Михаил Леонидович Громов — один из наиболее известных современных математиков, чьи работы простираются от дифференциальной геометрии и топологии до междисциплинарных исследований в биологии. Его подходы нередко вызывают оживлённые дискуссии, так как он стремится применить математическую строгость к вопросам, связанным с эволюцией, происхождением и фундаментальными принципами организации жизни.
В одной из своих концептуальных заметок Громов подчёркивает, что распространение жизни на суше — и в конечном счёте возникновение разумных существ, включая гоминидов, — стало возможным лишь благодаря определённому «неравенству» в реакции синтеза аммиака: «2237 < 2346». С точки зрения строго научной литературы, подобная формула может выглядеть необычно или даже метафорично, но сам Громов использует её, чтобы показать тонкий баланс энергий, лежащий в основе фиксации атмосферного азота и формирования белково-нуклеиновых структур, ставших ключом к сложной жизни.
Почему азот так важен для жизни?
Любая клетка живого организма состоит из множества биомолекул: белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот. Азот (N) при этом является краеугольным камнем белков (через аминокислоты), а также ДНК и РНК (через азотистые основания). Атмосфера Земли примерно на 78% состоит из молекулярного азота (N2), но проблема в том, что это чрезвычайно стабильная молекула, «неохотно» вступающая в химические реакции. Чтобы организмы могли извлечь азот из атмосферы и встраивать его в биологические молекулы, нужно сначала «разорвать» прочную тройную связь N≡N. Именно этот процесс называется «фиксацией азота». Без него «строительный материал» для белков и генетического аппарата был бы попросту недоступен.
У современных организмов основную роль в фиксации азота играют специальные ферменты — нитрогеназы, которые встречаются у некоторых бактерий и архей (например, клубеньковые бактерии в корнях бобовых растений). Промышленный же способ получения аммиака на основе атмосферного азота носит название «процесс Габера-Боша». Открытие этого метода в начале XX века дало человечеству практически неограниченный источник азота для минеральных удобрений, что стало одним из важных факторов «зелёной революции» и резкого роста численности населения.
Синтез аммиака: от общей химии к эволюции жизни
Реакция, лежащая в основе процесса Габера-Боша, выглядит так:
N2 + 3H2 → 2NH3.
При этом на микроскопическом уровне подразумевается разрыв очень прочной связи в молекуле N2 (где энергия тройной связи приблизительно равна 945 кДж/моль) и формирование связей N–H в аммиаке (около 390–391 кДж/моль на каждую связь). Энергетическая выгода всей суммарной реакции, особенно при определённых условиях (высокие температура и давление в промышленности, либо катализ ферментами в биологии), делает возможным синтез аммиака, а затем — формирование нитратов, нитритов и других соединений, доступных для метаболизма.
Громов отмечает, что если бы энергия связи между атомами азота и водорода в аммиаке была немного меньше (например, 371 кДж/моль вместо 391 кДж/моль), суммарная энергетика процесса могла бы оказаться «в минусе» настолько, что реакция была бы термодинамически крайне невыгодной, и биологическая фиксация азота была бы затруднена или почти невозможна. Это, в свою очередь, означало бы, что жизнь, требующая больших запасов аминокислот, белков и нуклеиновых кислот, не смогла бы полноценно развиться. Громов именно на это и указывает, используя символическое выражение «2237 < 2346» — условно говоря, «польза» от образования новых связей должна превосходить «затраты» на разрыв прежних.
Баланс энергий: «2237 < 2346» как иллюстрация тонкой настройки
Условное неравенство «2237 < 2346» не стоит воспринимать буквально, как формулу из учебника физической химии. Скорее, это математически-метафорическое выражение, где «2237» и «2346» — символические значения или диапазоны термодинамических параметров (энергии, энтальпии, свободной энергии Гиббса и т.д.). Смысл в том, что при «правильном» соотношении энергетических вкладов реакция синтеза NH3 оказывается экзотермической (или хотя бы с достаточно маленьким энергетическим барьером), а следовательно, в определённых условиях она может происходить и закрепляться в биологических циклах.
Критики могут заметить, что в научных публикациях нет подобных «магических» чисел вроде «2237» и «2346». Это действительно так: учёные оперируют точными цифрами энтальпий образования, теплот сгорания и т.д. Но подход Громова — это скорее попытка показать, насколько узкое «окно» допустимых значений энергетики может существовать для того, чтобы жизнь успешно закрепилась на суше. Если бы неравенство меняло знак, то синтез аммиака либо не происходил бы, либо требовал таких условий (температуры, давления, катализаторов), которые никакая первичная биосфера на Земле обеспечить не смогла бы.
Роль «тонкой подгонки» в концепциях антропного принципа
Дискуссия о том, насколько «тонко подогнаны» физические и химические константы для возникновения сложных форм жизни, не ограничивается одним только вопросом о синтезе аммиака. На протяжении нескольких десятилетий учёные обсуждают антропный принцип и идею «тонкой настройки» (fine-tuning) всей Вселенной. Примером часто служит стабильность протона, величина гравитационной постоянной, скорость расширения Вселенной и другие параметры: любое небольшое отклонение — и галактики, звёзды, планеты в привычном виде просто не смогли бы сформироваться.
