7528

61

Фотосинтез (накопление энергии)

Клеточное дыхание (выделение энергии)

Растения осуществляют синтез глюкозы на свету, отсюда название– фотосинтез. Признаком клеточного дыхания служит поглощение кислорода и выделение углекислого газа.

Зеленый цвет листьев растений обусловлен наличием в них молекул хлорофилла. Они поглощают видимый (белый) свет во всех диапазонах длин волн, кроме области вблизи 500 нм (зеленый свет), и потому лист кажется зеленым. Молекулы хлорофилла поглощают фотоны и переходят в возбужденное состояние. Энергия возбуждения хлорофилла передается участникам эндотермической реакции синтеза. Образуются глюкоза и кислород, энергия которых больше энергии исходных веществ. Фактически солнечная энергия «скрывается» в химических связях глюкозы. Рост растения– это процесс накопления солнечной энергии и вещества, рассеянных до этого в окружающей среде.

СО2, Н2О глюкоза сахароза крахмал целлюлоза

СО2

минеральные вещества,

такие как Ca3(PO4)2, KNO3, CaSO4, CaCO3, H2O,

содержащие химические элементы: С, Н, О, N, S, P.

Рис.22. Круговорот веществ с участием живых систем

Молекулы глюкозы выполняют две важные функции. Они являются строительным материалом для синтеза более сложных молекул– дисахаридов (сахароза и др.) и полисахаридов (крахмала и целлюлозы), а также служат своеобразным топливом для получения энергии, необходимой в строительст-

62

ве сахаров, крахмала, целлюлозы, белков, жиров, нуклеиновых кислот и других органических веществ. Растения строят фундамент жизни, превращая неорганические вещества окружающей среды в структурированные органические вещества, более богатые энергией (рис.22). Они накапливают крахмал в семенах, зернах, корнях как источник энергии и питания. Целлюлоза является конструкционным материалом для стволов деревьев, стеблей злаков и кустарников.

Центром управления метаболическими процессами является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), расположенная в ядре клетки.

Структура молекулы ДНК: состав и последовательность расположения нуклеотидных звеньев в молекуле являются «текстом», содержащим всю информацию, характеризующую живой организм, время его жизни и смерти. Она представляет собой полимерную молекулу, состоящую из двух скрученных спиралей. Звенья двойной спирали соединены водородными связями. Получается винтовая лестница со ступеньками−водородными связями

(рис.23).

Фундаментальное свойство двойной спирали ДНК состоит в том, что ее цепи комплементарны друг другу вследствие того, что напротив аденина (А)

63

одной цепи находится тимин (Т) другой, а напротив гуанина (Г) всегда расположен цитозин (Ц). Термин комплементарность происходит от лат. com- plementum-дополнение, спирали ДНК действительно дополняют друг друга. Комплементарное спаривание А с Т и Г с Ц осуществляется посредством водородных связей за счет аминогруппы одного основания и кетогруппы другого NH O=C. Между А и Т образуются две водородные связи, а между Г и Ц– три. Это– один из видов взаимодействия, стабилизирующих двойную спираль («поперечное» взаимодействие посредством водородных связей).

Двойная спираль ДНК человека насчитывает примерно 3¸3,5 миллиарда нуклеотидных пар. Диаметр двойной спирали ~2×10−9м. Это ничтожный диаметр по сравнению с ее длиной. Если выстроить в одну линию молекулу ДНК, заключенную в клетке человека, то получится нить длиной 2 м. Такая цепь в скрученном виде умещается в ядре клетки! Умещается благодаря ничтожному диаметру.

В1953 г. американский биохимик Джеймс Уотсон и английский физик

ибиохимик Френсис Крик, обобщив работы многих современников, описали вторичную структуру ДНК, представив ее в виде двойной спирали. Это позволило им объяснить, каким образом генетическая информация записывается в ДНК, и высказать гипотезу о механизме ее самовоспроизведения.

Клетки растений, животных и микробов являются химическим реактором, в котором происходят разнообразные превращения вещества. Деление клеток происходит при росте и обновлении тканей организма. Делится ДНК (рис.24) в ядре клетки, делится ядро клетки, делится клетка.

