Текст книги "Вселенная внутри вас"

Сияние звездной пыли

Каждый человек представляет собой уникальное существо, так как атомы для Вселенной – это редкость. На самом деле их не так уж и много. Возможно, вам трудно в это поверить, если учесть, сколько звезд и галактик мы можем наблюдать на небе, но пустого пространства во Вселенной гораздо больше. Предполагается, что во Вселенной содержится примерно 1080 атомов, причем только в той ее части, которая доступна нашему наблюдению. Расстояния в космосе принято измерять световыми годами, то есть дистанцией, которую свет проходит за год. Поскольку он движется со скоростью 300 тысяч километров в секунду, протяженность светового года составляет около 9,5 триллиона километров. Мы можем наблюдать Вселенную в пределах около 90 миллиардов световых лет.

Мы говорим о видимой части Вселенной, поскольку никто в точности не знает, насколько она велика. Правда, существует немало свидетельств того, что Вселенная образовалась 13,7 миллиарда лет тому назад (вообще-то чуть меньше, но пусть вас это не беспокоит). Если бы она до сих пор существовала в неизменном состоянии, то ее видимый поперечник составлял бы около 27 миллиардов световых лет, но Вселенная с самого момента своего возникновения непрерывно расширяется. Поэтому точка, из которой свет стартовал 13,7 миллиарда лет назад, теперь отстоит от нас примерно на 45 миллиардов световых лет.

Вселенная настолько велика, что если равномерно распределить все атомы по ее пространству, то на 6250 кубических метров будет приходиться примерно один атом кислорода. Среди компонентов тела человека первое место по массе занимает вода, а бо́льшая часть массы воды приходится как раз на кислород. Таким образом, среди всех элементов, из которых состоит ваше тело, на первом месте находится кислород (примерно 65 процентов). Таким образом, если бы вся материя распределялась во Вселенной равномерно, то чтобы собрать для вас требуемое количество кислорода, пришлось бы прочесать свыше 9 × 1030 кубических метров пространства. Это куб, каждая из сторон которого имеет длину 20 миллионов километров, что более чем в 50 раз превышает расстояние до Луны.

Еще раз задумайтесь о волосе. Многие люди гордятся своим генеалогическим древом, охватывающим всего несколько поколений. Если семья живет в своем доме на протяжении, скажем, 400 лет, то ее члены считают себя совершенно особенными людьми. Но волос, который вы держите в руке, состоит из атомов, многие из которых родились в момент Большого взрыва и пришли к нам из глубин космоса. Любому из них не менее пяти миллиардов лет. Вот это истинная древность.

Как мы уже установили ранее, ваш волос мертв. Настало время перейти к чему-то более живому. А что может быть живее, чем кровь?

3. Заключенные в клетках

Всем известно, что из резаной раны вытекает кровь. Если у вас есть под рукой стерильная игла и вы не боитесь уколоть подушечку своего большого пальца, чтобы внимательно рассмотреть каплю крови, можете так и сделать (разумеется, если у вас нет заболеваний, которые делают такой эксперимент опасным). Однако в этом нет большой необходимости. Если же вы все-таки решитесь, то боль от укола, возможно, вызовет у вас желание выругаться. Не стесняйтесь, в этом нет ничего страшного.

Ругательства как средство от боли

Исследования, проведенные в 2009 году, показали, что случайно поранившийся человек ругается не просто так, а имеет для этого веские причины. Сравнивая эффект от ругательств с нейтральными словами, ученые обнаружили, что нецензурные слова повышают способность терпеть боль, уменьшая болевые ощущения. Однако, по их данным, этот способ не влияет на мужчин, склонных из всего делать трагедию.

Исследователи полагают, что ругательства разрушают связь между страхом боли и ощущением боли и таким образом не дают сформироваться обратной психологической связи, только увеличивающей страдания. Не знаю, так это или нет, но не думаю, что вы будете испытывать такие уж сильные страдания из-за одной капли крови.

