13. Поняття про біохімічну термодинаміку

Є два види істини: тривіальна, котру заперечувати безглуздо, і глибока, для якої зворотне твердження – теж глибока істина. Н. Бор.

Другий закон термодинаміки стверждує неможливість створення такого пристрою, який був би здатний перетворювати в корисну роботу усю енергію, яка підводиться до нього, тобто неможливість вічного двигуна другого роду. Наслідком цього принципу (принципу Карно) стало введення чисельної характеристики термодинамічного стану системи – ентропії, яка при будь-яких реальних процесах у системах зростає.

Органічна природа виникла із неорганічної. Організми складаються із тих же елементів, що й тіла неорганічного походження. Агрегація атомів у біомолекулі виникає за відомими законами фізики і хімії. Здавалося б, все це вказує на те, що життя як форма руху матерії повинне витікати із фізико-хімічної теорії, якщо ця теорія є достатньо повною. При цьому закони фізики повинні зберігати свою силу і в живій матерії. Це стосується і другого закону термодинаміки.

Незважаючи на це, спосіб існування організмів, хід еволюційного процесу в органічній природі є разючим контрастом тому, що передбачає другий закон. Над цим вже задумувалися самі творці термодинаміки і статистичної фізики. Подальший розвиток фізичної теорії і успіхи молекулярної біофізики не встановили, а лише більш рельєфно підкреслили це протиріччя.

Ефективність біологічних “двигунів”. Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплових машин визначається рівнянням

, (52)

де Q₁ – теплота, яку отримує система; Q₂ – теплота, яку віддає система.

Другий закон термодинаміки стверджує, що двигун, який перетворював би усю отриману із зовнішнього середовища енергію у корисну роботу неможливий. Щодо теплових машин із принципу Карно можна зробити висновок, що частина отриманої теплоти повинна залишатися невикористаною, розсіяною у вигляді тепла. У сучасному формулюванні цей принцип свідчить, що дисипація енергії неминуча при будь-яких необоротних, тобто реальних процесах. За визначенням дисипації енергії – перехід частини енергії упорядкованого процесу в енергію неупорядкованого процесу і, насамкінець, в теплову. Тому, відволікаючись від теплових машин, можна в загальному випадку записати, що відношення корисної роботи А до усієї отриманої системи вільної енергії повинно бути менше одиниці:

, (53)

де W_D – частина підведеної до системи енергії, яка витрачається при дисипації. Замість Q₁ тут стоїть W_м, яка означає будь-який вид мобілізованої, тобто здатної здійснювати спрямовану роботу, енергії. Для біологічних систем таким мобілізованим видом є енергія АТФ та інших макроергічних сполук.

Подамо декілька прикладів ККД достатньо добре вивчених процесів життєдіяльності. Зелений листок рослини використовує на фотосинтез (тобто на асиміляцію СО₂ і утворення відновлених вуглеводів) десь 1% променевої енергії, яка на нього падає. Із утилізованої пігментними системами енергії на фотосинтез йде в середньому 30%. ККД поживних речовин в накопиченні біомаси тварин складає 30-40%, а при здійсненні ними роботи м’язів – 20-25%. Анаеробне (гліколіз) фосфолірування має ККД 40%, окисне – 60%. Електрична енергія нервового імпульсу, віднесена до відповідних витрат АТФ, складає 33%. Ефективність м’язового скорочення (у поперечно-смуговому м’язі) – 40%. На свічення бактерій йде 90% енергії, яка виділяється при окисненні люциферину. Щодо загальної кіль-кості О₂, яка витрачається бактеріями на окисні процеси, це складає лише 1%.

Розглянемо детальніше ККД процесу фотосинтезу. Відсоток ефективно використовуваної променевої енергії тут малий порівняно з різними пере-творювачами енергії, які створені людиною (він навіть поступається ККД перших парових машин).

Прийнято вважати, що Сонце є для рослин джерелом вільної енергії. Поглинута пігментними системами світлова енергія використовується далі на біосинтез та інші види енергоємних процесів. При цьому якась частина її переходить у “консервований” стан – потенціальну хімічну енергію біо-маси організму, решта – розсіюється. Все це повністю відповідає прин-ципу Карно. Але чи можливо вважати поглинуту пігментними системами променеву енергію мобілізованою енергією W_М, яка, деградуючи до W_D, забезпечує життєдіяльність рослин?

