В живом мире различают три основных вида превращения энергии:
1. Лучистая энергия солнечного света
улавливается имеющимся в зеленых растениях зеленым пигментом хлорофиллом и
превращается в процессе так называемого фотосинтеза в химическую энергию,
которая используется для синтеза из двуокиси углерода и воды углеводов и других
сложных молекул. Энергия солнечного света, представляющая собой одну из форм
кинетической энергии, превращается таким образом в один из типов потенциальной
энергии. Химическая энергия запасается в молекулах углеводов и других
питательных веществ в форме энергии связей между входящими в их состав атомами.
2. Химическая энергия углеводов и других
молекул превращается в процессе клеточного дыхания в биологически доступную
энергию макроэргических фосфатных связей. Такого рода превращения энергии
осуществляются в митохондриях.
3. Превращение энергии, происходящее при
использовании клеткой химической энергии этих фосфатных связей для работы:
механической работы — при мышечном сокращении, электрической работы — при
передаче нервного импульса, осмотической работы — при передвижении молекул
против градиента концентраций, химической работы — при синтезе молекул в
процессе роста. Часть энергии при этом теряется, рассеиваясь в форме тепла.
Растения и животные выработали в процессе эволюции весьма эффективные
преобразователи энергии для осуществления этих процессов, а также весьма тонкие
регуляторные системы, дающие клетке возможность приспосабливаться к изменениям
окружающих условий.
Область физики, рассматривающая энергию и ее превращения, носит название
термодинамики. В ее основе лежит несколько простых принципов, приложимых к любым
химическим процессам, где бы они ни происходили — в живых или в неживых
системах.
В экспериментально регулируемых условиях можно измерить и сопоставить количество
энергии, поступающей в любую систему и выходящей из нее. При этом всегда
оказывается, что энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной
формы, в другую. В этом состоит первый закон термодинамики, который иногда
называют законом сохранения энергии: общее количество энергии в любой
изолированной системе остается постоянным. Если данная система претерпевает
изменения, переходя из исходного состояния в конечное, это может сопровождаться
поглощением энергии из окружающей среды или, напротив, выделением энергии в
среду. Различие между содержанием энергии системы в ее исходном и конечном
состояниях точно соответствует изменению содержания энергии в окружающей среде.
Теплота — это та форма энергии, в которой ее наиболее удобно измерять. Почти все
физические или химические процессы сопровождаются выделением тепла в окружающую
среду или поглощением тепла извне. Процесс, протекающий с выделением тепла,
называется экзотермическим. Процесс, протекающий с поглощением тепла извне,
называется эндотермическим. Во многих созданных человеком механизмах энергия
чаще всего переносится в виде тепла. Однако в биологических системах дело
обстоит иначе — по той простой причине, что живые организмы в основном
изотермичны: температура отдельных частей клетки или отдельных клеток ткани
примерно одинакова. Иначе говоря, клетки действуют иначе, чем тепловая машина; в
них не происходит переноса тепла от более теплой части тела к более холодной, т.
е. по градиенту температуры.
Второй закон термодинамики можно кратко сформулировать следующим образом:
«Энтропия вселенной возрастает». Энтропия — это неупорядоченное состояние
внутренней энергии (которая не способна производить работу). Второй закон можно
выразить и иначе: «Физические и химические процессы в замкнутой системе
происходят таким образом, что энтропия системы стремится к максимуму».
Следовательно, энтропия — это мера хаотичности или неупорядоченности. Поскольку
почти все превращения энергии сопровождаются потерей некоторого количества
тепла, обусловленной беспорядочным движением молекул, энтропия окружающей среды
при этом повышается. Живые организмы и составляющие их клетки
высокоорганизованны и поэтому их энтропия невелика. Они сохраняют это «низкоэнтропийное»
состояние за счет повышения энтропии внешней среды. Когда мы едим конфеты и
превращаем содержащуюся в них глюкозу в двуокись углерода и воду, которые
выделяются во внешнюю среду, мы повышаем энтропию среды. Стремление к состоянию
с максимальной энтропией — движущая сила всех процессов. Выделение организмом
тепла или поглощение тепла из окружающей среды приводит систему организм — среда
к состоянию с максимальной энтропией.