Введение в биологию (начало)
Зададимся следующим вопросом. Какую информацию нужно сообщить разумному и заинтересованному, но несведущему в биологии человеку, чтобы он начал более-менее разбираться в этой науке и мог понимать значение актуальных биологических открытий?
С сегодняшнего дня я попробую начать серию постов, отвечающих на этот вопрос. Предполагаемого адресата изложенной в них информации я берусь определить как "образованного небиолога". То есть это человек, имеющий мало-мальскую подготовку в какой-то другой области (с соответствующий привычкой разбираться в сложных вещах), но не имеющий никакой химической или биологической базы. Уровня "когда-то что-то учил в школе, но все забыл" для начала вполне хватит. Отбор материала, естественно, мой, и за пределами совсем уж азбуки он довольно субъективен. Там, где упоминается какая-то спорная или новая информация, я ставлю ссылки на статьи. Что касается названия всего цикла постов, то его можно было бы определить как "Введение в биологию", но на самом деле я бы добавил к слову "биология" прилагательное "клеточная", потому что волей-неволей 90% тех фактов, которые для начала нужно усвоить, относятся именно к клетке и ее составным частям.
Тема I
УГЛЕРОД
“Ничто в биологии не имеет смысла иначе как в свете эволюции” (Dobzhansky, 1973). Этот тезис можно поставить в начале любого биологического учебного курса (по крайней мере вводного, потому что слушателям продвинутых курсов напоминать такие очевидности уже не требуется). Понимать его надо совершенно буквально, как руководство к действию. Любая особенность любой живой системы есть результат какого-то исторического события. Мы очень скоро увидим, что это касается даже такой в буквальном смысле элементарной вещи, как то, из каких атомов живые организмы состоят. А уж тем более - всего более сложного.
Вначале бросим беглый взгляд на эволюцию Вселенной в целом:
Временная шкала тут совершенно не в масштабе, но это пока неважно. Гораздо важнее, что эта схема выстраивает в единую последовательность события разного характера - от Большого взрыва до начавшейся на Земле в XVIII веке промышленной революции. Такой подход, объединяющий в единое повествование всю эволюцию от физической и химической до социальной, называется "большой историей" (Big History); вот примерно в его русле мы и будем двигаться. Пока отметим для себя даты всего лишь двух событий: Большого взрыва - то есть, по общепринятой космологии, возникновения Вселенной как таковой - и появления жизни на Земле. Большой взрыв произошел примерно 13,8 миллиардов лет назад, а первые следы жизни на Земле имеют возраст 3,8 миллиарда лет. Это означает, что к моменту появления жизни в Солнечной системе возраст Вселенной уже составлял около 10 миллиардов лет. И все это время там происходили разные события, иные из которых как раз и создали нужные для существования жизни предварительные условия. Жизнь не случайно возникла далеко не сразу; скорее всего, она могла бы и не возникнуть вообще, если бы физические процессы пошли немного другими путями.
Вот из чего состоит современная Вселенная:
Слово "современная" надо подчеркнуть, потому что несколько миллиардов лет назад соотношения совершенно точно были другими. На диаграмме мы видим три составляющих:
● Обычная материя, состоящая из атомов (4,9%).
● Темная материя, не проявляющая никаких наблюдаемых свойств, кроме гравитационных (26,8%).
● Темная энергия, про которую вообще неизвестно, связана ли она хоть с какими-нибудь телами (68,3%).
Все известные нам живые системы состоят из атомов. Примеры чего-то иного пока можно найти только в фантастической литературе - например, у Станислава Лема в "Солярисе" описаны живые организмы, собранные из нейтрино. А занимаясь обычной биологией, нам придется иметь дело исключительно с атомами и их устойчивыми комбинациями, то есть молекулами.
Итак, атомы. Уже довольно давно известно, что любой атом состоит из электронов, протонов и нейтронов:
Протоны и нейтроны образуют ядро атома, электроны - внешнюю оболочку. Протоны электрически заряжены положительно, электроны - отрицательно, нейтроны заряда не имеют; по величине отрицательный заряд электрона строго равен положительному заряду протона. Таким параметром, как число нейтронов, мы в большинстве случаем можем спокойно пренебречь (если только не будет специального разговора об изотопах). Электроны и протоны, наоборот, важны для нас с самого начала. Число протонов - параметр, который иначе называется атомным номером (Z) и определяет положение данного типа атомов в периодической системе элементов, то есть в таблице Менделеева. Число электронов обычно равно числу протонов. Если число электронов вдруг отличается от числа протонов, значит, мы имеем дело с заряженной частицей - ионом.
