Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего - Роберт Хейзен

само с собой в виде самородного металла. Такое разнообразное портфолио связей может показаться идеальным для ключевого элемента жизни, но у железа есть недостаток: оно с готовностью образует минералы с большими кристаллами, но избегает создавать маленькие молекулы. Жизнь требует огромного разнообразия молекул — в виде цепочек и колец, веток и решеток, — которые железо редко пытается образовать.

Итак нам остается только углерод — самый универсальный, самый гибкий, самый полезный элемент из всех. Углерод — это элемент жизни.

Создание жизни: что может сделать углерод?

Короткий ответ: почти всё. Задача, стоящая перед углеродом, — создать удивительный спектр молекул, которые выполняли бы все разноплановые функции жизни. Один из важнейших их признаков — форма. Успешное функционирование молекул жизни зависит в значительной степени от их трехмерной конфигурации. В некоторых случаях потребность в простой функциональной форме очевидна. Столь различные образования, как связки и сухожилия, виноградная лоза и усики растений, паутина и человеческий волос, требуют прочной связи в одном измерении, чтобы создавать напоминающие веревку волокнистые формы. Углерод проворачивает подобный фокус, связываясь в длинные, прочные, похожие на цепочки полимеры.

В отличие от них, плоские слои углеродсодержащих молекул формируют тонкие гибкие мембраны, окутывающие клетки; прочные хрящи, подстилающие ваши суставы, а также вашу гладкую, эластичную кожу. Более сложные комплексы молекул выполняют разнообразные механические функции — туннелевидных молекулярных проходов в оболочках клеток, крошечных конвейерных лент для перемещения питательных веществ внутри клетки, трубопроводов, по которым текут жидкости, и даже субмикроскопических молекулярных моторов, толкающих сперму навстречу яйцеклетке, которая ждет оплодотворения.

Кроме того, жизнь требует многоцелевого химического набора инструментов, чтобы выполнять разные химические задачи и трюки. Некоторые полезные молекулы действуют как ножницы — обрабатывают пищу, срезая маленькие потребляемые фрагменты с больших частиц. Ваш желудок заполнен молекулами, которые переваривают белки, или жиры, или сложные углеводороды, уменьшая куски пищи до годных к обработке молекулярных кусочков. Другие молекулярные инструменты с восхитительно эволюционировавшими формами эффективно скрепляют две меньшие молекулярные мишени в новый продукт, или сортируют молекулы по схожим группам, или складывают молекулу-мишень в новую полезную конфигурацию. Некоторые из этих молекулярных инструментов содержат тысячи атомов в трехмерных формах поразительной сложности. Не одна Нобелевская премия была присуждена за дешифрование структуры и функции только одного такого молекулярного чуда.

Углерод — единственный химический элемент, который может выполнять роль скелета для столь разнообразного массива сложных молекул. Его секрет кроется в химической гибкости. Будучи элементом №6, что на полпути между магическими числами 2 и 10, углерод может достигать стабильного состояния, добавляя электроны, отдавая их или делясь ими с двумя, тремя или четырьмя соседними атомами.

Химический секрет жизни — в контроле электронов. Жизнь зависит от строго регулируемой последовательности химических реакций — сложных процессов, которые забирают энергию, хранят энергию и используют энергию, чтобы создавать живые ткани. Все основные химические реакции жизни вызывают перестановку атомов и их электронов. Контролируйте движение атомов и электронов — и вы сможете контролировать главные процессы жизни.

Углерод достигает этой цели, поскольку соединяется напрямую с десятками разных элементов, включая и себя самого, а также создает широкий диапазон локальных химических сред. Хотя большинство атомов углерода окружает себя четырьмя соседними атомами и каждый привносит один электрон, чтобы достичь желаемого магического числа 10, углерод также образует двойные связи, делясь с другим атомом — обычно с кислородом или с самим собой — двумя электронами. В результате образования двойных связей у атомов углерода появляется всего два или три ближайших соседа, а не четыре, как обычно. В особых случаях углерод может образовывать даже тройные связи, делясь тремя электронами с другим атомом, чаще всего с азотом или еще одним атомом углерода. Атому углерода с тройной связью нужен лишь один дополнительный электрон, который ему обеспечивает один дополнительный атом-сосед. Эти разные варианты связей сильно увеличивают геометрическое разнообразие углеродсодержащих молекул.

Некоторые из получившихся в результате конфигураций, например украшенная множеством атомов водорода длинная цепь атомов углерода, приводят к образованию углеводородных молекул, в которых каждый атом и каждый электрон находятся в довольно стабильном неактивном состоянии. За исключением случаев экстремального химического разрушения — скажем, при горении в присутствии активного кислорода — атомы и электроны молекулы углеводорода остаются на месте. Следовательно, длинноцепочечные углеводородные молекулы служат эффективными структурными элементами защитных клеточных мембран, а также основными средствами долгосрочного хранения энергии в жирах и маслах.

Белки же, которые управляют клетками, наоборот, представляют собой большие углеродсодержащие молекулы, которые зависят от тонко контролируемого движения электронов. Их атомы упорядочены таким образом, что электрон, слабо удерживаемый несколькими атомами, часто кластером, содержащим атом металла (к примеру, железа, никеля или меди), легко может быть отдан. Подобную реакцию вызовет незначительное изменение условий, окружающих молекулу. Первая химическая реакция может вызвать следующую, а потом и еще одну — быстрый каскад смещений электронов, точно контролируемых геометрией углеродсодержащих белков. Такие цепи реакций необходимы для построения новых молекул, когда клетки растут и размножаются.

Углерод обеспечивает бесподобную молекулярную гибкость, поскольку играет много ролей. Шестой элемент принимает электроны, отдает электроны или делится ими, связываясь таким образом с десятками разных химических элементов в молекулярные цепочки, кольца и ветви с одиночными, двойными или тройными связями. Он образует столь небольшие молекулы, как CO, CO2 и CH4, и при этом является составной частью гигантских молекулярных структур буквально с миллиардами атомов.

С учетом этой уникальной его многогранности нет ничего удивительного в том, что 90% лабораторных химических исследований связаны с углеродом. Посмотрите на набор дисциплин, преподаваемых на химическом или биологическом факультетах любого университета, и вас поразит непропорциональная важность углерода: органическая химия, химия полимеров, фармацевтическая химия, биохимия, молекулярная генетика, сельскохозяйственная химия, пищевая химия и химия окружающей среды. Семинары проводятся по таким темам, как компьютеризированная разработка лекарств, особым образом свернутые структуры белков, углеродсодержащие наноматериалы, микроскопический состав почв и сложная химия вина. Все эти темы плюс еще десятки подобных основаны на химическом богатстве углерода.

Стратегии: последовательные шаги к жизни

Популярное состязание ученых в поисках происхождения жизни — вообразить его «сценарий», тщательно продуманную, с широким охватом, зачастую не поддающуюся проверке историю химических и физических обстоятельств, при которых из безжизненной геохимической среды появился живой мир. Каждый из этих воображаемых сценариев основан на каком-то ранее не учтенном физическом или химическом явлении — им может быть особенный минеральный шаблон вроде слюды или пирита, или удивительная физическая среда типа несущейся по ветру высоко в атмосфере струи аэрозоля, или сульфидный «пузырек» рядом с жерлом вулкана глубоко на океаническом