Клітини і енергія. Частина третя.
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Транспортні проблеми не тільки у великих міст. Коли в надрах клітини, як нафта зі свердловини, б’є енергія, близько ферментних конвеєрів скупчуються цілі флотилії чудо-молекул. Навантажившись калоріями, ці «танкери» везуть їх в усі кінці клітини. Поспішаючи до її цехів, робочих механізмів, диво-молекули несуться на всіх парах. Але самих себе, звичайно, обігнати не можуть. І хоч на клітинних магістралях ні заторів, ні пробок, доставити дорогоцінний вантаж до терміну тут також нелегко. Особливо в години пік. Як бути? Адже не зривати ж випуск білка, не гасити ж блоки обчислювальної машини мозку через транспортні негаразди!
Клітина знайшла блискуче рішення задачі: вона перевела її з молекулярного на електронний рівень. Ні секунди простою не знають її робочі механізми, енергія прибуває до них без перебоїв і найкоротшим шляхом. У хвилини високої напруги її миттю доставляють електрони. Рухливі, легко збудливі, вони не пливуть – літають по клітині з надзвуковою швидкістю. І розігнавшись, з ходу скидають на її маховики весь свій заряд, обертають вали живої машини.
Втім, це не зовсім так: ніяких валів і маховиків в клітині зроду не було; в тому-то і фокус, що хімічна енергія, запасена чудо-молекулами, тут відразу і майже цілком переходить в рух. Капелька життя не витрачає свої калорії на підігрів котлів, тертя та інші непродуктивні витрати, вона володіє найдосконалішою енергетичною технікою. Так що даремно я шукав для неї порівняння в паровиках і двигунах внутрішнього згоряння. Тут, мабуть, більше підійшов би атомний реактор. Зрозуміло, клітина виходила з власних мікроскопічних потреб, але атом – всюди атом, витягти з нього енергію, та ще направити її без втрат до робочих механізмів – справа не з простих.
Як клітина справляється з ним? Адже, треба думати, квантова механіка їй мало знайома. Зате нам, дорогий читачу, доведеться ступити в це хитке море хвильової фізики. Без неї нині немислимо осягнути життя, зрозуміти сенс, працю, призначення тієї на диво злагодженої машини, що іменується живою клітиною.
Отже, знайомтеся: квантова біологія – наука про електронні рівні життя. Молода, смілива, часом парадоксальна, вона завойовує визнання, переводить думку біолога в абсолютно новий вимір – в дивний, мінливий світ.
Світ цей, немов царство тіней, сповнений привидів і несподіванок. Молекулу тут відразу не впізнаєш: вона втратила обриси, походить не так на ялинку, обвішану атомами, а скоріше на хмарну гряду. Та й атом тут начебто істота, що фігури не має. Куди тільки поділося його дебеле ядро? Ах, ось воно, сховалося в хмарі електронів, що носяться навколо з космічною швидкістю. У кожного ядра – «супутник», а то й кілька, і всі заряджені, кожен літає по своїй орбіті. Але дехто схильний перескакувати на чужу, особливо, якщо вона нижче його власної.
У щільній хмарі електронів пливе до мети і диво-молекула. Її атоми, насичені енергією, електрикою, не дають спокою ферментам. Відірвавши, крайній, ферменти-посередники швидко передають його з рук на руки. Заряджений атом миттю проскакує по ланцюгу переносників. Як грозова хмара, налітає він на молекулу м’язового білка. Ось вони зіткнулися…
Удар! Електрони блискавкою перескакують з атома на білок. Злива енергії обрушилася на м’язову машину. А електронна хмара вже пропливла: її підхопили, тягнуть на перезарядку інші переносники. Цього разу вони поспішають доставити виснажену, відпрацьовану молекулу до активного, так би мовити, заправного центру. Тут вона приєднає втрачений атом, набере енергії і, знову ставши чудо-молекулою, пуститься в новий шлях.
Однак що з електронами, де мандрують зараз ці заблудлі супутники атомного ядра? Несуться по молекулі м’язового білка. Зіскочивши на повному ходу з орбіти, вільні електрони майже без втрат передали новій хазяйці весь свій запас, всю енергію. Та охоче прийняла такий цінний дар і відкрила гостям зелену вулицю.