На картинке выше изображен приведенный исключительно для примера атом гелия (Z=2), в состав которого входят два протона, два нейтрона и два электрона. Самый простой атом - водород (Z=1) - состоит из одного протона и одного электрона; нейтронов в нем может и вовсе не быть. Если лишить атом водорода единственного электрона, останется положительно заряженный ион, представляющий собой не что иное, как протон.
Самый важный для нас тип взаимодействия атомов - ковалентная связь, образуемая общей электронной парой (по одному электрону от каждого атома). Электроны этой пары принадлежат обоим атомам сразу. Кроме одинарных, ковалентные связи бывают двойными (в биологии довольно часто) или тройными (в биологии редко, но все-таки возможно).
Гораздо реже ковалентной (по крайней мере в биологии) встречается ионная связь, представляющая собой электрическое притяжение самостоятельных заряженных частиц, то есть ионов. Положительный ион (катион) и отрицательный ион (анион) притягиваются друг к другу. Cам термин “ион” предложен Майклом Фарадеем (Michael Faraday) и происходит от греческого слова, означающего “идущий”. Пример ионной связи - поваренная соль NaCl, формулу которой вполне можно переписать как [Na+][Cl-].
Чтобы в первом приближении разобраться в устройстве живой клетки, достаточно знать всего пять химических элементов: водород (H), углерод (C), кислород (O), азот (N) и фосфор (P). Самое главное, что нам необходимо знать о любом элементе - это его валентность, то есть число ковалентных связей, которые может образовать данный атом. Валентность водорода равна 1, валентность углерода 4, валентность азота 3, валентность кислорода 2 и валентность фосфора 5. Эти числа надо просто запомнить. У некоторых перечисленных элементов иногда встречаются и другие валентности, но, занимаясь биологией, это можно игнорировать во всех случаях, кроме немногочисленных особо оговоренных.
Вот они, основные химические слагаемые жизни. Валентности этих элементов настолько важны, что повторим их еще раз: водород - 1, углерод - 4, кислород - 2, азот - 3, фосфор - 5. Каждая черточка обозначает одну ковалентную связь.
Не подлежит сомнению, что большинство атомов во Вселенной - это атомы водорода и гелия. Числа на приведенной картинке относятся не к современной Вселенной, а к состоянию примерно 13 миллиардов лет назад (Caffau et al., 2011). Но и сейчас все элементы, кроме водорода и гелия, составляют в сумме не больше 2% атомов. Между тем очевидно, что из водорода, валентность которого всего лишь 1, и гелия, который вообще неохотно образует химические связи, никаких сложных молекул не построишь.
Посмотрев на график обилия химических элементов во Вселенной, мы сразу же видим, что самые распространенные после водорода и гелия элементы - кислород, углерод и азот.
По горизонтальной оси на этом графике атомный номер, по вертикальной - распространенность элемента в логарифмическом масштабе - это означает, что “ступенька” на вертикальной оси означает разницу не на единицу, а в 10 раз. Очень хорошо видно, насколько водород и гелий превосходят своим количеством все другие элементы. В области лития, бериллия и бора - провал, потому что эти ядра неустойчивы по своим физическим свойствам: они относительно легко синтезируются, но так же легко и распадаются. Ядро железа, наоборот, крайне устойчиво; многие ядерные реакции на нем заканчиваются, поэтому железо дает высокий пик. Но самые распространенные после водорода и гелия элементы - все равно кислород, углерод и азот. Именно те, которые стали химическими “кирпичиками” жизни. Вряд ли это случайность.
Бросается в глаза, что предыдущий график отчетливо зубчатый. Элементы с четными номерами в среднем встречаются намного чаще, чем элементы “примерно того же достоинства” с нечетными. Первым это отметил Уильям Дрэпер Харкинс (William Draper Harkins), и он же предложил разгадку: дело в том, что ядра тяжелых элементов образуются в основном за счет слияния более простых ядер. Очевидно, что при объединении двух одинаковых ядер в любом случае получится элемент с четным числом протонов, то есть с четным атомным номером (Harkins, 1931). Дальше образовавшиеся ядра комбинируются друг с другом - например, горение гелия (Z=2) дает сначала неустойчивые короткоживущие ядра бериллия (Z=4), потом ядра углерода (Z=6), а потом и кислорода (Z=8).
До начала звездообразования во Вселенной были только водород, гелий и следовые количества лития (у которого Z=3). Все элементы тяжелее лития синтезируются внутри звезд и распространяются в результате взрывов сверхновых (Burbidge et al., 1957). Это означает, что живым системам было просто не из чего образоваться, пока не закончился жизненный цикл хотя бы первого поколения звезд и эти звезды не взорвались.
