Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы
Шрифт:
Правда, вначале Земля была раскаленной, даже жидкой. С ней регулярно сталкивались крупные и мелкие метеориты. Один из них обрушился на Землю с такой силой, что материя, оторвавшаяся в результате столкновения, образовала на орбите сгусток – так появилась Луна [8] .
По мере того как Земля постепенно остывала в холодном космосе, тяжелые элементы, такие как железо, золото и уран, оседали ближе к центру жидкого шара [9] . Легкие элементы (кремний и главные компоненты наших тел – углерод, кислород, водород и азот), напротив, остались на поверхности и постепенно образовали прочную кору из породы, содержащей кремний, а с внешней стороны оказалась газовая атмосфера.
8
Теории о происхождении Луны: R. Boyle, «What Made the Moon? New Ideas Try to Rescue a Troubled Theory». Quanta Magazine, August 2, 2017, quantamagazine.org/what-made-the-moon-new-ideas-try-to-rescue-a-troubled-theory-20170802.
9
Тяжелые
В первичной атмосфере образовались молекулы – группы атомов, в которых два атома водорода соединились с одним атомом кислорода. Это вода. В половине седьмого вечера температура упала настолько, что молекулы воды сбились в капли. Когда капли увеличились и в размере, и по весу, на поверхность пролился дождь – появился первый теплый океан [10] .
В глубине океана произошло поистине волшебное событие. Углерод, водород и кислород, сцепившись друг с другом, образовали крупные молекулы – в них также содержалось небольшое количество серы, азота и фосфора. В какой-то момент молекулы приобрели структуру, давшую им возможность создавать собственные копии, объединяя расположенные поблизости от них химические элементы по той же схеме. Это основа жизни. Когда эти молекулы из сложной химической системы превратились в живой организм? Жизнь появилась сразу, в одной точке, или же захватила планету после целого ряда попыток? На данный момент у ученых нет ответа на этот вопрос, но мы сами – доказательство того, что жизни улыбнулась удача.
10
B. Dorminey, «Earth Oceans Were Homegrown», Science, 29 ноября 2010 г., sciencemag.org/news/2010/11/earth-oceans-were-homegrown.
Металлами, осевшими в центр планеты, человечество не воспользуется никогда. Просто они залегают слишком близко к центру Земли. К счастью, около 10 часов вечера в пятницу произошло событие, которое окажет решающее воздействие на то, как люди выстроят общество. Остаток вечера Землю обстреливали метеориты. Ученые точно не знают почему. Возможно, устанавливались орбиты крупных планет и это влияло на движение материи в Солнечной системе. В любом случае металл из этих метеоритов усеивал всю земную кору и не оседал к центру, поскольку земная кора стала крепче. Из этого металла сегодня мы делаем автомобили и вилки.
Примерно за полчаса до перехода от пятницы к субботе земная кора стала трескаться и двигаться [11] . Кора нашей планеты по-прежнему состоит из плит, перемещающихся по океану вязкой расплавленной породы. Снаружи, на поверхности, так холодно, что, когда расплавленная порода вырывается на поверхность через трещины между плитами, она застывает и становится земной корой. Поэтому плиты, перемещаясь относительно друг друга, постоянно меняют форму. Когда сталкиваются континенты, расположенные на двух плитах, образуются горные цепи – прямо сейчас таким образом формируются Гималаи: Индия поджимает Азию с юга. Во многих местах плита с тонким океанским дном проскальзывает под толстую земную кору континента, расположенного на другой плите. Сегодня это происходит вдоль тихоокеанского побережья Южной Америки. Где-то литосферные плиты трутся друг о друга, двигаясь плечо к плечу. Иногда они застревают, а в итоге, проскальзывая, вызывают крупные землетрясения. Разрушается порода, и в коренной породе возникают крупные системы трещин, или разломы.
11
Когда началась тектоника плит? О различных теориях и результатах: B. Stern, «When Did Plate Tectonics Begin on Earth?», Speaking of Geoscience: The Geological Society of America’s Guest Blog, 15 марта 2016 г., speakingofgeoscience.org/2016/03/15/when-did-plate-tectonics-begin-on-earth.
Совместное движение литосферных плит сейчас носит название «тектоника плит». Из всех планет Солнечной системы только у Земли столь активная поверхность [12] . Сложно сказать, почему движется именно кора Земли, но без этого движения наша планета оказалась бы мертвой. Благодаря тектонике литосферных плит вещество Земли находится в постоянном движении: на поверхности оказывается то, что унесли в океан воды и ветры, и то, что было похоронено на морском дне миллионы лет. В земной коре возникают разломы, через которые из глубин выносятся химические элементы [13] . Сегодня из оставшихся разломов такого рода мы извлекаем золото и иные металлы.