Рис.24. Модель деления (репликации) ДНК: а) начало деления (образование двух спиралей); б) продолжение деления (источник роста двойных спиралей−нуклеотиды); в) за-

вершение деления (появление двух ДНК из одной)

При делении клеток двойная спираль ДНК раскручивается и разделяется на две цепи. На каждой отдельной цепи, как на матрице, происходит биосинтез новой цепи ДНК. Новая цепь не идентична, а комплементарна исходной матрице; в результате получаются две новые двойные спирали ДНК, ка-

64

ждая из которых включает одну старую цепь и одну вновь синтезированную.

Такой процесс точного копирования ДНК, в результате которого образу-

ются две одинаковые двухспиральные молекулы, называется репликацией.

Репликация лежит в основе обеспечения дочерних клеток молекулами ДНК, полностью идентичными ДНК родительских клеток. Информация о структуре, составе живого организма воспроизводится на молекулярном уровне превращения вещества.

Рис.25. Модель синтеза матричной РНК: а) петля ДНК с несколькими нуклеотидами; б) сформированный фрагмент м-РНК в петле ДНК; в) сформированная м-РНК (короткая

спираль темного цвета, закрепленная на петле ДНК)

Информация, содержащаяся в структуре и составе ДНК, «переписывается» на матричную рибонуклеиновую кислоту−м-РНК. Переписывание сводится к синтезу м-РНК, сохраняющей в своей структуре генетическую информацию участка ДНК, на котором она синтезирована (рис.25).

Синтез м-РНК на расплетенном участке ДНК означает, что м-РНК, имеющая структуру соответствующего участка ДНК, становится самостоятельным носителем информации (рис.26).

Нуклеотидная последовательность в м-РНК является копией гена или набора генов «переписанного» участка ДНК. Эта копия несет информацию о синтезе определенных белков. Сама ДНК непосредственно в биосинтезе белка не участвует. Есть посредники−матричная РНК и транспортная РНК, роль последней сводится к доставке аминокислот к месту синтеза белка.

Ген– участок в молекуле ДНК, включающий от нескольких десятков до 1000−1500 нуклеотидов и определяющий структуру белка или одной полипептидной цепи.

65

+

ДНК в сцеплении с м-РНК ДНК м-РНК

Рис.26. Модель перехода матричной РНК из связанного в свободное состояние

Питательные вещества, поступающие в клетку, расходуются на построение разнообразных аминокислот и нуклеотидов. Далее идут процессы усложнения молекул−превращение аминокислот в белки, а нуклеотидов в нуклеиновые кислоты.

В отличие от ДНК, которая содержится в основном в ядрах клеток, РНК находится в рибосомах, а также в протоплазме клеток. Общая роль РНК заключается в непосредственном синтезе белка из аминокислот. Всего в ДНК содержится информация о синтезе примерно 5 тысяч белков.

Вопросы для проверки знаний

1.Какой процесс называют метаболическим?

2.Чем отличается катаболизм от анаболизма?

3.Чем отличаются продуценты от консументов?

4.Чем отличается фотосинтез от клеточного дыхания?

5.Какая роль в организме отводится фотосинтезу?

6.Какая роль в организме отводится клеточному дыханию?

7.Какую функцию в организме выполняет ДНК?

8.Какой биохимический процесс называется репликацией?

9.Какие функции в организме осуществляют матричная и транспорт-

ная РНК?

10.Что называют геном?

11.Какую роль в живом организме играют гены?

6. ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ. ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Энергия есть качественная и количественная характеристика движения и взаимодействия. В общем случае полная энергия системы включает ки-

67

ное колесо. Такая модель-аналогия позволила ему считать, что количество теплорода сохраняется в процессе совершения работы, как сохраняется количество воды, вращающей мельничное колесо. Теплород лишь «перетекает» из одного тела в другое.