Вот авторы знаменитой статьи о синтезе химических элементов в звездах: Маргарет Бербидж (Eleanor Margaret Burbidge), Джеффри Бербидж (Geoffrey Ronald Burbidge), Уильям Фаулер (William Alfred Fowler) и Фред Хойл (Fred Hoyle). Эту статью часто называют по инициалам авторов “B2FH” ("бэ-квадрат-эф-аш"). На фотографии запечатлен 60-й день рождения Фаулера - коллеги подарили ему действующую модель паровоза.
Статья B2FH опровергла гипотезу Георгия Гамова (George Gamov), который считал, что ядра всех элементов синтезировались прямо во время Большого взрыва и с тех пор их концентрации остаются постоянными. На самом деле гораздо вероятнее, что в первые миллиарды лет после Большого взрыва Вселенная была водородно-гелиевой, а потом стала постепенно обогащаться тяжелыми элементами с помощью сверхновых звезд. "Тяжелыми элементами" мы сейчас называем все, что тяжелее гелия или, в крайнем случае, лития.
Примерно так выглядит простейшая схема влияния сверхновых звезд на элементный состав Вселенной. Нельзя не заметить, что теория B2FH (если она верна) сама по себе является полностью достаточным доказательством эволюции, и была бы таковым, даже если бы никаких чисто биологических доказательств не существовало. В древней водородно-гелиевой Вселенной никакой жизни возникнуть не могло. Эволюция - это космологический факт, имеющий такое же отношение к физике и химии, как и к биологии.
Химия известных нам живых систем целиком основана на соединениях углерода. Самое простое из них - метан (CH4), молекула которого изображена здесь четырьмя разными способами. На первой картинке показаны очертания электронных облаков. На второй - расположение атомов в объеме и углы между химическими связями. На третьей - электронные пары, которые эти связи образуют. А четвертая картинка - это простейшая графическая формула. Каждая ковалентная связь на ней обозначена черточкой. Дальше мы в основном именно такими формулами и будем пользоваться.
Соединения, состоящие только из углерода и водорода, называются углеводородами. Как правило, они биохимически неактивны. Большинство соединений углерода, участвующих в обмене веществ, содержит как минимум еще и кислород, то есть к углеводородам не относится. На картинке изображены четыре самых простых углеводорода - метан (CH4), этан (C2H6), пропан (C3H8) и бутан (C4H10).
Четырехвалентность углерода открыл Фридрих Август Кекуле (Friedrich August Kekule). Вскоре он применил это знание, определив структурную формулу бензола (C6H6); именно в процессе этой работы ему приснился знаменитый сон про несколько переплетающихся змей. Но значение открытий Кекуле на самом деле гораздо больше. Четырехвалентность углерода - один из важнейших фактов, помогающих понять, как в целом устроены живые системы.
Что касается молекулы бензола, то она, как видим, содержит шесть атомов углерода, соединенных в шестичленный цикл с чередующимися одинарными и двойными связями. Однако на самом деле все шесть связей между атомами углерода в бензоле одинаковы: электроны, образующие двойные связи, делокализованы (“размазаны”) между ними, и в результате можно сказать, что все эти связи - как бы "полуторные".
Структура, заключенная тут внутри уробороса, называется бензольным кольцом или ароматическим ядром. Атомы углерода и водорода в нем уже не подписаны, поскольку их расположение очевидно. Ароматическое ядро часто входит в состав других молекул, в том числе и биологически активных. Обозначать его принято шестиугольником с кругом внутри - этот круг символизирует систему из трех взаимодействующих между собой двойных связей.
Соединения углерода, включающие группу -OH, называются спиртами. Саму группу -OH принято называть гидроксильной. Общую формулу спирта можно записать как R-OH, где R - любой углеводородный радикал (радикалом в химии называют изменяемую часть молекулы). На картинке - два самых простых спирта: метиловый (метанол) и этиловый (этанол).
Вот тут перед нами глицерин - пример спирта, в котором гидроксильных групп несколько. Такие спирты принято называть многоатомными. Глицерин - трехатомный спирт. С его участием образуются жиры и некоторые другие важные для клеток соединения.
Этанол (слева) и диметиловый эфир (справа) состоят из одинакового набора атомов (C2H6O), но имеют разную структуру. Такие соединения называются изомерами.
Класс соединений, к которому относится диметиловый эфир, называется простыми эфирами. Они имеют общую формулу R1-O-R2, где R - углеводородные радикалы (во всех подобных случаях они могут быть как одинаковыми, так и разными).
Еще два важных класса соединений - альдегиды (общая формула R-CO-H) и кетоны (общая формула R1-CO-R2). R (радикал) тут может обозначать любую углеводородную цепочку. И альдегиды, и кетоны включают группу -CO-, состоящую из углерода с присоединенным к нему двойной связью кислородом и двумя свободными валентностями. Если хотя бы одна из этих валентностей занята водородом, то перед нами альдегид, если же обе заняты углеводородными радикалами - то кетон. Например, самый простой из всех возможных кетонов называется ацетоном и имеет формулу CH3-CO-CH3.