Живая жидкость

Кровь сильно отличается от безжизненного волоса. Ни у кого не возникает сомнений, что кровь ведет себя намного активнее, чем волосы. И все же бывает очень нелегко определить ту точку, где совершается переход от живого к неживому. На атомном уровне кровь ничем не отличается от волос или, скажем, от камней. Да, там мы наблюдаем другой состав атомов (в крови, в частности, больше железа), но и то и другое состоит из атомов, которые образуют молекулы. Тем не менее между живой кровью и мертвым волосом есть разница.

Отличить живое от неживого далеко не так просто, как может показаться на первый взгляд. Прежде чем продолжить чтение, попробуйте составить список как минимум из шести признаков жизни.

В свое время считалось, что живым существам присуща жизненная сила – некая особая форма энергии, которая отсутствует у неживых предметов. Однако ее так и не удалось обнаружить, поэтому данную концепцию уже никто не воспринимает всерьез, кроме псевдоученых. В лучшем случае о жизненной энергии говорят в переносном смысле («Она сегодня просто излучает энергию»).

Признаки жизни

Вместо этого биологи разработали семь признаков, свидетельствующих о протекании жизненных процессов, так как жизнь характеризуется в первую очередь именно процессами.

• Движение – даже растения время от времени совершают движения. В качестве примера можно привести цветы подсолнуха, поворачивающиеся к солнцу.

• Питание – потребление источников энергии в любой форме, будь то растения, животные или солнечный свет.

• Дыхание – процесс, обеспечивающий производство энергии из продуктов питания (как правило, с использованием кислорода, но не всегда).

• Выделение – удаление отходов жизнедеятельности.

• Размножение – создание новых копий самого себя (зачастую с вариациями) для продолжения рода.

• Реагирование – взаимодействие в какой-либо форме с окружающей средой, обычно с использованием органов чувств, регистрирующих различные формы энергии.

• Рост – все живые существа на каком-то этапе своего развития растут, хотя и необязательно на протяжении всей жизни.

На уровне целого организма – растения или животного – действует простое правило: если хотя бы один из указанных признаков отсутствует, объект не может считаться живым. Если все семь налицо, то, возможно, вы нашли то, что искали. Но и в этом случае вопрос «Живое или неживое?» не так прост. Взять хотя бы вирус, заставляющий вас чихать и кашлять во время простуды. В принципе его можно было бы рассматривать как одноклеточное живое существо. Многие одноклеточные, например бактерии, соответствуют всем признакам и, безусловно, являются живыми. А вот вирусы не выполняют одно из условий, касающихся размножения.

Нельзя сказать, что вирусы не размножаются. Именно их размножение создает для вас неприятные проблемы. Однако они делают это, используя механизмы клеток организма человека. В определенном смысле можно сказать, что это вы размножаете вирус, а не он сам. Многие, хотя и не все, биологи не считают вирусы живыми существами. Отчасти это объясняет, почему от них так трудно избавиться. Антибиотики против них бессильны. Прием таких лекарств при простуде и гриппе – пустая трата времени.

Есть ли жизнь в ваших клетках?

Еще труднее решать вопрос о живом и неживом, когда мы рассматриваем только часть организма. Если не принимать во внимание одноклеточные существа, то отдельно взятая клетка или орган, скорее всего, не смогут соответствовать всем критериям. Ваше сердце, к примеру, не способно размножаться.

Жизнь в понимании биолога – это холистическое понятие, которое имеет смысл только для всего организма в целом. В момент смерти животного мы не можем сразу же констатировать изменения во всех клетках, хотя со временем они, безусловно, наступят. Исходя из вышесказанного, мы не вправе говорить, что капля крови из пальца или отдельно взятая клетка тела живы. Между тем в них происходят самые разные биологические процессы, чего нельзя сказать о волосе. Правда, нельзя утверждать и то, что ваша плоть и кровь мертвы, как волос, так как они имеют многие признаки жизни.

