Жизнь
в двумерном
пространстве
ЧЕМ ПИТАЕТСЯ НЕЙСТОН?
Тонкий поверхностный слой морской воды, толщиною около 5 см, весьма густо заселен живыми организмами разного рода. Это важное открытие было сделано не так давно. Сообщество организмов поверхностного слоя получило название иейстона.
Исследования, проведенные автором открытия членом-корреспондентом АН УССР Ю П. Зайцевым и его сотрудниками, показали, что жизненные процессы в морской воде, вопреки прежним представлениям, начинаются уже на глубине менее 1 миллиметра.  Такую тонкую    пленку  воды,  кото
рую мы условно будем считать двумерным пространством, населяют преимущественно бактерии. Если постепенно углубляться в толщу воды, то можно наблюдать все более и более сложные организмы, которые и образуют нейстон.
Но коль скоро жизнь в океане начинается в поверхностном, двумерном пространстве, то возникает естественный вопрос: откуда же получает питательные вещества тот самый первичный слой, заселенный бактериями, а вслед за ним и нейстон? Об этом однажды говорилось уже в «Химии и жизни» (1976. № 6); в частности, речь шла о физи- ко-химнческнх причинах обогащения поверхности питательными веществами; нх концентрация здесь значительно выше,' чем вообще в морской воде.
Попытаемся разобраться подробнее в крайне любопытном вопросе о питании обитателей поверхностного слоя. Для этого мы воспользуемся и данными фнзико-химнн поверхностных явлений, и некоторыми соображениями общего характера.
37

КОРМОВАЯ БАЗА
Важнейшие продукты питания для живых организмов — белки, жиры и углеводы. Запасы этих веществ, как, впрочем, и многих других органических соединений, в глубинах морей н океанов практически неограниченны. Их неисчерпаемый источник — разложение отмирающих элементов морской фауны и флоры, а также процессы жизнедеятельности обитателей моря. Однако далеко не все компоненты сложной смеси «морских отходов» могут стать поверхностными питательными веществами.
Питательные вещества на поверхности воды могут накапливаться лишь в том случае, если их молекулы имеют дифильную структуру (см. «Химию и жизнь», 1974, № 9). Для такой структуры типично присутствие в молекуле полярных (гидрофильных) и неполярных (гидрофобных) групп, благодаря чему этим молекулам свойственна поверхностная активность, то есть способность адсорбироваться, накапливаться на поверхности воды. Мы будем называть такие вещества поверхностно-активными питательными веществами,   или  сокращенно  ПАПВ.
Рассмотрим теперь с этой точки зрения белки, жиры и углеводы по отдельности. Начнем, естественно, с основы жизни — с белков.
ПРЕВРАЩЕНИЯ БЕЛКОВ
Многие белки, если не большинство, не смогли бы участвовать в питании ненстона, если бы не свободная энергия поверхности (СЭП) воды. Поведение белковых молекул, выходящих на поверхность волы, поистине замечательно. Попадая в поле действия СЭП, белковые молекулы теряют многие присущие им свойства н приобретают взамен новые. Этот процесс называется денатурацией белка.
Денатурация может быть вызвана различными причинами; в повседневной жизни мы, пожалуй, чаще всего сталкиваемся с денатурацией при нагревании —скажем, когда варим на завтрак яйцо. Кроме того, к денатурации приводят ультрафиолетовое облучение и радиация, воздействие солей тяжелых металлов и некоторых органических соединений н т. д. Здесь мы будем говорить об особой разновидности денатурации белка — о так называемой поверхностной денатурации. Она происходит прн адсорбции белковой молекулы на поверхности воды.
Рассмотрим   это  далеко  не   всем   известное явление подробнее. 38
Фрагмент   структуры   белковом   глобулы   | схема | Непопярные группы R притягиваются бпагодаря гидрофобному взаимодействию, стабильности структуры способствуют и ¦одородные связи
Молекулам всех питательных белков свойственна ярко выраженная поверхностная активность. С такой точки зрения принципиальная формула белковой молекулы, как н любого поверхностно-активного вещества, имеет весьма простой вид: R — х, где R — неполярная часть молекулы, а х — полярная. Несколько ближе к истинной, значительно более сложной структуре белка будет формула
Здесь R — неполярные группы; х~ — полярные группы с отрицательным зарядом; х+ — полярные группы с положительным зарядом: i. п и m — число тех или иных групп в одной макромолекуле.