Многоатомный спирт, одновременно являющийся альдегидом или кетоном, называется углеводом. Например, глюкоза - типичный углевод, альдегидоспирт с цепочкой из шести атомов углерода и пятью гидроксильными группами. И фруктоза - тоже типичный углевод, тоже имеющий цепочку из шести атомов углерода и пять гидроксильных групп, но она не альдегидоспирт, а кетоноспирт. При этом легко убедиться, что глюкоза и фруктоза - изомеры с общей формулой C6H12O6. А вот если у глюкозы (или ее изомера) один углерод отнять, то может получиться рибоза - альдегидоспирт с пятью углеродами в цепочке, четырьмя гидроксильными группами и формулой C5H10O5. Как видим, все довольно просто.
Примечание. Постоянные оговорки насчет изомеров связаны с тем, что у углеводов развит один особый вид изомерии - оптическая изомерия, которая связана исключительно с пространственным расположением атомов. На обычных графических формулах этот вид изомерии вообще не отображается, и это может привести к тому, что одна и та же графическая формула будет соответствовать нескольким совершенно разным по свойствам веществам. Но пока что мы про оптическую изомерию ничего не знаем и можем эти факты со спокойной душой игнорировать. Сказано глюкоза - значит глюкоза. Набор функциональных групп у нее уж точно такой, как тут нарисовано, а как они повернуты, нас сейчас не волнует.
Исключительно важным и интересным классом соединений являются карбоновые кислоты (R-COOH). Как видно из формул, в состав любой карбоновой кислоты по определению входит карбоксильная группа -CO-OH. Почему такие соединения называются именно "кислотами", мы разберемся позже; пока что будет достаточно запомнить название "карбоновые кислоты" как нечто самоценное, считая слово "кислота" частью этого названия. Самая простая карбоновая кислота - муравьиная, у которой вместо радикала вообще водород. Но обычно радикал карбоновой кислоты представляет собой более или менее сложную углеводородную цепочку. Уксусная кислота, имеющая в радикале всего один атом углерода, нарисована тут двумя способами, которые обозначают ровно одно и то же.
Обведенная на формулах зеленой рамкой группа -CH3 называется метильной. Она встречается не только в кислотах, а вообще во всевозможных классах веществ, где есть хоть какие-то углеводородные радикалы; мы уже видели ее ну хотя бы в ацетоне, где таких групп две. Можно сказать, что метильная группа - это простейший химический "кирпичик", на который разные более-менее сложные соединения углерода могут различаться между собой. Каких-то особых самостоятельных свойств она не имеет. С другой стороны, даже отличие на одну метильную группу иногда бывает очень важно - мы это увидим.
Вот тут перед нами две относительно экзотические, но вполне реально встречающиеся в живых организмах карбоновые кислоты. Их формулы нарисованы в немного разном стиле, к этому стоит привыкнуть. Щавелевая кислота, молекула которой представляет собой две соединенные встык карбоксильные группы, действительно содержится в щавеле, ревене и некоторых других растениях. Бензойная кислота имеет в качестве радикала ароматическое ядро; она тоже содержится во многих растениях, например в бруснике и клюкве, а также служит широко распространенным консервантом (пищевая добавка E210).
Карбоновая кислота и спирт могут вступить в реакцию, при которой от карбоксильной группы отщепляется -OH, а от спиртовой -H. Эти отщепленные фрагменты тут же образуют воду (формула которой H-O-H или H2O), а остатки кислоты и спирта соединяются в сложный эфир (общая формула R1-CO-O-R2). Среди биологически активных соединений сложных эфиров достаточно много. Надо заметить, что сложные эфиры и простые эфиры - это совершенно разные классы веществ; по-английски, например, они обозначаются разными корнями - соответственно ester (сложный эфир) и ether (простой эфир). На картинке для примера показан сложный эфир под названием метилбензоат.
А теперь посмотрим вот на эту великолепную молекулу. Лимонная кислота, формально говоря, является одновременно кислотой и спиртом - она имеет при трехуглеродной цепочке три карбоксильные группы (как кислота) и одну гидроксильную группу (как спирт). Такие соединения называют спиртокислотами или (чаще) оксикислотами. Лимонная кислота взята здесь исключительно для примера, хотя вообще-то она интересна и сама по себе, как важнейший промежуточный продукт в клеточном дыхании.
