ДАЛЬНИЙ ПОИСК НАУКИ
Рис. Б. Малышева.
«Изучение распределения электронов внутри белковой молекулы - одна из самых неотложных и трудных задач биологии. До тех пор, пока она не будет разрешена, мы не можем надеяться на то, что поймем сущность жизни».
А. Сент-Дьерди, лауреат Нобелевской премии.
СЕКРЕТ ИЛЛЮЗИОНИСТА
В природе еще много неразгаданных тайн. Мы еще не умеем управлять термоядерной реакцией, еще не добрались до ядра Земли, почти не знаем двух третей поверхности нашей планеты, покрытой океаном.
Но, пожалуй, из всех загадок, стоящих на повестке дня современной науки, самой сложной, самой интересной и перспективной с точки зрения возможностей, которые даст людям ее решение, является загадка жизни.
Наука о жизни - биология - насчитывает многовековую историю. Но из-за сложности и чрезвычайного многообразия исследуемых объектов до недавнего времени она ограничивалась лишь описанием жизненных процессов, не пытаясь проникнуть в глубину явлений. К середине прошлого века биологи накопили богатый фактический материал, хорошо изучили поведение растений, животных и человека в различных условиях, произвели классификацию организмов. Все это позволило великому Дарвину создать свою бессмертную теорию эволюции живого мира.
Но биологи были бессильны ответить на вопрос что же происходит в живом организме, откуда живая клетка черпает энергию для своей жизнедеятельности, в чем сущность основы жизни - обмена веществ?
На помощь биологам пришла химия, а вслед за ней и физика. Исследуя биологические объекты с точки зрения химических превращений, биохимики достигли такой глубины понимания биологических процессов, о какой биологи могли только мечтать. Биохимия установила, что в основе обмена веществ лежат определенные химические реакции, в результате которых высвобождается энергия, необходимая для выполнения различных жизненных функций и восстановления строения клеток.
Первые достижения биохимии с философских позиций обобщил Ф. Энгельс, писавший в «Анти-Дюринге» «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел».
Установив сущность обмена веществ установив химический состав аминокислот и многих белков, наука все же не в состоянии была ответить на главный вопрос как взаимодействуют белковые тела? Каким образом солнечная энергия, накапливаемая путем фотосинтеза в зеленом листе растений и попадающая с пищей в органы животного и человека, трансформируется в них, переходя от клетки к клетке и наконец высвобождается в виде работы?
На этот счет имеется несколько теорий, и сам факт их существования свидетельствует о том, что ни одна из них не может полностью удовлетворить требованиям современной науки. Процесс трансформации энергии в организме состоит из целого ряда этапов, каждый из которых связан с глубокими физическими, химическими, биологическими изменениями. Не удивительно, что многие звенья этой цепи до сих пор остаются неясными. Но, пожалуй, самым неясным и сложным этапом превращения энергии является последний непосредственный переход потенциальной энергии белкового вещества в кинетическую, например, в работу мышцы. Сейчас мы достаточно хорошо знаем лишь начальный и конечный продукт этого превращения.
Современная наука пока еще остается в положении зрителя, попавшего на представление фокусника-иллюзиониста. Зритель видит, что красный шарик, только что бывший в руке фокусника, вдруг оказывается в стоящей на столике вазе, а затем превращается в живого цыпленка. Зритель следит за чудесными превращениями, но не понимает, как они происходят.
МОМОЖНО ЛИ ОСТАНОВИТЬ МГНОВЕНИЕ
Возьмем простейшую химическую реакцию. Атом водорода, соединяясь с атомом хлора, дает молекулу соляной кислоты. При этом электрон, вращающийся вокруг атома водорода, перескакивает на внешнюю электронную оболочку атома хлора, и таким образом между двумя атомами устанавливается электронная связь. Это простой «фокус». А как разгадать «фокусы», происходящие в белковых телах?
Чтобы понять, насколько эта задача трудна, вспомним сложность исследуемого объекта. Если пропорционально увеличить обычную и белковую молекулу так, чтобы первая оказалась величиной в один миллиметр, то цепь атомов, входящих в белковую молекулу, окажется длиною с экватор.
