О. Э. Костерин общая биология курс лекций

Вид материала

Курс лекций

Содержание Среда обитания Элементный состав живого вещества Химические связи Ван-дер-Ваальсово взаимодействие

Подобный материал:

• Курс лекций уфа 2006 удк 576. 4 Ббк 28. 073, 2080.69kb.
• Рабочая программа по курсу общая биология 9 класс, 576.48kb.
• В. Т. Уголовное право. Общая часть. Курс лекций, 3067.36kb.
• Б. Л. Международное право и правовая система Российской Федерации. Общая часть: Курс, 5694.73kb.
• Учебно-методический комплекс С. Г. Мамонтов, В. Б. Захаров, Н. И. Сонин «Общая биология»,, 44.75kb.
• Учебно-методический комплекс С. Г. Мамонтов, В. Б. Захаров, Н. И. Сонин «Общая биология»,, 36.54kb.
• Курс Семестр Дисциплина Программа (раздел курса), 14.47kb.
• Курс лекций Барнаул 2001 удк 621. 385 Хмелев В. Н., Обложкина А. Д. Материаловедение, 1417.04kb.
• Бесплатные обучающие программы по биологии www history ru/freebie htm Открытый колледж, 114.73kb.
• Программа по биологии для среднего (полного) общего образования (профильный уровень), 530.44kb.

^ Среда обитания


В Восточном Забайкалье, в Приаргунье, распространен так называемый эндемичный деформирующий остеопороз, называемый также Уровской болезнью и синдромом Кашина – Бека. Это эндемичное врожденное заболевание, которому подвержена часть населения в бассейнах рек Уров и Урюмкан. Она характеризуется недоразвитием хрящевой ткани в суставах, укороченными конечностями, гиперлордозом (излишняя выгнутость позвоночника), сниженными умственными способностями. Механизм ее возникновения не вполне понятен, но очевидно, что ее развитие связано с недостатком в окружающей среде селена, йода, а также кальция и избытком серебра и некоторых других металлов. По-видимому, решающую роль здесь играет недостаток селена. А так называемый кретинизм – умственная отсталость, гипертрофированная щитовидная железа – возникают в местностях, бедных йодом. Заметим, что речь идет, по сути, о ничтожных вариациях элементного состава на земной поверхности, пагубных для человека (поселившегося в тех местах относительно недавно), но не влияющих на буйную местную природу. Однако некоторые виды бактерий населяют горячие вулканические источники, в которых соотношения элементов, в том числе металлов, могут быть весьма экзотическими, и эти виды не могут жить в других условиях.

Какие выводы мы можем сделать из всего этого?

1. Каждый вид живого существа очень тонко настроен на конкретное колчественное соотношение множества химических элементов, большая часть из которых так или иначе вовлечена в построение и функционирование организма.

Какое дальнейшее «практическое» следствие мы можем отсюда вывести? Мечты о расселении человека на другие планеты беспочвенны. В прямом смысле беспочвенны – подходящую для него по составу почву найти за пределами Земли практически нереально. Даже на вполне мирно выглядящей земной поверхности человек не везде может безбедно существовать. Так что на других планетах либо среда должна быть искусственная, либо сам человек в той или иной мере искусственный.

2. Жизнь может перенастроиться на другой спектр элементного состава в весьма широких пределах. Но для этого спектр должен меняться очень медленно. Весь вопрос в том, сколько на такую перенастройку уйдет времени, или, лучше сказать, сколько неприспособившихся к меняющимся условиям индивидуумов погибнет, чтобы уступить место приспособившимся.

Кстати, то, к чему мы с вами не только приспособлены, но и жить без чего не можем, представляет собой с химической точки зрения совершеннейший кошмар. Имеется в виду кислородная атмосфера. Кислород – сильнейший окислитель, свободный кислород – крайне реакционноспособное и агрессивное вещество. Для того чтобы жить в такой атмосфере, жизнь долго приспосабливалась. Сейчас существуют анаэробные бактерии, которые способны жить без кислорода. Анаэробы могут быть факультативные, способные жить в присутствии кислорода, и облигатные, для которых кислород является смертельным ядом. (К последним принадлежит бактерия Clostridium botulinum, развивающаяся в недостаточно стерилизованных консервах, выделяющая яд огромной токсичности, отравление которым известно как ботулизм.) Когда-то на Земле жили одни облигатные анаэробы. Но по мере того как кислород накапливался, отбирались организмы, биохимия которых была рассчитана на устойчивость к кислороду. Зато кислородная атмосфера позволила живым организмам гораздо быстрее и эффективнее извлекать энергию из тех веществ, которыми они питаются. Дыхание – это, по сути, контролируемое горение. До этого жизнь пользовалась гораздо менее эффективными химическими путями извлечения энергии.