В процессе поверхностной денатурации форма белковой молекулы претерпевает, как правило, глубокие изменения, что влечет за собой изменения ее физических н даже химических свойств.
Для большинства белков характерна глобулярная структура. Она образуется благодаря свертыванию длинной полипептнд- ной цепи  в своеобразный сложный клубок.

шдух   Г пар)
X
R
—
X
R
+
1
X
R
-
X
R
+
X
R
—
1
X
R
+
X
R
-
1
X
R
+
раствор   белка
Фрагмент поверхностно денатурированной
белковой молекулы |схемв|.
Иэ-эв высвобождение неполярных групп
молекула   тврявт   растворимость,   но   теперь   она
более доступна ферментам
II В зависимости от природы белка форма таких клубков-глобул колеблется от шарообразной до сигароподобной. По бокам поли- пептндмой цепи расположены полярные н неполярные группы. При свертывании цепи в клубок боковые группы располагаются таким образом, что между соседними витками цепи возникают силы притяжения — как физической, так н химической природы. Эти силы и придают молекуле стабильность формы.
На стр. 38 схематически показан фрагмент структуры белковой глобулы. Обратите внимание иа то, что все полярные группы расположены снаружн, а неполярные группы — внутри глобулы. Благодаря полярным группам, вступающим в контакт с водой, белок в ией растворяется. А вот между неполяриымн группами, расположенными попарно, действуют силы притяжения. Такое гидрофобное взаимодействие способствует тому, что структура белковой молекулы оказывается стабильной; подобным образом действуют и водородные связи, также показанные на рисунке.
И вот, попадая на поверхность воды, клубкообразная молекула под влиянием СЭП   превращается   как бы   в   «другое ве
щество»! Очень тонкими методами удалось Остановить, что молекулы белка, оказавшись на водной поверхности, резко изменяют свою форму. Глобула развертывается, она принимает вид двумерной плоской фигуры. Прн этом неполярные группы оказываются обращенными к воздуху, а полярные, заряженные, остаются в воде, что н показано на следующем рисунке.
ЭТО НЕИСТОНУ НА ПОЛЬЗУ
В результате поверхностной денатурацнн, то есть развертывания, молекула белка становится значительно более реакцнонноспо- собной — ведь при развертывании обнажаются функциональные группы, скрытые прежде внутри глобулы. Поэтому денатурированный белок легче расщепляется ферментами, легче усваивается организмом. Собственно, это можно предположить, опираясь иа опыт человечества: вареное мясо питательнее н полезнее сырого, да н яйца мы предпочитаем есть вареными, жареными и печеными не только из вкусовых соображений.
Прн поверхностной денатурации, кроме того, часто происходит полная деструкция, разрушение глобулы. Она может распадаться на несколько частей-осколков. Это также    облегчает    пищеварительный    процесс.
Когда глобула разворачивается, то обнажаются неполяриые группы, не имеющие сродства к воде — на рисунке это хорошо видно. В результате белок теряет растворимость в воде н как бы закрепляется на ее поверхности. Это ¦ обстоятельство должно способствовать тому, что на поверхности воды будет поддерживаться постоянный запас питательных веществ, что, естественно, только на пользу нейстону.
Такой моиомолекулярный белковый слой может служить основой для образования н более толстых слоев. Белок нередко образует иа поверхности раствора трн мономолекул яри ых слоя, а иногда и больше.
ЖИРЫ И УГЛЕВОДЫ
Жиры и жироподобные вещества, как правило, поверхностно-актнвиы. Следовательно, они могут накапливаться на поверхности воды в процессе адсорбции. При этом вещества с ннзкнм молекулярным весом образуют равновесные адсорбционные слон. А вот поведение высокомолекулярных жн- роподобных соединений будет иным. Попадая на поверхность, мелкие капельки нлн частички таких продуктов растекаются по поверхности  воды, образуя пленки различ-
39

ной толщины, подобно тому, как нв луже образуется пленка бензнна.
