Мы начали книгу с описания крупных видимых объектов, которые можно наблюдать в повседневной жизни: летящего насекомого, качающегося стебелька, неуклюжего слона. Нам удалось уточнить и расширить наши знания и представления, многое связать воедино и объяснить. Одних вещей мы коснулись лишь вскользь, другие потребовали более серьезного обсуждения; кое-где нам пришлось глубже проникнуть в теорию и от конкретных жизненных понятий перейти к абстракциям.

Теперь нам придется расстаться с привычными представлениями и приготовиться многое осмыслить заново. Мы попытаемся проникнуть в царство молекул. Это означает не просто изменение масштабов, т. е. уменьшение наблюдаемого объекта или мысленное увеличение предмета нашего исследования, это означает прежде всего, что перед нами открывается качественно новый мир — мир микрофизики. Там скрыты корни жизни. Различные особенности живых организмов, которые можно легко заметить, например появление чего-то нового в окраске, форме или манере поведения, связанного с изменением наследственности, возникновение определенных болезней, таких, как рак, заболевания крови и т. д., обусловлены изменением молекул. Это одна из причин того, что молекулярная биология и биофизика приобретают в последнее время все большее значение.

Рассказывают, что один архитектор поручил своим ученикам спроектировать дома и квартиры для людей, совсем не похожих на нас: они ходят на четырех ногах, голова у них сбоку и т. д. Что это, бессмысленная прихоть? Отнюдь нет. Будущие архитекторы должны уметь забывать о привычном, должны обладать способностью отойти от традиции и взглянуть на мир новыми глазами.

Однако тот мир, который теперь перед нами откроется, — это не фантастика, ибо современная физика уже разработала для его описания достаточно точные научные представления и понятия. Но прежде чем вступить в царство молекул, мы должны сдать в архив наш привычный повседневный опыт. Теперь нашими проводниками будут учебники статистической физики и квантовой механики, где изложено все, что известно физикам на сегодняшний день. А они неплохо ориентируются в этой области!

С жадным любопытством вступаем мы в новый мир и нетерпеливо спрашиваем: как выглядит белковая молекула, о которой мы слышали столько удивительного? Правда ли, будто она катализирует процессы преобразования энергии и вещества, переносит электроны, совершает механическую работу и многое другое? Увы, нас ждет разочарование, так как наш первый вопрос лишен смысла: молекула вообще не "выглядит!"

Мы привыкли к тому, что все окружающее можно видеть и как-то описать. У твердых тел мы замечаем цвет, форму и размер, у жидкостей — по меньшей мере, цвет и консистенцию. Мышь серая и имеет хвост длиной примерно 15 см. И хотя есть мыши коричневые и белые, большие и маленькие, окраску и размеры каждой конкретной мыши мы можем установить однозначно. Если вскрыть мышь, то в ее голове мы найдем мозг, который тоже имеет определенные форму, размеры и окраску. Мы обнаружим разные области мозга, а вооружившись лупой, можем отчетливо разглядеть главные нервы. Специальными методами приготовим срезы мозга и рассмотрим их под микроскопом. Мы увидим разветвления нервных волокон и органеллы клеток: ядро, аппарат Гольджи, митохондрии. Чтобы различить последние, нам понадобится сильный микроскоп с 1300-кратным увеличением. Но на этом наши возможности "видеть" кончаются.

Различные устройства обеспечивают разную степень увеличения биологических объектов. Возможности 'видеть', в буквальном смысле этого слова, мы лишаемся уже на уровне оптического микроскопа. Применительно к электронному микроскопу, обладающему самой высокой разрешающей способностью, более подходит понятие 'отображать'

И дело здесь не в оптической промышленности, которая не создала микроскопов с большей разрешающей способностью. Причина кроется в свойствах света, который мы используем для наблюдения. У синего, еще видимого, света длина волны 0,4 мкм. Вблизи этой границы и. лежит максимум разрешающей способности оптического микроскопа. Точно так же как нельзя заточить карандаш топором, невозможно "видеть" объекты, размеры которых меньше, чем длина волны используемого света.

Ну и что же? Ведь всем известно, что существуют электронные микроскопы. Так называют приборы, которые показывают на экране из сульфида цинка во много раз увеличенную картину распределения электронной плотности очень малых объектов. Это досадно, потому что слово "микроскоп" мы привыкли связывать со словом "видеть". А в электронном микроскопе, если пучок электронов преобразовать в световой пучок, нам удается только получить увеличенное изображение на освещенном экране. Тогда в лучшем случае можно сказать, что мы при помощи некой сложной методики отобразили какую-то чрезвычайно мелкую структуру в сильно увеличенном виде. Но о том, чтобы "видеть" ее, не может быть и речи!

Пластмассовая модель клеточной структуры, увеличенной в 10 000 раз. Она наглядна и помогает нам лучше представить реальный объект. Но не следует принимать эту модель за действительную структуру

Может быть, мы просто придираемся к словам? К сожалению, нет. Человек склонен переносить знания, добытые им при изучении одного процесса или объекта, на другие еще не известные ему процессы и объекты, которые он хотел бы исследовать. Сам объект заставляет его исправлять прежние неправильные представления и тем самым обогащает его, расширяет круг его знаний. Ученый, занимающийся молекулярной биологией, "видит" картины, увеличенные в 10 000 или 100 000 раз, видит со всей четкостью и, вероятно, строит на основании этого какие-то осязаемые модели, например из пластмассы. Теперь перед ним модель и, забыв о действительных размерах объекта, он пытается применять известные ему законы физики, скажем первый закон Ньютона: тело сохраняет состояние покоя, если на него не действует никакая сила, изменяющая это состояние. Этот закон, безусловно, правильный, и пластмассовая модель перед глазами биолога лежит на столе совершенно спокойно. Реальная структура, размеры которой в десять тысяч раз меньше, тоже лежала бы очень спокойно, если бы на нее не действовали никакие силы. Но материя не может существовать без движения; эту структуру непрерывно "толкают" со всех сторон колеблющиеся, вращающиеся, движущиеся молекулы окружающей среды, в непрерывном движении находятся и молекулы, из которых состоит сама структура. Модель из пластмассы спокойно стоит на столе, а реальная структура колеблется, вращается и ни минуты не остается в покое.