Если вам кажется, что много формул - не пугайтесь. Дальше будет еще больше. В этой области чем больше формул - тем понятнее. Так что я сознательно устраиваю тут "зоологический сад молекул", подобно "зоологическому саду планет", о котором говорил Гумилев.
С сегодняшнего дня я попробую начать серию постов, отвечающих на этот вопрос. Предполагаемого адресата изложенной в них информации я берусь определить как "образованного небиолога". То есть это человек, имеющий мало-мальскую подготовку в какой-то другой области (с соответствующий привычкой разбираться в сложных вещах), но не имеющий никакой химической или биологической базы. Уровня "когда-то что-то учил в школе, но все забыл" для начала вполне хватит. Отбор материала, естественно, мой, и за пределами совсем уж азбуки он довольно субъективен. Там, где упоминается какая-то спорная или новая информация, я ставлю ссылки на статьи. Что касается названия всего цикла постов, то его можно было бы определить как "Введение в биологию", но на самом деле я бы добавил к слову "биология" прилагательное "клеточная", потому что волей-неволей 90% тех фактов, которые для начала нужно усвоить, относятся именно к клетке и ее составным частям.
Тема I
УГЛЕРОД
“Ничто в биологии не имеет смысла иначе как в свете эволюции” (Dobzhansky, 1973). Этот тезис можно поставить в начале любого биологического учебного курса (по крайней мере вводного, потому что слушателям продвинутых курсов напоминать такие очевидности уже не требуется). Понимать его надо совершенно буквально, как руководство к действию. Любая особенность любой живой системы есть результат какого-то исторического события. Мы очень скоро увидим, что это касается даже такой в буквальном смысле элементарной вещи, как то, из каких атомов живые организмы состоят. А уж тем более - всего более сложного.
Вначале бросим беглый взгляд на эволюцию Вселенной в целом:
Временная шкала тут совершенно не в масштабе, но это пока неважно. Гораздо важнее, что эта схема выстраивает в единую последовательность события разного характера - от Большого взрыва до начавшейся на Земле в XVIII веке промышленной революции. Такой подход, объединяющий в единое повествование всю эволюцию от физической и химической до социальной, называется "большой историей" (Big History); вот примерно в его русле мы и будем двигаться. Пока отметим для себя даты всего лишь двух событий: Большого взрыва - то есть, по общепринятой космологии, возникновения Вселенной как таковой - и появления жизни на Земле. Большой взрыв произошел примерно 13,8 миллиардов лет назад, а первые следы жизни на Земле имеют возраст 3,8 миллиарда лет. Это означает, что к моменту появления жизни в Солнечной системе возраст Вселенной уже составлял около 10 миллиардов лет. И все это время там происходили разные события, иные из которых как раз и создали нужные для существования жизни предварительные условия. Жизнь не случайно возникла далеко не сразу; скорее всего, она могла бы и не возникнуть вообще, если бы физические процессы пошли немного другими путями.
Вот из чего состоит современная Вселенная:
Слово "современная" надо подчеркнуть, потому что несколько миллиардов лет назад соотношения совершенно точно были другими. На диаграмме мы видим три составляющих:
● Обычная материя, состоящая из атомов (4,9%).
● Темная материя, не проявляющая никаких наблюдаемых свойств, кроме гравитационных (26,8%).
● Темная энергия, про которую вообще неизвестно, связана ли она хоть с какими-нибудь телами (68,3%).
Все известные нам живые системы состоят из атомов. Примеры чего-то иного пока можно найти только в фантастической литературе - например, у Станислава Лема в "Солярисе" описаны живые организмы, собранные из нейтрино. А занимаясь обычной биологией, нам придется иметь дело исключительно с атомами и их устойчивыми комбинациями, то есть молекулами.
Итак, атомы. Уже довольно давно известно, что любой атом состоит из электронов, протонов и нейтронов:
Протоны и нейтроны образуют ядро атома, электроны - внешнюю оболочку. Протоны электрически заряжены положительно, электроны - отрицательно, нейтроны заряда не имеют; по величине отрицательный заряд электрона строго равен положительному заряду протона. Таким параметром, как число нейтронов, мы в большинстве случаем можем спокойно пренебречь (если только не будет специального разговора об изотопах). Электроны и протоны, наоборот, важны для нас с самого начала. Число протонов - параметр, который иначе называется атомным номером (Z) и определяет положение данного типа атомов в периодической системе элементов, то есть в таблице Менделеева. Число электронов обычно равно числу протонов. Если число электронов вдруг отличается от числа протонов, значит, мы имеем дело с заряженной частицей - ионом.
На картинке выше изображен приведенный исключительно для примера атом гелия (Z=2), в состав которого входят два протона, два нейтрона и два электрона. Самый простой атом - водород (Z=1) - состоит из одного протона и одного электрона; нейтронов в нем может и вовсе не быть. Если лишить атом водорода единственного электрона, останется положительно заряженный ион, представляющий собой не что иное, как протон.