12
В силу своих размеров и удаленности от Солнца Марс
13
Химические элементы выносятся не только водой, но и лавами и другими способами. – Прим. науч. ред.
Суббота: начинается жизнь
Земная кора подвергалась метеоритной бомбардировке примерно до ночи субботы, до 00:45 [14] . Затем обстановка на планете стала спокойнее. До половины шестого утра на Земле появилось магнитное поле – невидимый щит, защищающий Землю от наиболее мощных и опасных излучений Солнца [15] . Не будь подобной защиты, чтобы выжить, нам пришлось бы находиться в подземных пещерах.
Примерно в то же время возникли первые одноклеточные организмы.
14
Не существует точного ответа на вопрос о длительности и точных сроках «бомбардировки земной коры» (поздней тяжелой бомбардировки). См. статью в Википедии «Late Heavy Bombardment», обновлено 19 июня 2018 г., en.wikipedia.org/wiki/Late_Heavy_Bombardment.
15
Согласно новым результатам, магнитному полю Земли минимум 4 миллиарда лет (до полуночи), а не 3,2 миллиарда лет, как предполагалось ранее. S. Zielinski, «Earth’s Magnetic Field Is at Least Four Billion Years Old», Smithsonian, 30 июля 2015 г., smithsonianmag.com/science-nature/earthsmagnetic-field-least-four-billion-years-old-180956114.
По сути, живые организмы – это не что иное, как мелкие механизмы, создающие собственные копии с помощью энергии окружающей среды. Разумеется, у них бывают и дополнительные функции – фиксировать то, что происходит вокруг, двигаться или общаться. Наши тела черпают энергию из потребляемой нами пищи, и исследователи полагают, что самые первые живые создания брали необходимую энергию из химических соединений в глубинах океана [16] . По-прежнему существуют целые экосистемы, живущие в кромешной темноте – там, где раздвигаются литосферные плиты. Там сквозь напоминающие трубу структуры, расположенные на дне океана, вырывается поток обогащенной минералами воды – химические соединения этих минералов содержат энергию, необходимую живущим там существам.
16
Обобщение новых теорий: R. Brazil, «Hydrothermal Vents and the Origin of Life», Chemistry World, 16 апреля 2017 г., chemistryworld.com/feature/hydrothermal-vents-and-the-origins-oflife/3007088.article.
Сегодня почти все земные живые существа получают энергию от Солнца – или напрямую, посредством фотосинтеза, или употребляя в пищу молекулы, хранящие в себе солнечную энергию. В процессе фотосинтеза энергия солнечного света расходуется на то, чтобы расщепить диоксид углерода и воду на углерод, водород и кислород. Затем атомы объединяются и строят новые комбинации – таким образом, появляются богатые энергией молекулы, известные нам как углеводы, белки и жиры. Судя по всему, фотосинтез возник у живущих в океане бактерий – в субботу, примерно в 15:00. Сегодня в этом процессе задействованы все зеленые растения, деревья и синезеленые водоросли. Во всем, что содержится в этих организмах, есть капелька солнечной энергии.
Когда диоксид углерода и вода превращаются в растительный материал, остаются атомы кислорода. Организмы, осуществляющие фотосинтез, выбрасывают атомы кислорода в форме молекул: в них атомы кислорода связаны друг с другом попарно. Молекулы кислорода имеют ярко выраженное свойство вступать в реакции с другими соединениями: нам это известно по огню – это не что иное, как кислород, вступающий в реакцию с углеродом и прочими горючими веществами и высвобождающий энергию в форме тепла, – поэтому мы не нашли бы молекул кислорода ни в океане, ни в атмосфере, если бы их постоянно не воспроизводил тот или иной источник. Кислород – жизненно необходимый для нас газ – непрерывно образуется в результате фотосинтеза. Однако изначально в атмосфере Земли молекул кислорода не было. Первым организмам кислород для выживания тоже не требовался.
До начала процесса фотосинтеза в Мировом океане было растворено огромное количество железа. Сейчас уже такого нет. В настоящее время при контакте с водой поверхность железа быстро становится красной, грубой и легко ломается. Этот красный материал, ржавчина, – химическое соединение железа и кислорода. Пока в воздухе и воде есть кислород, незащищенное железо всегда заржавеет.
После обеда в субботу, между 15:00 и 18:45, заржавели океаны. Весь кислород, образованный на первых этапах фотосинтеза, вступил в реакцию с железом – он осел на дно в виде ржавчины. Постепенно ржавчина преобразовалась в толстый слой слоистой породы. Сегодня мы выкапываем эту красную породу, отделяем кислород в больших печах и используем железо для изготовления ножей и рельсов.