Вселенная
Шрифт:
При фотосинтезе свободная энергия, получаемая от Солнца, сохраняется в АТФ. Фотон попадает в фотосистему, расположенную в мембране, высекая из неё электрон (e–). При этом с одной стороны мембраны накапливается избыток протонов (p+). В результате электростатического отталкивания протоны разлетаются в стороны, пока какие-то из них не проникают наружу через фермент АТФ-синтазу. АТФ-синтаза затрачивает энергию протона на преобразование АДФ в АТФ, а АТФ уже может доставить энергию куда нужно
Мы с вами не фотосинтезируем. Свободная энергия поступает нам не прямо от Солнца, а берётся из глюкозы и других сахаров, а также из жирных кислот. Крошечные органеллы под названием митохондрии — энергетические станции клетки — используют заключённую в клетке свободную энергию для преобразования АДФ в АТФ. Однако свободная энергия этих сахаров и жирных кислот, которыми мы питаемся, в конечном итоге добывается из солнечного света путём фотосинтеза.
Представляется, что в основе своей эта система универсальна для всей жизни на Земле. Термин «протондвижущая сила» характеризует подпитку АТФ-синтазы проникающими через неё протонами. Этот механизм был открыт британскими биохимиками Питером Митчеллом и Дженнифер Мойл в 1960-е годы. Митчелл был интересной личностью. Он буквально горел на работе, поэтому был вынужден её оставить из-за тяжёлых проблем со здоровьем. В итоге он обустроил себе частную лабораторию в местечке под названием Глинн-Хауз. В 1978 году Митчелл был удостоен Нобелевской премии по физике за идею о том, что именно протондвижущая сила обусловливает синтез АТФ путём хемиосмоса.
* * *
Клетка — простейший элемент жизни: набор функциональных субъединиц, так называемых органелл, находящихся в вязкой жидкости и окружённых клеточной мембраной. Поскольку мы глубоко вжились в технологическое общество, мы склонны считать клетки миниатюрными «машинами». Но разница между реальными биологическими системами и искусственно сконструированными машинами, привычными нам, не менее важна, чем сходство этих систем.
В основном эти различия проистекают из того факта, что машины обычно создаются для какой-то конкретной цели. В силу своего происхождения машины, как правило, довольно хорошо выполняют ту функцию, для которой предназначены, но не более того. Если что-то пойдёт не так — например, в автомобиле спустит шина либо в мобильном телефоне сдохнет аккумулятор, — машина полностью перестанет работать. Живые организмы, развивавшиеся годами без какой-либо конкретной цели, обычно более гибкие, многоцелевые же сами себя ремонтируют.
Клетки не просто выдерживают хаос — они им пользуются. Выбор у них небольшой, учитывая, в какой среде протекают микробиологические процессы.
Наш человеческий макромир относительно спокоен и предсказуем. Если в хорошую погоду бросить куда-нибудь мяч, то можно с достаточной уверенностью предположить, как далеко он улетит. Клетки, напротив, взаимодействуют на расстояниях, измеряемых нанометрами — миллиардными долями метра. Условия в таком мире определяются случайными движениями и помехами, которые биофизик Петер Хофманн окрестил «молекулярным штормом». Из-за обычного термического покачивания молекулы в нашем организме триллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом — обычные штормы не идут с таким мальстрёмом ни в какое сравнение. Если увеличить эти явления до привычных человеку масштабов, то жизнь в клетке посреди бушующего молекулярного шторма напоминала бы попытку бросить мяч, по которому постоянно градом лупили бы другие мячи, энергия которых была бы в сотни миллионов раз выше, чем при броске рукой.
На первый взгляд, не лучшая среда для микроскопических спортивных соревнований или для тонких взаимодействий, происходящих в клеточной экосистеме. Как возможны какие-либо организованные процессы в таких условиях?
В водовороте уйма энергии, но вся эта энергия является неорганизованной; она не может непосредственно использоваться для таких задач, как сокращение мышц или передача питательных веществ в организме. Окружающие молекулы находятся практически в равновесном состоянии, случайным образом отскакивая друг от друга. Но клетка может воспользоваться низкоэнтропийной свободной энергией, связанной в АТФ, не только для непосредственного выполнения работы, но и для концентрации неорганизованной энергии в окружающей среде.
