В социальных сетях эксперты по «успешному успеху» часто говорят о внутренней и внешней энергиях. Этому посвящены многие вебинары и курсы. Обычно это как-то связано с эзотерикой. Но что же на самом деле представляет из себя энергия и как она циркулирует между окружающим миром и живыми существами? Посмотрим на это с точки зрения биологии.
Энергетические системы
Во-первых, нужно отметить, что обмен энергией проходит при химических реакциях. Все они могут происходить только в системе. В нее входят реагирующие вещества, продукты реакции и окружающая среда, где эти реакции проходят.
Системы бывают несколько видов:
- Открытая система. В ней происходит обмен веществом и энергией с окружающей средой;
- Закрытая – обменивается только энергией, но не веществом;
- Изолированная – не обменивается ни веществом, ни энергией.
Зачем нам энергия?
- Синтез новых молекул внутри организма
Это можно представить с конструктором LEGO. У нас есть маленькие «кирпичики», которые находятся отдельно друг от друга. Чтобы построить из них даже самый простой домик, нужно приложить усилия (перенести кубики, надавить на них для состыковки). Так же мы тратим энергию для составления большой «молекулы» из конструктора.
- Хранений наследственной информации (ДНК, РНК)
Мы знаем, что ДНК – длинная сложная молекула и на нее так же распространяется первый пункт применения энергии. Но, здесь особо выделяется функция хранения информации. Наша наследственность передается с помощью четырех нуклеиновых кислот (+1 как замена для РНК). Однако, их нельзя расположить как попало. Здесь как аналогию можно привести в пример любой текст. По отдельности буквы не несут никакой информации, но в определенном порядке они передают смысл и образ. Так и нуклеиновые кислоты придают нам свойства только находясь в определенном порядке. Чтобы их выстроить также необходима энергия.
- Передача информации
Одна из основных задач живых организмов – размножение (простите меня, чайлдфри, но я говорю в базовых принципах биологии). Деление ДНК, его «упаковка» и «доставка» до другой клетки – очень сложный процесс, который также требует огромных энергетических затрат.
Откуда брать энергию?
- Поглощение солнечного света
При фотосинтезе под действием солнечного света происходит расщепление воды. При этом высвобождаются электроны, которые «забирает себе» углекислый газ и в итоге получается кислород.
6СО2 + 6Н2О=С6Н12О6 + 6О2 (восстановление СО2)
- Захват химического топлива из окружающей среды и его окисление
Нефотосинтезирующие клетки получают энергию через окисление продуктов фотосинтеза (например, глюкозы). После электроны, которые забрали у глюкозы, переходят на кислород, получаемый при «дыхании» из атмосферы. В итоге образуются вода, углекислый газ и другие конечные продукты.
С6Н12О6 + О2=6СО2 + 6Н2О + Е (окисление глюкозы с высвобождением Е)
Энергетические процессы происходят согласно Законам термодинамики. Первый закон термодинамики в упрощенном варианте звучит так: «Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а только переходит из одной формы в другую». Клетки живых организмов могут получать энергию разных видов и трансформировать её из одной формы в другую.
Какие бывают формы энергии?
- Химическая
Энергия веществ, которая высвобождается из них, когда химикаты превращаются в другие вещества, обладающие меньшей энергией.
- Электромагнитная
Энергия движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.
- Механическая
Энергия, связанная с движением объекта или его положением. Состоит из кинетической и потенциальной энергии.
- Осмотическая
Энергия, получаемая за счет разницы в концентрации различных веществ в двух смежных системах (например, разница концентрации поваренной соли и воды внутри клетки и снаружи ее)
Чаще всего живые организмы получают энергию в ходе химических реакций. Именно о них мы и поговорим подробнее.
