Новости Библиотека Учёные Ссылки Карта сайта О проекте


Пользовательский поиск





предыдущая главасодержаниеследующая глава

У великой границы

Наше знание развивается непрерывно и стремительно. Сегодня человечество знает больше, чем вчера. Как мы могли проследить на многих примерах, химия в союзе с физикой вплотную продвинулась к тому великому рубежу, за которым лежит разгадка явлений жизни.

В раскрытии сущности живого выдающуюся роль предстоит сыграть молодой науке - физико-химической биологии. Науке, которой совсем недавно еще не существовало...

Да полно, могут мне возразить, коль скоро речь идет о величайшей и сокровеннейшей тайне жизни со всеми ее непременными и во многом и до сих пор загадочными в сути своей проявлениями, разве не должна здесь безраздельно властвовать могучая и славная наука - биология. Биология без всяких прилагательных, самим названием своим как бы исчерпывающая предмет исследования: «био» и «логос» - жизнь изучаемая!

И в самом деле, разве замечательные откровения дарвинизма в чисто биологическом ключе не развернули перед нами картину развития органического мира - картину движения, изменений, совершенствований, что дало основание Клименту Аркадьевичу Тимирязеву говорить о дарвинизме как об «историческом методе в биологии»? Разве созданный гением Ивана Петровича Павлова метод условных рефлексов не был тем «чисто биологическим» знаменем, под которым одержали не одну победу не только физиология, но и самоновейшая кибернетика?

Имя бесстрашного рыцаря знания, чей светлый образ не раз вдохновлял поэтов и драматургов - «неистового Климента», как называли Тимирязева в параллель с «неистовым Виссарионом», великим просветителем, критиком Белинским, запечатлено в истории науки как имя одного из основоположников новой эры в развитии биологии. Эта новая эпоха началась тогда, когда наука о жизни стала шире привлекать для раскрытия существа своих глубоких закономерностей приемы исследования, созданные точными науками - физикой и химией. И как же она обогатилась!

Всмотритесь в строгие линии схематического рисунка, высеченного резцом ваятеля на пьедестале памятника из черного камня, стоящего у Никитских ворот в Москве. На камне навечно запечатлена диаграмма разложения углекислого газа зеленым листом растения в зависимости от количества падающей на него лучистой энергии Солнца. Это самый краткий, самый главный результат исследований Тимирязева, обессмертивших его имя, многочисленных опытов, которыми было неопровержимо доказано, что источником накопленной растением энергии, освобождаемой в горящем ли полене, в пороховой ли вспышке сухой соломы или в пламенеющем куске каменного угля, действительно является солнечный свет, точнее - энергия солнечного света.

Эти опыты потребовали от ученого огромной настойчивости, очень высокого экспериментального мастерства, глубокого знания физики, в особенности раздела о лучистой энергии, и, наконец, как с улыбкой отмечал, рассказывая о работах Тимирязева, наш замечательный современник, ботаник Владимир Леонтьевич Комаров, «выдающегося критического и полемического таланта». Последнее было существенно, пояснял он, потому что, прокладывая путь для новых, более совершенных воззрений на энергетику процессов, происходящих в растении под влиянием солнечного света, Тимирязеву пришлось вступить в ожесточенную борьбу со старыми воззрениями, которых придерживались многие выдающиеся физиологи растений того времени.

Для решения вопроса, в чем именно состоит действие света на процесс усвоения углекислоты, Тимирязев избрал путь сравнения действия на него отдельных спектральных участков. Как известно, лучи разных участков солнечного спектра несут с собой различное количество энергии. В пределах видимой части спектра оно наибольшее - в красных лучах, заметно снижается в желтых и оказывается наименьшим в лучах сине-фиолетовых. С этим распределением энергии, к слову сказать, далеко не совпадает действие света на человеческий глаз: ощущение наибольшей яркости дают как раз желтые лучи, расположенные в середине спектра, а к концам его в сторону, как красных, так и сине-фиолетовых лучей это ощущение яркости заметно ослабевает.

