Загадка життя

«Вивчення розподілу електронів всередині білкової молекули – одне з найнагальніших і найважчих завдань біології. До тих пір, поки воно не буде вирішене, ми не можемо сподіватися на те, що зрозуміємо сутність життя». (А. Сент-Дьордь, лауреат Нобелівської премії).

У природі ще багато нерозгаданих таємниць. Ми ще не вміємо управляти термоядерною реакцією, ще не дісталися до ядра Землі, майже не знаємо двох третин поверхні нашої планети, покритої океаном. Але, мабуть, з усіх загадок, що стоять на порядку денному сучасної науки, найскладнішою, найцікавішою і перспективною з точки зору можливостей, які дасть людям її вирішення, є загадка життя.

Наука про життя – біологія – налічує багатовікову історію. Але через складність і надзвичайне різноманіття досліджуваних об’єктів донедавна вона обмежувалася лише описом життєвих процесів, не намагаючись проникнути в глибину явищ. До середини 19-го століття біологи накопичили багатий фактичний матеріал, добре вивчили поведінку рослин, тварин і людини в різних умовах, виробили класифікацію організмів. Все це дозволило Дарвіну створити свою безсмертну теорію еволюції живого світу.

Але біологи були безсилі відповісти на питання: що ж відбувається в живому організмі, звідки жива клітина черпає енергію для своєї життєдіяльності, в чому сутність основи життя – обміну речовин?

На допомогу біологам прийшла хімія, а слідом за нею і фізика. Досліджуючи біологічні об’єкти з точки зору хімічних перетворень, біохіміки досягли такої глибини розуміння біологічних процесів, про яку біологи могли тільки мріяти. Біохімія встановила, що в основі обміну речовин лежать певні хімічні реакції, в результаті яких вивільняється енергія, необхідна для виконання різних життєвих функцій і відновлення будови клітин.

Встановивши сутність обміну речовин, встановивши хімічний склад амінокислот і багатьох білків, наука все ж не в змозі була відповісти на головне питання: як взаємодіють білкові тіла? Яким чином сонячна енергія, що накопичується шляхом фотосинтезу в зеленому листі рослин і потрапляє з їжею в органи тварини і людини, трансформується в них, переходячи від клітини до клітини і нарешті вивільняється у вигляді роботи?

На цей рахунок є декілька теорій, і сам факт їх існування свідчить про те, що жодна з них не може повністю задовольнити вимогам сучасної науки. Процес трансформації енергії в організмі складається з цілого ряду етапів, кожен з яких пов’язаний з глибокими фізичними, хімічними, біологічними змінами. Не дивно, що багато ланок цього ланцюга досі залишаються неясними. Але, мабуть, самим неясним і складним етапом перетворення енергії є останній: безпосередній перехід потенційної енергії білкового речовини в кінетичну, наприклад, в роботу м’язів. Зараз ми досить добре знаємо лише початковий і кінцевий продукт цього перетворення.

Сучасна наука поки ще залишається в положенні глядача, що потрапив на виставу фокусника – ілюзіоніста . Глядач бачить, що червона кулька, тільки що перебувала в руці фокусника, раптом виявляється у вазі, що стоїть на столику, а потім перетворюється на живого курча. Глядач стежить за дивовижними перетвореннями, але не розуміє, як вони відбуваються.

Візьмемо найпростішу хімічну реакцію. Атом водню, з’єднуючись з атомом хлору, дає молекулу соляної кислоти. При цьому електрон, що обертається навколо атома водню, перескакує на зовнішню електронну оболонку атома хлору, і таким чином між двома атомами встановлюється електронний зв’язок. Це простий «фокус». А як розгадати «фокуси», що відбуваються в білкових тілах?

Щоб зрозуміти, наскільки це завдання важке, згадаємо складність досліджуваного об’єкта. Якщо пропорційно збільшити звичайну і білкову молекулу так, щоб перша виявилася величиною в один міліметр, то ланцюг атомів, що входять в білкову молекулу, виявиться завдовжки з екватор.

Звичайно, не слід вважати, що поставлене завдання в стільки ж разів важче, у скільки разів довжина екватора більше одного міліметра. У поведінці молекули значення має не тільки її склад, а й структура. Як би не взаємодіяли хлор з воднем, структура молекули соляної кислоти залишається незмінною. Інша справа білок. Амінокислоти – складові частини білка – самі дуже складні. Вони можуть з’єднуватися одна з одною по-різному. У природі відомі 24 різних амінокислоти. Американський вчений Е. Томпсон, підкреслюючи розмаїття світу білків, нагадує, що англійська мова складається всього з 26 букв – на дві більше, ніж амінокислот у природі. Але далеко не будь-яке поєднання букв англійського алфавіту дає слово, а амінокислоти можуть з’єднуватися принципово в будь-якому порядку. Отже, мова Шекспіра і Діккенса виявляється в багато разів бідніші «мови» живої природи.

Але і це не головні труднощі, що стоять перед вченими, які досліджують фізику біологічних процесів. Адже ми розповіли лише про різноманіття фокусів, які належить розгадати, і майже нічого не сказали про їх складності.

Припустимо, що в наведеному фокусі (кулька зникає з руках ілюзіоніста і виявляється у вазі на столику) фокусник якимось непомітним рухом перекинув кульку в вазу. Очевидно, чим чіткіше, чим швидше рух фокусника, тим важче «зловити» його, важче помітити, як він це виконав.

У біологічних процесах, що викликають вивільнення енергії, відбувається не одне, а ланцюжок послідовних перетворень, і весь процес зазвичай триває мільйонні частки секунди. При цьому він можливий тільки в самій живій клітині. Спроба ізолювати його і повторити в скляній пробірці приречена на невдачу. Мембрани, що відокремлюють одні частини клітини від інших, теж є своєрідними стінками пробірки, але не інертними, а, навпаки, вельми активними. Вони самі беруть участь у процесі, направляють його, забезпечуючи певну послідовність перетворень. Тому процес , який відбудеться в пробірці, буде дуже далекий від досліджуваного. Таким чином, щоб вивчити природу біологічних явищ, потрібно самим нефігуральним чином зупинити мить. Досі це тільки одного разу «вдалось зробити» гетівському Фаусту, та й то ціною власної душі…

Але тоді виникає питання: чи переборні взагалі всі ці труднощі? Може бути, природі життєвих процесів судилося назавжди залишитися загадкою? Зрозуміло, це не так. Знаменитий вчений Іван Петрович Павлов писав: «Все життя, від найпростіших до найскладніших організмів, включаючи, звичайно, і людину, є довгий ряд все більш ускладненого до найвищого ступеня урівноваження зовнішнього середовища. Прийде час – нехай віддалений, – коли математичний аналіз, спираючись на природничо-науковий, охопить величними формулами рівнянь всі ці урівноваження, включаючи в них, нарешті, і самого себе».

Сучасна наука, озброєна досконалими приладами, що спирається на величезний фактичний матеріал, що застосовує біологічну, хімічну, фізичну методику досліджень, все глибше проникає в сутність життєвих процесів. Англійський вчений Зангер вивчив структуру білка – інсуліну. Поступово з’ясовується структура нуклеїнових кислот, що грають основну роль в процесах спадковості. І тепер наука впритул підійшла до вирішення питання про процеси, що відбуваються в білковій молекулі при трансформації енергії.

Автор: С. Єфімов.