Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шрифт:
При создании сложных молекулярных составляющих ткани уровень свободной энергии увеличивается (как мы вскоре увидим), и энтропия соответственно уменьшается. То есть происходит процесс обратный тому, какой в терминологии термодинамики называется спонтанным.
Еще в конце главы 5 я выдвинул предположение о том, что, возможно, принципиальное различие между живой и неживой материей заключается в возможности первой вызывать локальное уменьшение энтропии. Тогда я упоминал только об энтропии механической энергии («совершение усилий») и приводил в качестве примера способность живых существ двигаться против силы тяжести. Теперь мы видим также, что живая материя может вызывать уменьшение энтропии и относительно энергии химической, обладая способностью сформировывать крупные сложные молекулы из более простых, хотя все спонтанные реакции протекают, наоборот, от большого к малому.
Связь между жизнью и уменьшением энтропии становится еще нагляднее, но до четкого определения нам пока еще далеко. В главе 5 я уже указывал, что солнечное тепло испаряет океанскую воду, а силы, действующие в земной коре, воздвигают горы, и ни в первом, ни во втором случае явно не задействовано никаких структур, которые можно было бы отнести к «живым».
Помимо этих «безжизненных» примеров из области механической энергии можно найти аналогичные и из области энергии химической. Облучение растворов простых молекул ультрафиолетом приведет к образованию более сложных молекул, и множество фактов свидетельствует о том, что в первые миллионы лет существования Земли именно так и происходило в массовом порядке — жизни еще не было в принципе, а Солнце яростно облучало ультрафиолетом Мировой океан. На самом деле именно этим «безжизненным» процессам уменьшения энтропии применительно к химической энергии, скорее всего, и обязана своим возникновением сама жизнь.
Так искомый принцип различения снова ускользает от нас.
Однако не стоит обескураживаться. Ведь между огнем и живым существом есть и еще одно очевидное различие.
Огонь — очень горячий, а человек — нет. Да, человек поддерживает некоторое тепло в своем организме, но эти 37 °С ни в какое сравнение не идут с температурами пламени — 700 °С и выше. А в организмах холоднокровных животных процесс поглощения кислорода и производства углекислоты может проходить и при температурах около 0 °С.
Соответственно тут же вспоминаются условия, при которых реакции подобные горению могут запускаться при низких температурах. Вряд ли горючее, используемое организмом, воспламеняется легче, чем обычное топливо костра. Если взять те же самые пищевые продукты и просто положить их на стол при комнатной температуре, они не загорятся никогда и процесс соединения с кислородом будет происходить в них не быстрее, чем в древесине или угле. А вот в организме реакции соединения почему-то происходят достаточно легко и при температурах, которые никогда не поднимаются выше просто теплых.
Ученым XIX века оставалось только сделать единственно логичный вывод о существовании в живой ткани неких катализаторов, работающих по схеме, которую я описал в главе 12. На самом деле именно те катализаторы, которые вызывают горение в лабораторных условиях — палладий и платина, — в живой ткани не встречаются, но это может означать лишь то, что существуют и другие. И опять можно было задаться все тем же вопросом: являются ли эти биологические катализаторы таковыми в полном смысле слова и в соответствии с законами термодинамики, действуя так же слепо, как и порошок платины, или все же в данном случае нам удастся обнаружить некую «жизненную силу», стоящую над термодинамикой.
В среде химиков XIX века этот вопрос вызвал ожесточенные споры, и только благодаря ряду реакций, известных человечеству с доисторических времен, опыт перевесил аргументы сторонников существования «жизненной силы».
Во фруктовых соках, как и в замоченном зерне, как правило, со временем происходят некоторые изменения. Не всегда они оказываются желательными, но в некоторых случаях — и это обнаружили еще доисторические люди — человек, выпивший такую «подпортившуюся» жидкость, чувствовал приятное тепло и легкость. Со временем люди выяснили, что можно не просто выставлять сок и надеяться, что получится нужный результат, а добавлять в емкость с соком небольшое количество уже достигшей нужного состояния жидкости из предыдущей порции, и тогда изменения, во-первых, идут в нужном направлении, а во-вторых — гораздо быстрее.
Так же и в тесте, из которого пекут хлеб, иногда происходят реакции, приводящие к формированию углекислого газа. Пузырьки газа образуются по всей массе теста, и получающиеся в результате лепешки разительно отличаются от обычных — плотных и тяжелых. И в этом случае тоже перенос кусочка теста с пузырьками в емкость с обычным тестом приводит к распространению реакции по всему объему теста.
Все эти изменения вызываются такой вещью, как дрожжи. Образование пузырьков газа как в вине, так и в тесте очень похоже на «медленное кипение» вещества. В связи с этим в современной терминологии процесс, при котором поднимается тесто, фруктовый сок превращается в вино, а закваска зерновых — в пиво, называется «ферментацией», от латинского слова, означающего «кипеть».
С точки зрения химика XIX века действие дрожжей очень похоже на действие катализаторов. Кроме того, они явно отличаются от обычных лабораторных катализаторов своей органической природой и тем, что катализируют реакции близкие к происходящим в живой ткани. Логично было предположить, что если в живой ткани и предполагается обнаружить какие-то катализаторы, то они должны быть сродни скорее дрожжам, чем платине.
Но дрожжи оказались не просто катализатором — они сами по себе до странного походили на живое существо. Они не только оставались нерасходуемыми в ходе реакции, как обычные катализаторы, — они ухитрялись при этом еще и увеличиваться в объеме! В Первом послании к коринфянам о том же говорит и апостол Павел: «Малая закваска квасит все тесто».
Так и есть — а когда все тесто заквашено, то достаточно отщипнуть от него маленький кусок, чтобы с его помощью заквасить другое тесто, и так далее.
Но, несмотря на все свидетельства, принять дрожжи действительно за живое существо оказалось очень сложно. Широкое население запросто верило в существование множества невидимых глазу живых существ (ангелов, демонов, эльфов и прочих), но вот представление о том, что вполне обычные, не сказочные существа могут оказаться невидимыми только из-за своих крайне малых размеров, почему-то оказалось для общества гораздо менее приемлемым.
Но вот в XVII веке был изобретен микроскоп, и в 1675 году величайший из первых микроскопистов, голландский купец Антони ван Левенгук, сумел разглядеть в него «микроскопических животных». Это были одноклеточные существа, ныне именуемые «простейшими», длиной 0,005 см и менее, но не менее живые, чем мы с вами. Открытие Левенгука взбудоражило все научное сообщество до такой степени, что торговца-иностранца даже приняли в Лондонское королевское общество — элиту ученых джентльменов.
В 1680 году Левенгук, с неизмеримым терпением и любовью изучавший под микроскопом все вокруг, обратил свой взор и на дрожжи и выяснил, что они состоят из крошечных шариков. Факт существования микроорганизмов в то время просто заставлял искать жизнь где угодно, но дрожжевые шарики уж совсем никак не были похожи на активно плавающих простейших.