Мы не наблюдаем разложения углекислого газа по той же причине, по которой не наблюдаем самопроизвольного перемещения теплоты из холодной комнаты в теплую. Ни один из этих процессов не противоречил бы первому началу термодинамики — энергия не создавалась бы и не уничтожалась, — но они приводили бы к уменьшению энтропии Вселенной, а этого не позволяет второе начало. Все реакции, приводящие к увеличению энтропии, называются самопроизвольными. Это значит, что они продолжаются, пока не перестают получать энергию активации, необходимую для их запуска.
Другой пример самопроизвольной реакции — горение водорода в кислороде, приводящее к образованию пара, газообразной формы воды. Сначала существуют два отдельных газа, а это предполагает достаточно высокую энтропию. Энергия рассеяна в этих газах. После реакции горения остается лишь один газ — пар. Два газа становятся одним, а значит, энтропия уменьшается. Но при горении выделяется большое количество теплоты, которая рассеивается в окружающей среде, что приводит к существенному увеличению ее энтропии — и это увеличение гораздо более заметно, чем уменьшение энтропии при объединении двух газов в один. Совокупная энтропия всей системы увеличивается. Как и в случае с углекислым газом, вода никогда сама по себе не распадается на два входящих в ее состав газа, поскольку для этого энтропия должна уменьшиться.
Вода никогда не распадается на компоненты сама по себе. Закон Гиббса гласит, что энтропия Вселенной должна увеличиваться, но энтропия ее составных частей может уменьшаться. Для этого энтропия других составных частей Вселенной должна увеличивается в достаточной мере, чтобы увеличивалась и ее совокупная энтропия.
Иными словами, углекислый газ и вода могут разлагаться — растения постоянно подталкивают их к этому, — но только не “сами по себе”. Равенство Гиббса позволяет нам учесть все изменения энтропии в различных частях Вселенной, чтобы найти торговую площадку, где одна часть Вселенной платит другим за весьма желанный товар — временное локальное уменьшение энтропии. Оплата при этом проводится в конкретной и определенной валюте — энергии.
Представьте два дома, в каждом из которых по две комнаты. В первом доме вместо двери между комнатами стоит двигатель. Во втором — холодильник, который перекачивает теплоту в неправильном направлении из холодной комнаты в теплую. В первом доме перемещение теплоты из теплой комнаты в холодную обеспечивает функционирование двигателя, производя работу. Эта работа, в свою очередь, обеспечивает функционирование холодильника во втором доме.
По сути, перемещение теплоты из теплой комнаты в холодную в первом доме питает перемещение теплоты в “неправильном” направлении, из холодной комнаты в теплую, во втором доме. Увеличение энтропии в первом доме, используя работу в качестве валюты, оплачивает уменьшение энтропии во втором. Такие два дома называются “сопряженными”.
Термодинамически “сопряженные” дома
Химические реакции могут быть сопряжены, как и комнаты на схеме.
Когда водород сгорает в кислороде, рассеивается большое количество теплоты — гораздо больше, чем необходимо, чтобы компенсировать уменьшение энтропии, вызванное генерацией пара. Этот избыток “свободной” энергии можно использовать для осуществления механической работы — например, для питания автомобильного двигателя. Однако он может применяться и для запуска других химических реакций в обратном, или “несамопроизвольном”, направлении, подобно тому как тепловой поток в одном доме обращает вспять тепловой поток в другом доме. В таком контексте доступную энергию часто называют свободной энергией Гиббса, и она обеспечивает сопряжение химических реакций.
Так, в определенных обстоятельствах свободная энергия, оставшаяся после сгорания водорода и кислорода, может обеспечивать разложение углекислого газа. Первая реакция увеличивает энтропию Вселенной, а вторая — уменьшает ее. Пока совокупная энтропия увеличивается, сгорание одного вещества может приводить к разложению другого.
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.
Сам Гиббс не изучал роль свободной энергии в биологии. Однако за пятьдесят лет, прошедших с публикации его статьи, загадки фотосинтеза и происходящего в животных обратного процесса, называемого клеточным дыханием, были раскрыты. Узнав из трудов Гиббса и его последователей, что переносы свободной энергии выступают движущей силой жизни, биохимики получили руководящий принцип для анализа чертовски сложных тонкостей клеточной химии.
Идеи Гиббса также оказались весьма значимыми для длительной дискуссии о витализме — теории, гласящей, что живые организмы и неживые предметы подчиняются разным физическим законам. Труды Германа Гельмгольца и других ученых серьезно ослабили поддержку витализма, но работа Гиббса нанесла теории сокрушительный удар. Концепция свободной энергии показала, что каждый химический процесс в каждой клетке каждого живого существа подчиняется законам физики. Никакой нужды в сверхъестественном или духовном не было. В лучах солнца содержалось достаточно энергии, чтобы питать прекрасные хитросплетения жизни на земле.