2. Вода

Что такое вода?

Ученые ответят: Н₂O.

А Дональд Биссет:

– Алмазы на траве.

НАТАЛЬЯ ШЕРЕШЕВСКАЯ

(ИЗ КНИГИ ДОНАЛЬДА БИССЕТА “ЗАБЫТЫЙ ДЕНЬ РОЖДЕНИЯ”)

Вода – одно из самых распространенных веществ на планете Земля. Она покрывает две трети земной поверхности, и ее очень много в живых организмах – гораздо больше, чем любого другого вещества. Подавляющее большинство биохимических реакций, то есть превращений жизненно важных молекул друг в друга, идет в растворах, где вода является растворителем. Воды много и в космосе – например, в кометах, в недрах Урана и Нептуна или в межзвездных туманностях. В целом можно сказать, что вода – это одно из самых распространенных веществ не только на Земле, но и вообще во Вселенной. Иное дело, что далеко не на всех планетах она встречается в жидком виде (Земля – единственная планета Солнечной системы, на поверхности которой есть постоянно существующие водоемы). Так или иначе, неудивительно, что именно вода послужила средой для всем нам знакомой жизни.

Что же такое вода с точки зрения химии? Это весьма простая молекула, состоящая всего лишь из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Соответственно, химическая формула воды – H₂O. Каждый атом водорода соединен с атомом кислорода одной ковалентной связью, в полном соответствии с валентностью кислорода, которая (как мы помним) равна двум. Формулу воды можно записать и так: H – O–H. Это эквивалентно формуле H₂O, которую обычно приводят в книгах.

Многие свойства воды объясняются тем, что ее молекулы исключительно хорошо “слипаются” друг с другом. Например, на поверхности водоема они образуют пленку, по которой клопы-водомерки, отнюдь не микроскопические существа, бегают как посуху. Другие особенности воды как вещества – прекрасная теплопроводность и высокая температура кипения (на испарение литра воды надо потратить больше энергии, чем на испарение того же объема чуть ли не любой другой жидкости). Чтобы понять, почему вода именно такова, надо присмотреться к ее молекулам повнимательнее.

Водородная связь

Начнем вот с чего. В общей химии часто встречается понятие “электроотрицательность”, введенное когда-то Лайнусом Полингом. Электроотрицательность – это сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Самый электроотрицательный элемент – фтор (F), а сразу за ним на шкале электроотрицательности следует кислород (O). Иначе говоря, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора, который в живой природе встречается очень редко. Запомним этот факт, он нам пригодится.

Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующая ее пара электронов никуда не смещается. Грубо говоря, эти электроны располагаются между атомами точно посредине. Такая ковалентная связь называется неполярной. Само собой разумеется, что любая ковалентная связь между одинаковыми атомами будет неполярна (например, связь в молекуле водорода H – H или углерод-углеродная связь C–C).

Если же ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого электроотрицательность выше. Такая связь называется полярной (см. рис. 2.1, 2.2А). При очень большой разнице в электроотрицательности связь может даже превратиться в ионную – это случится, если один атом полностью “отберет” общую пару электронов у другого. В молекулах, из которых состоят живые существа, ионные связи встречаются относительно редко, зато ковалентные полярные – очень часто. Например, это широко распространенные в органических веществах связи C – O и H – O (см. главу 1).

Связь между водородом и кислородом в молекуле воды – это типичная ковалентная полярная связь. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на атоме кислорода образуется маленький отрицательный заряд, а на атомах водорода – маленькие положительные заряды. На графических формулах эти маленькие заряды, величина которых значительно меньше единицы, принято обозначать буквой δ (“дельта”) с добавлением соответствующего знака. Как мы теперь знаем, связи кислорода с водородом или углеродом вообще всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде (см. рис. 2.1, 2.2Б).

А вот связь между углеродом и водородом (C – H) считается неполярной, хоть атомы и разные. И это тоже очень важно. Между атомами углерода и водорода разница в электроотрицательности настолько мала, что смещение электронов там незаметно. Например, молекулы углеводородов, состоящие только из атомов C и H, в силу этого полностью неполярны, никаких частичных зарядов, которые хоть на что-то влияли бы, в них нет.

Теперь вспомним, что положительные и отрицательные электрические заряды согласно закону Кулона притягиваются друг к другу. Например, частично отрицательный атом кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул воды. В результате между водородом и кислородом возникают нековалентные связи, основанные на электростатическом притяжении, – они называются водородными (см. рис. 2.2В). Это очень слабые связи, в жидкой воде они легко образуются и так же легко рвутся при движениях молекул. Но, несмотря на то что водородные связи гораздо слабее ковалентных, они дают сильный эффект, если их много. А в воде их очень много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды исключительно высокая теплоемкость – ее трудно нагреть и трудно остудить. Большинство особенностей воды так или иначе связано с тем, что ее молекулы очень хорошо образуют водородные связи.

