Важность воды для поддержания жизни объясняется рядом ее уникальных свойств. Это единственное вещество, которое встречается на Земле в твердом, жидком и газообразном состоянии. Среди удивительных качеств этой молекулы есть одно, без которого она закипала бы уже при ‑70 °С. В этом случае на Земле не было бы жидкой воды, а следовательно, и жизни. Однако благодаря этому качеству точка кипения воды находится на привычной для нас отметке – 100 °С.
Речь идет о так называемой водородной связи, которая возникает между электрическим зарядом атома водорода и другим атомом, например кислорода, азота или фтора. В случае с водой положительный заряд водорода обеспечивает связь с отрицательным зарядом кислорода в другой молекуле воды. В результате такой межмолекулярной связи молекулы воды становится труднее перевести в газообразное состояние. Это сдвигает точку кипения вверх и таким образом делает нашу планету обитаемой.
Наличие водородной связи придает воде еще одну особенность. Большинство веществ в твердом виде имеют меньший объем, чем в жидком. Однако твердая вода (лед) занимает больший объем, чем жидкая. Именно поэтому мы не рекомендуем замораживать воду в бутылках. Именно поэтому лед плавает по поверхности воды, давая возможность выжить тем, кто обитает подо льдом. Утверждение, что это свойство характерно только для воды, не совсем верно. Уксусная кислота и кремний, к примеру, тоже имеют в твердом состоянии меньшую плотность, чем в жидком, но это все же скорее исключение, чем правило.
Наполните небольшую пластиковую бутылку водой до самого верха, закройте крышкой и поставьте на ночь в морозильную камеру. При замерзании вода расширится и либо разорвет пластик, либо сорвет крышку, либо необратимо деформирует бутылку. Не вздумайте провести этот эксперимент со стеклянной бутылкой, иначе вам придется собирать ее осколки по всему холодильнику.
Причина расширения воды при замерзании заключается в том, что стандартная шестиугольная кристаллическая структура льда не соответствует направлению водородных связей, которые удерживают молекулы воды в жидком состоянии. Чтобы вписаться в кристаллическую структуру, молекулам воды приходится отдаляться друг от друга, что уменьшает ее плотность (кстати, наибольшую плотность вода в жидком виде имеет при температуре 4 °С).
Вода прозрачная, хоть и имеет слегка голубоватый оттенок, что объясняется особенностями преломления в ней света (по этой же причине и небо имеет голубой цвет). Правда, чтобы это разглядеть, необходим большой объем воды, например в горных ледниках.
Важность воды для поддержания жизни объясняется еще и тем обстоятельством, что она является прекрасным растворителем. Благодаря наличию водородной связи она растворяет многие вещества и способна переносить их к живым клеткам. Но и это еще не все. Вода принимает участие во многих химических реакциях, необходимых для обмена веществ в организме. Без нее живая клетка существовать не может.
Я уже неоднократно употреблял в этом тексте слово «клетка». Без него просто не обойтись, если разговор идет об организме. Данный термин ввел в оборот современник (и соперник)
Ньютона Роберт Гук. Он был выдающимся ученым. Его самым известным сочинением была «Микрография» – прекрасно иллюстрированный труд с изображениями, полученными с помощью увеличительных стекол и предшественников современных микроскопов.
Изображение блохи из книги Роберта Гука «Микрография»
Некоторые иллюстрации из этой книги произвели ошеломляющее впечатление на современников. Речь идет прежде всего об увеличенных изображениях блохи и вши. Люди той эпохи были слишком хорошо знакомы с этими насекомыми, но не испытывали никакого желания наблюдать их в таких ужасающих деталях. Гук также поразил публику детальным изображением фасеточного глаза мухи. Изучая тонкие срезы пробки, он обнаружил «скопление бесчисленного множества крошечных камер», которые он назвал клетками. Это название и прижилось в биологии.
Все известные живые существа состоят из клеток или, по крайней мере, из одной клетки. К примеру, простейшая форма жизни – бактерия – имеет только одну клетку, а в нашем организме их триллионы. Каждая клетка – это вместилище жизни. Клетки крови, о которых мы уже говорили, имеют довольно необычное строение, но их более стандартные формы, из которых состоит наше тело, располагают центральным ядром и разнообразными биологическими механизмами, плавающими в окружающей его жидкости.
