1.1.4. Превращение энергии в живых клетках

Живые организмы подчиняются законам термодинамики. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Следовательно, живые организмы не могут ни создавать энергию из ничего, ни уничтожать ее, они могут только преобразовывать одну форму энергии в другую. Живые организмы потребляют из окружающей среды энергию в той форме, в которой они могут использовать ее в конкретных условиях температуры и давления, и затем возвращают в окружающую среду эквивалентное количество энергии в другой форме, менее пригодной для них. Полезная энергия, утилизируемая клеткой, называется свободной энергией, и ее можно определить просто как энергию, способную производить работу при постоянных температуре и давлении. Энергия, возвращаемая клеткой в окружающую среду, обычно выделяется в форме тепла и других бесполезных для нее форм энергии, это приводит к уменьшению упорядоченности среды, т.е. к повышению ее энтропии.

Первая важная аксиома молекулярной логики живого: живые организмы создают и поддерживают присущую им упорядоченность за счет внешней среды, степень упорядоченности которой в результате этого уменьшается.

Внешняя среда необходима для живых организмов не только как источник свободной энергии, но и как поставщик строительных материалов. С точки зрения термодинамики живые организмы представляют собой “открытые системы”, поскольку они обмениваются с внешней средой, как энергией, так и веществом и при этом преобразуют и то, и другое. Характерной чертой открытых систем является то, что они не находятся в равновесии с окружающей средой. Для живых организмов характерно так называемое стационарное состояние, которое является таким состоянием открытой системы, при котором скорость переноса вещества и энергии из среды в систему точно уравновешивается скоростью переноса вещества и энергии из системы.

Вторая аксиома молекулярной логики живого включает положение о том, что клетка - неравновесная открытая система, машина для извлечения из внешней среды свободной энергии, в результате чего происходит возрастание энтропии среды.

Третья важная аксиома - живая клетка является изотермической химической машиной.

Энергию, которую клетки поглощали из среды, они получали в форме химической энергии, которая затем преобразуется для выполнения химической работы, совершаемой в процессе биосинтеза клеточных компонентов, а также осмотической работы, необходимой для транспорта веществ в клетку, и механической работы сокращения и передвижения.

1.1.5. Химические реакции в живых клетках

Функционирование живых систем основано на биохимических реакциях, протекающих как в клеточных и субклеточных структурах, так и в цитоплазме и в межклеточных жидкостях. Биохимические реакции протекают в сравнительно узком интервале физических и химических параметров. Кроме ограничений в температурах и давлениях это относится также к интервалу концентраций, или активностей водородных ионов (величины рН). Значение рН поддерживается на нужном уровне буферными системами. Некоторые биохимические реакции протекают с оптимальной скоростью лишь при определенном осмотическом давлении и ионной силе в среде, где сохраняется строго постоянным соотношение определенных ионов.

Биохимические реакции могут протекать лишь при соблюдении определенных энергетических требований. Первичным источником энергии на нашей планете является излучение Солнца. Часть этой энергии запасается в форме химической энергии в химических связях различных веществ. В настоящее время на Земле существенно преобладают аэробные условия, и большую часть энергии живые системы получают за счет окислительно-восстановительных процессов (и в первую очередь за счет окисления органических соединений атмосферным кислородом). Протекающие в организмах реакции являются либо экзергоническими (они протекают спонтанно), либо эндергоническими (они требуют для своего осуществления внешний источник энергии). Многие из эндергонических реакций могут протекать лишь потому, что они сопряжены с экзергоническими реакциями. Наиболее распространенным переносчиком энергии является молекула аденозинтрифосфата (АТФ).

Биохимические реакции протекают со скоростями, зависящими от концентраций реагирующих молекул и констант скоростей, характерных для данного типа реакции. Эти скорости существенным образом могут быть повышены в присутствии катализаторов - ферментов. Вредные воздействия окружающей среды проявляются в первую очередь на ферментативном уровне, ингибируя соответствующие реакции.

Итак, живая клетка - это открытая изотермическая система, обладающая способностью к самосборке, саморегуляции и самовоспроизведению. Эта система состоит из большого числа связанных друг с другом реакций, ускоряемых органическими катализаторами, которые производит сама клетка; клетка действует по принципу максимальной экономии составных частей и процессов.