1598005406-c7dd8660448dd542c8c2f5c17a2e095d (Топливные элементы. Э. Юсти, А. Винзель, 1964u), страница 86

Таким образом, различие между представителями животного и растительного мира состоит в том, что у организмов, имеющих хлорофилл, ассимиляция энергии и субстрата совершенно обособлена. Последний состоит главным образом из углерода, водорода, азота, фосфора и серы, которые на нашей планете находятся преимущественно в предельно окисленном состоянии и для синтеза растительной ткани должны быть предварительно восстановлены посредством адсорбированной хлорофиллом солнечной энергии. Гетеротрофиые организмы, наоборот, не способны сами восстанавливать неорганические вещества и вынуждены потреблять растительную пищу, чтобы получить необходимые для построения своего организма вещества и энергию.

Более того, отрицательная энтропия, воспринятая с высокоорганизованной растительной пищей, служит не только для выполнения механической, осмотической и электрической работы, соответственно табл. 10,1, но также для компенсации тепловых потерь, происходящих в процессе превращения одних форм энергии в другие '). Выражение «обмен веществ», которое употребляется в связи с указанным процессом, у неспециалистов может создать впечатление, будто су>цность жизненных процессов заключается в обмене материи между пищей и организмом, Но в действительности наш вес постоянен, и если считать, что все атомы и молекулы неразличимы, то это относится и к углероду, кислороду и азоту, составляющим продукты обмена веществ. В таком случае, почему «обмен веществ»? Ряд лет содержание энергии считалось чуть ли не самоцелью пищевых продуктов и в менк> указывалось, сколько калорий содержится в том или ином блюде, словно чсловек или животные могут попреки второму закону термодинамики нзотермически превращать тепло! Кроме того, как справедливо отмечает Шредингер [8], ') Ояя, такии образом, замедляют увслячекяе энтропии, так как без такой реакции лучистая энергия непосредственно превратилась бы в тепловую энергию с соответству>о>цям приростом энергии.

— Прим. ред. э) тот факт, что гетеротрофкые оргакязмы неполностью нспользуюг свободную энергию, поглашаемую с растительной пищей, а частично выбрасывают ее с продуктами выделения, пригодными вновь ддя пятанпя растений, выходит за рамки данного обсу>кеепи, Глава Х Сравнение талливним элементов с живыми суи4ествами 473 содержание энергии в живом организме так же постоянно, как и его вес.

На это Симон возразил, что наш организм ну. ждается не только в отрицательной энтропии, но и в обыкно венной энергии, чтобы возмещать то тепло, какое требуется теплокровным для поддержания температуры тела прп постоянной теплоотдаче в окружающую среду. Эта аргументация не кажется нам достаточно обоснованной, так как все случаи превращения энергии у гетеротрофов, приведенные в табл.

10.1, несмотря на все достойные удивления превращения, имеют к.п.д. ие более 50в(е, так что больше половины полученной с растительной пищей свободной энергии (6) превращается в обыкновенное тепло (Н). Для удержания температуры тела вьцпе окружающего уровня этого более чем достаточно. Наконец, теплокровные животные составляют лишь незначительную долю гетеротрофов; большинство животных принимает температуру окружающей среды. Как могло сложиться такое ошибочное мнение, которо.', казалось бы, опирается на количественные измерения".

Мы полагаем, что это произошло вследствие того, что в неорганическом мире свободная энергия Л6 на ТЛЯ меньше, чем энтальпия ЛН, тогда как в высокоорганизованном органическом мире энтропия настолько невелика, что фактически значения Лб и ЛН мало различаются. Действительно, уже 50 лет назад установлено, что теплота образования виноградного сахара ЛН = 673,2 ккал/моль, изменение свободной энергии ЛО = = 763,4 ккал(лтоль.

Отсюда следует, что изменение энтропии ан — ьб 673 200 — 703 400 равно ЛЯ— Т 300 — — — 300 кал/моль ° град. Точно так же в случае жиров (тристеарнны) изменение энтропии отрицательно: Т ° Л5 = — 1450 ккал1моль, как следует из величины ЛН = 8450 ккал(моль и ЛС =- = 9900 ккал(моль. Эти величины означают, что гетеротрофные организмы фактически получают отрицательную энтропию от организмов, имеюших хлорофилл н накапливаюшнх ее за счет солнечной энергии, и что относительно невысокие абсолютные значения энтропии могут легко привести к смешению принципиальной роли внутренней энергии (или энтальпии), с одной стороны и свободной энергии — с другой. То, что органические вещества должны поставлять отрицательную энтропию для восстановления биологического топлива — коферментов, и с целью компенсации неспособности гетеротрофных организмов к использованию солнечной энергии, не должно отвлекать нас от другого аспекта, а имен- но от того, что неорганические топливные элементы в этом отношении более невзыскательны н мошны.

