Жизнь обитателей земных недр чрезвычайно сложна, так зачем нам интересоваться какими-то общими термодинамическими законами? Нельзя ли просто продолжать потихоньку открывать новые способности живых существ, не обращая внимания на объединяющие принципы, которые ими управляют? Нет, так не получится, если мы надеемся продвинуться дальше по сравнению с нашими сегодняшними знаниями. Понимание термодинамических законов жизни дает возможность предсказывать, где еще мы можем ее обнаружить, будь то какие-то странные места на Земле или вообще другие планеты.
Итак, вот какие термодинамические ситуации применимы к жизни.
1. Процессы с выделением энергии (отрицательное значение ΔG), но замедленные или заблокированные. Это важный источник энергии для поддержания жизни. Там, где наблюдается такая ситуация, есть шанс обнаружить живых существ.
2. Процессы с выделением энергии (отрицательное значение ΔG), которые происходят так быстро, что живые существа не успевают принять в них участие, или в которых выделяется так мало энергии, что бессмысленно ее использовать. Эти условия бесполезны для жизни, и такие реакции можно назвать абиотическими. Пример реакции такого типа – огонь[42].
3. Процессы, требующие дополнительного энергетического вклада (положительное значение ΔG). Такие процессы не могут обеспечивать функционирование живых организмов. Если клетке нужно осуществить подобную реакцию, ей придется затратить энергию, полученную из другого источника, или манипулировать величиной Q, чтобы изменить знак ΔG.
4. Процессы, протекающие без выделения или поглощения энергии (ΔG = 0). Это смерть.
Вот и все. Термодинамические правила, определяющие границы жизни, несложные, но важные. Они показывают: даже если нам кажется, что мы уже имеем исчерпывающий список процессов, обеспечивающих существование живых организмов, есть еще гораздо больше неоткрытых возможностей. Каждый раз, когда ученый говорит: “Ага, эта химическая реакция могла бы поддерживать жизнь. Интересно, так ли это…” – в конечном итоге совершается важное открытие. Открытия такого рода происходят раз в несколько лет – маленькие подарки для геобиологов. И некоторые процессы получили симпатичные названия. Например, название процесса “анаммокс” похоже на имя злодея из вселенной Marvel. Существование этого процесса было предсказано в 1970-е годы, а открыт он был в 1990-е. Анаммокс – это реакция окисления аммония (отхода жизнедеятельности других микробов), сопряженная с восстановлением нитрита (соединения азота в промежуточной степени окисления), в изобилии присутствующего в нидерландских каналах5. Микробы, живущие за счет анаммокса, выделяют гидразин. А гидразин – это ракетное топливо, которое во время Второй мировой войны использовали для заправки истребителей, а теперь применяют в более мирных целях, например для отправки космических кораблей на Марс.
У нас есть достаточно оснований полагать, что в последующие годы мы обнаружим новые типы дыхания6[43]. Как создатель периодической таблицы Дмитрий Менделеев на основании атомных масс предсказал существование химических элементов, которые были открыты только через несколько лет, так и мы можем использовать наши знания об окислительно-восстановительных реакциях, чтобы предсказывать новые метаболические пары окислителей и восстановителей, способные поддерживать жизнь. А еще одно достоинство этих термодинамических правил заключается в том, что они действуют не только на Земле. Они открывают перед нами двери к неизведанным источникам жизни на нашей планете, но также позволяют нам в этом поиске выйти за ее пределы.
Умение обитателей земных глубин дышать такими необычными способами поразительно, но это не единственное, на что они способны благодаря своему свободному подходу к термодинамике. Держитесь крепче, скоро вы увидите, что жизнь бывает еще причудливее.