Поскольку энергия молекулы меньше энергии образовавших ее атомов, остается лишняя энергия. Основной закон физики гласит, что энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться; она может только переходить из одной формы в другую – например, электрическая энергия может преобразоваться в световую. Следовательно, излишек энергии может производить работу.
В ракете происходит реакция между атомами водорода и атомами кислорода. Конкретно – два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода, в результате чего образуется вода – H
O. При этом освобождается большое количество энергии. Вода за счет этой энергии нагревается и выталкивается в виде пара с огромной скоростью из хвостовой части ракеты (в итоге ракеты движутся на паровой тяге!). Действие равно противодействию, и быстрый выхлоп толкает ракету вперед.
Шаттл «на паровой тяге»: многоразовый космический корабль NASA, запускаемый в космос благодаря химической реакции, превращающей кислород и водород в воду.
Запуск корабля многоразового использования на орбиту вокруг Земли в 1989 г. (астронавты Джон Янг и Роберт Криппен, стартовая площадка 39А, STS-1, NASA).
Освобождение огромного количества энергии в результате реакции между водородом и кислородом может поднять ракету и запустить ее в дальний космос[12 - Энергии, выделяемой топливом, состоящим из жидкого водорода и жидкого кислорода, не вполне достаточно, чтобы поднять в космос их общий вес плюс вес металлической оболочки ракеты. Поэтому ракета состоит из ступеней. Сбрасывая ступень при подъеме в верхние слои атмосферы, ракета становится легче. На долю оставшегося топлива выпадает более легкая работа по подъему ракеты в космос.]. Эта же реакция лежит в основе подвижности ребенка, не говоря уже о любой вашей или моей деятельности, да и вообще активности каждого животного на Земле.
При полете ракеты образуется вода в результате соединения водорода и кислорода. При этом мгновенно выделяется огромное количество тепловой энергии. В живых организмах процесс, очевидно, происходит не так бурно. В них энергия освобождается постепенно, шаг за шагом, гораздо более искусным и менее разрушительным способом.
То, что происходит в ракете, взлетающей благодаря реакции между водородом и кислородом, происходит во всех химических реакциях: электроны участвуют в игре под названием «чехарда». А именно – в нашем случае атом кислорода захватывает электроны из двух водородных атомов[13 - Электроны в атоме расположены в оболочках, каждая из которых может быть заполнена до определенного предела. Каждый атом стремится иметь комплект полностью заполненных оболочек. Атом водорода может легко достичь этого состояния, потеряв электрон (фактически, свой единственный электрон), атом кислорода – получив два электрона. Вот почему атом кислорода с готовностью захватывает электроны из двух атомов водорода. Состояние, в котором два атома водорода теряют по электрону, а атом кислорода получает при этом два электрона, является самым низкоэнергетическим, желательным состоянием, которое можно сравнить с положением мяча, лежащего у подножия холма.]. В результате объединения этих атомов образуется молекула воды.
Чудесный источник энергии: энергия молекулы воды (справа) меньше, чем энергия составляющих ее атомов водорода и кислорода (слева), поэтому выделяется избыточная энергия.
В биологии мы имеем дело с неожиданным вариантом кислородно-водородной реакции: атомы водорода в клетке отдают свои электроны атому кислорода, но три атома при этом никогда не соприкасаются. Между атомами водорода и атомом кислорода протянута длинная электропроводящая перемычка из протеиновых комплексов. Освобожденные из атома водорода электроны, которые не могут сразу отдать переизбыток энергии, вынуждены перескакивать с места на место вдоль этой перемычки.
При каждом таком подскоке электрон действует на ядра атомов водорода, или протоны, через каналы, или поры, в клеточной мембране[14 - Протон, который примерно в 2000 раз массивнее электрона, – одна из двух составляющих ядра атома. Другая составляющая ядра – нейтрон. Все атомные ядра содержат и протоны, и нейтроны, кроме ядра атома водорода, которое содержит только протон.][15 - Наивно думать, что электрон просто врезается в протон, подталкивая его через пору в клеточной мембране. На самом деле электрон меняет форму белка. Белок имеет разную форму в зависимости от того, располагает ли он этим электроном. Именно такие изменения формы прокладывают электрону путь через мембрану.]. Поскольку протоны несут положительный электрический заряд – в отличие от электронов, которые заряжены отрицательно, – одна сторона мембраны оказывается заряженной по отношению к другой. Нечто подобное происходит в аккумуляторной батарее, между клеммами которой возникает электродвижущая сила. Именно это и делает сверхактивный электрон, пытающийся пробиться к атому кислорода через протеиновую заслонку: он превращает клеточную мембрану в заряженную батарею. В мембране возникает чрезвычайно большая напряженность электрического поля – она сравнима с напряженностью электрического поля при грозовом разряде, который расщепляет молекулы азота и кислорода и порождает вспышку молнии.
