Химическая основа жизни.

Химических элементов много – больше ста, а в органических живых организмах ведущая роль принадлежит очень узкому их кругу. Основной строительный материал всех органических живых организмов состоит всего лишь из четырех элементов! Узок круг этих героев, победивших в известной нам конкурентной борьбе за дальнейшую эволюцию, перечислим их поименно: водород (Z=1), углерод (Z=6), азот (Z=7), кислород (Z=8). Еще два элемента играют заметную роль в существовании органической жизни, будучи, так сказать, «на подхвате» у этой четверки – это сера и фосфор. Еще в качестве подспорья живые организмы привлекают десять элементов, которые используются для тех или иных целей. В виде одноатомных ионов в организмах присутствуют 5 из них: натрий, калий, магний, кальций, хлор, и кроме того, еще пять образуют металлоорганические комплексы: железо, марганец, кобальт, медь и цинк.

Оказывается, все мы являемся киборгами! Ведь «металлоорганические соединения» - это и означает наличие сращенного органического материала и металлов. Поэтому нет ничего фантастического в том, что подобное же сращение возможно не только на микроскопическом, но на макроскопическом уровне. Так как человек уже в течение миллионов лет развивает искусство создания и использования разных приспособлений, совершенно естественным выглядит распространение этого процесса и в направлении киборгизации. Сейчас мы еще в самой начальной точки этого процесса, о чем ярко свидетельствует исключительная ненадежность наших компьютеров. Но компьютерам меньше ста лет, и технологии развиваются стремительно, так что спустя 200 или 500 лет те или иные компьютерные приспособления станут настолько надежными, что срок их безотказного действия в десятки раз превысит срок средней продолжительности жизни человека – тогда эти системы начнут активно интегрироваться в биологическую ткань. Сейчас человек, у которого есть протез руки, не перестает считаться человеком. То же относится к тому, у кого искусственное сердце. Фактически, если бы каким-то чудом мы могли полностью убрать тело человека и оставить только его голову, то и это существо согласно существующей морали считалось бы человеком. Если бы мы заменили в человеке вообще все, кроме мозга, он оставался бы человеком в нашем понимании. Поэтому по-настоящему серьезные проблемы юридического и морального порядка возникнут не тогда, когда люди вместо своих рук и ног будут ставить себе устройства типа тех, что мы видели в «Терминаторе», а когда начнется последовательная замена участков мозга или, что более вероятно, не замена, а внедрение компьютерных агрегатов непосредственно в мозг, когда будут возникать такие сложные комплексы биологической ткани мозга и компьютерных приспособлений, что между ними установится тесное взаимовлияние. Наиболее простая идея – интегрирование калькулятора с мозгом. В современных истребителях летчики используют шлемы, на стекло которых проецируется компьютерная модель окружающей обстановки. Компьютер следит за движением зрачка, поэтому и наведение ракеты совершается просто взглядом! Причем в условиях, когда сами-то глаза напрямую вообще не видят никакой цели, если самолет, например, в густом облаке. Подобный принцип наверняка начнут использовать в будущем и в обычной жизни – мысленно ты сможешь включить устройство, которое создает зрительную иллюзию почти прозрачного экрана перед тобой, на котором и происходят необходимые вычисления, обращение к электронной памяти и т.д. Нет никаких сомнений, что это будет сделано в ближайшие сто лет, даже несмотря на то, что надежность компьютерных систем еще слаба.

В самом начале существования нашей Земли, на ней существовал определенный «химический суп», и в этом супе химические элементы начали свой естественный отбор, соединяясь и распадаясь в немыслимом количестве химических процессов.

Удивительно, но эксперимент Миллера-Юри (кстати, вознагражденный Нобелевской премией), проведенный в 1953 году, до сих мало кому известен, кроме специалистов. Не исключено, что тому причиной – спазматическая потребность сохранять в неприкосновенности бастионы религии, которая приводит как к целенаправленному замалчиванию этой темы, так и к бессознательному ее вытеснению. Я не буду останавливаться на детальном описании этого опыта – любой может найти эту информацию в интернете, перескажу лишь кратко его суть: резервуар наполнили тем химическим «супом», который, предположительно, был в первое время существования нашей планеты: вода, азот и прочее. Через эту смесь в течение длительного времени пропускали сильный электрический заряд, который должен был имитировать мощные молнии, в избытке насыщавшие первичную атмосферу Земли. Спустя месяц исследовали состав пробирки – в нем обнаружились кирпичики жизни – аминокислоты, части белков. В последующих опытах, проведенных по всему миру, выяснилось, что появляются не только простые, но и сложные аминокислоты – кажется, все известные нам. Конечно, это еще далеко не жизнь, ведь сами по себе аминокислоты и обрывки белков не могут воспроизводить себя, но пропасть между «мертвой» природой и «живой» сократилась чудовищным образом. Миллиард лет перетасовок этих кирпичиков с определенной вероятностью мог привести к образованию таких существ, которые мы уже считаем живыми. И кстати, я не удивлюсь, если будет доказано, что вероятность эта равна 100%.