В ядре клетки находится самое известное из существующих химических соединений – ДНК. Согласитесь, что это настоящая знаменитость в мире химии. Упоминания о каких других молекулах появляются в новостях столь же часто? Нам даже необязательно называть эту молекулу полным именем, так как вполне хватает инициалов (название «дезоксирибонуклеиновая кислота» не так-то легко произносить). Нам достаточно только взглянуть на изображение двойной спирали, чтобы понять, с чем мы имеем дело.
ДНК – это не простое вещество типа соли, например хлористого натрия, молекула которого состоит всего из двух атомов (NaCl). Это сложнейшая структура, предназначенная для хранения информации в химической форме. ДНК в ядре одной из клеток тела (скажем, в клетке кончика пальца) состоит из последовательности длинных молекул, обернутых вокруг белков, которые носят название гистонов. Гистоны играют роль своеобразного веретена, на которое накручиваются нити ДНК.
Возможно, вы видели увеличенные изображения человеческих хромосом. Каждая хромосома представляет собой отдельную молекулу ДНК с сопутствующими гистонами. В ядре каждой клетки находится 46 таких хромосом. Подробнее мы поговорим об этом в главе 7. Пока же достаточно знать, что ДНК в каждой хромосоме – это одна отдельная молекула. Она свернута в клубок и по размерам превосходит любую другую из известных молекул. ДНК в первой хромосоме человека состоит примерно из 10 миллиардов атомов.
Эксперимент по выделению ДНК
У вас есть возможность самостоятельно повторить то, что делают судебно-медицинские эксперты в телесериалах, когда выделяют ДНК из полученных образцов. В данном случае мы будем экстрагировать ДНК из банана. Это один из самых сложных экспериментов в книге, но даже если вы не решитесь его проводить, все же приятно сознавать, что вы сами можете добыть ДНК сравнительно простым способом.
Измельчите банан в блендере до состояния пюре (для этого достаточно всего несколько секунд, чтобы полученная смесь не была слишком жидкой). Смешайте в кружке одну часть жидкого средства для мытья посуды и девять частей теплой воды (скажем, 10 миллилитров средства для мытья посуды и 90 миллилитров воды). Добавьте в раствор щепотку соли. Перемешайте раствор с банановым пюре, чтобы у вас получилась однородная масса без комков, пузырей и пены.
Через кофейный фильтр отцедите из этой кашицы жидкость и поставьте ее в холодное место. Часть полученной жидкости налейте в узкую стеклянную емкость (желательно лабораторную пробирку). Уровень жидкости должен составлять пару сантиметров. Теперь аккуратно добавьте сильно охлажденный спирт, наливая его по стенке, чтобы он образовал слой поверх раствора. ДНК начнет переходить из раствора в спирт, и ее можно будет просто намотать на длинную палочку типа зубочистки.
В идеале следует использовать чистый 95‑градусный этиловый спирт. Если его не удастся добыть, подойдет и спирт для растирания. Алкогольные напитки не обладают должной чистотой. Эксперимент можно проводить не только с бананом, но и с любой другой живой субстанцией, однако банановое пюре получить проще всего. Конечно, в добытом образце будет содержаться примесь белков, но основную его массу составляет все же ДНК.
Молекула ДНК, имеющая вид двойной спирали, очень напоминает винтовую лестницу. Завитки образованы длинными нитями полимера дезоксирибозы – одного из видов сахаров, способных образовывать длинные цепи с повторяющейся последовательностью атомов. Но это лишь каркас молекулы. Самыми важными компонентами являются ступеньки этой лестницы. Каждая из них состоит из пары, образованной соединением четырех азотистых оснований – цитозина, гуанина, аденина и тимина.
Эти основания играют ту же роль, что единицы и нули в двоичном коде компьютера (разумеется, аналогия с двоичным кодом условна, потому что оснований не два, а четыре). ДНК в каждой из клеток состоит из шести миллиардов таких пар оснований. Этот код используется для хранения информации, необходимой в производстве различных белков, играющих главную роль в биологическом мире, а также других молекул, которые определяют последовательность формирования и развития организма. Вся эта система работает эффективно, потому что в образовании ступенек всегда участвуют строго определенные пары оснований. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином.
