Майкл Брукс - Тринадцать вещей, в которых нет ни малейшего смысла

О жидкостях мы вообще знаем очень немного. С твердыми телами куда проще: их молекулярные структуры изучены за десятилетия такими точными методами, как, например, динамическая дифракция гамма-излучения. Именно таким путем Розалинд Франклин и Фрэнсис Крик с Джеймсом Уотсоном описали строение ДНК: исследователи направляли на молекулу пучок частиц, изучали распределение интенсивности их дифракции на регулярной кристаллической решетке, которую образуют атомы, затем анализировали полученную картину. Ключевое слово здесь — «регулярность». Жидкости аморфны, а точных методов для исследования неупорядоченных микроструктур не существует.

Химики полагают, что при отсутствии внешних воздействий структура жидкого тела, скорее всего, гомологична в любой его точке; связи между частицами должны выстраиваться так, чтобы минимизировать напряженность. Ну а что происходит при температурных колебаниях, под высоким давлением или при намагничивании? Может ли вода, налитая в графин, быть упорядоченной в одной его части и аморфной в другой? Взаимодействует ли она с молекулами стекла? Все это нам не известно.

Лишь одно мы знаем совершенно достоверно: вода — действительно весьма необычное вещество. В одном броске камешка от бурых илистых вод Темзы, прямо напротив здания парламента, находится кабинет ученого, которого можно по праву считать мировым экспертом по воде. Мартин Чаплин, профессор Лондонского университета южного берега Темзы, посвятил свою карьеру изучению физических свойств жидких тел. Сколько же научных аномалий ему открылось в этой области? Как утверждает он сам — по меньшей мере, шестьдесят четыре.

Большинство из них обусловлено характером слабых связей между молекулами воды. У кислородного атома в соединении H 2O несколько электронов не связаны с водородными атомами своей молекулы. Однако их отрицательные заряды притягиваются к положительным зарядам водородных протонов в других молекулах.

Хотя эти связи, называемые водородными, неустойчивы — при нормальных температурах они то и дело разрываются, трансформируясь в круговороте молекул, — на них основаны многие необычные особенности воды. На них же фактически держится вся жизнь: именно водородные связи сделали Землю пригодной для человечества. Так, благодаря им вода, единственная из всех жидкостей, при охлаждении не сжимается, но расширяется. Оттого и лед не уходит на дно; а будь иначе, океаны бы промерзли насквозь, и лишь самый поверхностный слой таял под лучами солнца. Тогда сложные формы живой материи не смогли бы появиться на планете.

Но свойства воды связываются и напрямую с основами феномена, который мы зовем жизнью. Откликнувшись на просьбу одного из журналов издательской компании «Нейчур» написать обзорную статью о значении воды в биологии, Чаплин начал свой текст довольно-таки провокационным заявлением: «Давно пора воде утвердиться на законных основаниях в принадлежащей ей по праву роли — важнейшей и самой активной из всех биологических молекул».

Сам же профессор взял на себя роль начальника штаба, координатора кампании по признанию особых заслуг H 2O в нашем мире. Его обзор читается как идейный манифест. Исследования сложных биомолекул Чаплин называет «более фешенебельными», но для любой из них вода служит главной движущей силой. Без электростатики водородных связей невозможны синтез и поддержание структуры белков, функциональной основы наших тел. Когда белковая молекула сформируется, вода служит ей «смазкой», водородные связи дают ее структуре гибкость и одновременно стабильность. Вода не менее важна для белков, чем аминокислоты, из которых состоят их молекулярные цепочки.

В ДНК водородные связи формируют вторичную — спиралевидную структуру нуклеотидов; ориентация молекул воды меняется в зависимости от парных сочетаний азотистых оснований и последовательности, в которой они соединены. Эта пространственная модель с ее электростатикой позволяет белкам (также содержащим воду) быстро сближаться и точно соединяться с соответствующими парами оснований. Таким образом, вода играет, по сути, центральную роль в обработке информации ДНК, а тем самым в развитии живой материи. «В театре жизни жидкая вода не статист, но кульминационный момент спектакля, — объясняет Чаплин. — Она выполняет свою работу и в виде изолированных молекул, и небольшими кластерами, и в более крупных сетях или целых жидкостных фазах, у каждой из которых свое обличье».