Lekce 2. Subatomární částice

K jádru hmoty

Ve druhé lekci už opustíme abstraktní úvahy o energii a budeme se věnovat té hmatatelné stránce našich těl. Možná si kladete otázku, proč je potřeba se zabývat částicemi, ze kterých se skládají atomy a nemůžeme se rovnou vrhnout na celé atomy – chemické prvky, vazby a molekuly. Zní to jako hodně fyziky a málo biologie.

Úroveň zkoumání hmoty z pohledu subatomárních části ale hraje úplně klíčovou roli právě v základním principu života, o kterém jsme si říkali minule – v koncentraci energie. Buňka získává energii tak, že vybírá z potravy atomy vodíku a ty rozkládá až na subatomární částice – protony a elektrony – a ty pak důmyslným mechanismem využívá jako hlavní hnací sílu ke generování energie, podobně jako větrné elektrárny využívají vítr nebo mlýnské kolo vodu. Jak? To se dozvíte v této lekci.

Protony, elektrony, neutrony a… fotony?

V biologii nás zajímají hlavně protony vodíku, protože jaderné subatomární částice ostatních prvků zůstávají vždy bezpečně uložené v jádře a jejich uvolňování by bylo projevem radioaktivity, která s biologií moc nejde dohromady. Fyzikům ponecháme i neutrony. Elektrony ale hrají důležitou roli v chemii. Prakticky celá chemie je o vzájemné výměně elektronů mezi jednotlivými atomy, které pomocí těchto částic vytváří chemické vazby.

atom

proton	kladný náboj	jádro
neutron	bez náboje	jádro
elektron	záporný náboj	elektronový obal

Už minule jsme si říkali, že subatomární částice – protony, neutrony a elektrony – vznikly zaplněním velmi malého prostoru takovým množstvím energie, až získal hmotnost. Tedy tvoří hmotu. My v této lekci zmíníme ještě jeden typ „částic“ – fotony.

Fotony nejsou částicemi, které bychom našli v atomech. S fotony je ale ten problém, že není úplně jednoduché je někam zařadit. Fotony si můžeme představit jako jednotky elektromagnetické energie (jinými slovy záření – světelného, rentgenového, ultrafialového, rádiového, mikrovlnného) které sice nemají hmotnost (na rozdíl od hmotných subatomárních částic), zato ale nesou velké množství energie. Vědci, kteří poprvé pozorovali jejich existenci, je označili jako částice, protože se tak do jisté míry chovají, v běžném životě si ale třeba světlo z monitoru na počítači představujeme spíš jako záření než jako proud drobných částeček dopadající na náš obličej.

foton = kvantum energie ze slunce využívané při fotosyntéze

Fotony ve skutečnosti připomínají svými vlastnostmi jak částice tak vlnění (záření je fyzikálně vlnění), ale nejsou ani jedním a jejich podstata nepřipomíná nic z naší běžné zkušenosti, k čemu bychom si je mohli připodobnit. Proto se spokojíme s představou, že jsou to malé kapičky energie, které se mohou rozprsknout a něco osvětlit nebo se jejich energie může snadno přeměnit na jinou formu. V biologii pro nás budou důležité jako zdroj energie pro fotosyntézu a v tomto odstavci je shrnuto pravděpodobně všechno, co o nich budete do konce života potřebovat vědět. 🙂

Životní energie z vodíkových protonů

Jak ve Vesmíru, kde všechny chemické i fyzikální jevy podléhají základním zákonům včetně růstu entropie mohl vzniknout život? Vůbec první chemickou koncentraci energie můžeme právem označovat jako zázrak.

Vodíkové protony je možné snadno získávat z potravy a hromadit. Elegantně a přitom geniálně, jak to život umí, jsou nahromaděné vodíky využity ke koncentraci energie v buňce – a tím i k pohánění koloběhu života buňky.

Vodíkové protony se uvolňují chemickými reakcemi z potravy a hromadí se v buňce. Přirozeně by se v důsledku entropie difuzí rozptýlily ven, nicméně buněčná membrána je pro protony (a mnoho dalších látek) nepropustná. S rostoucím množstvím protonů na jednom místě roste i potenciální energie.

potenciální energie = energie, kterou je možné získat změnou podmínek

Když o někom řekneme, že má potenciál, myslíme tím, že může za vhodných podmínek získat nové schopnosti nebo dovednosti, které zatím nemá. Když říkáme o hmotě, že má potenciální energii, myslíme tím, že může za vhodných podmínek získat energii, kterou zatím nemá. Vhodnými podmínkami jsou v tomto případě spontánní entropické děje.

Voda v přehradě má potenciální energii, protože pokud uvolníme stavidla a bude na ni působit gravitace, voda začne padat dolů (nebo téci). Potenciální energie vody se tím mění na mechanickou energii. Podmínkou je, že voda musí být v nadmořské výšce vyšší než je hladina moře. Jakmile voda doteče do moře, svou energii ztrácí, protože na ni už nemůže působit gravitace. Voda už nemá kam padat.

Vodíkové protony v membráně mají potenciální energii, protože když uděláme do membrány otvor, bude na ně působit difuze a začnou se pohybovat tak aby rovnoměrně vyplnily celý prostor, který mají nově k dispozici. Potenciální energie protonů se tak mění na mechanickou energii (pohyb částic). Jakmile toho dosáhnou, potenciální i mechanická energie je vyčerpána a proces se zastaví. Entropii už není možné zvýšit.

potenciální energie + spontánní děj => mechanická energie

hmota	voda	vodíkové protony
potenciální energie	nadmořská výška	koncentrace na malém prostoru
spontánní děj	pád v důsledku gravitace	šíření v důsledku difuze
co brání spontánnímu ději?	hráz	membrána
mechanická energie	pohyb, proudění a otáčení turbíny	pohyb, proudění a otáčení turbíny
cílová forma energie	elektrická energie	energie chemické vazby
uskladnění	baterie	molekula ATP

V buňce je to chytře vymyšleno tak, že jediná cesta úniku je skrz protein ve tvaru turbíny. Ano, doopravdy vypadá jako turbína a při průchodu protonů se otáčí kolem dokola! Jakkoliv se obvykle ve výuce snažím o připodobnění složitých a abstraktních procesů k našim běžným zkušenostem, v tomhle případě ani nemusím nic zjednodušovat, přesvědčte se sami:

Pokud chcete vidět víc animací, vyhledejte si na Youtube „ATP synthase“ a kochejte se. 🙂

Tento šikovný protein dokáže mechanickou energii převést na chemickou. Vysvětlit, jak přesně to ten protein dělá, by znamenalo pár desítek hodin chemie navíc, zůstaňme zatím u toho, že probíhá biochemickou reakcí a jak jinak než entropicky.

Chemická vazba spojí atomy do molekuly, ve které je tato energie uskladněna a opětovným přerušením chemických vazeb může být znovu uvolněna. Molekula tedy funguje podobně jako elektrická baterie.

Shrnuto a podtrženo: Hromaděním na malém prostoru získávají vodíkové protony potenciální energii, která je převedena difuzí na mechanickou a ta následně do formy energie chemické vazby.

O získávání vodíkových proteinů z potravy, molekule ATP a jak souvisí s cukry a kyslíkem budeme krok za krokem odhalovat v lekci č. 6.