Используя дифракцию рентгеновских лучей, можно определить внешний вид биологической макромолекулы. Однако этот метод связан с большими трудностями. Пока известны структурные модели только очень немногих молекул

То, что справедливо для очень малых, но все же состоящих из многих молекул объектов, в еще большей степени относится к самим молекулам. Строение молекулы бессилен отобразить даже электронный микроскоп. Для того чтобы получить представление о структуре биологических макромолекул, используют метод дифракции рентгеновских лучей (рентгеноструктурный анализ). У рентгеновских лучей длина волны составляет несколько ангстрем (1 Å = 10-8см), и, следовательно, с их помощью еще можно получить "изображение" молекулярных структур. Узкий пучок рентгеновских лучей, проходя через возможно более тонкий слой макромолекулярного вещества, к примеру белка, дает на фотопластинке картину дифракции, которая непосвященному показалась бы бессмысленной. Места почернения на фотопластинке очень тщательно промеряют и обсчитывают. В результате получают картину распределения плотности электронов в молекуле. Она напоминает карту гористой местности. На основании такой карты физик строит модель молекулы. Здесь речь уже не идет о какой-то зафиксированной, "замороженной" картине, как в случае электронной микроскопии, однако и эта модель не дает нам четкого представления о динамической структуре молекул. И хотя при рентгеноструктурном анализе движение молекул не "замораживается", то, что мы видим, можно считать неким средним значением для очень многих молекул. Таким образом, модель молекулы своей неподвижностью напоминает манекен, застывший в витрине магазина.

Модель молекулы, составленная из полушарий. Такие модели таят в себе опасность вступить на позиции механицизма

Мы должны твердо усвоить: "видеть" молекулу нельзя, о "внешности" молекулы не может быть и речи. Вместо "портрета" молекулы мы получаем ее научно обоснованное описание, которое отнюдь не идентично знакомым нам картинам из видимого и привычного мира макрофизики.

Итак, молекула представляет собой динамическую структуру. Но можно ли, основываясь на модели, полученной в результате рентгеноструктурного анализа, определить хотя бы усредненные размеры и. форму молекулы? Да, конечно, однако и здесь существуют свои трудности. Проще всего их продемонстрировать на примере атомов или ионов, т. е. атомов, которые, потеряв или присоединив то или иное число электронов, несут электрический заряд. Ранее мы уже обсуждали значение этих носителей заряда, в частности ионов натрия и калия, которые имеют положительный заряд и называются катионами. Каков размер иона?

Мы привыкли к тому, что размеры окружающих нас предметов и расстояния между ними можно измерять различными способами. Например, длину спортивной площадки можно либо измерить рулеткой, либо определить с помощью оптического дальномера. В принципе мы можем также заметить время, за которое звук пройдет измеряемый отрезок, а затем, зная скорость звука, рассчитать длину отрезка (примерно так, засекая момент вспышки молнии, а затем раската грома, на основании разницы во времени определяют в грозу отдаленность разрядов). И хотя в зависимости от применяемых методов точность измерения длины площадки будет различной, результат измерений всегда окажется одинаковым.

Однако сейчас нам следует забыть наш повседневный опыт. Он не подтверждается на молекулярном и атомном уровнях. Если мы определим радиус иона разными методами, то получим совершенно различные результаты. Рассмотрим следующий пример. В кристалле поваренной соли ионы натрия и хлора "упакованы" в строгом порядке, как елочные шары в коробке. С помощью рентгеноструктурного анализа можно очень точно установить расстояние между центрами ионов. В результате мы получаем так называемый кристаллический радиус иона; например, у натрия он составляет 0,95 Å.

Теперь попытаемся измерить размеры иона другим способом. Когда шар проходит через жидкость, его скорость зависит от величины действующей на него силы, вязкости жидкости и радиуса шара. Если ионы поместить в раствор между двумя электродами, они будут двигаться в электрическом поле. Этот процесс называют электрофорезом. Скорость движения ионов можно определить, зная электрическое сопротивление раствора. Вязкость воды тоже известна. Таким образом, можно рассчитать радиус иона. С удивлением мы обнаруживаем, что для того же иона натрия радиус равен 1,85 Å, т. е. вдвое больше кристаллического радиуса. Что это, ошибка измерения? Ничего подобного. Просто мы измерили совсем другой параметр. Его называют гидратационным радиусом. Ион притягивает воду и движется, облаченный в водяную рубашку. И следовательно, "ошибка" заключается в том, что в этом случае мы как бы измеряем диаметр елочного шара, завернутого в бумагу. В действительности дело обстоит гораздо сложнее, ибо ионы не новогодние шары и у них нет твердой поверхности. Даже если в очень грубом приближении можно представить ядро и электроны как материальные точки, то ион в целом следует рассматривать как область действия сильнейших электрических полей. Что же тогда мы измеряем?

