Чтобы понять, как жизнь извлекает энергию из отрицательного значения ΔG, удобно сравнить начало любой реакции с шариком, помещенным на вершину холма. Когда вещества начинают реагировать, шарик скатывается вниз, выделяя энергию. Часть энергии теряется на трение, но можно установить цепочку лопастей, которые будут “подхватывать” энергию катящегося шарика. Если вы соедините лопасти с турбиной, заряжающей батарейку, то сможете использовать батарейку для любых нужд.
В биологической организации большинства живых существ роль лопастей и турбин играют ферменты, малые молекулы и химические градиенты, такие как протон-движущая сила, которую мы обсуждали в предыдущей главе. А заряжаются они от химических реакций, а не от скатывающихся с холмов шариков. Но в любом случае это энергия, так что изменение энергии катящегося шарика, рассчитанное по его массе, высоте склона и ускорению свободного падения, математически эквивалентно ΔG химической реакции, рассчитанному по приведенному выше уравнению. С помощью ΔG вы даже можете превратить энергию дыхания во что-нибудь странное – например, в энергию падающего с крыши ананаса. Чтобы хватало энергии “иногда вскидывать руки к небу”, как делает певец Тайо Круз, мне нужна энергия ананаса, падающего с крыши двухэтажного дома. Но чтобы поддерживать долгую и полноценную человеческую жизнь, насыщенную любовью и важными эмоциями, мне пришлось бы сбросить с крыши четыре миллиарда ананасов. Возможно, вам скучно сводить все замечательные проявления жизни к падающим с крыш ананасам, но этот пример помогает приоткрыть завесу над тайнами термодинамики, которая незаметно управляет миром откуда-то из-за сцены.
В процессе дыхания человека градиент энергии ΔG обеспечивается химической реакцией между кислородом и сахаром, в которой кислород “восстанавливается”, а сахар “окисляется”. Это так называемая окислительно-восстановительная реакция, или редокс-реакция (от англ. redox, поскольку первое вещество оказывается восстановленным – REDuced, принимая избыточные электроны от второго вещества, а второе становится окисленным – OXidazed). Для людей, щенков, грибов и большинства других существ, которые окружают нас в повседневной жизни, окислительно-восстановительная реакция между кислородом и органическими веществами – единственная возможность для получения ΔG. Эта реакция энергетически очень выгодная, то есть значение ΔG0 сильно отрицательное, и мы можем пользоваться этим для самых разных сложных дел – от завязывания шнурков до победы в чемпионате мира.
На основании всего сказанного может сложиться впечатление, будто жизнь зависит от кислорода. Но это не так. Еще может показаться, что окислительно-восстановительные процессы всегда связаны с кислородом, однако и это не так. Свободная энергия Гиббса диктует правила, и в соответствии с этими правилами дыхание кислородом – не единственная химическая реакция с отрицательным значением ΔG0.
В жестких условиях земных недр кислорода мало. Впрочем, живущим там микробам он и не нужен. Кислород токсичен. Он обладает чрезвычайно высокой реакционной способностью и создает массу проблем для других химических реакций, необходимых живым клеткам. Существа, дышащие кислородом, вынуждены производить целые полчища ферментов, которые разбредаются по телу и уничтожают продукты реакций с участием кислорода, вышедшего из-под контроля. Нам приходится прилагать много усилий, чтобы не погибнуть от собственного дыхания.
Однако свободная энергия Гиббса показывает, что кислород – лишь один элемент из широкого спектра химических веществ, чей энергетический запас может служить для поддержания жизни. Иными словами, живые существа способны “дышать” самыми необычными способами. На самом деле дыхание не обязательно связано с вдыханием кислорода. Иногда на лекциях мне приходится переучивать студентов, многократно задавая вопрос “Обязателен ли кислород для дыхания?”, пока ответ “да” не сменится на “нет”. Дело в том, что почти любая окислительно-восстановительная реакция, даже без участия кислорода, используется теми или иными формами жизни для извлечения энергии. И все эти окислительно-восстановительные реакции обеспечивают дыхание всех видов жизни на Земле, хотя люди никогда не смогут дышать чем-то кроме кислорода. Обитатели земных глубин используют для дыхания другие, менее мощные соединения, о которых мы обычно не думаем, и селятся в местах обитания с такими термодинамическими ограничениями, которые для нас непреодолимы. В таких средах энергетические запасы обычно невелики – и жизнь теплится на гране термодинамических возможностей.