Химические реакции как основа растущей сложности
Однако роскошь единовременно учитывать только одну реакцию доступна лишь в контролируемых условиях химической лаборатории. В реальном мире — на дарвиновском «теплом мелководье» — могут одновременно протекать десятки химических реакций с разными скоростями, в результате которых образуется множество веществ.
В далекие 1950-е гг. русский биохимик Борис Белоусов обратил внимание на группу внешне простых химических соединений, которые вели себя парадоксальным образом. При смешивании они меняли цвет, поочередно становясь то желтыми, то бесцветными. Что, если в действительности имела место циклическая смена двух состояний? Мысль о реакции, многократно протекающей от исходных компонентов к конечным соединениям и обратно, казалась абсурдной, и коллеги-ученые объявили Белоусова мошенником и фантазером. Химическая реакция не может потечь в обратную сторону, как скатившиеся с горы сани не могут «передумать» и вновь подняться на вершину! В конце концов, любые реакции следуют определенным маршрутом через «энергетический ландшафт» от высокоэнергетических к низкоэнергетическим, более стабильным продуктам. Обратное действие противоречило бы законам термодинамики.
Белоусов, впрочем, обнаружил не столько химическую реакцию, сколько химическую «экосистему», в которой молекулы формируются и потребляются определенным образом в зависимости от химических обратных связей. Эти процессы порождают изменения концентрации химических «видов», подобно тому как популяции биологических видов — львов и антилоп гну — циклически растут и сокращаются на равнинах Серенгети.
Практически в то же самое время математик Алан Тьюринг, не слышавший о работе Белоусова, выдвинул предположение: если гипотетическую систему такого рода оставить не смешанной, то вследствие совместного действия химических реакций и диффузии (случайным образом протекающего перемещения молекул из одного места в другое) должны возникать соединения и структуры. Исследования последующих 70 лет продемонстрировали способность подобных систем спонтанно создавать узоры, напоминающие раскраску тропической рыбы, зебры и пятнистой кошки, — произвольные следствия химических процессов в чистом виде. Эти феномены, постепенно встраивающие химические взаимодействия в более сложные схемы, неизбежно должны повторяться на каждой из миллиардов планет, предположительно имеющих потенциал развития жизни. Все, что для этого нужно, — постоянный приток энергии от ближней звезды, чтобы движущиеся молекулы оставались на энергетических «высокогорьях».
Чудо природы — вода
Если сделать раствор соли и дать воде испариться, соль кристаллизуется, самостоятельно приняв форму правильных кубических кристаллов. То, что выглядит как изделие рук человеческих, в действительности является ионами натрия и хлора, перешедшими в состояния с самым низкоэнергетическим, а значит, и самым стабильным взаимным расположением заряженных атомов. Априори предсказать структуру кристаллов, состоящих из сложных молекул, — чрезвычайно трудная задача, но структура эта в любом случае предопределяется таким взаимным расположением носителей противоположных зарядов в молекуле, при котором достигается наименьшее притяжение и отталкивание. Из еще более сложно организованных структур, таких как крупные органические молекулы, например жиры, могут формироваться еще более впечатляющие композиции. Вышеописанный процесс минимизации энергетического статуса способен порождать упорядоченные структуры и выверенные конструкции, внешне имеющие пугающее сходство со строением живых систем.
Может показаться, что сборка таких композиций зависит исключительно от структуры молекул как таковых. Но при этом не учитывается ключевой фактор, делающий эту самосборку возможной, — наличие воды, растворителя, в котором протекают все биохимические реакции земных форм жизни. Вода не просто служит средой, где движутся молекулы. Вода — это что угодно, только не пассивная матрица.