Какое размер иона? К иону не приложишь штангенциркуль, Здесь можно определить только эффективные радиусы или диаметры, т. е. параметры, измеряемые в совершенно конкретных условиях

Нам просто пора привыкнуть рассматривать величины как "эффективные" параметры, т. е. значения, измеряемые в совершенно конкретных условиях, как это было показано на примере определения кристаллического и гидратационного радиусов. Для биологических систем важен именно гидратационный радиус. Ведь в живых системах ионы находятся в водной среде и поэтому окружены водяной рубашкой. Но эта водяная рубашка не имеет никакой четкой границы, подобно тому как нигде не обрывается резко атмосфера Земли. И хотя эффективный гидратационный радиус удается определять очень точно, с хорошей воспроизводимостью результатов измерений, тем не менее не стоит рассматривать его как некую абсолютную величину.

Чтобы пояснить эту мысль, рассмотрим следующий пример. До сих пор остается не совсем ясным, каким образом клеточная мембрана обеспечивает избирательную проницаемость для различных ионов. В предыдущей главе мы говорили о том, что калий проходит через мембрану гораздо легче, чем натрий. Для объяснения этого эффекта в свое время была выдвинута так называемая "теория ионного сита", которая сейчас вновь привлекает внимание исследователей. Первоначальная идея выглядела очень простой и даже механистической.

Если представить мембрану в виде плоскости с отверстиями (порами) определенной величины, а ионы как шары соответствующего диаметра, то вся структура в делом будет напоминать сито, с которым дети играют в песочнице. Но ионы — это не обычные отполированные шары, а отверстие диаметром в несколько ангстрем нельзя сравнить с тем, которое оставляет сверло в куске фанеры. Мы уже отмечали, что размеры ионов характеризуются эффективными величинами; то же справедливо и для пор. И если попытаться нарисовать мир молекул более реально, то картину диффузии ионов через мембрану можно описать следующим образом: мелкие частицы проходят через маленькое отверстие, конечно, легче, чем более крупные, но в отличие от твердого шара диаметром, скажем, 4,3 см, который при всем желании не протолкнуть через отверстие диаметром 4,1 см, ион с гидратационным диаметром 4,3 Å может пройти через пору с эффективным диаметром 4,1 Å, если приложенная к нему сила достаточно велика. На основе этих представлений вместо теории избирательной проницаемости (по принципу "все или ничего"), оказавшейся ошибочной, была разработана теория частичной проницаемости (по принципу "больше или меньше").

Так схематически можно изобразить избирательную проницаемость мембраны для ионов с позиций 'теории ионного сита' в ее механистическом представлении. Малые по размерам ионы калия проходят через отверстия, а ионы натрия в толстой водяной рубашке — нет. Знакомство с физическим смыслом понятия 'размер иона' показывает ограниченность этой теории

Итак, нет таких нелепых вопросов, которые не научили бы нас чему-нибудь. Если теперь мы поняли, почему нельзя видеть молекулы и ионы, если мы хоть что-то узнали об этих мельчайших частицах вещества, составляющих все живое, то первую нашу экскурсию в таинственный мир молекул можно считать успешной. Правда, наши познания, которые можно было бы применить к биологии, еще так малы, что нам придется продолжить путешествие в микромир.

Теперь мы займемся новой проблемой — движением материи. Как мы уже говорили, хотя и можно построить модель молекулы, которая будет спокойно лежать перед нами на столе, реальная молекула находится в непрерывном движении. Как оно происходит? Каково его значение для наших рассуждений?

Начнем опять с самого наглядного — модели, взятой из повседневной жизни. Ввинтим в потолок крючки в произвольном порядке, но не слишком далеко друг от друга и подвесим к ним на тонких нитях бильярдные шары так, чтобы они висели на одинаковой высоте достаточно близко друг к другу, но не соприкасаясь. Закроем двери и окна, чтобы никакое движение воздуха нам не мешало, и подождем, пока шары не перестанут раскачиваться. Вот теперь и начнем эксперимент. Сильно толкнем один из шаров в произвольном направлении. Шар не улетит далеко, вскоре он столкнется с соседним шаром. Бильярдные шары изготовляют из качественной древесины, поэтому их соударение будет упругим. Под упругим в физике понимают такой удар, когда импульс полностью передается от одного тела к другому:

При упругом ударе импульс одного тела передается другому. Это легко увидеть на примере бильярдных шаров. Шар, который первоначально двигался и произвел удар, останавливается, а шар, получивший удар, приходит в движение

Если бы первый шар не висел на нити, подобно маятнику, он сразу бы остановился. То, что он продолжает раскачиваться, безусловно, некоторый недостаток нашей модели, но им можно пренебречь. В любом случае второй шар, приобретя тот же импульс, что имел первый, будет двигаться до тех пор, пока не столкнется со следующим шаром. Итак, первоначальный импульс передается в нашей системе от одного шара к другому. Но не всегда происходит прямое попадание. Часто два шара сталкиваются так, что импульс передается от одного к другому лишь частично. Легко представить, что очень скоро в движение окажутся вовлеченными все шары нашей системы.

Как долго оно будет продолжаться? Это зависит от массы шаров и толщины нитей. Однако в какой-то момент обязательно наступит покой: шары перестанут раскачиваться и неподвижно повиснут на нитях. Но куда же пропала энергия? Ведь она не может бесследно исчезнуть! В то же время ее нет. Точный термометр покажет нам, что температура в комнате (конечно, при условии ее идеальной термоизоляции) слегка повысилась. Механическая энергия превратилась в тепло. Это произошло из-за движения воздуха, а также потому, что шары не являются абсолютно упругими, а обладают некоторой пластичностью.