Першою важливою відмінною рисою біологічних ”двигунів”, які використовують зовнішні джерела енергії, є те, що вони не можуть розглядатися як прямі користувачі вільної енергії навколишнього середовища. Перш ніж її використовувати, організми трансформують її в уніфіковану форму макроергічних станів. Усі процеси життєдіяльності, які потребують енергетичних затрат, здатні працювати на цій мобілізованій енергії.

Слід звернути увагу і на іншу особливість біологічних ”двигунів”, коли до них застосовують поняття ККД. Технічні перетворювачі W_М, як правило, призначені для виконання якогось одного виду роботи А. На нього і орієнтується ККД, який, природно, прагне стати якомога більшим. Здійс-нювати облік корисного виходу W_М в біологічних системах складніше у тому розумінні, що використання мобілізованої енергії в даному процесі, скажімо, на 30%, тут зовсім не означає, що уся інша частина її некорисно розсіюється. Певно, це далеко не так.

Нашу планету можна розглядати як закриту систему, яка обмінюється з навколишнім середовищем тільки енергією. Цей обмін складається із променевої енергії, що надходить від Сонця і енергії, яка розсіюється в навколишнє середовище. Маса Землі змінюється несуттєво. Оскільки сонячне випромінювання залишається постійним, енергетичний обмін Землі з зов-нішнім світом перебуває в стаціонарному стані, так що можна записати

dS₃ = dS_iз + dS_ез = 0. (54)

Тут dS_із – продукування ентропії на Землі; dS_ез – обмін ентропією з зовнішнім світом. Оскільки згідно з другим законом термодинаміки dS_із  0, то dS_ез = -dS_із  0. Утворення ентропії на Землі компенсується притоком вільної енергії від Сонця.

Біологічні системи, включаючи біосферу в цілому, принципово від-криті. Характер цієї відкритості полягає в тому, що біосистема не може іс-нувати без безперервного обміну речовини і енергії. Процеси, які протіка-ють в біосфері, регулюються природним відбором таким чином, що ево-люція йде у бік складнішої і досконалішої організації біологічних систем. Вершиною цього процесу є виникнення і культурна еволюція людини. Тому для філетичної еволюції видів і для сфери життя в цілому правильна нерівність:

dS_ = dS_i + dS_e  0, (55)

де dS_i – частина ентропії, обумовлена змінами всередині системи; dS_e – потік ентропії, обумовлений взаємодією з довкіллям.

Гадаючи знову, що dS_i  0, знаходимо умову нерівності:

dS_e  0 і /dS_e /  / dS_i / . (56)

Зменшення сумарної ентропії в біологічних системах можливе лише при надлишковому відтоку позитивної ентропії із систем або при притоку до них негативної ентропії із навколишнього середовища. У всякому випадку, структурна й енергетична упорядкованість біологічних систем і біо-сфери в цілому здійснюється за рахунок надлишкового накопичення позитивної ентропії в навколишньому середовищі згідно з (55).

Отже, до появи на Землі людини екологічна ситуація характеризувалась, мабуть, станом динамічної рівноваги між біогенними і абіогенними процесами. Біологічна експансія стримувалась обмеженістю природних джерел негативної ентропії.

Больцман щодо цього 100 років тому писав, що “всезагальна боротьба за існування живих істот .... це боротьба за ентропію, яку можна використовувати при переході енергії гарячого Сонця до холодної Землі”. З розвитком людської цивілізації екологічна обстановка значно змінилася. Екстенсивне використання людиною матеріальних і енергетичних ресурсів, освоєння все нових джерел мобілізованої енергії, здавалося б, забезпечує необмежений процес, який характеризується в термодинамічних поняттях зростаючою швидкістю виробництва негативної ентропії. Але це означає ще більш стрімку тенденцію до накопичення позитивної ентропії в середовищі існування людини. Глобальна проблема охорони навколишнього середовища – свідчення того, що антропогенна діяльність все відчутніше порушує екологічний баланс у природі. В стратегічному плані важливе значення мають два моменти, з урахуванням яких повинна вирішуватися ця проблема.

