Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

В обычной батарейке химические реакции вынуждают электроны аккумулироваться на одной стороне батареи (аноде), где взаимное отталкивание этих одинаково заряженных частиц гарантирует их готовность разлететься при первой возможности. Когда вы замыкаете электрический контур, нажимая кнопку включения или щелкая переключателем, вы тем самым освобождаете запертые электроны, разрешая им выйти из анода, пройти сквозь устройство — лампочку, ноутбук, мобильный телефон — и добраться наконец до другой стороны батарейки (катода). Батарейка хоть и привычная часть нашего быта, но на самом деле это хитроумное устройство. Она запасает энергию в плотных группах электронов, стоящих наготове и способных в любой момент высвободить энергию и обеспечить питание устройств по нашему выбору.

В живой клетке мы встречаем аналогичную ситуацию, но уже с заменой связанных электронов на связанные протоны. Однако это отличие практически ничего не меняет. Протоны, как и электроны, обладают одинаковым электрическим зарядом и, соответственно, отталкиваются друг от друга. Когда клеточные ОВР сгоняют протоны в плотную кучу, они точно так же стоят наготове, ожидая только возможности убежать прочь от своих вынужденных соседей. Таким образом, клеточные окислительно-восстановительные реакции заряжают биологические аккумуляторные батареи на протонах. Мало того, поскольку все протоны теснятся по одну сторону чрезвычайно тонкой мембраны (толщиной всего в несколько десятков атомов), электрическое поле (напряжение на мембране, деленное на толщину мембраны) может быть огромным, больше десятков миллионов вольт на метр. Клеточный биоаккумулятор — не шутки.

Что же делают клетки с этими мини-электростанциями? Вот тут-то ситуация становится еще более поразительной. К мембране прикреплено огромное количество турбин нанометрового масштаба. Когда упакованным протонам разрешается выйти обратно через особые секции мембраны, они вызывают вращение этих крохотных турбин — примерно как порывы ветра заставляют вращаться крылья ветряных мельниц. В минувшие века такое вращательное движение под действием ветра использовали для помола пшеницы или другого зерна в муку. «Клеточные мельницы» тоже заняты помолом, но вместо разрушения структуры этот процесс, наоборот, строит ее. Проворачиваясь, молекулярные турбины раз за разом сводят между собой две конкретные молекулы и синтезируют таким образом вполне конкретную молекулу (на вход поступает АДФ, аденозиндифосфат плюс еще одна фосфатная группа; на выходе получается АТФ, аденозинтрифосфат). Составляющие этой молекулы, принудительно сведенные турбиной, находятся в напряженном состоянии: взаимно отталкивающиеся заряженные части молекулы удерживаются вместе химическими связями. Вся конструкция подобна сжатой пружине и жаждет освободиться. Это необычайно полезно. Молекулы АТФ могут путешествовать по всей клетке, а в нужный момент высвобождают запасенную энергию, разрывая химические связи и позволяя входящим в состав молекулы частицам расслабиться и перейти в более низкоэнергетическое, более комфортное состояние. Именно энергия, высвобождаемая при диссоциации молекул АТФ, обеспечивает выполнение клеточных функций.

Уровень неустанной активности этих клеточных электростанций станет ясен, если обратить внимание на несколько чисел. Функции, обеспечивающие жизнь типичной клетки на протяжении всего лишь одной секунды, требуют энергии, запасенной примерно в 10 000 000 молекул АТФ. В теле человека десятки триллионов клеток, и это означает, что каждую секунду вы используете порядка ста миллионов триллионов (10 20) молекул АТФ. Каждый раз при использовании АТФ расщепляется на составляющие (АДФ и фосфатную группу), которые затем турбины, питаемые протонными аккумуляторами, снова сводят вместе в полностью обновленные молекулы АТФ. Эти молекулы АТФ вновь пускаются в путь, доставляя энергию во все уголки клетки. Таким образом, чтобы удовлетворить энергетические потребности вашего организма, клеточные турбины должны быть поразительно продуктивными. Даже если вы читаете очень быстро, за время, которое вы потратили на просмотр этого предложения, ваше тело успело синтезировать около 500 миллионов триллионов молекул АТФ. А вот сейчас еще на 300 миллионов триллионов больше.

Оставляя в стороне подробности, можно подвести некоторый итог. По мере того как энергичные электроны из пищи (или электроны, получившие энергию от солнечного света в растениях) каскадом осыпаются по химической лестнице, энергия, высвобождаемая на каждой ступеньке, заряжает биологические аккумуляторы, которые имеются во всех клетках. Затем энергия, запасенная в аккумуляторах, используется для синтеза молекул, играющих в клетке роль грузовиков службы доставки почтовых отправлений: эти молекулы надежно доставляют энергетические пакеты туда, где они нужны, в пределах клетки. Именно этот универсальный механизм снабжает энергией все живое. Именно этот замечательный энергетический маршрут лежит в основе каждого нашего действия и каждой нашей мысли.

Как и при кратком знакомстве с ДНК, главное здесь никак не зависит от конкретики: этот хитроумный и причудливый на первый взгляд набор процессов, которые обеспечивают клетку энергией, универсален для всего живого. Такое единство, вместе с единством ДНК-кодирования клеточных инструкций, является мощнейшим свидетельством в пользу того, что вся жизнь на Земле произошла от общего предка.

Вспомним, как Эйнштейн искал единую теорию природных взаимодействий и как сегодня физики мечтают о еще более величественном синтезе, охватывающем всю материю и, возможно, пространство и время в придачу. Есть что-то необыкновенно соблазнительное в том, чтобы отыскать общее ядро в широком спектре совершенно разных на первый взгляд явлений. То, что глубинные внутренние механизмы всего живого — от моих двух собак, спокойно дремлющих на ковре, до хаотического мельтешения насекомых, привлеченных лампой возле окна, от лягушачьего хора, доносящегося с ближнего пруда, до койотов, далекий лай которых я сейчас слышу, — основаны на одних и тех же молекулярных процессах… ну, это поражает воображение. Так что оставим в стороне подробности, прервемся перед завершением главы и позволим этому чудесному факту как следует улечься в сознании.

Осознание жизненных фактов не только приносит неожиданную ясность, но и побуждает копать глубже. Как возник пресловутый общий предок всего сложного живого мира? Еще глубже: как возникла жизнь? Ученым еще только предстоит определить источник жизни, но наша дискуссия уже показала, что этот вопрос делится на три части. Как возник генетический компонент жизни — способность хранить, использовать и воспроизводить информацию? Как возник метаболический компонент жизни — способность извлекать, хранить и использовать химическую энергию? Как возникла упаковка генетической и метаболической молекулярной «машинерии» в самодостаточные мешочки — клетки? История происхождения жизни требует определенных ответов на эти вопросы, но даже без полного понимания ситуации мы можем обратиться к объясняющей многое концепции — дарвиновской эволюции, которая почти наверняка будет неотъемлемой частью будущего нарратива.