Самый важный для нас тип взаимодействия атомов - ковалентная связь, образуемая общей электронной парой (по одному электрону от каждого атома). Электроны этой пары принадлежат обоим атомам сразу. Кроме одинарных, ковалентные связи бывают двойными (в биологии довольно часто) или тройными (в биологии редко, но все-таки возможно).
Гораздо реже ковалентной (по крайней мере в биологии) встречается ионная связь, представляющая собой электрическое притяжение самостоятельных заряженных частиц, то есть ионов. Положительный ион (катион) и отрицательный ион (анион) притягиваются друг к другу. Cам термин “ион” предложен Майклом Фарадеем (Michael Faraday) и происходит от греческого слова, означающего “идущий”. Пример ионной связи - поваренная соль NaCl, формулу которой вполне можно переписать как [Na+][Cl-].
Чтобы в первом приближении разобраться в устройстве живой клетки, достаточно знать всего пять химических элементов: водород (H), углерод (C), кислород (O), азот (N) и фосфор (P). Самое главное, что нам необходимо знать о любом элементе - это его валентность, то есть число ковалентных связей, которые может образовать данный атом. Валентность водорода равна 1, валентность углерода 4, валентность азота 3, валентность кислорода 2 и валентность фосфора 5. Эти числа надо просто запомнить. У некоторых перечисленных элементов иногда встречаются и другие валентности, но, занимаясь биологией, это можно игнорировать во всех случаях, кроме немногочисленных особо оговоренных.
Вот они, основные химические слагаемые жизни. Валентности этих элементов настолько важны, что повторим их еще раз: водород - 1, углерод - 4, кислород - 2, азот - 3, фосфор - 5. Каждая черточка обозначает одну ковалентную связь.
Не подлежит сомнению, что большинство атомов во Вселенной - это атомы водорода и гелия. Числа на приведенной картинке относятся не к современной Вселенной, а к состоянию примерно 13 миллиардов лет назад (Caffau et al., 2011). Но и сейчас все элементы, кроме водорода и гелия, составляют в сумме не больше 2% атомов. Между тем очевидно, что из водорода, валентность которого всего лишь 1, и гелия, который вообще неохотно образует химические связи, никаких сложных молекул не построишь.
Посмотрев на график обилия химических элементов во Вселенной, мы сразу же видим, что самые распространенные после водорода и гелия элементы - кислород, углерод и азот.
По горизонтальной оси на этом графике атомный номер, по вертикальной - распространенность элемента в логарифмическом масштабе - это означает, что “ступенька” на вертикальной оси означает разницу не на единицу, а в 10 раз. Очень хорошо видно, насколько водород и гелий превосходят своим количеством все другие элементы. В области лития, бериллия и бора - провал, потому что эти ядра неустойчивы по своим физическим свойствам: они относительно легко синтезируются, но так же легко и распадаются. Ядро железа, наоборот, крайне устойчиво; многие ядерные реакции на нем заканчиваются, поэтому железо дает высокий пик. Но самые распространенные после водорода и гелия элементы - все равно кислород, углерод и азот. Именно те, которые стали химическими “кирпичиками” жизни. Вряд ли это случайность.
Бросается в глаза, что предыдущий график отчетливо зубчатый. Элементы с четными номерами в среднем встречаются намного чаще, чем элементы “примерно того же достоинства” с нечетными. Первым это отметил Уильям Дрэпер Харкинс (William Draper Harkins), и он же предложил разгадку: дело в том, что ядра тяжелых элементов образуются в основном за счет слияния более простых ядер. Очевидно, что при объединении двух одинаковых ядер в любом случае получится элемент с четным числом протонов, то есть с четным атомным номером (Harkins, 1931). Дальше образовавшиеся ядра комбинируются друг с другом - например, горение гелия (Z=2) дает сначала неустойчивые короткоживущие ядра бериллия (Z=4), потом ядра углерода (Z=6), а потом и кислорода (Z=8).
До начала звездообразования во Вселенной были только водород, гелий и следовые количества лития (у которого Z=3). Все элементы тяжелее лития синтезируются внутри звезд и распространяются в результате взрывов сверхновых (Burbidge et al., 1957). Это означает, что живым системам было просто не из чего образоваться, пока не закончился жизненный цикл хотя бы первого поколения звезд и эти звезды не взорвались.
Вот авторы знаменитой статьи о синтезе химических элементов в звездах: Маргарет Бербидж (Eleanor Margaret Burbidge), Джеффри Бербидж (Geoffrey Ronald Burbidge), Уильям Фаулер (William Alfred Fowler) и Фред Хойл (Fred Hoyle). Эту статью часто называют по инициалам авторов “B2FH” ("бэ-квадрат-эф-аш"). На фотографии запечатлен 60-й день рождения Фаулера - коллеги подарили ему действующую модель паровоза.
