Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности - Лейн Николас

Химическими процессами управляют термодинамика и кинетика. Законы термодинамики предопределяют, какие из состояний материи более стабильны – иными словами, какие молекулы будут получаться в результате реакции при условии неограниченного времени. Законы кинетики указывают скорость реакций и позволяют понять, какие продукты образуются при реакции за фиксированный срок. Исходя из термодинамических закономерностей, CO2 будет реагировать с водородом (H2) с образованием метана (CH4). Это экзотермическая реакция, она протекает с выделением тепла. За счет этого повышается энтропия окружающей среды – по крайней мере в определенных условиях, благоприятствующих протеканию реакции. Реакция пойдет самопроизвольно, если предоставить ей такие условия (в данном случае это умеренная температура и отсутствие кислорода). Если температура слишком высока, CO2 становится стабильнее метана. А в присутствии кислорода водород будет реагировать преимущественно с ним, образуя воду. Четыре миллиарда лет назад умеренная температура и бескислородная среда щелочных источников должны были способствовать реакции CO2 с H2 с образованием CH4. Даже сейчас, в присутствии кислорода, Затерянный город производит немного метана. Геохимики Ян Аменд и Том Макколлом рассчитали, что в условиях щелочного гидротермального источника образование органических веществ из H2 и CO2 остается термодинамически выгодным до тех пор, пока в среде нет кислорода. Это впечатляет. В таких условиях, при 25–125 °C, формирование тотальной клеточной биомассы (аминокислот, жирных кислот, углеводов, нуклеотидов и т. д.) из H2 и CO2 действительно экзергонично. Это значит, что органическая материя при таких условиях должна самопроизвольно формироваться из H2 и CO2. В результате образования клеток выделяется энергия и повышается общая энтропия.

Но (и это сильное возражение) заставить реагировать H2 и CO2 очень непросто: препятствует кинетический барьер. Хотя термодинамика и утверждает, что они должны самопроизвольно реагировать, некое препятствие не дает этому случиться. H2 и CO2 почти безразличны друг к другу. Чтобы заставить их вступить в реакцию, нужно много энергии: бомба, которая проломит барьер. Тогда H2 и CO2 вступят в реакцию. Вначале будут образовываться частично восстановленные вещества. CO2 может принимать электроны только парами. Приобретая пару электронов, CO2 превращается в формиат (HCOO–). Приняв еще два электрона – в формальдегид (CH2O), а следующие два – в метанол (CH3OH). Наконец, последняя пара дает полностью восстановленный метан (CH4). Конечно, живые организмы состоят не из метана – основой жизни служит частично восстановленный углерод, в грубом приближении представляющий собой нечто среднее между углеродом в формальдегиде и углеродом в метане. Это означает, что на пути возникновения жизни из CO2 и H2 стоят два кинетических барьера. Первый нужно преодолеть, чтобы получить формальдегид или метанол. А второй не должен быть преодолен! Приняв H2 и CO2 в свои теплые объятия, клетка в последнюю очередь желала бы, чтобы реакция пошла до конца и образовался метан. В этом случае ее содержимое разлетелось бы, рассеялось, улетучилось. Похоже, жизнь точно знает, как сделать первый барьер ниже и как поддерживать второй (опуская его лишь при необходимости энергии). Но что случилось в самом начале?

Если бы существовал простой и экономичный способ заставить CO2 реагировать с H2, затрачивая на это не более энергии, чем получается на выходе, мы немедленно им воспользовались бы. Это был бы огромный шаг на пути к решению глобальной энергетической проблемы. Представьте себе: искусственный фотосинтез, с помощью которого можно расщепить воду на H2 и O2! И это уже реальность. Но у водородной энергетики есть свои недостатки. Гораздо лучше заставить реагировать H2 и CO2 из воздуха, получая природный газ – или даже синтетический бензин! Тогда можно сразу сжигать этот газ на электростанциях. При этом выброс CO2 уравновешивался бы его забором. Мы смогли бы остановить повышение концентрации CO2 в атмосфере, избавиться от зависимости от ископаемого топлива. Энергетический кризис нам точно не грозил бы. Пока мы не преуспели в поиске экономичного осуществления этой реакции. Вряд ли можно добиться более высокого выхода. А вот клетки, даже самые простые, делают это постоянно. Так, метаногены получают нужные им для роста углерод и энергию в результате реакции H2 с CO2. Но вот еще более сложный вопрос: как эта реакция могла идти до возникновения живых клеток? Вехтерсхойзер отверг такую возможность. Он решил, что жизнь не могла начаться с реакции CO2 и H2, потому что те просто не стали бы реагировать[47]. Даже высокое давление, как на дне океана, где находятся гидротермальные источники, не заставило бы H2 вступить в реакцию с CO2. Вот почему Вехтерсхойзер отстаивал идею пиритного пуллинга. Но один способ все же есть.

Протонная сила

Окислительно-восстановительные реакции предполагают перенос электронов от донора (в данном случае H2) к акцептору (CO2). Готовность молекулы отдавать свои электроны называют восстановительным потенциалом. Это не слишком правильная аналогия, но она довольно проста для понимания. Если молекула “хочет” избавиться от своих электронов, восстановительный потенциал принимает отрицательное значение. Чем сильнее она хочет это сделать, тем отрицательнее потенциал. Напротив, если атом или молекула жаждут электронов и готовы их отрывать почти отовсюду, то восстановительный потенциал положителен (можно рассматривать это как притягивание отрицательно заряженных электронов). Кислород “хочет” захватывать электроны (окисляя любое вещество, у которого он их забирает), демонстрируя свой очень высокий положительный восстановительный потенциал. Все эти понятия на самом деле относятся к так называемому стандартному водородному электроду, но сейчас не стоит об этом беспокоиться[48]. Важно, что молекула с отрицательным восстановительным потенциалом склонна избавляться от электронов, передавая их любой молекуле с более высоким восстановительным потенциалом, но не куда-либо еще.