И вот Тимирязев, прежде всего, задался целью установить, с чем совпадает максимум действия спектральных участков на разложение углекислоты растением - с максимумом приносимой ими энергии или, как полагали в то время, с максимумом ощущения яркости. Опровергнув субъективную теорию значения яркости света для ассимиляции углерода растениями, Тимирязев перешел к установлению новых, физически безупречных представлений об этом процессе. Настойчивость в совершенствовании приборов, которые он для этой цели применял, дала повод для шутливого, но выражавшего искреннее восхищение замечания знаменитого французского химика Бертло.

- Каждый раз как вы приезжаете к нам в Париж, - воскликнул тот однажды, - вы привозите нам метод газового анализа, в тысячу раз более чувствительный!

И действительно, Тимирязев был не только на уровне современных ему методов физико-химических наук, но и умел вносить в них усовершенствования, поражавшие современников. При помощи этих методов, по своей точности и чувствительности значительно превосходивших все применявшиеся более ранними исследователями (и даже многими из более поздних!), Тимирязев неопровержимо доказал, что наиболее интенсивно усвоение растением углекислоты идет в красной, а не в желтой части спектра.

Этот результат глубоко оскорбил лучшие чувства немецкого ботаника Юлиуса Сакса, который придерживался наивной веры, что фотосинтез идет под действием «физиологически активных» лучей. Тимирязев высмеял эту курьезную попытку возрождения в биологии идей, родственных идее «флогистона» - духа огня средневековых алхимиков. Как можно отрывать действие света от его физической природы!

Разгневанный Сакс поручил своему ближайшему ученику Вильгельму Пфефферу поставить на место дерзкого незнакомца из далекого Петербурга. Полемические приемы Пфеффера не отличались ни новизной, ни сдержанностью. Для обличения тимирязевского «невежества» Пфеффер навязывал ему гипотезы, которые тот не высказывал и даже бросал «тень на мою нравственную личность», как об этом с тонкой иронией писал впоследствии Тимирязев.

В конечном счете, в элементарной физической безграмотности был изобличен не Тимирязев, а ботаники из Вюрцбургского ботанического института. «Не будучи в состоянии ответить на хотя и острую, но вполне справедливую критику Тимирязева, они предпочли в дальнейшем прибегнуть к одному из наиболее удобных приемов полемики... к приему полного замалчивания его работ». Так писал впоследствии об этом эпизоде академик Комаров.

С тех относительно давних времен прогрессивная тимирязевская линия на внедрение в биологию строгих, прежде всего физических, а также химических методов исследования полностью восторжествовала. Задумываясь над тем, как именно световые лучи могут производить в растении химическую работу, Тимирязев поставил смелый вопрос: «Не можем ли мы заглянуть еще глубже в самый механизм фотохимических явлений?»

И наука приняла этот вызов. Она заглянула не только в этот, но и во многие другие «механизмы» элементарных процессов жизнедеятельности. Мы вынуждены вслед за Тимирязевым и в этой связи пользоваться смущающим подчас кажущейся механистичностью термином «механизм»; но, разумеется, применительно к жизненным явлениям это понятие сейчас можно толковать лишь в более широком смысле, как выявление физико-химических закономерностей, причинных связей между явлениями. И действительно, гибкий метод химического «моделирования» жизненных процессов также охотно принимается на вооружение новейшей биологии.

К чему привела «экспансия» точных наук в область жизни? К проникновению в сущность жизненных процессов на таком уровне, когда не хватает возможностей даже электронного микроскопа с его чудовищными увеличениями, когда только рентгеновы лучи позволяют различать сплетения огромных молекул живых структур и измерять «шаги» спиралей, в которые они закручены, и расстояния между атомами, их слагающими. На этом уровне радиоактивные изотопы не только дают возможность определить скорости синтеза сложнейших веществ, из которых построены организмы, но и проследить непрерывное обновление молекул в их составе. Новой науке удается сейчас измерять электрические токи в отдельных клетках и оценивать следствия массового зарождения в них (в период особо активной деятельности) «свободных» электронов. В структурах живого обна­руживаются электромагнитные поля; многие из них проявляют свойства полупроводников. Раскрывается сложная картина химических превращений, химических реакций в живых организмах - реакций, организованных во времени и пространстве. Исследуются не только химические процессы, лежащие в основе сокращения мышц и выделения пищеварительных соков, но и те, на которых основано деление клетки и передача нервного возбуждения.

