Страница 28 из 63
Здесь вводится понятие свободной энергии (или энергии Гельмгольца-Гиббса), которое четко определяет, пойдет ли в данных условиях самопроизвольно конкретная реакция, или нет. В ходе любой химической реакции может изменяться внутренняя энергия реагирующей системы веществ и ее энтропия. Предположим, что в ходе реакции при постоянном объеме выделилась какая-то энергия dU и в системе понизилась энтропия на dS.
Всю выделившуюся энергию можно отдать окружающей среде в виде тепла, но далеко не всю ее можно превратить в работу. По крайней мере некоторую часть придется отдать в виде тепла среде, чтобы в среде возросла энтропия и компенсировалось бы уменьшение энтропии в системе. Это минимальное тепло выражается произведением ТdS. Итак в работу можно превратить только часть энергии, которая и именуется свободной. dG = dU – TdS.
Эта разность и выражает то, что мы назвали борьбой в системе между стремлением к минимуму энергии и максимуму беспорядка. В конечном итоге, можно показать, что система стремится к минимуму свободной энергии. Самопроизвольно идут те реакции, где свободная энергия системы убывает. Также, как энтропию и внутреннюю энергию, свободную энергию можно рассчитать и предсказать по ней направление естественного хода данной химической реакции при данной температуре, чем постоянно приходится пользоваться в химии. При минимуме свободной энергии (dG = 0)
возникает химическое равновесие между продуктами реакции и исходными веществами. Изменение температуры может соответственно смещать равновесие в сторону тех концентраций, которые вновь приведут к минимуму свободную энергию. Замерзание воды протекает с совершенно определенным снижением внутренней энергии (отрицательным dU) и таким же определенным снижением энтропии dS.
Два слагаемых в правой части формулы оказываются с противоположными знаками. При Т = 273 К (и нормальном давлении) достигается ноль свободной энергии. При меньшей температуре "верх берет" слагаемое dU, система стремится к минимуму энергии и вода станет замерзать. При большей температуре "одолевает" слагаемое ТdS – лед будет таять. Реакция эндотермическая (
с поглощением теплоты, с положительным dU) и к тому же с понижением энтропии (отрицательным dS) должна была бы идти с явным повышением свободной энергии: оба слагаемых в правой части формулы будут положительны. Такая реакция самопроизвольно никогда не пойдет. Но именно таковы все реакции синтеза сложных белковых молекул. И в самой клетке они идут лишь за счет того, что параллельно идет реакция более экзотермическая и более "энтропийная" (
конкретно, синтез, перенос и распад АТФ, который рассматривается в школьном учебнике), так что в сумме общая свободная энергия клетки уменьшается. ВЕРОЯТНОСТЬ СБОРКИ СЛОЖНОЙ МОЛЕКУЛЫ Но предположим невероятное: необходимое количество биологических аминокислот собралось в одном месте и они не распадаются, каждую секунду вступая друг с другом по сто раз в реакцию образования именно пептидной, а не какой-то иной связи.
Какова вероятность того, что самопроизвольно в результате этих реакций составится простенький белок из 100 аминокислот, подобранных в строгой последовательности? Если вспомнить пример из первого урока и повторить расчет, то мы легко получим, что вероятность этого события равняется (1/20)100, поскольку в белках используется 20 видов аминокислот, и вероятность того, что именно нужная молекула встанет на каждое конкретное место равно 1/20.
Для того, чтобы представить себе, как мала полученная вероятность, проведем следующие расчеты. Во всей видимой Вселенной приближенно насчитывают 1080 элементарных частиц. Представим себе, что это не элементарные частицы, а только биологические аминокислоты, которые вступают во взаимодействие миллиард раз в секунду на протяжении тридцати миллиардов лет (
самый большой из предполагаемых возрастов Вселенной). Но и тогда произойдет только 10107 реакций. В миллиарде миллиардов таких Вселенных не произойдет при таких условиях достаточного количества реакций, чтобы их хватило на перебор нужного количества комбинаций, и то при условии, что каждая неудачно построенная сборка тотчас разбирается и возвращается в исходное положение.
