По какому маршруту путешествует самый «живой» химический элемент в мире: путевые заметки углерода
В теле каждого из нас есть каркас — это скелет. К нему крепятся мышцы и связки, внутренние органы, сосуды, нервы. Все они состоят из длинных химических молекул — органических соединений. У каждого из таких соединений есть свой «каркас-скелет» — это цепочки из атомов углерода. К ним, как мышцы к скелету, крепятся кислород, водород и другие элементы. Но быть основой живой материи не единственная роль углерода: он также есть в составе минералов и газов, а еще атомы углерода путешествуют сквозь пространство и время. Если б углерод мог писать, то его путевые заметки выглядели бы примерно так.
Атом углерода
основа живой материи
График моих поездок невозможно составить заранее: путешествия в земной коре длятся миллионы лет, а перелеты между атмосферой, океаном и биосферой — всего несколько дней.
Маршрут «земля — атмосфера»
Поездка была короткой. Из почвы я направился в воздушную оболочку планеты. Меня быстро влекло наверх: в атмосфере в составе молекулы углекислого газа (CO2) я намеревался беззаботно «загорать», заодно сохранять солнечное тепло, отражающееся от земной поверхности, и помогать поддерживать теплый климат на Земле. Путешествие намечалось ленивое и спокойное, ведь я был частью самого стабильного химического соединения, которое только могу образовать.
Был «кислым», а стал «сладким»!
Вскоре я заскучал и решил отправиться в гастрономический тур. Мне нужно было выбрать растение, водоросль или цианобактерию и в виде углекислого газа проникнуть в его клетки с хлорофиллом. При участии этого пигмента протекает фотосинтез, а углерод, то есть я, переходит в другое соединение — глюкозу. Мое превращение в «сладкую» молекулу произошло в листе кустарника.
Куда поехать в составе глюкозы, выбирал долго: мог стать кирпичиком для создания сложных органических соединений — клетчатки или крахмала в листьях, стеблях и плодах кустарника, а мог накормить и само растение — израсходоваться во время его внутриклеточного дыхания. В этом случае я вновь попал бы в атмосферу в составе молекулы CO2, но мне хотелось чего-то новенького, и я превратился в клетчатку…
Теперь я — часть животного! С ума сойти!
Клетчатка — это пища для животных. Плод кустарника, где я блаженно отдыхал в составе клетчатки, съел заяц. Его пищеварительная система и живущие в ней бактерии разобрали сложный конструктор клетчатки обратно до простых кирпичиков — молекул глюкозы.
Вместе с глюкозой по кровотоку зайца я отправился на экскурсию и оказался на распутье. Куда поехать: в клетки организма, где была нужна энергия или строительные материалы? Мои попутчики «сгорели» в клетках животного, даря ему энергию, а я встроился в структуру клеток и стал частью большого сложного организма.
Марина Казанцева
старший преподаватель молекулярной и биологической физики МФТИ
Переработка глюкозы в клетках живых организмов и горение дров в печи — это процессы под действием кислорода из воздуха. Когда дрова сгорают, вещество переходит в энергию, выделяются вода и углекислый газ. Так же «сгорает» глюкоза в митохондриях, специальных частях клетки.
Из живого в неживое
До последнего вздоха моего ушастого работодателя я был частью живой материи. Но время пришло, и мне предстояло новое путешествие. Если бы на моем маршруте попалось достаточно кислорода, после гибели зайца я тут же превратился бы в углекислый газ и улетел в атмосферу. Но внутри организма кислорода было мало, и моим маршрутом стало гниение, а попутчиками — бактерии и грибы.
Вместе мы преодолели целые каскады химических реакций. В некоторых из них образовывались молекулы углекислого газа: они юрко проникали из почвы в атмосферу, как и я в самом начале своего пути. Повторить этот же маршрут или отправиться в неизвестность? Выбрал второе.
В течение миллионов лет в составе перегнившей органики я опускался все глубже и глубже под землю. Сверху меня накрывали новые слои осадочных пород, их давление росло, как и температура. За время долгого путешествия я постепенно превратился в полезные ископаемые и, казалось, так и буду всю жизнь париться в подземной бане. Но не тут-то было: там, наверху, наступила эра технического прогресса.
Техногенные маршруты
Благодаря прогрессу мои путешествия разнообразились. Из земной тверди я попал на грузовой поезд и проехал в нем тысячи километров, затем побывал на заводе, где из полезного ископаемого превратился в топливо, и снова преодолел живописный маршрут до тепловой электростанции.
Со станции, после сжигания в топке, я вернулся в место, где начался мой дневник путешественника — в атмосферу, снова став углекислым газом. Оглянувшись, я заметил, что попутчиков стало больше, чем много лет назад. «Тесновато тут», — подумал я. Но «туристы» успокоили: «Не переживай, малыш атом. На земле нам шепнули, что люди придумали множество способов, чтобы помочь нам не толпиться в атмосфере. Теперь они умеют улавливать и хранить углекислый газ. Его сжижают или отправляют в газообразном виде в природные пустоты, где раньше залегали полезные ископаемые. Так можно утилизировать миллиарды тонн углекислого газа».
Строить большие подземные отели для углекислого газа пока дорого, но когда-то и мобильные телефоны были только у нескольких людей на планете. Когда технологию масштабируют, я смогу отправиться в подземный отель на миллионы лет и, может быть, напишу целый роман о своих путешествиях.