Атмосфера свободного кислорода – нонсенс, состояние, исключительно далекое от химического и термодинамического равновесия. В любой момент она существует исключительно из-за того, что зеленые растения и сине-зеленые водоросли непрерывно производят кислород (за счет энергии солнечного света) в процессе фотосинтеза. Оборот этого процесса составляет примерно 250 млрд т в год. Иными словами, не только жизнь, как вы узнали из предыдущей лекции, есть состояние, далекое от равновесия, поддерживаемое с затратами энергии, но и вся среда, в которой эта жизнь существует, – атмосфера и гидросфера Земли, находящиеся под воздействием живых организмов, создана и поддерживается в далеком от равновесия состоянии самой же жизнью. Эта идея и заключена в популярном понятии биосферы – оболочки Земли, сформированной и находящейся под сильнейшим влиянием жизни. Она включает в себя всю атмосферу, всю гидросферу и часть литосферы, содержащую осадочные метаморфические породы, сформировавшиеся не без участия живых организмов. Между прочим, зона, в которой на поверхности нашей планеты активны сами живые организмы, гораздо шире, чем можно было бы подумать. Некоторые бактерии живут в облаках, усваивают там атмосферную органику при температурах, близких к нулевым и даже сами в какой-то мере выступают центрами конденсации водяных паров в те капельки, из которых и состоят сами облака. Живые бактерии были также найдены в грунтах на глубинах более 800 м под океанским дном, то есть в условиях чудовищного давления и высокой температуры; биомассу таких бактерий и их роль в геохимических процессах еще предстоит оценить.

Если атмосфера свободного кислорода создана жизнью, значит, до возникновения и довольно далеко зашедшего развития жизни кислорода в атмосфере не было. Действительно, первичная атмосфера Земли была восстановительной и состояла в основном из водорода, азота и его оксидов, углекислого газа, метана и водяного пара. Кислород присутствовал только в связанной форме. И если в атмосфере присутствует такое количество свободного кислорода, его нужно было высвободить из его соедиений. Кто этим занимается – мы знаем (впрочем, первоначально это были цианобактерии – они же синезеленые водоросли, а не растения). Общая реакция фотосинтеза известна:


CO₂ + H₂O = (COH₂) + O₂


(здесь в скобках приведена условная брутто-формула углеводов, являющихся непосредственными продуктами фотосинтеза).

Из нее следует, что если мы получаем кислород, то где-то должны накапливаться и другие продукты реакции, т. е. углерод и водород в связи с меньшим количеством кислорода или вне связи с кислородом вообще. Причем они должны накапливаться в стехиометрическом соотношении, т. е. в количественном соотношении между участвующими в реакции веществами, задаваемыми самой реакцией: на одну молекулу полученного кислорода из состава углекислого газа должен быть выведен один атом углерода. Куда же деваются осиротевшие, лишенные связи с кислородом углерод и водород? Ваши версии!

Ну да, в живое вещество, конечно. Оценки, которые можно найти в интернете, таковы: общая биомасса планеты, в пересчете на сухую массу, составляет 2,4 x 10¹² т (в интернете можно встретить степень до 10¹⁶ – можете себе представить надежность этого источника – разница в четыре порядка), то есть 2,4 триллиона тонн, а ее ежегодный прирост – 2,3 10¹¹ т, то есть около одной десятой. Цифры эти, надо полагать, весьма приблизительны. Тем не менее, кислорода в атмосфере Земли 1,4 x 10¹⁵ т (1 400 трлн т) – на три порядка больше. Стехиометрически этому соответствует масса углерода, составляющая 1/3 от этого количества (один атом углерода атомарной массой 12 у. е. на два атома кислорода с атомарной массой 18 у. е.), т. е. 467 трлн т. Куда же помимо живого вещества делся остальной углерод, выведенный из состава углекислого газа, а также водород, выведенный из состава воды?