Теперь настало время, задуматься, в чем смысл этого эксперимента. Что он означает? Какие выводы отсюда можно сделать? Молекулы, атомы, ионы, из которых состоит воздух в комнате, подвижны. Они движутся, сталкиваются, обмениваются друг с другом импульсами. Таким образом, мы получили грубую модель молекулярной системы, правда двумерную, в плоскости, параллельной потолку комнаты. Подобно тому как маятники двигались в плоскости, молекулы могут двигаться в трехмерном пространстве. Однако нам следует твердо усвоить, что молекулы не миниатюрные бильярдные шары, не тела с твердой и гладкой, четко очерченной поверхностью. И все-таки при соударении молекулы ведут себя как обычные макроскопические тела, хотя в случае молекул "сталкиваются" не твердые поверхности, а электрические поля, которые и вызывают силы отталкивания.

Если в механической системе один шар сталкивается с другими, импульс 'путешествует' по системе. При центральном ударе импульс передается полностью, при боковом — возникает рикошет: ударяющий шар, передав партнеру часть импульса, отклоняется от первоначального направления движения. Через небольшой промежуток времени все шары системы приходят в движение

Остановимся на этом вопросе поподробнее. Итак, хотя молекулы и атомы нельзя уподобить бильярдным шарам, они соударяются аналогично последним и передают импульс другим молекулам. Но, чтобы не попасть впросак, мы должны быть предельно осторожными, пытаясь перенести макрофизические явления в микромир. Прежде всего интересно выяснить, приходят ли через некоторое время молекулы, подобно бильярдным шарам, в состояние покоя? Как мы уже говорили, часть энергии бильярдных шаров в описанном ранее эксперименте затрачивается на то, чтобы привести в движение воздух. Когда речь идет о молекулах, это движение не играет роли, ибо молекулы — мельчайшие частички вещества, и они колеблются не в воздухе, а в вакууме. Если же молекулы находятся в растворе, то их можно рассматривать как некую "смесь" шаров различного типа, одни из которых представляют растворенное вещество, а другие — растворитель. В растворе молекулы растворенного вещества обмениваются импульсами как между собой, так и с молекулами растворителя; никакого препятствия, подобного воздуху между бильярдными шарами, для них не существует.

А как обстоит дело с потерей энергии, обусловленной пластичностью? Хотя в буквальном смысле нельзя говорить о пластичности молекул, определенное изменение состояния молекулы при ударе в принципе возможно. Молекула может двигаться в том или ином направлении, вращаться вокруг собственной оси, могут также вращаться ее отдельные части или внутри нее возникать колебания. В худшем случае часть молекулы может даже отделиться. С каждым из этих движений связаны соответствующие формы энергии, которые можно рассматривать как составные части общей кинетической энергии молекулы.

Почему в отличие от бильярдных шаров молекулы не нагреваются? Просто потому, что понятие теплоты здесь не совсем применимо. Теплота, температура — это понятия макрофизики. Теплота есть проявление кинетической энергии системы, включающей в себя множество молекул. Горячее тело состоит из чрезвычайно энергично движущихся и сталкивающихся частиц, а в холодном теле движение таких частиц замедлено. В системе с бильярдными шарами энергия движения шаров за счет трения и неупругих соударений превращалась в тепловое движение молекул, а в мире молекул энергия их движения и есть, собственно, теплота. И если теплоту не отводить от молекулярной системы, молекулы будут двигаться бесконечно.

С поступательным, т. е. тепловым, движением молекул, как и с другими видами их движения, связан целый ряд физических вопросов. Эти вопросы интересны и с биофизической точки зрения, однако мы коснемся только некоторых из них. Могут ли скорости поступательного движения, вращения или колебания молекулы меняться непрерывно, подобно тому как меняются скорости движения макротел? Конечно, нет! Это также одна из особенностей микрофизики. Благодаря открытию Макса Планка стало известно, что в микромире энергия может изменяться только отдельными порциями, квантами, которые неделимы. Можно, например, взвесить 1 кг сахара; 1 г; 1/100 г, или, что то же самое, 10-2 г; 10-4 г; 10-8 г и т. д. Однако это "и т. д." имеет свой предел. Если бы мы захотели взвесить 10-22 г, т. е. 0,0000000000000000000001 г, нам пришлось бы дробить молекулу сахара, и из этого ничего бы не вышло, ибо разрушенная молекула сахара — уже не сахар.

Аналогично обстоит дело и с энергией. Когда речь идет о движении макроскопического тела, его энергия выражается таким большим числом квантов, что уменьшение или увеличение этой энергии на один квант измерить нельзя. Следовательно, величина энергии большого тела изменяется практически непрерывно. С достаточно хорошим приближением сказанное справедливо и для поступательного движения отдельных молекул. Однако при других видах движения молекул, таких, как вращение и колебание, непрерывное изменение энергии невозможно. В этих случаях изменение энергии на один квант уже приводит к значительному изменению скорости движения. С изучением таких процессов связано целое направление биофизики, так называемая квантовая биофизика, которая охватывает вопросы фотосинтеза, природы зрения, действия излучений на вещество и т. д.

А теперь рассмотрим еще один вопрос. Длинную молекулу можно сравнить с цепочкой, каждое звено которой подвижно. Что произойдет с такой цепочкой при хаотическом тепловом движении? Если на молекулу не действуют никакие дополнительные силы, она закручивается в беспорядочный "статистический клубок". Каковы размеры такого клубка при данной длине цепочки и насколько ее концы удалены друг от друга? Как ведет себя такой клубок при движении?

