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.