Особенности биологического уровня организации материи

Биологический уровень организации материи начал формироваться на Земле более 3,5 миллиардов лет назад. В процессе эволюции за это время биологические системы на Земле создали механизмы использования солнечной энергии. И как было видно из предыдущего раздела, биосистемы выявили самый энергоёмкий и экологически чистый механизм извлечения энергии из продуктов питания. При этом коэффициент полезного действия биологических систем близок 100 %.

 Краткий разбор биохимических процессов, представленный в предыдущем разделе, показывает, сколь сложен механизм химических реакций, необходимый для получения почти 100 % КПД. И если биохимический, экспериментальный метод дает нам ответ, что происходит в организме, в органе, в клетке, то он не дает предсказаний, что будет, например, в клетке, если что-нибудь существенно изменить? Подобные ответы могла бы дать биофизика, опирающаяся на знание законов неживой природы и имеющая математические модели, описывающие сложные биосистемы.

 Результаты биофизического исследования приобретают важное биологическое значение, когда параметры первичных молекулярных механизмов удаётся непосредственно связать с особенностями конкретных биологических процессов и явлений. Однако это не всегда удается из-за ряда недоработанных в физике проблем. Так в гетерогенных системах, далеких от равновесия, каковыми являются биосистемы, термодинамика необратимых процессов фактически не может оперировать понятиям химического потенциала, зависящего от концентрации какого-либо компонента. Для таких систем несправедливо и понятие энтропии. В активных комплексах внутримолекулярные превращения в первую очередь зависят от характера их организации, а нет от суммарной концентрации компонент.

 Свойства белковых молекул существенно отличаются как от свойств жидкостей с их ближним порядком, так и твердых тел с дальним порядком. Макромолекулы можно рассматривать как своего рода «молекулярные машины», служащие для преобразования одного вида энергии в другой. Так реакции фотосинтеза дают начало цепям переходов энергии электронного возбуждения в энергию разделенных зарядов и энергию поляризации белка, а также в энергию трансмембранного электрохимического потенциала и энергию химических связей АТФ.