Но послушайте – живое появилось из неживого. Возможно ли это? Посредством ряда промежуточных этапов, да, но все же – живое появилось из неживого… Нелепо! Тут, собственно, есть два объяснения:

1) жизнь в неживое «вдохнул бог». Это объяснение плохо тем, что на самом деле ничего не объясняет, а только усложняет. Откуда тогда в боге взялась жизнь? Она была «вдохнута» в него другим богом? Значит нам теперь придется найти объяснение тому – как возникла еще более сложная жизнь. Это не объяснение, это посылание к черту.

2) жизнь появилась… из живого. Звучит дико, конечно. Будет принято биологами в штыки? Скорее всего. Но это предположение удобно тем, что вопрос происхождения жизни из «неживого» просто перестает быть имеющим смысл. Нам известно, что далеко не все вопросы, составленные верно с точки зрения грамматики, имеют смысл. И вопрос «как живое появилось из неживого» оказывается лишенным смысла в силу отсутствия в природе такой вещи, как «неживое». Аналогично не имеет смысла вопрос «сколько ангелов помещается на кончике иглы.

Я убежден в том, что жизнь появилась из жизни же. Появление аминокислот из комплекса первичных химических элементов – это эволюция. Эволюция химических веществ. И сами эти химические вещества являются продуктом эволюции атома водорода. Живого, само собой, атома водорода, как бы дико это не звучало. И в данном случае мы легко можем обнаружить первый (или один из первых) эволюционный механизм – а именно гравитационное поле. Один из самых ранних составов нашей Вселенной – бескрайние облака атомов водорода плюс разные элементарные частицы и излучения. За счет силы тяжести (или, что в данном случае безразлично – за счет искривления пространства-времени, вызываемого массой) разрозненные атомы водорода собирались в скопления, притягивали все новые и новые атомы, группировались в гигантские скопления, и за счет продолжающегося и усиливающего сжатия начинались термоядерные процессы: соседние атомы водорода так «сплющивались», что электронные оболочки разрушались, и сила электрического отталкивания электронов не могла противиться грандиозной силе тяжести, сдавливающей атомы. При последующем сближении протонов вступал в действие еще один эволюционный механизм – сильное взаимодействие, которое, как нам уже известно, на коротком расстоянии обладает такой чудовищной силой, что удерживает вместе два положительно заряженных протона. При этом слиянии высвобождается огромное количество энергии, и вместо двух атомов водорода мы получаем атом гелия – первое химическое вещество в нашей Вселенной, разбавившее одиночество водорода (я бы на месте водорода чертовски обрадовался бы!). Последующее сжатие приводит к появлению последующих элементов. В конце концов Сверхновая взрывалась и разносила по окружающему пространству живительный «дождь» из самых разнообразных химических элементов. Возьми в свои руки кусочек золота. А, нет, извини, я забыл про кризис. Возьми кусочек свинца. Представь себе – весь этот свинец образовался не на Земле, он образовался внутри Сверхновой звезды в далеком космосе! Затем – после взрыва Сверхновой, атомы свинца разлетелись, и вместе с другими элементами образовали первичные облака космической пыли, из которой сформировалась солнечная система.

А что, собственно, такого уж дикого в мысли, что атом водорода – живой, и обладает сверхпримитивным, с нашей точки зрения, сознанием? Единственный минус этой гипотезы состоит в том, что она категорически противоречит нашим представлениям о живом и неживом, сознающем и несознающем. Ну что ж, напомню, что не так давно люди считали вопиющей тупостью идеи Коперника, Эйнштейна и т.д., и на том же самом основании. Конечно, сама по себе ссылка на Эйнштейна не является аргументом, иначе любую чушь можно было бы таким образом «обосновать»: «ты не веришь в Летающее Макаронное Чудище? Но вспомни – идеи Эйнштейна тоже были приняты в штыки…». Ссылка на Эйнштейна является основанием для того, чтобы не считать некую идею ложной только потому, что она противоречит имеющимся представлениям (это мы уже рассмотрели в предыдущем параграфе), особенно если она вполне логично и просто объясняет то, что никаким другим образом объяснить пока не удается.

