Разум человека гораздо свободнее и проще воспринимает суждение о структуре вещей, пытаясь любую систему разделить на составляющие части. И очень сложно наше сознание принимает информацию о силах приводящих целостную систему в движение. Течение вещества через клетки легко воспринимается нашим сознанием, как потребность в пище, воде, воздухе и удалении отходов. А вот процесс движения энергии воспринимается нами с трудом. На клеточном уровне движение вещества и движение энергии согласовано взаимодействуют в сложной сети химических реакций, которые составляют клеточный обмен веществ.

1

Рисунок 1. Признаки живого организма

Существует наука биоэнергетика, которая является разделом биофизики, изучающим принципы и механизмы преобразования энергии в живых объектах. Биоэнергетика подчеркивает, что основная особенность независимо от уровня организации биологического объекта (одна клетка или высокоорганизованный организм), с точки зрения физики, является неравновесность. Это состояние живого биологического объекта проявляется в двух аспектах.

Первый аспект, опираясь на законы термодинамики, предполагает, что конечная температура всякой изолированной системы должна со временем хаотизироваться, стандартизироваться, т.е. потерять свою уникальность. Чтобы противостоять этой естественной тенденции и в течение длительного периода сохранять и развивать свою уникальность, любой организм раз возникнув, не остается изолированным, а непрерывно черпает из окружающей среды свободную энергию. Постепенно диссипируясь в в сложной биологической системе и превращаясь в тепловую, эта энергия поддерживает неравновесную структуру.

Второй аспект тесно связан с первым и проявляется в необычных (с точки зрения «равновесной» термодинамики) путях диссипации энергии в организме. Прежде чем новая порция энергии успевает равномерно распределиться по всем степеням свободы, как того требует «равновесная» термодинамика, она успевает вызвать химические превращения, характерные для каждой живой структуры. Уникальная структура обеспечивает быстрое использование избыточной энергии по некоторым выделенным степеням свободы. Условно говоря, эти степени свободы являются «более горячими», с более высокой температурой от остальной системы. Таким образом, постоянный приток свободной энергии извне в живую систему поддерживает неравновесный характер не только самой структуры живой материи, но и неравновесный характер протекающих в нем процессов в одном направлении.

2

Рисунок 2. Автотрофные зеленные растительные клетки

Свободная энергия – эта та часть полной энергии системы, которая может быть превращена в работу при изотермических условиях. Солнце является источником тепловой энергии светового потока и энергии квантов видимого излучения. Энергия солнечного света вполне подходит как источник свободной энергии для живых объектов. Энергия квантов видимого света достаточно велика для возбуждения электронных степеней свободы молекул и инициирования, определенных биологически важных химических реакций. В то же время излишне энергичные кванты жесткого ультрафиолета, вызывают деструктивные процессы.

3

Рисунок 3. Структура клеточного обмена веществ

У энергии солнечного света есть ряд недостатков: плотность потока энергии солнечного света сравнительно невелика; интенсивность потока энергии переменная на определенную площадь из-за суточного и сезонного вращения, и поэтому не постоянна. Для компенсации этих недостатков живой организм, живущий за счет солнечной энергии, создал систему запасания энергии света в каких-то относительно стабильных формах, из которых эту энергию можно вернуть и использовать в темное время суток. Эта форма хранения энергии – химическая. Ее сущность – конверсия части энергии, вызванной светом электронного возбуждения молекул, в энергию химических связей при синтезе подходящих для этой цели новых соединений. Поэтому организмы, использующие энергию световых квантов (фотонов) и называют фотосинтезирующими.

Основным источником энергии для подавляющего большинства биологических процессов на нашей планете является солнечный свет. Жизненная сила живой клетки – это способность захватить энергию и приспособить ее для совершенствования разных видов работы.

