Георгий Гамов - Мистер Томпкинс внутри самого себя

— Весь фокус с превращением воды и двуокиси углерода с помощью света в сложные органические вещества растения проделывают с помощью особого зеленого вещества хлорофилла, которое придает растениям их характерную окраску, — пояснил Уилфред. — Если взглянуть на листья растений под микроскопом, то можно увидеть, что каждая клетка содержит зеленые частицы, называемые хлоропластами, а те в свою очередь состоят из еще меньших структурных единиц, которые называются гранами. Эти граны, или фабрики по переработке солнечной энергии, содержат хлорофилл и, так сказать, оперативную группу ферментов, помогающих хлорофиллу справляться с возложенной на него миссией.

С химической точки зрения фотосинтез представляет собой процесс, обратный дыханию или обычному горению. В процессе горения сложные органические молекулы (состоящие главным образом из углерода и водорода) вступают в реакцию с атмосферным кислородом, в результате которой выделяется энергия и образуются простые молекулы двуокиси углерода и воды. В процессе фотосинтеза, наоборот, молекулы двуокиси углерода и почвенной воды, соединяясь, образуют сложные органические молекулы, а избыток кислорода уходит в атмосферу. Но в то время как процесс горения легко происходит сам по себе, поскольку соответствует естественному направлению химических реакций, фотосинтезу приходится, так сказать, взбираться в гору. Чтобы построить молекулы органических соединений, необходимо отщепить атомы водорода от атомов кислорода в молекулах воды и присоединить в определенных пропорциях к молекулам двуокиси углерода. Поскольку на разрыв химической связи между водородом и кислородом в воде уходит больше энергии, чем высвобождается при присоединении атома водорода к атому углерода, процесс требует затрат внутренней энергии. Образующиеся в результате фотосинтеза молекулы органических веществ обладают более сложной структурой, чем молекулы воздуха и воды, поэтому фотосинтез требует также подвода негативной энтропии. Поставщиком энергии и негативной энтропии служат солнечные лучи.

Образуемые в результате фотосинтеза органические молекулы известны под общим названием углеводов, так как они содержат кислород и водород в той же пропорции, что и молекулы воды. В принятых у химиков обозначениях состав углеводов записывается в виде C mH 2nO n. Первым в процессе фотосинтеза образуется простой сахар или моносахарид, называемый глюкозой (глюкоза в большом количестве содержится в фруктах). Ее формула имеет вид C 6H 12O 6. Две молекулы глюкозы, объединившись, образуют молекулу, сахарозы C 12H 2 2O 11. Это тот самый сахар, который вы кладете в чашку кофе. Объединяя моносахариды в длинные цепочки, или полимеризуя их, если воспользоваться техническим термином, можно получить крахмал и целлюлозу, которая служит основной компонентой структур растительного происхождения, например, древесины и хлопка. Различие между полимерами определяется небольшими различиями в порядке, в котором моносахариды соединены в цепочку. Дальнейшие реакции между образующимися в ходе фотосинтеза химическими соединениями с высоким содержанием энергии и малым содержанием энтропии приводят к формированию всех остальных сложных органических молекул, в частности молекул белков, из которых состоят тела всех растений и животных.

Разумеется, помимо способности осуществлять фотосинтез все растения обладают также дыхательном механизмом, аналогичным дыхательному механизму животных. Действительно, происходящий в растениях фотосинтез правильнее было бы сравнивать с питанием животных.

Фотосинтез происходит только в том случае, когда имеется пища — в данном случае солнечный свет. Что же касается дыхания растений, то оно происходит все время, как и у животных. В частности, ночью, когда фотосинтез прекращается, дыхание составляет основную часть биохимической активности растений.

— Из того, что ты мне успел рассказать, — прокомментировал мистер Томпкинс, — у меня складывается впечатление, что в наше время биология становится гораздо более точной наукой, чем прежде, и ее можно в какой- то мере сравнить с физикой и химией.

— Согласен, — кивнул Уилфред, — биология, бывшая до недавнего времени чисто описательной наукой, ныне быстро превращается в точную науку. Этот этап, которого рано или поздно (в зависимости от сложности предмета изучения) достигает любой раздел науки, характеризуется открытием основных элементарных процессов, лежащих в основе наблюдаемой сложности макроскопических явлений. Если обратиться к состоянию физической науки сто лет назад, то обнаружится, что в ту пору она по существу представляла собой из огромного количества внешне не связанных между собой данных о механических, химических, тепловых, оптических, электрических, магнитных и других свойствах материальных тел, т.е. была своего рода каталогом с более или менее удачной рубрикацией. Ситуация резко изменилась с появлением молекулярной и атомной теорий и позднее, когда мы начали устанавливать внутреннюю структуру отдельных атомов и их ядер, получили возможность свести все разнообразие сложных крупномасштабных явлений к движениям и взаимодействиям частиц, из которых состоят все материальные тела. Мы обнаружили, что законы, управляющие этими элементарными явлениями, сравнительно немногочисленны и весьма просты, поэтому вся структура физической науки может быть основана на ограниченном числе фундаментальных понятий и законов подобно тому, как евклидова геометрия основана на не очень большом числе основополагающих определений и аксиом. Тем самым мы докопались в физике до самого основания тех сложных структур, с которыми сталкивались исследователи в прошлом.

Неудивительно, что биологии потребовалось несколько больше времени, чем физике, для того, чтобы открыть свои элементарные законы и принципы, поскольку биология изучает несравненно более сложные явления. Но сейчас нам, кажется, удалось добраться до твердого грунта, и прогресс двинулся семимильными шагами. Вскоре, как я полагаю, нам удастся разгадать древнюю загадку жизни, по крайней мере в том виде, в котором мы ее сейчас понимаем.

— А существуют ли еще какие-нибудь фундаментальные принципы биологии, которые нам уже известны, — спросил мистер Томпкинс, — кроме того, что живая материя подчиняется законам физики?

— Поскольку старое понятие «жизненной силы» (vis vitalis) удалось переопределить в физических терминах как способность всего живого утилизировать негативную энтропию, — сообщил Уилфред, —применимость начал термодинамики к живым организмам, которая была установлена нами, не решает всех проблем биологии. Человек сжигал дрова и уголь на протяжении огромного периода времени, но покуда не был изобретен паровой двигатель, топливо не стало движущей силой.