Загадка жизни
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
«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.)
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 19-го века биологи накопили богатый фактический материал, хорошо изучили поведение растений, животных и человека в различных условиях, произвели классификацию организмов. Все это позволило 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.
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.
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 определенною 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. Знаменитый ученый 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. 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.
Автор: С. Ефимов.