“Водородная связь чем-то напоминает любовь втроем”, – писал в своем известном университетском учебнике американский биохимик Люберт Страйер^{17}. Он имел в виду, что в водородной связи атом водорода связан сразу с двумя атомами кислорода: с одним ковалентно (и прочно), а с другим электростатически (и слабо). Чтобы образовать водородную связь, атом водорода обязательно должен уже состоять в ковалентной связи с другим атомом, причем значительно отличающимся от него по электроотрицательности.

Водородные связи важны не только с точки зрения свойств воды. Они много где встречаются. Например, в главе 9 мы увидим, что без водородных связей невозможно представить себе структуру молекулы ДНК, от которой зависит хранение наследственной информации.

Любовь и ненависть воды

Любое вещество, растворенное в воде, так или иначе взаимодействует с ней, и способ этого взаимодействия зависит, прежде всего, от электрических свойств молекул. Например, если растворить в воде поваренную соль (NaCl), она распадется на положительно заряженные ионы натрия (Na⁺) и отрицательно заряженные ионы хлора (Cl^–). При этом к ионам натрия молекулы воды “прилипнут” своими атомами кислорода (несущими маленький отрицательный заряд δ–), а к ионам хлора – атомами водорода (несущими маленький положительный заряд δ+). В результате и те и другие ионы получат оболочку, состоящую из молекул воды (см. рис. 2.3). Образование таких оболочек называется гидратацией. Ионы натрия и хлора находятся в воде в гидратированном состоянии. Гидратация – процесс, сопутствующий растворению в воде любого вещества (если оно вообще в ней растворимо, конечно).

Молекулы, в которых много ковалентных полярных связей, тоже прекрасно взаимодействуют с водой – в первую очередь потому, что образуют с ней водородные связи, “цепляясь” за молекулы воды своими частичными зарядами. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными (“любящими воду”). К гидрофильным веществам относятся, например, спирты и углеводы (см. главу 1). Каждый знает, что столовый сахар (а это типичный углевод) растворяется в воде очень хорошо. То же самое можно сказать и о спиртах, например об этиловом спирте – основе алкогольных напитков. Именно растворам спирта в воде была посвящена знаменитая диссертация Дмитрия Ивановича Менделеева^{18}. Правда, рецепта водки Менделеев, вопреки распространенной легенде, не разрабатывал. Его интересовало происходящее при растворении взаимодействие молекул спирта и воды – тот самый процесс, который мы только что назвали гидратацией. Менделеев убедительно показал, что растворение – это не физическое явление (простое смешивание), а химическое (включающее образование новых межмолекулярных связей). Тогда получается, что раствор – это, по сути, новое вещество.

Как правило, любое наугад взятое органическое соединение будет растворяться в воде тем лучше, чем больше в нем атомов кислорода. Это понятно: именно вокруг атомов кислорода обычно образуются водородные связи. Например, молекула глюкозы (C₆H₁₂O₆, шесть атомов кислорода!) в этом отношении просто идеальна. Как раз поэтому сахара, и глюкозу в том числе, очень удобно использовать в роли быстро усваивающихся питательных веществ.

Молекулы, в которых все связи неполярные, взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом^{19}. Вещества, состоящие из таких молекул, плохо растворяются в воде и называются гидрофобными (“боящимися воды”). Типичные гидрофобные соединения – углеводороды. Как мы знаем, они по определению состоят только из углерода и водорода, связи между которыми неполярны. Если бросить в воду парафин (смесь твердых углеводородов, из которой делают свечи), он и не подумает там растворяться – ни при каких условиях. А если налить в воду бензин (смесь жидких углеводородов, которая служит моторным топливом), то он, скорее всего, отслоится от нее, образовав четкую поверхность раздела. Вода как бы “выталкивает” эти вещества.

Если в формуле органического соединения есть кислород, то оно, скорее всего, гидрофильное, разве что там присутствует какая-нибудь совсем уж огромная углеводородная цепочка. Гидрофильными бывают и некоторые бескислородные органические вещества – например, амины.

В биохимии значение различий между гидрофильными и гидрофобными веществами без преувеличения грандиозно (см. главы 3, 5, 6). Многие детали устройства клеток без учета этих различий просто невозможно понять. А все потому, что земная жизнь – водная.

Талассогены

А могут ли подойти для жизни какие-нибудь другие растворители, кроме воды? Ответ – да. Например, углекислота (ее формула O=C=O, или просто CO₂) знакома людям, прежде всего, в виде углекислого газа, который мы выдыхаем. Но она может и замерзать, образуя так называемый сухой лед. Проблема в том, что при нагревании в условиях, характерных для Земли, сухой лед сразу испаряется в газ, минуя жидкую фазу. Потому мы и не видим в быту жидкой углекислоты. Однако при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, углекислота может становиться жидкостью. И тогда она представляет собой хороший гидрофильный растворитель, аналогичный по свойствам воде (и легко смешивающийся с ней), в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микробы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море исследователи-океанологи нашли целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии^{20}.