Паровая машина или любой другой двигатель, работающий циклически, – это устройство, преобразующее теплоту в работу, если под работой

подразумевать любой процесс, эквивалентный подъему груза. Любая маши-

на, преобразующая теплоту в работу, должна действовать циклически. Так, например, работает двигатель автомобиля, неизвестный во времена Карно. Поршни в цилиндрах двигателя все время возвращаются в исходное состояние, чтобы отобрать очередную порцию топлива для сжигания и преобразования энергии химической реакции в работу движущегося автомобиля. Основываясь на циклическом действии машины, получающей теплоту от нагревателя и преобразующей её в работу, Карно доказал, что процессу преобразования теплоты в работу присуща некая «внутренняя неэффективность». Часть теплоты нагревателя машина превращает в работу, а часть вынуждена отдавать холодильнику, чтобы вернуться в исходное состояние для использования следующей порции теплоты нагревателя. Карно определил пределы превращения теплоты в работу. Иными словами, для любой машины, действующей циклически, существует максимальный коэффициент полезного действия.

Труды Карно не были преданы забвению благодаря исследованиям французского физика и инженера Э. Клапейрона (1799−1864), который уточнил детали цикла, совершаемые машиной, работающей по циклу Карно, и дал его полное математическое описание. Коэффициент полезного действия η не зависит от рабочего тела машины (водяной пар или какое-то другое вещество). Он определяется температурой нагревателя Т1, передающего теплоту Q1, и температурой холодильника Т2, получающего теплоту Q2 от машины:

η = (Т1−Т2)/Т1

Несмотря на несостоятельность концепции теплорода, идея Карно о невозможности превращения всей теплоты в работу оказалась плодотворной. Хотя всю теплоту нельзя полностью превратить в работу, превращение работы в теплоту не имеет ограничений. Как точно замечено в книге П. Эткинса «Порядок и беспорядок в природе» [25, с. 30], «природа не облагает «налогом» преобразование работы в теплоту; например, за счет трения мы можем полностью разбазарить с таким трудом полученную работу (в буквальном смысле слова «протереть» её). Однако с теплотой так поступить мы уже не сможем: в отличие от работы она облагается «налогом».

Немецкий врач Ю. Майер (1814−1878) и английский физик Дж. Джоуль (1818−1889) провели эксперименты и доказали, что работу (механическое движение) можно преобразовать в теплоту (рис.28). Примечательно, что Майер пришел к выводу о превращении теплоты в работу, будучи судовым врачом. Во время путешествия на Яву он обратил внимание на то, что венозная кровь южан имеет более светлую окраску, чем кровь северян в Германии.

68

Он правильно объяснил эти наблюдения: в венах обитателей тропиков остается больше кислорода, т.к. для поддержания постоянной температуры тела в теплых краях необходимо сжигать меньшее количество пищи. Следовательно, теплота может расходоваться на поддержание постоянной температуры тела и на выполнение мускульной работы. Теплота и работа являются двумя разными формами обмена энергией системы и окружающей среды.

Рис.28. Схема прибора для преобразования работы падающего тела в теплоту за счет трения о воду вращающихся лопаток

Джоуль также обратил внимание на возможность превращения механической работы в теплоту. Он получил значение механического эквивалента превращения работы в теплоту, отличающееся от общепринятого в настоящее время значения всего на 1%. Тело массой m кг, падающее с высоты h м

при ускорении силы тяжести g=9,806 м×с−2, совершает работу А=mgh [кг×м2×с−2] или [Дж].

Механический эквивалент теплоты равен 0,4267. Это значит, что тело массой 1 кг, падая с высоты h=0,4267 м, совершает работу, вращая лопасти мешалки, эквивалентную 1 кал теплоты:

1 кг×9,806 м×с−2×0,4267 м = 4,184 Дж = 1 кал,

или 4,184 Дж работы эквивалентно 1кал теплоты.