Углерод с водородом. Вам это ни о чем не говорит? Углеводороды. Это наши «энергоносители»: нефть, газ, каменный уголь, являющийся фактически чистым углеродом. Все эти горючие полезные ископаемые – биогенного происхождения, продукт функционирования экосистем. Нефть и природный газ – в основном ранних, протерозойских микробных экосистем, уголь – палеозойских, уже вполне похожих на наши. Количество углерода, запасенного в недрах в виде этих ископаемых, оценивается в 4 трлн т. Если учесть горючие сланцы, битуминозные пески и гидраты метана, то и все 10 трлн т. Очевидно, что для количественного соответствия кислороду этого все равно не хватает – тут явно недоучтен какой-то фактор. Много углерода запасено в биогенных известняках, представляющих собой смесь фосфата и карбоната кальция с преобладанием карбоната – CaCO_3.. Углекислый газ участвует в процессах химического выветривания (разрушения) вулканических горных пород, при этом процессе также образуются карбонаты. Но в карбонатах на один атом углерода приходится три атома кислорода, т. е. еще больше, чем в углекислом газе (при растворении в воде CO₂ частично соединяется с ней, преобразуясь в угольную кислоту H₂CO₃, в водных растворах эти два вещества находятся в химическом равновесии, так что по сути речь идет об одном и том же соединении углерода). Поэтому известняк нам не поможет найти тот углерод, который соответствует свободному кислороду. По-видимому, все дело в том, что оценка в 10 трлн т сделана для доступных нам недр, а есть еще недоступные, включая земную мантию. Не следует забывать, на какой страшной планете мы живем. Непрекращающийся дрейф континентов сопровождается субдукцией – погружением океанской коры под наступающую на нее континентальную кору с последующим ее расплавлением. При этом вместе с океанской корой уходят накопившиеся там осадочные породы, способные уносить с собой отложенный углерод.

Биогеохимия – сложная наука, и наши прикидки чрезвычайно упрощены и приблизительны и не учитывают многих факторов. Но в любом случае мышление на глобальные темы должно быть именно таким: всегда помнить о химии и о биологии, которые предполагают вещи довольно простые и при этом весьма важные.

Говорят, что леса – это легкие планеты. В них, кстати, аккумулировано 4/5 всей биомассы. Высказывание чересчур образное, легкие кислород, в общем-то, поглощают. Рассмотрим лес. Листья поглощают углекислый газ, к ним из корней подтягивается вода, на них падает солнечный свет. Они осуществляют свой фотосинтез, выделяют кислород и образуют органические вещества (сложные соединения углерода с водородом, кислородом и другими элементами). Деревья растут, трава под ними... Фотосинтез идет непрерывно. Органика синтезируется непрерывно.

Но разве масса леса увеличивается непрерывно? Вот он за окном, каждый день (но не ночь!) производит органику. А все остается с виду почти как было. Кто-нибудь видел лесную почву? В ней тоже очень мало органики – она светлая, почти без гумуса. Куда же девается произведенная органика? Уходит на жизнедеятельность? Другими словами, органика пошла на покрытие энергозатрат? Для этого у большинства живых существ она опять соединяется с кислородом с образованием углекислого газа и выделением энергии. Это называется дыханием. Дыхание свойственно в том числе и растениям. В нашем примере необходимо, однако, учесть, что в процессах разрушения биомассы и «растраты» ее на дыхание участвуют не столько сами растения, сколько бактерии и грибы, с определенной помощью насекомых. Именно они разрушают стволы, опавшие листья. Получается, что сколько лес произвел органики, столько в нем и разложилось, а углерод улетел в виде углекислого газа. Сколько произвел кислорода, столько же и поглотил.

А откуда берутся горючие полезные ископаемые? Где запасаются те углеводороды и уголь, которые соответствуют выделенному в атмосферу кислороду? Вопроса образования нефти мы касаться не будем, он еще не до конца ясен, а главное – происходил в условиях, мало похожих на современные. А вот уголь. Что часто находят в углях? Правильно, отпечатки растений. Откуда берется уголь?

Угольные бассейны остались от обширных болот. Болота – вот что поставляет нам кислород! В болотах откладывается торф, который и сам является топливом. В дальнейшем, в недрах земли, он все больше обезвоживается и превращается в бурый (за несколько миллионов лет), а затем и в каменный (за сотни миллионов лет) уголь.

К примеру, 200 км на север от места, где мы сейчас с вами находимся, есть замечательное явление природы – знаменитое Васюганское болото – самое большое в мире, между прочим, 53 тыс. км² и прирастает на 0,8 км² в год! Так что мы с вами живем на краю самой мощной в глобальном масштабе фабрики кислорода!

