Эта книга – попытка объяснить чудо. Без объяснения чудо – просто неизвестность.
Часть I
Откуда взялись все
1. В начале были буквы
Все происходит нечаянно.
Лев Толстой. Война и мир
Мир, строго говоря, состоит из энергии.
Есть бородатый анекдот о сложности этого понятия. Вопрос на экзамене по физике: что такое энергия? Студент мучается, пыхтит, в конце концов говорит: «Простите, профессор, знал, но забыл!» Профессор встает и торжественно объявляет аудитории: «Друзья, трагедия! Один человек в мире знал, что такое энергия, но и тот забыл!»
При попытке определить, что такое энергия, обычно приземленный и конкретный язык физической науки виляет из стороны в сторону и обрастает почти эзотерическими интонациями. Это мера причинно-следственной связи. Разменная валюта Вселенной, описывающая, что во что может превращаться, что куда может двигаться или чем становиться. Энергия – это такое необъяснимое и философски неделимое нечто, которое никак не выглядит и ни из чего не состоит, не убывает и не возникает, но является нам в разных формах – массы, тепла, движения, волны. Энергия перетекает из одной формы в другую: например, теплом можно вызвать движение. Чтобы сделать что-то, что не хочет делаться само, нужно вложить энергию – толкнуть камень в гору, например. А если что-то делается самопроизвольно, то энергия при этом выделяется, как свет и жар при горении. В том, откуда и куда энергия перетекает, состоит, собственно, последовательность всех событий в мире. Мы называем направление этого перетекания временем.
Одна из главных форм существования энергии – это материя, то есть энергия с массой. Известная нам материя состоит из атомов, крупиц энергии, пойманной в форме массивных комков. Благодаря наличию массы атомы обладают свойствами, интуитивно понятными нам, массивным существам. Атомы, например, отскакивают друг от друга – их можно весьма условно сравнить с бильярдными шарами.
Все атомы имеют похожую структуру. В центре – тяжелое ядро, несущее в себе почти всю массу атома. Ядро состоит из плотно слепленных друг с другом протонов и нейтронов, которых может быть от одной штуки (у водорода) до пары сотен (у урана). У нейтронов есть только масса, а у протонов, помимо массы, есть еще заряд – особое свойство материи, которое существует в двух вариантах, притягивающих друг друга. Мы называем эти варианты положительным и отрицательным зарядом: у протона по договоренности плюс, а противоположный минус – у еще одной составляющей атома, электрона.
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».
КСТАТИ
Есть такая шутка: что такое органическая молекула? Это любая молекула, интересная химикам-органикам.
Границу между органической и неорганической молекулой действительно сложно провести. На первый взгляд, это просто: подавляющее большинство органических соединений одновременно состоит из углерода и производится живыми организмами – отсюда «органика» в их названии. Но есть спорная территория, например углекислый газ – вездесущая и очень простая форма существования углерода, которая бывает на других планетах и безо всякой жизни. Его едва ли можно отнести к органическим молекулам, а вот мочевину – молекулу не намного сложнее, но гораздо более редкую за пределами биосферы – возможно. Именно синтез мочевины из цианата аммония, осуществленный немецким химиком Фридрихом Вёлером, считается первым случаем искусственного производства органического соединения из неорганического. Своим достижением Вёлер помог опровергнуть концепцию витализма, согласно которой в молекулах живого организма содержится особая жизненная сила, принципиально отличающая ее от «неживых» веществ.
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 Вселенной
.
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 фтора
. 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.
Это огромные молекулы, если смотреть на них с точки зрения неживой природы. Допустим, вы атом углерода – как мы помним, четверорукий крепкий хозяйственник, из которого в основном выстроены молекулы живого организма.
