Химия завтра - Борис Ляпунов

На первый взгляд кажется, что белковая молекула устроена беспорядочно. Какие-то петли, узоры, спирали, закрученные в плотный клубок… Ничего похожего на строгие геометрические формы кристаллов или снежинок.

В молекуле белкового полимера — сотни тысяч и даже миллионы атомов. Это молекула-гигант, которую можно наблюдать в электронный микроскоп. Глядя на такое хитросплетение, думали, что клубок никогда не удастся распутать.

Но архитектура молекулы белка на самом деле подчинена вполне определенным законам. Каждой части постройки отведено свое место, каждое их чередование не случайно.

Уже удалось разгадать секреты строения простейших белков. Через разгадку лежит путь к искусственной белковой постройке. Но до создания настоящего наисложнейшего белка еще далеко.

Белков очень много: в человеческом теле больше ста тысяч видов. Каждый живой организм — микроб или животное, растение или человек — имеет свой белковый набор. Они похожи друг на друга, эти комки из перекрученных нитей, но есть и разница — едва уловимая, почти неприметная. Именно из-за нее и различаются белковые основы, именно потому по-разному устроены ткани различных живых организмов.

Архитектура белковых молекул подчинена какой-то целесообразности, которую наука еще не в силах до конца понять, хотя и стремится это сделать. Известно уже, что малейшее нарушение порядка в белковой постройке ведет к катастрофе. Не надо даже менять состава белка, не надо его разрушать. Стоит только чуть-чуть — именно чуть-чуть — переставить звенья цепи, и сразу же белок заболеет, перестанет нормально работать.

А работа у белков необычайно разнообразная. Они искуснейшие на свете химики. И у каждого из них своя строго определенная задача. Ни на одном нашем производстве не найдешь такой идеальной организации и разделения труда.

Все удивительно целесообразно устроено природой. Она позаботилась, например, о том, чтобы кровь не свертывалась в сосудах, не закупоривала их, чтобы не прекращался приток кислорода к тканям. Если вы порезались, кровь, выйдя из ранки, свернется. Немедленно начнет происходить сложная цепочка реакций, и кровотечение остановится.

Про пластмассы говорят, что это материалы тысячи назначений, а белки — вещества уже не тысяч, а десятков тысяч возможностей.

Они ускоряют химические реакции, и эти биологические катализаторы не имеют себе равных. Они разлагают одни вещества и воссоздают другие. С их помощью создаются жиры, углеводы, витамины. Благодаря им появляются в организме красящие вещества — пигменты; от них зависит выработка гормонов, тоже белков, которые регулируют рост.

Управляет созданием белков наследственный механизм, скрытый в ядре клетки, Этот механизм хранит в зашифрованном виде программу развития потомства. Он обеспечивает появление существа, подобного родителям. Все, что в дальнейшем проявит себя в полной мере, заложено в ядре клетки, в ее нуклеиновых кислотах. Попробовали подсчитать, сколько сведений хранит ядро клетки человеческого тела. Результаты выразили в привычных единицах — печатном тексте. И что же? Если расшифровать эти сведения, то они займут десять тысяч книг, по двести тысяч слов каждая…

Есть в нашем теле такие вещества, которые преобразуют химическую энергию пищи в механическую энергию мышцы. Более совершенного преобразователя пока не придумали инженеры. Белковая молекула меняет свою форму, белковые молекулы меняют свое расположение одна относительно другой — и мышца сокращается либо удлиняется. Конечно, управляет этими движениями нервная система. Но ведь и нервные клетки тоже построены из белков.

Белок — основа жизни. Однако к нему нужно добавить тот наследственный механизм, который строит живую клетку и управляет ею от рождения до смерти, обеспечивает непрерывность возобновления живого. Отсюда — вся жизнь, во всей ее многогранности, со всеми ее невероятно сложными проявлениями. Вот что означает белок!

Помощь, которую биология получает от химии, становится все более ощутимой, сотрудничество биологии и химии — все более тесным. Перед ними, идущими теперь вместе, открылась новая дорога, открылись и новые горизонты.

Правда, неоткрытого намного больше, чем ставшего известным теперь. Синтез белков сложнейшего состава все еще остается мечтой, хотя и получены в лаборатории простейшие белковые молекулы. Уже разведано устройство ряда белковых цепочек, становится все более ясным, как работают мышцы, во всех тонкостях, во всех деталях. Одна из самых каверзных загадок — механизм наследственности — близка к разгадке.

