Текст книги "Мир, созданный химиками. От философского камня до графена"

Глава 7 Химия жизни

Это не про знаменитый журнал “Химия и Жизнь”, а именно про то, как Химия создала Жизнь, поэтому прежде всего необходимо ответить на “убийственное” возражение против атеистической химической теории происхождения жизни без участия Демиурга (творца). Звучит оно так: самопроизвольное образование наследственной молекулы ДНК из атомов углерода, азота, водорода и кислорода имеет вероятность 10 в минус 100-й (или 1000-й, это не важно) степени. Времени такая самосборка потребовала бы намного больше, чем время существования Вселенной. Близкую вероятность, к слову, имеет акт создания слепой обезьяной, случайно тюкающей по клавиатуре, текста “Войны и мира”. Это возражение можно назвать статистической невозможностью самозарождения жизни на основе химических реакций.

Однако вероятностный подход к тайне происхождения жизни не слишком надежен. Например, известно описание спора между юным прозелитом от статистики и профессором математики. Первый с горящими глазами уверял второго, что вероятность увидеть случайно идущих друг за другом 50 только лишь мужчин без появления женщин и детей – оба при этом смотрели в окно на улицу – есть ничтожная, исчезающе малая величина. Профессор лишь улыбался, а вскоре по улице прошел полк солдат.

Так и в нашем случае. Мы не знаем пока механизма самосборки ДНК, однако очень может быть, что вероятность этого процесса повышают какие-то неясные пока факторы. Например, некоторые геологи считают, что совместная адсорбция необходимых атомов на кусочках пористых минералов ускоряет реакцию соединения этих атомов в миллиарды раз.

Кроме того, давно известен эксперимент, проведенный в 1953 году аспирантом Чикагского университета Стенли Миллером. Он заполнил колбу парами аммиака NH₃, воды, метана СН4 и водорода и пропускал через эту смесь, похожую по составу на атмосферу древней Земли, электрические разряды. И получил-таки набор аминокислот, кирпичиков для построения белков. Тех самых, энгельсовских. Совсем недавно этот опыт был повторен самой Природой в Читинской области: молния ударила в стог и произвела на свет смолистую субстанцию, содержащую в том числе аминокислоты. В принципе они могли бы соединиться в белки и стать основой жизни. Но есть и другие теории, сейчас последует их перечисление.

Прежде всего “и увидел Он, что это хорошо”. Жизнь создала не какая-то там химия, а Бог, в разных религиях называющийся по-разному. Слабость этой теории – в отсутствии доказательств и ответа на вопрос “а кто (что) создал Бога?”. Ссылки на принципиальную непознаваемость Верховного Существа и “не ваше дело обсуждать Господа!” как-то не удовлетворяют.

Интеллектуальным вариантом этого креационизма (от латинского creationis – творение) является утверждение, что Большой взрыв, приведший к созданию Вселенной, и есть акт творения, совершенный все тем же Творцом, то есть Богом. Однако ответа на приведенный вопрос и эта теория не дает. Кстати, роскошная библейская стилистика “и увидел Он… и сказал Он…” является всего лишь ошибкой переводчиков с древнееврейского. Никакого “и” там нет, это всего лишь пропуск между частями предложения, нечто вроде современного тире. Согласитесь, “Он увидел – это хорошо” звучит не очень по-божественному, хотя и более правильно. Остроумной пародией на креационизм является рассказ Станислава Лема о встрече профессора Донда с Творцом. Выясняется, что жизнь на Земле возникла из-за того, что у Творца подгорела яичница.

Существует и совсем странная теория, утверждающая, что жизнь была занесена на Землю с других планет, из Космоса. Удивительно, но естественный вопрос “а там она откуда взялась?” авторов теории совсем не смущает и, кажется, даже не очень интересует. Хотя совершенно ясно, что ответов на этот вопрос может быть только два – один креационистский (Господь и так далее), а другой атеистический: сама собой возникла в результате каких-то химических реакций.