Представим себе длинную линейную молекулу, состоящую из химически связанных между собой атомов. Углы между отдельными связями остаются постоянными, хотя сама связующая ось искривлена. В результате хаотического теплового движения эта молекулярная цепочка может достаточно сильно перекрутиться (А). Наиболее вероятное состояние молекулы при таком случайном движении — 'статистический клубок' (Б)

Опять новые вопросы! Пожалуй, нам грозит опасность безнадежно запутаться в лабиринте науки. А этого бы не хотелось. Так будем верны нашему правилу — рассматривать не все, а лишь самое главное, самое интересное. Мы, хотя и не без некоторых усилий, усвоили основные законы микрофизики, тонкости, присущие миру молекул. Мы узнали много удивительного, трудно постижимого.

Какая же картина предстала перед нами? Отсутствие четких границ у молекул и ионов, их непрерывное движение и взаимное превращение, сравнимое с постоянно волнующимся морем, — какой-то хаос! В этом хаосе возник и существует "космос" жизни — микрокосм биологической организации! Как это произошло? Этот вопрос зародился столь же давно, как и способность людей сознательно мыслить, но до сих пор его нельзя считать окончательно решенным. Как же возникла жизнь из хаоса, как могла она сохраниться?

В молекуле белка строительные кирпичики (аминокислоты) следуют друг за другом в определенном порядке. Эту последовательность аминокислот называют 'первичной структурой' белка. (Символами обозначены отдельные аминокислоты: например, Гли — глицин.)

Мы знаем, что жизнь в высшей степени связана с упорядоченностью и организацией. В строгом порядке выстроены аминокислоты — кирпичики, из которых состоит белок. Их порядок, или, выражаясь языком молекулярной биологии, последовательность, определяет функцию белка, например его высокоспецифическое действие как фермента, т. е. катализатора биохимических реакций совершенно определенного типа. Если последовательность таких кирпичиков нарушится, фермент будет так же мало пригоден к работе, как телевизор, собранный обезьяной.

Итак, аминокислоты связаны между собой настолько прочно, что тепловое движение молекул не в состоянии их перемешать. Но ведь должны же они где-то соединяться друг с другом? "Сборочным цехом", где создаются белковые молекулы, являются рибосомы. Здесь по твердому плану — точной копии с наследственного вещества, хранящегося в кладовой каждой клетки — клеточном ядре, одна аминокислота "сшивается" с другой. На деталях этого процесса мы не будем подробно останавливаться. При желании читатель может в этом разобраться, обратившись за помощью к какой-либо из множества книг по молекулярной биологии. Здесь же для нас важно уяснить, что упорядоченность рождается упорядоченностью. В определенных случаях биологическая организация способна защититься от хаоса, сохранить упорядоченность и передать ее по наследству.

Невольно напрашивается вопрос, как возникла такая упорядоченность. Конечно, умение скопировать план конструкции и построить ее в полном соответствии с этим планом — большое мастерство. Но насколько сложнее разработать такие планы!

Синтез белковой молекулы Б осуществляется на рибосомах. Порядок расположения элементов наследственного вещества, представленный его копией — молекулой мРНК, определяет последовательность аминокислот в белке. Различные аминокислоты показаны символическими значками. Маленькие молекулы тРНК доставляют к соответствующему коду на мРНК нужные аминокислоты и 'пришивают' их на рибосоме к образующейся белковой молекуле

В настоящее время у нас уже сформировались достаточно обоснованные представления о том, как благодаря изменчивости и отбору мог появиться план анатомически-морфологического строения организма, как возник первый строительный план.

Путь перехода от неорганической молекулы к органической без участия живых организмов нам сейчас уже в основном ясен. Благодаря космическим полетам удалось обнаружить следы органических соединений и за пределами Земли. Это ознаменовало первый успех в научном объяснении возникновения жизни. Но даже если представить себе целое море органических молекул, например аминокислот, остается непонятным, как появился первый белок, первая молекула, способная к размножению. На карте наших знаний здесь до сих пор простирается огромное белое пятно. По-видимому, нам еще не известны какие-то важные закономерности, ибо создание "разумной" последовательности аминокислот вряд ли могло быть случайностью. Жизнь тогда была бы в высшей степени невероятным явлением.

Теперь остановимся на борьбе жизни с хаосом, борьбе биологической упорядоченности с тепловым движением молекул. Всегда ли тепловое движение ведет к разрушению? В принципе — да, ибо случай творит то, что наиболее вероятно, а самое вероятное — это неупорядоченность. Каждый может в этом убедиться. Достаточно набрать горсть кубиков, а затем бросить их. Очень редко случается так, чтобы один кубик аккуратно лег около другого! А упадут ли хоть раз рядом друг с другом три кубика? Такая упорядоченность, добиться которой в состоянии даже двухлетний ребенок, если и может возникнуть случайно, то лишь с ничтожнейшей вероятностью. Впрочем, это уже положение второго начала термодинамики, о котором мы говорили в предыдущей главе.

Но всегда ли хаотическое движение молекул действительно враждебно жизни? Дальше мы убедимся, что такое движение отнюдь не играет роли лишь разрушающего фактора в различных проявлениях жизни — без теплового движения молекул жизнь вообще была бы невозможна. А затем мы попытаемся решить вопрос: можно ли обуздать случай?

Броуновское движение мельчайших частиц, видимых под микроскопом. Если мы проследим за такой частицей, то обнаружим, что она движется абсолютно хаотически

Начнем с наглядного примера. Правда, наглядно только то, что можно видеть, а, как мы уже знаем, само понятие "видеть" на микромир не распространяется. Однако некоторые микрофизические явления можно наблюдать даже с помощью оптического микроскопа.