Впрочем, как вы понимаете, желательно, чтобы кислород в атмосфере тоже не накапливался, а оставался на постоянном уровне. В этом смысле леса, луга и океаны – это действительно легкие планеты. Они функционируют как буфер – автоматически отдают и забирают кислород и углекислый газ, поддерживая их концентрации на постоянном уровне, в силу того что так устроена биосфера как саморегулирующаяся система, находящаяся в состоянии устойчивого динамического равновесия.

Мы с вами, по сути, коснулись цикла углерода и кислорода в биосфере, который представляет собой пути циркуляции этих элементов между живым веществом, атмосферой, океаном и литосферой (земными недрами). Не менее важны и другие циклы, например цикл азота. Не будем сейчас углубляться в эти вопросы. Обычно они разбираются в рамках науки экологии. Имеется в виду то, что в течение сотни лет называлось экологией, – наука о взаимодействии живых организмов друг с другом и средой своего обитания, биотической и абиотической. Экология - это экономика природы, наука о тех взаимосвязанных системах, которые формируют сообщества разных живых существ, связанных между собой потоками вещества и энергии, прямыми и обратными связями. Употребление слова «экология» для обозначения чего-то вроде науки о вкусной и здоровой пище или гигиены, т. е. системы взглядов на здоровую среду обитания человека, без мутагенов и тяжелых металлов, возникло в среде средств массовой информации, отличающейся постоянным уровнем универсальной некомпетентности. Но, приобретя политическую окраску в обществе, такое понимание вернулось в науку и было ей навязано, так как получение финансирования под проекты зависит от идей, циркулирующих в обществе и от употребления слов в их вульгарном, а не точном значении. Единственное, что может оправдать так называемое «современное» употребление слова «экология», – его этимология, так как в вольном переводе с греческого это означает «наука о доме». Экология обычно рассматривается в обзорных курсах биологии в самом конце как наука о максимально широких биологических системах, включающих все остальные. Тем не менее, рассуждая о химических основах жизни, необходимо начать со слов о химии внешней для жизни среды, которая, с одной стороны, определяется уникальными свойствами планеты Земля, а с другой – сама в огромной степени создана жизнью. Причем жизни пришлось специально приспосабливаться к собственному созданию, что в конечном счете вылилось в огромное повышение ее собственной эффективности, т. е. к интенсификации энергетических потоков и повышению структурной сложности и разнообразия.

В статье «Венера» в википедии можно найти два любопытных утверждения:

1) «У Венеры самая плотная среди прочих землеподобных планет атмосфера, состоящая главным образом из углекислого газа. Это объясняется тем, что на Венере нет никакого и органической жизни, которая могла бы перерабатывать его в биомассу.»

2) «Известно, что основной серосодержащий газ на Венере - это двуокись серы. Но когда мы начинаем моделировать химию атмосферы на компьютере, то выясняется, что двуокись серы должна быть «съедена» поверхностью в течение геологически короткого времени. Этот газ должен исчезнуть, если нет какой-то постоянной подпитки. Её приписывают, как правило, вулканической активности» (Д. Титов).

Не напоминает ли вам ситуация с двуокисью серы на Венере таковую с кислородом на Земле? Двуокись серы – тоже очень хороший окислитель, и он снова присутствует в атмосфере в огромных количествах и вдалеке от химического равновесия. А активного современного вулканизма на Венере до сих пор не найдено. Не поступает ли двуокись серы из того же источника, в котором расходуется? Не означает ли это, что там имеет место глобальный (вернее, венеральный) геохимический (вернее, венохимический) цикл серы/кислорода, который, возможно поддерживает какая-то другая, неорганическая (возможно, кремниевая или смешанная кремнеуглеродная) форма жизни, способная существовать при высоких температурах в среде серной кислоты?


^ Элементный состав живого вещества


Переходя от внешней химии к химии внутренней, в первую очередь коснемся элементного состава. В приведенной ниже таблице представлено процентное содержание элементов в живых организмах.