Все это до крайности увлекательно. Я помню восторженное воодушевление, с которым мой друг, молодой киевский биохимик, перенесший свои работы в новый научный центр в Сибири, повествовал о предмете физико-химической биологии:

- Из разнообразных химических превращений складывается рост и старение, движение и мысль, - говорил он. - Они лежат в основе наших эмоций, радостных и горестных чувств, в основе всего, чем богата жизнь. Степень сложности этих химических реакций такова, что они создают новое качество - биологический процесс...

Но вместе с тем я никак не мог позабыть и о том, что на фоне великих биологических обобщений первые попытки прочтения на «химическом языке» разнообразных внутренних процессов жизнедеятельности организмов при всем богатстве практических выходов в технику и медицину ввергали (и тоже совсем недавно!) научную мысль в безысходную пучину частностей. Легко ли, скажем, освоиться с результатами коллективной работы биохимиков многих стран, выделивших и изучивших около ста тысяч (!) белков, входящих в состав организмов... Где здесь начало, где конец? Недаром в пору накопления этого гигантского материала многие со вздохом вспоминали о тех наивных и счастливых днях, когда еще господствовали взгляды саксов и пфефферов и жива еще была вера в то, что, «беседуя с цветком», можно открыть все его тайны. Оказалось, что можно, но далеко не все... С другой стороны, в безбрежном море подробностей, открываемых биохимией в процессах жизнедеятельности, созданием которых был тот же цветок, не виделось берега.

Со всеми своими надеждами и недоумениями я переступил порог недавно родившегося в системе Академии наук СССР исследовательского центра - Института радиационной и физико-химической биологии. На одном из больших проспектов московского Юго-Запада высится это соразмерное, чуть старомодное со своей величественной колоннадой у входа, но, по счастью, вполне современное по внутренней своей планировке, сочетающей экономную сдержанность в аранжировке интерьера с максимальной продуманностью всех удобств для научной работы, здание института, законченное только снаружи. Институт, фигурально выражаясь, еще только вылупляется из строительных лесов и монтажных пут. Лаборатории еще только складываются в своем научном составе. Здесь все в движении, все в становлении. Во многих областях физико-химической биологии мы, честно говоря, поотстали, но наверстываем упущенное со страстным напряжением. А во многом мы идем впереди. Ведь Институт радиационной и физико-химической биологии возник не на пустом месте. Фронт держат и его ближайшие соседи - биофизики и химфизики, «молекулярщики» и физико-механики.

Институт весьма своеобразен. Присутствуя фактически при его рождении, мы получаем заманчивую возможность познакомиться с общим обоснованием его обширной программы.

Оно принадлежит руководителю института академику Владимиру Александровичу Энгельгардту.

- Атрибуты жизни, - задумчиво повторяет ученый вопрос, который ему был задан во время беседы. - Да, вы правы. Они чрезвычайно разнообразны, и не так легко установить среди них иерархию, решить, что является наиболее важным, первичным и что второстепенным, вторичным...

- Но можно, можно и нужно! - добавляет он решительно. - И это очень трудно... Природа, пусть даже в самых примитивных своих творениях, настолько совершенна, а все атрибуты жизни связаны в столь неразрывном единстве, что любая попытка установить их взаимоподчиненность может оказаться спорной. И все же...

Но прежде чем продолжать изложение содержательных и глубоких взглядов ученого, нужно вернуться к их предпосылкам. Что же это за «атрибуты жизни», о которых идет речь?

В их число входит своеобразие химического состава живой материи, своеобразие природы и важнейших свойств химических веществ, участвующих в построении живых организмов. Только об одном этом предмете можно написать целую книгу, и она будет необычайно увлекательной, хотя речь идет пока еще только о химической «статике», теснейшим образом связанной с химическим же составом внешней среды, в которой организм формировался. Существует целая наука, биогеохимия, которая прослеживает тончайшие связи между химической изменчивостью среды и биологическими «ответами» на эти изменения, которые дают живые организмы, обитающие в этой среде. Здесь мы сталкиваемся с поразительным открытием нового времени, а именно с выяснением необычайной широты «спектра» химических элементов, присутствующих в живой ткани.

