Жизнь и живая клетка

Жизнь – явление сложное и загадочное. Даже определение её дать сложно. А вот если заменить слово «жизнь» на «работа» или «функционирование» то можно перейти на другой язык.
Например, для работы микросхемы надо чтобы один пин был подключен к питанию, а другой к земле. Это является необходимым условием её функционирования – своеобразной жизни. «Живая» микросхема будет выдавать на выходах какие-то сигналы, зависящие от того, что подано на входах.
В живых клетках осуществляются химические реакции. Значит, чтобы они там происходили должны быть созданы некие условиях, при которых идут эти реакции.
Первое, обычно необходимое, условие – наличие воды. Вода там есть.
Чтобы в пробирке произошла какая-то химическая реакция, в ней должны быть необходимые исходные вещества. Без них нечему во что-то превращаться. Чтобы получить что-то конкретное, вещества должны быть в определённых пропорциях. Иначе из отдельно плавающих ионов и что-то другое собраться может. Реакция должна происходить при определённой температуре. Иначе, опять же, из одного и того же можно получить разные вещества. Часто важна кислотность, хотя кислую или щелочную среду можно, наверное, отнести к катализаторам процессов. Так или иначе, определённые реакции обычно идут при определённом диапазоне pH. Если созданы все необходимые условия, то живая клетка (также как и микросхема) будет производить из получаемых снаружи материалов то, что нужно ей или остальному организму. Эту среду, эти условия, каким-то образом надо создать и поддерживать.
Вот это плавает во всех растворах:

Это, конечно, не весь список неорганических соединений, но основное перечислено. Сложные с химической точки зрения белки «спрятаны» в группу «А-». .
На всё это действуют законы физики. Если смешать раствор поваренной соли с раствором сахара, то через некоторое время куски соли и сахара разбредутся по всей имеющейся воде. Потому что диффузия,  которая выравнивает концентрации веществ.
Если растворы разделены частично проницаемой мембраной (в данном случае мембраной клетки) то закон диффузии всё равно будет работать. Только мембрана будет замедлять процесс. Физический процесс описывается типовой физической формулой:

Многое, что плавает в жидкости, несёт положительный или отрицательный заряд. Значит на это действуют электрические силы (а не только законы диффузии) Более того, направленное движение зарядов это уже целый электрический ток, возникающий при определенных процессах.
Если например внутри клетки (т.е в растворе внутри клетки) было одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов а потом из неё из-за диффузии вытек какой-нибудь К+, то общий заряд клетки стал отрицательным. Такой заряд начинает препятствовать выходу из клетки следующих положительных зарядов. Всё эти процессы создают на мембране клетки некую разность потенциалов.
Сама мембрана клетки (её химическое строение) пропускает хорошо одни вещества и плохо другие:

Например, молекула воду через неё проходит почти без сопротивления. А заряженные положительно K+ и Na+ видимо отталкиваются внутри от хвостов липидов с обилием H+ на них.
Так вот, всё это конечно интересно, но намного интереснее что происходит когда физика с её законами начинает противоречить потребностям клетки, т.е когда чисто физические законы не способны создать условия, необходимые для жизнедеятельности клетки.
Клетка обзавелась набором механизмов, поддерживающих необходимое состояние вопреки физике.
Чтобы калий и натрий всё-таки приходили в клетку, её липидную стенку в некоторых местах насквозь пронизывают специальные белки, в которых на определённом расстоянии находятся притягивающие отрицательные заряды:

Глюкоза, видимо, слишком большая молекула, потому она просто не может протиснуться между липидами. Для засовывании в клетку таких крупные вещей мембрана может сворачиваться в втаскивать в себя внешний «мыльный пузырь»:

…

При выведении чего-то наружу происходит примерно то же самое. Конкретно эти процессы сложно назвать приспособлением, потому что тут ничто не противостоит гидрофильности и гидрофобности (как и притягивание свободно плывущего калия отрицательными зарядами белка опредёлённой структуры).
Самый интересный механизм тут – калий –  натриевый насос, который поддерживает высокую большое количество калия внутри клети и большое количество натрия снаружи. Если бы его не было, то какая-нибудь диффузия изменила бы соотношение. Жизнедеятельность клетки в этом случае прекратилась бы. Просто потому,что клетка бы лопнула.
Клетке надо очень много чего делать, потому внутри неё очень много чего есть. Этих необходимых вещей намного больше, чем во внешнем растворе. В основном это белки, те самые A- из первой таблицы. Их наличие внутри клетки – ещё одно необходимее условие жизни. Если этого нет, то нет и многообразной жизнедеятельности. Вытечь наружу это всё не может потому что оно слишком большое. А вот отрицательному хлору из внешней среды размеры не мешают втечь вовнутрь.  И у него есть все основания течь (по диффузии) туда, где его мало. Но если ещё и он впихнётся в клетку, где и так всего очень много, то за ним пойдёт вода (чтобы разбавить это изобилие и выровнять осмотическое давление). Она то и порвёт клетку.
Препятствует заходу хлора внутрь электрический заряд на мембране, который возникает из-за созданных насосом концентраций калия и натрия. На работу насоса (т.е на выкачивания натрия из клетки и закачивания калия в клетку) тратится от трети до 70% энергии. Но, благодаря созданным таким способом условиям, у клетки появляется возможность спокойно синтезировать всё, что она должна синтезировать (получая необходимо извне путём эндоцитоза и выводя результаты наружу экзоцитозом)

Штуковина (т.е насос) оставляет ощущение какого-то чуда. Вот тут-то и начинается самая настоящая жизнь. Но этот насос – тоже белок, т.е – часть химии, хоть и органической:

А вот когда эта вся уже довольно сложная химия соединяемся вместе, возникает то, что называемся жизнью.