Эволюция на пальцах

В химии — мириады разного рода реакций. И среди них есть, как мы уже сказали, группа реакций каталитических, то есть идущих только в присутствии катализатора. Катализатор — это вещество, которое само не участвует в реакции, то есть ни во что другое не превращается, но зато позволяет идти другим реакциям в своём присутствии. Ускоритель. Бросил в пробирку катализатор, и реакция пошла! Катализаторами разных реакций часто служат металлы.

Среди этой группы есть подгруппа реакций, которые называются автокаталитическими. В них катализатором выступают сами продукты реакции. То есть чем больше продуктов реакции, тем быстрее идёт реакция, потому что больше ускорителя. И это очень напоминает размножение. Собственно, это и есть размножение продуктов реакции в растворе. Молекула автокатализатора, которая сама есть продукт реакции, производит как катализатор, используя болтающиеся в растворе реактивы, другую точно такую же молекулу, как она сама. Она словно «поедает» вещества, содержащиеся в растворе, чтобы произвести себе подобные молекулы.

Вот вам размножение!

Если продукты реакции — вещества нестойкие, то есть могут со временем распадаться, то их количество в растворе зависит от количества «пищи». Много «пищи» — автокаталитическое воспроизводство идёт с нарастанием. А если количество реактива, из которого собираются автокатализаторы, в какой-то момент начало уменьшаться, то продукты реакции будут «вымирать» быстрее, чем автособираются, и в конце концов и в растворе их не останется вовсе. И даже если потом количество «пищи» вырастет, автокатализаторы не начнут самособираться — мы ведь помним, что для каталитической реакции нужен катализатор. А для автокаталитической катализатором служит сам продукт реакции. Нет его — не будет реакции при любом количестве «пищи»! Что же получается? Уменьшилось количество «пищи», и наш продукт реакции «вымер».

Что, если в сложном растворе идут несколько схожих реакций автокатализа одновременно? Это может происходить потому, например, что в результате начавшейся реакции образуются чуть-чуть отличающиеся друг от друга вещества. Вещества могут быть, например, идентичными химически, но отличаться пространственным строением, как левая и правая рука. Вроде бы и то рука, и это рука, но левая перчатки на правую руку отчего-то не налезает — а всё потому, что руки отличаются пространственным строением. Аналогичным образом могут отличаться и большие молекулы — в одной молекуле радикал (группа атомов) так присоединен, а в другой молекуле — эдак, с поворотом. И тогда изменённые вариации молекул начинают воспроизводить уже себя.

Вот вам случайная изменчивость!

А что, если характер разных автокаталитических реакций немного отличается, например, по скорости? Тогда при уменьшении количества исходного материала для реакции («пищи») более успешно пойдут те разновидности реакций, которые быстрее. То есть размножаться будут те виды молекул автокатализатора, которые быстрее других видов «пожирают» дефицитный ресурс. А остальные вымрут от «бескормицы».

Вот вам отбор!

Первой открытой химиками автокаталитической реакцией стала так называемая реакция Бутлерова, которую, как видно из названия, открыл российский химик Бутлеров. Это случилось еще в середине позапрошлого века. Отличный бородатый парень Бутлеров пронаблюдал, как в водном растворе формальдегида при добавлении в него соединений кальция и при одновременном нагревании (накачке энергией) вдруг начинает идти мощная химическая эволюция — сразу несколько реакций с образованием сахаров. Причем продукты этих реакций служат катализаторами самих себя, то есть комплекс реакций идёт с ускорением.

Что такое сахара, вы, без сомнения, должны себе представлять. Привычный сахар, который на кухне наполняет сахарницу, на самом деле лишь один из множества веществ, объединенных общими химическими признаками и называемых сахарами, — точно так же, как живые особи разных видов по общим свойствам объединяются в биологический отряд или семейство. Если построить древо химической эволюции, то привычный нам свекольный сахар можно уподобить одному животному виду, а все сахара вообще назвать семейством сахаров. Тогда это семейство можно разделить на три рода — моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Приведем для примера несколько часто встречающихся видов сахаров. Научное название свекольного (или тростникового) сахара, который мы кладём в чай и с помощью которого варим варенье, — сахароза.

Запомните: в сахарнице — сахароза!

Кроме сахарозы существует глюкоза — более простой по конструкции сахар. Именно глюкоза растворена в крови и служит топливом для работы наших клеток.

Рис. 16. Вот как устроена самая мелкая частичка кондитерского сахара

Лактоза — молочный сахар.

Фруктоза — фруктовый сахар.

Мальтоза — сахар, который содержится в солоде, то есть пророщенном зерне.

Целлюлоза — это древесина.