Допустим, ваш диаметр соответствует человеческому росту. В таких координатах средний белок будет размером эдак со Спасскую башню или статую Свободы, а рибосома – машина для изготовления белков – примерно с футбольный стадион. Матричная РНК – программа, которая в эту машину вставляется, – окажется лентой шириной в 20 метров, а длиной в десятки километров. ДНК – две похожие ленты, закрученные друг вокруг друга, но ленты настолько длинные, что это, скорее, дороги, ведущие из ниоткуда в никуда. У бактерий ДНК замкнута в огромное кольцо окружностью в половину, а иногда и весь земной экватор. У человека ДНК не кольцевая, поэтому начало и конец у нее все-таки есть, зато длина человеческой ДНК во много раз больше бактериальной. В наших воображаемых координатах расстояние между двумя концами ДНК в человеческой хромосоме – порядка расстояния от Земли до Луны. Оно и в обычных, реальных-то координатах впечатляет. Каждая хромосома – это одна молекула ДНК, намотанная на плотно упакованные катушки из белков-гистонов, а всего хромосом в каждой клетке 46 штук. Если хромосомы размотать, то в каждой клетке человека обнаружится аж два метра ДНК
.
Белки – совершенно несуразное название для чего-то настолько важного и величественного. Что такое белок, знает каждый ребенок: белок – это белая, по-моему, менее вкусная часть яйца. Какая связь между яичным белком, прозрачным желе, белеющим при нагревании, и белками, из которых состоит наше тело, понять очень сложно. Яичная аналогия помогает усвоить, что белки очень питательные, но мешает понять, что белок вовсе не гомогенная масса одного и того же вещества.
Ту же, в общем, идею однородности белкового вещества выражает синоним «белка» – «протеин». Предложил его в 1838 г. шведский ученый Йёнс Якоб Берцелиус в письме голландскому химику по имени Геррит Ян Мульдер
. Мульдер изучал химический состав разных биологических субстанций (шелка, яиц, плазмы крови) и пришел к убеждению, что в основе всего живого лежит одна и та же сущность, «первовещество». Мульдер фантазировал, что это первовещество производить умеют только растения и в этом заключается их питательная ценность для животных. Берцелиус – выдающийся шведский химик, с которым Мульдер много лет переписывался, – предложил так это первовещество и назвать: протеин, от слова ????????, то есть «первичный» по-гречески.
Все оказалось несколько иначе, чем предполагал Мульдер. «Первовещества» как такового на самом деле нет. Все сложные молекулы, из которых мы состоим, производят наши собственные клетки из простейших деталей, причем организм великолепно умеет изготавливать одни детали из других. Некоторые детали должны обязательно поступать с пищей, как, например, половина аминокислот – из них состоят белки. Но в целом живой организм обходится тем, что имеет. Как правило, он может сожрать что угодно, разобрать практически на атомы и собрать в любые нужные ему молекулы. Поэтому идея о том, что растения производят некий единый белок, из которого состоят животные, неверна. Тем не менее Мульдер действительно нащупал кое-что важное и общее между изучаемыми им субстанциями. Просто они оказались не одним и тем же белком, а разными белками. Белок – не одна какая-то молекула, а тип сложного химического соединения, представляющий собой разнообразные цепи из одинакового набора деталей, бусин, аминокислот. То есть химически белки очень похожи друг на друга, что и натолкнуло химика Мульдера на мысль о «первовеществе». Но главное в белке то, что разные последовательности бусин позволяют создавать совершенно разные молекулы из одного и того же набора компонентов.
Эти разнообразные белки правят живым организмом. Как рабочие разных профессий, они делают все, что только можно в нем делать. Мы перевариваем пищу с помощью белков, дышим кислородом с помощью белков, двигаемся с помощью белков. Белки копируют ДНК, синтезируют клеточную мембрану, а при формировании долгосрочной памяти белки в гиппокампе отправляют при помощи белков белковые сигналы другим белкам в кору. Всего у человека порядка 20 000 разных белков
, но каждая клетка решает, когда и в каких количествах производить из них тот или иной белок.