Почему же биология поднялась на новую ступень, и притом так быстро? Потому что она заключила союз с другими науками. Потому что от большого она перешла к малому, занялась миром атомов и молекул, составляющим все живое. А пути молекулярной биологии и химии тогда неизбежно должны были сойтись, ибо эти «кирпичики» материи в ведении химиков.

И пути сошлись. Нельзя понять, как происходит фотосинтез, если не обратиться к молекулам хлорофилла, к тем реакциям, которые совершаются в зеленом листе. Нельзя узнать, как дышит животное и человек, если не познакомиться с той работой, которую производят молекулы гемоглобина — этого красящего вещества крови.

Химический механизм встречается не только в мышце. Мимоза открывает и закрывает свои листья, захлопываются ловушки хищных растений. Есть и такие цветы, которые открываются днем и закрываются ночью, и наоборот.

Перейдя к микроорганизмам, можно тоже подметить движение и тоже найти его химическую «подкладку».

Вот враг бактерий — бактериофаг. У него есть головка и длинная ножка. Он подбирается к своему врагу и впрыскивает ему яд, запасенный в головке. Ножка проделывает при этом движения подобно шприцу: она сокращается, как мышца. Химические реакции заставляют ее сокращаться.

Химическая энергия рождает движение и в макро-и в микромире живого. Была сделана проверка — создали искусственную модель мышечного волокна. Нити из синтетического материала сокращались, когда происходила реакция, похожая на ту, что идет в настоящей мышце. И, наоборот, растягивая нити, получали химические изменения, наблюдали переход механической энергии в химическую.

На стыках наук рождается новое. Если сначала физика и химия стояли отдельно, то в конце концов возникли физическая химия и химическая физика. Биология и химия, объединившись, дали биохимию. Физика, химия и механика дали физико-химическую механику. А теперь, в самое последнее время, рождается механохимия и хемомеханика — науки о превращениях механической энергии в химическую и обратно.

О союзе техники и биологии говорит академик В. Энгельгардт.

«Надо думать, что с течением времени связи между биологией и техникой будут расширяться и углубляться. Ведь живые организмы — это «механизмы» необычайного совершенства. Изучение, познание их секретов — дело увлекательное и важное. Разве не интересно технологу вскрыть природу необычайно эффективных биологических катализаторов? Разве не заманчиво найти способы прямого превращения химической энергии в механическую (как это происходит при работе мышц)? Разве не соблазнительно строить химические соединения, вещества с помощью световой энергии так, как это делает природа при фотосинтезе?

Важнейшая проблема современности — обеспечить продовольствием возрастающее население земного шара. И в первую очередь полноценными белками, Сейчас источником пищи для человека и животных служат растения. Но сельское хозяйство трудоемко и зависит от климатических условий, пока что неуправляемых. А если бы удалось перенести создание пищевых продуктов с полей в цехи заводов — это стало бы настоящим переворотом».

Биология переходит на «молекулярный уровень» — занимается молекулами, ибо там кроются ответы на бесчисленные вопросы. Потому и возникла биохимия, о делах которой мы еще много услышим. Поэтому биология призывает на помощь вместе с химией и физику.

«Мне кажется, что первой проблемой, особенно в будущем, надо считать проблему науки о синтезе живого, об управлении жизненными процессами. В полном объеме эта проблема может быть решена лишь совместными усилиями биологии, физики и химии, принципами и методами, развиваемыми новой пограничной ветвью биологических наук — физико-химической биологией», — говорит академик П. А. Ребиндер.

Так, химия, проникая в тайники живого, расширяет наши представления о веществе, о его круговороте, о превращениях энергии, которые совершаются в природе, в том числе и в нас самих.

ЧАСТЬ III

О САМИХ СЕБЕ

Природа проявила себя искуснейшим химиком, какого только можно себе представить. Великим Химиком… Созданные ею биокатализаторы — ферменты — оставляют искусственные далеко позади. Не имеет себе равных природная химическая лаборатория — клетка. Мозг все же превосходит самую лучшую современную кибернетическую машину, — в нем почти пятнадцать миллиардов нервных клеток выполняют тончайшую, идеально слаженную работу. А всюду здесь химия, всюду белок и нуклеиновые кислоты — основа основ всего живого.