До недавних нор еще широкое хождение имел взгляд, что все растения и животные состоят из небольшого числа определенных химических элементов. Они так и были названы в свое время - «биогенными», то есть «жизнетворящими». Вероятно, это живучий пережиток идеи о «единой протоплазме», которую некоторые биологи проповедовали в начале прошлого века.

Действительно, из небольшого числа химических элементов оставлена основная масса живого вещества. В него в заметных количествах входят углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, кальций, натрий и другие элементы. Но с давних пор в организмах находили и другие элементы: марганец, медь, цинк, кобальт, никель, йод, фтор, молибден и другие. Однако их считали случайными примесями или загрязнениями.

Этому мнению, казалось, противоречили многие загадочные явления сельскохозяйственной практики. Было известно, например, что чилийская селитра действует подчас лучше, чем азот, искусственно связываемый из воздуха. Тщательный анализ чилийской селитры обнаружил в ней повышенное содержание йода. Богатые фосфором шлаки - отходы томасовского производства стали - действовали иногда лучше фосфатных удобрений. Но никто не брался утверждать, что причина этого - содержащийся в них марганец.

Осторожность внушали классические исследования многих знаменитостей: Вагнера, Кноппа и других создателей метода воспитания растений на водных растворах различных питательных смесей. Самые тщательные исследования доказывали, что растения нормально развиваются на смесях, состоящих лишь из нескольких основных элементов.

Развитие науки о питании растений было задержано несовершенством эксперимента. Смеси, приготовленные с наибольшим тщанием, на какое были способны химики прошлого века, в действительности оказались химически «грязными». В них присутствовали в ничтожном количестве соли многих других элементов, без которых, как выяснилось впоследствии, растения действительно не могут существовать.

Первые сведения о биологическом значении разнообразных минеральных веществ, содержание которых в организме очень невелико и которые поэтому получили название микроэлементов, давались ценой огромного труда.

История исследований влияния микроэлементов на растение полна противоречий.

Так, бор, который, по капризным законам развития науки, нашли в 1865 году в тканях одного абиссинского дерева и только через тридцать лет обнаружили в листьях и корнях сахарной свеклы в Центральной Европе, первоначально считался ядом. Поражает масштаб усилий, ценой которых добывались буквально крупицы знаний в этой области. Чем занимались первые исследователи этого вопроса?

Обширная плеяда исследователей во всем мире шаг за шагом уточняла концентрации растворов, воздействию которых подвергались семена, расследовала неудачи. В 1916 году сразу несколько ученых в Англии, Франции, Германии и Бельгии почти одновременно отметили благоприятное действие бора на редис. Ученые Америки и Японии подтвердили благоприятное действие бора на сою. В России и Голландии аналогичные сведения принесли опыты с табаком, в Англии - с томатами и т. д. и т. п.

Это были добросовестные пробы, необходимые поиски, но поиски впотьмах или с завязанными глазами - выбирайте любой образ, ибо они в одинаковой степени подходят к обстановке. Однако лишь на фоне этих огромных накоплений фактического материала могла проявиться обобщающая мысль, объединившая отдельные факты, которые, казалось, вели изолированное существование. Дружными усилиями многих исследователей вопрос, из чего состоят организмы, был снят с повестки дня.

Как уже отмечалось в другой связи, выяснилось, что в состав живых организмов входят практически все существующие элементы периодической системы. Помимо основных, названных нами ранее, в качестве равноправных участников жизненных процессов выступает не менее 60 - 65 микроэлементов, порой встречающихся на земле редко и в ничтожных количествах, и каждому из них, как это нам объясняет элементоорганика, отводится важная роль.

Но здесь мы, естественно, переходим к химическим превращениям, к жизнедеятельности организмов, неразрывно связывающей их со средой обитания, к тому, что мы называем обменом веществ, и неотъемлемому свойству всего живого - способности к воспроизведению себе подобных. С разной степенью сложности и совершенства в живом мире проявляются свойства возбудимости и раздражимости. Именно этими свойствами в значительной степени определяется вся сложность взаимоотношений между организмом и средой. Наконец животным, как правило, в той или иной мере присуща способность к движению.

