Вселенная. Происхождение жизни, смысл нашего существования и огромный космос

Первичной биологической батарейкой здесь, на Земле, является молекула под названием аденозинтрифосфат, или АТФ. Слово «батарейка» здесь используется в широком смысле: резервуар для хранения свободной энергии, которая затем может быть использована. АТФ можно сравнить со сжатой пружиной, готовой распрямиться и потратить свою энергию на (желательно) что-нибудь полезное. Действительно, она расходуется не зря: свободная энергия, заключённая в АТФ, затрачивается на сокращение мышц, перемещение молекул и клеток в организме, синтез ДНК, РНК и белков, передачу сигналов по нервным клеткам и на другие биохимические процессы. Именно благодаря АТФ организм может двигаться и сохранять целостность — как раз эти свойства подчёркивал Шрёдингер в своём определении жизни.

Химическая структура аденозинтрифосфата, АТФ. Молекула содержит атомы водорода (H), кислорода (O), фосфора (P), азота (N) и углерода. По сложившейся в химии традиции атомы углерода явно не указываются, но находятся на всех безымянных вершинах и в связях на этой схеме

Высвобождение энергии из АТФ обычно происходит в присутствии воды (H₂O). Одна из трёх фосфатных групп, в которых атом фосфора (P) окружён атомами кислорода (O) — они находятся в левой части схемы, — отщепляется от АТФ, и образуется аденозиндифосфат (АДФ). Затем фосфатная группа соединяется с атомом водорода из окружающей воды, и остаток OH соединяется с АДФ.

Общая энергия этих конечных продуктов ниже, чем у исходной молекулы АТФ; соответственно при реакции высвобождается и свободная энергия (затрачиваемая на совершение работы), и неорганизованная (тепло). К счастью, АТФ можно подзаряжать; организм впоследствии берёт энергию из внешнего источника — это может быть, например, солнечный свет или сахар — и вновь преобразует фосфаты и АДФ в воду и АТФ, из которых можно опять брать энергию.

Свободная энергия из внешних источников (фотосинтез, расщепление сахаров) запасается в АТФ, поэтому может затрачиваться на полезную работу, когда организму это потребуется. В ходе такого процесса неизбежно образуется и неорганизованная энергия

На энергетические процессы, происходящие в организме, тратится колоссальное количество АТФ; обычный человек ежесуточно перерабатывает примерно столько АТФ, сколько весит сам. Когда вы сгибаете локоть, поднимая гантель или бокал вина, энергия для сокращения мышц берётся из АТФ, от которой отщепляются фрагменты — и белки ваших мышечных волокон скользят друг по другу. Отдельные атомы, из которых состоит АТФ, никуда не деваются; молекула просто разрывается, а потом пересобирается, и так сотни раз в день.

* * *

Откуда же берётся свободная энергия, идущая на сборку всего этого АТФ из низкоэнергетического АДФ? В конечном итоге — от Солнца. В процессе фотосинтеза молекула хлорофилла в растении или микроорганизме поглощает фотон видимого света, энергия которого высвобождает электрон. Заряженный энергией электрон передаётся через мембрану цепочкой молекул, которая называется цепь переноса электронов. В результате с одной стороны мембраны электронов оказывается больше, чем протонов, и возникает электрический градиент, причём с одной стороны мембраны накапливается отрицательный заряд, а с другой — положительный.

Именно так передаётся биологическая энергия: протоны с одной стороны мембраны отталкивают друг друга, причём некоторые проскальзывают через фермент, именуемый АТФ-синтазой. Протон, пытающийся проникнуть через АТФ-синтазу, заводит её, сообщая ей энергию, которая затрачивается на синтез АТФ из АДФ в ходе так называемого хемиосмоса. Часть энергии при этом неизбежно превращается в неорганизованную и испускается в виде низкоэнергетических фотонов и термического покачивания окружающих атомов (тепла).

При фотосинтезе свободная энергия, получаемая от Солнца, сохраняется в АТФ. Фотон попадает в фотосистему, расположенную в мембране, высекая из неё электрон (e⁻). При этом с одной стороны мембраны накапливается избыток протонов (p⁺). В результате электростатического отталкивания протоны разлетаются в стороны, пока какие-то из них не проникают наружу через фермент АТФ-синтазу. АТФ-синтаза затрачивает энергию протона на преобразование АДФ в АТФ, а АТФ уже может доставить энергию куда нужно

Мы с вами не фотосинтезируем. Свободная энергия поступает нам не прямо от Солнца, а берётся из глюкозы и других сахаров, а также из жирных кислот. Крошечные органеллы под названием митохондрии — энергетические станции клетки — используют заключённую в клетке свободную энергию для преобразования АДФ в АТФ. Однако свободная энергия этих сахаров и жирных кислот, которыми мы питаемся, в конечном итоге добывается из солнечного света путём фотосинтеза.