Полтора столетия назад английский естествоиспытатель Роберт Броун заметил, что частички пыльцы движутся в жидкости очень своеобразно. Даже в препаратах, где жидкость находится в покое, можно наблюдать непрерывное хаотическое движение отдельных частиц во всех направлениях: вперед — назад, вверх — вниз. Легко убедиться, что это явление, позднее названное броуновским движением, вовсе не связано с какими-то особыми свойствами биологического объекта. Мельчайшие частицы грязи, оказавшиеся среди живой пыльцы, также свободно взвешены в жидкости и движутся столь же беспорядочно. В начале нашего столетия Альберт Эйнштейн дал теоретическое объяснение этому явлению и разработал метод точного его расчета.

Мельчайшая частица — спора гриба, пыльцевое зерно, крохотная бактерия или частица пыли — находится в жидкой среде; Со всех сторон она подвергается бомбардировке молекулами жидкости, которые находятся в состоянии теплового поступательного движения (так мы его назвали). В какой-то момент времени сумма ударов, или, как говорят в физике, импульсов, получаемых нашей малой частицей, не равна нулю, они не полностью взаимно уничтожаются. В результате наша частица движется поступательно в некотором направлении. Однако в следующий момент векторная сумма импульсов выглядит уже совершенно иначе. Тогда частица движется в другом направлении. Так направление ее движения непрерывно меняется — то туда, то сюда. В итоге частица остается на одном и том же месте, хотя и совершает колебания в пределах определенного радиуса действия. Как установил Эйнштейн, этот радиус действия тем больше, чем меньше частица, чем выше температура и чем меньше вязкость среды, в которой находится частица. Большие частицы получают такое количество толчков, что последние взаимно уничтожают друг друга, и частица почти не смещается. Как говорится, у семи нянек дитя без глазу.

Причиной броуновского движения являются толчки, вызванные тепловым поступательным движением молекул. Отдельные импульсы складываются, как показано на векторной диаграмме. Суммарный вектор обозначен жирной стрелкой

Остановимся на явлении броуновского движения молекул. Очевидно, не только отдельные молекулы, но и подталкиваемые ими мельчайшие составные части клеток находятся в непрерывном движении. Теперь попытаемся исследовать роль этого движения в жизни клетки.

Обратимся к реальной жизни. Прекрасным воскресным утром яхтсмен поднимает парус, отталкивается от причала и, воспользовавшись свежим попутным ветром, отплывает в море. Сила и направление ветра в течение дня изменяются, тем не менее благодаря своей ловкости и морской удаче яхтсмен к вечеру снова возвращается к причалу. Как это ему удалось при совершенно случайно меняющемся ветре? Ведь мяч, брошенный в то же время на волю ветру и волнам, уже давно скрылся где-то вдали! Совсем не обязательно быть яхтсменом, чтобы ответить на этот вопрос. У яхты есть руль, киль и подвижный парус. Она может идти под различными углами к направлению ветра и даже против него. Но для этого уже требуется некоторое умение. Это умение, или, говоря научно, хранящаяся в голове яхтсмена информация, способно обуздать слепой произвол ветра; яхтсмен может направить лодку в любом направлении и даже против ветра, используя при этом его же силу.

Попробуем найти параллель этому в живой клетке. Клетки кишечника поглощают питательные вещества. Мелкие молекулы этих веществ без труда проникают сквозь клеточную мембрану, а крупные попадают внутрь за счет того, что мембрана выгибается и образует вокруг молекулы крохотный пузырек. Клетка как бы "пьет"; этот процесс называют пиноцитозом. Пузырьки путешествуют по клетке и, дойдя до ее противоположной стороны, исчезают — вещество поглотилось клеткой. Какая же сила толкает эти "продуктовые посылки"?

Сейчас не без оснований предполагают, что частицы путешествуют в клетке, подгоняемые "ветром броуновского движения молекул". Правда, это движение не так изящно и свободно, как скольжение парусника по водной глади. Вероятно, в клетке проложены своего рода "рельсы" — внутренние ограничивающие плоскости, которые препятствуют движению пузырьков в нежелательном направлении. Пока это не известно точно, но, по-видимому, в тех местах, где питательные вещества должны использоваться, существуют специальные рецепторы, захватывающие частицы. Если же пузырек "приплывает" в неподходящее место, он не задерживается здесь, а отправляется дальше. Такое бесцельное странствование продолжается до тех пор, пока пузырек наконец не попадет к нужному адресату — рецептору, который схватывает и перерабатывает содержимое пузырька. Это, конечно, не самый быстрый метод доставки, но он надежен и "недорог", ибо "оплата" производится за счет теплового движения.

Так схематически можно представить механизм движения пиноцитозного пузырька по клетке. От места возникновения MB он странствует по клетке, участвуя в хаотическом броуновском движении, до тех пор пока не попадет к рецептору Р и не растворится

Но что же тогда означает "искусство плавания", "управляющая информация"? Это "адрес", по которому направлена "посылка", и умение распознать нужного адресата. Соответствующая информация заложена в пузырьке, и она представляет собой не что иное, как специфическую структуру белка, т. е. обусловлена опять-таки исходной наследственной информацией.

Можно было бы привести еще много примеров действия подобных механизмов в клетке. Но нам важен принцип. Итак, биологическая функция = энергия хаотического теплового движения + биологическая информация!

До сих пор не удается подсчитать и выразить эту информацию численно. Долгое время полагали, что "бит", взятый из теории информации, мог бы служить наиболее пригодной мерой информации. Однако это ожидание не оправдалось. Предлагаются различные пути решения этой проблемы, но каких-либо удовлетворительных результатов пока получить не удалось.