Как видно из табл. 1.1, во всех реакциях, обеспечивающих ток в гальванических элементах, к. п. д, даже в идеальном случае, как правило, всегда ниже 100%; в водородно-кислородном элементе при 300'К максимальное значение т! равно 94%. Напротив, при сгорании высокоорганизованного органического топлива может достигаться идеальный к. п, д., даже превышающий 1ООв(в, как, например, в случае окисления виноградного сахара. По приведенным выше данным, в этом случае идеальный к.п.д. (т! = 1 + 90,2!673,2) 1ОО = !12%, а при окислении тристеарина т! = (1+ 1450/84500) 100 = 1!7%. В этой связи обрашает на себя внимание то обстоятельство, что многие животные, в частности жвачные, благодаря симбиозу с микроорганизмами, обитающими в желудке н кишечном тракте, выделяют многие вещества в газообразной форме и, значит, с повышенной энтропией (СНь СО,).

Эта более благоприятная исходная позиция позволяет получить ецте более выгодное соотношение энергии н к. п. д., несмотря на возрастание энтропии, неизбежно связанное с замедлением течения реакции в желеобразной структуре клеток, т. е. с вечной борьбой против достижения равновесного состояния — состояния смерти. Таким образом, теоретический анализ превращения энергии с точки зрения топливных элементов позволяет нам наглядно понять энергетику органических существ.

Наше сравнение баланса энергии и энтропии топливных элементов и живых существ было бы неполным, если бы мы не вспомнили открытые в 1887 г. русским микробиологом Виноградским [9) автотрофные бактерии, добывающие энергию путем окисления менее окисленных соединений С, Н, Р, Н, возникающих при разложении других организмов. Эту энергию автотрофные бактерии используют для восстановления СОт и воссоздания своего организма. Результаты наших сопостановлений представлены в табл, 10.4, причем следует добавить, что топливные элементы отличаются от всех организмов не только отсутствием синтеза, но и связанного с этим отсутствием самоизлечения и размножения.

Если теперь обратиться к сравнению конструкции, то здесь можно найти больше сходства. Это следует уже из того, что каждый преобразователь энергии может поставлять энергию только в форме тепла, если он не обладает микроструктурой, способной избежать увеличения энтропии. Излишне возвращаться к таким уже знакомым тонким структурам органиче- Глава Х Суаекеиие топливных элементов с живыми существами 475 ских клеток, как электропластинки рыб и многослоиных гомопористых электродов топливных элементов.

Таблица !04 Псгочннк стронтсньнма натсрнааон Источник чнсргнн Фотоны Фотохимическое посстзпозлеппе кеоргзкпческпх соединений (6 < Н) Организмы, еодержзшяе хлоро- фклл Оккслекке кеоргзкиче- 1 Хгтннческое еоестзпоскпх продуктов распада 1 клемме пеоргзкнческпх Аптотрофные бзктеряп соедппекпй (6 < Н) (СП„ЫП» 8Оа, Паз, Иа) (6 < Н) Презрзщекия оргзпнческнх веществ растительного проксхождекзя (6 > Н) Окисление соедппеппй углерода растительного проксхожденяя бедных энтропией (6 ) Н) Гетеротрофкые организмы Окисление пеоргзкнче скпх соедияемнй Топливные эле- менты (6 <Н) Так же как в системе «пиша — молекулярный кислород», при комнатной температуре вне организма окисления не происходит, несмотря на то что система далека от состояния равновесия, не наблюдается это и вне топливного элемента с гремучим газом Н, + Оз или со смесью СО + Оз. Общим свой.

ством всех органических и неорганических преобразователей химической энергии является то, что на их поверхности вслед° ствие адсорбции происходит повышение концентрации реагирующих вегдеств и что сравнительно инертный кислород не реагирует непосредственно с веществом, подлежащим окислеии1о. В живом организме кислород соединяется с железом гемоглобина и образует при этом перскиспое соединение, окисляющее субстрат в качестве переносчика кислорода.

Анало,гично активируется весьма инертный при комнатной темпера- гуре кислород на диффузионных катодах соответствующими переносчиками вроде дисперсного серебра или металлической платины. Общим свойством окисляюгцих систем является уже отмеченное обстоятельство, что не только «редокс»-элементы, но и все другие топливные элементы, так же как и животные, предварительно так подготавливают топливо, что в конечном счете между собой реагирует активированный водород и кислородный комплекс. При этом как топливные элементы, так и ткани животных накапливают более или менее большой запас активированного материала, в частности кислорода и водорода, чтобы в любой момент быть готовым к реакции. Только в ДСК-электродах эти высокоактивные реагенты накапливаются в коцичестне, пригодном для многочасовой работы.

Живые организмы для этого используют жиры, которые представляют собой концентрированное, всегда готовое к употреблению топливо. Впечатляющий пример из ор~анического мира представляют собой колибри, которые могут без питци пересечь океан. Не кажется невероятным, что в технике топливных элементов люди воспримут методы природы и будут накапливать топливо в форме органических соединений. Как предварительный опыт в этом направлении можно рассматривать работу жидкостнйх топливных элементов с легко дегидрируемыми богатыми водородом жидкими видами топлива, как, например, эгиленгликоль (см.