Какие же из этих «атрибутов жизни» могут считаться коренными?

Владимир Александрович Энгельгардт полагает, что два: своеобразие химического состава живых объектов и химических превращений, специфика обмена веществ.

Что дает ему основание эти атрибуты считать самыми важными?

Их первичность. Прочие качества, как бы важны и неотъемлемы они ни были, все-таки являются, по его мнению, производными от только что названных свойств.

- Нуждается ли в каких-нибудь дополнительных доводах положение, что любые свойства живых организмов, в конечном счете, зависят от их материальной природы? - спрашивает он.

Острота научного предвидения Энгельса, позволившего ему почти сто лет назад, в дни зарождения наших познаний о химизме живых объектов, назвать белки первоосновой всего живого, поражает и восхищает. Но в той же характеристике живого он столь же решающее место отводит обмену веществ. Во времена Энгельса познание характера этих процессов было еще в высшей степени скудным. Естественно, что он ограничился указанием значения белка для поддержания нормального состояния изменчивой основы живых организмов. Энгельс мудро подчеркивал необходимость непрерывного протекания обмена веществ (в этом Энгельс видел важнейшее условие сохранения биологически важных свойств живого). Истекшие десятилетия обогатили и расширили наши представления и о самих процессах обмена веществ и об их роли не только как источнике движущей силы, но и как первооснове всех без исключения жизненных функций, всех проявлений жизнедеятельности; будь то рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность отвечать на изменения внешней среды.

- Вот что дало нам основание поставить эти процессы в «иерархии» атрибутов жизни на первое место, - заключает Энгельгардт.

- И уже буквально в самое последнее время, измеряемое не десятилетиями, а годами, как волнующее обещание новых значительных удач со всей отчетливостью прорисовывается первый итог объединенного и концентрированного наступления многих наук, заключивших между собой тесный дружеский союз, на сокровенные тайны процессов обмена веществ в организме. Оказалось, что за множеством «частностей», изобилие и разнообразие которых еще недавно представлялось неисчерпаемым, проявляется величайшее единство, своего рода «простота в сложности»,- подчеркивает ученый.

Несколькими страницами выше я приводил ошеломляющее своей грандиозностью число видов белков, установленных биохимиками. Но те же биохимики обнаружили, что все поистине неисчерпаемое разнообразие мира белковых тел зависит от порядка чередования и пространственного расположения сравнительно небольшого числа звеньев в этих своеобразных биологических полимерах, построенных в общем по сходному плану ( Подробнее о биополимерах и их исследовании рассказывается в книге Н. Лысогорова и В. Тонгура, Полимеры - клетка - жизнь. Изд-во «Молодая гвардия», 1961. ). Даже из самых общих соображений вытекает, что для живого организма заведомо губительными были бы самопроизвольно возникающие, «спонтанные», как выражаются исследователи, физико-химические реакции: раз начавшись, они должны идти до конца. Отсюда следует, что все жизненные реакции должны быть управляемыми. А раз так, надо искать механизмы, которые «спускают с цепи» реакцию, и те, благодаря которым ее течение может регулироваться. Саморегулировка осуществляется по хорошо известному в радиотехнике и в кибернетике принципу «обратной связи». Этот принцип не чужд и высшим организмам. Разные причины вызывают возбуждение терморегуляторных и дыхательных центров. Разными будут и следствия: в одном случае, скажем, понизится теплоотдача, в другом - повысится легочная «вентиляция», но и в том и в другом сработают системы саморегулирования по типу «обратной связи».

- Первые же поиски в этом направлении, - отмечает ученый, - подтвердили, что число подобных механизмов не может быть очень большим, а принцип их действия должен быть достаточно общим.

