До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной - Брайан Грин

Химическое горение, играющее центральную роль в переработке жизнью энергии, называется окислительно-восстановительной реакцией. Не самое заманчивое название, но архетипический пример — горящее полено — помогает немного его прояснить. Когда полено горит, углерод и водород древесины отдают электроны кислороду воздуха (вы же помните, кислород всегда жаждет электронов), связывая атомы кислорода в молекулы воды и двуокиси углерода и высвобождая при этом энергию (именно поэтому огонь горячий). Когда кислород хватает электроны, мы говорим, что он восстанавливается. Когда углерод или водород отдают электроны кислороду, мы говорим, что они окисляются. Вместе получается окислительно-восстановительная реакция или, для краткости, ОВР.

В настоящее время ученые используют термин ОВР в более широком смысле, имея в виду множество реакций, в которых электроны передаются между химическими соединениями, независимо от того, задействован ли в реакции кислород. И все же пылающее полено дает нам общую схему для описания химического горения. Ненасытные атомы, отягощенные частично заполненными уровнями, хватают электроны атомов-доноров такой мощной хваткой, что в ходе этого процесса выделяется значительная скрытая энергия.

В живых клетках — для определенности сосредоточимся на животных — имеют место аналогичные ОВР, но, что важно, электроны, сорванные с атомов, которые вы переварили за завтраком, не передаются сразу кислороду. Если бы они передавались сразу, то высвободившаяся энергия породила бы что-то вроде клеточного пламени, — а природа знает, что такого исхода лучше избегать. Вместо этого электроны, отданные пищей, проходят через серию промежуточных ОВР — промежуточных пунктов на трассе, которая в конечном итоге завершается кислородом, но позволяет энергии высвобождаться на каждом этапе небольшими порциями. Как мяч на трибуне стадиона прыгает вниз по ступенькам, электроны прыгают от одной принимающей молекулы к другой, причем каждая следующая — более жадная до электронов, и это гарантирует, что каждый прыжок сопровождается высвобождением энергии. Кислород — самый жадный рецептор — поджидает электрон у подножия лестницы, и когда тот наконец появляется, кислород крепко обнимает его, выжимая остатки энергии, которую электрон еще может отдать, и завершая таким образом процесс извлечения энергии.

У растений этот процесс протекает в значительной мере так же. Основное различие — источник электронов. У животных они берутся из пищи. У растений — из воды. Солнечный свет, падающий на хлорофилл в зеленых листьях растений, срывает электроны с молекул воды, накачивает их энергией и запускает в аналогичный окислительно-восстановительный каскад, где эта энергия извлекается. Таким образом, энергия, обеспечивающая всю активность всех живых существ, получается в результате одного и того же процесса — прыгающих электронов, реализующих серию клеточных ОВР. Именно поэтому Альберт Сент-Дьёрди, продолжая свои поэтические рефлексии, рассуждал: «Жизнь есть не что иное, как электрон, ищущий место для отдыха».

Стоит подчеркнуть, насколько это все удивительно с точки зрения физики. Энергия — это та самая монета, которой оплачивается все без исключения в космосе; эта монета чеканится во множестве разных валют, а зарабатывают ее еще большим множеством разных ремесел. Одна из ходовых валют — ядерная энергия, она вырабатывается при синтезе и распаде многочисленных разновидностей атомов; еще один вид валюты — электромагнитная энергия, вырабатываемая притяжением и отталкиванием огромного разнообразия заряженных частиц; еще один — гравитационная энергия, вырабатываемая при взаимодействии различных массивных тел. И при этом из всех бесчисленных возможных процессов жизнь на планете Земля пользуется одним-единственным энергетическим механизмом: конкретной цепочкой электромагнитных химических реакций, в которых электроны совершают последовательную серию направленных вниз прыжков, начиная свой путь из пищи или воды и заканчивая его в крепких объятиях кислорода.