Элемент	В живых организмах	В земной коре	В морской воде
Кислород	65–75	49,2	85,8
Углерод	15–18	0,4	0,0035
Водород	8–10	1,0	10,67
Азот	1,5–3,0	0,04	0,37
Фосфор	0,2–1,0	0,1	0,0003
Сера	0,15–0,20	0,15	0,09
Калий	0,15–0,40	2,35	0,04
Хлор	0,05–0,10	0,2	0,06
Кальций	0,04–2,00	3,25	0,05
Магний	0,02–0,03	2,35	0,14
Натрий	0,02–0,03	2,4	1,14
Железо	0,010–0,015	4,2	0,00015
Цинк	0,0003	> 0,01	0,00015
Медь	0,0002	> 0,01	> 0,00001
Йод	0,0001	> 0,01	0,000015
Фтор	0,0001	0,1	2,07

В живых организмах обнаруживаются практически все элементы, встречающиеся на земной поверхности – около 80. В отношении 26 из них известно, что они вовлечены в структуру и функцию организма и необходимы ему. Их называют биогенными элементами. По содержанию биогенные элементы принято делить на макроэлементы и микроэлементы, хотя это деление условное; 96 % массы живых организмов обеспечивают кислород, углерод, водород и азот. Добавление фосфора и серы исчерпывает 99 % массы. Как мы сейчас увидим, они действительно составляют необходимую основу химизма жизни, так как являются обязательными элементами биополимеров. Помимо этих шести, к макроэлементам относятся кальций, натрий, калий, магний и хлор, так что всего макроэлементов 11.

К микроэлементам относят те 15 элементов, общее количество которых составляет менее 0,1 % массы тела. Все они необходимы для жизнедеятельности. Это железо, кобальт, медь, цинк, хром, молибден, марганец, кремний, фтор, йод, никель, ванадий, олово, мышьяк, селен.

Содержание элементов в организме существенно отличается от такового в окружающей среде. Хотя это еще вопрос, что считать окружающей средой – воду, воздух или землю. Но оно отличается от всех трех. Насчет воды и воздуха понятно. В почве содержится около 33 % кремния, тогда как в растениях его лишь 0,15 %. Кислорода в почве – около 49 %, в живых организмах – около 70 %. Наконец, живые существа отличаются от среды прежде всего повышенным содержанием углерода.

Но можно все же сказать, что ключевыми элементами в структуре жизни являются три – углерод, кислород и водород. Кислород с водородом имеют первостепенную важность, кроме всего прочего, как составные части воды, а вода – как универсальная среда для собственно живого вещества, которое представляет собой прежде всего соединения углерода.


^ Химические связи


Для того чтобы двигаться дальше, нам сейчас придется вспомнить, какие бывают виды химических связей. С большей частью из них мы встретимся очень скоро.

Самая прочная связь – ковалентная, когда два электрона заполняют общую орбиталь вокруг двух ядер, которые оказываются связанными силами притяжения между каждым из них и этими двумя общими электронами. Все помнят, что такое электронные орбитали? Это устойчивое состояние, в котором может находиться электрон по отношению к одному, двум или более атомным ядрам. Оно характеризуется определенной конфигурацией электронной плотности и может быть представлено в виде некоего облака, сгущающегося к ядру (причем на бесконечных расстояниях от ядра электронная плотность не становится тождественно равной нулю). Что такое электронная плотность? Грубо говоря, это вероятность нахождения электрона в той или иной точке пространства относительно атомного ядра. Движение электрона невозможно описать в привычных нам терминах координаты и скорости, так как в силу принципа неопределенности Гейзенберга невозможно получение сколь угодно точной информации об обоих этих параметрах. Это отражает тот факт, что электрон – это не только частица, но и волна, у которой нет точной координаты. Поэтому и вводится электронная плотность в виде некоей характеристики присутствия электрона в пространстве вокруг ядер. На одной орбитали может находиться 0, 1 или 2 электрона, в последнем случае – с разными спинами. Спин – это некая характеристика электрона, связанная с его движением и имеющая отдаленную аналогию с вращением вокруг оси движения – по или против часовой стрелки. Если вам так больше нравится, можете проводить другую аналогию: электроны могут составлять пары мужчина – женщина и вместе занимать одну жилплощадь (отличие здесь в том, что любой электрон, чтобы заполнить уже занятую орбиталь, принимает противоположный пол, как люди в фантастическом романе Урсулы Легуин «Левая рука тьмы»). Мы будем иметь дело в основном с элементами второго и третьего периодов (водород не в счет), прежде всего – с углеродом, кислородом и азотом.