Ни Майер, опубликовавший свою работу в 1842 г., ни Джоуль, представивший доклад на съезде Британской ассоциации развития науки в 1843 г., не встретили понимания ученых того времени. Лишь через много лет ученые убедились, что теплота и работа эквивалентны. И на это были причины. Вспомним утверждение Карно о том, что количество теплорода сохраняется в процессе совершения работы. Майер и Джоуль лишили теплоту статуса сохраняющейся величины: теплоту можно преобразовать в работу. Это

69

означало, что теплорода не существует и следует менять свои представления о теплоте. Окончательно отказался от концепции теплорода немецкий физик Р. Клаузиус (1822−1888). Он сформулировал в 1850 г. первый закон термо-

динамики: теплота и работа являются различными формами энергии. В любом процессе энергия может переходить из одной формы в другую (в том

числе в теплоту или работу), но она не создается из ничего и не исчезает бесследно. О первом законе термодинамики иногда говорят, как о частном случае закона сохранения энергии. «Частность» первого закона лишь в том, что термодинамика рассматривает две формы передачи энергии в теплоту и работу. Клаузиус пытался объяснить природу теплоты на основе поведения частиц, из которых состоит вещество. Судьба распорядилась так, что это сделал австрийский физик Людвиг Больцман (1844−1906). Он показал существование связи между свойствами вещества как целого, изучаемого с помощью термодинамики, и поведением отдельных частиц (атомов и молекул), составляющих вещество.

С позиций термодинамики не имеет значения строение и состав системы. Система выступает как целое, обладающее энергией и способное обмениваться энергией. Только после работ американского физика Д. Гиббса (1839−1903) область применения термодинамики расширилась и захватила химию и биологию.

А>0

система совершает работу

А<0

над системой совершается работа

В соответствии с формулировкой первого закона термодинамики теплота, работа и внутренняя энергия связаны уравнением

Q = U + A

Математическое уравнение первого закона термодинамики записано в соответствии с указанными на схеме знаками.

70

Теплота Q есть форма обмена энергией посредством хаотического соударения микрочастиц системы и окружающей среды. Теплота относится к процессу, а не к состоянию. Если нет процесса, то Q=0.

Работа А есть форма обмена энергией путем направленного движения частиц. Например, газ в цилиндре под поршнем способен совершать работу по подъему груза, расположенного на поршне. Происходит направленное перемещение молекул газа. Работа также является характеристикой процесса. Если нет процесса, то А=0.

Внутренняя энергия U определяет состояние системы. В любых со-

стояниях система обладает большим или меньшим количеством внутренней энергии. Система есть совокупность взаимосвязанных частей (атомов и молекул), выделенных из окружающей среды и выступающих по отношению к ней как целое. Система, находящаяся в относительном состоянии покоя, обладает внутренней энергией U. Внутренняя энергия системы слагается из кинетической (движения частиц) и потенциальной (притяжения и отталкивания частиц) энергии.

Первый закон термодинамики не определяет направление процессов обмена энергией системы и среды. Второй закон термодинамики указывает на существование в природе фундаментальной асимметрии, однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов: невозможно

сконструировать машину, которая, действуя посредством кругового про-

цесса, будет только переносить теплоту с более холодного тела на более теплое (Р. Клаузиус, 1850 г.). Это означает, что теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому. Независимо от Клаузиуса в 1851 г. У. Томсон (лорд Кельвин) сформулировал второй закон термодинамики в следующем виде: в природе невозможен процесс, единст-

венным результатом которого была бы механическая работа, совершенная за счет охлаждения теплового резервуара. Применяя второй закон к Все-

ленной как целому, Кельвин пришел в 1852 г. к выводу о неизбежности «тепловой смерти» Вселенной. Тепловая смерть - результат выравнивания температур и установление термодинамического равновесия.

Клаузиус развил свои термодинамические идеи и в 1865 г. ввел новое понятие-функцию состояния-энтропию, обозначенную символом S. Энтропия буквально означает «превращение в». (от греч. en «в» и tropia-«превращение»). Имелась в виду тенденция превращения энергии в менее ценные формы, т.е. рассеяние энергии. Для изолированной системы изменение энтропии служит критерием направления самопроизвольно протекающего процесса или состояния термодинамического равновесия:

DS³0

Значение DS представляет собой разность энтропий конечного (S2) и начального (S1) состояний системы. Если DS=0, это означает, что система находится в состоянии термодинамического равновесия. В ней не происходит никаких изменений (S2 = S1). Если энтропия возрастает, т.е. DS>0, в системе самопроизвольно происходит необратимый процесс перехода из состояния S1 в со-