К счастью, клетки в нашем организме не трескаются от разряда, как молекулы во время грозы. Толщина клеточной мембраны очень мала, всего 5 миллионных долей миллиметра, и только она испытывает на себе действие электрического поля. К тому же в процесс вмешиваются другие молекулы, сдерживающие это поле.
Мощное напряжение электрического поля мембранной батареи возбуждает химическую реакцию, которая создает молекулы аденозинтрифосфата, или АТФ. Эти молекулы – своеобразные портативные батареи, они содержат большой запас энергии. Электрон, который совершает все новые и новые подскоки к протеиновой перемычке, теряя при этом энергию, оставляет за собой большое количество насыщенных энергией молекул АТФ. Если эту энергию выпустить на свободу, она способна питать клеточные процессы там и тогда, где и когда это будет необходимо.
В конечном счете, вы питаетесь от батареи! В вашем теле порядка миллиарда молекул АТФ, и их запасы энергии используются и восполняются каждую минуту или каждые пару минут. Несколько батареек обеспечивают бесперебойную работу игрушек в течение нескольких часов. А ваше тело использует до 10 миллионов блоков питания каждую секунду.
Протоны, которые подвергаются толчкам через клеточную мембрану, превращают мембрану в батарею, а она приводит в действие химическую реакцию, в результате которой появляются молекулы АТФ – источники питания «биологической батареи».
В конце концов электрон, лишенный всей своей энергии, достигает финальной точки в своем путешествии по протеиновой цепочке. И здесь он наконец встречается с атомом кислорода. А когда к нему присоединяется второй электрон от другого атома водорода, для атома кислорода наступает столь желаемое состояние, когда вся его внешняя оболочка заполнена электронами[16 - См. примечание 13.]. Но и это еще не конец истории.
Как мы уже говорили, живые организмы получают свой водород с пищей. Затем внутри клетки происходит очень хитрый и энергоэффективный процесс, называемый циклом Кребса, в ходе которого выделяются атомы водорода из пищи – либо из молекул сахара (глюкозы C
H
O
), либо из жира. При этом остаются атомы углерода. И если атом кислорода – у которого теперь есть полный комплект электронов во внешней оболочке – поделится своими электронами с атомом углерода, в результате появится очень стабильная молекула углекислого газа (CO
). Углекислый газ и водяной пар – это те «отходы производства», которые выделяют дышащие кислородом животные.
Итак, вот что мы имеем. Ваш организм берет водород из пищи и отбирает энергию – всю, до последней капли – у его энергичных электронов, а потом эти электроны, «обессиленные», вручаются атомам кислорода. Если в двух словах, то это и есть источник питания младенцев, да и всей остальной жизни.
4. Перестройка за семь лет
Сегодня ваше тело смастерит примерно 300 миллиардов новых клеток
Ни одна из клеток вашего тела не знает, кто вы такой, и им это совершенно безразлично.
Дэниел Деннет[17 - «Sweet Dreams: Philosophical Obstacles to a Science of Consciousness», Daniel Dennett (MIT Press, 2006).]
Сегодня ваше тело смастерит примерно 300 миллиардов новых клеток. Это больше, чем количество звезд в нашей галактике Млечный Путь. Неудивительно, что я чувствую себя измотанным, даже когда ничего не делаю.
Клетка – это крошечный прозрачный кулечек с вязкой жидкостью. Это атом в биологии. Наверное, справедливо будет сказать, что не существует другой жизни, кроме клеточной. Первые ископаемые клетки, по-видимому, появились примерно 3,5 миллиарда лет назад, а первые признаки химических изменений, вызванных процессами жизнедеятельности, относятся к еще более раннему периоду – примерно 3,8 миллиарда лет тому назад. Это дает основание полагать, что жизнь могла возникнуть около 4 миллиардов лет тому назад, всего через полмиллиарда лет после того, как появилась сама наша планета.
