10 Случайность против сложности: химия жизни. Андреа Селла

Прежде чем искать во Вселенной места, где могут обитать инопланетяне, следует ответить на один из фундаментальных вопросов бытия — насколько разнообразна химическая основа жизни. На первый взгляд химические процессы представляют собой случайное движение частиц. В действительности, как мы с вами убедимся, химия — наука, которая стремится к сложности и порядку, и эта тенденция позволяет многое узнать как о происхождении жизни на Земле, так и о шансах на ее существование на других планетах. В этой главе мы обсудим и многие другие темы. Обязательно ли жизнь имеет углеродную основу и нуждается в воде? Могут ли эффективно решить те же задачи другие химические элементы и соединения? Наконец, возможен ли переход от химических веществ к живой материи без некой божественной искры?

В 1871 г. Чарльз Дарвин в письме другу Джозефу Дальтону Хукеру рассуждал о зарождении жизни на Земле «в теплом маленьком водоеме со всевозможными солями аммиака и фосфора…» В то время шли яростные споры о возможности спонтанного возникновения живой материи. С одной стороны, Луи Пастер продемонстрировал, что в запечатанной колбе жизнь не зародилась. Другие ученые, однако, оспаривали достоверность эксперимента Пастера на том основании, что для трансформации химической основы в жизнь нужно время, намного превышающее продолжительность опыта.

Если жизнь зародилась именно так, то мы вынуждены постулировать — вслед за Дарвином и его современниками, — что в комплексе сложных химических соединений неким образом возникла комбинация «молекулы жизни» и что все живое не более чем чрезвычайно сложные химические системы. Сегодня эта мысль претит многим точно так же, как и 150 лет назад. Противники этой гипотезы утверждают, что жизнь слишком сложна — и слишком мудро устроена, — чтобы возникнуть по чистой случайности.

Возможно, это неприятие объясняется тем, что представление о шансе и случайности неразрывно связано с нашим пониманием мира на молекулярном уровне. В школе нас знакомят с теорией строения материи из частиц, согласно которой отдельные бесформенные крупицы материи (частицы) движутся в объеме газа, жидкости или твердого тела. Однако охарактеризовать молекулярный мир как «мир случайности» означает исказить ряд фундаментальных положений химии.

Пока Дарвин искал свидетельства эволюции путем естественного отбора, другой титан науки XIX в. — австриец Людвиг Больцман пытался создать единую теорию, описывающую общие свойства веществ, например вискозы, исходя из следующего представления: в микромасштабе абсолютно все в конечном счете сводится к базовым строительным блокам — атомам. Между тем многие его современники считали безумной саму мысль о существовании атомов и молекул. Тем не менее Больцман сумел воплотить свои идеи в термодинамике — разделе физики, объясняющем такие явления, как давление, температура и объем газа, движением и столкновением составляющих его атомов или молекул. Открытие Больцмана оказало колоссальное воздействие на наши представления о протекании химических реакций. Один из студентов ученого, шведский химик Сванте Аррениус, установил, что скорость химической реакции определенным образом зависит от температуры. Открытая Аррениусом зависимость свидетельствует, что для осуществления химической реакции две соударяющиеся молекулы должны обладать пороговой энергией. Слишком медленные молекулы просто отскочат друг от друга, и химического превращения не произойдет. Следовательно, чем выше температура, тем большая часть молекул становится достаточно быстрой, чтобы преодолеть потенциальный барьер и вступить в химическую реакцию. Соответственно, и скорость реакции возрастает.

Открытие Аррениуса привело к революционной перестройке мышления химиков. Теперь можно было представить себе химическую реакцию как процесс, протекающий в своего рода «энергетическом ландшафте», где цепочки химических превращений начинаются в высокогорьях и спускаются по ущельям в долины. Иногда им приходится преодолевать горные хребты — барьеры, контролирующие общую скорость реакций, поскольку лишь некоторая часть молекул способна перевалить через возвышенности на пути. Комбинация температуры и высоты барьеров определяет, какие реакции возможны при данной температуре, а какие нет.

Если вам кажется, что все это очень далеко от темы инопланетной жизни, еще немного терпения! Дело в том, что идеи Больцмана и Аррениуса позволили определить температурный интервал, в котором могут протекать полезные — способные привести к появлению жизни — химические превращения. В сущности, это химический аналог зоны 3латовласки: если температура слишком низкая, реакции протекают очень медленно, а некоторые вообще невозможны; с другой стороны, при слишком высокой температуре всякая избирательность пропадает, поскольку все точки перевала становятся преодолимыми. Постепенно, по мере дальнейшего ухода температуры за верхний предел, все химические соединения испаряются и молекулы распадаются на атомы. Иными словами, температура является решающим селектором в химии и задает границы, в которых возможны химические, а в конечном счете и биологические структуры.

Влияние температуры на протекание реакций — лишь одна из причин, по которой считать химию областью «случайного» было бы ошибкой. Есть и другая причина: молекулярный мир, безусловно, не состоит из бесформенных частиц. Наоборот, атомы соединяются друг с другом в молекулы в строгом соответствии со своей структурой и строением электронных оболочек. Например, при соединении углерода с водородом возникает связь, которая не распадется спонтанно, пока температура не повысится до 300-400°С. Это сильная, стабильная связь. Она еще и совершенно симметрична: пары электронов, объединяющие друг с другом каждые два атома, распределены между ними равномерно.

Когда к углероду присоединяется кислород, возникает столь же прочная связь, но с совершенно иным распределением электронных пар. Они значительно смещены к атому кислорода, вследствие чего возникает так называемая поляризованная связь: атом углерода приобретает небольшой положительный заряд (поскольку электроны отдалены от него), а атом кислорода — небольшой отрицательный. Поляризация очень характерна для химических соединений, что имеет множество важных следствий. Молекула со значительным разделением зарядов становится очень «контактной»: если две такие молекулы окажутся рядом, сила электростатического притяжения обязательно их соединит. Таким образом, представление о молекулярном мире как о месиве хаотически перемещающихся «частиц» неверно — химия подчиняется закономерностям, а не случайности. Фактически возникновение сложных структур и даже жизни есть результат тонких различий в положении и взаимодействии электронов, от которых зависит сложность возникающих химических соединений. Не будь атомного разнообразия, не было бы и шанса на зарождение жизни ни на Земле, ни где бы то ни было во Вселенной.