Атом элемента второго или третьего периода может иметь на внешней электронной оболочке четыре электронные орбитали. Для описания общей электронной плотности этой оболочки существует несколько физических моделей (а именно – решений знаменитого дифференциального уравнения Шредингера в трехмерном пространстве), описывающих электронную плотность отдельного электрона. Можно представить, что орбитали организованы следующим образом: имеется сферически-симметричная s-орбиталь и три обладающие осевой симметрией p орбитали, расположенные в пространстве под углом 90^о друг к другу. Схематически s орбиталь можно изобразить сферой, а p-орбиталь – чем-то вроде гантели с центром в атомном ядре. Схематическое изображение s- и p-орбиталей показано на рис. 2.1, вверху. Однако нужно заметить, что когда все орбитали заполнены (это имеет место у благородных газов), то общая электронная плотность атома зависит только от расстояния от ядра, и какие либо «оси» не выделяются, т. е. три p-орбитали полностью дополняют друг друга в пространстве.

Ту же самую электронную плотность можно получить в ином математическом представлении (другим решением уравнения Шредингера), если считать, что электроны расположены по четырем совершенно одинаковым орбиталям, направленным от ядра по четырем сторонам равноудаленным друг от друга способом, а именно к вершинам воображаемого тетраэдра с центром в ядре, под углом 105^o28’ друг к другу. Каждая такая орбиталь является гибридом s- и p-орбиталей, данный вид гибридизации орбиталей называется sp₃-гибридизация. Фактически это просто другое математическое описание того же распределения электронной плотности.

Можно также оставить одну p-орбиталь в покое, а сделать гибрид между s-орбиталью и двумя оставшимися p-орбиталями. Гибридные sp₂-орбитали будут расположены в одной плоскости и направлены под углом 120 ^o друг к другу.

Если мы вовлечем в гибридизацию только одну p-орбиталь, то получим две sp-орбитали, направленные строго в противоположные от ядра стороны.

Гибридные орбитали также схематически представлены на рис. 2.1.

Электронная плотность орбитали, общей для двух атомов, связанных одинарной ковалентной связью, описывается своими собственными уравнениями, но их решение приводит к такому результату, как если бы она складывалась из электронных плотностей одной из орбиталей от каждого из двух этих атомов. В случае двойной связи образуются две общие орбитали, в которые входят, соответственно, по две орбитали от каждого из атомов; в сулчае тройной связи образуется три общих орбитали. Напомним, что «негибридные» и разные гибридные орбитали в случае одного атома – это лишь разные математические модели, описывающие одну и ту же электронную плотность. Но когда атом вовлекается в ковалентные связи, т. е. образуются электронные орбитали, общие между его ядром и ядрами других атомов, то дело обстоит так, как если бы общие орбитали «образовывалась» из орбиталей одиночного атома того или другого определенного типа, а образующиеся связи располагаются под теми углами, под которым направлены соответствующие, гибридные либо негибридные, орбитали.

Рассмотрим ковалентные связи на примере соединений атомов углерода друг с другом в минералах, представляющих собой чистый углерод. Углерод несет на внешней электронной оболочке четыре электрона, по одному в каждой из четырех его электронных орбиталей. Соответственно, каждая из этих орбиталей способна образовывать общую орбиталь с также частично заполненной (несущей один электрон) орбиталью соседнего атома, то есть вступать в ковалентную связь – углерод четырехвалентен. Собственно, этим и объясняется склонность его атомов образовывать сложные цепочки.

Атом углерода, не вовлеченный в двойную или тройную связь, образует четыре одинаковые связи, расположенные максимально удаленным друг от друга способом, т. е. направленные к вершинам тетраэдра из его центра, так что угол между любыми двумя связями составляет 105^o28’. Таким образом, электроны на внешней электронной оболочке образуют общие орбитали с соседними атомами углерода, исходя из sp₃-гибридных орбиталей. Таковы связи между атомами углерода в алмазе, идеальная равномерная структура которого и определяет его твердость. Но под таким же углом расположены и связи, образуемые углеродом, к примеру, в сахаре.

Углерод, вовлеченный в двойную связь, образует две другие связи в плоскости, под углом 120 градусов друг к другу и к двойной. При этом одинарные связи образуются орбиталями в sp2 гибридизации, а двойная связь – одной sp2-орбиталью и одной негибридной p-орбиталью. Таковы связи между атомами углерода в графите, который состоит из плоских слоев, где атомы углерода уложены как пчелиные соты.

