Существует очень простой факт, хорошо известный биологам. Он заключается в следующем. Для создания, а точнее, для биологического синтеза своих компонентов клетка должна получить из окружающей среды не только строительный материал, но и энергию. Когда клетка питается, например, глюкозой, она окисляет её до углекислого газа и воды. В результате распада глюкозы выделяется энергия, которую клетка использует для всех своих нужд, в частности, для построения самых различных молекул.
На примере процесса брожения посмотрим, как происходит распад глюкозы в живом организме. Этот процесс был известен ещё во времена неолита, когда древние люди научились превращать виноградный сок в вино. Египтяне приписывали изобретение виноделия богу Озирису, а библейские сказания связывают это великое открытие с именем Ноя. Древние греки также видели здесь руку богов и прославляли Дионисия. Римляне — Вакха.
Но природу брожения, так же как и природу многих физических явлений, удалось объяснить лишь в XIX веке. Сделал это французский физик Гей-Люссак. Он установил, что в процессе брожения из глюкозы поручается этиловый спирт и углекислый газ. При этом высвобождается энергия, которую клетка запасает в фосфатных связях упоминавшихся уже молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Для полной реализации всего процесса необходимо около двух тысяч химических реакций, которые и происходят во время брожения, причём с невероятной точностью.
Люди, я имею в виду не организм, а общество, получают необходимую энергию главным образом за счёт распада химических связей, заключённых в горючих материалах: угле, нефти, дереве и так далее. Хорошо известно, что из-за легкомысленного отношения к природным ресурсам и низкого коэффициента полезного действия процессов сжигания топлива человечеству грозит глобальный энергетический кризис. Клетка же получает более 50 процентов всей освободившейся при окислении энергии в форме энергии фосфатных связей АТФ. Для сравнения скажем, что в технике редко удаётся превратить в механическую или электрическую энергию более трети тепловой энергии, освобождающейся при сгорании.
Заметим, что клетке приходится добывать и использовать энергию в условиях практически постоянной и сравнительно низкой температуры. На протяжении миллиардов лет эволюции органического мира клетка приспособила свои удивительные молекулярные механизмы для эффективной работы в этих мягких условиях.
Биологи делят всё живое на Земле в зависимости от способа питания на две основные группы.
Организмы, например, люди и животные, которые питаются сложными органическими соединениями, называются гетеротрофами. Им необходим постоянный приток горючего сложного химического состава (углеводы, белки, жиры). Гетеротрофные организмы получают энергию, окисляя эти сложные вещества. Запасённая энергия используется практически для всех нужд организма. При этом, как установил ещё Гей-Люссак, в атмосферу выделяется двуокись углерода.
Вторая группа организмов называется автотрофами. Их подавляющее большинство, так как все зелёные растения на суше и в океане — автотрофы.
Клетки автотрофных организмов умеют делать две вещи. Они, во-первых, аккумулируют (опять же в форме фосфатных связей АТФ) энергию солнечного света, используя её для своих целей. А во-вторых, добывают углерод для построения глюкозы из углекислого газа. Из глюкозы они создают более сложные молекулы, поэтому всё живое на Земле в конечном счёте получает энергию от Солнца, причём растительные клетки берут эту энергию непосредственно, а животные — косвенным, но простым путём, поедая растения или других животных.
Фотосинтез, а именно так называется процесс, характерный только для растительного царства, происходит в клеточных органеллах — хлоропластах. Эффективность этого миниатюрного цеха нашей молекулярной фабрики-клетки необычайна. В лабораторных условиях удалось превратить 75 процентов энергии солнечного света в энергию фосфатных связей АТФ. Энергетические установки клетки по своей эффективности оставляют далеко позади не только классическую энергетику, но и самые последние достижения атомной.
Сбалансированность всех химических и энергетических процессов в клетке не может не вызвать восхищения. Электроника достигла впечатляющих успехов в создании микросхем и миниатюрных ЭВМ. Но всё это не идёт ни в какое сравнение с миниатюризацией механизмов превращения энергии в органическом мире.
Л.МУХИН ПЛАНЕТЫ И ЖИЗНЬ