«Обитатели земных глубин. О самых странных существах на планете»

Жизнь на Земле существует даже там, где, казалось бы, ее быть не может: на глубине нескольких километров под океанским дном. Населяющие подземный мир микроорганизмы процветают в щелочной среде и при высоких температурах, не нуждаясь в кислороде и солнечном свете. В книге «Обитатели земных глубин. О самых странных существах на планете» («Corpus»), переведенной на русский язык Татьяной Мосоловой, биогеохимик и микробиолог Карен Ллойд рассказывает, как ученые обнаружили формы жизни, существующие в невообразимых условиях, каким образом они изменили наши представления о мире и чем могут помочь в борьбе с изменениями климата. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом о том, как жизнь получает энергию под землей.

Как термодинамика определяет границы жизни?

«Термо» означает «тепло», а тепло — это форма энергии, тогда как «динамика» означает «движение» или «изменение». Таким образом, термодинамика занимается вопросами превращения энергии, а это важнейшая функция жизни в нашем понимании. Для деления клеток необходимо копировать ДНК, предварительно развернув двойную спираль, а это химическая реакция. Бактериальная клетка перемещается в чашке Петри за счет целого каскада химических реакций. Почти все, что делает клетка — микробная или человеческая, — это результат химических реакций. Для осуществления химических реакций любой живой клетке нужна энергия. И каждая клетка получает эту энергию из других химических реакций. 

Функции жизни можно свести к следующему: жизнь перемешивает химические вещества, выделяющие тепло или энергию (как маленькие грелки для рук, которые греют, когда их встряхивают), и потом использует энергию от этих химических реакций для чудесных, ужасных или будничных дел. А термодинамика определяет законы переноса энергии между этими химическими реакциями. 

Одна из важнейших химических реакций, обеспечивающих энергию для жизни, — это дыхание. У тех из нас, кто на древе жизни располагается на ветви животных, слово «дыхание» вызывает сильные эмоции, поскольку без дыхания мы не проживем и нескольких минут. Но что такое дыхание на самом деле? Вообще говоря, дыхание не сводится к затягиванию воздуха в легкие. Легкие тут ни при чем. Приравнивать дыхание к заполнению легких воздухом — все равно что приравнивать ужин в ресторане к заказу блюд у официанта. Чтобы поужинать, сделать заказ действительно придется, но суть ужина заключается в еде. Аналогично суть дыхания — не заполнение легких кислородом, а химические реакции с участием этого кислорода. 

Законы термодинамики определяют, достаточно ли клеткам энергии, полученной от дыхания, для реализации всех необходимых функций. Можно рассуждать следующим образом: дыхание — как первый спуск на американских горках. Все американские горки начинаются с того, что вагончики поднимаются на высокий холм, а потом падают с его вершины. Импульс, возникающий при этом первом падении, питает всю последующую серию подъемов и спусков, так что на траектории аттракциона вы уже никогда не поднимаетесь выше, чем в первый раз, поскольку для этого нужно больше энергии, чем у вас было изначально. Вот и энергии, которую организм получает от дыхания, должно хватать на реализацию всех клеточных функций. Клетки должны двигаться, защищаться, общаться между собой и воспроизводиться. Чем выше первый подъем, тем больше они смогут сделать. 

В конце 1800‑х годов физик-теоретик Джозайя Уиллард Гиббс разработал количественную теорию для описания превращений энергии, и с ее помощью можно оценить, сколько энергии мы получаем при первом падении с «американских горок» жизни. Этот параметр называется свободной энергией Гиббса ΔG (произносится «дельта Же»). Символ Δ обозначает разницу между двумя химическими состояниями (между верхней и нижней точкой американских горок), и поэтому ΔG — это количество энергии, выделяющейся в ходе химической реакции (или при первом падении на американских горках). Если величина ΔG отрицательная, есть энергия для жизни. Если она положительная, жизнь должна затратить энергию, чтобы произвести химическую реакцию. А когда ΔG равно нулю, никаких химических реакций не происходит, иными словами, это смерть. Таким образом, ΔG — чрезвычайно важный показатель для изучения жизни, поскольку он сообщает, при каких условиях, если использовать метафору, реакции кладут деньги в банк, какие реакции стоят денег и какие реакции не могут протекать, пока что‑то не изменит их ΔG. 

Я считаю, что свободная энергия Гиббса — ключевой параметр в разгадывании тайны жизни на Земле или даже во всей Вселенной, и поэтому мне кажется целесообразным чуть‑чуть позаниматься математикой, чтобы понять суть этой величины. И даже если вы, как и я, не большой любитель математики, последуйте за мной, поскольку понимание смысла ΔG придаст вам сил. 

Параметр ΔG можно выразить в виде суммы двух слагаемых. Первое слагаемое ΔG⁰ (так называемая стандартная энергия Гиббса, произносится «дельта Же ноль») говорит о том, насколько хороши химические соединения, чтобы реагировать между собой. Вспомните о химических грелках для рук. Реагенты — это химические вещества, которые вступают в реакцию, когда вы встряхиваете грелку (в данном случае это порошок железа и кислород), а продукты — это вещества, образующиеся в результате реакции (оксид железа, или ржавчина). ΔG⁰ сообщает, какова вероятность, что взятые вами вещества будут реагировать между собой. Химические вещества в грелках для рук (порошок железа и кислород) специально подобраны для взаимодействия и поэтому характеризуются отрицательным значением ΔG⁰. Нельзя сделать грелку для рук из речного песка, поскольку в нормальных условиях он не реагирует с ­кислородом. 

