Extremes. На пределе

В обычном состоянии атом или молекула электрически нейтральны. В состав атомного ядра входит некое количество протонов — положительно заряженных частиц, а вокруг него по орбитам вращается равное количество отрицательно заряженных электронов. Но и атомы, и молекулы достаточно легко то теряют, то присоединяют электроны, и тогда электрическая нейтральность нарушается. Для этого требуется некоторое количество энергии, которая возникает в результате химической реакции, под воздействием радиации или электрического разряда. Атомы превращаются в ионы, и свойства их меняются. Ионы более подвижны, подвержены воздействию электрических и магнитных полей или сами способны их генерировать. В организме ионы могут проникать сквозь биологические (пористые) мембраны, причем отрицательные заряды стремятся нейтрализовать положительные.

В живых клетках формируется разность потенциалов ионных зарядов, находящихся по разные стороны биологических мембран. Эта разность потенциалов лежит в основе неравновесного состояния, характерного для живых систем, в отличие от многих других физических систем, которые не могут бороться с ростом энтропии, ведущим к общему равновесию. Создается возможность для возникновения чего-то неизмеримо более динамичного: живого существа.

Чтобы яснее представить, о чем речь, вообразите самолет недорогой авиакомпании, заполненный только наполовину. Скажем, рейс достаточно дальний, и компания решает подзаработать. Для этого команде дают распоряжение запихнуть всех пассажиров в головной отсек самолета, как сельдей в бочку, и полностью освободить хвостовой отсек. (Думаю, вы согласитесь, что ситуация сама по себе чревата высвобождением большого количества сдерживаемой энергии.) А теперь представьте, что директор авиакомпании решает позволить пассажирам сесть кто где захочет, только пусть дополнительно заплатят ему за это 10 долларов. Пассажиры немного покричат и пошумят, но в конечном итоге большинство решит, что тесниться в одном отсеке хуже, чем заплатить небольшую сумму и получить возможность занять наконец вожделенные свободные места. В результате салон самолета заполнится равномерно, а в директорском кармане осядет некоторая наличность.

С ионами и энергией внутри организма происходит примерно то же. Затратив некое количество энергии на создание искусственного неравновесия (в случае с организмом — закачав ионы туда, где они не хотят находиться), а потом собирая и накапливая ее по мере того, как система станет возвращаться в состояние равновесия, энергию можно сохранять для дальнейшего использования.

В окружающей природе мы видим такое каждый день. Возьмем погоду: ветры — потоки воздуха — дуют из зон высокого давления туда, где давление низкое. Так проявляется неравномерность (разность давления) и естественная тенденция к сглаживанию этой разницы. И как энергию возникающего ветра можно использовать и преобразовывать с помощью турбин, точно так же организм человека может использовать ионный поток, проходящий через мембрану.

Итак, ионный поток и использующая его тонкая, совершенная система — все то, что делает возможным сложные жизненные процессы и благодаря чему целое не равняется сумме составляющих его частей (в данном случае целое по имени Роберт Скотт), — работало вхолостую.

Студентом я не понимал ни красоты, ни важности всей этой биохимии. Норовил спрятаться на заднем ряду, подальше от доски с заумными символами и уравнениями. Помню, дремлю я тихонько, пока преподаватель биохимии пытается растолковать нам все хитросплетения клеточных процессов и поведать про молекулярные насосы, переносящие ионы через клеточные мембраны, создавая ту самую жизненно необходимую неравномерность. В стенах лекционной аудитории эти химические события казались эзотерическим знанием, имеющим лишь смутное отношение к таким вещам, как медицина и жизнь. Для меня, астрофизика-переучки, они стояли лишь на четвертом месте в ряду приоритетов — после анатомии, общей физиологии и желания выспаться.

Потребовались годы работы в медицине, чтобы оценить по достоинству эти незаметные процессы, позволяющие биологическим системам запасать и высвобождать энергию. Каждая из этих биохимических мини-фабрик в отдельности вроде бы не имеет ничего общего с чудом жизни, однако в совокупности они и есть жизнь. Они — это всё, что мы делаем, они и есть мы.

Итак, повторюсь: за свою сложность организм человека вынужден платить. Ради того чтобы все колесики вертелись исправно, приходится тратить энергию и гнать ионы туда, где им быть вовсе не хочется. Когда эта цена становится для организма непосильной, простота вновь вступает в свои права. В данном случае простота — синоним смерти.

***