СОВРЕМЕННАЯ БОТАНИКА - П. РЕЙВН - 1990

РАЗДЕЛ II. ЭНЕРГИЯ И ЖИВЫЕ КЛЕТКИ

ГЛАВА 5. ПОТОК ЭНЕРГИИ

Заключение

Жизнь на нашей планете зависит от потока солнечной энергии. Небольшая доля этой энергии запасается в процессе фотосинтеза и превращается в энергию, необходимую для многих метаболических реакций, происходящих в живых организмах. В результате этих реакций живые организмы приобретают упорядоченность и организованность.

Термодинамические взаимоотношения между фотосинтезирующими и нефотосинтезирующими формами жизни исключительно сложны. Короче говоря, в ходе фотосинтеза энергия солнца используется для образования высокоэнергетических связей типа углерод-углерод и углерод-водород; в процессе дыхания эти связи рвутся с образованием СO₂ и Н₂O, и энергия выделяется. Некоторая часть полезной энергии теряется на каждом этапе энергетических превращений подобно тому, как это происходит в машинах.

Живые системы функционируют согласно законам термодинамики. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не образуется и не исчезает, но может превращаться из одной формы в другую. Потенциальная энергия в исходном состоянии (или исходных компонентов) равна потенциальной энергии в конечном состоянии (или продуктов) плюс энергия, выделившаяся в процессе или реакции. Второй закон термодинамики гласит, что в ходе превращения энергии потенциальная энергия конечного состояния всегда меньше потенциальной энергии исходного состояния. Разница в энергии между исходным и конечным состояниями называется свободной энергией и обозначается ∆G. Экзергонические реакции (в результате которых энергия выделяется) имеют отрицательное значение ∆G. К факторам, определяющим величину ∆G, относятся ∆Н (изменение количества тепла) и ∆S(изменение энтропии), которая в свою очередь при умножении на величину абсолютной температуры Т является мерой упорядоченности или беспорядка:

∆G = ∆Н - T∆S.

Превращение энергии в живых клетках осуществляется путем переноса электронов с одного энергетического уровня на другой или от одного атома или молекулы к другим. Реакции, в которых происходит перенос электрона между атомами или молекулами, называются окислительно-восстановительными. Атом или молекула, теряющие электроны, окисляются, а захватывающие их — восстанавливаются.

Метаболизм — это сумма всех химических реакций, происходящих в клетке. Совокупность реакций, ведущих к распаду или деградации молекул, называется катаболизмом. Биосинтетические реакции, т. е. приводящие к образованию новых молекул, называются анаболическими. Метаболические реакции осуществляются в виде упорядоченных серий этапов, называемых путями, каждый из которых играет определенную роль в клетке. Каждый этап в этом пути контролируется специфическим ферментом.

Ферменты служат катализаторами, они значительно ускоряют скорость реакций, но сами при этом не меняются. Ферменты — это громадные белковые молекулы, собранные таким образом, что специфические группы аминокислот образуют активный центр. Реагирующие молекулы — субстраты — точно «пригнаны» к этим активным центрам. Многие ферменты для осуществления реакции нуждаются в кофакторах, которыми могут быть просто ионы, такие, как Mg²⁺ или Na⁺, или небелковые органические молекулы, такие, как NAD. Последние называют коферментами.

Реакции, катализируемые ферментами, находятся под тщательным контролем клетки. Скорость ферментативных реакций зависит от температуры и pH.

АТР снабжает энергией большинство реакций, происходящих в клетке. Молекула АТР состоит из азотистого основания — аденина, пятиуглеродного сахара — рибозы и трех фосфатных групп. Две фосфатные группы соединены двумя высокоэнергетическими связями, при разрыве которых выделяется относительно большое количество энергии. АТР является источником энергии для большинства реакций, происходящих в живых системах.

Приложение

Е = mс²

Одна из старейших и фундаментальнейших концепций химии — закон сохранения массы — гласит, что масса не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Однако в условиях сверхвысокой температуры атомные ядра сливаются, образуя новые элементы. При этом какая-то часть их массы теряется. Что же с ней происходит? На этот вопрос отвечает уравнение, принесшее славу Эйнштейну — Е = mс² (Е — энергия, m — масса, а с — константа, равная скорости света). Из этого выражения следует, что при определенных экстремальных и необычных условиях масса преобразуется в энергию.

Солнце в основном состоит из ядер атомов водорода. В его недрах при сверхвысоких температурах они сталкиваются друг с другом, развивая при этом скорость, достаточную для того, чтобы произошло их слияние. За несколько этапов из четырех ядер водорода образуется одно ядро гелия. В результате этой термоядерной реакции выделяется достаточное количество энергии, чтобы поддерживать постоянно идущие процессы слияния ядер, а кроме того, громадное количество лучистой энергии, рассеиваемой в космическое пространство. Жизнь на нашей планете зависит от энергии, излучаемой Солнцем за счет термоядерной реакции. Этот же процесс, как предвидел Эйнштейн, можно использовать для создания водородной бомбы.

На фотографии Альберт Эйнштейн в 1905 г. В этом году опубликована его работа по теории относительности. Тогда ему было 26 лет; он работал техническим экспертом третьего класса в Швейцарском патентном бюро в Берне.