Стрімголов, наче аварійні машини, проскакують електрони вздовж молекули: вони мчать тут по особливій смузі підвищеної провідності. У цій зоні, як на середній смузі автомагістралі, можна розвинути шалену швидкість, не зустрічаючи ніяких перешкод. Тут все передбачено для екстреної доставки енергії до скорочувальних механізмів м’яза.
Смуга надпровідності – головна енергетична магістраль білкової молекули. Тільки на відміну від автостради вона не пряма: молекула білка скручена в тугу спіраль. Виток до витка намотаний ланцюжок її амінокислот. Так щільно прилягають вони один до одного, що місцями входять в контакт: тут і перекидаються міжатомні містки, по яких проскакує блукаючий електрон.
Перемички між амінокислотами він використовує, як найкоротший і найлегший шлях до мети: адже електрика завжди йде по лінії найменшого опору. Так і тут – в клітині, до верху заповненої білковими молекулами. Не дарма ж її іноді порівнюють з кристалом, часом навіть називають напівпровідником.
З цієї кристалічної доріжки електрон виходить до фінішу. Ривок – і він на новій орбіті, вносить свій квант в енергетику м’язової, нервової, будь-якої іншої клітини. Ось поки і все, скінчилися мандри електрона – в білках, м’язах, так, мабуть, і у всій біології: інших новин про нього поки немає. Але будуть, безумовно будуть, дайте тільки час.
Ідеям передбачати долю, мабуть, важче, ніж людям. Вже дуже вигадливий буває їх шлях в науці, несподіваний фінал. Великі алгебраїсти, сучасники Дідро і Свіфта, жартуючи, бавлячись кісточками доміно, придумали на дозвіллі теорію ймовірностей – видно, крім азарту, хотіли внести в гру математичну ясність. На тому затія і скінчилася, а через півтораста років фізики з блиском використовували всі «гральні» теореми алгебраїстів в рішенні найважливіших завдань теорії газів і розчинів. Піди після цього гадай, чи провіщають майбутнє якомусь неймовірному задуму: безплідний він або принесе урожай. Інші ідеї тільки для того і зріють, щоб вчасно бути спростованими, поступитися місцем новим, ще більш неймовірним.
Так і в біології. Тут ще й до молекул не всі звикли, а ось вже з’явилася квантова механіка клітини. Електрон, можна сказати, проник сюди несподіваним гостем. Так що робити: наука завжди в дорозі. Поки інші роздумують, чи визнати молекулярний рівень життя, виник електронний. І як би не був він новий і загадковий, поява його в загальному була вирішена: клітина все частіше задає питання, що не по силам навіть самим проникливим біохімікам століття. Адже і у них є межа, межа, за яку не проникає ні око, ні уявний погляд дослідника.
Тут немає нічого дивного і, тим більше, образливого; біохімія виходить на новий рубіж. Дитя минулого століття, вона і сьогодні користується його мовою – мовою букв, рисок, всіх цих ієрогліфів класичної хімії, якими можна записати складну формулу, реакцію, але не можна пояснити навіть рух амеби, зрозуміти скорочення комариного м’яза – словом, вловити механіку живої клітини.
Біохімік має право пишатися успіхами. Проникнувши в невідомий світ білків, він відкрив їх будову, можна сказати, по кісточкам перерахував кожну молекулу, визначив склад багатьох важливих гормонів, ферментів і деякі відтворив, заново синтезував в пробірці. Хто сперечається: біохімія – лідер науки про живе. Але йде він не без поразок. Яким чином чудо-молекула аденозинтрифосфорної кислоти перекидає енергію на робочі важелі м’яза? Як вона заряджається знову? Чому кілька квантів світла, поглинені в оці якою-небудь сотнею молекул родопсину, проектують на екрані мозку багатобарвну картину?
Мовчить біохімік. Не розтулив поки уста і біофізик. Клітина відкрила їм двері в білкову кухню, але приховує ще багато важливих секретів. І тому дослідник охоче розповість вам про грони атомів в молекулі якого-небудь гормону, намалює їх зв’язки і навіть назве кути між зв’язками, але головне питання – як атоми працюють, спілкуються? – залишить без відповіді. На молекулярному рівні біолог осягає загальну конструкцію живої машини – зрозуміти її в русі, взаємодії всіх деталей йому поки не дано. Тут клітина ще чекає свого Менделєєва, свого Ейнштейна.
Однак подорож в її глибини триває. Захоплююча подорож, повна несподіваних знахідок, великих відкриттів.
Автор: А. Шварц.