, «теряется». (А вот дома, чтобы эта –ΔG не «терялась», Вы используете систему – газовую горелку, и часть выделяющегося тепла направляете другой системе – чайнику).
Процесс окисления в биологической системе – биологическое окисление, подчиняется тем же законам природы, что и свободное. Оно протекает на клеточном уровне и при участии ферментативных систем. И это окисление уже «не свободное», а «целевое» – жизнеобеспечивающее. Процесс биологического окисления в живых организмах «запрограммирован» генетически и постоянно контролируется самой биологической системой (во времени и в пространстве). По сути, он является процессом обратным фотосинтезу (поэтому пока растения растут, животные жуют).
Требования живого к биологическому окислению понятны: минимум затрат и потерь, удовлетворительный выход энергии, хороший КПД (чем больше, тем лучше), возможность контролировать процесс тепловыделения (тут «гореть» на работе ни к чему). Живым организмам энергия нужна для осуществления множества самых разнообразных процессов. На микро уровне энергообеспечение необходимо для биохимических реакций синтеза, процессов ионного переноса, создания потенциалов. На макро уровне без затрат энергии невозможны движение (вращение жгутиков, взмах крыльев или плавников, перестановка ног и бег), труд, творчество, спорт, и, в целом, разумное поведение (последнее одними только затратами энергии не определяется).