Что же касается углеводов, то в чистом виде онн не обладают поверхностной активностью. Но, может быть, углеводы адсорбируются в виде комплексов с поверхиостно- активиыми веществами? Хотя бы с белками или жнроподобнымн веществами...
МИРОВЫЕ ЗАПАСЫ ПАПВ
Итак, нейстон обеспечен питанием благодаря тому, что основные элементы питания — белки, жиры и углеводы — накапливаются в поверхностном слое, причем белки принимают наиболее «удобоваримую» форму. Однако достаточно ли таких веществ в поверхностном слое моря, чтобы прокормить мириады организмов, составляющих в совокупности иейстои?
Некоторое представление о количестве питательных веществ, находящихся на поверхности Мирового океана, можно получить, даже ограничившись одними лишь белковыми веществами. Предположим, что белок находится в виде сплошного мономо- лекуляриого слоя (это не следует считать большим преувеличением, ибо ои, как вы помните, может образовать и несколько слоев).
Экспериментально установлено, что 1 квадратный метр мономолекулярного слоя содержит 0,00! г белка. Тогда на поверхности только Черного моря (412 000 км2) должно находиться постоянно свыше 400 тони белковых веществ. На поверхности же Мирового океана (400-106 км2) плавает 400.000 тонн белка. Число, надо полагать, внушающее уважение.
Правда, может возникнуть сомнение — а надежна ли тончайшая пленка питательных веществ иа поверхности воды? Волнение моря, особенно во время шторма, должно вроде бы разрушать эту пленку.
Действительно, у кромки берега есть, видимо, потери ПАПВ. Волны, разбиваясь о берег, отступают, и вода как бы фильтруется через гальку и песок. В черте прибоя всегда есть немало предметов (видимых и невидимых), способных плавать. Весьма возможно, что специфический запах моря обусловлен хотя бы отчасти разложением ПАПВ, выброшенных на берег.
Совсем иначе обстоит дело в открытом море. Здесь лишь при сильном волнении пленка ПАПВ может разрушаться иа отдельные островки. Однако, как мы знаем, эта пленка в воде ие растворима, и островки  будут  плавать    иа  поверхности.  Когда
40
волнение прекратится, онн вновь объединятся в сплошную пленку.
Кстати, волнение в открытом море, при котором верхние слон воды перемешиваются, может оказаться полезными для ней- стоиа — оно облегчает перенос питательных веществ из нижних   слоев   к поверхности.
ЭТО НЕИСТОНУ ВО ВРЕД!
К сожалению, та же свободная энергия поверхности, благодаря которой нейстон имеет возможность получать питание, служит причиной и крайне неприятных явлений, наносящих нейстону, первоисточнику океанской жизни, огромный вред.
Ограничимся лишь одним, печально известным примером.
В океане терпит аварию танкер, нефть выливается иа поверхность воды.
В сырой иефти всегда есть немало по- верхиостно-актнвных веществ, это примеси к основному продукту — предельным углеводородам. И эти прнмесн становятся движущей силой, вызывающей быстрое растекание всей нефти по поверхности океана. Предел этого растекания — пленка нефтепродуктов толщиной в одну-две молекулы.
Площадь этой пленки колоссальна. Если в море выливается всего 1 тонна нефтепродуктов, то моиомолекуляриая пленка распространяется на площади около 5000 км2! И на этой огромной поверхности резко нарушаются нормальные условия для самого существования нейстона. Сначала исчезает слой поверхностных питательных веществ. Это приводит к голоданию и гибели бактерий. Вслед за бактериями начинают гибнуть и более сложные организмы...
Каков механизм губительного действия такого поверхиостиого загрязнения воды? Это вопрос отдельный и, заметим, очень сложный. Поэтому воздержимся от каких- либо рекомендаций. Кроме одной, многократно повторяемой: не загрязняйте водоемы! Океаи ли, реку ли, пруд или ручей — все равно.
Доктор химических наук В. А. ПЧЕЛИН