Категории
Ключевые слова
Хлопок одной ладонью - Страница 3
В основном атом состоит из пустоты. Ядро из протонов с нейтронами – центр тяжести – занимает ничтожную часть пространства по сравнению с диаметром атома. Поверхность же атома состоит из почти невесомого электронного облака. В школьных учебниках принято писать, что электрон летает вокруг ядра, но это сразу создает ложное представление, которое приходится потом долго ломать, когда дело доходит до квантовой механики. Дело в том, что если атом в целом еще худо-бедно напоминает шарик, то электрон – вообще нечто иное, и как шарик его никоим образом не описать. Он и волна, и материя. У него есть масса, но нет четкого положения: вероятность его существования как бы размазана по пространству, окружающему атом. Электроны имеют заряд, противоположный протонному, благодаря чему электронная оболочка и окружает ядро, к которому ее все время тянет. Таких оболочек у атома может быть много, они слоятся и переплетаются вокруг ядра многомерной квантовой капустой, от которой студентам-первокурсникам на лекциях по химии или физике обычно становится плохо.
Различаются атомы количеством протонов, нейтронов и электронов. Атомы с определенным количеством протонов называются элементами. Элемент – это тип атома. У каждого элемента свои свойства. Самый простой элемент – водород. У водорода один протон и один электрон, а нейтронов обычно нет вообще. У углерода, например, 6 протонов и обычно 6 нейтронов, а у железа – 26 протонов и 30 нейтронов. Чем больше протонов с нейтронами – тем атом тяжелее. Количество электронов в норме уравновешивает количество протонов, нейтрализуя общий заряд атома. Но в махинациях с электронами, как мы увидим, состоит вся атомно-молекулярная жизнь.
Пантеон элементов
Атомам все время не сидится со своим набором электронов. В этой нервозности – причина всех химических реакций. Спокойна только особая группа атомов, носящих благозвучное название благородных газов: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон. В пантеоне химических элементов они как шесть бодхисаттв, поддерживающих баланс своих электронов в полной гармонии с протонами, лишенные желаний и устремлений, не вступающие ни в какие реакции и ведущие одиночную жизнь в форме газа.
Остальные атомы, так или иначе, чего-то хотят от других атомов, благодаря чему и существуют вещества, предметы и организмы. Некоторые атомы не удовлетворены своим «естественным» количеством электронов и хотят оторвать или хотя бы оттянуть их от других атомов. Другим атомам слишком много положенного набора, и они ищут желающего принять избыток. У некоторых вроде бы все в порядке с количеством электронов, но у них нестабильная конфигурация, которую можно стабилизировать, только вступив в связь с другим атомом с похожей проблемой.
Химическая связь возникает, когда электронные облака двух атомов сливаются в единое облако. Полученная совместная электронная оболочка распределяется между ядрами-партнерами. Бывает мирное слияние, когда оба атома получают поровну коммунального облака. Бывают почти рейдерские захваты, когда один атом после слияния перетягивает облако на себя, и перед атомом-партнером встает выбор: либо довольствоваться краешком облака, прилипая к захватчику, либо отколоться и остаться вообще без электрона. Если облако растянуто на два ядра, то теперь два атома существуют как единое целое, и такая стабильная связка атомов называется молекулой. Молекулы помогают атомам успокоить свою нервозность.
Живой мир состоит не из отдельных атомов, а именно из молекул – конгломератов атомов, связанных друг с другом общими электронами. Молекулы живой природы – органические молекулы – отличаются своими огромными размерами. Они состоят не из двух-трех атомов, а из десятков, сотен, даже тысяч атомов, складывающих свои электронные облака в сложные трехмерные структуры. Количество возможных молекул бесконечно, а количество реально существующих молекул определяется, скорее, нашими способностями их находить или создавать. Но атомов гораздо меньше, чем молекул, а ключевые атомы природы, собственно химический каркас жизни, и вовсе можно пересчитать по пальцам.