С особенной же яркостью это единство во множестве, тождество в многообразии проявляется в тех неповторимых, не наблюдаемых в мертвом мире особенностях химических реакций, из которых складывается главный признак живого - обмен веществ. Владимир Александрович настоятельно подчеркивает поразительный факт, что одни и те же вещества и сходные их превращения встречаются на всем протяжении живого мира. Таково, например, чудесное вещество - аденозинтрифосфат, которое служит во всем живом мире единственным преобразователем и накопителем энергии: будь то работа мышц, или разъединение и соединение в новых сочетаниях крупных белковых молекул вирусов. И в микробе, и в листе растения, и в мозговой клетке человека одним и тем же путем происходит распад сахара. Одни и те же механизмы клеточного дыхания с однородным набором управляющих этим процессом ферментов действуют во всем многообразии живых объектов и на всем протяжении эволюции, происходившей миллионы лет.

Подумать только, через какие изменения формы и всей совокупности физиологических функций прошли организмы от первичного одноклеточного до человека! И через всю эту бесконечную цепь глубочайших изменений живым миром пронесены коренные, фундаментальные процессы обмена веществ. Какое изумительное свидетельство его единства!..

В Институте физико-химической биологии академик Энгельгардт наряду с новыми темами развивает замечательные исследования, начало которым было положено изучением сократительного аппарата мышцы. Для характеристики универсального, общебиологического значения обнаруженного при этом химического «механизма» мы воспользуемся образами, которые применил сам ученый в своем рассказе.

Аденозинтрифосфатную кислоту, содержащую остаток фосфорной кислоты и являющуюся благодаря этому носителем запасов химической энергии большинства жизненных преобразований, он сравнил с молекулой взрывчатого вещества. Внешнее сходство в том, что порох или гремучая ртуть - это вещества, которые могут спокойно храниться, а распадаясь при ударе, при повышении температуры или от детонации, освобождают огромное количество энергии. Вещество, которое участвует в работе мышцы, обладает сходными свойствами: под определенным воздействием оно может «взорваться», и его энергия освобождается. Но вот тут-то и начинается самое интересное! В отличие от «мертвых» молекул обыкновенной взрывчатки удивительная молекула - носительница жизненной энергии не разлетается на атомы, не раздробляется на отдельные составные части. «Разрывается» лишь небольшая часть молекулы, а затем она восстанавливается, реконструируется из образовавшихся при «взрыве» обломков.

- Так уж экономно и аккуратно происходит этот «взрыв», - шутит исследователь.

Освобождающаяся энергия воспринимается огромной белковой молекулой, в сотни раз превосходящей по размеру молекулу биологической «взрывчатки». Эти своеобразные взаимоотношения между источником энергии и аппаратом, который ее воспринимает и преобразует в движение, таит в себе возможности, о каких техника может сегодня только мечтать. Ведь примеров прямого превращения химической энергии в механическую в неживом мире мы не знаем. Но нет никаких принципиальных преград к тому, чтобы подобную идеальную машину построить. В таком двигателе «прямого действия» не будет ни топки, ни цилиндров, где бы сжигалась горючая смесь. Не будет происходить деградации энергии, как говорят физико-химики, в тепло. А следовательно, не будет и потерь, которые определяют ничтожный коэффициент полезного действия современных двигателей...

Разумеется, это пока лишь мечта. Но характерно, что она могла приобрести вполне вещественные очертания только на «молекулярном уровне» изучения биологических процессов.

Что это за «молекулярный уровень»?

Биология едина - все дело в подходе к изучаемому явлению. Какой метод применить, как оценивать результаты эксперимента - над этим всегда приходится ломать голову, потому что природа не позаботилась подготовить ответы на волнующие нас загадочностью черты ее поведения. Каждый ответ приходится добывать...

Можно рассматривать организм животного и растения как целое.

Можно подойти к нему и на уровне физиологическом, изучая жизнедеятельность отдельных органов, соединенных в какие-то взаимодействующие системы, на уровне определенных, свойственных этим органам физиологических функций, таких, как кровообращение, дыхание, самоочищение организма от различных отравляющих веществ, появляющихся в процессе жизнедеятельности его тканей.

Можно, далее, от процессов физиологических перейти к совершающимся в организме процессам химическим, но тем, что несут на себе печать определенного органа, с которым они связаны. Это уровень биохимии - науки, не отвергающей ничего из того, что интересовало физиологию на протяжении всей истории ее развития. Биохимия принимает все завоевания физиологии, но делает следующий шаг в сторону изучения более мелких, более дробных явлений. Она спускается на уровень химических соединений.