Как и почему этот процесс извлечения энергии стал одним из важнейших механизмов жизни? Никто не знает. Но его универсальность, как и универсальность генетического кода, представляет собой аргумент, и аргумент сильный, в пользу единства жизни. Почему все живое обеспечивает себя энергией совершенно одинаковым способом? Напрашивается ответ: это потому, что вся жизнь, скорее всего, произошла от общего предка — одноклеточного вида, существовавшего, по мнению исследователей, около 4 млрд лет назад.

Аккумуляторы и жизнь

Свидетельства в пользу единства жизни становятся еще более убедительными, если проследить, что происходит дальше с энергией, которую высвобождают электроны, прыгающие от одной окислительно-восстановительной (ОВ) реакции к другой. Эта энергия используется для зарядки биологических аккумуляторных батарей, встроенных в каждую клетку без исключения. Биологические батареи, в свою очередь, обеспечивают энергией синтез молекул, которые особенно хорошо умеют переносить и доставлять энергию туда и тогда, где и когда она требуется в клетке. Это сложный процесс. Но у всего живого этот процесс одинаков.

В общих чертах этот процесс происходит примерно так. Когда электрон запрыгивает в протянутые молекулярные «руки» определенного ОВ-рецептора, принимающая молекула дергается и меняет свою ориентацию относительно других молекул, плотно упакованных вокруг нее, примерно как шестеренка с храповиком, сдвигающаяся на один щелчок вперед. Затем, когда ветреный электрон перепрыгивает к следующему ОВ-рецептору, первая молекула «со щелчком» возвращается в первоначальную ориентацию, тогда как новый молекулярный реципиент дергается и меняет ориентацию. Когда электрон выполняет следующие прыжки, все происходит по той же схеме. Молекулы, принимающие электрон, дергаются и проворачиваются на шаг вперед; молекулы, теряющие электрон, тоже дергаются, возвращаясь в первоначальную ориентацию.

Цепочка прыжков электрона и связанных с ними молекулярных конвульсий выполняет тонкую, но важную задачу. Молекулы, проворачиваясь вперед и назад, толкают группу протонов, заставляя их проходить сквозь окружающую мембрану, за которой они собираются в узком отсеке, превращающемся в переполненную авоську. Или, проще говоря, протонную батарейку.

В обычной батарейке химические реакции вынуждают электроны аккумулироваться на одной стороне батареи (аноде), где взаимное отталкивание этих одинаково заряженных частиц гарантирует их готовность разлететься при первой возможности. Когда вы замыкаете электрический контур, нажимая кнопку включения или щелкая переключателем, вы тем самым освобождаете запертые электроны, разрешая им выйти из анода, пройти сквозь устройство — лампочку, ноутбук, мобильный телефон — и добраться наконец до другой стороны батарейки (катода). Батарейка хоть и привычная часть нашего быта, но на самом деле это хитроумное устройство. Она запасает энергию в плотных группах электронов, стоящих наготове и способных в любой момент высвободить энергию и обеспечить питание устройств по нашему выбору.

В живой клетке мы встречаем аналогичную ситуацию, но уже с заменой связанных электронов на связанные протоны. Однако это отличие практически ничего не меняет. Протоны, как и электроны, обладают одинаковым электрическим зарядом и, соответственно, отталкиваются друг от друга. Когда клеточные ОВР сгоняют протоны в плотную кучу, они точно так же стоят наготове, ожидая только возможности убежать прочь от своих вынужденных соседей. Таким образом, клеточные окислительно-восстановительные реакции заряжают биологические аккумуляторные батареи на протонах. Мало того, поскольку все протоны теснятся по одну сторону чрезвычайно тонкой мембраны (толщиной всего в несколько десятков атомов), электрическое поле (напряжение на мембране, деленное на толщину мембраны) может быть огромным, больше десятков миллионов вольт на метр. Клеточный биоаккумулятор — не шутки.