2.2. Свойства н, о, n и с как основа для возникновения жизни

 

Теперь мы можем вернуться к утверждению Уолда, смысл которого в том, что некоторые элементы особенно существенны с точки зрения химии живых систем. Обратившись к периодической таблице (см. рис. 2–3), мы увидим, что из всех элементов, присутствующих в достаточном количестве в земной коре, лишь Н, О, N и С имеют не более двух электронных оболочек. Гелий и неон – редкие газы, практически инертные, а бор и фтор встречаются лишь в составе относительно редких солей. Металлы литий и бериллий образуют соединения с легко диссоциируемыми ионными связями. Напротив, Н, О, N и С образуют прочные ковалентные связи, обобществляя соответственно один, два, три и четыре электрона, которые им нужны для заполнения внешних оболочек.

Почему так важно, чтобы связи были прочными? Нетрудно представить себе, например, какой хаос воцарился бы в биологическом мире, если бы химические связи в материале, ответственном за наследственность, легко распадались. В ДНК, построенной из атомов Н, О, N, С и Р, в процессе репликации редко происходят какие–либо изменения (т. е. мутации) (В среднем реже, чем на один раз 10 000 репликаций на 1 ген).  Для эволюционного процесса случайные мутации необходимы, однако на весь краткий период существования каждого организма и каждого вида очень важно обеспечить стабильность структуры ДНК и других макромолекул, а это возможно лишь при наличии прочных связей.

Три из четырех основных биологически важных элементов (О, N, С) принадлежат к тем очень немногим элементам, которые способны образовывать двойные или тройные связи. Это значительно увеличивает набор молекулярных конфигураций, получающихся в результате реакции с этими элементами. Кислород, например, может окислить углерод до двуокиси углерода:

 

О = С = О

 

Поскольку две двойные связи полностью насыщают реакционную способность всех трех атомов этой молекулы, молекула СО₂ относительно инертна и способна поэтому диффундировать беспрепятственно из той среды, где она образовалась; затем, однако, она может вновь включаться в круговорот через процессы фотосинтеза в зеленых растениях.

Способность атомов углерода образовывать четыре простых или две двойных связи дает им богатую возможность реализовывать разнообразные комбинации атомов как из одних только атомов углерода, так и с участием других атомов. Атомы углерода могут образовывать линейные или разветвленные цепи и циклические структуры (рис. 2–8), а в сочетании с другими атомами дают практически бесконечное многообразие молекулярных структур и конфигураций.

Рис. 2.8. Примеры многообразия молекулярных структур, образующихся при участии атома углерода.

 

 

Кремний, который расположен в периодической таблице в том же столбце, что и углерод, непосредственно под ним, в некоторых своих свойствах подобен углероду. От углерода он отличается, однако, большими размерами, в силу чего неспособен образовывать двойные связи. Таким образом, он может соединиться с двумя атомами кислорода только двумя простыми связями:

 

				
O		Si		O
		

 

 

 

При этом внешние оболочки у всех трех атомов в двуокиси кремния остаются незаполненными. Поскольку возможности образовывать связи не исчерпаны до конца, молекула двуокиси кремния охотно образует связи с себе подобными; в результате создаются громадные полимерные молекулы, из которых состоят кремнистые породы и песок. Таким образом, очевидно, что кремний, хотя и похож по ряду свойств на углерод, все же пригоден скорее для строительства булыжников, чем для широкого участия в организации биологических молекул.

Кислород помимо важной роли, заключающейся в присоединении водорода с образованием воды, служит еще конечным акцептором электронов в цепи окислительных метаболических реакций, в ходе которых высвобождается химическая энергия. Эта важная способность атома кислорода окислять другие атомы и молекулы (акцептировать их электроны) объясняется тем, что он имеет незаполненную внешнюю электронную оболочку и относительно небольшой атомный вес.

Помимо четырех главенствующих в биологии химических элементов в химических реакциях, протекающих в клетке, участвуют и другие элементы, хотя и в меньшей степени. Это, в частности, фосфор и сера, ионы четырех металлов (Na⁺, K⁺, Mg^2 + и Са²⁺) и ион хлора (Cl¯). Мы еще вернемся к ним.