Таким образом, бесцельное поступательное движение молекул, хаос теплового движения, не обязательно вредит жизни, он включен в сам принцип функционирования живого и даже является необходимой предпосылкой для протекания большинства жизненно важных процессов.

Особенно показательна в этом отношении эволюционная теория Дарвина. Мы достаточно слышали о мутациях, обусловленных наследственными повреждениями. Мутации — это резкие скачкообразные изменения наследственного кода. К ним относятся замена, потеря или изменение основания в цепочке молекулы ДНК, возможно даже изменение целых хромосом. Как правило, большинство мутантов нежизнеспособны и не обнаруживаются в популяции в целом. Но многие мутации, проявляющиеся в нарушении строения тела или функции, очень заметны.

Причиной мутации, как правило, служат случайные события. И хотя при этом роль теплового движения не велика и изменение структуры молекул происходит в основном за счет действия квантов высокой энергии, например космического излучения, тем не менее и здесь в биологический порядок вклинивается случайность. Нельзя позволить этому явлению восторжествовать, ибо оно уничтожит любую биологическую организацию. Поэтому побеждают организмы, обладающие различными механизмами защиты, которые предохраняют организм от воздействия подобных случайностей. Однако со времен Дарвина известно, что без постоянной изменчивости и последующего отбора биологическая эволюция вплоть до человека была бы невозможна.

Мутант: вторжение случайности микрофизического хаоса в генетическую упорядоченность жизни. Изменения, происходящие на молекулярном уровне, проявляются во внешнем виде растения. Дарвиновская теория эволюции была бы немыслима без мутаций

Вернемся снова к тепловому движению молекул. Приведенный выше пример броуновского движения слишком специален и кажется притянутым за уши. Мы воспользовались им лишь потому, что он достаточно нагляден и, кроме того, показывает, что тепловое движение присуще не только молекулам, но и телам, видимым даже в обычный оптический микроскоп. Броуновское движение представляет собой хорошую модель любого молекулярного движения.

Вообще говоря, само движение молекул много важнее и интересней. Оно является причиной переноса вещества в самом широком смысле слова. Вещество может транспортироваться, возникать из другого вещества или превращаться в другое вещество.

Рассмотрим такой пример. Каждому известно, что в горячем чае сахар растворяется гораздо быстрее, чем в холодном. Любая химическая реакция при более высокой температуре протекает быстрее. Почему? Потому что любое преобразование вещества, любой процесс растворения является результатом столкновения молекул. Чем выше температура, тем чаще происходят столкновения, тем быстрее протекает реакция.

Остановимся на процессе растворения сахара в чае. Огромное множество молекул сахара, произвольно расположенных в куске, непрерывно атакуют молекулы воды. Непрерывно, ибо процесс растворения продолжается без остановки вплоть до последней молекулы сахара. Даже когда растворение идет медленно, каждую секунду чрезвычайно большое число молекул переходит из кристалла в раствор.

Что же это за числа, которые мы называем "чрезвычайно" большими? Известно, что один моль (грамм-молекула) вещества содержит 6⋅1023 молекул — это 6 с 23 нулями. Чему равен моль? Молем принято обозначать количество граммов вещества, равное его молекулярной массе, а молекулярная масса — это, грубо говоря, число, показывающее, во сколько раз данная молекула тяжелее атома водорода. Если известна химическая формула вещества, то его молекулярную массу легко рассчитать с помощью таблиц. Молекула воды (Н2О) в 18 раз тяжелее водорода, следовательно, 18 г воды составляют 1 моль и содержат 6⋅1023 молекул. Такое же число молекул находится в 342 г сахара. Теперь мы получили представление о том, что подразумевается под "чрезвычайно" большим числом молекул.

Итак, огромное множество молекул воды постоянно атакует сахар и даже при самом медленном растворении колоссальное количество молекул сахара переходит в раствор. Что означает при таких больших числах увеличение или уменьшение на один порядок?

Сейчас на Земле живет порядка 109 человек. По сравнению с 1023 молекул, содержащихся в одном моле, это мало. Однако, если рассчитать, сколько людей рождается и умирает за одну минуту во всем мире, то получится так много, что можно говорить о почти непрерывном рождении или смерти. Если взять большой промежуток времени, то эта величина может составить население большого города.

Мельчайшие биологические структуры, отделенные от окружающей среды мембранами. Сколько молекул вещества они могут вместить? Можно ли здесь еще применять заимствованные из 'обычной' химии понятия, такие, как концентрация, вязкость, значения рН и т. д

Теперь попробуем сузить круг лиц, например до 30-40 человек, которые составляют круг наших знакомых; тогда рождение или смерть будет уже исключительным событием. Таким образом при переходе от большого числа к малому мы одновременно перешли от непрерывности к отдельному статистическому результату.

Так и в молекулярной биологии большое число 1023 становится маленьким, если мало интересующее нас пространство. Встречаются структуры диаметром меньше 1 мкм. Вспомним митохондрию, маленькую клеточную органеллу, отделенную от цитоплазмы клетки двойной мембраной, — энергетическую станцию клетки с очень сложной системой ферментов, и остановимся на ней подробнее. Функционирование ферментов в митохондрии зависит от многих условий. Особую роль играет величина рН, характеризующая кислотность среды. Если внутренняя среда митохондрии нейтральна, количество ионов водорода в ней равно количеству гидроксильных ионов и составляет 107 грамм-ионов на 1 л, иначе 10-7 моль/л. Как нам теперь известно, в 1 моле содержится 6⋅1023 молекул (атомов или ионов), т. е. в 1 л нейтрального раствора присутствует 6⋅1016 ионов Н+.