Я спросил у одного биолога, специализирующегося на изучении клеток, считает ли он их живыми. Тот с уверенностью ответил, что да, и пояснил: «Это особенно заметно, когда у тебя в лаборатории целый день все валится из рук и ты по ошибке уничтожаешь какую-нибудь клеточную культуру. Клетки – живые. В них происходят метаболические процессы, они делятся и даже двигаются. Если вы посмотрите замедленную съемку, сделанную под микроскопом, то увидите, что клетки динамично вибрируют и пульсируют, «ощупывают» пространство вокруг себя крошечными пальчиками (филоподиями) и вытягивают ножки (ламеллиподии). Некоторые клетки даже ползают. И, разумеется, они размножаются, причем некоторые до бесконечности, как, например, бессмертные раковые клетки. Когда клетка умирает, она втягивает все свои выросты и принимает округлую форму. Затем распадается ее ядро и клетка как бы взрывается. Вернуть ее к жизни после этого уже не удается, что, на мой взгляд, совершенно ясно демонстрирует разницу между жизнью и смертью!»

Но с клетками крови в этом отношении далеко не все так ясно. В отличие от большинства других клеток, у них нет ядра (подробнее об этом мы поговорим чуть ниже) и они перемещаются в потоке крови, никак не связанные между собой. Тем не менее они играют чрезвычайно важную и активную роль в поддержании жизнеспособности всего организма.

Путешествие по кровеносной системе

Если взглянуть на каплю крови, выступившую на месте укола, то можно увидеть только темно-красную однородную жидкость, но под микроскопом хорошо заметно, что она содержит множество мелких объектов. Одни из них – красные кровяные тельца – похожи на плоские лепешки или крошечные сушеные абрикосы. Их функция заключается в транспортировке кислорода от легких к тканям тела.

Эти клетки имеют красный цвет, потому что их главным компонентом является белок гемоглобин (белки – это главные действующие молекулы организма человека). Если удалить из красных кровяных телец всю воду, то 95 процентов сухого остатка будет составлять гемоглобин. Эта крупная молекула прекрасно присоединяет к себе кислород и разносит его по всему телу. Гемоглобин содержит железо, и многие полагают, будто именно это придает ему красноватый цвет, как ржавчине на железных деталях. Однако это просто совпадение. Атомы железа окружены кольцом порфиринов, и именно это органическое соединение придает цвет гемоглобину. Красные кровяные тельца производятся в костном мозге и обычно живут в кровеносной системе в течение примерно четырех месяцев вместе с триллионами других своих собратьев, а затем заменяются новыми.

В числе других обитателей крови можно назвать белые кровяные тельца. Они подразделяются на несколько разновидностей и выполняют функции защитных и очистительных механизмов. Один из видов белых кровяных телец уничтожает отмершие красные кровяные тельца, большинство других охотится за возбудителями инфекций и другими нежелательными объектами, попадающими в организм.

Хотя отдельные белые кровяные тельца нельзя увидеть невооруженным глазом, вы наверняка знаете, как выглядят скопления выполнивших свою работу и умерших белых кровяных телец. Это гной. Целая армия, состоящая из миллиардов белых кровяных телец, непрерывно выискивает и уничтожает пришельцев извне, а также клетки собственного организма, отработавшие свой срок и нуждающиеся в утилизации.

И это далеко не все защитные средства в арсенале крови. Существует такой тип клеток, как тромбоциты. Эти довольно бесформенные клетки, имеющие короткий жизненный срок, отвечают за свертываемость крови, чтобы при случайных царапинах она не вытекала до бесконечности.

Особая молекула

Основным компонентом крови является вода. Плазма крови (напоминаю, что сейчас мы ведем речь не о состоянии вещества), в которой плавают кровяные тельца, содержит в растворенном виде некоторые белки и другие химические вещества, но состоит главным образом из воды. В организме человека много воды – больше, чем какого-либо другого вещества. Вода представляет собой простую молекулу, обладающую удивительными свойствами. Один атом кислорода и два атома водорода составляют самую известную из всех химических формул – Н2О. Вода имеет колоссальное значение для биологии. В связи с этим все наши поиски жизни в Солнечной системе сводятся в основном к поискам воды. Бактерии могут жить при экстремально высоких и низких температурах, они могут обходиться даже без воздуха, но без воды ни одна из известных нам форм жизни существовать не может.