Энергия солнечного света в растительных организмах затрачивается на принудительный перенос электронов из атомов кислорода, в которых пребывают валентные электроны молекулы воды, на атомы водорода, разрывая тем самым межатомные связи воды и освобождая в итоге нейтральные молекулы кислорода и водорода. Образно говоря, квант света натягивает пружину, перенося электроны от кислорода на водород. Это энергетически напряженное состояние и стремиться релаксировать обратно. Но в обычных условиях этот обратный процесс очень затруднен, пружина удерживается «чекой» (сахар может долго пребывать на воздухе без химических изменений). И лишь в живой клетке ферментативные комплексы митохондриальной мембраны вытаскивают «чеку», высвобождая поток электронов от водорода на кислород, но придают этому процессу направленный характер, переводя избыточную энергию в форму мембранного потенциала. А кислород и водород снова воссоединяются в молекулы воды, этого основного «рабочего тела» живой природы. Энергия этих элементарных актов перемещения электронов ничтожно мала, порядка одного электрон-вольта, но на их сумме держаться вся жизнь нашей биосферы.

Решающую роль в трансформации и переносе энергии внутри живой клетки играет движение электронов. В настоящее время процесс запасания солнечного света растениями описан в деталях на атомно-молекулярном уровне. В нем участвуют десятки видов молекул, расположенных в строгом порядке и четко выполняющих свои функции с точностью до долей секунд. Наиболее важными составными частями фотосинтетического аппарата является: светособирающая антенна, фотохимический реакционный центр, цепь транспорта электронов.

Механизм сопряжения электронного транспорта с трансмембранным переносом протонов и синтезом АТФ. Молекула аденозинтрифосфата – это энергия, добытая из внешнего источника, запасается в виде «высокоэнергетических связей» между фосфатными группами. АТФ – незаменимый посредник для переноса химической энергии.

4

Рисунок 4. Общая схема фотосинтеза

5

Рисунок 5. Строение растительной клетки и хлоропласта

Клетка – основная единица жизни, она непрерывно работает для поддержания своей структуры и поэтому нуждается в постоянном притоке свободной энергии. Митохондрии – энергетические подстанции животного происхождения, а хлоропласты – энергетические подстанции растительного происхождения. Сформировался весьма изящный и совершенный механизм, способный действовать эффективно, в итоге кпд клеточной энергетики оказалось намного выше, чем у любого инженерно устройства придуманного человеком.

Клеточные трансформаторы энергии представляют собой комплексы специальных белков встроенных в биологические мембраны. Независимо от того, поступают в клетку извне свободная энергия непосредственно с квантами света (в процессе фотосинтеза) или в результате окисления пищевых продуктов кислородом воздуха (в процессе дыхания), свободная энергия запускает движение электронов. В итоге производятся молекулы АТФ и увеличивается разность электрохимических потенциалов на биологических мембранах. АТФ и мембранный потенциал – два относительно стационарных источника энергии для всех видов внутриклеточной работы.

Основная задача и дыхания и фотосинтеза – поддерживать соотношение АТФ-АДФ на определенном уровне, далеком от термодинамического равновесия, что и позволяет АТФ служить донором энергии, смещая равновесие реакций, в которых он участвует.

У системы первичных процессов фотосинтеза есть одно важное свойство, которое позволило проникнуть в ее тайны – система включается светом. А это значит, ее можно тестировать как радиотехническое устройство с помощью коротких импульсов света (лазерных вспышек).

Основными энергетическими станциями живых клеток служат митохондрии. В них происходит окисление углеродных атомов органических кислот до углекислого газа и воды протекает с помощью кислорода и называется внутриклеточным дыханием. Трансформация энергии окисления осуществляется ферментами, расположенными в строгом порядке во внутренних мембранах митохондрий. Эти ферменты составляют так называемую цепь и работают как генераторы, создавая разницу электрохимических потенциалов на мембране, за счет которой синтезируется АТФ, подобно тому, как это происходит при фотосинтезе.

В митохондриях свободная энергия окисления продуктов питания превращается в свободную энергию АТФ. Когда АТФ соединяется с водой, при нормальных концентрациях реагирующих веществ, выделяется свободная энергия порядка 10 ккал/моль.

Если передавать электроны субстрата от НАДН прямо к кислороду сквозь мембрану возникает разность потенциалов около 1 В. Но биологические мембраны (двухслойные фосфолипидные пленки) не выдерживают такую разницу потенциалов, в результате чего может возникнуть пробой. Кроме того, для производства АТФ из АДФ, фосфата и воды требуется всего 0,25 В.

6

Рисунок 6. Схема пассивного и активного транспорта электронов

Митохондриальная мембрана действует как трансформатор напряжения. Он позволяет в четыре раза увеличить ток и за счет энергии каждого передаваемого электрона от субстрата к кислороду, переносится через мембрану четыре протона благодаря строго согласованной последовательности химических реакций между молекулярными компонентами дыхательной цепи.