Для простоты предположим, что объем митохондрии равен 1 мкм3, или 10-15 л. В таком случае в этой органелле плавает не больше 6⋅1016⋅10-15 = 6⋅101 = 60 ионов водорода. Итак, из очень большого числа получилось маленькое! Что такое 60 ионов, если от того, вступит ли хотя бы один из них случайно в химическую реакцию с молекулой фермента в нужный момент и в нужном месте, зависит биологический процесс? Разве может быть гарантирована непрерывность функционирования, "надежность" работы митохондрии? В такой высокоорганизованной системе, как биологическая, отводить большую роль случаю, конечно же, нельзя.

И здесь мы сталкиваемся с фундаментальной проблемой биологии. В первой главе нас интересовало, почему слон не может быть еще больше, а мышь еще меньше. Ответить на эти вопросы можно было с помощью макрофизики и физиологии. Теперь мы можем спросить, почему не могут быть еще мельче клетки, одноклеточные, бактерии?

По-видимому, этот вопрос действительно связан с борьбой за надежность функционирования системы. Если бы клетка была слишком маленькой, то концентрации молекул в ней или отдельных ее участках оказались бы настолько малыми, что вероятность случайного столкновения молекул, вступающих в химическую реакцию, стала бы слишком низкой и соответствующие химические реакции протекали бы очень медленно. Клетка должна быть достаточно велика, чтобы иметь возможность противостоять случайным флуктуациям теплового хаоса. В этом случае за промежуток времени, необходимый для осуществления какого-либо биологического процесса, с достаточной надежностью будет происходить нужное число случайных столкновений молекул.

Итак, в игру вступает время! Его роль мы уже отмечали на примере со статистикой населения. Можно с уверенностью утверждать, что именно в данную минуту, не позже чем секундная стрелка наших часов сделает полный оборот, в мире родится по крайней мере один ребенок. Однако такое утверждение несправедливо, если мы будем рассматривать только одну какую-либо страну. Если же промежуток времени увеличить до одного часа или дня, то и в последнем случае надежность нашего утверждения значительно повысится.

Вернемся к молекулярной биологии. Если вероятность удачного столкновения в маленьком объеме мала, надо выбрать больший интервал времени. Обобщая, можно сказать так: более мелкие клетки должны быть более медлительными. Таким образом, в мире молекул существует определенная взаимосвязь между пространством и временем.

Конечно, было бы любопытно поближе познакомиться с пространственно-временными соотношениями. Как мала и насколько быстро действует та или иная система? Что нам известно о реакциях, которые могут протекать в столь малых пространствах? Химики тщательно изучили реакции in vitro, т. е. в пробирках. Нерешенные вопросы остаются и здесь, но многое известно уже достаточно хорошо. В растворе находится огромное множество молекул и ионов. Они равномерно перемешаны и хаотически движутся.

Другое дело — клетка. Она практически целиком состоит из перегородок и заключенных между ними мельчайших капиллярных пространств. Эти перегородки очень хорошо "продуманы". Они устроены примерно так же, как клеточные мембраны, о которых мы уже говорили. На большинстве перегородок располагаются белковые молекулы. Они несут заряды. Другие молекулы, находящиеся между ними, тоже электрически заряжены. Эти заряженные молекулы притягивают ионы, которые образуют более или менее плотный слой. Создается так называемый двойной слой положительных и отрицательных зарядов. Между электрическими зарядами возникает электрическое поле огромной силы; полагают, что его напряженность достигает 10 млн. В/см (вольт на сантиметр). Именно такая напряженность необходима для того, чтобы ионизировать молекулы, не разрывая их. Эти поля воздействуют на молекулы с большой силой. Они выравнивают заряженные молекулы и поляризуют незаряженные.

Мы почти ничего не знаем о биологическом действии этих полей, но можем предполагать, что они являются оружием жизни в борьбе с хаосом. Хранящаяся в ДНК информация определяет структуру белков и их расположение относительно друг друга, создает электрическое поле, сдерживающее хаос. Здесь царит порядок, который нельзя видеть даже с помощью электронного микроскопа, но который нам нужно как-то оценить. Чтобы рассчитать электрические поля даже для самых гладких металлических электродов, например сделанных из ртути, мы вынуждены прибегать к помощи ЭВМ. Что касается биологических поверхностей, структура которых в основном не известна, то пока здесь можно лишь высказывать догадки.

Конечно, в микромире для нас представляют загадку не только электрические поля. Многие физические понятия, такие, как вязкость, поверхностное натяжение, упругость и даже температура, имеют смысл только для больших систем. Но они теряют его, когда речь идет о малых и мельчайших системах, неоднородных, или функционирующих неравновесных, системах. Можно ли вообще говорить о температуре биологической системы? Этот вопрос кажется весьма странным, и тем не менее до сих пор он остается без ответа. Температура, как скажет физик, это свойство "канонической (однородной) совокупности" частиц, которая выравнивается благодаря взаимным соударениям между ними. В биологической системе такого выравнивания, вероятно, никогда не происходит, продукты реакции перебрасываются от одной молекулы к другой под влиянием внутренних электрических полей. У каждой частицы своя собственная "температура".

Однако это уже из области предположений. Подобная экскурсия в мир фантастики оправдана только в том случае, если она пробуждает в нас стремление к новым критическим исследованиям. Данный вопрос относится к разряду тех многих нерешенных проблем, которые стоят перед специалистами в области молекулярной биологии, но которые могут быть решены лишь в содружестве с учеными, занимающимися квантовой механикой и статистической физикой.