Бактерии и синезелёные водоросли относятся к простей­шим одноклеточным организмам. Однако с точки зрения химии даже мельчайшая клетка чрезвычайно сложна.

Так получилось, что среди бактерий наиболее изученной оказалась кишечная палочка Escherichia coli (сокращённо Е. coli) — безобидный обитатель кишечного тракта челове­ка и животных. И хотя размеры «лучшего друга» биохими­ков гораздо меньше размеров любой растительной или жи­вотной клетки (длина 2 мкм, диаметр 0,8 мкм, а объём около 1 мкм³; 1 мкм = 10^-6 м), а масса составляет всего 2•10^-12 г, для химиков это огромный объект: ведь масса Е, coli в 60 млрд. раз превосходит массу молекулы воды! А за всем этим скрывается высокоорганизованный комплекс большо­го числа молекул.

Бактериальная клетка защищена жёсткой полисахаридной оболочкой — клеточной стенкой. Она предохраня­ет клетку от набухания и разрыва из-за разницы в концен­трации низкомолекулярных веществ внутри клетки и вне её (внутри клетки концентрация низкомолекулярных веществ значительно выше, чем снаружи). Клетка также окружена состоящей из липидов полупроницаемой клеточной мем­браной, которая определяет размер клетки. Кроме того, мембрана служит своего рода фильтром: она контролирует поступление внутрь клетки питательных веществ и вы­ход наружу продуктов её жизнедеятельности. Способность мембраны регулировать перемещение веществ и тем самым поддерживать в клетке нужную концентрацию ионов и ор­ганических молекул является жизненно важной.

В процессе промышленного получе­ния химических веществ очень час­то требуются высокие температура и давление. А иногда нужны особые ус­ловия, например присутствие силь­ных кислот или щелочей, а то и во­все электрические разряды. И это для получения какой-нибудь простой молекулы, в которую атомы не хотят так просто объединяться! А в живой клетке каждую секунду протекают сотни и тысячи всевозможных хими­ческих реакций. И происходит это в исключительно «мягких», как говорят химики, условиях: при температуре всего лишь в несколько десятков гра­дусов по Цельсию, атмосферном дав­лении и в нейтральной среде. Конеч­но, «жёстких» условий, свойственных промышленным процессам, хрупкие и нестабильные молекулы, из которых построены компоненты клеток, не выдержали бы. И тем не менее, как же клеткам удаётся проводить хими­ческие реакции, не прибегая к высо­ким температуре и давлению?

Работа «химической лаборатории» клеток возможна только благодаря тому, что они содержат уникальные катализаторы, которые могут значи­тельно ускорять химические реакции. Это особые катализаторы — белковые молекулы, называемые ферментами.

Процветание различных форм жизни в значительной степени объясняется тем, что клетки способны образовы­вать большое количество ферментов. Ферменты не только обеспечивают протекание реакций в «мягких» усло­виях. Главное, что в их присутствии сложные многостадийные реакции могут происходить мгновенно.

Для правильной работы систем клет­ки необходима их чёткая органи­зация. Поэтому природа придумала хитрый механизм, который позволя­ет управлять процессом группировки молекул.

Обычные ковалентные связи для объединения макромолекул не подхо­дят, ведь атомы, связанные ковалентной связью, становятся частями одной молекулы. Если представить организа­цию макромолекул в клетке с помо­щью ковалентных связей, получится, что клетка — одна гигантская макро­молекула! Кроме того, ковалентные связи слишком прочны — настоя­щий «стальной трос». Для огромных неповоротливых громадин вроде бел­ков или нуклеиновых кислот нужно нечто совсем иное — подобие тонкой рыболовной сети. Такая «сеть» на­дёжно удержит молекулы вместе и одновременно предоставит им не­которую свободу, необходимую для выполнения их функции.

Миллиарды лет назад Земля выглядела совсем не так, как сейчас. Это было неспокойное место — с постоянными извержениями вулканов, неистовыми ливнями и сверкающими молниями. В ат­мосфере почти не содержалось кислоро­да, а озоновый слой, поглощающий жё­сткое излучение Солнца, отсутствовал совсем. Вот в таких условиях возникали простейшие органические молекулы. Процесс их возникновения можно вос­произвести в лабораторном эксперимен­те. Если через нагретую смесь воды и га­зов, например метана СН₄, углекислого газа СО₂, аммиака NН₃ и водорода Н₂, пропускать электрический разряд или ультрафиолетовое излучение, из них образуются небольшие, содержащие уг­лерод молекулы. Но наша планета обла­дала огромными преимуществами перед учёными: она была (как, впрочем, оста­ётся и по сей день) очень велика и рас­полагала сотнями миллионов лет.

