Расследование о генах, эволюции, сознании(СИ)

Одним из следствий первого начала термодинамики является невозможность создания вечного двигателя, а одним из следствий второго начала термодинамики является утверждение, что невозможно построить тепловую машину с коэффициентом полезного действия (КПД) больше, чем у идеальной машины Карно. Но вот в клетке многие белки работают как некие "молекулярные машины" и, похоже, они и не думают подчиняться второму началу термодинамики. Например, белки-ферменты ускоряют равновесный ход определенной химической реакции в тысячи раз. Они как роботы-манипуляторы захватывают своими "клешнями" нужные для реакции молекулы и соединяют их вместе, заставляя образовать нужное новое вещество. Эти молекулы могли бы соединиться и без помощи фермента, как и происходит в обычном химическом растворе. Но тогда реакция протекает в соответствии с условиями химического равновесия, и количество вступивших в реакцию молекул и еще не вступивших определяется температурой раствора, в соответствии с законами статистики или вторым началом термодинамики. Еще в те времена, когда второе начало термодинамики было только открыто и находилось в стадии осмысления, Максвелл указал забавный мысленный пример, когда оно может нарушаться. Если в описанной выше ситуации с двумя сообщающимися сосудами поместить некое разумное существо, которое будет открывать крышку для молекул, летящих с одной стороны, и наоборот, закрывать для молекул, летящих с другой стороны, то через некоторое конечное время все молекулы соберутся с одной стороны отверстия. То есть второе начало нарушается, если допустить вмешательство некоего разумного существа, в учебниках физики оно получило прозвище "демон Максвелла".

В случае с белками-ферментами мы, по сути, имеем дело с таким "демоном Максвелла", который нарушает второе начало термодинамики своим разумным вмешательством, ускоряя ход химических реакций при неизменной температуре (для человеческого тела эта температура равна 37 градусам по Цельсию). Это нарушение второго начала выражается еще и в том, что фермент как "молекулярная машина" совершает определенную работу с ненулевым КПД при постоянной температуре, как бы в отсутствии нагревателя и холодильника, чего требует идеальный цикл Карно. То есть он берет энергию не от нагревателя, а непосредственно от быстрых молекул вокруг себя, а тогда без "демона Максвелла" не обойтись. Конечно, убыль быстрых молекул должна приводить к понижению температуры окружающей ферменты среды, но тут на помощь приходят митохондрии, эти передвижные источники энергии в клетке, которые вырабатывают необходимое тепло, чтобы поддерживать температуру постоянной.

Понятно, что не только ферменты, но и любые "молекулярные машины" в клетках, такие как: ДНК полимераза, рибосома, сплайсосома и т.п. - должны обладать своими "демонами Максвелла", чтобы выполнять присущие им функции. То есть молекулярное тело такой машины является исполнительным элементом ("hard"), а управляющим элементом ("soft") является некий разумный "демон Максвелла", и без него любая "молекулярная машина" является просто бесполезным "железом", как робот или компьютер без управляющей программы.

Еще один простой пример необычного поведения молекул внутри клетки связан со сворачиванием линейной последовательности аминокислот белка в пространственную структуру. Эту последовательность можно уподобить липкой ленте, которая может случайно свернуться в произвольный клубок. Но в клетке она каким-то чудесным образом сворачивается в одну и ту же структуру из многих миллиардов возможных (парадокс Левинталя, 1968). В то же время искусственно созданная такая же последовательность аминокислот не обладает этим свойством. Она, как ей и полагается по закону случайности, сворачивается в произвольный клубок. Приемлемого объяснения не могут найти уже не один десяток лет.