Важность воды для поддержания жизни объясняется рядом ее уникальных свойств. Это единственное вещество, которое встречается на Земле в твердом, жидком и газообразном состоянии. Среди удивительных качеств этой молекулы есть одно, без которого она закипала бы уже при ‑70 °С. В этом случае на Земле не было бы жидкой воды, а следовательно, и жизни. Однако благодаря этому качеству точка кипения воды находится на привычной для нас отметке – 100 °С.

Речь идет о так называемой водородной связи, которая возникает между электрическим зарядом атома водорода и другим атомом, например кислорода, азота или фтора. В случае с водой положительный заряд водорода обеспечивает связь с отрицательным зарядом кислорода в другой молекуле воды. В результате такой межмолекулярной связи молекулы воды становится труднее перевести в газообразное состояние. Это сдвигает точку кипения вверх и таким образом делает нашу планету обитаемой.

Наличие водородной связи придает воде еще одну особенность. Большинство веществ в твердом виде имеют меньший объем, чем в жидком. Однако твердая вода (лед) занимает больший объем, чем жидкая. Именно поэтому мы не рекомендуем замораживать воду в бутылках. Именно поэтому лед плавает по поверхности воды, давая возможность выжить тем, кто обитает подо льдом. Утверждение, что это свойство характерно только для воды, не совсем верно. Уксусная кислота и кремний, к примеру, тоже имеют в твердом состоянии меньшую плотность, чем в жидком, но это все же скорее исключение, чем правило.

Наполните небольшую пластиковую бутылку водой до самого верха, закройте крышкой и поставьте на ночь в морозильную камеру. При замерзании вода расширится и либо разорвет пластик, либо сорвет крышку, либо необратимо деформирует бутылку. Не вздумайте провести этот эксперимент со стеклянной бутылкой, иначе вам придется собирать ее осколки по всему холодильнику.

Причина расширения воды при замерзании заключается в том, что стандартная шестиугольная кристаллическая структура льда не соответствует направлению водородных связей, которые удерживают молекулы воды в жидком состоянии. Чтобы вписаться в кристаллическую структуру, молекулам воды приходится отдаляться друг от друга, что уменьшает ее плотность (кстати, наибольшую плотность вода в жидком виде имеет при температуре 4 °С).

Вода прозрачная, хоть и имеет слегка голубоватый оттенок, что объясняется особенностями преломления в ней света (по этой же причине и небо имеет голубой цвет). Правда, чтобы это разглядеть, необходим большой объем воды, например в горных ледниках.

Важность воды для поддержания жизни объясняется еще и тем обстоятельством, что она является прекрасным растворителем. Благодаря наличию водородной связи она растворяет многие вещества и способна переносить их к живым клеткам. Но и это еще не все. Вода принимает участие во многих химических реакциях, необходимых для обмена веществ в организме. Без нее живая клетка существовать не может.

Крошечные камеры

Я уже неоднократно употреблял в этом тексте слово «клетка». Без него просто не обойтись, если разговор идет об организме. Данный термин ввел в оборот современник (и соперник)

Ньютона Роберт Гук. Он был выдающимся ученым. Его самым известным сочинением была «Микрография» – прекрасно иллюстрированный труд с изображениями, полученными с помощью увеличительных стекол и предшественников современных микроскопов.

Изображение блохи из книги Роберта Гука «Микрография»

Некоторые иллюстрации из этой книги произвели ошеломляющее впечатление на современников. Речь идет прежде всего об увеличенных изображениях блохи и вши. Люди той эпохи были слишком хорошо знакомы с этими насекомыми, но не испытывали никакого желания наблюдать их в таких ужасающих деталях. Гук также поразил публику детальным изображением фасеточного глаза мухи. Изучая тонкие срезы пробки, он обнаружил «скопление бесчисленного множества крошечных камер», которые он назвал клетками. Это название и прижилось в биологии.