Что тогда происходило, мы в точно­сти не знаем, и вряд ли когда-нибудь будем знать наверняка. Однако сущест­вует модель химической эволюции, ко­торая объясняет происхождение и раз­витие биомолекул.

Живая клетка состоит из ограниченного набора эле­ментов, причём на долю четырёх из них (С, Н, N, О) приходится около 99 % её общей массы. А соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количе­стве, — это вода. Она составляет около 70 % массы клет­ки, и большинство внутриклеточных реакций протека­ет в водной среде. Жизнь на нашей планете возникла в океане, и условия этой первобытной среды наложили не­изгладимый отпечаток на химию живых существ.

Вода — привычное нам вещество, но с точки зре­ния и химика, и физика, она обладает аномальными свойствами. Из-за своей сильной полярности молеку­лы воды вмешиваются во все протекающие в водной среде реакции, активно взаимодействуя с другими мо­лекулами. Полярностью молекул воды объясняются и её необычно высокие температуры плавления и кипе­ния, а также поверхностное натяжение. «Самое удиви­тельное вещество в мире», «вещество, которое созда­ло нашу планету» — так учёные отзываются об этом соединении.

В древности люди не имели чёткого представления о том, чем раз­личаются живая природа и «мёртвая» материя, а потому допуска­ли произвольное зарождение жизни, если для этого есть подходя­щие условия. Во времена Аристотеля полагали, например, что простейшие животные могут появляться при переходе влажных тел в сухие и наоборот. Якобы роса, сгущаясь на листьях капусты, спо­собна порождать гусениц, из которых впоследствии выходят бабоч­ки-капустницы; из пыли образуется моль; гниющее мясо само по себе превращается в червей и т. д. Подобные идеи господствова­ли на протяжении многих веков. Один из крупнейших учёных XVII в. голландский врач и естествоиспытатель Ян Баптист ван Гельмонт утверждал, что он лично наблюдал самопроизвольное зарождение мышей в горшке с грязными тряпками, пшеничной мукой и пылью. Но уже его современник, выдающийся английский врач Уильям Гарвей (1578—1657), предположил, что каждое живое существо по­является только от себе подобного. Исключение он сделал лишь для некоторых паразитических форм.

На протяжении многих веков учёные пытались понять: что есть жизнь? Шло время, одна эпоха сменяла дру­гую, философы и естествоиспытатели ломали копья в спорах. И хотя наши знания о мире существенно расшири­лись, но этот вопрос по-прежнему остаётся открытым.

С точки зрения химика, всё про­сто: вещество — и живое, и нежи­вое — состоит из разных по размеру и составу молекул, а молекулы, в свою очередь, — из атомов. И объединение атомов в молекулы, и взаимодействие молекул подчиняются общим законо­мерностям. Но если на этом уровне никаких принципиальных различий между живым и неживым, казалось бы, нет, почему же тогда в нашем со­знании эти два мира разделены про­пастью? Если и тот и другой состоят из обыкновенных молекул, почему по строению и свойствам живое и нежи­вое столь не похожи друг на друга?

Ежесекундно на Земле вспыхивает в среднем 100 молний. И хотя каждая вспышка длится всего доли секунды, их общая электрическая мощность дости­гает 4 млрд. киловатт. Резкое повыше­ние температуры в канале молнии — до 20 000 °С — приводит к разрушению молекул азота и кислорода с образова­нием оксида азота NO. Последний за­тем окисляется атмосферным кислоро­дом в диоксид: 2NO+О₂=2NO₂, который в свою очередь, реагируя при избытке кислорода с атмосферной вла­гой, превращается в азотную кислоту: 4NO₂+2Н₂О+О₂=4HNO₃. В резуль­тате этих процессов ежедневно обра­зуется примерно 2 млн. тонн HNO₃ (или более 700 млн. тонн в год), и в виде сла­бого раствора выпадает на землю с дождями. Это количество «небесной» азотной кислоты интересно сравнить с её промышленным производством, к слову, одним из самых крупнотоннаж­ных. Оказывается, здесь человек дале­ко отстаёт от природы: мировое произ­водство азотной кислоты составляет около 30 млн. тонн в год.

Благодаря расщеплению молекул азота молниями на каждый гектар зем­ной поверхности, включая горы и пус­тыни, моря и океаны, ежегодно выпа­дает около 15 кг азотной кислоты. В почве, а частично и в атмосфере, она переходит в соли — нитраты, которые являются прекрасными азотными удоб­рениями и необходимы для роста рас­тений.

