Діти сонця
Всесвіт наповнений енергією, але для живих організмів підходять лише деякі її види. Основне джерело енергії для переважної більшості біологічних процесів на нашій планеті - сонячне світло. Потужність випромінювання Сонця в середньому оцінюється як 4 × 10 33 ерг / с, що обходиться нашого світила в щорічні втрати 10 -15 -10 -14 маси. Є і набагато більш потужні випромінювачі. Наприклад, 1-2 рази на століття в нашій галактиці відбуваються спалахи наднових зірок, кожна з яких супроводжується сильним вибухом потужністю більше 10 41 ерг / с. А квазари (ядра галактик, віддалених від нас на сотні мільйонів світлових років), випромінюють ще більші потужності - 10 46 -10 47 ерг / с.
молекула аденозинтрифосфату
Це дуже цінне еволюційне придбання: енергія, добута із зовнішнього джерела, запасається у вигляді «високо енергетичних зв'язків» між фосфатними групами. АТФ вельми охоче віддає свої фосфатні групи або воді, або іншим молекулам, тому він незамінний посередник для перенесення хімічної енергії (фото: www.sciam.ru)
Клітка - основна одиниця життя, вона безперервно працює для підтримки своєї структури, а тому потребує постійного притоку вільної енергії. Технологічно вирішити таке завдання їй непросто, оскільки жива клітина повинна виділяти і використовувати енергію при постійній (і до того ж досить низькою) температурі в розведеною водному середовищі. В ході еволюції, за сотні мільйонів років, сформувалися витончені і досконалі молекулярні механізми, здатні діяти надзвичайно ефективно в дуже м'яких умовах. В результаті к.к.д. клітинної енергетики виявляється набагато вище, ніж у будь-яких інженерних пристроїв, винайдених людиною.
Клітинні трансформатори енергії є комплекси спеціальних білків, вбудованих в біологічні мембрани. Незалежно від того, надходить в клітку ззовні вільна енергія безпосередньо з квантами світла (в процесі фотосинтезу) або в результаті окислення харчових продуктів киснем повітря (в процесі дихання), вона запускає рух електронів. В результаті виробляються молекули аденозинтрифосфату (АТФ) і збільшується різниця електрохімічних потенціалів на біологічних мембранах. АТФ і мембранний потенціал - два відносно стаціонарних джерела енергії для всіх видів внутрішньоклітинної роботи.
Рух речовини через клітини і організми легко сприймається нашою свідомістю як потреба в їжі, воді, повітрі та видаленні відходів. Рух же енергії практично невідчутно. На клітинному рівні обидва цих потоку узгоджено взаємодіють в тій надзвичайно складній мережі хімічних реакцій, яка становить клітинний обмін речовин. Процеси життєдіяльності на будь-якому рівні, від біосфери до окремої клітини, по суті, виконують одну і ту ж задачу: перетворюють поживні речовини, енергію і інформацію в збільшується масу клітин, відходи життєдіяльності і тепло.
Потік енергії через живі організми.
Зелена і червона лінії - потік вуглецю. Жовта - потік енергії (фото: www.sciam.ru)
Здатність захоплювати енергію і пристосовувати її для здійснення різних видів роботи, мабуть, і є та сама життєва сила, яка з давніх-давен хвилює філософів. В середині XIX ст. фізика сформулювала закон збереження енергії, згідно з яким в ізольованій системі енергія зберігається; в результаті тих чи інших процесів вони можуть змінюватися в інші форми, але її кількість завжди буде постійним. Однак живі організми являють собою незамкнуті системи. Кожна жива клітина добре про це «знає» вже сотні мільйонів років і безперервно поповнює свої енергетичні запаси.
За рік рослини суші і океану маніпулюють колосальними кількостями речовини і енергії: вони засвоюють 1,5 × 10 11 т вуглекислого газу, розкладають 1,2 × 10 11 т води, виділяють 2 × 10 11 т вільного кисню і запасають 6 × 10 20 калорій енергії Сонця у вигляді хімічної енергії продуктів фотосинтезу. Багато організмів, такі як тварини, гриби і більшість бактерій, не здатні до фотосинтезу: їх життєдіяльність цілком і повністю залежить від органічної речовини і кисню, які продукуються рослинами. А тому можна сміливо стверджувати, що в цілому біосфера існує за рахунок сонячної енергії, і античні мудреці анітрохи не помилялися, проголошуючи, що сонце - основа життя.
Виняток з геліоцентричної погляду на глобальний потік енергії представляють деякі види бактерій, які живуть за рахунок неорганічних процесів, таких як відновлення двоокису вуглецю до метану або окислення сульфіду водню. Деякі з цих «хемолітотрофних» істот добре досліджені (наприклад, метаногенів бактерії, що живуть в шлунку корів), але величезна їх кількість невідома навіть фахівцям-мікробіологам. Більшість хемолітотрофамі облюбували на рідкість незатишні місця існування, які дуже важко досліджувати - позбавлені кисню, занадто кислі або занадто гарячі. Багато з таких організмів не вдається виростити в чистій культурі. До недавнього часу хемолітотрофамі було прийнято розцінювати як певну екзотику, цікаву з біохімічної точки зору, але мало значиму для енергетичного бюджету планети. У перспективі така позиція може виявитися помилковою з двох причин. По-перше, бактерії все частіше виявляються в місцях, які раніше вважалися стерильними: у винятково глибоких і розпечених скельних породах земної кори. У наш час виявлено таку кількість місць проживання організмів, здатних отримувати енергію з геохімічних процесів, що їх населення, може статися, становить істотну частку загальної біомаси планети. По-друге, є підстави вважати, що найперші живі істоти залежали від неорганічних джерел енергії. Якщо ці припущення справдяться, наші погляди як на глобальний потік енергії, так і на його зв'язок з походженням життя можуть істотно змінитися.