Биология в новом свете

Согласно этой модели, атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него по разным орбитам электронов. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженному ядру, и ядро захватило бы их, если бы притяжение не уравновешивалось центробежной силой. Уже такая простая система обладает энергией, подобно привязанному за нить камню, который мы вращаем над головой. Если теперь два атома соединяются в молекулу, то есть химически взаимодействуют, орбиты внешних, так называемых валентных, электронов изменяются. Теперь электроны движутся вместе по сильно измененным орбитам, иногда вокруг обоих ядер сразу. Легко понять, что при этом энергия, запасенная в такой системе, меняется. Молекулы биологических систем состоят из огромного множества атомов. Современная квантовая механика пока не позволяет рассчитать энергию таких молекул. Но мы хорошо умеем измерять выделение или затрату энергии, которые происходят при превращении одного вещества в другое. Часто энергию выражают не в абсолютных значениях, а в относительных величинах, которые определяются относительно какой-либо произвольно выбранной стандартной величины.

Что же разумнее всего выбрать в качестве такой величины при измерении химической энергии? За энергию химического соединения проще всего принять ту энергию, которая необходима для построения этого соединения из отдельных элементов. Однако большинство соединений невозможно получить экспериментально из отдельных элементов: соответствующие реакции не протекают. Но пусть это нас не огорчает. Здесь нам пригодится то положение, которое мы включили в определение понятия энергии, а именно что энергия — величина, характеризующая состояние системы; она не зависит от того, каким путем это состояние достигнуто. Совершенно безразлично, как пройден путь от элемента до соединения, прямо или запутанно, кружной дорогой, в том или ином направлении. Если мы будем тщательно учитывать энергетический баланс каждого этапа, то есть суммировать выделяющуюся энергию и вычитать затраченную, то общий баланс энергии всегда окажется одним и тем же. Если вещество нельзя синтезировать из элементов, то его всегда можно разложить. При этом освободится ровно столько энергии, сколько затратив лось бы при его синтезе. Лучший путь разложения вещества — сжигание. В процессе сжигания вещество разлагается если не до отдельных элементов, то все же до весьма простых соединений. При "сжигании" органических молекул чаще всего выделяются вода, двуокись углерода и окись азота. А эти неорганические соединения уже легко синтезировать из отдельных элементов. Таким образом удается проследить путь от элемента до молекулы. Круг замкнулся.

Учитывая сказанное, можно проделать следующие расчеты. Если результаты калориметрических измерений, полученные в опытах с животными, дополнить данными о потреблении пищи и кислорода и о выделении углекислого газа, то, зная энтальпию (так называют соответствующую измеряемую величину) сгорания пищи и энтальпию образования молекулярного кислорода и углекислого газа, можно вывести энергетический баланс для всего организма, выяснить, соответствует ли ожидаемое реальному, и вообще справедливо ли первое начало термодинамики. Оказывается, справедливо! Конечно, в пределах точности проводимых измерений.

Для определения теплоты, или энтальпии,сгорания применяют специальный калориметр. Исследуемую пробу помещают в платиновый тигель ПТ, который ставят в закрытый сосуд с кислородной атмосферой. Затем пробу поджигают с помощью электрической искры и она сгорает. Повышение температуры в водяной бане регистрируют с помощью чувствительного термометра Т, Мешалка М обеспечивает перемешивание воды

Итак, мы познакомились с заводной "пружиной" биологического механизма — разложением органических молекул. Теперь пора заняться ведомыми "шестеренками", то есть отдельными процессами преобразования энергии. Прежде всего возникает вопрос: откуда вообще берутся органические молекулы? Как известно, существуют автотрофные ("самопитающиеся") и гетеротрофные организмы. Первые синтезируют для себя питательные вещества сами, вторые используют в качестве пищи другие организмы[6]. Автотрофные организмы — это зеленые растения, которые мы выращиваем на окнах; как правило, они не нуждаются для своего роста в органических веществах и вполне довольствуются неорганическими солями.