3.2. Обмен веществ и энергии – физико-химическая основа жизни

Живая материя имеет в основе те же физические свойства, что и неживая. В традиционном понимании материя представляет совокупность вещества и поля, которые выступают как разные виды материи. Вещество воспринимается как нечто дискретное, корпускулярное. На самом низшем уровне это элементарные частицы в составе атомов, на более высоких уровнях – молекулы, кристаллы и т.д. Поле представляется нам не вещественным, а волновым и более непрерывным. Известны гравитационное, электромагнитное поля и другие. Однако квантовая (волновая) механика в 20–30-е годы XX века показала, что эле­ментарные частицы вещества, например электроны, обладают одно­временно корпускулярными и волновыми свойствами (дуализм частицы и волны). Современная физика соглашается с тем, что между веществом и полем, так же как между дискретным и непрерывным, нет строгой границы. Согласно фундаментальному принципу дополнительности эти противоположности дополняют друг друга, так что существует сплошная материальная среда, некий континуум (лат. continuum – непрерывный, сплошной). Это и есть материя в синтетическом понимании. Таким образом, материя непрерывна, но ее проявления дискретны.

Заметим, что частицы материи взаимодействуют посредством квантов энергии (например, электромагнитные кванты – фотоны). Квантованная энергия способна совершать работу – переходы между веществом и полем. Преобразование вещества в поле освобождает энергию, и, наоборот, строительство нового вещества требует затрат энергии. Именно это мы и увидим, выясняя формы движения (преобразования) живой материи.

Любая материя существует в движении. В широком смысле под движением материи подразумевают ее постоянное изменение, преобразование вещества в поле и обратно. Для понимания основной формы движения живой материи сначала необходимо усвоить важ­нейшее исходное понятие – второй закон термодинамики. Он объясняет современную тенденцию Вселенской материи. Дело в том, что после Большого Взрыва и возникновения Вселенной, с галактиками, черными дырами и звездными системами, в природе сложилось и до сих пор существует фундаментальное неравновесие – неоднородность, асимметрия в распределении вещества, поля, энергии. Поэтому, как утверждает второй закон, в настоящее время все физические процессы (движение материи) самопроизвольно направлены к достижению равновесного состояния, к выравниванию неоднородностей. Этот закон удачно выражен афоризмом: “Природа не терпит пустоты”. Это означает, что материя из упорядоченного, структурированного (неравновесного) состояния, в котором имеются сгустки и разреженные участки, стремится к диффузному, хаотическому (равновесному) распределению в пространстве. В таком деградированном состоянии материя должна иметь минимальную свободную энергию, т.е. энергию, способную совершить работу, и, напротив, максимальную энтропию – рассеянную энергию, не способную к совершению работы. По классическому определению Р. Клаузиса (немецкий физик середины XIX века, основатель второго закона термодинамики), энтропия мира стремится к максимуму. Горячее тело рано или поздно остывает (энергия рассеивается); сжатые газы расширяются в свободное пространство; разряд молнии преобразует концентрированную электрическую энергию в рассеянную энергию света, тепла, радиоволн и звуковых колебаний.

Второй закон термодинамики справедлив и для живой материи, которая в основе подчиняется законам физи­ки. Живая материя, оставленная без внешнего воздействия, обречена на распад, она переходит в равновесное состояние с минимальной свободной энергией и максимальной энтропией. На рис. 3.1 эти процессы показаны в правой части схемы и означают смерть живой материи, ее превращение в неживую.

Рис. 3.1. Термодинамические процессы в живой материи

Однако живая материя, пока она действительно живая, остается неравновесной, структурированной, высокоупорядоченной. В ней поддерживается свободная, готовая совершить работу энергия, а энтропия минимальна. Такое состояние возможно благодаря открытости живых систем. Строительство живой материи и запасание свободной энергии происходит в результате поглощения простых веществ, притока активных форм внешней энер­гии и ее трансформации в энергию химических связей в ходе биосинтеза макромолекул. Химический синтез (от греч. synthesis – соединение, составление) – это образо­ва­ние сложного вещества из нескольких простых путем их соединения, происходящее при непременном поглощении внешней энергии. Таким образом, в процессе разнообразных биосин­тезов происходит концентрирование вещества и поля, т.е. повышение внутренней сво­бодной энергии живой материи. Энергия запасается во вновь создаваемых химических связях. Это и есть жизнь – противоположность смерти (левая часть схемы на рис. 3.1).

Как видно, в ходе жизнедеятельности и в процессе распада умирающей структуры большая часть поглощенной внешней материи – вещества и энергии – вновь рассеивается в пространство, но теперь в виде малоэффективных (высокоэнтропийных) форм. Органическое вещество распадается на малые молекулы и ионы. Концентрированная энергия химических связей преобразуется в рассеянное тепло, длинноволновое электромагнитное излучение (биопо­ле), механическую вибрацию. В термодинамике и синергетике такое рассеяние энергии обозначается как ее диссипация (лат. dissipatio – рассеивание), а сами системы, обладающие способностью к самоорганизации за счет диссипации внешней энергии, называются диссипативными системами.

Поскольку основной формой внешней энергии для поддержания жизни является солнечный свет, формулу жизни можно конкре­тизировать:

биосинтез продукт
Низкомолекулярное неорганическое (неживое) вещество	+	Электромагнитная энергия солнечного света		Высокомолекулярное органическое (живое) вещество

Изображенный процесс известен как фотосинтез. Ввиду огромной важности этой реакции мы вернемся к ней ниже в контексте с общим потоком веществ и энергии в живой клетке.

Таким образом, взаимодействие потоков простого вещества и энер­гии в ходе биосинтеза живого вещества и обратный процесс распада составляют вместе фундаментальное свойство жизни, основную форму движения живой материи. Вся совокупность этих реакций определяется как обмен веществ и энергии, или метаболизм (от греч. metabole – перемена).

Главное, что необходимо вынести из сказанного, это представление о динамичности организации живой материи. Живые тела, в отличие от неживых, существуют и воспроизводятся в потоке вещества и энергии. Каждый миг живой организм частично разрушается и воссоздается заново, сохраняя видимую неизменность. В этом залог успешного противостояния живой материи всемирному росту энтропии, противостояния второму закону термодинамики, что и отличает ее радикально от материи неживой.

Эта мысль присутствует в разнообразных определениях жизни с точки зрения физики:

жизнь – это специфическая форма движения материи (кругообо­рот материи, обмен веществ и энергии) с поддержанием упорядоченного неравновесного состояния (с высокой свободной энергией и низкой энтропией), существующая за счет поглощения, трансформации и диссипации внешней энергии;

жизнь – это поддержание высокой упорядоченности (низкой энтропии) в среде с меньшей упорядоченностью (высокой энтропией);

жизнь препятствует росту энтропии.