Для понимания сущности процессов, протекающих как в неживой, так и живой материи, важную роль играют фундаментальные физические теории, и прежде всего теория электронного строения вещества. Взятие на вооружение постулатов и методов данной теории химией и биологией привело к созданию новой области науки - квантовой биохимии, основной задачей которой является теоретический расчет плотности электронов у отдельных атомов, образующих структуру молекулы.

Квантовая биохимия, основоположником которой является Сент-Дьерди, применяя законы и методы квантовой механики к вопросам биологии, позволяет проводить анализ основных биологических процессов на субмолекулярном уровне, т.е. на уровне электронных взаимодействий участвующих в реакциях компонентов. Новый подход явился фундаментом для биоэнергетики и позволил глубже понять механизмы поглощения, миграции и преобразования энергии в физиолого-биохимических процессах интактных клеток, прежде всего, таких как фотосинтез и дыхание.

Я. Ладик подчеркивает, что квантомеханические исследования электронной структуры биологически активных молекул (DNК, белков, порфиринов) и их биологическое истолкование будут способствовать решению важнейших биологических проблем в области мутагенеза, свойств белков, канцерогенеза, фотосинтеза, старения, действия лекарственных веществ и т.д. Говоря об уникальности данного метода, автор отмечает: "Вряд ли можно представить себе один теоретический или экспериментальный подход, который мог бы объяснить механизм столь сложных и в общем разнообразных биологических процессов" [1, с.5].

Квантомеханические расчеты позволяют количественно определить величины энергетических уровней электронов и предвидеть в каждом конкретном случае, какие молекулы будут играть роль доноров, а какие - акцепторов электронов, что, несомненно, открывает большие перспективы в управлении физиолого-биохимическими процессами клеток, лежащими в основе их жизнедеятельности, как в норме, так и при патологии.

По мнению М.С. Свирского, "… особая роль электронов в современной теории вещества определяется тем, что из всех известных в настоящее время микрочастиц электрон имеет наименьшую, отличную от нуля массу покоя и наименьший электрический заряд. Отклик электронов на внешние электрические и магнитные воздействия существенно определяет физико-химические свойства веществ. Поэтому фундаментальное объяснение макроскопических свойств вещества связано с определением влияния электронов на формирование этих свойств.

Явления, изучаемые электронной теорией вещества, имеют первостепенное значение для научно-технического прогресса" [4, с.3].

Создание данной теории физической наукой оказало революционное влияние на все остальные науки естественнонаучного цикла и во многом предопределило стратегию их дальнейшего развития. Не составила исключения и биологическая наука, использовавшая "плоды" этой теории не только напрямую - от физики, но и от смежной науки - химии, которая применила основные идеи электронной теории вещества для объяснения механизмов химических реакций, протекающих как в неживой, так и в живой природе.

Доказательность постулатов электронной теории строения вещества в биологической науке можно убедительно проследить на примере механизмов преобразования энергии и вещества в процессе фотосинтеза и дыхания, которые составляют основу метаболизма растительной клетки.

Анализируя вклад современной квантовой биохимии в изучение важнейших физиологических процессов, видные физиологи растений Б.А. Рубин и В.Ф. Гавриленко отмечают, что "… физической основой процессов фотосинтеза и дыхания является перестройка электронной структуры участвующих в реакции компонентов. Электроны, образующие химическую связь между атомами углерода и водорода, в молекуле углеводов занимают иную орбиталь, чем электроны, образующие связи в молекулах воды и углекислоты. Электроны с атомом кислорода в молекуле воды обладают наименьшей энергией. При образовании связей в молекуле углеводов электроны занимают более высокий энергетический уровень, в результате чего энергетический потенциал их значительно увеличивается" [2, с.12].

Понимание биохимических процессов на электронном уровне внесло неоценимый вклад в решение проблем биоэнергетики клетки. Опора на ее основные положения позволила расшифровать механизм преобразования энергии электрона в энергию макроэргических связей АТP (механизмы окислительного и фотосинтетического фосфорилирования). Английским биохимиком П. Митчеллом было выяснено, что в ЭТЦ хлоропластов и митохондрий компоненты, переносящие электроны, чередуются с компонентами, переносящими электроны и протоны. Такая уникальная структура позволяет преобразовывать энергию электрона в промежуточную, более долго живущую форму энергии ?мН⁺ ? электрохимический градиент протонов. В последующих процессах данная форма энергии при участии сопрягающего фактора (АТP-азы) используется на синтез АТP из АDP и P_i. Основные свои идеи П. Митчелл выразил в хемиосмотической теории, за которую в 1972 г. получил Нобелевскую премию [3, с.70-84].

По своей значимости данное открытие сопоставимо с расшифровкой структуры DNK.

Таким образом, для понимания сущности процессов фотосинтеза и дыхания (и других физиолого-биохимических процессов) первостепенное значение имеет прослеживание энергетических уровней электрона во всех компонентах, участвующих в этих процессах, что необходимо постоянно подчеркивать при их изучении как в вузе, так и в школе.

