Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы

Сегодня почти все земные живые существа получают энергию от Солнца – или напрямую, посредством фотосинтеза, или употребляя в пищу молекулы, хранящие в себе солнечную энергию. В процессе фотосинтеза энергия солнечного света расходуется на то, чтобы расщепить диоксид углерода и воду на углерод, водород и кислород. Затем атомы объединяются и строят новые комбинации – таким образом, появляются богатые энергией молекулы, известные нам как углеводы, белки и жиры. Судя по всему, фотосинтез возник у живущих в океане бактерий – в субботу, примерно в 15:00. Сегодня в этом процессе задействованы все зеленые растения, деревья и синезеленые водоросли. Во всем, что содержится в этих организмах, есть капелька солнечной энергии.

Когда диоксид углерода и вода превращаются в растительный материал, остаются атомы кислорода. Организмы, осуществляющие фотосинтез, выбрасывают атомы кислорода в форме молекул: в них атомы кислорода связаны друг с другом попарно. Молекулы кислорода имеют ярко выраженное свойство вступать в реакции с другими соединениями: нам это известно по огню – это не что иное, как кислород, вступающий в реакцию с углеродом и прочими горючими веществами и высвобождающий энергию в форме тепла, – поэтому мы не нашли бы молекул кислорода ни в океане, ни в атмосфере, если бы их постоянно не воспроизводил тот или иной источник. Кислород – жизненно необходимый для нас газ – непрерывно образуется в результате фотосинтеза. Однако изначально в атмосфере Земли молекул кислорода не было. Первым организмам кислород для выживания тоже не требовался.

До начала процесса фотосинтеза в Мировом океане было растворено огромное количество железа. Сейчас уже такого нет. В настоящее время при контакте с водой поверхность железа быстро становится красной, грубой и легко ломается. Этот красный материал, ржавчина, – химическое соединение железа и кислорода. Пока в воздухе и воде есть кислород, незащищенное железо всегда заржавеет.

После обеда в субботу, между 15:00 и 18:45, заржавели океаны. Весь кислород, образованный на первых этапах фотосинтеза, вступил в реакцию с железом – он осел на дно в виде ржавчины. Постепенно ржавчина преобразовалась в толстый слой слоистой породы. Сегодня мы выкапываем эту красную породу, отделяем кислород в больших печах и используем железо для изготовления ножей и рельсов.

Когда основная масса железа заржавела, в океане начал накапливаться кислород. Для большинства первых появившихся на планете созданий кислород – смертельный яд. Таким образом, фотосинтез привел к одному из самых массовых истреблений видов за всю историю нашей планеты[17]. Однако были существа, сумевшие извлечь из кислорода пользу. Они воспользовались имеющимся в окружающей среде кислородом для высвобождения солнечной энергии из организмов, которых они употребляли в пищу. Так они получали энергию, необходимую для поддерживания собственных жизненных процессов – самостоятельно заниматься фотосинтезом им уже было не нужно.

В то время как огромное количество форм жизни сдались под натиском ядовитого кислорода, пользовавшиеся им организмы приобрели огромное преимущество. Мы – их потомки. Энергия, которую вы тратите на чтение этой книги, движение глаз и преобразование текста в информацию в мозге, – результат химических реакций, во время которых в клетках тела кислород и углеводы превращаются в диоксид углерода и воду.

Постепенно океанская вода насыщалась кислородом, и он стал подниматься из океана в атмосферу. Как следствие, на Земле произошли значительные перемены. Наша планета непрерывно излучает в космос тепло, и температура на ее поверхности сильно зависит от того, какое количество этого излучения удерживают газы в атмосфере. Мы зовем это явление парниковым эффектом. Раньше атмосфера была богата метаном – он вбирает большое количество теплового излучения, а потому поверхность Земли не остывала[18]. Когда из-за кислорода метан в атмосфере стал расщепляться, парниковый эффект ослаб, и планета погрузилась в глобальный ледниковый период. До самого вечера субботы, до 21:15, огромная часть биоразнообразия, появившегося в океане, погибла от холода[19].

В высших слоях атмосферы молекулы кислорода столкнулись со светом Солнца, несущим огромные запасы энергии – два атома кислорода оторвались друг от друга. Когда одиночные атомы сталкивались с пролетавшими мимо молекулами кислорода, образовывался озон – молекула, состоящая из трех атомов кислорода. Озоновый слой оказался эффективной ловушкой для наиболее насыщенной энергией части солнечного света. Достигнув земной поверхности, этот свет способен уничтожить наиболее уязвимые органические молекулы. Сегодня благодаря озоновому слою мы находимся под отрытым небом, не нанося серьезных повреждений глазам и коже.