Каждое человеческое существо – это гигантская колония клеток. «Вот хороший пример того, что нас трудно рассматривать как единую сущность», – сказал американский биолог Льюис Томас[18 - The Lives of a Cell, Lewis Thomas (Penguin, 1978).]. «Каждый из нас – толпа», – считает Карл Саган[19 - «Cosmos: A Personal Voyage», Carl Sagan, Ann Druyan and Steven Soter (Public Broadcasting Service, 1980).]. Эта толпа состоит из множества клеток, примерно 100 миллионов миллионов – поистине астрономическое число. Я – это галактика. Вы тоже галактика. Более того, каждый из нас – это тысяча галактик, потому что в нашем теле содержится больше клеток, чем звезд в тысяче галактик, подобных Млечному Пути.
Каждая из клеток, из которых состоит человек, представляет собой миниатюрный мир, такой же сложный, как и крупный город. В нем происходит кипучая деятельность миллиардов наномашин. Здесь есть свои административные центры, мастерские и склады, по улицам беспрерывно осуществляется транспортировка грузов. Как написал американский журналист Питер Гуинн: «Чтобы снабжать клетки энергией, работают целые электростанции. Заводы производят белки, жизненно важную продукцию на химическом рынке. Сложные транспортные системы направляют специальные химические препараты к разным точкам внутри клетки и за ее пределы. Часовые на баррикадах следят за деятельностью на рынках экспорта и импорта и внимательно вглядываются во внешний мир, чтобы не пропустить признаки надвигающейся опасности. Специально обученные биологические армии готовы сражаться с непрошеными захватчиками. Центральное генетическое правительство поддерживает строгий порядок»[20 - «The Secrets of the Human Cell», Peter Gwynne, Sharon Begley and Mary Hager (Newsweek, 20 August 1979, p. 48).]. А вся наша жизнь начинается с одной-единственной клетки, когда сперматозоид – самая маленькая клетка в организме – соединяется с яйцеклеткой, которая по размерам, напротив, превосходит все остальные клетки. Примерно полчаса каждый человек существует в виде одной-единственной клетки (помню, что мне было очень скучно – я не мог дождаться, когда же появится другая клетка, с которой мы могли бы поиграть). Затем эта одна клетка делится на две. Это необыкновенный процесс. Всего за полчаса клетка не только делает копию своей ДНК, – чтобы ускорить этот процесс, он осуществляется одновременно на нескольких участках ДНК – но и создает порядка 10 миллиардов сложных белков[21 - ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, представляет собой гигантскую биомолекулу, которая хранит в закодированной форме структуру белков клетки.], то есть почти 10 миллионов белков в секунду. Через час две клетки делятся на четыре, затем на восемь, и т. д. После нескольких делений химические различия в развивающемся эмбрионе заставляют клетки дифференцироваться. Этот процесс достигает высшей точки мастерства, когда отдельные клетки «поймут», что они должны будут войти в состав печени, мозга или костей. Наконец одна-единственная первоначальная клетка размножается до семейства из 76 миллионов миллионов клеток человеческого организма.
И это опять-таки не конец истории. Мало найдется в вашем организме таких мест, где клетки сохранялись бы в неизменном виде, кроме мозга. Например, клетки, которые выстилают стенки желудка, буквально купаются в соляной кислоте, а это такая эссенция, которая способна растворить лезвие бритвы, поэтому эти клетки необходимо постоянно восстанавливать. Каждые три-четыре дня слизистая оболочка желудка полностью обновляется. Кровяные клетки живут дольше, но даже они саморазрушаются примерно через четыре месяца. По сути дела, почти все клетки организма заменяются через каждые семь лет. Может быть, этим объясняется стремление обновить отношения, которое возникает у некоторых раз в семь лет. Вы смотрите на свою вторую половину и думаете: «А ведь это совсем другой человек, не тот, с которым мы когда-то встретились впервые».