В целях реализации данной идеи, целесообразно использовать обобщенные упрощенные модели, отражающие относительное энергетическое состояние з в метаболитах фотосинтеза и дыхания. На рис. приведена авторская модель "Энергетическое состояние электрона в метаболитах фотосинтеза и дыхания", апробированная на практике. Применение данной модели в вузе и школе позволяет студентам и ученикам глубже осмыслить сущность фотосинтеза и дыхания (метаболизма в целом) и установить связь между ними на электронном уровне. В левой части схемы показано, что электроны воды имеют минимальное количество энергии, что обусловливает большую инертность данного соединения. Для их передвижения к конечному акцептору - NADP^{+ (}против термодинамического градиента) необходима дополнительная энергия. Ее аккумуляция происходит при участии пигмента Р₆₈₀, который, поглотив фотоны, поднимает электроны на более высокий энергетический уровень. После этого они передаются первичным акцепторам электронов (феофитину) и оказываются на энергетической горке. К пигменту Р₇₀₀ электроны передвигаются самопроизвольно, теряя при этом часть энергии, которая тратится на фотохимическую работу ? синтез важнейшего энергетического эквивалента - АТP в процессе фотосинтетического фосфорилирования. На уровне длинноволновой формы хлорофилла - Р₇₀₀ электроны вновь получают порцию энергии, поглотив кванты света, и поднимаются на вторую энергетическую горку, присоединяются к NADP⁺, в результате чего образуется NADP. К этой молекуле присоединяется протон воды (образовавшийся после ухода электрона от водорода воды - фотоокисления воды), и в итоге образуется второй высокоэнергетический эквивалент - NADP^. Н, обладающий большим запасом потенциальной энергии. Электроны (водороды) энергетических эквивалентов - АТP и NADP^. Н используются в темновой фазе фотосинтеза для восстановления углерода углекислого газа до углерода углеводов. Таким образом, в процессе фотосинтеза произошел перевод электронов воды, которые находились в составе этой молекулы на низком энергетическом уровне, на более высокие энергетические орбитали углеводов, благодаря чему последние стали обладать большим запасом потенциальной энергии.

метаболизм клетка электронная теория вещество

Химические связи углеводов очень устойчивы, поэтому их энергия не может быть потрачена непосредственно на процессы жизнедеятельности. Для этого ее необходимо преобразовать в лабильную форму. Правая часть модели как раз и показывает такое преобразование на электронном уровне в самом общем виде, происходящее в процессе дыхания.

Коферменты дегидрогеназ - NAD (FAD) отнимают от углеводов водороды и сбрасывают их в ЭТЦ митохондрий, конечным акцептором которых является кислород воздуха. Первые компоненты этой цепи переносят з и Н⁺, однако для окислительно-восстановительных процессов последующих (расположенных после кофермента Q) элементов необходимы только электроны, протоны же выбрасываются в межмембранное пространство митохондрий. Передвижение Н (з и Н⁺) по дыхательной цепи митохондрий происходит по термодинамическому градиенту и сопровождается поэтапным освобождением энергии, которая используется для синтеза основной энергетической валюты клеток - АТP.

В конечном итоге з передаются на кислород, и он заряжается отрицательно. В дальнейшем анион кислорода взаимодействует с протоном и образуется вода, в которой электроны вновь оказываются на самом низком энергетическом уровне, обеспечивая молекуле воды большую химическую устойчивость. Следовательно, суть энергетического цикла, основу которого составляют фотосинтез и дыхание, сводится к переводу электрона на разные энергетические орбитали неорганических и органических соединений, участвующих в метаболизме клеток.

Анализ литературных данных и собственные исследования позволяют заключить, что электронная теория строения вещества является фундаментом не только для курсов физики и химии, но и биологии. Она является методологией глубинного познания структуры и свойств высокомолекулярных соединений, играющих ключевую роль в процессе жизнедеятельности всех типов клеток, существующих на Земле. Познание физико-химических процессов на субмолекулярном уровне позволяет раскрыть их механизмы, управлять ими и удовлетворять те или иные потребности человека.

Отмечая огромную методологическую значимость электронной теории вещества для всех предметов естественного цикла, в том числе и для курса биологии, известный методист-физик академик РАО А.В. Усова в своей "Новой концепции естественнонаучного образования" отмечает, что "биология должна опираться на знания по физике и химии. Физика является лидером в естествознании. Ее фундаментальные понятия, законы и теории являются "работающими" в биологии и химии" [5, с.3]. Автор научно обосновывает необходимость изменения учебного плана, в котором изучению биологии предшествовали бы курсы физики и химии. Относительно содержательной части пропедевтического курса физики в данной концепции особо подчеркивается значимость электронной теории строения вещества: "Дидактическими единицами опережающего курса физики являются факты, эмпирические закономерности, понятия, законы, элементы теорий (учение об атомно-молекулярном строении вещества и электронной теории)" [там же, с.47].

Литература