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

По сути, живые организмы – это не что иное, как мелкие механизмы, создающие собственные копии с помощью энергии окружающей среды. Разумеется, у них бывают и дополнительные функции – фиксировать то, что происходит вокруг, двигаться или общаться. Наши тела черпают энергию из потребляемой нами пищи, и исследователи полагают, что самые первые живые создания брали необходимую энергию из химических соединений в глубинах океана[16]. По-прежнему существуют целые экосистемы, живущие в кромешной темноте – там, где раздвигаются литосферные плиты. Там сквозь напоминающие трубу структуры, расположенные на дне океана, вырывается поток обогащенной минералами воды – химические соединения этих минералов содержат энергию, необходимую живущим там существам.

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].