g_ryurikov | Введение в биологию

II
Атомы и элементы

Объяснить устройство чего бы то ни было — это объяснить, из каких частей оно состоит, и как эти части соединяются и взаимодействуют между собой. В нашем подлунном мире всё, что можно потрогать, состоит из атомов, и живое не представляет исключения. Из атомов строятся молекулы, из молекул — клетки, из клеток — многоклеточные организмы, совокупности которых образуют экосистемы. На каждом из этих уровней какая-то система является элементарной единицей, «кирпичиком», из множества которых строится система следующего уровня.

Проходя по уровням организации живого, мы сталкиваемся с двумя группами понятий, которые нельзя смешивать. К первой группе относятся понятия, обозначающие объекты, такие как «молекула», «клетка» или «организм». Другая группа включает понятия, обозначающие типы таких объектов: «вещество», «ткань», «вид». Вещество — это совокупность молекул, имеющих одинаковую формулу, ткань — совокупность однотипных клеток и т. д.

Чтобы ничего не упустить, имеет смысл начать с самого базового уровня, с самых простых «кирпичиков». Хоть понятие «атом» и возникло для обозначения самых элементарных частичек материи (в переводе с греческого означает «неделимый»), частицы, которые сейчас принято называть атомами, тоже состоят из каких-то частей. Конкретно — всякий атом имеет ядро и связанные с ним электроны. Ядро обладает положительным зарядом, электроны — отрицательным, в целом атом электронейтрален. В рамках так называемой «планетарной» модели предполагалось, что электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, или спутники вокруг планеты. Такого рода модель предполагает, что в каждый момент времени электрон находится в определённом месте относительно ядра, скажем, «слева» или «справа», и движется по некой предсказуемой траектории. С современным данными такие представления не очень согласуются, и сейчас принято считать, что электроны как бы «размазаны» по своим орбитам. Впрочем, для наших целей это не будет иметь большого значения.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Это частицы, масса которых во много раз превосходит массу электронов, поэтому масса атома определяется прежде всего ядром. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не имеют электрического заряда. Заряд одного протона по модулю равен заряду электрона (и обозначается соответственно +1 или -1). Число протонов, таким образом, определяет заряд ядра атома. Совокупность однотипных атомов (имеющих тот же заряд ядра) называется элементом. Существует очень удобная и наглядная классификация элементов — периодическая система Менделеева. То есть — если, скажем, заряд ядра равен шести — это углерод, если семи — азот. Масса ядра в принципе может отличаться у атомов одного и того же элемента (за счёт разного количества нейтронов), такие разновидности называются изотопами.

Не существует каких-то особенных «атомов живой материи», живое, в общем, состоит из тех же атомов, что и неживое. По этой причине у нас только одна таблица Менделеева, и нет отдельной таблицы для живой природы (впрочем, исходя из того, что мы знаем про обмен веществ, трудно представить, чтобы было иначе). Но вот в количественном отношении живая природа имеет свою специфику. Скажем, вообще во Вселенной очень много гелия. А вот в составе живых организмов с гелием как-то не очень. Впрочем, это неудивительно — гелий относится к так называемым инертным газам, которые вообще не очень склонны образовывать химические соединения. Здесь можно возразить, что это не мешает гелию входить в состав звёзд, и играть в них очень важную роль (собственно, в звёздах гелий образуется из водорода, и за счёт энергии, выделяемой в ходе этого превращения, звёзды светятся). Но дело в том, что живое не использует превращение атомов одних элементов в другие, такие реакции в живых организмах в принципе могут происходить, но они, мягко говоря, нетипичны для них (и в большинстве случаев нежелательны). Вместо этого, процессы, происходящие на уровне атомов и характерные для живого — это межатомные взаимодействия, в ходе которых атомы могут соединяться, перекомбинироваться, но не превращаться в атомы других элементов. Такие процессы изучает химия. Поэтому знание азов химии для биолога более критично, чем ядерной физики.

Элементы, из атомов которых состоят живые организмы — это в первую очередь углерод (С), водород (H), кислород (O), азот (N) и фосфор (P). Важно не путаться — слово «водород», например, может означать и элемент (H), и соответствующее ему простое вещество (H₂). Атомы других элементов тоже, разумеется могут обнаруживаться в составе живых организмов (и даже выполнять там очень важные функции), но по массе их будет уже намного меньше.

Итак, атомы могут взаимодействовать между собой, образуя химические связи. Связи бывают разными — ковалентными (в этом случае у атомов имеются «общие» электроны), ионными (один атом отбирает электроны у другого), водородными (за счёт электрического притяжения атомов, отдавших кому-то свои электроны, к атомам, у которых есть «лишние»). Совокупность соединённых между собой атомов представляет из себя молекулу. К примеру, два атома водорода, соединённые с одним атомом кислорода, составляют молекулу воды. В первом приближении можно считать, что вода — это совокупность молекул, каждая из которых имеет строение H₂O. На самом деле, далеко не всякое вещество состоит из отдельных молекул (например, в кристалле поваренной соли NaCl все атомы связаны друг с другом, образуя кристаллическую решётку). Но тем не менее, представление о молекуле как об элементарной единице вещества можно считать базовым, а соответствующее ему строение — типичным (с определёнными оговорками, о которых ещё пойдёт речь).