Конечно, не следует считать, что поставленная задача во столько же раз труднее, во сколько раз длина экватора больше одного миллиметра. В поведении молекулы значение имеет не только ее состав, но и структура. Как бы ни взаимодействовали хлор с водородом, структура молекулы соляной кислоты остается неизменной. Другое дело белок. Аминокислоты - составные части белка - сами очень сложны. Они могут соединяться друг с другом по-разному. В природе известны 24 различных аминокислоты. Американский ученый Э. Томпсон, подчеркивая многообразие мира белков, напоминает, что английский язык состоит всего из 26 букв - на две больше, чем аминокислот в природе. Но далеко не любое сочетание букв английского алфавита дает слово, а аминокислоты могут соединяться принципиально в любом порядке. Следовательно, язык Шекспира и Диккенса оказывается во много раз беднее «языка» живой природы.
Но и это не главные трудности, стоящие перед учеными, исследующими физику биологических процессов. Ведь мы рассказали лишь о многообразии фокусов, которые предстоит разгадать, и почти ничего не сказали об их сложности.
Предположим, что в приведенном фокусе (шарик исчезает из руки иллюзиониста и оказывается в вазе на столике) фокусник каким-то незаметным движением перекинул шарик в вазу. Очевидно, чем четче, чем быстрее движения фокусника, тем труднее «поймать» его, труднее заметить, как он это проделал.
В биологических процессах, вызывающих высвобождение энергии, происходит не одно, а цепочка последовательных превращений, и весь процесс обычно длится миллионные доли секунды. При этом он возможен только в самой живой клетке. Попытка изолировать его и повторить в стеклянной пробирке обречена на неудачу. Мембраны, отделяющие одни части клетки от других, тоже являются своеобразными стенками пробирки, но не инертными, а, наоборот, весьма активными. Они сами участвуют в процессе, направляют его, обеспечивая определенную последовательность превращений. Поэтому процесс, который произойдет в пробирке, будет весьма далек от исследуемого. Таким образом, чтобы изучить природу биологических явлений, нужно самым нефигуральным образом остановить мгновение. До сих пор это только однажды «удалось сделать» гетевскому Фаусту, да и то ценой собственной души...
Но тогда возникает вопрос преодолимы ли вообще все эти трудности? Может быть, природе жизненных процессов суждено навсегда остаться загадкой?
Разумеется, это не так. Наш великий соотечественник Иван Петрович Павлов писал «Вся жизнь, от простейших до сложнейших организмов, включая, конечно, и человека, есть длинный ряд все усложняющихся до высочайшей степени уравновешиваний внешней среды. Придет время - пусть отдаленное, - когда математический анализ, опираясь на естественнонаучный, охватит величественными формулами уравнений все эти уравновешивания, включая в них, наконец, и самого себя».
Современная наука, вооруженная совершенными приборами, опирающаяся на огромный фактический материал, применяющая биологическую, химическую, физическую методику исследований, все глубже проникает в сущность жизненных процессов. В 1954 году английский ученый Зангер изучил структуру белка - инсулина. Постепенно выясняется структура нуклеиновых кислот, играющих основную роль в процессах наследственности. И теперь наука вплотную подошла к решению вопроса о процессах, происходящих в белковой молекуле при трансформации энергии.
ЭЛОКТРОН В ПЛЕНУ
В 1944 году лауреат Ленинской премии член-корреспондент Академии наук СССР Е. К. Завойский открыл интересное физическое явление, названное электронным парамагнитным резонансом, сокращенно ЭПР.
Электрон, как движущийся носитель электрического заряда, возбуждает в окружающем пространстве магнитное поле. Но движение электрона сложно: он вращается вокруг ядра атома и вокруг собственной оси. Магнитное поле, вызываемое движением электрона вокруг своей оси, называется спиновым. В стабильной, невозбужденной молекуле электроны попарно имеют противоположные спины, и их магнитные поля уравновешиваются. Иначе обстоит дело в момент, когда молекулы возбуждены и взаимодействуют между собой. В возбужденных молекулах может происходить отрыв электрона. Тогда в молекуле образуется так называемый «неспаренный» электрон со своим спиновым магнитным полем. Такие молекулы, точнее, осколки молекул, называются свободными радикалами.