Статья B2FH опровергла гипотезу Георгия Гамова (George Gamov), который считал, что ядра всех элементов синтезировались прямо во время Большого взрыва и с тех пор их концентрации остаются постоянными. На самом деле гораздо вероятнее, что в первые миллиарды лет после Большого взрыва Вселенная была водородно-гелиевой, а потом стала постепенно обогащаться тяжелыми элементами с помощью сверхновых звезд. "Тяжелыми элементами" мы сейчас называем все, что тяжелее гелия или, в крайнем случае, лития.
Примерно так выглядит простейшая схема влияния сверхновых звезд на элементный состав Вселенной. Нельзя не заметить, что теория B2FH (если она верна) сама по себе является полностью достаточным доказательством эволюции, и была бы таковым, даже если бы никаких чисто биологических доказательств не существовало. В древней водородно-гелиевой Вселенной никакой жизни возникнуть не могло. Эволюция - это космологический факт, имеющий такое же отношение к физике и химии, как и к биологии.
Химия известных нам живых систем целиком основана на соединениях углерода. Самое простое из них - метан (CH4), молекула которого изображена здесь четырьмя разными способами. На первой картинке показаны очертания электронных облаков. На второй - расположение атомов в объеме и углы между химическими связями. На третьей - электронные пары, которые эти связи образуют. А четвертая картинка - это простейшая графическая формула. Каждая ковалентная связь на ней обозначена черточкой. Дальше мы в основном именно такими формулами и будем пользоваться.
Соединения, состоящие только из углерода и водорода, называются углеводородами. Как правило, они биохимически неактивны. Большинство соединений углерода, участвующих в обмене веществ, содержит как минимум еще и кислород, то есть к углеводородам не относится. На картинке изображены четыре самых простых углеводорода - метан (CH4), этан (C2H6), пропан (C3H8) и бутан (C4H10).
Четырехвалентность углерода открыл Фридрих Август Кекуле (Friedrich August Kekule). Вскоре он применил это знание, определив структурную формулу бензола (C6H6); именно в процессе этой работы ему приснился знаменитый сон про несколько переплетающихся змей. Но значение открытий Кекуле на самом деле гораздо больше. Четырехвалентность углерода - один из важнейших фактов, помогающих понять, как в целом устроены живые системы.
Что касается молекулы бензола, то она, как видим, содержит шесть атомов углерода, соединенных в шестичленный цикл с чередующимися одинарными и двойными связями. Однако на самом деле все шесть связей между атомами углерода в бензоле одинаковы: электроны, образующие двойные связи, делокализованы (“размазаны”) между ними, и в результате можно сказать, что все эти связи - как бы "полуторные".
Структура, заключенная тут внутри уробороса, называется бензольным кольцом или ароматическим ядром. Атомы углерода и водорода в нем уже не подписаны, поскольку их расположение очевидно. Ароматическое ядро часто входит в состав других молекул, в том числе и биологически активных. Обозначать его принято шестиугольником с кругом внутри - этот круг символизирует систему из трех взаимодействующих между собой двойных связей.
Соединения углерода, включающие группу -OH, называются спиртами. Саму группу -OH принято называть гидроксильной. Общую формулу спирта можно записать как R-OH, где R - любой углеводородный радикал (радикалом в химии называют изменяемую часть молекулы). На картинке - два самых простых спирта: метиловый (метанол) и этиловый (этанол).
Вот тут перед нами глицерин - пример спирта, в котором гидроксильных групп несколько. Такие спирты принято называть многоатомными. Глицерин - трехатомный спирт. С его участием образуются жиры и некоторые другие важные для клеток соединения.
Этанол (слева) и диметиловый эфир (справа) состоят из одинакового набора атомов (C2H6O), но имеют разную структуру. Такие соединения называются изомерами.
Класс соединений, к которому относится диметиловый эфир, называется простыми эфирами. Они имеют общую формулу R1-O-R2, где R - углеводородные радикалы (во всех подобных случаях они могут быть как одинаковыми, так и разными).
Еще два важных класса соединений - альдегиды (общая формула R-CO-H) и кетоны (общая формула R1-CO-R2). R (радикал) тут может обозначать любую углеводородную цепочку. И альдегиды, и кетоны включают группу -CO-, состоящую из углерода с присоединенным к нему двойной связью кислородом и двумя свободными валентностями. Если хотя бы одна из этих валентностей занята водородом, то перед нами альдегид, если же обе заняты углеводородными радикалами - то кетон. Например, самый простой из всех возможных кетонов называется ацетоном и имеет формулу CH3-CO-CH3.