Уникальность воды обусловлена почти парадоксальным сочетанием ее свойств — невероятной стабильности и исключительной химической «всеядности». Это противоречие объясняется необычностью ее химического строения. С одной стороны, две связи в молекуле Н20 - между атомом кислорода и каждым из атомов водорода — обладают почти максимальной прочностью, доступной единичной связи. Но у них есть дополнительное свойство: электроны большую часть времени находятся ближе к атому кислорода, вследствие чего он приобретает выраженный отрицательный заряд. Поэтому молекулы воды чрезвычайно «липучи». Одна молекула присоединяется к другой и т.д., образуя бесконечную сеть сильных взаимных связей. Одним из неожиданных следствий этой липкости является способность воды образовывать структуры. К примеру, если я смешаю растительное масло и воду, они не соединятся. Для того чтобы заставить их соединиться, нужно разрушить сеть молекул воды, чтобы молекулам масла было куда встроиться. При этом вода вынуждена формировать своего рода оболочку вокруг каждой молекулы масла. Это весьма энергозатратный процесс, и очень быстро молекулы масла и молекулы воды слипаются со «своими», и смесь разделяется на два отчетливых слоя.
Представим теперь, что мы создали молекулу в форме, характерной для сперматозоида, с длинным подвижным хвостом и заряженной головкой. При ее взаимодействии с водой произойдет нечто потрясающее. Поляризованные молекулы воды скопятся вокруг заряженных головок, а хвосты соединятся. Возникнут кластеры с определенной структурой. Это могут быть простые мицеллы — сферы с маслоподобным ядром и заряженными головками на поверхности — или листы, напоминающие клеточные мембраны. Если эти листы свернутся и сомкнутся, получатся образования, напоминающие живые клетки, — пузырьки. Иными словами, взаимное влияние строения молекулы и характеристик воды способствует спонтанному возникновению структур.
Таким образом, свойства воды критически значимы для формирования бесчисленного множества структур, наблюдаемых нами в биологических системах — от сворачивания белка и самосборки спиралей ДНК до отделения клеток в обособленные структуры.
Наличие на Земле воды в жидком состоянии имело решающее значение для возникновения жизни. Что можно сказать о других планетах Солнечной системы и их спутниках, таких как Титан, на которых вместо водных имеются океаны из других жидкостей? Мыслимо ли развитие жизни в другой жидкой среде? Возможно, да. Такой средой могли бы стать океаны жидкого метана, азота или даже аммиака. Однако условия в них накладывали бы очень жесткие ограничения на любую возникающую форму жизни.
Начнем с того, что молекулы этих жидкостей намного менее «липкие», чем молекулы воды. Поляризация молекул, обеспечивающая вязкость воды, настолько велика, что вода тает и кипит при температурах на десятки и сотни градусов выше, чем другие химические вещества с молекулами аналогичной величины и сложности. При нормальном давлении температура кипения азота и метана близка к -200°С, а несколько более вязкий аммиак закипает при -40°С. Следовательно, в жидком состоянии эти вещества могут находиться лишь там, где очень холодно. При сверхнизких температурах любые химические реакции протекают чрезвычайно медленно. В лабораторных условиях жидкий азот часто используется для остановки всех процессов — при его температуре могут храниться, не разрушаясь, чрезвычайно хрупкие молекулы. Биомолекулы и даже целые клетки в жидком азоте переходят в состояние анабиоза, т.е. любая жизнедеятельность замирает.
Ингредиенты жизни
Итак, характерные особенности химических процессов сами по себе обеспечивают определенный уровень сложности, возможно ведущий к возникновению жизни. Что еще для этого нужно? Есть ли базовые химические закономерности, которые обязательно должны присутствовать в сложных молекулах, чтобы появились шансы на зарождение жизни?
В 1957 г. Миллер и Юри провели знаменитый эксперимент, в ходе которого несколько недель подвергали кипячению и воздействию электрических зарядов метан, двуокись углерода, воду и аммиак. В результате получился коричневый раствор (возможно, тот самый первичный бульон?), из которого удалось выделить ряд более или менее сложных молекул, напоминающих аминокислоты и простые сахара — строительные блоки жизни. Хотя в XIX в. проводилось много похожих экспериментов, Миллер и Юри стали первыми, кто повторил этот опыт в эпоху современного химического анализа. Их эксперимент многими критиковался за наивность и примитивизм, однако многих заставил задуматься.
