Разумная жизнь во Вселенной

Что значит сильная или слабая кислота? Сила кислоты или основания определяется количеством положительных и отрицательных ионов. Именно ионы делают кислоты едкими. В водном растворе молекулы серной кислоты Н2SО4 диссоциируют (расщепляются) на положительные ионы Н+ (протоны) и отрицательно заряженные ионы SО42–. Этот ион имеет двойной отрицательный заряд. Основание NaOH в водном растворе образует положительный ион Na+ и отрицательный ион ОН—.

Вполне логично, что кислота и основание при смешении энергично взаимодействуют. При этом положительные и отрицательные ионы нейтрализуют свои электрические заряды. Если взаимодействуют соляная кислота и основание NaOH, то образуются сульфат натрия и вода. Сульфат натрия — это соль.

Когда же соль растворяется в воде, то молекулы соли диссоциируют с образованием ионов на составляющие ее части. Эти части не являются характерными ионами растворителя. Они образуют проводящий электричество раствор, который называют электролитом. Среди органических соединений также имеются кислоты и основания, которые могут реагировать друг с другом или с иными кислотами и основаниями. При этом образуются соли. Важную роль для жизни играет спирт. Это своего рода органическое основание. Если спирт взаимодействует с органической кислотой, то образуется мыльное вещество, которое называют сложным эфиром. Так же и альдегиды характеризуются концевой группой СОН, а органические кислоты — СООН. Если же в углеводороде половина атомов замещена гидроксильными группами ОН с потерей молекулы воды, то образуется углерод.

Что касается углеводов, то они представляют собой соединения углерода и воды. Сюда входят и сахара и крахмалы. Углеводы — это основа жизни. Из них образуются многие другие органические соединения. Но живые организмы используют в качестве основного сырья не углеводороды, а углекислый газ и воду.

Теперь рассмотрим непосредственно химические процессы и соединения, которые лежат в основе жизни.

Жизнь — это расход энергии. А раз есть расход, то должно быть и поступление энергии. Как оно осуществляется? Некоторые сообщества живых организмов могут синтезировать органические вещества непосредственно из неорганических, которые они извлекают из окружающей среды. Такие организмы называются автотрофами, то есть они сами (авто) усваивают энергию окружающей среды. Гетеротрофы — это такие организмы, которые не могут добывать себе энергию сами из окружающей среды. Хотя они и поглощают из окружающей среды кислород, соли, воду и др., но этим они не решают энергетической проблемы своего существования. Поэтому они вынуждены пользоваться для построения своих тканей органическими веществами, которые приготовили ав-тотрофы. Эти вещества при усвоении частично разрушаются и химически перестраиваются. Это необходимо для того, чтобы удовлетворить потребности гетеротрофного организма. Непригодные продукты выбрасываются. Весь это процесс в целом называется обменом веществ, или метаболизмом.

Автотрофы можно назвать первичными организмами. В энергетической цепи они стоят на первом месте. Гетеротрофы — вторичные организмы. Они используют автотрофы — растения и некоторые бактерии. Они получают энергию путем фотосинтеза. Если бы фотосинтез зеленых растений внезапно прекратился, то смогли бы выжить только некоторые простейшие и бактерии.

Источником энергии является солнечное излучение. Оно поглощается зеленым пигментом, называемым хлорофиллом. Это процесс фотосинтеза. Энергия активирует различные реакции, включая разрушение молекулы воды и связывание атмосферного углекислого газа.

В реакции из воды высвобождается кислород. Происходит диссоциация воды, и высвобожденный при этом водород принимает участие в фотосинтезе. Основным стабильным продуктом реакции фотосинтеза является фосфоглице-риновая кислота (ФГК). У зеленых растений имеются молекулы-акцепторы, которые связывают двуокись углерода в присутствии соответствующего катализатора (фермента). Конкретно такой молекулой-акцептором является пентоза. Это сахар, который имеет пять атомов углерода. Он называется рибулозо–1,5-дифосфат.

