Как и в физике, в химии все естественные изменения вызваны "деятельностью" хаоса. Мы познакомились с двумя важнейшими достижениями Больцмана: он установил, каким образом хаос определяет направление изменений и как он устанавливает скорость этих изменений, переводит мир в состояния, характеризующиеся все большей вероятностью. На этой основе можно объяснить не только простые физические изменения, происходящие при превращениях вещества. Но вместе с тем мы обнаружили, что хаос может приводить к порядку. Если дело касается физических изменений, то под этим понимается совершение работы, в результате которой в свою очередь могут возникать сложные структуры, иногда огромного масштаба.
При химических изменениях порядок также рождается из хаоса; в этом случае, однако, под порядком понимается такое расположение атомов, которое осуществляется на микроскопическом уровне. Но при любом масштабе порядок может возникать за счет хаоса; точнее говоря, он создается локально за счет возникновения неупорядоченности где-то в ином месте. Таковы причины и движущие силы происходящих в природе изменений.
Развивая нашу механическую аналогию, живые организмы и клетки можно уподобить чрезвычайно сложной системе зацепляющихся друг за друга шестеренок. Если в какой-то части организма "тяжелый груз" падает вниз по шкале свободной энергии, то в другой его части "легкий груз" за этот счет может подняться вверх по этой шкале, но на меньшую величину. Механизм такой биохимической "зубчатой передачи", разумеется, весьма деликатен и сложен.
Иными словами, хотя организм в целом движется по пути деградации, т.е. понижение свободной энергии, эти процессы столь сложны и взаимосвязаны, что попутно рождаются все тончайшие явления, соответствующие жизни и сознанию. Именно поэтому нам необходимо питаться: мы усваиваем вещества, находящиеся достаточно высоко по шкале свободной энергии (т.е. вещества, обладающие энергией высокого качества и соответственно низкой энтропии), а затем в организме они начинают распадаться.
По мере того как питательные вещества опускаются вниз по шкале свободной энергии, в конечном счете выделяясь из организма, внутренние "шестеренки" организма вращаются - происходит процесс, называемый жизнью. На каждой стадии сложнейшего хитросплетения реакций, сопровождающих движение пищи в организме на всем ее пути от усвоения до выведения, Вселенная постепенно, но неуклонно погружается в состояние хаоса, переходя из одного состояния в другое, более вероятное.
Область биофизики, называемая биоэнергетикой, весьма сложна, и при нашем упрощенном изложении нельзя даже надеяться понять все ее тонкости. В настоящем разделе мы сосредоточим основное внимание на молекуле аденозинтрифосфата (АТФ). Это молекула средних размеров (по обычным биохимическим масштабам); ее фундаментальная роль в работе организма связана со способностью этой молекулы "сбрасывать" (или, наоборот, присоединять) концевую (т.е. расположенную на "хвосте" молекулы) фосфатную группу, в которой атом фосфора окружен атомами кислорода. Эта концевая фосфатная группа присоединяется к остальной части молекулы (называемой аденозиндифосфатом, или АДФ) под влиянием окисления глюкозы; последняя реакция в свою очередь происходит в результате распада углеводов, усваиваемых организмом с пищей.
Описанная реакция представляет собой первый пример подъема "легкого груза" за счет опускания "тяжелого". Вновь образованная молекула АТФ перемещается затем к новому месту реакции, где ее концевая фосфатная группа отщепляется, высвобождая при этом энергию и вызывая другую химическую реакцию. Такой реакцией может быть, например, образование пептидной связи и формирование на ее основе молекулы белка или процесс, происходящий в нашей нервной системе, который приводит к возникновению ощущения.
Молекула АТФ играет роль необходимого посредника - поставщика энергии; продолжая механическую аналогию, ее можно назвать "ведущим колесом" жизни. Глюкоза сгорает в организме, образуя двуокись углерода и воду; это один из самых универсальных процессов, который лежит в основе процессов дыхания и пищеварения. Разумеется, при сгорании глюкозы внутри организма не возникает пламени: живой организм устроен гораздо сложнее и тоньше, чем очаг, и извлекает энергию химическими средствами, не допуская расточительного обычного сгорания. При разрушении каждой молекулы глюкозы, сопровождающемся понижением свободной энергии, высвобождается энергия, достаточная для образования 38 молекул АТФ путем присоединения фосфатных групп к молекулам АДФ. Первая стадия в этой цепи реакций называется гликолизом, в ходе ее молекула глюкозы разрывается на две части. При этом происходит понижение свободной энергии, достаточное для образования двух молекул АТФ.
Заметим, что при разрыве молекулы глюкозы на двое высвобождается энергия, а структура деградирует; таким образом, этот процесс может способствовать дальнейшему погружению мира в хаос, несмотря на то что часть энергии используется для образования молекул АТФ. Детали процессов, связывающих деградацию глюкозы с образованием АТФ, определяются специфическими свойствами ферментов, о которых мы не будем здесь говорить. При распаде глюкозы на два фрагмента (иона пирувата, или пировиноградной кислоты) высвобождается лишь часть заключенной в ней энергии. Расположенные в клетках митохондрии в процессе эволюции "научились" использовать оставшуюся свободную энергию (митохондрии - это не большие, размером с бактерию, частицы - органеллы, которые, возможно, когда-то действительно были бактериями, проникшими в клетку и колонизировавшими ее).
Заметим, что извлечение и использование энергии происходит в разных областях клетки: извлекается она в митохондриях, а используется где-либо в другом месте.
Возможно, природа позаботилась о том, чтобы не возникало "короткого замыкания" в цепи использования усвоенной энергии. Действительно, если бы энергия извлекалась и использовалась в одном и том же месте клетки, ситуация напоминала бы прямой контакт между горячим и холодным кусками металла; при этом энергия деградировала бы сразу и непосредственно, что могло бы воспрепятствовать получению полезной работы. Митохондрии подобны электрохимическим (гальваническим) элементам, соединенным в электрические батареи, которые совершают работы по переносу электронов в цепи (т.е. уяснить эту связь и понять, каким образом второе начало термодинамики обусловливает химическое производство электрической энергии, совершим еще один краткий, но важный экскурс.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему