12.1.4. Гетеротрофы и автотрофы

В течение длительного времени организмы были гетеротроф­ными, т.е. питающимися органическими молекулами из окру­жающего бульона или другими организмами. Гетеротрофное питание осуществлялось за счет расщепления с помощью фер­ментов органических веществ и усвоения продуктов этого рас­щепления. Грибы, некоторые растения, животные и человек яв­ляются гетеротрофными организмами. Следующим шагом эво­люции живого стало появление автотрофных организмов, которые способны синтезировать питательные вещества из неор­ганических соединений: живой мир перестал зависеть только от органических веществ, которые в целом медленнее образо­вывались на Земле по сравнению с неорганическими, и Земля могла дать возможность существовать гораздо большему числу живых существ. Автотрофы — это первичная биотическая осно­ва. Автотрофные растения и организмы являются пищей для ге- теротрофов — животных, грибов, бактерий, т.е. таких живых ор­ганизмов, которые непосредственно не могут усваивать энергию извне.

Другим важным моментом в эволюции жизни стало появле­ние аэробных организмов, в основном эукариотов, обладавших кислородным дыханием и возникших в окислительной среде. Аэробные клетки, активно питавшиеся кислородом, усваивали энергию в 10 раз большую, чем анаэробные, и поэтому эукариоты в десятки раз более эффективно использовали энергию Солнца. Первоначальной формой были (живые) прокариотические, анаэробные организмы, возникшие и существующие в некисло­родной первородной атмосфере Земли и не потребляющие кислорода.

Примитивная атмосфера Земли, состоящая из водорода Н₂, метана СН₄, аммиака NH₃, воды Н₂0, была восстановитель­ной, и автотрофы должны были возникнуть именно в таких ус­ловиях, т.е. анаэробно. И если бы клетки живого организма не достигли своей высокой организованности и защищенного со­стояния (оболочка), то кислород (0₂) не дал бы возможности развиваться жизни, окисляя химические соединения, из кото­рых должны были образовываться биологически функциональ­ные молекулы.

Само существование и развитие жизни подтверждает биоген­ное происхождение современной окислительной атмосферы Земли. По геологическим данным следы прокариотов анаэробов были обнаружены в осадочных породах в Австралии, возраст ко_г торых составляет около 3,9 млрд лет. Этим же возрастом можно датировать возникновение анаэробной жизни и прокариотиче- ской биосферы. Прокариоты освоили реакцию фотосинтеза и произвели смертельный для них кислород. Постепенное накоп­ление кислорода в атмосфере и океане препятствовало эволюции прокариотов, вело к их гибели и появлению эукариотов с их кислородным питанием. Дальнейший рост концентрации кисло­рода привел к образованию озонового слоя в атмосфере и позво­лил жизни выйти из океана на сушу, что значительно ускорило процесс эволюции живого.

Озоновый слой защитил всю живую природу от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца и тем самым создал более благоприятные условия для дальнейшей эволюции самых разно­образных видов животных и растений на Земле.

Автотрофы, прежде всего растения, осуществляющие процесс фотосинтеза, имеют для гетеротрофной жизни на Земле косми­ческое значение. Фиксируя в продуктах фотосинтеза солнечную энергию, они выполняют для нас роль как бы космического очага. Ежегодно растения образуют до 150 млрд тонн органических ве­ществ и запасают до 10¹⁶ кДж энергии Солнца. При этом они усваивают из атмосферы до 300 млрд тонн углекислого газа и разлагают до 130 млрд тонн воды, вьщеляя около 130 млрд тонн кислорода. Практически жизнь на Земле целиком зависит от фо­тосинтеза автотрофов. В настоящее время анаэробы существуют лишь там, где недостаточно кислорода для поддержания аэроб­ной жизни.

Описанные процессы перехода к фотосинтезу и автотрофно- му питанию можно рассматривать как очередную бифуркацию в эволюции живого. Взаимодействие гетеротрофов и автотрофов в процессе их жизнедеятельности приводило к изменению внеш­них условий для живых организмов, которое вынудило эти орга­низмы приспосабливаться к новой среде и еще больше изменить ее. Поэтому в ходе эволюции жизни на Земле среда формирова­ла организмы, а живые организмы формировали среду.

Современное естествознание в целом исходит из абиогенного происхождения жизни по модели Опарина.

12.2. Химические процессы и молекулярная самоорганизаци

я

Быть может, эти электроны — Миры,-где: пять материков, Искусства, знанья, войны, троны И память сорока веков!

Еще, быть может каждый атом —

Вселенная, где сто планет;

Там все, что здесь, в объеме сжатом.