Теория космического происхождения жизни появилась еще в конце XIX века, а через сто лет была развита и активно пропагандировалась американским физиком Карлом Саганом, который даже придумал проект поиска внеземных цивилизаций. Саган полагал, что жизнь не только зародилась вне Земли, но и достигла там стадии техногенной цивилизации, – а значит, “зеленый человечки” должны уметь принимать и отправлять радиосигналы. Однако “человечки” так и не отозвались, чем подтвердили “парадокс Ферми”: если во Вселенной бесконечное множество обитаемых миров, то почему же мы их не видим? Но неужели подтверждением существования внеземных разумных существ служит тот грустный факт, что они не желают идти с нами, дикарями с атомной бомбой, на контакт? Совсем недавно к такому мнению, которое автор этой книги высказал уже давным-давно, присоединился один заграничный ученый. Он считает, что внеземные цивилизации, скорее всего, прячутся от нас.

Другим способом преодоления статистической невозможности самозарождения жизни является теория коацерватов советского академика Александра Ивановича Опарина. Он предположил, что первоначально белки и другие сложные органические молекулы могли возникнуть в водной среде, в первичном океане планеты. И это действительно возможно, хотя бы под действием все тех же молний. Далее эти сложные молекулы могли объединяться в коацерваты, такие крупные органические образования, как клецки, плавающие в первичном бульоне-океане. Внутри капель-коацерватов, согласно этой теории, могли начаться реакции, приводящие к образованию еще более сложных веществ, причем часть из них покидала коацерват. То есть налицо основные признаки жизни – рост, развитие, размножение, обмен веществ. А поскольку все происходит в ограниченном объеме, то вероятности реакций резко возрастают и статистическая невозможность преодолена. Слабостью теории является ее полная умозрительность и отсутствие хоть каких-либо доказательств. А также личность самого Опарина, который активно поддерживал негодяя Лысенко и псевдоученую даму Лепешинскую, разработавшую уже совсем дурацкую теорию происхождения жизни. Хотя основное утверждение теории Опарина – все мы вышли из воды – большинство неверующих ученых принимают.

Не наше дело

В начале XVII века забавную теорию придумал алхимик Ван Гельмот. Причем подтвердил ее экспериментально! Ученый считал, что жизнь образуется сама по себе при подходящих условиях. Например, мыши появляются в корзине для грязного белья, в которую добавили немного пшена, а затем поместили ее в темное место. Эксперимент оказался удачным, кошка Ван Гельмота отлично поужинала. Самое забавное, что теория продержалась до конца XIX века, пока великий Пастер не доказал, что она не работает даже на уровне микроорганизмов: в пастеризованной (кипяченой) воде никакие микробы сами собой не появляются.

Но чтобы не ломать голову над проклятым вопросом о происхождении жизни, теоретики “стационарного состояния” нагло заявили, что жизнь, как и вообще Вселенная, была всегда – и обсуждать здесь нечего, потому что уяснить себе понятие вечности человек не в состоянии. При всей несерьезности этой теории у нее есть одно достоинство – действительно, о проблеме можно больше не думать и заняться наконец каким-нибудь полезным делом – хотя бы на майские праздники выбросить уже наконец новогоднюю елку.

Химия и мумия

Если с вопросом химического происхождения жизни ясно еще не все, хотя и очень многое, то проблема сохранения неживых тел с помощью химических веществ, по-видимому, уже окончательно решена. Еще древнеегипетские жрецы занимались бальзамированием покойных фараонов, разного рода придворных чиновников и даже простых граждан, не говоря уже о бальзамировании священных животных кошек и не столь священных собак. Причем количество мумий людей и животных, найденных в современном Египте, настолько велико, что на первой в Африке железной дороге Каир – Александрия паровозы первое время топили этими мумиями! Их было откопано или извлечено из пещер несколько миллионов. Но в данном случае речь идет не о мумифицировании, а о сохранении тела умершего в более или менее неизменном состоянии. Наилучших результатов в разработке бальзамирующих составов достигли советские, а позже российские ученые.