Круговорот энергии внутри нас
Каждое вещество состоит из атомов разных химических элементов. Как мы говорили раньше, чтобы эти «кирпичики» сложить вместе, нужно приложить некоторое усилие, т.е. дать им энергию, которая бы пошла для построения связи между атомами. Получается, что эту энергию мы как бы "заключаем" внутри этих связей.
При химических реакциях из одних веществ получаются другие, но с иным количеством и качеством связей, которыми они соединяются.
В зависимости от того, как меняется объем энергии связей в молекулах, химические реакции делятся на:
- Экзотермические (Энергия реагентов > энергии продуктов реакции)
Давайте представим 2 стакана: они разные по объему. В бОльший налили воду до краёв. Второй стакан стоит пустым. После мы переливаем воду из одного в другой. Наша задача наполнить тот до краёв. Т.к. первый стакан вмещает больше жидкости, то даже заполнив второй стакан полностью, в первом останется лишняя вода и ее нужно куда-то деть.
То же самое и с энергией, в случае экзотермической реакции по итогу остается какое-то количество энергии, которое по итогу выделяется в окружающую среду, в том числе в виде тепла (Q изменение энергии окружающей среды) >0).
Типичные представители экзотермический реакций – реакции соединения (синтез сложного соединения из более простых)
- Эндотермические реакции (Энергия реагентов < энергии продуктов)
Вспоминаем те же самые стаканы, но в этом случае второй стакан больше по объему, чем первый. Из первого полного стакана мы переливаем всю воду во второй, но он до сих пор не наполнен до конца (т.е. энергии для появления связей между атомами недостаточно). Чтобы закончить этот процесс приходится «забирать» энергию (воду) извне, т.е. энергия окружающей среды понижается (Q<0).
Типичные представители эндотермических реакций – реакции разложения (появление нескольких соединений из одного).
"Энтропия" и "энтальпия" - начинаем хвастаться умными словечками
Q – это энергия, которая поглощается или выделяется при химической реакции из окружающей среды.
Количество энергии, заключённой в самом веществе (вода, из нашего примера) в науке обозначается понятием энтальпии (H). Чем больше запас энергии в соединении, тем больше Н.
В одном ряду с энтальпией находится еще один мудрёный термин – энтропия (возможно он знаком вам чуть больше).
Энтропия - стремление любой системы к максимальному беспорядку. Проще говоря, всё во вселенной стремится к «бардаку», чтобы было побольше разных частиц. Т.е. в соответствии с энтропией, синтез сложных молекул вообще не должен происходить. Но почему это всё же происходит?
Здесь включается в игру еще одно свойство химических веществ: системы стремятся к состоянию с наименьшей внутренней энергией. Одно сложное вещество содержит в себе меньше энергии, чем несколько простых соединений, из которых оно синтезировано. Поэтому молекулы «хотят» составится во что-то более сложное, чтобы избавиться от «лишней» энергии.
Мы живём в противовес законам физики?
Большинство процессов в живых организмах – синтез сложных органических молекул. Однако, многие из них 1) требуют поступления энергии извне; 2) энтропия (беспорядок) системы уменьшается. Т.е. эти реакции противоречат законам физики? Как же они возможны?
Вспомним, что энергия и вещество внутри системы могут свободно циркулировать. С энтропией мы ничего сделать не можем (нам же нужно сделать какую-то сложную молекулу из маленьких, это соединение нам очень нужно). Тогда мы можем отрегулировать поступление энергии для этой реакции: нужно «внести» в нее дополнительную энергию.
Для этого все живые существа придумали брать энергию после реакций, где она выделялась, и пускать ее на синтез органики. Это называется сопряжёнными реакциями. В таком случае это становится энергетически выгодным. Как источник энергии чаще всего в живых организмах берётся реакция разложения молекул АТФ и ГТФ – главных «батареек» нашего тела.
В следующем посте мы с вами разберём скорости химических реакций, почему они разные, как их ускорить или замедлить (особенно в живом организме). Пошёль читать книжки дальше!
#биология #биохимия #физика #наука