Все известные живые существа состоят из клеток или, по крайней мере, из одной клетки. К примеру, простейшая форма жизни – бактерия – имеет только одну клетку, а в нашем организме их триллионы. Каждая клетка – это вместилище жизни. Клетки крови, о которых мы уже говорили, имеют довольно необычное строение, но их более стандартные формы, из которых состоит наше тело, располагают центральным ядром и разнообразными биологическими механизмами, плавающими в окружающей его жидкости.

Молекула-суперзвезда

В ядре клетки находится самое известное из существующих химических соединений – ДНК. Согласитесь, что это настоящая знаменитость в мире химии. Упоминания о каких других молекулах появляются в новостях столь же часто? Нам даже необязательно называть эту молекулу полным именем, так как вполне хватает инициалов (название «дезоксирибонуклеиновая кислота» не так-то легко произносить). Нам достаточно только взглянуть на изображение двойной спирали, чтобы понять, с чем мы имеем дело.

ДНК – это не простое вещество типа соли, например хлористого натрия, молекула которого состоит всего из двух атомов (NaCl). Это сложнейшая структура, предназначенная для хранения информации в химической форме. ДНК в ядре одной из клеток тела (скажем, в клетке кончика пальца) состоит из последовательности длинных молекул, обернутых вокруг белков, которые носят название гистонов. Гистоны играют роль своеобразного веретена, на которое накручиваются нити ДНК.

Возможно, вы видели увеличенные изображения человеческих хромосом. Каждая хромосома представляет собой отдельную молекулу ДНК с сопутствующими гистонами. В ядре каждой клетки находится 46 таких хромосом. Подробнее мы поговорим об этом в главе 7. Пока же достаточно знать, что ДНК в каждой хромосоме – это одна отдельная молекула. Она свернута в клубок и по размерам превосходит любую другую из известных молекул. ДНК в первой хромосоме человека состоит примерно из 10 миллиардов атомов.

Эксперимент по выделению ДНК

У вас есть возможность самостоятельно повторить то, что делают судебно-медицинские эксперты в телесериалах, когда выделяют ДНК из полученных образцов. В данном случае мы будем экстрагировать ДНК из банана. Это один из самых сложных экспериментов в книге, но даже если вы не решитесь его проводить, все же приятно сознавать, что вы сами можете добыть ДНК сравнительно простым способом.

Измельчите банан в блендере до состояния пюре (для этого достаточно всего несколько секунд, чтобы полученная смесь не была слишком жидкой). Смешайте в кружке одну часть жидкого средства для мытья посуды и девять частей теплой воды (скажем, 10 миллилитров средства для мытья посуды и 90 миллилитров воды). Добавьте в раствор щепотку соли. Перемешайте раствор с банановым пюре, чтобы у вас получилась однородная масса без комков, пузырей и пены.

Через кофейный фильтр отцедите из этой кашицы жидкость и поставьте ее в холодное место. Часть полученной жидкости налейте в узкую стеклянную емкость (желательно лабораторную пробирку). Уровень жидкости должен составлять пару сантиметров. Теперь аккуратно добавьте сильно охлажденный спирт, наливая его по стенке, чтобы он образовал слой поверх раствора. ДНК начнет переходить из раствора в спирт, и ее можно будет просто намотать на длинную палочку типа зубочистки.

В идеале следует использовать чистый 95‑градусный этиловый спирт. Если его не удастся добыть, подойдет и спирт для растирания. Алкогольные напитки не обладают должной чистотой. Эксперимент можно проводить не только с бананом, но и с любой другой живой субстанцией, однако банановое пюре получить проще всего. Конечно, в добытом образце будет содержаться примесь белков, но основную его массу составляет все же ДНК.

Молекула ДНК, имеющая вид двойной спирали, очень напоминает винтовую лестницу. Завитки образованы длинными нитями полимера дезоксирибозы – одного из видов сахаров, способных образовывать длинные цепи с повторяющейся последовательностью атомов. Но это лишь каркас молекулы. Самыми важными компонентами являются ступеньки этой лестницы. Каждая из них состоит из пары, образованной соединением четырех азотистых оснований – цитозина, гуанина, аденина и тимина.