Организмам для жизни нужны вещества и элементы в определённых соотношениях. Например, когда растёт картофель, ему тре­буются азот, фосфор и калий в соотношении 9:4:16. Именно в таких пропорциях (с не­которыми вариациями) он и будет поглощать элементы из почвы. Если, допустим, соотношение доступных азо­та, фосфора и калия в почве 20 : 4 :20, то лишние азот и калий останутся в земле, а картофель вырастет ровно настолько, на­сколько ему хватит фосфора. И даже если залить поле азотны­ми удобрениями, урожай не поднимется. Чтобы урожай увели­чился, а азот и калий поглотились, нужно внести фосфорные удобрения, т. е. тот элемент, который находится в относительном недостатке.

На такую зависимость роста урожая от количества удобрений впервые обратил внимание немецкий химик Юстус Либих. В 1840 г. он сформулировал следующий принцип: «Рост организма ограни­чивается тем ресурсом, который находится в относительном недостатке (лимитирующим ресурсом)». Этот принцип получил на­звание закона Либиха, или «бочки Либиха» (по аналогии с бочкой, уровень воды в которой не может быть выше, чем высота самой низкой рейки). Закон Либиха помогает рассчитать оптимальное ко­личество удобрений, которые нужно вносить под ту или иную сель­скохозяйственную культуру. Этот же принцип позволяет предска­зать, что с увеличением стока соединений азота и фосфора в океаны (где эти соединения являются лимитирующим ресурсом) воз­растёт и поглощение углекислого газа океанскими организмами.

Биосфера состоит из живых организ­мов. Те организмы, которые прожива­ют в одной местности, связаны меж­ду собой многочисленными связями и формируют устойчивые сообщест­ва — биоценозы. Вместе с территори­ей обитания биоценозы образуют эко­системы. Именно по экосистемам и путешествуют элементы и вещества.

Живым организмам нужны энер­гия и строительный материал. Кроме того, и организмы, и экосистемы вы­нуждены поддерживать внутренние условия постоянными, даже если внешние сильно меняются, т. е. под­держивать гомеостаз.

Например, где бы ни жил человек и какую бы пищу он ни ел, концен­трация хлорида натрия в его крови будет постоянной. В организме чело­века всегда находится около 4—5 г железа, независимо от того, вегетарианец он или питается исключительно мясной пищей.

В организмах и экосистемах есть специальные механизмы, которые позволяют им получать из окружаю­щей среды нужные элементы и пре­пятствуют поглощению вредных ли­бо выводят вредные элементы, если уж они в организм попали. Так, все растения накапливают в первую оче­редь азот, фосфор и калий, тепло­кровные животные — железо и хлор, водоросли — медь. А такие элементы, как алюминий, титан, хром, организ­мами практически не поглощаются.

Элементы присутствуют в окружаю­щей среде не сами по себе, а в виде соединений, которые ещё называют химическими формами. Некоторые

Род проходит, и род прихо­дит, а земля пребывает вовеки. Восходит солнце, и заходит солнце, и спешит к месту своему, где оно восходит. Идет ветер к югу, и переходит к северу, кру­жится, кружится на ходу своем, и возвращается ветер на круги свои. Все реки те­кут в море, но море не пере­полняется: к тому месту, от­куда реки текут, они возвра­щаются, чтобы опять течь.

Устье реки, где речная вода смешивается с морской, в результате чего многие элементы переходят в другие формы, — мощный геохимический барьер. Река Колвица. Мурманская область.

Вещество на Земле не стоит на мес­те — оно постоянно перемещается. Масштабы потоков поражают своей грандиозностью. Так, за одну минуту

с поверхности океана испаряется 40 млн. тонн воды! Чтобы перевезти та­кую массу, не хватит всех цистерн, ко­торые курсируют по железным дорогам России. Потоки расплавленной магмы в земных недрах вызывают из­вержения вулканов, землетрясения и даже движение целых континентов. Потоки воды захватывают множест­во веществ, перемещая их на огром­ные расстояния. Одна только река Волга каждый год выносит в Каспий­ское море около 50 тыс. тонн раство­рённых солей, а это не менее десяти железнодорожных составов.

Из-за различий в свойствах ве­ществ они перемещаются по плане­те с разными скоростями, иными словами, отличаются по своей мигра­ционной способности. А из-за неод­нородности Земли миграционная способность одного и того же эле­мента неодинакова для разных облас­тей. В некоторых случаях это приво­дит к концентрированию отдельных элементов. Например, в ртутных ру­дах содержание ртути иногда превы­шает кларк в 100 тыс. раз!