В процессе фотосинтеза, который представляет собой целую цепочку реакций, атомы углерода переходят из молекулы в молекулу. Эти реакции в основном сходны, но они дают в разных клетках разные органические соединения — углеводы, кислоты, жиры, белки.

Очень важным продуктом фотосинтеза является адено-зинтрифосфат (АТФ). С помощью АТФ происходит ряд химических преобразований. Вначале водород, который получается при расщеплении молекулы воды, взаимодействует с карбоксильной группой (СООН) фосфоглицериновой кислоты и образует триозофосфат. Триоза — это сахар с тремя атомами углерода. При этом образуется и вода. После этого триозофосфат полимеризуется в гексозофосфат. Последний претерпевает дальнейшие изменения. Они состоят в следующем. Во-первых, он образует крахмал в процессе дефосфорили-рования. При этом кроме крахмала образуются и другие органические продукты фотосинтеза. Во-вторых, гексозофосфат через цикл Калвина вновь превращается в рибулозодифос-фат, который способен продолжать ассимиляцию СО2. Все эти процессы весьма сложные и не до конца изученные. Но, тем не менее, можно говорить об определенной общности между структурой реагентов фотосинтеза и строением нуклеиновых кислот. Последние имеют в своей основе пентозо-фосфат. Они образуются путем окисления при участии АТФ. При этом одним из промежуточных продуктов является фос-фоглицериновая кислота. Итак, фосфор и ортофосфорная кислота для структуры живого вещества имеют очень существенное значение.

Как известно, при дыхании происходить окисление, в результате которого высшие организмы и получают энергию. При окислении происходят процессы, обратные процессу фотосинтеза. Это значит, что образованные при фотосинтезе углеводы в результате ряда последовательных превращений вновь дают СО2 и Н2О. В результате окисления запасенная в углеводах при помощи хлорофилла солнечная энергия высвобождается в виде энергии движения, или же она расходуется на другие жизненные потребности.

Но, как мы уже говорили, энергия не обязательно добывается в процессах окисления. Энергия высвобождается и в процессе брожения, при котором углеводы расщепляются на спирты и двуокись углерода. Так что на кислороде свет клином не сошелся. Даже гетеротрофы могут существовать без свободного атмосферного кислорода. Зеленые растения, которые выделяют при фотосинтезе кислород, могут сохранять его внутри своих организмов для дальнейшего использования.

Не менее важен азот (N). Без него нельзя образовать белки живых тканей. Установлено, что некоторые бактерии могут усваивать атмосферный азот. Но это не является основным источником азота для растений. Они получают азот из солей аммония и других имеющихся в почве растворимых неорганических соединений азота, которые входят в жизненный цикл. Сера (S) йод (I) ив определенной мере другие неметаллы, например хлор (Cl), фтор (F), кремний (Si) и бор (B), а также некоторые металлы, в том числе и столь редкие, как ванадий (V) и ниобий (Nb), являются жизненно важными для некоторых специальных процессов и тканей. Тем не менее их количество в составе живого вещества незначительно.

Вернемся к рассмотрению углеводов, обобщенная формула которых имеет вид Cm(H2O)n. Глюкоза — это сахар, у которого m = n = 6 (гексоза). Она является наиболее универсальным источником энергии, которая высвобождается в органических системах в процессах окисления или брожения.

Рибоза тоже является сахаром, у которого m = n = 5 (пен-тоза). Этот сахар как сам по себе, так и с одним потерянным атомом кислорода образует структурную основу нуклеиновых кислот. Эти кислоты содержат в себе запись основных свойств жизни. Наиболее распространенной и наиболее простой органической кислотой является уксусная кислота. Она образуется из двух молекул формальдегида при их соединении и структурной перестройке. Что же касается спиртов, то они образуются при брожении углеводов, главным образом сахаров. Жирные кислоты, как и