Страница 5 из 43
Несмотря на все трудности, современные Гулливеры от физики и химии добились поразительных результатов в изучении сложных молекулярных структур и их взаимодействий. Вот несколько таких результатов в коротком и вольном пересказе, несколько примеров из многих возможных.
Примеры эти взяты из статей в научных журналах, и в конце каждого нашего рассказа названы авторы работы и ее официальное название.
Пример первый — молекула-самосвал. Скелетная схема молекулы антибиотика валиномицина очень напоминает цветок. В центре — ион калия (К+), его удерживают шесть «натертых шерстью янтарных палочек» — шесть электрических диполей, отростков молекулы, на концах которых сконцентрирован некоторый отрицательный заряд. Такая схема валиномицина соответствует случаю, когда молекула находится в среде со сравнительно высокой концентрацией положительных ионов, в частности ионов калия. Но стоит валиномицину перейти в другую среду, с меньшей концентрацией зарядов, как «цветок» раскроется — у молекулы появится возможность завязать прочные внешние связи, и для этого она пожертвует некоторыми своими внутренними межатомными связями. В итоге произойдет перераспределение электрического заряда в молекуле, исчезнут диполи, удерживавшие ион калия, и он вырвется на свободу. Но когда валиномицин вернется в прежнюю среду, то он вернется и к своей прежней конформации и снова сможет удерживать ион калия, втянув его в центр «цветка» прямо «с улицы».
Подобная конформационная перестройка валиномицина — это не просто виртуозные гимнастические упражнения. Валиномицин — грузовик, он перевозит ионы калия через клеточную мембрану, активно участвуя тем самым в жизнедеятельности клетки, участвуя в таинстве жизни. Хотя сам он, конечно, не более чем транспортная машина, машина-молекула. (Определение конформационной перестройки валиномицина. Академик Ю. А. Овчинников с сотрудниками. Институт биорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР.)
Пример второй — левые и правые машины. «Киральность» — термин старый, однако, кажется, еще не устоявшийся, иногда вместо него пользуются терминами «спиральность», «закрученность», «ручность». Введены эти термины для того, чтобы подчеркнуть, что два совершенно одинаковых, казалось бы, объекта могут иметь особые пространственные различия, быть как бы зеркальными отражениями друг друга. Могут, как принято говорить, иметь разную киральность. У человека две одинаковые руки разной киральности — правая и левая. Здороваясь, мы протягиваем друг другу руки одинаковой (правой) киральности.
Совершенно одинаковые по всем статьям молекулы также могут иметь разную киральность, как, скажем, совершенно одинаковые здания с совершенно одинаковыми, но направленными в противоположные стороны пристройками-флигелями. Эти одинаковые, но, так сказать, направленные в разные стороны молекулы называют понятно и просто — «левыми» и «правыми». Кристаллы из «левых» или из «правых» молекул были изучены еще великим Пастером. Но как поведут себя эти молекулы в жидкой фазе, в растворе, где они смогут свободно двигаться, объединяться или отталкиваться, демонстрировать свои симпатии и антипатии? Ответить на такой вопрос удалось только в самое последнее время, и обнаружилось при этом, что по некоторым важным показателям соединения из молекул одинаковой киральности имеют заметные преимущества перед точно такими же «лево-правыми» соединениями. Отсюда, может быть, начинается путь к объяснению необъяснимой пока тайны живой природы — все живое построено в основном из молекул одной («левой») киральности.
В то же время в неживой природе ни один из двух видов киральности не имеет преимущества. Вполне возможно, что рождение нашего «левого» живого мира — это не более чем результат случайности. В самых первых химических соединениях, ставших основой для зарождения и развития жизни, «левых» молекул оказалось чуть больше. И это в итоге определило победу «левых» соединений над своими «правыми» конкурентами: подобно снежной лавине, разрастался мир «левых» живых организмов, не попавших в гибельный процесс объединения «левых» и «правых» молекул. (Взаимодействия молекул различной киральности в растворах. Академик М. И. Кабачник, доктор физико-математических наук Э. И. Федин с сотрудниками. Институт элементоорганических соединений АН СССР.)
Пример третий — машины-молекулы при сверххолоде. Зажигая спичку или замораживая продукты в холодильнике, вы иллюстрируете один из основных законов химии — закон Аррениуса, который утверждает: скорость химических реакций увеличивается с ростом температуры. Из этого закона следует, что вблизи абсолютного нуля (—273,16 °C) все химические реакции вообще должны прекратиться. Но вот точная теория, расчеты, а затем и эксперименты, сначала качественные и, наконец, количественные, показали: никакого прекращения реакций нет; машины-молекулы, хотя и медленно, но продолжают работать в условиях предельного холода. Продолжают работать вопреки всем законам классической механики, но в полном согласии с «безумными» законами механики квантовой. Эксперименты, кстати, показали, что при сверхнизких температурах могут строиться большие сложные молекулы. А это дает повод думать о «холодной предыстории жизни», о том, что в безжизненном, холодном космосе миллиарды лет могли создаваться полуфабрикаты для будущих «теплых» живых систем. (Исследование химических реакций вблизи абсолютного нуля. Член-корреспондент Академии наук В. И. Гольданский с сотрудниками. Институт химической физики АН СССР; профессор А. Д. Абкин с сотрудниками. Физико-химический институт им. Л. Я. Карпова.)
Одна из особенностей этих трех примеров характерна и для большинства других, которые можно было бы привести, — полученными результатами исследователи во многом обязаны совершенству современных приборов и методов изучения молекул, таких, например, как метод ядерного магнитного резонанса, который позволяет уловить изменение зарядовой плотности на сотые доли процента.
И еще одна особенность, еще одна общая черта всех приведенных примеров. Чтобы яснее увидеть ее, есть смысл вернуться к началу нашего короткого рассказа, как говорят химики, «замкнуть кольцо».
Вполне вероятно, что кто-нибудь захочет подробно описать жизнь Гулливера в Лилипутии атомного века, углубить аналогию между его исследованиями лилипутской техники и нашими исследованиями невидимых машин микромира — атомов и молекул. Сюжет новых похождений знаменитого путешественника можно, разумеется, строить по-разному, но один элемент в него нужно ввести обязательно — нужно, чтобы судьба Гулливера каким-то образом зависела от его исследовательских успехов. Ну, скажем, так. На Гулливера готовится покушение, и чтобы сорвать его, нужно достаточно быстро разобраться в системе подрыва минных полей, окружающих жилище путешественника. Только подобный сюжетный ход может сделать нашу аналогию правдоподобной по самому важному показателю — по значимости результатов, полученных исследователями, потому что с инженерии машин-атомов и машин-молекул начинается точная наука биология, от успехов которой в огромной степени зависят наши урожаи, наше здоровье и долголетие, сама наша жизнь.
Контуры невидимки
Точный физический метод — рентгеноструктурный анализ — помогает расшифровать структуру сложнейших биологических объектов — белковых молекул.
Где-то в середине XVII в. в мире произошло событие, точнее, целая цепочка событий исключительной важности. Они, к сожалению, не вошли в школьные учебники, хотя, нужно думать, повлияли на судьбы цивилизации не меньше, чем восьмой крестовый поход или война Белой и Алой розы. Главный участник этих событий — Антони ван Левенгук из Амстердама, торговец и муниципальный служащий (основная профессия), оптик и натуралист (хобби). С помощью очень сильных самодельных линз — некоторые из них давали увеличение в 300 раз — он увидел живые клетки, бактерии, волокна стебля пшеницы, элементы крови. Одним словом, увидел невидимое.