ЭНЕРГИЯ ЖИЗНИ

Введение

Мы и весь живой мир земли получаем энергию, для своего развития и динамики, из пищи, преимущественно из углеводов: глюкоза, сахар, крахмал, клетчатка, древесина, которые были произведены растениями из углекислого газа (СО₂) и воды (Н₂О) в процессе сложной восстановительной реакции с участием ферментов, хлорофилла и с поглощением энергии света (фотосинтез). Упрощённо реакцию производства одной условной единицы фотосинтеза углеводов (СН₂О) можно изобразить как: 

СО₂ + Н₂О → СН₂О + О₂ + 478,37 кдж/моль

В организме, а точнее в живых клетках организма, где и протекают все энергетические и биохимические процессы (катализ и синтез) конечного усвоения пищи, эта реакция должна была бы протекать в обратном направлении, с выделением поглощённой энергии, но она не обратима. Продукты этой реакции, углеводы и кислород, не реагируют ни между собой, ни с исходными продуктами, углекислым газом и водой. Несмотря на то, что в получаемых с пищей углеводах много энергии, например, в глюкозе (С₆Н₁₂О₆) содержится 2870,22 кдж/моль, но для того, чтобы извлечь её из глюкозы, последнюю надо окислить, отнять электроны у углерода и водорода при помощи кислорода:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О + 38 молекул АТФ (1)

Для этого необходимо разрывать химические связи в молекуле глюкозы, то есть клетке, как самостоятельной открытой термодинамической системе, надо произвести работу, на что потребуются те же 2870,22 кдж/моль. Выполнить эту работу клетка не может, не позволяет закон сохранения энергии или первый закон термодинамики. Поэтому углеводы, так же, как и углеводороды, в естественных условиях не окисляются, ни на воздухе, ни в воде. А вот в живых клетках окисляются. И это оказалось одной из тайн жизни, которую учёные долго изучали, а потом объяснили протекание этого процесса наличием в клетке свободной энергии Гиббса (∆G) и радикалов. Из формулы первого закона термодинамики ∆U = Q -A, где ∆U – изменение внутренней энергии, Q – внешняя энергия, А – работа, видно, что если Q = 0, то формулу можно записать как: А = - ∆U, то есть система может выполнить работу за счёт внутренней энергии, величина которой зависит от температуры, давления и объёма. Температуры, при которых возможны биологические процессы, невелики, потому что ниже 0⁰ С - начало замерзания воды, а выше 60⁰С - начало свёртывания белков. Поэтому биохимики определяют величину внутренней энергии при стандартной температуре 37⁰ С и называют её свободной энергией (∆G), которая может использоваться для работы. Отметим, что величина этой свободной энергии взаимодействий в биологических системах лежит в интервале 0 ± 10,47 кдж/моль [2]. Этого количества энергии недостаточно для окисления глюкозы. Для производства активных радикалов, необходимых для реакции, тоже нужна энергия.

В качестве доказательства окисления по типу дыхания приводится целый ряд последовательных опытов, в которых обязательно присутствуют ферменты. Главным источником недостающей в клетке энергии посчитали АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), которую производит клетка и использует её в качестве естественного аккумулятора энергии. Следует отметить, что все ферменты и АТФ были произведены, в своё время, клеткой с использованием энергии, которую клетка где-то добывала, не выходя за пределы законов термодинамики. Каждый фермент, произведённый клеткой, предназначается для катализа какой-то определённой химической реакции и в него заложен запас энергии, достаточный для выполнения этой функции. Поэтому, хотя опыты, с участием ферментов и АТФ, демонстрируют энергетические превращения в клетке и позволили их хорошо изучить, но в них не просматривается начало процесса окисления глюкозы, первоисточника энергии.

Поиск ответа

Пожары. Горят состоящие из углеводов леса, степи, дома, поглощая кислород и выделяя углекислый газ, воду (дым). А это и есть их окисление. Возникает вопрос: как это, то углеводы не окисляются, то бурно окисляются? Причину разгадал академик, Н.Н. Семёнов [3], который вместе с английским учёным Хиншелвудом получил за это Нобелевскую премию. Оказалось, что окисление органических веществ на воздухе по типу горения протекает как цепная химическая реакция, развиваясь лавинообразно по показательной функции (экспоненте, е˟). Но для её начала необходимо внешнее воздействие энергии, которой не хватает в системе. А это означает, что для начала окисления глюкозы необходимо приложить достаточное количество внешней энергии, которая превышала бы прочность связей в глюкозе, то есть поджечь. Произойдёт разрыв связей в молекуле и образование новых продуктов с выбросом энергии –4079,04 кдж/моль (͠ 6СО₂ – 2362,77 кдж/моль и 6Н₂О –1716,27 кдж/моль), микровзрыв. Разлетятся частицы: одни со скоростью света (излучение), другие – медленнее (осколки молекул, активные радикалы). Излучение возбуждает атомы и молекулы, повышая температуру в системе, а активные радикалы разрывают связи в других молекулах глюкозы.

Это на воздухе, а в клетках-то вода, более 70%. В воде поджечь невозможно и ничего в ней не горит. Поэтому учёные полностью отвергли окисление углеводов в клетке по типу горения. Однако, главное в реакции по типу горения не дым и не пламя, а её цепной характер. За взаимодействие между атомами и молекулами отвечают электромагнитные силы, которые действуют принципиально одинаково и в газовой, и в жидкой фазе. Поэтому неудивительно, что академик Н.М. Эмануэль с сотрудниками [4] доказали, что окисление углеводородов в жидкой фазе тоже может протекать как цепная химическая реакция, но с возможными особенностями жидкой фазы.

