Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Итак нам остается только углерод — самый универсальный, самый гибкий, самый полезный элемент из всех. Углерод — это элемент жизни.

Создание жизни: что может сделать углерод?

Короткий ответ: почти всё. Задача, стоящая перед углеродом, — создать удивительный спектр молекул, которые выполняли бы все разноплановые функции жизни. Один из важнейших их признаков — форма. Успешное функционирование молекул жизни зависит в значительной степени от их трехмерной конфигурации. В некоторых случаях потребность в простой функциональной форме очевидна. Столь различные образования, как связки и сухожилия, виноградная лоза и усики растений, паутина и человеческий волос, требуют прочной связи в одном измерении, чтобы создавать напоминающие веревку волокнистые формы. Углерод проворачивает подобный фокус, связываясь в длинные, прочные, похожие на цепочки полимеры.

В отличие от них, плоские слои углеродсодержащих молекул формируют тонкие гибкие мембраны, окутывающие клетки; прочные хрящи, подстилающие ваши суставы, а также вашу гладкую, эластичную кожу. Более сложные комплексы молекул выполняют разнообразные механические функции — туннелевидных молекулярных проходов в оболочках клеток, крошечных конвейерных лент для перемещения питательных веществ внутри клетки, трубопроводов, по которым текут жидкости, и даже субмикроскопических молекулярных моторов, толкающих сперму навстречу яйцеклетке, которая ждет оплодотворения.

Кроме того, жизнь требует многоцелевого химического набора инструментов, чтобы выполнять разные химические задачи и трюки. Некоторые полезные молекулы действуют как ножницы — обрабатывают пищу, срезая маленькие потребляемые фрагменты с больших частиц. Ваш желудок заполнен молекулами, которые переваривают белки, или жиры, или сложные углеводороды, уменьшая куски пищи до годных к обработке молекулярных кусочков. Другие молекулярные инструменты с восхитительно эволюционировавшими формами эффективно скрепляют две меньшие молекулярные мишени в новый продукт, или сортируют молекулы по схожим группам, или складывают молекулу-мишень в новую полезную конфигурацию. Некоторые из этих молекулярных инструментов содержат тысячи атомов в трехмерных формах поразительной сложности. Не одна Нобелевская премия была присуждена за дешифрование структуры и функции только одного такого молекулярного чуда.

Углерод — единственный химический элемент, который может выполнять роль скелета для столь разнообразного массива сложных молекул. Его секрет кроется в химической гибкости. Будучи элементом №6, что на полпути между магическими числами 2 и 10, углерод может достигать стабильного состояния, добавляя электроны, отдавая их или делясь ими с двумя, тремя или четырьмя соседними атомами.

Химический секрет жизни — в контроле электронов. Жизнь зависит от строго регулируемой последовательности химических реакций — сложных процессов, которые забирают энергию, хранят энергию и используют энергию, чтобы создавать живые ткани. Все основные химические реакции жизни вызывают перестановку атомов и их электронов. Контролируйте движение атомов и электронов — и вы сможете контролировать главные процессы жизни.

Углерод достигает этой цели, поскольку соединяется напрямую с десятками разных элементов, включая и себя самого, а также создает широкий диапазон локальных химических сред. Хотя большинство атомов углерода окружает себя четырьмя соседними атомами и каждый привносит один электрон, чтобы достичь желаемого магического числа 10, углерод также образует двойные связи, делясь с другим атомом — обычно с кислородом или с самим собой — двумя электронами. В результате образования двойных связей у атомов углерода появляется всего два или три ближайших соседа, а не четыре, как обычно. В особых случаях углерод может образовывать даже тройные связи, делясь тремя электронами с другим атомом, чаще всего с азотом или еще одним атомом углерода. Атому углерода с тройной связью нужен лишь один дополнительный электрон, который ему обеспечивает один дополнительный атом-сосед. Эти разные варианты связей сильно увеличивают геометрическое разнообразие углеродсодержащих молекул.

Некоторые из получившихся в результате конфигураций, например украшенная множеством атомов водорода длинная цепь атомов углерода, приводят к образованию углеводородных молекул, в которых каждый атом и каждый электрон находятся в довольно стабильном неактивном состоянии. За исключением случаев экстремального химического разрушения — скажем, при горении в присутствии активного кислорода — атомы и электроны молекулы углеводорода остаются на месте. Следовательно, длинноцепочечные углеводородные молекулы служат эффективными структурными элементами защитных клеточных мембран, а также основными средствами долгосрочного хранения энергии в жирах и маслах.