Их меры милы, но все та же Их бесконечность, как и здесь; Там скорбь и страсть, как здесь,

и даже

Там та же мировая < песь.

В. Брюсов.. Мир электрон

аНо также то, чего здесь нет.

В этом параграфе приведены краткие сведения из химии, ко­торые будут полезны для развития представлений о физике про­цессов в живой природе. Поскольку в основе жизнедеятельности любого живого организма лежат биохимические процессы, на­помним физический смысл тех терминов и понятий, которые описывают химические процессы и реакции. Все материальные тела неживой природы состоят из атомов и молекул, что по­зволяет говорить об общности строения различных видов мате­рии, в том числе молекул веществ, состоящих из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц.

12.2.1. Химические понятия и определения

Под атомом понимают электронейтральную квантово-меха- ническую частицу, состоящую из положительно заряженного яд­ра и отрицательно заряженных электронов, распределенных по оболочкам. Химический элемент — это совокупность определен­ных видов атомов с одинаковым зарядом ядра. В основе Пери­одической системы элементов Д.И. Менделеева лежит представ­ление, что свойства химического элемента зависят от заряда ато­ма, и это определяет место элемента в таблице.

В природе атомы в своем индивидуальном виде встречаются достаточно редко, для большинства химических элементов ато­мы обладают способностью отдавать или присоединять электро­ны, что обусловлено особенностью строения их электронных оболочек. Если атом имеет незаполненные внешние электрон­ные оболочки, он нестабилен и легче вступает в химические ре­акции, отдавая или приобретая электроны на свою внешнюю оболочку в зависимости от валентности — способности атома к образованию химической связи. Поэтому реакционная способ­ность элемента, его активность в химических реакциях опреде­ляется количеством электронов на внешних оболочках атома.

Вещество, которое состоит из атомов в определенном соотно­шении и объединенных определенной химической связью, явля­ется химическим соединением. Под химической связью понимает­ся определенное взаимодействие атомов через их электроны и приводящее к заданной конфигурации атомов, по которой одни молекулы отличаются от других. Молекула — это наименьшая частичка вещества, обладающая его химическими свойствами. При образовании химических связей электроны переходят от од­ной молекулы к другой и уже не принадлежат какому-то отдель­ному атому, а обобщены (гибридизованы); при этом атомы теря­ют свою индивидуальность и свойства соединений отличаются от свойств составляющих их элементов.

Понятие «молекула» было введено французским химиком П. Гассенди (1592—1655) именно как «соединение атомов». Структура молекулы определяется пространственной и энерге­тической упорядоченностью квантово—механической системы, образованной электронами и атомными зарядами. Напомним, что поскольку электроны подчиняются законам квантовой механики, то при химических взаимодействиях надо представ­лять не определенные траектории электронов, соединяющих атомы и молекулы между собой, а некие «электронные облака», вероятность нахождения которых в пространстве определяется, как нам известно, квадратом модуля волновой функции |v|/|².

Химические реакции — это превращение одного или несколь­ких исходных веществ в отличающиеся от них по химическому составу и строению другие вещества. Химические реакции не меняют ни общего числа атомов, ни изотопного состава. Харак­теристиками химических реакций являются равновесная степень превращения, скорость реакции и глубина протекания. На языке физики все химические реакции — не что иное, как перестройка электронов в атомах электронов, участвующих в реакциях, в то время как ядра атомов в процессе этой реакции остаются незат­ронутыми. *

Молекулы и атомы находятся в непрерывном тепловом дви­жении, сталкиваясь друг с другом. Этот процесс происходит как самопроизвольно, так и под действием температуры, ионизи­рующих излучений, электрического тока, механических воздей­ствий, катализаторов, и им можно управлять. При соударениях молекул выделяется достаточное количество энергии для разры­ва связей, их перестройки, формирования нового набора атомов, изменения их числа, т.е. образования новых соединений. Это и есть физическое понимание химических реакций, которые могут быть обратимыми и необратимыми в зависимости от энергии реакции. Самопроизвольно реакция идет в сторону уменьшения энергии веществ и увеличения энтропии в ходе реакции. Обыч­но это отмечается стрелкой в химическом уравнении, направ­ленной в сторону более низкой суммарной энергии связи в пол­ном соответствии с принципами термодинамики: реакция идет, если в ходе ее свободная энергия системы уменьшается. Если реакция обратима, то стрелки направлены в обе стороны:

А + В АВ.