Должна ли инопланетная жизнь обязательно быть углеродной в своей основе? Это неверная постановка вопроса. Представление об органической и неорганической химии восходит к эпохе, когда считалась необходимой некая искра, жизненная сила, наделяющая неодушевленную материю тем свойством, которое мы зовем жизнью. Однако теория «витализма» давно отклонена, во всяком случае в науке, и сегодня понятия органики и неорганики в равной мере способствуют нашему пониманию и затемняют его. Углерод не элемент, из которого строится жизнь. Это не более чем один из примерно 40 элементов, которые, как нам сейчас известно, необходимы для жизни на Земле. Преимуществом, выделяющим его из ряда прочих жизненно важных элементов, является его способность образовывать великое множество молекул, достаточно стабильных, чтобы служить надежными хранилищами энергии и химической информации, причем в температурных границах существования жидкой воды. Но по мере развития химии в XX и XXI вв. мы находим аналогичные свойства и у других элементов, например у фосфора и кремния.
Химические следы внеземной жизни
В обозримом будущем мы едва ли сможем посетить даже ближайшие к нам космические тела, где теоретически могла бы существовать жизнь. Как же нам искать ее? У какой группы ученых больше всего шансов на это эпохальное открытие? Проект SETI сосредоточился на поиске радиосигналов, однако это чрезвычайно сужает круг возможных находок до цивилизаций, использующих радио, телевидение и мобильные телефоны.
В поиске инопланетной жизни нам следует обратиться к методам, превращающим химию из увлекательной, но сугубо земной области знаний в универсальную дисциплину, способную охватить и осмыслить безбрежные пространства Вселенной. Согласно выдвинутому в 1970-е гг. предположению Джеймса Лавлока и Карла Сагана, возникновение жизни на любой планете должно изменить состав ее атмосферы, как это произошло на Земле, где внезапно начал вырабатываться кислород. Земная атмосфера содержит красноречивый признак существования системы живых организмов на основе воды и фотосинтеза.
В 1859 г., в тот самый год, когда Дарвин опубликовал свой труд «Происхождение видов», Роберт Бунзен и Роберт Кирхгоф пропустили солнечный свет через призму и поняли, что темные линии на полученном спектре в точности соответствуют ярким цветам спектра горячего пламени, когда в него вносят крупинки солей металлов. Они доказали, что поставленный на земле химический опыт позволяет судить о составе и свойствах космических объектов. Через 40 лет с помощью именно этого метода — спектроскопии — был открыт гелий на Солнце, прежде чем его удалось выделить на Земле.
Недавно астрофизик Джованна Тинетти (см. главу 18) с коллегами обнародовали результаты потрясающей работы — первого в истории спектрального анализа атмосферы экзопланеты, отстоящей от нас на 70 св. лет. Это первая попытка взглянуть на мир, в корне отличающийся от любого объекта Солнечной системы. В последующие годы наши возможности в изучении экзопланет невероятно возрастут благодаря новым телескопам, которые позволят заглянуть еще дальше в космос. Знания в области химии помогут осмыслить увиденное.
Плиний, цитируя Аристотеля, сказал: Ex Africa semper aliquid novi — «Африка всегда преподносит что-нибудь новое». Для нас такой Африкой станут другие планеты. Но даже если нам удастся найти признаки существования внеземной жизни, не следует забывать о необходимости в первую очередь оберегать жизнь на нашей собственной планете, эту сложную сеть взаимосвязей, благодаря которой мы существуем. Возникновение жизни на Земле изменило состав атмосферы и сделало возможным нынешнее многообразие видов. В последние два столетия человечество как биологический вид также накладывает химический отпечаток как на атмосферу, так и на кору Земли. Мы не знаем, является ли наша глобальная экосистема одной из миллиардов или одной-единственной во всей Вселенной. Однако для нас это идеальная среда обитания, к которой мы адаптированы наилучшим образом. Давайте помнить о том, что самым важным местом для нас является то, которое мы называем своим домом.