Холодильник Эйнштейна

Способность свободной энергии Гиббса к сопряжению химических реакций друг с другом обеспечивает условия для существования жизни на земле. Самым удивительным примером служит первый этап процесса — фотосинтез, который, по сути, использует свободную энергию Гиббса для разложения воды и углекислого газа. Процесс идет следующим образом:

Шаг 1. Сбор свободной энергии солнечного света.

Солнечный свет — богатый источник свободной энергии. Молекула хлорофилла в листьях растений использует это, чтобы обеспечивать разложение воды, а иными словами — чтобы расщеплять молекулу Н₂О на составляющие ее водород и кислород. Кислород выделяется в атмосферу, оставляя в листьях один водород. Изолированный водород такого типа теперь сам становится источником свободной энергии, поскольку ему необходимо снова установить связь с кислородом или подобным химическим элементом.

Этот этап, когда солнечный свет используется для расщепления воды, называется световой фазой.

Шаг 2. Использование свободной энергии в форме изолированного водорода для разложения углекислого газа.

Хитрость этого этапа состоит в том, что растения выделяют свободную энергию, хранящуюся в форме изолированного водорода, не единовременно. Вместо этого они делят ее между другими химическими соединениями, которые появились в процессе эволюции специально для хранения свободной энергии Гиббса. Самое распространенное из них — аденозинтрифосфат, или АТФ. Представьте АТФ в форме крошечной молекулярной пружины, которая сжимается, получая свободную энергию. При необходимости эту порцию энергии можно высвободить, осуществив химическую реакцию, эквивалентную разжиманию пружины в АТФ.

Используя свободную энергию Гиббса, хранящуюся в АТФ, растения расщепляют углекислый газ. В серии скоординированных химических реакций свободная энергия высвобождается из молекулы АТФ и идет на расщепление атмосферного углекислого газа на углерод и кислород, после чего происходит их перекомпоновка в молекулы, называемые углеводами. Это называется “связыванием” углерода и имеет две основные цели. Во-первых, углеводы снабжают растения такими строительными материалами, как целлюлоза, которая формирует структуру растения. Во-вторых, при производстве углеводов используется не вся энергия, хранящаяся в АТФ. Неиспользованная энергия, по сути, перемещается в молекулы углеводов. Они также представляют собой химические пружины. Это значит, что сами углеводы становятся временными хранилищами свободной энергии, которую затем можно использовать для обеспечения роста и всех остальных химических реакций, необходимых растению для поддержания жизни.

Второй этап фотосинтеза, когда свободная энергия, хранящаяся в изолированном водороде, используется для связывания углерода, называется темновой фазой.

Все это обеспечивает условия для жизни таких животных, как человек. С точки зрения свободной энергии Гиббса, мы — растения, функционирующие в обратном порядке. Потребляя в пищу растения и других животных, питающихся растениями, мы поглощаем такие химические соединения, как углеводы, которые растения создают и преобразуют в богатые хранилища свободной энергии Гиббса. Переворачивая темновую фазу фотосинтеза задом наперед, клетки животных высвобождают свободную энергию из углеводов и создают собственные молекулы АТФ, которые питают многочисленные химические процессы, происходящие в клетках животных, и позволяют им жить. В конце концов углерод, который растения получили из атмосферного углекислого газа, воссоединяется с кислородом и снова выдыхается в форме углекислого газа.

Итак, растения используют свободную энергию Гиббса, получаемую из солнечного света, чтобы преобразовывать воду и углекислый газ в углеводы, содержащие часть свободной энергии солнца, и при этом высвобождают кислород. Животные получают доступ к свободной энергии Гиббса, заключенной в углеводах, чтобы жить, и тем самым снова соединяют углерод из углеводов с атмосферным кислородом, в результате чего выделяются углекислый газ и вода. Сегодня ученые объяснили все до единого переносы свободной энергии Гиббса во всех химических процессах, происходящих в растениях, животных и мире. В них наблюдается прекрасная симметрия. Растения поглощают 2870 кДж свободной солнечной энергии, чтобы выработать 180 г глюкозы (типичного углевода). Животное, которое съедает 180 г глюкозы, выделяет ровно 2870 кДж свободной энергии, в конечном счете выдыхая углекислый газ.

Таков знаменитый цикл жизни. Углекислый газ, выдыхаемый животными, поглощается растениями, которые производят пищу и кислород, и так далее. Чтобы цикл продолжался, ему нужен постоянный приток свободной энергии Гиббса. Очень важно, что на каждом этапе цикла небольшое количество свободной энергии теряется в форме теплоты. Это значит, что на каждом этапе энтропия Вселенной увеличивается. Цикл жизни — каким бы великолепным и удивительным он ни был — связывает солнечный свет с клоакой. В целом жизнь служит эффективным способом увеличения энтропии Вселенной.