Биология в новом свете

Здесь действительно проходит сейчас граница применимости принципов термодинамики в биологии. Поэтому будем осторожны в своих выводах и подождем результатов дальнейшего развития этой науки. В настоящее время вырисовывается новое направление термодинамики, так называемая нелинейная термодинамика, которая обещает много интересного. Будущее покажет, оправдает ли она наши надежды. Сложные биологические процессы, такие, как процессы эмбрионального и эволюционного развития, пока лишь в очень малой степени поддаются расчетам. Поэтому мы остановимся сначала на самых элементарных процессах, протекающих в живом организме.

До сих пор мы говорили только об одной стороне энергетического баланса тела — теплоотдаче, или, как мы еще раньше ее назвали, рассеянии энергии. Эта сторона энергетического обмена веществ по праву вызывает наибольший интерес. Ведь если "тепловая дань" платится при каждом процессе преобразования энергии, то по образованию тепла или по соответствующей ему потере энергии можно судить о протекании энергетических процессов, подобно тому как по тиканью часов мы убеждаемся в действии часового механизма. Однако если нас интересует полный энергетический баланс, то нам следует не только учесть выделение тепла организмом, но и выяснить происхождение энергии в живом организме. Тиканье часов свидетельствует лишь о том, что часы идут, но ничего не говорит об их механизме.

Начнем с энергетического баланса у животных. На вопрос об источнике энергии в данном случае ответить легко. Организм "сжигает" потребляемые в виде пищи органические вещества, как примус, керосинка или автомобильный двигатель внутреннего сгорания, и использует освободившуюся энергию. Это сравнение, правда, касается только принципа использования энергии, но не механизма процесса ее "производства". В отличие от названных технических устройств в организме "сгорание" происходит без пламени. Путем сложного чередования ферментов, то есть биологических катализаторов, энергия постепенно отнимается у "сжигаемого" вещества и передается специальному химическому "аккумулятору". В результате образуются богатые энергией молекулы, так называемые "макроэргические соединения", которые диффундируют в ту часть организма, где они необходимы. Здесь присутствуют специальные ферменты, которые способны разряжать эти химические аккумуляторы и использовать освободившуюся энергию в каком-нибудь специфическом процессе.

Таким образом очень схематически можно представить процесс образования энергии в теле животного. Богатые энергией питательные вещества разрушаются 'цепью' ферментов. Освобождающаяся при этом химическая энергия идет на зарядку АДФ — АТФ — аккумулятора

Существует много веществ, которые могут служить внутренними аккумуляторами энергии. Самые известные среди них — аденозинфосфаты. Наиболее богат энергией аденозинтрифосфат, или сокращенно АТФ, самый бедный — аденозинмонофосфат (АМФ), промежуточное положение занимает аденозиндифосфат (АДФ). Насыщенность этих соединений энергией увеличивается пропорционально количеству связанных фосфатных групп. Одна (АМФ), две (АДФ) или три (АТФ) связанные фосфатные группы определяют высоту энергетического уровня этих соединений. Обычно АТФ — аккумулятор разряжается только до уровня АДФ.

Наступило время сказать несколько слов о природе химической энергии. Этот вопрос не относится к теме нашей книги. Однако пришлось же нам говорить о тепловых электростанциях, хотя они тоже не имеют ничего общего с биологией. Попробуем разъяснить суть этой формы энергии в двух-трех словах. Совершенно очевидно, что химическая энергия связана с молекулами, атомами, ионами. Общая энергия складывается из энергий отдельных молекулы, атома, иона, умноженных на количество таких частиц. Следовательно, химическая энергия зависит от концентрации! Это важный вывод. Но откуда же берется энергия отдельной частицы? Точно ответить на этот вопрос можно лишь с помощью квантовой механики. И опять мы вынуждены подчеркнуть, что изложение принципов квантовой механики выходит за рамки нашей книги. Но следует набросать хотя бы грубую картину явлений, происходящих в мире частиц. Для этого нам придется обратиться к модели атома, созданной Бором.