Главный из них – бесспорно, углерод. Если говорить отвлеченно, то из углерода состоит все живое, а другие атомы – так, поналипли. Почему углерод? Он обладает уникальными среди элементов способностями. Атом углерода в молекуле может быть связан с двумя, тремя и даже четырьмя другими атомами, в том числе, и это особенно важно, с другими атомами углерода. В итоге образуются ветвящиеся цепи и многогранные кольца, причем их размеры и строение почти ничем не ограничены. Это свойство углерода настолько расширяет возможности и разнообразие состоящих из него молекул, что их изучение даже носит особое название – «органическая химия».
Углерод – фигура конструктивная, производительная, хозяйственная. Он готов сотрудничать с другими атомами на разумных условиях. Он не пытается оторвать у них каждый увиденный электрон, а спокойно объединяет свои электронные облака с чужими во все более и более крупные структуры. Углерод готов сотрудничать с другими углеродами, до четырех на атом – получаются ветвящиеся цепочки, где все на равных правах. Углерод ведет себя вежливо даже в отношениях с водородом, лишь слегка оттягивая на себя его смехотворный единственный электрон. Именно благодаря таким деловым качествам углерода живая природа существует в известном нам виде. Из-за своей сговорчивости и общительности углерод идеально подходит для сборки в гигантские мегамолекулы, такие как белки или ДНК.
Водород – самый распространенный элемент во Вселенной1.
Материя в целом, можно сказать, состоит из водорода и его близкого родственника, благородного бодхисаттвы гелия, с вкраплениями других, более тяжелых элементов. Но среди этих больших элементов водород – самая мелкая сошка. Он как несчастный крепостной крестьянин, плотно прилепленный к барину своим электроном, курсирующим в составе общей молекулы. У него совсем нет сил, чтобы удержать и этот свой единственный отрицательный заряд, поэтому отношения с другими атомами у него почти всегда подчиненные. Но ни от кого на планете Земля водород не страдает столько, сколько от кислорода.
Кислород – элемент деструктивный, беспощадный, яростный. Он разорвет на части все, что ему подсунут. По силе, с которой он тянет на себя электроны, ему нет равных, за исключением экзотического фтора2. Вклиниваясь в чужие молекулы, кислород расчленяет их на отдельные атомы, присасываясь к их электронным облакам и образуя простые соединения. Если попадется водород – получится вода. Если попадется углерод – получится углекислый газ. Молекула-жертва, скажем, целлюлоза в бумаге и древесине, может содержать несколько тысяч сложно состыкованных углеродов, но кислород готов превратить всю эту сложность в простые, мелкие, неорганические молекулы. Часть энергии, содержащейся в электронных облаках углеводородного каркаса целлюлозы, при этом освобождается в форме света и тепла. Это называется горением.
Конечно, такая сугубо деструктивная роль кислорода – большое упрощение. Кислород не только рушит молекулы из углерода и водорода, но и входит в их состав. Тем не менее с планетарной точки зрения можно смотреть на такие кислородсодержащие молекулы как на топливо в постепенном процессе сгорания. Углекислый газ и вода – конечные продукты горения углеводородной молекулы, а все остальные формы существования в ней кислорода – промежуточные продукты.
На первый взгляд, углерод и кислород выглядят врагами: один строит, другой рушит. Углерод отличается тем, что из него можно создавать сложнейшие инженерные конструкции. Кислород же способен любые конструкции в конечном итоге превратить в простейшие молекулы.
На самом деле даже в горении есть очевидная польза. В химических связях, сковывающих сложную молекулу, заключено огромное количество энергии, которое можно высвободить, если эту сложную молекулу расщепить на простые. Горение топлива, например, несет ракету в космос со скоростью, невиданной в дикой природе. Это тоже кислород, накидывающийся на углерод с водородом, и энергия, выделенная в ходе такой атаки, превращается в ускорение. Так же и кислород в живом организме: его «электронная жадность» используется природой для высвобождения энергии, которую можно затем использовать. Мы вдыхаем кислород, чтобы сжечь съеденный обед и пустить его энергию на конструктивные дела: например, обдумывание ужина.