Представьте себе храповик — колесо с несимметричными зубьями, имеющими упор с одной стороны. Пусть наш храповик находится в спонтанном покачивании туда-сюда, то есть испытывает воздействие броуновских сил, названных так в честь ботаника Роберта Броуна. Именно он в начале XIX века заметил, что крошечные пылинки, взвешенные в воде, обычно движутся непредсказуемым образом. Сегодня данный феномен объясняется тем, что пылинки постоянно бомбардируются отдельными атомами и молекулами. Сам по себе броуновский храповик не движется в каком-либо направлении; он непредсказуемым образом дрейфует туда-сюда.
Однако допустим, что зубцы нашего храповика жёстко не зафиксированы, а могут каким-то образом управляться извне. Когда храповик движется в нужном нам направлении, мы устанавливаем малый угол, который легко преодолеть; в противном случае угол увеличиваем и затрудняем движение. Таким образом мы могли бы превратить случайное и беспорядочное броуновское движение в нацеленную полезную транспортировку. Естественно, для этого требуется вмешательство некоего внешнего фактора, который сам далёк от равновесия и обладает низкой энтропией.
Такой броуновский храповик — простая модель многих молекулярных двигателей, действующих внутри живой клетки. Нет никаких внешних наблюдателей, которые бы подправляли форму молекул, чтобы те могли использоваться для конкретных целей, но есть свободная энергия, передаваемая АТФ. Молекулы АТФ могут соединяться с подвижными деталями клеточной машинерии, высвобождая энергию строго в нужный момент и допуская флуктуации в одном направлении, но перекрывая в другом. Чтобы совершать работу на наноуровне, необходимо просто обуздать царящий там хаос.
* * *
Шрёдингеровское представление о том, что живые организмы поддерживают собственную структурную целостность, затрачивая на это свободную энергию, впечатляющим образом подтверждается в реальной биологии. Солнце посылает нам свободную энергию в виде относительно высокоэнергетических фотонов видимого света. Их поглощают растения и одноклеточные организмы, путём фотосинтеза обеспечивающие себя АТФ, а также сахарами и другими питательными соединениями. Там, в свою очередь, накапливается свободная энергия, которую могут потреблять животные. Свободная энергия затрачивается на поддержание порядка в организме, а также для того, чтобы организм мог двигаться, думать и реагировать. Все эти способности отличают живые существа от неживых предметов. Солнечная энергия, с которой всё начиналось, постепенно становилась всё более неупорядоченной и наконец превратилась в неорганизованную тепловую энергию. В конечном итоге эта энергия излучается обратно во Вселенную в форме относительно низкоэнергетических фотонов инфракрасного света. Да здравствует второй закон термодинамики!
Первичные элементы этой истории уже известны нам из Базовой теории: это фотоны, электроны и атомные ядра. Как ни далека, казалось бы, наша повседневная жизнь от подробностей современной физики, понимание таких процессов, как питание, дыхание, жизнь, вновь возвращает нас на уровень простейших частиц и взаимодействий, лежащих в основе всего.
Глава 31
Спонтанная организация
Фламандский физик Ян Баптиста ван Гельмонт, живший в XVII веке, был одним из первых учёных, догадавшимся о существовании иных газов, кроме воздуха, — именно он и предложил термин «газ». Однако его всегда будут помнить в первую очередь за рецепты по созданию живых существ. Согласно ван Гельмонту, чтобы создать мышь из неживой материи, нужно положить грязное бельё в открытый горшок, добавив туда зёрна пшеницы. Примерно через двадцать один день, писал он, пшеница превратится в мышей. Если же вы по какой-то причине захотели создать скорпионов, а не мышей, то он рекомендовал выдолбить углубление в кирпиче, наполнить его истолчённым базиликом, накрыть другим кирпичом и оставить оба кирпича на солнце.
Если бы всё было так просто! Мне хочется думать, что если бы ван Гельмонт добросовестно придерживался байесовского рассуждения, то мог бы прийти к достоверной альтернативной гипотезе, объяснившей бы появление мышей у него в горшке с грязным бельём. Как только мы уходим от витализма и понимаем, что словом «жизнь» называются определённые процессы, а не субстанция, заполняющая материю и приводящая её в движение, мы начинаем понимать, сколь невероятно сложен и внутренне взаимосвязан этот процесс. Одно дело наблюдать, как живые организмы могут обуздать свободную энергию и, питаясь ею, сохранять целостность и передвигаться. Совсем другое — понять, как вообще возникла жизнь. На момент написания этой книги у нас тут больше вопросов, чем ответов.