АННОТАЦИЯ

В статье предпринята попытка показать новое противоречие между термодинамикой и экспериментальной биологией на примере жизнедеятельности термальных бактерий.

Ключевые слова: второй закон, термофилы, археи, гидротермы, метаболизм, энтропия, диссипативные структуры.

Ещё в середине прошлого века установлено противоречие между биофизикой и термодинамикой, связанное с мышечной деятельностью. [2]. В ряде работ (например [12]) автором данной статьи вновь обращается внимание на этот факт и делается попытка снять это противоречие. Здесь мы обращаем внимание на новое противоречие, выявленное экспериментальной биологией в последней трети прошлого века.

Последняя треть прошлого века обогатилась новыми знаниями о физико-химических процессах и жизни на глубинах океанов. В качестве примеров приведём несколько выдержек из различных источников.

“В 70-х годах прошлого века было сделано важное открытие, которое перевернуло многие представления ученых. Возле Галапагосских островов на глубине от 2 до 4 тысяч метров были обнаружены разломы, из которых в океан поступала горячая вода. На дне были обнаружены маленькие вулканы – гидротермы. Происхождение гидротерм объясняют так: морская вода по разломам попадает в толщу океанической коры, там разогревается за счет эндогенного тепла планеты, в ней растворяются различные химические элементы, затем горячая вода под сильным давлением выбрасывается из недр по разломам и поступает в океан. Здесь, остывая, она выделяет разные минералы, в том числе и полезные ископаемые. В местах выброса гидротермальной воды образуются небольшие вулканы высотой до 40 метров. Эти вулканы и назвали “черными курильщиками” из-за того, что вода выходящая из них, черного цвета. “Черных курильщиков” обнаружили на дне Красного моря, а затем их стали находить и в других районах Мирового океана. Температура выходящих из них растворов достигает 350° С.” “Возле “черных курильщиков” на дне океана есть иная жизнь, энергетической основой которой является не фотосинтез, а хемосинтез. В кромешной темноте здесь живут не только примитивные организмы, но и высоко организованные многоклеточные - даже ракообразные и рыбы”. [4].

“Действительно, эти археи обитают исключительно в горячих источниках, на поверхности Земли или дне океана, обычно в зонах вулканической активности. Местом их обитания являются, в частности, окрестности глубоководных вулканических источников - "черных курильщиков", расположенных в океане на тысячеметровых глубинах. Температура воды в них благодаря высокому давлению может достигать 200-300°С. При взаимодействии воды источника с морской водой образуется темный осадок, источник как бы дымит. Отсюда происходит их название. Около таких источников развиваются экстремально термофильные археи, некоторые из них растут даже при температурах 100-110°С ”. [5].

“Встречаются бактерии и в глубоких расселинах на дне океана при очень высоком давлении и температуре 360 градусов по Цельсию”. [16, Т.1, стр. 19].

Много интересных фактов подобного рода приводятся в [3]. “Долгое время считалось, что термофильные прокариоты не могут развиваться при температурах выше 50–60°С. Однако за последнюю четверть ХХ в. наши знания о них претерпели существенные изменения. Истинный переворот совершил американский микробиолог Томас Брок, который начал исследовать горячие источники вулканического происхождения. Оказалось, что там обитают микроорганизмы, способные расти при 60–80°С. Позднее немецкие ученые Вольфрам Циллиг и Карл Штеттер открыли гипертермофилы, оптимально растущие при температуре выше 80°С. В настоящее время верхний температурный предел развития живых существ составляет около 122°С. Он достигается в глубинных морских горячих источниках, где перегретый водяной пар остается жидким за  счет повышенного гидростатического давления”. “Но есть еще одно местообитание, значительно менее доступное, однако не сравнимое с гидротермами по масштабу. На глубине 1500–3000 м от поверхности Земли температура начинает повышаться, достигая 60–80°С и даже более градусов, однако эти условия вполне комфортны для высокотемпературной подземной биосферы”.

Ранее в [12], автор уже писал о вопиющем противоречии между термодинамикой и экспериментальной биологией, которое было выявлено более полувека назад, в первую очередь трудами Хилла и его сотрудников, исследовавших энергетику мышечного сокращения. В [12] мы пытались показать, что это противоречие вызвано неправильной трактовкой понятия “компенсации за преобразование тепла в работу”. В данной статье мы покажем ещё более глубокое противоречие между термодинамикой и живой природой, исходя из отмеченных выше новых знаний о термофилах.

СУТЬ ПРОТИВОРЕЧИЯ

Термобактерии – это прокариоты, простейшие представители живой материи. Тем не менее, им присущи все черты, присущие живым существам. Такие как способность извлекать из окружающей среды и использовать энергию в виде питательных веществ или в виде солнечной или химической энергии, способность к размножению и передаче наследственной информации, приспособляемость к окружающей среде и её изменениям и другие. Рассмотрим подробнее наиболее важные для дальнейшего изложения свойства клеток – обмен с окружающей средой и гомеостаз. Гомеостаз – способность поддерживать относительное постоянство параметров внутренней среды клетки. Её объёма, температуры давления, состава, обеспечение устойчивости функций. Важнейшее значение для процессов метаболизма имеет каталитическая активность белков – ферментов. Именно гомеостаз обеспечивает, в том числе, температурный оптимум для каталитической активности белка. Превышение допустимой температуры приводит к денатурации белка и в дальнейшем к гибели клетки. Как видно из выше приведённого краткого литературного обзора,  гипертермофилы развиваются при температуре окружающей среды достигающей как минимум в 122°С.  Сравним эту температуру с температурным оптимумом белков – ферментов.

“Температурный оптимум для большинства ферментов млекопитающих лежит в пределах 37-40°С. Существуют, однако, ферменты с более высоким температурным оптимумом; у бактерий, живущих в горячих источниках, он может, например, превышать 70°С.” [16, Т.1, стр. 158].

“Температурный оптимум для различных ферментов неодинаков. В общем для ферментов животного происхождения он лежит между 40 и 50°С, а растительного - между 50 и 60°С. Однако есть ферменты с более высоким температурным оптимумом, например, у папаина (фермент растительного происхождения, ускоряющий гидролиз белка) оптимум находится при 80°С.”

Информация с сайта: Обмен веществ. http://obmenv.3dn.ru/publ/1-1-0-1

В литературе по данной тематике отмечается, что при 100°С почти все ферменты утрачивают свою активность. Отмечается также, что исключение составляет, видимо, только один фермент мышечной ткани - миокиназа, который выдерживает нагревание до 100°С. Здесь литературный обзор даёт нам максимальную температуру внутренней среды клетки не выше 100°С. Таким образом температура внутренней среды у гипертермофил ниже температуры среды обитания. Причём это не временная стрессовая ситуация, когда организм выживает за счёт мобилизации внутренних резервов, как например высшие организмы, использующие потоотделение, а естественное нормальное состояние.

Рассмотрим процессы обмена  гипертермофильной клетки, как открытой диссипативной структуры, с окружающей средой, исходя из термодинамики.

формате PDF (150Кб)