5. Пришельцы внутри нас
Мы рождаемся полноценными людьми, а в конце жизни становимся наполовину пришельцами
Кто-то чужой сидит у меня в голове, и это не я.
«Пинк Флойд»
Половина клеток вашего организма – не ваши. Ранее считалось, что каждые девять из десяти клеток – «чужие», но последние исследования показали, что эта пропорция все-таки меньше[22 - «Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body», Ron Sender, Shai Fuchs and Ron Milo (PLOS Biology, 19 August 2016: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002533).]. Но согласитесь, от осознания того, что 50 % клеток, которыми вы владеете, – примерно 38 миллионов миллионов – на самом деле к вам не относятся, возникает довольно странное чувство.
Некоторые чужеродные клетки прицепились и едут на вас «автостопом»; это грибки. А еще бактерии! На самом деле вы не могли бы извлекать питательные вещества из пищи, если бы не сотни видов бактерий, живущих в вашем желудке. Вот почему, если долго принимать антибиотики, может случиться расстройство желудка. Антибиотики не разбираются, кто «друг», а кто «враг», и наряду с болезнетворными бактериями убивают и те, без которых вам не обойтись.
Бактерии гораздо меньше, чем остальные клетки вашего тела. Поэтому, хотя их количество сопоставимо с общим числом ваших клеток, по массе они занимают всего примерно 1,5 килограмма от общей массы человека весом 70 кг.
Правительство США выступило с инициативой провести пятилетнее исследование, посвященное выявлению всех чужеродных микроорганизмов в организме человека и выяснению их функций. Этот гигантский проект называется «Микробиом человека» (HMP)[23 - NIH Human Microbiome Project (https://hmpdacc.org).]. Предварительные результаты опубликованы в 2012 году. Они доказали наличие 10 000 видов чужеродных клеток в организме человека – это в сорок раз больше, чем количество разнообразных типов ваших собственных клеток. Фактически на каждом квадратном сантиметре вашей кожи уютно расположились около 5 миллионов бактерий. То есть их не менее 500 на каждом кусочке кожного покрова размером с булавочную головку. Наиболее густонаселенные участки – уши, задняя часть шеи, боковые стороны носа и пупок. Что эти «чужаки» вытворяют – одному Создателю известно. Например, в проекте «Микробиом человека» выявлено, что 77 % разных бактерий облюбовали себе нос – интересно бы понять, что они вообще-то там делают!
Оказалось, что носовые полости 29 % людей содержат бактерии золотистого стафилококка. Звучит довольно угрожающе, не правда ли? Однако иммунная система здоровых людей держит такие бактерии под контролем, и они не причиняют вреда. Они опасны только для людей с ослабленным иммунитетом. Очевидно, что в больницах, где лежат в основном больные люди, эти бактерии могут стать настоящим бедствием.
Появляется все больше доказательств того, что дисбаланс микробиома (сообщества бактерий) человека может быть немаловажным фактором, вызывающим широкий спектр заболеваний. К ним относятся, например, воспалительные заболевания кишечника, такие как болезнь Крона и язвенный колит. Существует предположение, что дисбаланс бактериальной флоры может играть роль также в возникновении болезни Альцгеймера[24 - «Gut Microbiome Alterations in Alzheimer’s Disease», Nicholas Vogt et al. (Nature, 19 October 2017: https://www.nature.com/articles/s41598017-13601-y).].
Никто не обладает полным набором чужеродных микроорганизмов при рождении. Они проникают в наше тело постепенно, с материнским молоком и при контакте с окружающей средой.
К трехлетнему возрасту организм приобретает уже почти полный набор. Именно поэтому можно сказать, что вы рождаетесь настоящими людьми, а к концу жизни становитесь наполовину «пришельцами».
А на самом деле все обстоит еще хуже. В исследованиях проекта «Микробиом человека» выяснилось, что микроорганизмы, населяющие наш организм, имеют в общей сложности 8 миллионов генов, каждый из которых кодирует белок с определенной целью. Сравните это число с геномом человека, который содержит всего 24 000 генов. Следовательно, генов микробного происхождения, которые оказывают влияние на наш организм, примерно в 400 раз больше, чем собственно человеческих генов. Или, другими словами, 99,75 % ДНК в нашем теле не принадлежат нам. В этом смысле мы даже не наполовину люди, а всего лишь на одну четверть. Возможно, еще более справедливо следующее высказывание: мы рождаемся на 100 % людьми, а к концу жизни становимся на 99,75 % инопланетянами!