Углерод, вовлеченный в тройную связь, образует еще одну одинарную связь, направленную строго в противоположную сторону от тройной – она образована sp-гибридной орбиталью, а тройная связь – такой же орбиталью и двумя негибридными p-орбиталями. Существует и форма углерода, составленная из линейных цепочек атомов углерода, соединенных чередующимися одинарными и тройными связями – карбин, но эта форма синтетическая и не встречается в природе. (Карбин обладает проводимостью, резко усиливающейся на свету, и применяется в фотодетекторах).

Одинарные связи – самый распространенный вид связей в живом веществе. Тройные связи там почти не встречаются. Двойные связи очень важны, так как чередующиеся двойные и одинарные связи (так называемые сопряженные связи) в цикле или цепочке образуют некую общую орбиталь, по которой электроны легко перемещаются. Более того, в них нельзя сказать, какие пары атомов углерода связаны одинарными связями, а какие – двойными, так как все p-орбитали объединяются в некие общие орбитали, на которых может находиться много электронов. Такие резонансные структуры очень распространены в связи с процессами преобразования и переноса энергии – в фотосинтезе, дыхании. (Они же существуют по обе стороны слоев графита, обеспечивая его высокую электричесвую проводимость.) Циклические молекулы с основой из 5–6 атомов углерода с чередующимися одинарными и двойными связями, образующие единую общую орбиталь с электронной плотностью над и под циклом, называются ароматическими соединениями. Помимо атомов углерода, в основу ароматических циклов могут входить и атомы азота, такие молекулы составляют важную основу нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и входят в состав белков.

Перейдем от ковалентной к другой очень важной связи – ионной. Это соединение противоположно заряженных ионов, основанное на их взаимном электростатическом притяжении. Ионами называются заряженные атомы, имеющие либо лишний электрон (электроны) – отрицательно заряженные, либо недостаток электрона (электронов) – положительно заряженные. Легко теряют электроны металлы, поэтому они часто образуют ионную связь с атомами или молекулами, которые легко принимают электрон (допустим, с галогенами, кислотными остатками).

Еще одну слабую, но важную связь можно найти в воде. Атом кислорода в составе воды имеет две заполненные электронные sp₃-орбитали, на которых находятся две пары электронов с разным спином, и две незаполненные sp₃-орбитали, на которых находится по одному электрону. Две незаполненные орбитали образуют химическую связь c двумя атомами водорода, а две заполненные занимают два оставшихся направления. Между этими двумя неподеленными парами электронов и ядрами водорода соседних молекул воды возникает электростатическое притяжение (вследствие того, что в электронной орбитали связи О-Н электронная плотность несколько сдвинута в сторону ядра кислорода, так что пложительный заряд ядра водорода не вполне компенсирован отрицательным зарядом электронов) и формируется некая довольно слабая связь, называемая водородной связью. Благодаря водородным связям молекулы воды связаны в рыхлые агрегаты, включающие то или иное количество молекул. Водородные связи свойственны не только воде, но и многим органическим молекулам, включающим OH- или NH-группы. Они имеют первостепенную важность для структуры и воспроизводства молекул ДНК и для пространственной организации молекул белков.

Между молекулями вещества возможны более рыхлые ассоциации, называемые не связями, а взаимодействиями. В биологии встречается один из типов взаимодействия, который связан с водой, – гидрофобное взаимодействие. Это притяжение друг к другу неполярных органических молекул или их частей в полярной водной среде за счет общего невзаимодействия с молекулами воды. Молекулы воды притягиваются друг к другу, тем самым выталкивая неполярные молекулы из воды; это приводит к тому, что неполярные молекулы собираются вместе.

Кроме того, существует некоторое притяжение электронов к ядрам атомов соседних молекул – так называемое ^ Ван-дер-Ваальсово взаимодействие, которое возникает даже между в целом неполярными молекулами из-за того, что их электронная плотность флуктуирует и тем самым части молекулы на какие-то ничтожные мгновения приобретают положительные и отрицательные заряды, которые к тому же индуцируют друг друга у соседних молекул и заставляют их притягиваться друг к другу.

Наконец, есть еще и так называемое стэкинг-взаимодействие между ароматическими группами, находящимися друг под другом. Стэкинг-взаимодействием связаны между собой стопки слоев в графите. Это же взаимодействие присутствует в молекуле ДНК, но это для нас сейчас не очень важно.