В дихотомии углерода и кислорода есть что-то космически значимое для жизни на Земле. У кислорода действительно в характере рушить и отбирать, но он умеет это делать так эффективно и беспощадно, что из чинимого им тотального уничтожения рождается новое и невозможное. Кислород – не просто вандал природы, он что-то вроде химического Шивы – несущий обновление через разрушение. (Для углерода тогда напрашивается образ четверорукого Вишну.)
Кислород и углерод как элементы воплощают в себе свойства, которые после возникновения жизни лягут в основу метаболизма, или обмена веществ. Метаболизм имеет две стороны. Анаболизм – строительство больших молекул с затратой энергии, то есть почти всегда строительство углеродных цепочек. Катаболизм – расщепление больших молекул с выделением энергии, то есть, в современной природе, почти всегда сжигание углеродной пищи кислородом. Вместе анаболизм и катаболизм замыкаются в энергетический цикл, способный приспосабливаться к любым нуждам живого организма, и в этом цикле заключается одно из самых главных, самых чудесных свойств жизни. Любой живой организм имеет сложную систему «обмена валюты», которая связывает анаболизм с катаболизмом. Эта восхитительная система позволяет нам запихивать в рот почти все что угодно и каким-то образом безо всяких усилий превращать спрятанную там химическую энергию в мысли и движения.
Можно сказать, что метаболизм – это половина того, что значит быть живым. Но цикл энергии, в принципе подходящий под определение обмена веществ, встречается во многих системах (например, любой природный круговорот). В понятие живого организма, по крайней мере в известных нам земных вариантах, входит, помимо метаболизма, еще один цикл: информационный. Живые организмы обладают наследственностью. Но, перед тем как я произнесу слово на букву «г», предлагаю отвлечься на легкий пересмотр природы реальности.
Мир как рецепт пирожка
В бытовом смысле мы используем слово «информация» для обозначения значимого и обычно передаваемого знания. Информация передается, когда два человека разговаривают. При чтении информация преобразуется из письменной формы в мысленную. Информация копируется, если переслать файл с одного компьютера на другой. Может показаться, что само понятие информации возникает в тот момент, когда что-то значимое куда-то передается. То есть с бытовой точки зрения информация – это «мера общения», слово, обозначающее передачу каких-то важных параметров из одной системы в другую.
С более формальной, физической точки зрения информация совсем необязательно должна куда-то копироваться или что-то значить, чтобы быть информацией. Информация – это не передача параметров, это сами параметры. Абстрактное описание системы, отличающее ее от других систем. Например, в доме содержится информация о взаимном расположении кирпичей, и эта информация существует независимо от самих кирпичей, от вашего знания об этих кирпичах и вообще от материального мира. Она может быть нигде не записана и никому не известна, но она то, что отличает дом от груды кирпичей. Информация – не столько «мера общения», сколько «мера порядка», индекс свойств системы, выделяющий ее из хаоса. Она «содержится» в материи, но существует независимо. Например, роман «Война и мир» – это информация, абстрактное описание того, как должны быть расположены буквы на листе, чтобы отражать задумку автора. Эта информация может содержаться в бумажной книге или в памяти компьютера, но эти материальные носители – не то же самое, что великий роман русского классика.
С этой точки зрения можно еще раз взглянуть на Вселенную в целом. Из чего она состоит? Допустим, что всю Вселенную взяли, стерли в порошок и распылили до гомогенного пара. Суммарное количество энергии останется точно таким же, даже количество атомов и частиц вряд ли изменится (зависит от того, как стирать в порошок). Что исчезнет при таком стирании – так это информация. Распределение атомов и энергии между реками и морями, материками, планетами и галактиками, распределение, благодаря которому они были собой. Не будет ли логичным сказать, что из информации Вселенная и состоит? Энергия – это начинка Вселенной, а информация – рецепт вселенского пирожка. Вот вам и легкий пересмотр реальности.
Что делает жизнь живой? Способность воспроизводить информацию. Точнее, способность информации воспроизводить саму себя. Но все по порядку.
Молекула всего
Принципиальны для понимания жизни два типа молекул: белки и нуклеиновые кислоты.