Некоторые исследователи считают, что океаны жидкой углекислоты могут существовать на так называемых “суперземлях” – планетах с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли^{21}. Суперземли – довольно многочисленная категория экзопланет, и возможность жизни на них сейчас активно обсуждается.

Другой перспективный кандидат на роль вмещающей среды для жизни – аммиак (NH₃). Это гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом (их разница в электроотрицательности для этого вполне достаточна, см. рис. 2.2Г). Неудивительно, что по своим физико-химическим свойствам аммиак напоминает воду. На более холодных планетах, чем Земля, он находится в жидком состоянии и вполне может быть основой жизни. Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами. Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть серьезные сомнения (см. главу 1), то углеродную жизнь, использующую не воду, а какой-нибудь другой растворитель, представить себе гораздо легче. Никакие фундаментальные законы не запрещают ей существовать. Просто так уж сложилось, что на нашей планете из всех растворителей преобладает вода – ну а от добра добра не ищут, и земной жизни осталось лишь развиваться в этих относительно благоприятных условиях.

Еще один гидрофильный растворитель, в котором теоретически допускают возможность жизни, – метиловый спирт, или метанол (CH₃OH). Для человека это страшный яд, но тут все зависит от настройки биохимических систем: вообще-то никакие законы природы не мешают “сконструировать” живой организм, для которого метанол будет совершенно безобиден, а то и полезен. Метанол – одно из самых простых органических веществ, и неудивительно, что образуется он очень легко. Его много в космосе, причем не только на планетах, но и в межзвездных газопылевых облаках. Некоторые ученые осмеливаются предполагать, что именно синтез метанола был ключевым химическим звеном на пути к возникновению земной жизни^{22}. Метанол очень гидрофилен и прекрасно образует водородные связи, примерно такие же, как в воде. Собственно, это и делает его хорошим гидрофильным растворителем. Как и аммиак, метанол замерзает при гораздо более низкой температуре, чем вода, и в принципе может быть средой для жизни на более холодных планетах, чем Земля. В Солнечной системе метанола хватает, например на Тритоне, крупнейшем спутнике Нептуна.

Наконец, еще один кандидат на роль подходящего для жизни гидрофильного растворителя – сероводород, соединение водорода и серы с формулой H₂S (она же H – S–H). Молекула сероводорода очень похожа на молекулу воды. Правда, водородные связи она образует несколько хуже. В Солнечной системе сероводорода много на Ио – спутнике Юпитера, который отличается невероятной геологической активностью. Поверхность Ио покрыта вулканами, выбрасывающими фонтаны лавы, а состоит эта лава в основном из разнообразных соединений серы, которые текут и застывают, ибо в системе Юпитера очень холодно. Ио – это настоящий “мир льда и пламени”^{23}. Если бы на Ио была жизнь, она вполне могла бы быть основана на сероводороде, точно так же, как земная жизнь – на воде.

А может ли среда для жизни оказаться не гидрофильной, а гидрофобной? Исключить такое в принципе нельзя. Например, на крупнейшем спутнике Сатурна – Титане – есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH₄), этана (C₂H₆) и пропана (C₃H₈). Это настоящий гидрофобный растворитель, в котором некоторые ученые допускают существование жизни, хотя прямых подтверждений этому пока что нет. Жидкой воды на поверхности Титана не бывает, там слишком холодно.

В целом, однако, сейчас кажется более вероятным, что главный растворитель для внеземной жизни окажется гидрофильным (но не обязательно водой). Во-первых, гидрофильных растворителей в природе просто больше. А во-вторых, все известные биохимические механизмы слишком уж сильно “заточены” под гидрофильную среду. Биохимию на гидрофобной основе вообразить гораздо труднее.

Из совсем уж экзотических альтернатив воде можно назвать, к примеру, фтороводород (HF, “аш-фтор”). Водный раствор фтороводорода – очень агрессивное вещество, которое называется плавиковой кислотой (в сериале “Во все тяжкие”, главный герой которого – химик, ставший преступником, этой кислотой растворяют трупы). Однако многие органические молекулы, например углеводороды, в ней совершенно стабильны. К тому же фтороводород прекрасно образует водородные связи, а это, как мы уже знаем, очень важное для растворителя свойство. Возможность фтороводородной жизни допускали некоторые ученые, например астроном Карл Саган. А в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи” описана планета с фтороводородным океаном и дышащими фтором разумными жителями, с которыми земляне вступают в контакт. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…”