Следующий шаг - изучение химических процессов, которые протекают в пределах группировок молекул, самих молекул и даже отдельных атомов. Тем самым, сохраняя традиционный, «чисто биологический» подход к изучению проблем физиологии, экологии, эволюции видов и других, биология на наших глазах обогащается новым - физико-химическим - подходом к познанию внутренних «механизмов» элементарных процессов жизнедеятельности.

Но продолжим наше знакомство с новым институтом и его замыслами.

Здесь же, рядом, в лаборатории биоэнергетики, где вошедшему приветливо подмаргивают сигнальные огоньки сверхчувствительных измерительных систем (они могут уловить энергию, выделяемую при мерцании ресничек инфузории!), новый, физико-химический подход распространяется на другой, решающе важный для всего живого процесс, который по последним, не очень отчетливым сведениям, проникшим из-за рубежа, удалось воспроизвести в лаборатории. Предварительные сообщения умалчивают о подробностях. Это вполне объяснимо, коль скоро речь идет об овладении процессом, значение которого Фредерик Жолио-Кюри сравнивал с овладением атомной энергией.

- Хотя я и верю, - говорил он, - в будущее атомной энергии и убежден в важности этого изобретения, однако я считаю, что настоящий переворот в энергетике наступит только тогда, когда мы сможем осуществлять синтез молекул, аналогичных хлорофиллу или даже более высокого качества.

Величественные сибирские кедры и крохотные шарики водоросли хлореллы осуществляют процесс синтеза хлорофилла повседневно, причем в таком масштабе, который вполне обеспечивает жизнь всех морских и наземных животных, включая и человека. В процессе фотосинтеза все растения нашей планеты связывают ежегодно около 150 миллиардов тонн углерода с 25 миллиардами тонн водорода и выделяют при этом 400 миллиардов тонн кислорода. Девять десятых продукции этого грандиозного химического завода создается в водах океанов микроскопическими водорослями и одна десятая - наземными зелеными растениями.

Таковы масштабы деятельности биосферы, начало целостному изучению, которой было положено выдающимся советским ученым Владимиром Ивановичем Вернадским.

Физико-химики подбираются к ней с другой стороны: они надеются постичь сущность главного звена этого бесконечного круговорота, в котором под действием солнечного света атомы углерода, кислорода и водорода непрерывно переходят из атмосферы и гидросферы, Мирового океана, в биосферу. Они дерзко рассчитывают, что им это удастся лучше, чем биохимикам, ибо физико-химические методы позволяют исследовать самый процесс, характер возбуждения молекул, способы переноса электронов и тому подобное, не разрушая структуры молекул, сохранение которой является, по-видимому, непременным условием осуществления самого процесса.

Физико-химический механизм фотосинтеза родственен, к слову сказать, механизму зрительного процесса, в основе которого лежат тонкие химические превращения в «колбочках» и «палочках», выстилающих сетчатку глаза, с той только разницей, что при фотосинтезе энергия света преобразуется в химическую энергию, а здесь - в электрическую. Когда эти механизмы перестанут быть загадкой, человечество, вероятно, обретет возможность не только обходиться без растений как источника пищи и производить сахар непосредственно из углекислоты и воды наиболее дешевым способом - за счет Солнца, но также получать химическую или электрическую энергию непосредственно от солнечного света, например, превращать воду в обладающую взрывной силой смесь водорода и кислорода и использовать ее как источник тепла или энергии...

А сколько еще неиспользуемых возможностей развития химической технологии на принципиально новых путях, без участия дорогостоящих нагревателей и автоклавов, где создаются высокие давления, обещает необозримая область биологических катализаторов! Вся целиком она лежит в сфере самых насущных наших сегодняшних нужд.

Не вдаваясь в подробности, можно отметить, что многообразные химические регуляторы жизненных процессов - ферменты - иногда «работают» с атомами металлов, которые служат их активаторами; в других случаях их помощниками оказываются различные соединения с относительно крупными молекулами, которые называются коферментами. Они стоят в близкой родственной связи с некоторыми витаминами.

Именно физико-химическое изучение некоторых коферментов привело к обоснованию одного из кардинальных переворотов, происходящих в медицине.