Свободные радикалы как раз и являются свидетелями и непосредственными участниками того процесса, который происходит в белковой молекуле при химической реакции. Значит, они прекрасно осведомлены о том, что происходит в молекуле, и могут дать очень ценные «показания». Но прежде чем заставить «языка» говорить, его надо поймать. А сделать это нелегко. Во-первых, свободные радикалы очень активны. Они немедленно вступают во взаимодействие и живут доли секунды. К тому же свободных радикалов в веществе ничтожное количество один на десятки тысяч стабильных молекул. Это все равно, что искать иголку в стоге сена, когда она искусно замаскирована под соломинку. И вот такую задачу блестяще удалось разрешить Евгению Константиновичу Завойскому. Он поместил «стог сена» в однородное магнитное поле, и «иголка» сразу выскочила. Неспаренные электроны, точно по команде «равняйсь», выстроились в ряд, строго ориентируя свои поля по магнитным силовым линиям внешнего поля. Но Завойский не только поймал «языка» - он заставил его говорить.
Облучая различные объекты короткими радиоволнами определенной длины и меняя напряженность магнитного поля, ученый установил, что в некоторый момент, то есть при соответствующей напряженности магнитного поля, неспаренные электроны начинают интенсивно поглощать радиоволны.
ЯЗЫК ДАЕТ ПОКАЗАНИЯ
На основе явления электронного парамагнитного резонанса был сконструирован прибор ЭПР-спектрограф. С его помощью можно получить кривую поглощения радиоволн белковым веществом, помещенным в меняющееся магнитное поле. В живой ткани постоянно происходит обмен веществ, постоянно идут какие-то химические реакции. Значит, в ней постоянно должны возникать свободные радикалы. Опыты, проводимые в лаборатории живых структур Института биофизики АН СССР, показали, что в живой ткани действительно присутствуют свободные радикалы. При этом нетрудно установить их относительное количество. Чем больше свободных радикалов в белке, тем больше величина резонансного поглощения. Изучая мышечные ткани в состоянии покоя, сокращения и усталости, исследователи установили, что интенсивность жизненных процессов теснейшим образом связана с количеством свободных радикалов. Чем активнее живет ткань, тем больше свободных радикалов фиксирует ЭПР-спектрограф.
Большое количество свободных радикалов наблюдается в сокращенной мышце. Это значит, что мышечные сокращения сопровождаются бурными химическими реакциями. Но в мышце, как и в любой другой живой ткани, постоянно протекают сотни и тысячи различных реакций. Какие же из них соответствуют основной физиологической функции мышцы - сокращению? Оказывается, и на этот вопрос могут ответить опыты, проводимые с помощью ЭПР-спектрографа.
Если мышечную ткань уподобить однородному веществу, то молекулой мышцы будет особое биологическое образование - фибрилла. Фибрилла - это элементарное мышечное волокно. Но мышца не однородное вещество. Соответственно фибрилла состоит из ряда различных молекул. Основными из них являются два белка - миозин и актин - и АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). В лаборатории живых структур были проделаны такие опыты. Радиоволнами облучались по отдельности миозин, актин, актомиозин (соединение актина с миозином) и, наконец, совместно актомиозин и АТФ. Поглощение радиоволн, причем очень интенсивное, наблюдалось только в последнем случае. Если вспомнить, что большое количество свободных радикалов наблюдается в сокращенной мышце, становится ясно, что сокращение происходит только в результате взаимодействия АТФ и актомиозина.
Таким образом, мы приблизились к разгадке основного элемента процесса мышечного сокращения. Это очень существенно. Ведь пока мы не понимаем его, мы не в состоянии восстановить поврежденную мышечную ткань. А более половины смертей в настоящее время происходит в результате остановки сердечной мышцы. Кроме того, эти исследования важны еще и потому, что все организмы развиваются по одним и тем же основным законам. С этой точки зрения не имеет принципиального значения, на какой именно ткани проводить эксперименты, но мышца - наиболее удобный объект для исследования. Изменения, которые в других органах происходят очень медленно, в мышце совершаются быстро. Вот почему изучение мышцы перестает быть частной проблемой и в конечном счете ведет нас к познанию сущности жизни вообще. При этом метод электронного парамагнитного резонанса открывает перед современной наукой невиданные возможности.