Многоатомный спирт, одновременно являющийся альдегидом или кетоном, называется углеводом. Например, глюкоза - типичный углевод, альдегидоспирт с цепочкой из шести атомов углерода и пятью гидроксильными группами. И фруктоза - тоже типичный углевод, тоже имеющий цепочку из шести атомов углерода и пять гидроксильных групп, но она не альдегидоспирт, а кетоноспирт. При этом легко убедиться, что глюкоза и фруктоза - изомеры с общей формулой C6H12O6. А вот если у глюкозы (или ее изомера) один углерод отнять, то может получиться рибоза - альдегидоспирт с пятью углеродами в цепочке, четырьмя гидроксильными группами и формулой C5H10O5. Как видим, все довольно просто.
Примечание. Постоянные оговорки насчет изомеров связаны с тем, что у углеводов развит один особый вид изомерии - оптическая изомерия, которая связана исключительно с пространственным расположением атомов. На обычных графических формулах этот вид изомерии вообще не отображается, и это может привести к тому, что одна и та же графическая формула будет соответствовать нескольким совершенно разным по свойствам веществам. Но пока что мы про оптическую изомерию ничего не знаем и можем эти факты со спокойной душой игнорировать. Сказано глюкоза - значит глюкоза. Набор функциональных групп у нее уж точно такой, как тут нарисовано, а как они повернуты, нас сейчас не волнует.
Исключительно важным и интересным классом соединений являются карбоновые кислоты (R-COOH). Как видно из формул, в состав любой карбоновой кислоты по определению входит карбоксильная группа -CO-OH. Почему такие соединения называются именно "кислотами", мы разберемся позже; пока что будет достаточно запомнить название "карбоновые кислоты" как нечто самоценное, считая слово "кислота" частью этого названия. Самая простая карбоновая кислота - муравьиная, у которой вместо радикала вообще водород. Но обычно радикал карбоновой кислоты представляет собой более или менее сложную углеводородную цепочку. Уксусная кислота, имеющая в радикале всего один атом углерода, нарисована тут двумя способами, которые обозначают ровно одно и то же.
Обведенная на формулах зеленой рамкой группа -CH3 называется метильной. Она встречается не только в кислотах, а вообще во всевозможных классах веществ, где есть хоть какие-то углеводородные радикалы; мы уже видели ее ну хотя бы в ацетоне, где таких групп две. Можно сказать, что метильная группа - это простейший химический "кирпичик", на который разные более-менее сложные соединения углерода могут различаться между собой. Каких-то особых самостоятельных свойств она не имеет. С другой стороны, даже отличие на одну метильную группу иногда бывает очень важно - мы это увидим.
Вот тут перед нами две относительно экзотические, но вполне реально встречающиеся в живых организмах карбоновые кислоты. Их формулы нарисованы в немного разном стиле, к этому стоит привыкнуть. Щавелевая кислота, молекула которой представляет собой две соединенные встык карбоксильные группы, действительно содержится в щавеле, ревене и некоторых других растениях. Бензойная кислота имеет в качестве радикала ароматическое ядро; она тоже содержится во многих растениях, например в бруснике и клюкве, а также служит широко распространенным консервантом (пищевая добавка E210).
Карбоновая кислота и спирт могут вступить в реакцию, при которой от карбоксильной группы отщепляется -OH, а от спиртовой -H. Эти отщепленные фрагменты тут же образуют воду (формула которой H-O-H или H2O), а остатки кислоты и спирта соединяются в сложный эфир (общая формула R1-CO-O-R2). Среди биологически активных соединений сложных эфиров достаточно много. Надо заметить, что сложные эфиры и простые эфиры - это совершенно разные классы веществ; по-английски, например, они обозначаются разными корнями - соответственно ester (сложный эфир) и ether (простой эфир). На картинке для примера показан сложный эфир под названием метилбензоат.
А теперь посмотрим вот на эту великолепную молекулу. Лимонная кислота, формально говоря, является одновременно кислотой и спиртом - она имеет при трехуглеродной цепочке три карбоксильные группы (как кислота) и одну гидроксильную группу (как спирт). Такие соединения называют спиртокислотами или (чаще) оксикислотами. Лимонная кислота взята здесь исключительно для примера, хотя вообще-то она интересна и сама по себе, как важнейший промежуточный продукт в клеточном дыхании.
Если вам кажется, что много формул - не пугайтесь. Дальше будет еще больше. В этой области чем больше формул - тем понятнее. Так что я сознательно устраиваю тут "зоологический сад молекул", подобно "зоологическому саду планет", о котором говорил Гумилев.