Наиболее наглядным примером является сохранение тела Владимира Ульянова-Ленина, которое не имеет никакого отношения ни к древнеегипетскому бальзамированию, ни к естественному мумифицированию тел в некоторых безводных регионах Земли, например в пустынях Южной Америки. В Древнем Египте тела фараонов защищали от воздействия внешней среды и разложения с помощью битума, кедрового масла и растительных смол. Использовались также соли натрия со щелочной реакцией, например природная сода Na₂CO₃. Знаменитый ледяной человек Этци мумифицировался в альпийском льду, а тело бурятского ламы Итигелова, по всей видимости, было минерализовано поваренной солью. Для бальзамирования же тела вождя был применен оригинальный метод с использованием глицерина С₃Н₅(ОН)₃, формалина и уксуснокислого калия СН₃COONa (ацетата калия).

Формалин, водный раствор газообразного вещества формальдегида СН₂О с небольшой примесью метилового спирта СН₃ОН, хорошо известен как сильное дезинфицирующее средство, а также как фиксатор белков, предотвращающий самопроизвольный распад тканей. Формалин используют для дубления кожи, в нем хранят анатомические препараты. В Кунсткамере Санкт-Петербурга в емкостях с формалином еще с позапрошлого века хранятся, например, различные уроды.

Применение глицерина для бальзамирования было предложено в конце XIX века Н.Э Лясковским. Давно используется в составе бальзамирующих растворов и ацетат калия, который, во-первых, как и глицерин, способен удерживать воду, а во-вторых, также является дезинфицирующим и консервирующим средством. Именно эти вещества и были применены для бальзамирования тела В.И. Ленина. Однако не сразу. Для первого, временного, бальзамирования пригласили известного московского патологоанатома Алексея Абрикосова. Бальзамирование проводилось смесью формалина, хлорида цинка ZnCl₂, этилового спирта, глицерина и воды. Вскоре было принято решение о долговременном бальзамировании, которое поручили заместителю директора Института химии Борису Збарскому и заведующему кафедрой анатомии Харьковского медицинского университета Владимиру Воробьеву, который задолго до этих событий придумал бальзамирование именно смесью формальдегида, глицерина и ацетата калия.

При бальзамировании тело В.И. Ленина вначале обложили смоченной в формалине ватой, а затем поместили в ванну с 3 %-м раствором формальдегида (сильно разбавленный формалин). Потом на теле были сделаны разрезы для глубокой пропитки мышечных массивов формалином, а затем и бальзамирующими растворами. Проводились и другие работы: Воробьев упорно и по многу часов отбеливал темные участки кожи на лице, кистях рук и на туловище, применяя иногда даже 30 %-ю перекись водорода (см. главу 13). Через некоторое время в ванну начали добавлять спирт, потом глицерин и ацетат калия. К концу июня тело находилось в жидкости, где было 240 литров глицерина, но килограммов ацетата калия и 150 литров воды. Результат был продемонстрирован делегатам конгресса Коминтерна 18 июня, и оказался просто блестящим. I августа 1924 года Мавзолей Ленина был открыт для посещения.

В 1939 году была организована Лаборатория при Мавзолее В.И. Ленина, руководителем которой назначили академика Бориса Збарского. В послевоенные годы сотрудники лаборатории провели бальзамирование Георгия Димитрова (Болгария), маршала

Хорлогийна Чойбалсана (Монголия), Иосифа Сталина (СССР), Климента Готвальда (Чехословакия), Хо Ши Мина (Вьетнам), Агостиньо Нето (Ангола), Ким Ир Сена (КНДР).

С 1992 года Лаборатория при Мавзолее В.И. Ленина входит в состав Всесоюзного института лекарственных и ароматических растений (ВИЛАР) и называется Научно-исследовательский и учебно-методический центр биомедицинских технологий. Специалисты центра считают, что тело может находиться в отличном состоянии в течение еще хоть ста лет, а его захоронение в земле будет означать прекращение длительного и уникального биохимического эксперимента, длящегося уже почти 90 лет.