Цепь переноса электрона оказалась не просто связана с мембраной, но вплетена в нее таким образом, что при движении электрона от субстрата к кислороду протоны перемещаются с внутренней поверхности к наружной. Мембрана образует замкнутый пузырек, который плохо пропускает протоны, поэтому в результате «выкачивания» протонов генерируется разность потенциалов через мембрану – электрическая отрицательность внутри. Одновременно увеличивается рН – защелачивается среда внутри пузырька. Протоны снаружи оказываются под гораздо более высоким электрохимическим потенциалом, чем внутри, как бы под давлением со стороны и электрического потенциала и градиента рН, которые толкают протоны обратно через мембрану внутрь пузырька. Живая клетка использует энергию таких протонов для совершения различных видов работ.

Два главных пути генерации и регенерации АТФ в живых клетках – это окислительное фосфорилирование (дыхание) и фотофосфорилирование (поглощение света) имеют разные внешние источники энергии. Но оба зависят от работы цепочек каталитических ферментов, погруженных в мембраны: внутренние мембраны митохондрий и тилакоидные мембраны хлоропластов.

7

Рисунок 7. Молекула аденозинтрифосфата – это энергия, добытая из внешнего источника, запасается в виде «высокоэнергетических связей» между фосфатными группами

Механизм создания АТФ является электрическим процессом.

У электрической энергетики живой клетки есть еще одно важное свойство – хемиосмотическое сопряжение энергии и работы. При хемиосмотическом сопряжении энергии и работы не требуется прямого контакта между специфическим белком, создающим разность потенциалов через мембрану, и белком, совершающим какой либо вид работы. Поток ионов или метаболитов обеспечит сопряжение двух векторных реакций на расстоянии при условии, что они соответствующим образом ориентированы в одном и той же мембране. Данное устройство, митохондриальные сети, работают как электрические кабели.

В настоящее время строение большинства белков, осуществляющих трансформацию энергии, и их взаимное расположение в биологических мембранах детально изучено. Получены основные представления о путях движения электронов по молекулярным комплексам. Следующий этап понимания, как на уровне сложного многоклеточного организма растения контролируется точность работы молекулярных трансформаторов энергии и как происходит управление интенсивностью работы систем энергообеспечения.

8

Рисунок 8. Пространственная структура клетки

Структурная единица биологической ткани – клетка – с электрической точки зрения представляет собой сферический конденсатор определенной емкости. Электрический конденсатор – это система, состоящая из двух пластин – электрических проводников, между которыми находятся диэлектрики. Такая система – конденсатор – способна накапливать электрический заряд. Характеристика способности накапливать электрический заряд является электрическая емкость конденсатора. Емкость конденсатора численно равна заряду на пластинах конденсатора, если разность потенциалов между ними равна 1 В.

10

Конденсатор в цепи переменного тока обладает емкостным сопротивлением:

11

9

Рисунок 9. Клетка с электрической точки зрения представляет собой сферический
конденсатор определенной емкости

Живая клетка по своим электрическим свойствам очень похожа на электрический конденсатор. Внеклеточная среда и цитоплазма представляют собой растворы электролитов, в которых носителями зарядов являются ионы калия, хлора, кальция и т.д. Цитоплазма и внеклеточная среда – это проводники.

Цитоплазмотическая клеточная мембрана состоит из белков и липидов, которые по своим электрическим свойствам представляют из себя диэлектриками, не проводящие электрический ток. Клеточная мембрана – это диэлектрик. Поскольку мембрана отделяет цитоплазму от внеклеточной среды, то подобно конденсатору (проводник – диэлектрик — проводник) участок живой ткани (внеклеточная среда – мембрана — цитоплазма) является конденсатором. Учитывая, что клетка имеет пространственную структуру, то клетка – это сферический конденсатор, который накапливает электрический заряд, соответственно электрическую энергию. Омывающие клетку жидкости являются электролитами, обладающими активным сопротивлением. Таким образом, обладают как активным, так и емкостным сопротивлением. Эквивалентная электрическая схема живой ткани – это последовательное соединение активного сопротивления межклеточной жидкости и емкостного сопротивления живых клеток.