Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Или если нам с вами, к примеру, обоим недостает одного электрона до заполнения верхнего уровня, то мы можем заключить сделку другого рода: каждый из нас пожертвует один электрон в общую копилку — этой парой мы будем пользоваться совместно. Тем самым мы удовлетворим страсть друг друга к заполненным уровням и — посредством связи наших общих электронов — опять же объединимся в электрически нейтральную молекулу. Эти процессы, позволяющие заполнить электронные уровни посредством соединения атомов, мы называем химическими реакциями. По этому шаблону строятся подобные реакции у нас на Земле, внутри живых систем и повсюду во Вселенной.

Вода служит важной иллюстрацией этой идеи. Кислород содержит восемь электронов — два на первом ярусе и шесть на втором. Таким образом, кислород жаждет получить еще два электрона и стремится заполнить свой второй уровень до максимальной населенности в восемь электронов. Одним из легкодоступных источников электронов является водород. В каждом атоме водорода имеется один-единственный электрон, который скучает в одиночестве на первом ярусе. Если атом водорода получает возможность дополнить свой первый уровень вторым электроном, он с радостью это делает. Так что водород и кислород соглашаются завести общую пару электронов, что полностью удовлетворяет потребности водорода и делает кислород на один электрон ближе к орбитальному счастью. Добавьте к этому второй атом водорода, который тоже заводит общую с кислородом пару электронов, и все будут счастливы. Общее владение этими электронами привязывает каждый атом кислорода к двум атомам водорода, в результате чего и получается H 2O — молекула воды.

Геометрия этого союза имеет далеко идущие следствия. Межатомные силы притяжения и отталкивания придают всем молекулам воды форму широкой V, где в вершине угла располагается кислород, а атомы водорода примостились на верхних кончиках буквы. Хотя молекула H 2O не имеет суммарного электрического заряда, кислород так маниакально стремится заполнить свои орбитальные уровни, что подтягивает общие электроны к себе, в результате чего заряд по молекуле распределяется неравномерно. Вершина молекулы — жилище кислорода — обладает отрицательным зарядом, а оба кончика, где обитают водородные атомы, имеют положительный заряд.

Такое распределение электрического заряда по молекуле воды может показаться какой-то заумной подробностью. На самом деле это не так. Эта деталь принципиально важна для появления жизни. Благодаря неравномерному распределению заряда в молекуле вода способна растворить почти все что угодно. Отрицательно заряженная кислородная вершина хватает все, что обладает хотя бы небольшим положительным зарядом; положительно заряженные водородные кончики, напротив, хватают все, что обладает хотя бы небольшим отрицательным зарядом. Вместе оба конца молекулы воды работают как заряженная клешня, способная разорвать почти все, что остается погруженным в воду достаточно долго.

Самый знакомый пример — поваренная соль. Молекула поваренной соли, состоящая из атома натрия, связанного с атомом хлора, имеет небольшой положительный заряд возле натрия (который передает один электрон хлору) и небольшой отрицательный — возле хлора (который принимает электрон от натрия). Бросьте соль в воду, и кислородная сторона H 2O (отрицательно заряженная) схватит натрий (положительно заряженный), а водородная сторона H 2O (положительно заряженная) схватит хлор (отрицательно заряженный), разрывая молекулу соли пополам и переводя ее в раствор. И то, что верно для поваренной соли, верно и для множества других веществ. Подробности разнятся, но асимметричное распределение заряда делает воду очень сильным растворителем. Вымойте руки, даже без мыла, и электрическая полярность воды примется за работу, растворяя посторонние вещества и унося их прочь.

Вода с ее способностью хватать и заглатывать разные вещества необходима для жизни, и полезность ее далеко не ограничивается применением в целях личной гигиены. Внутренность любой клетки представляет собой миниатюрную химическую лабораторию, работа которой требует быстрого передвижения огромного числа ингредиентов: на входе — питательные вещества, на выходе — отходы, смешение химикатов для синтеза веществ, необходимых для функционирования клетки, и так далее. Именно вода делает все это возможным. Вода, составляющая около 70 % клеточной массы, играет роль транспортной системы. Об этом красноречиво сказал нобелевский лауреат Альберт Сент-Дьерди: «Вода — это вещество и матрица, мать и среда жизни. Без воды нет жизни. Жизнь смогла покинуть океан, когда научилась выращивать кожу — мешок, в котором можно взять воду с собой. Мы по-прежнему живем в воде, но теперь вода у нас внутри»23. Это весьма поэтичное прославление воды и жизни. Однако с научной точки зрения у нас нет аргументов, которые доказывали бы универсальную истинность этого суждения, хотя мы и не знаем ни одной формы жизни, которая ставила бы под сомнение необходимость воды для своего существования.