Читать книгу Странные вопросы о Вселенной, или Как сделать Солнце из бананового пюре - Маркус Чаун - Страница 5

Ребенок ворочается в кроватке. Ракета устремляется ввысь, взвиваясь в небо на столбе дыма и пламени. Что общего между этими двумя процессами? – спросите вы. Казалось бы, ничего. И все-таки общее есть. В основе обоих процессов лежит одна и та же химическая реакция. Оба процесса подпитываются ракетным топливом.

Это не так удивительно, как может показаться на первый взгляд. Для вывода тяжелой ракеты на орбиту требуется двигатель, работающий на самом эффективном топливе, способный развить наибольшую мощность. Жизнь на Земле развивалась почти 4 миллиарда лет и проходила через бесконечную череду проб и ошибок. Было бы странно, если бы попытки отыскать подходящий источник энергии для биологических процессов не увенчались открытием самого эффективного из них.

И такой источник энергии, естественно, был найден. Это химическая реакция между водородом и кислородом, или горение, оно же окисление. Животные извлекают водород из пищи, а кислород – из воздуха. Ракета питается топливом, состоящим из жидкого водорода и кислорода. Чтобы понять, как происходит реакция между водородом и кислородом и откуда берется такое огромное количество энергии, рассмотрим более подробно этот процесс.

Атомы водорода и кислорода – и всех остальных веществ – состоят из крошечных ядер и еще более крошечных электронов. Электроны вращаются вокруг ядра, будучи не в силах избавиться от мощных пут его электрического заряда, во многом подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, находясь в силках его гравитационного поля.

С точки зрения физики, все тела стремятся уменьшить до минимума свою потенциальную энергию, которая является мерой того, что полезного может совершить то или иное тело, или, говоря научным языком, какую «работу» оно может совершить. Например, мяч на холме обладает высокой гравитационной потенциальной энергией. Если предоставить ему возможность, он постарается уменьшить свою энергию, скатившись к основанию холма, где гравитационная потенциальная энергия у мяча будет меньше. Так же, как мяч скатывается с холма, электроны в атоме будут стремиться уменьшить свою энергию.

При соединении двух атомов электроны получают возможность расположиться по-новому в каждом атоме. Если найдется такая конфигурация, в которой полная энергия атомов будет ниже, чем в двух отдельных атомах, атомы объединятся и образуют молекулу. Происходит перегруппировка электронов. В этих двух словах заключена, по сути, вся химия.

Поскольку энергия молекулы меньше энергии образовавших ее атомов, остается лишняя энергия. Основной закон физики гласит, что энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться; она может только переходить из одной формы в другую – например, электрическая энергия может преобразоваться в световую. Следовательно, излишек энергии может производить работу.

В ракете происходит реакция между атомами водорода и атомами кислорода. Конкретно – два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода, в результате чего образуется вода – H₂O. При этом освобождается большое количество энергии. Вода за счет этой энергии нагревается и выталкивается в виде пара с огромной скоростью из хвостовой части ракеты (в итоге ракеты движутся на паровой тяге!). Действие равно противодействию, и быстрый выхлоп толкает ракету вперед.

Шаттл «на паровой тяге»: многоразовый космический корабль NASA, запускаемый в космос благодаря химической реакции, превращающей кислород и водород в воду.

Запуск корабля многоразового использования на орбиту вокруг Земли в 1989 г. (астронавты Джон Янг и Роберт Криппен, стартовая площадка 39А, STS-1, NASA).

Освобождение огромного количества энергии в результате реакции между водородом и кислородом может поднять ракету и запустить ее в дальний космос[12]. Эта же реакция лежит в основе подвижности ребенка, не говоря уже о любой вашей или моей деятельности, да и вообще активности каждого животного на Земле.

При полете ракеты образуется вода в результате соединения водорода и кислорода. При этом мгновенно выделяется огромное количество тепловой энергии. В живых организмах процесс, очевидно, происходит не так бурно. В них энергия освобождается постепенно, шаг за шагом, гораздо более искусным и менее разрушительным способом.

То, что происходит в ракете, взлетающей благодаря реакции между водородом и кислородом, происходит во всех химических реакциях: электроны участвуют в игре под названием «чехарда». А именно – в нашем случае атом кислорода захватывает электроны из двух водородных атомов[13]. В результате объединения этих атомов образуется молекула воды.