Но в чем, собственно, состоит научная ценность этого, прямо скажем, безнравственного эксперимента с публичным демонстрированием результата? Из самого описания метода бальзамирования следует, что ничего нового в нем нет. Метод маринования (консервирования) органических продуктов в уксусной кислоте и ее солях известен уже несколько столетий. Разве что опытным путем были подобраны наиболее подходящие концентрации давно известных веществ, и вот это уже представляет определенный интерес для химии неживого, хотя и гораздо меньший, чем для химии живого. А ведь существует и химия этих двух состояний одновременно!

Живые и сыпучие

Самым сильным доказательством химической природы жизни является существование вирусов. Эти загадочные существа-вещества являются той самой субстанцией, которая является одновременно и живой и неживой материей. Вирусы представляют собой молекулы ДНК в “сумке” из белка – это конструкции из нормальных, обычных “мертвых” молекул. Вирус можно выделить из питательного бульона, высушить, промыть, пересыпать в банку из темного стекла и поставить на полку. А через пару лет, когда понадобится, пол-ложки вирусного порошка снова перемешать с куриным бульоном и наблюдать буйный рост этой ставшей вдруг совершенно живой субстанции из ДНК и белка.

Скоро, совсем скоро биохимики и молекулярные генетики создадут искусственную жизнь. Белки делать умеем (инсулин синтезирован уже давно), молекулу ДНК уже расшифровали и, значит, смогут воспроизвести. Дальше как-то так склеят белки и ДНК и получат искусственный вирус, затем искусственную клетку, немного позже искусственных сколопендр, бегемотов и Адама с Евой. Если к тому времени физики научатся перемещаться во времени, то эту парочку можно будет переместить (как в фильме “Терминатор”) в какой-нибудь XXI век до н. э. Тогда на планете Земля и возникнет жизнь. И наконец будет решена проблема ее происхождения.

Нет кислорода, и ладно

Однако жизнь может быть обнаружена и на других планетах, в том числе на планетах нашей Солнечной системы, казалось бы, совершенно непригодных для существования букашек-таракашек из-за жутких температур, неблагоприятного давления и недружественной бескислородной атмосферы. Доказательством этого служит, например, обнаружение и на самой Земле организмов, которым не требуется кислород.

Ученым и раньше были известны существа, способные обходиться без кислорода, этой основы жизни, но все они относились к одноклеточным, бактериям. Вместо кислорода для получения энергии в результате окисления они использовали серу, хлор, азот и даже водород, образующийся из воды под действием радиации вблизи залежей урановых руд. Но найденные совсем недавно, в 2010 году, членами итало-голландской экспедиции в Средиземном море лорициферы являются многоклеточными животными, которые пришлось выделить в отдельный тип — один из высших разрядов в классификации живого. Тип хордовые, например, содержит позвоночных животных – кошку, золотую рыбку, райскую птицу, автора и читателей этой книги, а лорициферы страшно далеки от народа. Но не только они, за последние несколько десятков лет на земле, но большей частью в море, обнаружены совершенно неожиданные существа.

Обычным многоклеточным животным кислород необходим для выработки энергии. Этот процесс происходит в специальных клеточных структурах – митохондриях. Но у лорицифер митохондрий в клетках нет, а поскольку без энергии никуда, им пришлось завести у себя другие структуры, которые называются гидрогеносомы (от латинского hydrogenium – водород). Согласно названию, цикл реакций в гидрогеносомах, протекающих с выделением нужной для лорицифер энергии, заканчивается образованием именно водорода.

Обнаружили эти странные существа лишь сейчас, и это неудивительно – ведь нашли их в глубоководной подводной впадине Л’Аталанте в 300 километрах к западу от острова Крит. Добраться до дна этой впадины не так-то легко, хотя она и находится в Средиземном море, вроде бы вдоль и поперек изученном.