В области химии жизни (химбио) под «тонкой подгонкой» можно понимать специфические значения прочностей связей, окислительно-восстановительных потенциалов, кислотно-основных свойств и прочих термодинамических величин, от которых зависит эффективность (и возможность в принципе) биологических реакций. Показательный пример — фиксирование азота: если бы оно оказалось термодинамически слишком «дорогим», то организмы не смогли бы создать достаточно азота в доступной форме для синтеза белков и НК, а это значит, что жизнь, по крайней мере на основе углерод-азот-фосфорной химии, не смогла бы пойти по пути усложнения.
Фиксация азота в природе и её эволюционное значение
В современной биосфере основной путь фиксации азота — фермент нитрогеназа, содержащийся в некоторых бактериях (часто живущих в симбиозе с растениями). Этот фермент способен «расщеплять» молекулы N2 при нормальном давлении и относительно невысокой температуре, используя сложные кофакторы на основе металлов (железо, молибден и т.д.). Биохимически это крайне непростой путь, требующий ATP (энергетической «валюты» клетки), но тем не менее он идёт и обеспечивает азотом всю экосистему.
Древнейшие пути фиксации азота, вероятно, были связаны с ударами молний и другими высокоэнергетическими процессами, происходившими в атмосфере ранней Земли. Но для постоянного «круговорота» жизненно важного элемента требовалась эволюция специализированных белков-катализаторов. Как только такие организмы (предположительно цианобактерии и родственные им группы) получили возможность продуцировать аммиак из атмосферного азота, всё более сложные биоты стали использовать новый ресурс для строительства белков. Со временем это привело к экспоненциальному росту биоразнообразия.
Из всего этого вытекает, что если бы природа связей N–H была чуть иной (в сторону понижения энергии), мы могли бы не иметь достаточного запаса «доступного» азота для эволюционного взрыва и формирования многоклеточных организмов, не говоря уже о развитии млекопитающих, приматов и человека.
«Если бы было иначе»: роль контрфактических сценариев
Громов подчёркивает важность контрфактических сценариев. «Если бы энергия N–H связи оказалась меньше на 20 кДж/моль» — такой мысленный эксперимент помогает нам понять, насколько хрупки и «настроены» фундаментальные химические условия, в которых возникла жизнь. Вопрос не в том, что мы можем «изменить физические законы», а в том, чтобы осознать: небольшое изменение некоторых параметров способно радикально изменить ход эволюции.
В конце концов, химия, которой мы обязаны своим существованием, — это результат очень точного совпадения множества факторов: от сил электромагнитного взаимодействия на уровне атомов до термодинамики, определяющей стабильность больших молекул. «Тонкая подгонка» может выглядеть просто уникальным стечением обстоятельств — или же закономерным результатом некого «мультиверса», где проявляются все возможные комбинации законов. В любом случае важно понимать, что контрфактические рассуждения про «чуть другую силу связи» имеют под собой вполне реальные основания в области химии и физики.
Практический аспект: Габер-Бош и земная цивилизация
Принимая во внимание всё вышесказанное, невозможно обойти стороной тот факт, что важность реакции синтеза аммиака выходит далеко за пределы теоретических рассуждений. Современная сельскохозяйственная отрасль во многом держится на процессах синтеза удобрений, созданных по принципу Габера-Боша. В промышленных условиях реакция проходит при высоких температурах (400–500 °C), высоком давлении (150–300 атм) и в присутствии катализаторов (обычно на основе железа). Если бы требуемая энергия для формирования N–H связей оказалась существенно выше, этот промышленный путь мог бы стать непомерно дорогим или вовсе невозможным в масштабах нужд человечества.
Таким образом, между эволюцией первичной биосферы и промышленными технологиями людей существует глубокая эволюционно-технологическая «связка», основанная на одном и том же базовом принципе: N2 — инертен, но всё же может быть «приручён» при «правильных» условиях, которые обусловлены тонкими особенностями энергетического баланса. И если бы знак в знаменитом (пусть и условном) неравенстве Громова поменялся, то ни биология, ни сельское хозяйство, ни человеческая цивилизация в её нынешнем виде могли бы не появиться.
Заключение
Мы видим, что обсуждаемое неравенство «2237 < 2346» представляет собой концептуальную иллюстрацию очень узкого коридора термодинамических возможностей, в котором обитает земная жизнь. Стоит хотя бы немного изменить энергию связи в молекуле аммиака — и весь эволюционный путь мог бы зайти в тупик. При этом точная количественная формулировка этого баланса может выглядеть иначе, чем «2237 < 2346», но общий посыл от этого не теряет ценности.
Идея «тонкой настройки» химического и физического миропорядка побуждает нас ценить и лучше понимать уникальность жизни на Земле. Будь то антропный принцип, поиски альтернативных биохимий во Вселенной или просто любознательность исследователей, мы в конечном счёте осознаём: каждый из звеньев больших цепочек (протонная стабильность, гравитация, химические связи) играет важную роль в том, что мы здесь есть и что можем задаваться подобными вопросами.
Аргумент Громова — это своего рода «напоминание» о хрупкости эволюционных сценариев и о том, что если бы ключевые процессы (такие как фиксация азота) были энергетически невозможны или значительно затруднены, биосфера не смогла бы выйти на такой уровень сложности, при котором появились бы развитые наземные экосистемы и, наконец, разумные существа.
© 2025. Текст подготовлен в целях обзорного изложения и не претендует на строгую научную корректность всех деталей. При использовании материала ссылка на данный источник приветствуется.