Зная энтропии веществ, участвующих в реакции, можно опреде­лить условия, при которых возможно ее протекание. Если реак­ция сопровождается выделением тепла, ее называют экзотерми­ческой, если с поглощением, то — эндотермической. В зависи­мости от характера химической связи и энергии реакции наиболее зависимыми от условий протекания реакции являются соединения переменного состава, в которых связи между эле­ментами ослаблены. На направление химических процессов влияет термодинамика, а скорость их протекания определяется кинетикой процесса. Физически же причина и ход всех химиче­ских реакций объясняются двумя условиями: возрастанием энт­ропии в ходе самопроизвольной реакции и стремлением к уменьшению свободной энергии.

Представления о химических связях и реакциях тесно связа­ны с понятиями о химической системе и химическом процессе. Хи­мические системы могут быть равновесными и неравновесными. В равновесных системах идут обратимые химические реакции, а в неравновесных протекают необратимые процессы, как прави­ло, цепные и разветвленные реакции. В этих реакциях возника­ют флуктуации, неустойчивости и развитие процессов подчиня­ется законам нелинейной динамики.

Химический процесс представляет собой последовательную смену состояний химической системы, в ходе которой образует­ся новое химическое вещество. Взаимодействие электронов и молекул приводит к изменению состава или структуры нового вещества. Важную роль здесь играет энергетика: стабильность соединения и возможность его перестройки и участия в химиче­ском процессе будет зависеть от устойчивости электронных обо­лочек его атомов. Менее устойчивое соединение обладает боль­шей свободной энергией, стабильное (упорядоченное, более ор­ганизованное) — меньшей. Чтобы заставить вступить в реакцию разные соединения, надо сообщить устойчивому соединению до­полнительную энергию, которую шведский химик С. Аррениус (1859—1927) назвал энергией активации E_aKJ. Она определяет скорость протекания реакции К:

где R — молярная газовая постоянная, Т — термодинамическая температура, — скорость реакции при Т = О К. Это выражение близко по форме и физическому смыслу распределению JI. Больц­мана, хорошо описывающего хаотический характер взаимодейст­вия участвующих в реакции частиц вещества.

Чтобы снизить порог начала реакции, обычно требуется умень­шить энергию активации, например путем катализа. Катализ — 'по процесс изменения скорости реакции под действием или при участии особых веществ — катализаторов, которые участвуют в реакции, но не входят в состав ее конечных продуктов. Катализа­торы не сдвигают равновесий в химической системе: они ускоря­ют и прямую, и обратную реакции. Закономерности катализа бы­ли открыты русским химиком К. Кирхгофом (1764—1833). Су­ществуют также вещества, замедляющие процесс реакции, они называются ингибиторами. В биологии ингибиторами являются молекулы, которые, связываясь с биокатализаторами — фермента­ми, блокируют какую-то стадию ферментативной, т.е. ускоряю­щейся, реакции.

В настоящее время технология получения до 80% различных химических веществ основана на каталитических процессах. Ка­талитическими являются и многие биохимические процессы в живой клетке, в которой роль катализаторов играют ферменты. Например, природным биокатализатором является хлорофилл, представляющий собой комплексное металлоорганическое со­единение в живой ткани зеленых листов растений. Ферменты — белковые катализаторы — дают возможность быстро осуществ­лять химические реакции при низких температурах живого орга­низма. Несмотря на то что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, они отличаются от них тем, что функционируют в рамках живых систем. Катализа­торы были известны давно, их широко использовали в древнос­ти, применяют и в настоящее время в виноделии, хлебопечении, сыроварении, выделке кожи в других технологических химиче­ских процессах.

Роль катализатора может играть не только конкретное хими­ческое вещество, но и сам химический процесс. Достаточно дав­но известны автокаталитические химические реакции, в которых конечный продукт ускоряет процесс, т.е. он сам становится катализатором. Они имеют большое значение для живых орга­низмов, так как биохимические процессы в них носят преиму­щественно автокаталитический характер. Рассмотренная ранее реакция Белоусова—Жаботинского также является автокатали­тической. Таким образом, понимание существа химических про­цессов и самих свойств соединений основано на представлениях о строении атомов и молекул, их квантово-механическом взаи­модействии при химических превращениях.

В химических превращениях помимо атомов и молекул участ­вуют также кинетически независимые частицы, которые получи­ли название свободных радикалов. Они имеют неспаренные электроны, их обозначают точкой сверху над символом элемен­та, например, Н. Они получаются из обычных молекул при отрыве от них отдельных атомов или даже групп атомов и содер­жат атомы элементов в ненасыщенном состоянии. Насыща­емость есть характеристика валентности связи, и она определяет способность атомов вступать в химическую реакцию за счет обо­рванных химических связей, «свободных» мест для присоедине­ния других электронов и образования новой связи. Этим объяс­няется сильная химическая активность свободных радикалов.

