Обитатели земных глубин. О самых странных существах на планете - Карен Ллойд

электроны перемещаются во всех направлениях, так что клетка получает доступ к энергии почти незамедлительно. Для каких-то микробов точный механизм неизвестен, мы просто называем его прямым межвидовым переносом электронов (direct interspecies electron transfer, DIET). Когда я слушаю ученых, занимающихся изучением таких микробов, их выступления больше напоминают мне доклады специалистов по электронике, нежели биологов, поскольку они оперируют такими терминами, как циклическая вольтамперометрия, катоды и аноды. Хотя на электроны приходится лишь десятимиллиардная доля массы атома, живые существа давно поняли, что именно в них заключается вся сила. Когда речь идет о термодинамических условиях для жизни, разумно исключить все промежуточные химические структуры и сосредоточиться непосредственно на электронах. Преимущество такого подхода в том, что не нужно ждать, пока химические вещества проникнут в клетки. Можно просто отрезать вилку от удлинителя и применить его в качестве дыхательной трубки.

Скорость тоже важна

Однако не все химические реакции, сопровождающиеся выделением энергии, могут служить для поддержания жизни. Некоторые происходят слишком быстро. Скоростями реакций занимается кинетика, и она важна не меньше, чем термодинамика. Можно сказать, что отдельные химические вещества так сильно желают соединиться друг с другом и взаимодействуют столь быстро, что у живых существ просто нет времени выхватить высвобождающуюся энергию. А какие-то реакции протекают, наоборот, медленно. И жизнь этим охотно пользуется. Химические реакции словно благодарят микробов за помощь в своем осуществлении, расплачиваясь с ними энергией.

Если вы, например, летите в Нью-Йорк, чтобы посмотреть шоу на Бродвее, теоретически вы можете пройти расстояние километров в шестнадцать от аэропорта до театра пешком. Но с большой вероятностью вы предпочтете взять такси или поехать на метро, чтобы ускорить процесс. Живые организмы ускоряют химические реакции, которые хотят осуществиться, но по той или иной причине не могут сделать это быстро. Все живые существа на Земле – своего рода таксисты, которые доставляют химические вещества к месту назначения. Но, как все таксисты, они делают это за плату. Плата поступает в виде градиента протонов, который я описывала в предыдущей главе. Этот градиент используется для производства АТФ и для запасания энергии, которую клетка затем может потратить на разные нужды, например на то, чтобы противостоять воздействию кислоты или щелочи. Но если химическая реакция и так протекает достаточно быстро, живые организмы остаются без работы. И этот физический принцип фактически переворачивает наши представления о жизни: быть может, жизнь эволюционировала не благодаря тому, что научилась выхватывать энергию из химических реакций, а по той причине, что медленным химическим реакциям нужны были катализаторы? Может быть, миром управляют химические соединения?

Вот еще один пример, позволяющий углубить нашу аналогию: рассмотрим реакцию между сульфидом и кислородом. Атом серы в сульфиде нагружен максимальным количеством электронов, с которым только может управиться, и поэтому ищет, куда бы их пристроить. А кислород, напротив, – одна из самых жадных до электронов молекул во всей Вселенной, которая с удовольствием примет электроны от сульфида. В большинстве условий эти два вещества реагируют слишком быстро, чтобы живые существа успели поучаствовать в процессе. Но в природе есть немало мест, где кислород и сульфиды разделены физической преградой и не могут взаимодействовать напрямую. В частности, в зловонных отмелях у океанских берегов сульфиды находятся глубоко под слоем ила, куда не проникает кислород из воздуха. В таких местах иногда можно увидеть торчащие из ила тонкие белые нити. Это нитчатые бактерии. Они частично окисляют сульфид, превращая его в твердую элементарную серу, которую затем переносят к кислороду, вертикально скользя в своих чехлах, как пчелы, переносящие пыльцу с одного растения на другое. И когда сера и кислород наконец встречаются, они готовы реагировать, а бактерии, окисляющие сульфид, запасают выделяющуюся в ходе реакции энергию. Как хорошо оплачиваемые таксисты.

Правила жизни

Жизнь обитателей земных недр чрезвычайно сложна, так зачем нам интересоваться какими-то общими термодинамическими законами? Нельзя ли просто продолжать потихоньку открывать новые способности живых существ, не обращая внимания на объединяющие принципы, которые ими управляют? Нет, так не получится, если мы надеемся продвинуться дальше по сравнению с нашими сегодняшними знаниями. Понимание термодинамических законов жизни дает возможность предсказывать, где еще мы можем ее обнаружить, будь то какие-то странные места на Земле или вообще другие планеты.

Итак, вот какие термодинамические ситуации применимы к жизни.

1. Процессы с выделением энергии (отрицательное значение ΔG), но замедленные или заблокированные. Это важный источник энергии для поддержания жизни. Там, где наблюдается такая ситуация, есть шанс обнаружить живых существ.

2. Процессы с выделением энергии (отрицательное значение ΔG), которые происходят так быстро, что живые существа не успевают принять в них участие, или в которых выделяется так мало энергии, что бессмысленно ее использовать. Эти условия бесполезны для жизни, и такие реакции можно назвать абиотическими. Пример реакции такого типа – огонь[42].

3. Процессы, требующие дополнительного энергетического вклада (положительное значение ΔG). Такие процессы не могут обеспечивать функционирование живых организмов. Если клетке нужно осуществить подобную реакцию, ей придется затратить энергию, полученную из другого источника, или манипулировать величиной Q, чтобы изменить знак ΔG.

4. Процессы, протекающие без выделения или поглощения энергии (ΔG = 0). Это смерть.

Вот и все. Термодинамические правила, определяющие границы жизни, несложные, но важные. Они показывают: даже если нам кажется, что мы уже имеем исчерпывающий список процессов, обеспечивающих существование живых организмов, есть еще гораздо больше неоткрытых возможностей. Каждый раз, когда ученый говорит: “Ага, эта химическая реакция могла бы поддерживать жизнь. Интересно, так ли это…” – в конечном итоге совершается важное открытие. Открытия такого рода происходят раз в несколько лет – маленькие подарки для геобиологов. И некоторые процессы получили симпатичные названия. Например, название процесса “анаммокс” похоже на имя злодея из вселенной Marvel. Существование этого процесса было предсказано в 1970-е годы, а открыт он был в 1990-е. Анаммокс – это реакция окисления аммония (отхода жизнедеятельности других микробов), сопряженная с восстановлением нитрита (соединения азота в промежуточной степени окисления), в изобилии присутствующего в нидерландских каналах5. Микробы, живущие за счет анаммокса, выделяют гидразин. А гидразин – это ракетное топливо, которое во время Второй мировой войны использовали для заправки истребителей, а теперь применяют в более мирных целях, например для отправки космических кораблей на Марс.

У нас есть достаточно оснований полагать, что в последующие годы мы обнаружим новые типы дыхания6[43]. Как создатель периодической таблицы Дмитрий Менделеев на основании атомных масс предсказал существование химических элементов, которые были открыты только через несколько лет, так и мы можем использовать наши знания об окислительно-восстановительных