Итак - в эволюционной игре элементов победило 4 элемента, которые привлекли еще два элемента для очень тесного сотрудничества, еще 10 для просто сотрудничества и т.д. Кстати, я не хочу использовать термин «эволюционная борьба». Это чисто наш, человеческий способ интерпретировать происходящее в природе, как «войну», «борьбу» и т.д. – это следствие того, что в людях преобладают агрессивные настроения. Смешно, но лишь совсем недавно биологи наконец признали, что симбиоз существует, и что сотрудничество живых организмов встречается очень и очень часто – может быть намного чаще, чем их противостояние, причем открыли это сотрудничество в таких удивительных местах, как, например, обычная живая клетка. В каждой клетке нашего тела есть митохондрии, без которых мы не смогли бы жить. Удивительно, но оказалось, что митохондрии – это древние бактерии, которые когда-то очень давно, на заре рождения клеточной жизни, вошли в альянс с клетками и стали жить вместе, создавая друг для друга комфортные условия для жизни. Так что термин «эволюционная игра» мне нравится больше. Химические элементы в своей игре выработали определенную структуру, которая оказалась наиболее жизнестойкой.

Интересно попробовать ответить на другой вопрос – а почему все-таки именно эти элементы стали основой живых органических существ? Это очень сложная тема, которая требует огромного количества сложных экспериментов и расчетов. Но можно без особого труда высказать несколько очень простых идей на этот счет.

Во-первых, перечисленные нами элементы – одни из самых распространенных в природе. Значит, они чаще других вступали в разные реакции, и вероятность нахождения удобных сочетаний выше. Но «распространение в природе» и «распространение на Земле» - существенно разные понятия. Например, кремния (Z=14) на Земле в 135 раз больше, чем углерода, и тем не менее именно углерод стал основой органической жизни, а не кремний. Как это объяснить? Необходимо посмотреть на свойства того и другого. Устройство внешней электронной оболочки у них схожи – у обоих по 4 электрона там, где максимум может быть 8, то есть и тот и другой могут образовывать четыре ковалентные связи. Только у углерода две оболочки – K и L, а у кремния три: K, L и M. Мы уже знаем, что это означает, что внешние электроны кремния намного слабее закреплены в атоме, чем у углерода – их притяжение к положительному ядру экранируется двумя внутренними оболочками. И действительно – например углерод-углеродные связи в молекуле C₂ в два раза прочнее, чем связь между двумя атомами кремния в молекуле Si₂. Углерод образует более прочные связи в химических соединениях, но не настолько прочные, чтобы это помешало его вступлению в химические реакции.

Можно посмотреть еще на то – как эти элементы взаимодействуют с кислородом (химическая реакция элемента с кислородом называется «окисление» или «горение»). Углерод при окислении образует молекулу двуокиси углерода CO₂ – это газ, который легко «общается», то есть вступает во взаимодействие со многими другими веществами. А что получается с кремнием? Получается молекула SiO₂, которую мы называем «кварц». Ты наверняка видел красивые прозрачные твердые кристаллы кварца (в зависимости от примесей они могут быть и зелеными, и почти черными, и фиолетовыми и т.д. На фото – одна из разновидностей кварца – «аметист» из моей коллекции). Это – очень прочные большие кристаллы, которые уж никак не могут участвовать в построении сложных, гибких молекулярных структур. Если двуокись углерода очень активно участвует в круговороте веществ в природе, то как можно себе представить «круговорот аметистов»?

Кроме того, связь между атомами кремния так слаба, что она легко разрушается водой, аммиаком и т.д., поэтому из атомов кремния не могут образоваться длинные цепочки, необходимые для образования макромолекул органического вещества.

Кристаллические формы жизни живут какой-то своей жизнью, и кремний никак не мог стать основой жизни органической.

Органические молекулы обладают еще одной очень важным свойством «делокализации электронов». То есть у электронов таких молекул отсутствуют жесткие конфигурации орбит, и в молекулах нуклеиновых кислот, белков, энзимов, фосфатов электроны имеют вид облачка, окутывающего молекулы, то есть они обладают особой подвижностью и, таким образом, способностью к установлению очень разнообразных химических связей. Отсюда вытекает одна из сложностей изучения органической химии: даже очень простая химическая реакция имеет довольно сложную последовательность перестановок электронов, которую нелегко запомнить. А с другой стороны, такие электронные окутывающие облака играют цементирующую, стабилизирующую роль. Более того – это дает дополнительную защиту перед такими мощными природными факторами, как ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, электрические разряды. В итоге органические молекулы обладают уникальным набором свойств – и прочные и имеют много возможностей к образованию связей. Дальнейшее углубление в эту тему уведет нас слишком далеко от атомной физики, к изучению которой я хочу теперь вернуться.