Радикалы участвуют в промежуточных стадиях реакции, и при этом энергия активации каждой последующей стадии реак­ции может понижаться. Если при этом промежуточные продук­ты реакции содержат ненасыщенные валентности, то это пони­жение особенно заметно. Примером реакции через промежуточ­ные стадии служит образование хлористого водорода:

С1 + Н₂ -» НС1 + Н

Н + С1₂ -» НС1 + С1

Первая ненасыщенная связь образуется при внешнем воздейст­вии. Например, при поглощении света происходит расщепление молекулы хлора на два атома и отрыв электронов от молекулы. Затем реакция за счет появления свободных радикалов идет са­мопроизвольно, очень быстро и эффективно: один фотон спосо­бен образовать около 100 тысяч молекул хлористого водорода. Каждый раз согласно схеме приведенной реакции вместо нена­сыщенной валентности одного атома (Н) возникает свободный

радикал другого (С1), и этот процесс идет поочередно.

Это так называемая цепная реакция, которая может происхо­дить не только в виде рассмотренной выше фотохимической ре­акции. В работах известного российского ученого, Нобелевского лауреата по химии за 1956 г. Н.Н. Семенова (1896 — 1986) и его научной школы были развиты представления о разветвленных цепных реакциях, которые выходят за рамки чисто химических процессов. Эти реакции могут быть использованы в других мо­делях живой природы, социуме, технологиях (например, для описания реакций деления ядер урана) и лежат в основе ядерных технологий. На рис. 12.1 показано изменение свободной энергии при образовании химических связей в биоорганических молеку­лах живых организмов.

К особым видам химических соединений относятся также и макромолекулы. Они могут состоять из большого числа атомов, до нескольких тысяч, и обладают в отличие от обычной молеку­лы качественно новыми свойствами, как это имеет место в соот­ношении целого и его частей. Органическими молекулами явля­ются те, которые содержат углерод, образованные из него веще

­

ства также относят к органическим. Их насчитывается более 1700 тысяч. Одним из химических процессов органической хи­мии является полимеризация — синтез макромолекул полимеров. Для образования каждой новой химической связи, а следова-

ИЗМЕНЕНИЕ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ кДж/моль (без соблюдения масштаба)

Ч f - -f^r.

- Ковалентная связь

-350

Молекула развернута

-40

Стабильность белка

ATP-

-30

Н н Переход боковой цепи

V I и остатка Phe

Н-"^и о^ из раствора внутрь

. Н белковой молекулы

'— \ H

Упорядоченная вода / \ Менее упорядоченная \У if вода ^и

-10

/

Н

ПА

Макрохимическая связь

Неполярная среда вода Л О^ fPhel .О

Гидрофобный эффект

0,15 нм

вода,

ADP + НеполярнаяУсреда

.ПРИМЕР

109

Молекула свернута

Образование одинарной угаерод-угоеродной связи

Свертывание лизоцима в воде

Гидролиз AT

P

H—N-H

©I

Н

Си вода

вода

Ионная связь Л» < ■ (солевой мостик)

У Образование

iGlul Г Н солевого мостика

i i ^ _ $ | в белковой

^ X). . ,Н—N—fLys] молекуле

0,3 нм I

-А

"" "

Н

вода 0,3 нм

ч +

С8 + II

Об­

8+8-5+5 >С = 0 H-N<

N8- I

Н8 +

■ Водородная связь

Образование водородной саязи между двумя пептидными группами

вода

вода

вода

Поступательное Тепловое „ „ _# . ■*- движение движение л?^ // двухатомной

\

-2,5

Тепловое движение

* У Вращение молекул

ы

Электронное облако -.-оо — °'^3нм

Сближение двух атомов углерода из бесконечности до непосредственного контакта

..„1

Ван-дер-ваальсово / \ Г д " взаимодействие I • 1 ( • I — между двумя атомами \ / \

/

Рис. 12.1. Схема изменения свободной энергии и химической связи в молекулах живых организмов.

тельно, и полимера, требуется энергия (8—12 Дж/моль), так как все биологические полимеры находятся в водной среде, где весь­ма вероятен их гидролиз.

Полимеры не имеют кристаллической структуры и состоят из большого числа повторяющихся звеньев — органических макро­молекул. Каталитические реакции и процессы играют особую роль в образовании макромолекул. Термин «полимер» введен в 1833 г. шведским химиком Й. Берцелиусом (1779 — 1848). На­ряду с полимеризацией могут идти и процессы деструкции — раз­рушение полимеров, распад их до мономеров. Оба процесса про­исходят как самопроизвольно, так и направленно в зависимости от условий протекания реакции и возможного воздействия на нее.