6. Незаменимый мозг
Юная асцидия блуждает по морю в поисках скалы для пристанища. Найдя постоянное место жительства, она укореняется там и… съедает свой мозг: он ей больше не понадобится[25 - «Юная морская асцидия блуждает по морю в поисках подходящего камня или куска коралла, чтобы уцепиться за него и сделать его своим домом. Для выполнения этой задачи у нее имеется рудиментарная нервная система. Когда она находит себе подходящее место и пускает корни, ей больше не нужен мозг, и она его съедает, вступив в землепользование». Из: Consciousness Explained, Daniel Dennett (Penguin, 1993).]
Джентльмены, складывается довольно мрачная картина. Климат на Земле меняется, млекопитающие все заполонили, а мозг у нас размером с грецкий орех.
Гари Ларсон. «Далекая сторона». (Из разговора динозавров)
Юная асцидия блуждает по морю в поисках скалы для пристанища. Вот она находит подходящую скалу, цепляется за нее и… съедает свой мозг за ненадобностью. Интересно, что будет делать эта асцидия, если ее смоет в море большой волной? Избавившись от своего мозга, будет ли она бесцельно блуждать по океану, как моряк без карты и компаса? Или же она вырастит мыслящий орган заново и чудесным образом восстановит свои навигационные навыки, необходимые для поиска нового скалистого дома[26 - «Meet the Creature that Eats Its Own Brain!», Steven Goodhart (https:// goodheartextremescience.wordpress.com/2010/01/27/meet-the-creature-that-eats-its-own-brain).]?
Автоканнибализм юной асцидии служит наглядным примером того, в каких ситуациях умственные способности могут являться преимуществом (или обузой) с точки зрения затрат энергии. Большинство существ на Земле обходятся без интеллекта, и даже такое создание, как морская асцидия, избавляется от него сразу же, как он перестает быть нужен. Рудольфо Льинас, колумбийско-американский нейробиолог, объясняет это следующим образом: «Есть два основных типа животных: просто животные и животные без мозгов. Последние называются растениями. Им не нужна нервная система, потому что они активно не передвигаются, не вытаскивают из земли свои корни и не убегают от лесных пожаров! Но для активного движения созданию нужна нервная система, иначе ему угрожает быстрая и неминуемая гибель»[27 - «The Electric Brain» (NOVA, 23 October 2001: www.pbs.org).]
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=63082980&lfrom=174836202) на ЛитРес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
notes
Примечания
1
Клетка – это крошечный пакетик с вязким веществом, организованным настолько сложно, что порядок в клетке можно сравнить с коммуникациями небольшого городка. Это своеобразный «биологический атом». Все организмы – скопления клеток. Насколько нам известно, не существует иной жизни, кроме клеточной.
2
В последнее время идея о том, что ДНК является программой развития организма, была признана не соответствующей действительности. Биологи были потрясены, обнаружив, что человеческая ДНК кодирует только 24 000 генов (гены содержат информацию для создания белков, – больших молекул, чем-то напоминающих складные ножи со многими лезвиями – которые выполняют множество задач, таких как ускорение химических реакций, «возведение подмостков» для строительства новых клеток и т. д.). Этого недостаточно для создания человеческой индивидуальности. Поразительно сложным образом на включение и выключение генов влияют другие гены и концентрации химических веществ в окружающей среде. Это означает, что человеческий геном считывается по-разному в разные моменты развития эмбриона, который в результате выглядит иначе, чем просто набор из 24 000 генов.
3
Аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T) представляют собой молекулы, известные как «азотистые основания». Они формируют костяк «двойной спирали» гигантской молекулы ДНК. Каждая группа из трех оснований кодирует свою аминокислоту, например, TGG кодирует аминокислоту триптофан. Аминокислоты представляют собой строительные блоки белков, как в конструкторе LEGO.
4
The Medusa and the Snailby, Lewis Thomas (Penguin, 1995).
5
«Dr Tatiana’s Sex Advice to all Creation», Olivia Judson (Vintage, 2003).
