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.
4. Перестройка за семь летСегодня ваше тело смастерит примерно 300 миллиардов новых клеток
Ни одна из клеток вашего тела не знает, кто вы такой, и им это совершенно безразлично.
Сегодня ваше тело смастерит примерно 300 миллиардов новых клеток. Это больше, чем количество звезд в нашей галактике Млечный Путь. Неудивительно, что я чувствую себя измотанным, даже когда ничего не делаю.
Клетка – это крошечный прозрачный кулечек с вязкой жидкостью. Это атом в биологии. Наверное, справедливо будет сказать, что не существует другой жизни, кроме клеточной. Первые ископаемые клетки, по-видимому, появились примерно 3,5 миллиарда лет назад, а первые признаки химических изменений, вызванных процессами жизнедеятельности, относятся к еще более раннему периоду – примерно 3,8 миллиарда лет тому назад. Это дает основание полагать, что жизнь могла возникнуть около 4 миллиардов лет тому назад, всего через полмиллиарда лет после того, как появилась сама наша планета.
Каждое человеческое существо – это гигантская колония клеток. «Вот хороший пример того, что нас трудно рассматривать как единую сущность», – сказал американский биолог Льюис Томас[18]. «Каждый из нас – толпа», – считает Карл Саган[19]. Эта толпа состоит из множества клеток, примерно 100 миллионов миллионов – поистине астрономическое число. Я – это галактика. Вы тоже галактика. Более того, каждый из нас – это тысяча галактик, потому что в нашем теле содержится больше клеток, чем звезд в тысяче галактик, подобных Млечному Пути.
Каждая из клеток, из которых состоит человек, представляет собой миниатюрный мир, такой же сложный, как и крупный город. В нем происходит кипучая деятельность миллиардов наномашин. Здесь есть свои административные центры, мастерские и склады, по улицам беспрерывно осуществляется транспортировка грузов. Как написал американский журналист Питер Гуинн: «Чтобы снабжать клетки энергией, работают целые электростанции. Заводы производят белки, жизненно важную продукцию на химическом рынке. Сложные транспортные системы направляют специальные химические препараты к разным точкам внутри клетки и за ее пределы. Часовые на баррикадах следят за деятельностью на рынках экспорта и импорта и внимательно вглядываются во внешний мир, чтобы не пропустить признаки надвигающейся опасности. Специально обученные биологические армии готовы сражаться с непрошеными захватчиками. Центральное генетическое правительство поддерживает строгий порядок»[20]. А вся наша жизнь начинается с одной-единственной клетки, когда сперматозоид – самая маленькая клетка в организме – соединяется с яйцеклеткой, которая по размерам, напротив, превосходит все остальные клетки. Примерно полчаса каждый человек существует в виде одной-единственной клетки (помню, что мне было очень скучно – я не мог дождаться, когда же появится другая клетка, с которой мы могли бы поиграть). Затем эта одна клетка делится на две. Это необыкновенный процесс. Всего за полчаса клетка не только делает копию своей ДНК, – чтобы ускорить этот процесс, он осуществляется одновременно на нескольких участках ДНК – но и создает порядка 10 миллиардов сложных белков