ЗОЛОТОЙ КЛЮЧИК
• Еще большие перспективы открываются перед наукой в связи с возможностью качественного изучения кривой резонансного поглощения.
Неспаренный электрон оказался весьма разговорчивым пленником. Но понимаем мы его пока плохо он говорит на малознакомом языке. Мы вынуждены постоянно «переспрашивать» его - десятки и сотни раз повторять эксперименты. Эксперименты эти очень сложны. Некоторые объекты дают малые импульсы - одного порядка с шумами прибора. Работа осложняется тем, что вода, составляющая 70% живой структуры, активно поглощает радиоволны. Но игра стоит свеч! Когда мы накопим достаточный запас «слов» и усвоим «произношение», победа будет обеспечена.
Мы говорили, что, попав в магнитное поле, неспаренные электроны ориентируют свои поля строго по магнитным линиям внешнего поля. Это не совсем точно. Так могут ориентироваться лишь свободные электроны, которые в белках не образуются. Неспаренные же электроны не являются полностью свободными. Они только более свободны, чем спаренные. Последние связаны с определенными атомами в молекуле. Неспаренные электроны связаны с группой атомов, иногда с целой молекулой. Если уподобить молекулу земному шару, а атом - отдельному государству, то неспаренный электрон - это гражданин, получивший визу на выезд за границу и путешествующий по всему свету или по группе стран. Свободным же электроном можно считать космонавта, летящего в межпланетном пространстве. Таким образом, неспаренный электрон лишь приблизительно ориентируется в магнитном поле. На его положение определенным образом влияют атомы, с которыми он частично связан. Поэтому характер резонансного поглощения радиоволн значительно усложняется в зависимости от «степени свободы» электрона.
На его четкий импульс накладывается целый ряд отклонений, каждое из которых каким-то образом описывает энергетическое состояние определенного атома в белковой молекуле и влияние этого атома на ориентацию неспаренного электрона в магнитном поле. Таким образом, неспаренный электрон является тайником, через который можно проникнуть в загадочный мир белковой молекулы. При этом кривая резонансного поглощения радиоволн - это пруд, на дне которого спрятан золотой ключик к секретному замку тайника. Пока мы умеем определить лишь местоположение и размеры пруда. Когда же мы детально исследуем его, сумеем объяснить все отклонения на кривой резонансного поглощения, ключик будет найден. Вставить его в замочную скважину и повернуть на два оборота не представит большого труда. А это, как справедливо отмечает известный американский ученый А. Сент-Дьерди, явится «началом новой эры в биологии и медицине».
ОДУШЕВЛЕННЫЕ МАШИНЫ
Обратимся к, казалось бы, совершенно далекой от биологии области - к технике. Самый эффективный двигатель сейчас - турбина. Ее коэффициент полезного действия составляет около тридцати процентов. Причем чем больше мощность турбины, тем выше ее кпд. Но семьдесят процентов - две трети - все же теряются. Как же повысить КПД в 2 - 2,5 раза? Может быть, надо создать турбины-гиганты? К сожалению, это не решает проблему. Нужны принципиально новые машины. И здесь на помощь технике непременно придет биология, вооруженная «полные пониманием строения и функции белковой молекулы». Ведь коэффициент полезного действия мышцы - около восьмидесяти процентов. Недаром, описывая сверхсовершенные машины марсиан, один из величайших в мире фантастов, Герберт Уэллс, писал; «На первый взгляд она походила на металлического паука с пятью суставчатыми подвижными лапами и со множеством суставчатых рычагов и хватающих передаточных щупалец вокруг корпуса. Большая часть рук этой машины была втянута, но тремя длинными щупальцами она хватала металлические шесты, прутья и листы...
Все движения были так быстры, сложны и совершенны, что сперва я даже не принял ее за машину, несмотря на металлический блеск. Боевые треножники были тоже удивительно совершенны и казались одушевленными».
Настоящий фантаст не пустой фантазер, он прорицатель.
Пройдет время, и человек, проникший в тайну строения и функции белка, обогатив это знание опытом предыдущего развития техники, создаст машины, может быть, еще более эффективные, чем живая мышечная ткань. Именно так: мышца не предел, ибо нет предела совершенству, как нет предела человеческим знаниям.