Помимо практически полного отсутствия кислорода на дне впадины еще и значительно повышена соленость морской воды. Именно поэтому обнаружение множества лорицифер стало сенсацией – ну разве можно было представить, что и там кто-то живет! Однако природа побеспокоилась о заселении незанятой экологической ниши: если кислорода нет, приходится создавать бескислородных животинок. А если в таких жутких условиях кто-то все же ухитряется сносно существовать, можно надеяться, что жизнь будет обнаружена и на других планетах с экстремальными условиями существования.

В последние годы главными кандидатами на обнаружение углеродной формы жизни стали спутники Юпитера и Сатурна – соответственно Европа и Энцелад. Эти малые планеты покрыты толстым слоем водяного льда, под которым находится соленый океан жидкой воды. Температура и другие параметры океана на Европе ближе всего к подледным водоемам антарктических шельфовых ледников, то есть огромных полей льда, лежащих на прибрежном шельфе материка. Как-то в одном из таких ледников гляциологи пробурили глубокую скважину и опустили в нее видеокамеру. К своему немалому удивлению, они заметили, что практически в полной темноте, при близкой к нулю температуре здесь живут напоминающие креветок амфиподы (ракообразные) и крупные медузы. Медуза цапнула камеру одним из щупалец, но, будучи непрочным и студенистым, щупальце оторвалось и было поднято на поверхность, его размер соответствует медузе 30-сантиметровой длины.

А на Титане, спутнике планеты Сатурн, своеобразные формы бескислородной жизни уже почти обнаружены. Во всяком случае, наблюдения космического зонда “Кассини” позволяют выдвинуть такую гипотезу. Этот зонд, названный так в честь итальянского астронома XVII века, в 2004 году стал первым искусственным спутником Сатурна. Согласно программе исследований, приборы “Кассини” больше всего времени тратят на изучение именно естественного спутника Титана, который оказался удивительным образованием прежде всего потому, что на нем возможна жизнь. Разумеется, “зеленых человечков” там нет, но зато вполне могут существовать крайне необычные, не интересующиеся кислородом микроорганизмы. Для дыхания они используют водород, в земных условиях в естественном виде практически не встречающийся из-за своей взрывчатости. Тот самый водород, который выделяют земные лорициферы.

Проанализировав последние данные спектрометров “Кассини”, ученые нашли новые подтверждения гипотезе о странных микроорганизмах. Если эти крошки используют водород, то на поверхности спутника его должно быть намного меньше, чем в верхних слоях. Так и оказалось: водорода на поверхности практически нет, и то же самое относится к ацетилену С₂Н₂ – газу, которым эти микроорганизмы должны питаться. На земле ацетилен используют для высокотемпературной сварки, именно этот газ образуется при обработке карбида кальция водой (см. главу i). Кроме того, если “нормальные” микроорганизмы в качестве продукта жизнедеятельности выделяют углекислый газ, то микроорганизмы Титана – метан СН₄, которого в атмосфере спутника очень много.

Разумеется, обнаружение метана и отсутствие ацетилена и водорода вблизи поверхности не является строгим доказательством существования микробной жизни на Титане. Таким доказательством могло бы стать прямое наблюдение микроорганизмов, а еще лучше – забор проб с поверхности спутника и анализ их содержимого. “Кассини” такого сделать не может, хотя в свое время с этого аппарата был произведен сброс зонда “Гюйгенс”, который передал на “Кассини” несколько сотен фотографий и данные различных приборов.

К сожалению, микроорганизмов “Гюйгенс” не обнаружил. Но это еще ничего не значит – в свое время биохимики уговорили генерального конструктора Сергея Королева установить на одном из лунных спускаемых аппаратов химическую микролабораторию для обнаружения внеземной жизни. Практичный Королев потребовал сначала выбросить прибор несколько поближе, в казахстанскую степь около космодрома Байконур. Жизни на Земле лаборатория не нашла, и прибор Королев на Луну не отправил. Генеральный конструктор вообще-то был очень жестким и строгим руководителем, но говорят, что в этом случае он не устроил разнос горе-биохимикам, а лишь долго смеялся.