Второе слагаемое, которое нужно прибавить к ΔG⁰, чтобы получить полную энергию ΔG, показывает, сколько реагентов у вас осталось. Новый пакет с неиспользованными реагентами обладает большей потенциальной энергией, чем тот, что уже почти исчерпан. Переменная Q (коэффициент реакции) показывает, сколько исходного вещества уже превращено в продукт. В результате мы получаем уравнение для свободной энергии Гиббса в полной форме:

ΔG = ΔG⁰ + RTlnQ

Правда же красиво? Даже если вы так и не думаете, вы наверняка согласитесь, что уравнение полезное. Компактного, изящного уравнения достаточно, чтобы понять, сколько есть энергии для жизни. Это действующее правило может показать, где искать новые возможности для жизни. Оно предсказывает наличие доступной энергии в фумаролах вулкана Иррупутунку, а также на спутниках Юпитера и на многих других космических телах. Если этой энергии достаточно для поддержания жизненной активности, нам остается лишь найти существ, которые ее используют, — и вуаля, мы обнаружим новые формы жизни на Земле или за ее пределами.

Как жизнь добывает энергию, пользуясь термодинамикой?

Чтобы понять, как жизнь извлекает энергию из отрицательного значения ΔG, удобно сравнить начало любой реакции с шариком, помещенным на вершину холма. Когда вещества начинают реагировать, шарик скатывается вниз, выделяя энергию. Часть энергии теряется на трение, но можно установить цепочку лопастей, которые будут «подхватывать» энергию катящегося шарика. Если вы соедините лопасти с турбиной, заряжающей батарейку, то сможете использовать батарейку для любых нужд. 

В биологической организации большинства живых существ роль лопастей и турбин играют ферменты, малые молекулы и химические градиенты, такие как протон-движущая сила, которую мы обсуждали в предыдущей главе. А заряжаются они от химических реакций, а не от скатывающихся с холмов шариков. Но в любом случае это энергия, так что изменение энергии катящегося шарика, рассчитанное по его массе, высоте склона и ускорению свободного падения, математически эквивалентно ΔG химической реакции, рассчитанному по приведенному выше уравнению. С помощью ΔG вы даже можете превратить энергию дыхания во что‑нибудь странное — например, в энергию падающего с крыши ананаса. Чтобы хватало энергии «иногда вскидывать руки к небу», как делает певец Тайо Круз, мне нужна энергия ананаса, падающего с крыши двухэтажного дома. Но чтобы поддерживать долгую и полноценную человеческую жизнь, насыщенную любовью и важными эмоциями, мне пришлось бы сбросить с крыши четыре миллиарда ананасов. Возможно, вам скучно сводить все замечательные проявления жизни к падающим с крыш ананасам, но этот пример помогает приоткрыть завесу над тайнами термодинамики, которая незаметно управляет миром откуда‑то из‑за сцены. 

В процессе дыхания человека градиент энергии ΔG обеспечивается химической реакцией между кислородом и сахаром, в которой кислород «восстанавливается», а сахар «окисляется». Это так называемая окислительно-восстановительная реакция, или редокс-реакция (от англ. redox, поскольку первое вещество оказывается восстановленным — REDuced, принимая избыточные электроны от второго вещества, а второе становится окисленным — OXidazed). Для людей, щенков, грибов и большинства других существ, которые окружают нас в повседневной жизни, окислительно-восстановительная реакция между кислородом и органическими веществами — единственная возможность для получения ΔG. Эта реакция энергетически очень выгодная, то есть значение ΔG0 сильно отрицательное, и мы можем пользоваться этим для самых разных сложных дел — от завязывания шнурков до победы в чемпионате мира. 

На основании всего сказанного может сложиться впечатление, будто жизнь зависит от кислорода. Но это не так. Еще может показаться, что окислительно-восстановительные процессы всегда связаны с кислородом, однако и это не так. Свободная энергия Гиббса диктует правила, и в соответствии с этими правилами дыхание кислородом — не единственная химическая реакция с отрицательным значением ΔG0. 

В жестких условиях земных недр кислорода мало. Впрочем, живущим там микробам он и не нужен. Кислород токсичен. Он обладает чрезвычайно высокой реакционной способностью и создает массу проблем для других химических реакций, необходимых живым клеткам. Существа, дышащие кислородом, вынуждены производить целые полчища ферментов, которые разбредаются по телу и уничтожают продукты реакций с участием кислорода, вышедшего из‑под контроля. Нам приходится прилагать много усилий, чтобы не погибнуть от собственного дыхания. 

Однако свободная энергия Гиббса показывает, что кислород — лишь один элемент из широкого спектра химических веществ, чей энергетический запас может служить для поддержания жизни. Иными словами, живые существа способны «дышать» самыми необычными способами. На самом деле дыхание не обязательно связано с вдыханием кислорода. Иногда на лекциях мне приходится переучивать студентов, многократно задавая вопрос «Обязателен ли кислород для дыхания?», пока ответ «да» не сменится на «нет». Дело в том, что почти любая окислительно-восстановительная реакция, даже без участия кислорода, используется теми или иными формами жизни для извлечения энергии. И все эти окислительно-восстановительные реакции обеспечивают дыхание всех видов жизни на Земле, хотя люди никогда не смогут дышать чем‑то кроме кислорода. Обитатели земных глубин используют для дыхания другие, менее мощные соединения, о которых мы обычно не думаем, и селятся в местах обитания с такими термодинамическими ограничениями, которые для нас непреодолимы. В таких средах энергетические запасы обычно невелики — и жизнь теплится на гране термодинамических возможностей.

Подробнее читайте:
Ллойд, К. Обитатели земных глубин. О самых странных существах на планете / Карен Ллойд ; Перевод с английского Татьяны Мосоловой. — М. : АСТ: CORPUS, 2026. — 256 с.