2.5. Энергия жизни

Жизнь— это, прежде всего, химические реакции и круговорот биогенов—химических элементов, ею же порожденных. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и приповерхностном слое океана. В количественном отношении преобладают формы живых организмов, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития. Среди животных 96% видов — беспозвоночные и только 4% видов — позвоночные, из которых лишь десятая часть — млекопитающие.

Как было сказано выше, одной из субстанций, определяющих жизнь, является энергия — количественная мера движения и превращения материи. Человек, как и все материальное, существует в энергоинформационном пространстве. Все формы жизни от слона до вируса основаны на небольшом наборе главных органических соединений. Жизнь во всех ее проявлениях основана на двух десятках аминокислот, входящих в нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и жиры, и некоторых соединениях. Различные молекулы аминокислот образуют по­лимерные цепочки — полипептиды, которые объединяясь, образуют множество белковых молекул.

Отличием живой материи от неживой является конечное время существования каждой особи. Так, некоторые насекомые живут всего несколько часов, мыши — два года, собаки — 12 лет, лошадь — 30 лет, черепахи живут до 200 лет. Долго живут деревья: сосна — 300 лет, дуб — 1500 лет. Человеку природой отпущено около ста лет.

Суточный рацион одного взрослого человека составляет 2900…3300 ккал. Минимальное количество энергии, необходимое для поддержания жизни одного человека, можно получить с площади 0,12 га. Для обеспечения полноценным питанием (мясом, овощами и фруктами) человека требуется около 0,6 га площади земли. Для производства тканей и других необходимых изделий, а также создания инфраструктуры нужно еще 0,6 га/чел.

Ключевые процессы, определяющие разницу между живой и неживой природой, происходят на клеточном уровне. Непременным условием жизни является связь живой клетки с окружающей средой. Обмен веществ (метаболизм) — это фундаментальное свойство живых организмов. Энергия поступает в клетку извне, а трансформацию и перенос энергии внутри растительной и живой клетки выполняет движение электронов и протонов.

Клетка — основная единица жизни, которая непрерывно работает для поддержания своей структуры, а потому нужда­ется в постоянном притоке свободной энергии. Растения и живые организмы представляют собой незамкнутые системы: каждая живая клетка непрерывно пополняет свои энергетические запасы. Вселенная наполнена энергией, но для растений и живых организмов подходят лишь немногие ее виды. Основной источник энергии для большинства биологических процессов на нашей планете — это солнечный свет. Технологически эта задача решается непросто, поскольку живая клетка должна использовать энергию при довольно низкой темпера­туре в разбавленной водной среде. В ходе эволюции сформировались совершенные молекулярные механизмы преобразования солнечной энергии: КПД клеточной энергетики намного выше, чем у любых инженерных устройств.

Движение вещества через клетки и организмы легко измеряется и определяется потребностью в пище, воде, воздухе и удалении отходов жизнедеятельности. Движение энергии в живом организме практически неощутимо. На клеточном уровне поток вещества и поток энергии согласованно взаимо­действуют в сложной сети химических реакций, которая со­ставляет клеточный обмен веществ.

Клеточные трансформаторы энергии - это комплекс специальных белков, встроенных в биологические мембраны. Свободная энергия поступает в клетку извне в результате окисления пищевых продуктов в процессе дыхания. Эта энергия запускает движение электронов — возбуждение и направленный перенос электронов в макромолекулярных комплексах внутриклеточно­го реакционного центра. В результате переноса «возбужденных» электронов производятся молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) и увеличивается разность электрохимических потенциалов на биологических мембранах. АТФ и мембранный потенциал—два источника энергии для всех видов внутриклеточной работы и механической работы, которую может совершать человек.

Энергию первоисточника-Солнца могут использовать только растения-фотосинтетики. Все остальные организмы получают солнечную энергию опосредованно, то есть через пищу содержащую энергию химических связей. Неспособные к фотосинтезу клетки живых организмов (например, клетки человека) получают энергию из пищи, которой служит или биомасса рас­тений, или биомасса других живых существ, питающихся растениями. Питательные вещества (белки, жиры, углеводы) преобразуются животной клеткой в набор низкомолекулярных соединений — органических кислот, построенных из атомов углерода, которые окисляются до углекислоты и воды.

У аэробных организмов окисление углеродных атомов органических кислот до углекислого газа и воды называется внутриклеточным дыханием. Трансформация энергии окисления осуществляется ферментами, расположенными в строгом порядке в мембранах специализированных частиц—митохондрий. Ферменты дыхательной цепи упорядоченно переносят электроны от одного компонента к другому (в конечном счете — на кислород), постепенно понижая потенциал водорода. Освобождаемая при этом энергия так же, как и в растительной клетке, аккумулируется в форме электрохимической разности потенциалов на мембранах и используется для синтеза АТФ или напрямую для совершения работы. Митохондрии взрослого человека перекачивают через свои мембраны около 500 г ионов водорода в сутки.

«Электростанцией» клетки служит митохондрия, мембраны которой представляют собой скопление ферментов, необходимых для усвоения пищевых веществ и производства вы­сокоэнергетических фосфатных связей. В митохондриях сво­бодная энергия окисления продуктов питания превращается в свободную энергию АТФ (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Структура (а) и гидролиз (б)