Гипотеза

Допустить, что в клетке протекает цепная химическая реакция окисления глюкозы, кажется невозможным, потому что она должна была бы сварить или взорвать клетку. Но этого не происходит. Это означает, что в клетке такой реакции или нет, или она есть, но находится в подконтрольном состоянии, чем-то как-то управляется – замедляется или ускоряется. Известно, что цепные реакции управляемы. Например, в атомных электростанциях. Увеличение численности живых организмов тоже идёт по экспоненте и управляется условиями (давлением) внешней среды (кривая Верхюлста) [5].

Если действительно мы имеем дело с цепной реакцией окисления глюкозы в клетке, то здесь кроется фундаментальный ответ на вопрос: почему живые организмы имеют клеточное строение? На это нет общепринятого ответа. А ответ может заключаться в том, что, как известно, развитию цепных реакций препятствуют стенки сосудов. Роль сосудов выполняют клеточные структуры митохондрии (микросферы), в которых и происходит реакция окисления, а её цепное развитие сдерживается стенками микросфер. Но это только первый этап управления реакцией.

Для протекания реакции ещё нужен катализатор, причём строго специфичный, чтобы такая реакция не распространилась на другие органические вещества. Вероятно, что существует такой фермент–катализатор. Он, как и все белки, обладает специфичностью, то есть, вступает только в предназначенную ему реакцию, не обращая внимания на десятки и сотни других, протекающих рядом реакций. При повышении температуры в клетке первичная структура фермента, представляющая из себя длинную цепь из аминокислот со встроенными, в начале и конце цепи, активными центрами, катализирующими окисление, удлиняется. Так как эта нить свёрнута в клубочек (вторичная и третичная пространственная структура со слабыми водородными связями), то активные центры оказываются на его поверхности и при удлинении цепи смещаются. Активность фермента при этом падает. Со снижением температуры всё восстанавливается в соответствии с основным законом молекулярной биологии - зависимости пространственной структуры молекулы белка от её первичной структуры.

Можно предположить, что именно так происходит поступление в клетку внешней энергии, с использованием этого гипотетического фермента в качестве механизма обратной связи (информации) для автоматического управления протекающей цепной химической реакции окисления глюкозы: чувствительность → побуждение → возбуждение или торможение. Это одна из главных тайн жизни. Здесь просматривается начало процесса обеспечения клетки энергией извне и отсутствует противоречие с первым законом термодинамики, поскольку при цепных реакциях производится энергии больше, чем требуется для её начала и дальнейшего поддержания. Эта, как бы, лишняя энергия (4079,04кдж/моль - 2870кдж/моль = 1208кдж/моль) расходуется на энергетические потребности клетки. Её как раз хватает на производство 38 молекул АТФ. (1208 кдж/моль: 31,8кдж/моль, необходимых для обращения АДФ в АТФ, получим 38,01 молекулу АТФ.

Регулируя поток энергии, автомат работает беспрерывно и может остановиться только в случае остановки реакции, например, при недостатке в клетке глюкозы или, что особенно важно, кислорода. В этом случае наступит смерть клетки безвозвратно, потому что прекратится поступление энергии извне и остановятся процессы катализа и синтеза. Далее все энергетические превращения в клетке пойдут, в соответствии со вторым законом термодинамики, в сторону термодинамического равновесия. Освобождающаяся при этом энергия обращается в обратную величину (1/х) – энтропию (S}, которую нельзя обратить в работу. В итоге увеличится энтропия (беспорядок) и наступит термодинамическое равновесие.

Начало реакции

Теперь отметим, что началась управляемая цепная реакция окисления восстановленного углерода в самом начале жизни на Земле или жизнь началась с неё. По данным науки, произошло это событие 3,5 миллиарда лет назад в коацерватах (микросферах) А.И. Опарина, естественно возникающих в водных растворах органических веществ, в то время абиогенного космического происхождения. Толчком для начала реакции послужило воздействие энергии солнца (УФ лучи, грозовые разряды), что доказано опытами С. Миллера. Сначала возникали аминокислоты будущих структур ферментов и АТФ, а потом и они сами, для формирования которых в современном виде потребовались миллионы лет эволюции. Сейчас эта реакция протекает беспрерывно в клеточных структурах (митохондриях), которые присутствуют десятками в каждой клетке всех видов животных и растений. Митохондрии имеют свои ДНК, РНК и рибосомы. Они производят энергию для клетки.

Жизнь передаётся по наследству с материнской клеткой, в которой есть внутриядерная ДНК с генами от матери и от отца, и есть другая ДНК, которая находится в митохондриях и имеет только материнские гены. Размножаются митохондрии внутри клетки простым делением, а не по законам Менделя и передаются по наследству в неизменённом виде с живой материнской клеткой в рабочем состоянии. Так поддерживается беспрерывность протекания цепной реакции в каждой клетке и жизни как процесса. И поэтому жизнь никогда не начинается заново.

Заключение

Извлечь энергию из продуктов необратимой реакции фотосинтеза при помощи химического окисления по типу дыхания клетка не может. В то же время, клетка не может существовать без постоянного притока внешней энергии. Краткий анализ приведённых в тексте примеров научных данных привёл к гипотезе о том, что в живой клетке протекает цепная химическая реакция окисления глюкозы по типу горения, обеспечивающая клетку этой энергией. Лавинообразный рост реакции сдерживается стенками клеточных структур митохондрий, в которых протекает реакция. Кроме того, реакция управляется гипотетическим ферментом-катализатором, обладающим специфичностью только к этой реакции. В поддержку этой гипотезы свидетельствуют такие факты как: 

1. Отсутствие нарушения термодинамических законов при обеспечении клетки энергией таким способом.
2. Соответствие экспоненциального роста биомассы животных и такого же экспоненциального увеличения количества поступающей энергии.
3. Хорошо согласуется со структурой и функцией клетки.