Чудесный источник энергии: энергия молекулы воды (справа) меньше, чем энергия составляющих ее атомов водорода и кислорода (слева), поэтому выделяется избыточная энергия.

В биологии мы имеем дело с неожиданным вариантом кислородно-водородной реакции: атомы водорода в клетке отдают свои электроны атому кислорода, но три атома при этом никогда не соприкасаются. Между атомами водорода и атомом кислорода протянута длинная электропроводящая перемычка из протеиновых комплексов. Освобожденные из атома водорода электроны, которые не могут сразу отдать переизбыток энергии, вынуждены перескакивать с места на место вдоль этой перемычки.

При каждом таком подскоке электрон действует на ядра атомов водорода, или протоны, через каналы, или поры, в клеточной мембране[14][15]. Поскольку протоны несут положительный электрический заряд – в отличие от электронов, которые заряжены отрицательно, – одна сторона мембраны оказывается заряженной по отношению к другой. Нечто подобное происходит в аккумуляторной батарее, между клеммами которой возникает электродвижущая сила. Именно это и делает сверхактивный электрон, пытающийся пробиться к атому кислорода через протеиновую заслонку: он превращает клеточную мембрану в заряженную батарею. В мембране возникает чрезвычайно большая напряженность электрического поля – она сравнима с напряженностью электрического поля при грозовом разряде, который расщепляет молекулы азота и кислорода и порождает вспышку молнии.

К счастью, клетки в нашем организме не трескаются от разряда, как молекулы во время грозы. Толщина клеточной мембраны очень мала, всего 5 миллионных долей миллиметра, и только она испытывает на себе действие электрического поля. К тому же в процесс вмешиваются другие молекулы, сдерживающие это поле.

Мощное напряжение электрического поля мембранной батареи возбуждает химическую реакцию, которая создает молекулы аденозинтрифосфата, или АТФ. Эти молекулы – своеобразные портативные батареи, они содержат большой запас энергии. Электрон, который совершает все новые и новые подскоки к протеиновой перемычке, теряя при этом энергию, оставляет за собой большое количество насыщенных энергией молекул АТФ. Если эту энергию выпустить на свободу, она способна питать клеточные процессы там и тогда, где и когда это будет необходимо.

В конечном счете, вы питаетесь от батареи! В вашем теле порядка миллиарда молекул АТФ, и их запасы энергии используются и восполняются каждую минуту или каждые пару минут. Несколько батареек обеспечивают бесперебойную работу игрушек в течение нескольких часов. А ваше тело использует до 10 миллионов блоков питания каждую секунду.

Протоны, которые подвергаются толчкам через клеточную мембрану, превращают мембрану в батарею, а она приводит в действие химическую реакцию, в результате которой появляются молекулы АТФ – источники питания «биологической батареи».

В конце концов электрон, лишенный всей своей энергии, достигает финальной точки в своем путешествии по протеиновой цепочке. И здесь он наконец встречается с атомом кислорода. А когда к нему присоединяется второй электрон от другого атома водорода, для атома кислорода наступает столь желаемое состояние, когда вся его внешняя оболочка заполнена электронами[16]. Но и это еще не конец истории.

Как мы уже говорили, живые организмы получают свой водород с пищей. Затем внутри клетки происходит очень хитрый и энергоэффективный процесс, называемый циклом Кребса, в ходе которого выделяются атомы водорода из пищи – либо из молекул сахара (глюкозы C₆H₁₂O₆), либо из жира. При этом остаются атомы углерода. И если атом кислорода – у которого теперь есть полный комплект электронов во внешней оболочке – поделится своими электронами с атомом углерода, в результате появится очень стабильная молекула углекислого газа (CO₂). Углекислый газ и водяной пар – это те «отходы производства», которые выделяют дышащие кислородом животные.

Итак, вот что мы имеем. Ваш организм берет водород из пищи и отбирает энергию – всю, до последней капли – у его энергичных электронов, а потом эти электроны, «обессиленные», вручаются атомам кислорода. Если в двух словах, то это и есть источник питания младенцев, да и всей остальной жизни.