По-перше, закритий характер Землі як термодинамічної системи не дозволяє розраховувати на те, що деструктивні наслідки людської діяль-ності можна ліквідувати шляхом вилучення надлишкової енергії в космос. Так, тепличному ефекту, який створюється зростаючим викидом СО₂ в ат-мосферу, можна перешкодити тільки зменшенням цього викиду і збіль-шенням його хімічного зв’язування (головним чином за рахунок фотосин-тетичної діяльності рослин). Інакше кажучи, інтенсифікація ресурсовико-ристовуючих виробництв, перехід до безвідходної (звісно, це поняття від-носне, воно підкоряється закону зростання ентропії) технології – єдина альтернатива для вирішення цієї проблеми. Неважко побачити, що необме-жене прагнення людства до набування негативної ентропії за рахунок її надлишкового (позитивного) викиду в навколишнє середовище входить у все більш гостру суперечність із закритим характером нашої земної “домівки”.

По-друге, першочерговою загрозою ентропійне забруднення середови-ща проживання є для наймолодших в еволюційному плані форм життя. Найуразливішим представником біоти є людина. Тут ми маємо на увазі не тільки забруднення відходами виробництва, але й забруднення генофонду (зворотний бік досягнень медицини), інформаційний шум та інші суто людські “набутки”.

Повернімося тепер до питання про те, яким чином біологічні системи зменшують свій ентропійний рівень, а точніше, підвищують свій неентро-пійний рівень.

Переконливим прикладом здатності організмів до самозміцнення і самоорганізації є молекулярна асиметрія найголовніших компонентів живої матерії – білків і нуклеїнових кислот. Ці біополімери мають хіральну чистоту, тобто складаються із мономерів тільки однієї форми асиметрії: у складі білків виявлені лише L-амінокислоти. Мікроорганізми, які харчуються рацемічними (містять у рівних кількостях ліві і праві енантіомери) сумішами амінокислот, поглинають лише L-форми. Вказану властивість бактерій вперше виявив Л. Пастер. Цей факт з усією очевидністю показує, що організми не вилучають, а створюють лад всередині себе.

В плані продукування ентропії розвиток організму умовно можна роз-ділити на три етапи: етап росту до зрілого стану, на якому dS_  0; етап квазістаціонарного стану, протягом якого підтримується динамічна рівно-вага швидкостей деструкції і реабілітації, так що dS_ » 0; нарешті, етап старіння, коли тенденція до наростання безладу починає домінувати над процесами відновлення, тобто dS_  0. Заключний етап завершується інди-відуальною смертю організму. Таким чином, в онтогенезі сумарні зміни ентропії можуть бути негативними, нульовими і позитивними. На всіх цих стадіях деструктивна складова dS_i  0 присутня постійно і в цьому відно-шенні жива система, як і будь-яка термодинамічна, підкоряється другому закону термодинаміки. Але на відміну від неживих систем, об’єкти живої природи мають здатність до відновлення і підтримання своєї структурної і функціональної організації, що, по-перше, є внутрішньою властивістю об’єктів живої природи, а, по-друге, ця властивість є вирішальним фактором у визначенні сумарних змін ентропії в живому організмі. Очевидно, що dS_е не відображають сутності неентропійних процесів, які виникають в організмі, їх якісної своєрідності. Цю ентропійну характеристику можна розглядати лише як певний зовнішній по відношенню до живої системи термодинамічний еквівалент кількісної сторони взаємовідносин організму і середовища.

Таким чином, еволюційний розвиток живої природи характеризуєть-ся умовою dS_  0. На різних стадіях індивідуального розвитку організму dS_ може мати будь-який знак. Як для окремого організму, так і життя в ці-лому закон зростання ентропії діє (dS_  0), але не є визначальним фак-тором розвитку. Життя має фундаментальну властивість структурної і функціональної самоорганізації, яка не зводиться до обміну (структурного і енергетичного) з навколишнім середовищем. Цей висновок призводить до двох кардинальних питань: у синхронічному плані – у чому сутність біологічного способу існування матерії? і в діахронічному – як виникла жива природа? Відповідей на ці запитання поки що не існує, але їх по-шуки тривають у різних напрямках.