Дело в том, что витамины необходимы некоторым болезнетворным бактериям не в меньшей мере, чем человеку. Случайно обнаруженное лечебное действие сульфамидных препаратов, к которым принадлежат всем известные стрептоцид и сульфазол, оставалось загадкой до тех пор, пока не было замечено, что их способность тормозить рост бактерий резко ослабевает в присутствии парааминобензойной кислоты - одного из витаминов группы В, незаменимого фактора роста для многих организмов. Оказывалось, что сульфамидные препараты близки по своему химическому строению к парааминобензойной кислоте, и именно в этом секрет их лечебной активности: сходство так велико, что бактерия «захватывает» сульфониламид вместо необходимого ей витамина. «Поддельный» витамин проникает в ферментную систему и выводит ее из строя. По-видимому, таким же способом действуют антибиотики. С активной деятельностью ферментных систем ученые связывают потребность организмов в так называемых микроэлементах.

Важной задачей науки по-прежнему остается выяснение действия целых ферментных систем и усовершенствование способов их использования для размягчения мяса, дубления кожи, осахаривания крахмала, «вызревания» вина или чайного листа и для многих других важных целей, включая сюда и медицину, и ветеринарию, и агротехнику. Особенность нового подхода Института радиационной и физико-химической биологии к этой проблеме сказывается в том, что здесь стремятся через выяснение тончайших деталей строения прийти к пониманию общих закономерностей «механизма» действия любого фермента.

Физико-химиков нисколько не смущает то обстоятельство, что недавно изданный в Америке справочник по ферментам включает полторы тысячи названий, среди которых можно ориентироваться только при помощи специального смыслового ключа. Такое многообразие связано с поразительно тонкой «избирательностью» действия ферментов.

Подобно тому, как ключик от секретного замка подходит только к совершенно определенной прорези, каждый фермент действует на вполне определенное вещество или на определенный тип химической связи в молекуле. Именно такая «узкая специализация» и позволяет ферментным системам участвовать не только в ускорении, но и направлять в нужную сторону и регулировать химические превращения, обмен веществ в организме.

В этой точке пересекаются интересы сегодняшней химии, физики, биологии и техники завтрашнего дня. Вспомним, что до сих пор пленение атмосферного азота и сочетание его с водородом, так называемый синтез аммиака, осуществляется катализаторами, действующими лишь при высоких температурах и больших давлениях. Между тем ферментные системы азотфиксирующих бактерий связывают атмосферный азот при обычном атмосферном давлении и температуре летнего дня. Эти необычайные успехи достигаются ничтожно малым количеством активнодействующего начала. Известно, что одна клетка содержит около ста тысяч молекул фермента, ускоряющих 1000 - 1200 химических реакций, которые в ней протекают. Иначе говоря, на каждый процесс приходится всего лишь по 50 - 100 молекул фермента.

Одна молекула фермента, разлагающего перекись водорода на воду и кислород, может расщепить в одну минуту до пяти миллионов молекул перекиси. Чтобы проложить путь к созданию искусственных систем (это могло бы поднять химическую индустрию до такого фантастического уровня производительности), надо сначала подробно разобраться в отдельных «актах», из которых складывается стремительная деятельность любых биологических катализаторов.

Эти новые пути нащупывает, разумеется, не один только Институт радиационной и физико-химической биологии, в равной мере как не он один ставит своей задачей исследование действия радиации на жизненные процессы, выяснение опять-таки «механизма» - никуда не уйти от этого слова! - продолжающего своей сложной целесообразностью процесс деления клеток. Этих сторон его деятельности мы не успели даже коснуться. Но наша задача заключалась не в том, чтобы рассказать о буднях того или иного научного института, а дать хотя бы самое общее представление о некоторых проблемах науки, не только активно включившейся в творение «второй природы» - в новое «сотворение мира», но и становящейся «в полной мере непосредственной производительной силой».

Наука, которая вся в становлении, в движении, в развитии... От этого действительно захватывает дух!

предыдущая главасодержаниеследующая глава




Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2017
При копировании материалов активная ссылка обязательна:
http://nplit.ru 'NPLit.ru: Библиотека юного исследователя'