Что говорить тогда о капле в этом космосе – о земном океане. Сколько миллиардов миллиардов ... лет понадобилось бы ему, чтобы даже при таких фантастически удобных условиях собрать самую простейшую из биологических макромолекул? Между тем, в самой примитивной клетке этих молекул сотни и тысячи! Впрочем, опять-таки, нам возразят: требуется не какая-то конкретная, а для начала какая- нибудь аминокислотная последовательность.
Пусть так, и пусть первая цепочка соберется совершенно случайно, какая получится. Но уже другая цепочка белка, "собирающаяся" как-то "контачить" с первой, не может быть произвольной, и для нее уже наш расчет вновь полностью применим. Таков, например, белок гемоглобина, состоящий из четырех цепей, соединенных между собой сложными связями.
У каждого вида животных своя последовательность этих цепочек, но в одном белке они строго соответствуют друг другу. Пусть даже первой случайно собранной цепочке гемоглобиновой молекулы подойдут целый миллиард вариантов другой его цепочки. От нашего огромного числа 10107 мы легко можем отбросить десяток порядков и подарить сторонникам Опарина такую фору – вероятность их гипотезы от этого практически не увеличится и от нуля не оторвется.
На этом, кажется, вполне можно остановиться в подсчетах вероятности и под грудой сверхастрономических цифр навсегда похоронить гипотезу Опарина. Самые условия для расчета вероятностей выбраны нами благоприятными до невозможности. Тем не менее, даже имея возможность сделать указанный простенький расчет, очень солидные ученые тратили годы и десятилетия, чтобы доказать гипотезу Опарина экспериментально. ОПЫТЫ С.
МИЛЛЕРА Школьный учебник упоминает об экспериментах Миллера по синтезу аминокислот и белков в условиях предполагаемой первичной атмосферы земли. К сожалению, ничего не говорится о реальных результатах этого очень сложного эксперимента, а они весьма показательны. Миллер пропустил разряды электричества в 60 киловольт через кипящую смесь воды, метана, водорода и аммиака.
Как и следовало ожидать, продукты реакции тут же разлагались ее обратным ходом. Миллер использовал холодильный сепаратор, позволявший быстро удалить продукты из зоны реакции. (Где и какой слепой случай создал бы такой аппарат на первобытной земле? А без него у эксперимента не было бы вообще никакого результата). Из продукта реакции – клейкой дегтеобразной смеси – удалось выделить две простейших аминокислоты, содержащихся в белках – глицин и аланин.
Прочих 18 видов аминокислот, содержащихся в белках, так и не удалось получить. Впрочем, были получены аминокислоты, вообще не содержащиеся в белках. Критики первого издания указали нам, что холодильный сепаратор нужен был для накопления продуктов реакции в количестве достаточном для анализа. Причем установка работала для этого днями и неделями.
Это, конечно, только подтверждает полное несоответствие эксперимента куда более неблагоприятным природным условиям. Без сепаратора эксперимент абсолютно немыслим, а в природе такой агрегат сам собою, конечно, возникнуть не мог бы. Было отмечено, что аминокислоты – соединения довольно устойчивые. Но подчеркнем: в нормальных условиях, в сепараторе, а не в реакторе.
Кроме того, устойчивость аминокислот не дает нам ничего для устойчивости их пептидной связи, в которой и состоит уже какой-то маленький результат. Аминокислоты сами по себе ненамного ближе к жизни, чем мочевина или глюкоза – такие же объекты органической химии и только. Были и другие подобные попытки, но не более удачные. В частности к середине 80-х годов химикам удалось воспроизвести цепочку из 12 нуклеотидов, состоявшую только из гуанина и аденина (
двух из четырех возможных видов нуклеотидов). При этом использовались только металлические катализаторы. Однако синтез самих нуклеотидов при этом производился не из какой-либо нерганической смеси, типа Миллеровской, а из органических продуктов. Вот пока и все успехи в синтезе ДНК – четыре триплета или крошечный кусочек одного гена, да и те получены не из неорганики! [31].