Живая материя представлена в настоящее время отдельными организмами — индивидуальными системами, обладающими как определенной формой, так и тонким внутренним строением, организацией. Ничего подобного, конечно, не могло быть в водах того первичного океана, историю которого мы разбирали в предыдущей главе. Изучение разнообразных растворов, в том числе и растворов органических веществ, показывает, что в них частицы вещества распределены более или менее равномерно во всем объеме растворителя и находятся в постоянном беспорядочном движении. Таким образом, здесь интересующее нас вещество, во-первых, неразрывно слито с окружающей его средой и, во-вторых, не обладает какой-либо структурой, основанной на закономерном расположении его частиц по отношению друг к другу. Но мы не можем себе представить организм, лишенный определенного строения, полностью растворенный в окружающей среде. Поэтому на пути между органическими веществами и живыми существами должно было произойти возникновение каких-то индивидуальных образований — систем, пространственно отделенных от окружающей среды и обладающих известным расположением частиц материи внутри своего тела.
Низкомолекулярные органические вещества, как, например, спирт или сахар, при их растворении в воде подвергаются чрезвычайно высокой степени раздробления. Они равномерно рассеяны в растворе в виде отдельных молекул, которые существуют более или менее независимо друг от друга. Поэтому их свойства в основном определяются в данном случае лишь строением самих молекул, расположением в этих молекулах атомов углерода, водорода, кислорода и т. д.
Но по мере увеличения размеров молекул на эти простые закономерности органической химии накладываются новые, более сложные отношения, составляющие предмет изучения коллоидной химии. Более или менее разведенные растворы низкомолекулярных веществ являются системами вполне устойчивыми, где степень раздробления вещества и равномерность его распределения в пространстве сама по себе не нарушается. Напротив, частицы высокомолекулярных соединений дают коллоидные растворы, для которых характерна их сравнительно малая устойчивость. Эти частицы имеют тенденцию под влиянием разнообразных факторов соединяться между собой в целые рои, комплексы или агрегаты. Очень часто это объединение частиц заходит так далеко, что коллоидное вещество выпадает из раствора в виде осадка, происходит так называемая коагуляция.
В других случаях дело не доходит до образования осадка, но все же происходит коренное нарушение равномерности распределения веществ в растворе. Растворенные органические вещества концентрируются в определенных точках пространства, создаются сгустки, где отдельные молекулы, или частицы, каким-то образом взаимосвязаны между собой и где вследствие этого возникают новые сложные отношения, определяемые не только расположением атомов в молекулах, но и взаиморасположением самих этих молекул.
Возьмем растворы каких-нибудь высокомолекулярных органических веществ: например, водный раствор желатины и такой же раствор гуммиарабика. Эти растворы являются прозрачными и однородными. В них органическое вещество полностью слито с окружающей средой. Частицы взятых веществ равномерно распределены, рассеяны в растворителе. Но смешаем между собой указанные выше растворы. Сейчас же можно заметить, что наша смесь замутится. Рассматривая ее под микроскопом, мы увидим, что из однородных ранее растворов выделились капельки, отделенные от окружающей среды резкой границей.
Аналогичное явление можно получить при смешивании растворов и других высокомолекулярных веществ, в особенности легко — при смешивании разнообразных белков. Оказалось, что при этом происходит как бы скучивание их молекул в определенных точках пространства. Поэтому выделяющиеся капельки были названы коацерватами (от латинского слова acervus —куча). Эти интересные образования подробно исследовались и исследуются сейчас в ряде лабораторий, например в лаборатории Бунгенберг де-Ионга, Кройта, в лаборатории биохимии растений Московского государственного университета и в Институте биохимии имени А. Н. Баха Академии наук СССР. Подвергая химическому анализу коацерватные капельки и окружающую их жидкость, можно убедиться, что все коллоидное вещество (например, в приведенном нами случае вся желатина и весь гуммиарабик) сконцентрировалось в коацерватных капельках, а в окружающей их среде почти не осталось молекул этого вещества. Здесь мы имеем почти чистую воду; внутри же коацерватных капелек наши вещества находятся в таком концентрированном состоянии, что здесь правильнее говорить о растворе воды в желатине и гуммиарабике, чем наоборот. Этим объясняется то чрезвычайно характерное для коацерватов свойство, что их капельки, будучи жидкими и пропитанными водой, никогда не смешиваются с окружающим водным раствором.
Это же свойство присуще и протоплазме живых организмов. Если мы разорвем растительную клетку и выдавим содержащуюся в ней протоплазму в воду, то протоплазма, несмотря на свою жидкую консистенцию, не смешается с окружающей водой, а будет в ней плавать в виде резко очерченных, отграниченных от окружающего раствора шариков. Это сходство между искусственными коацерватами и протоплазмой не является лишь внешним. Как показали работы последних лет, протоплазма действительно находится в коацерватном состоянии. Конечно, строение протоплазмы несравненно сложнее, чем строение искусственных коацерватов. В частности, в протоплазме сочетаются не два, как в нашем примере, а очень многие коллоидные вещества. Но все же ряд физических и химических свойств протоплазмы, как, например, ее способность образовывать вакуоли, характер ее смачиваемости, проницаемости и т. д., может быть понят лишь с точки зрения изучения коацерватов.
Интересной особенностью коацерватных капелек является то, что они, несмотря на свою жидкую консистенцию, обладают определенным строением. Входящие в их состав молекулы й коллоидные частицы не разбросаны в них случайно, а определенным образом взаиморасположены в пространстве.
Первоначально белковые вещества находились просто в растворе, но затем их частички стали объединяться между собой, образуя целые молекулярные рои, и, наконец, они выделялись из раствора в виде маленьких плававших в воде капель — коацерватов, которые уже можно видеть под микроскопом
Искусственно полученные коацерватные капли, сфотографированные под микроскопом
Коацерватные капли поглощали из окружающего их водного раствора разнообразные органические вещества и за их счет увеличивались в объеме и весе — росли. При этом одни из них росли быстрее, другие медленнее.Внутреннее строение быстро растущих капель делалось все более сложным и все более приспособленным к питанию и разрастанию.
В течение многих миллионов лет изменялось и совершенствовалось строение коацерватных капель.
Сложный комплексный коацерват
Более просто устроенные капли погибали, более совершенные разрастались и размножались делением. В конечном итоге из них и возникли простейшие живые существа
В некоторых коацерватных капельках можно обнаружить даже видимые под микроскопом структуры, но эти структуры являются очень нестойкими и существуют только до тех пор, пока сохраняются направляющие силы, вызывающие определенное расположение частиц. Небольшое изменение водоудерживающих или электростатических сил, действующих внутри коацервата, может изменить расположение его частиц. Иной раз при этом может даже произойти полное распадение коацервата на отдельные молекулы, растворение его в окружающей среде. Наоборот, в других случаях коацерват делается плотнее, его внутренняя вязкость увеличивается, и он может принять студнеобразный вид. В этом случае его структура несколько усложняется и вместе с тем стабилизируется, делается более устойчивой. Указанные изменения коацервата могут происходить как в результате изменения внешних условий, так и под влиянием внутренних химических превращений.
