Вы, конечно, слышали и о «веществе наследственности» — ДНК. Полное название этого вещества — дезоксирибонуклеиновая кислота. Это тоже полимерная цепочка, только более сложная, чем у белка. Молекулы ДНК, как и белковые, также состоят из расположенных в строго определённой последовательности структурных единиц.
В этой последовательности и записана наследственная информация — примерно как конкретной последовательностью букв можно записать метод синтеза вещества или порядок сборки компьютера.
Даже малые нарушения этой последовательности в молекулах белков или ДНК могут оказаться смертельными для организма или его потомства.
Очень похожа по строению на ДНК другая кислота — рибонуклеиновая (РНК), которая тоже играет в организме крайне важную роль.
Химику несложно поместить в колбу смесь из двух десятков разных аминокислот и провести реакцию, в результате которой эти аминокислоты соединятся в длинные цепочки. Но получившиеся при этом полипептиды не будут обладать никакой биологической активностью, так как отдельные аминокислоты в них соединятся в случайной последовательности, а энтропия системы мало изменится.
(Простая аналогия: если случайным образом соединить между собой разные буквы, мы не получим осмысленного текста.
) То же самое можно сказать и о природных молекулах ДНК. Чтобы синтезировать «настоящий» белок, необходимо соединить между собой сотни и тысячи определённых аминокислот, одну за другой, в строгой последовательности. Понятно, что это требует неизмеримо больших затрат и труда, и энергии.
Значит, при синтезе белка или ДНК в организме происходит сильнейшее уменьшение энтропии! Уменьшение энтропии происходит и при формировании из белков и других «строительных материалов» глаз, сердца, мозга, любого другого органа животного.
Рассмотрим теперь очень важный вопрос. Если в организме при синтезе высокоупорядоченных структур отдельных «деталей» происходит сильное уменьшение энтропии, то не нарушают ли процессы в организме человека, животных и растений второй закон термодинамики?
Мы уже знаем, как правильно ответить на этот вопрос: и растения, и животные представляют собой открытую систему, как и вся наша планета. В растениях реакции синтеза органических веществ сопровождаются сильным уменьшением энтропии, и идут они за счёт энергии солнечного света.
Реакции, для которых необходим свет, называются реакциями фотосинтеза.
К сожалению, такие реакции невозможно осуществить, просто осветив смесь воды и углекислого газа даже самым ярким светом.
Чтобы реакция пошла, необходимо создать специальные условия, которые имеются, например, в зелёных листьях растений; для реакции необходимо присутствие хлорофилла и других соединений.
В целом тут работают не менее сложные «механизмы», чем в азотфиксирующих микроорганизмах.
Химики пока не умеют создавать такие условия искусственно, хотя и узнали довольно много о том, как идёт фотосинтез. Такие исследования дадут возможность не только использовать энергию Солнца, как мы это умеем делать сейчас, но и получать с помощью солнечного света органические соединения из неорганических.
Рассмотрим теперь ещё один процесс: синтез биополимеров — белков, ДНК в организме человека. Как отмечалось, химически не очень сложно синтезировать длинную белковую молекулу, состоящую из множества звеньев — аминокислотных остатков.
Но такой «белок» — продукт самопроизвольной реакции — будет так же мало похож на настоящий, как случайная последовательность букв — на отрывок из «Войны и мира» Л. Н. Толстого. В природных белках звенья расположены в определённом порядке, причём в каждом белке порядок свой.
Такое расположение в длинных молекулах белков и ДНК сопровождается огромным уменьшением энтропии в ходе синтеза.
Как же осуществляется в организме человека синтез высокоорганизованных структур, например белка или ДНК? Только на первый взгляд кажется, что эти процессы идут в нашем теле самопроизвольно.
На самом деле для их осуществления необходимо множество других реакций, протекающих в организме одновременно с синтезом белков и других структур, и при этом в целом для всех процессов в сумме энтропия всё же увеличивается! Любое животное поглощает с пищей высокоорганизованную материю с относительно низкой энтропией, а выделяет малоорганизованную, более простую, с более высокой энтропией.
То есть в системе пища > организм > отходы наблюдается такая же последовательность, как и в системе Солнце > Земля > космос. И не будем забывать, что такое возможно только в открытой системе.
Протекание одновременно нескольких реакций (их называют сопряжёнными) очень распространено в живой природе. При этом одни реакции позволяют идти другим, которые сами идти не могут.
Например, процесс окисления глюкозы кислородом в клетках при температуре тела человека даёт столько энергии, что становятся возможными важнейшие реакции синтеза белков и других структурных единиц организма.
Если глюкозу просто сжечь (С6Н12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O), выделится много энергии, а энтропия возрастёт очень сильно (кристаллическое вещество глюкоза превратилась в газообразное).
И хотя окисление глюкозы в клетке идёт другим путём, конечный результат — тот же (этот принцип для любой химической реакции установил ещё в 1940 году русский химик Герман Иванович Еесс). В результате синтеза в организме сложнейших молекул и обновления всех клеток, всех органов не нарушаются ни первый, ни второй законы термодинамики: энергия сохраняется, а энтропия увеличивается.
Елюкоза же и другие питательные вещества были ранее запасены в растениях и в других животных, то есть в конечном счёте они были созданы за счёт солнечных лучей! Теперь посчитаем, сколько же у нас получилось типов органических соединений, самых важных для жизни.
Оказывается, всего четыре: углеводы, белки, жиры, нуклеиновые кислоты.
А как же с «пятой сущностью», движущей силой всех превращений? Пусть это останется загадкой…