Физика - моя профессия

Биология Глава 11

…где рассказывается о том, что биологи без физиков жить не могут. Попутно автор выражает свое сожаление, что он не занялся своевременно такой исключительно интересной проблемой, как передача наследственности.

На наших глазах физика начинает занимать и в биологии ведущее положение. Не надо понимать дело так, будто физика завоевывает биологию, а биологов отодвигает на второй план. Ничего подобного не происходит. Просто та наука, которую мы раньше называли биологией, становится физикой, и это подтверждает мысль, что естествознание продолжает перестраиваться и становится на общий фундамент.

Разумеется, перестройка эта подготавливалась постепенно. Уже достаточно давно существовала такая промежуточная область знания, как биологическая физика. Но она была порождена лишь соприкосновением физики и биологии бок о бок. В ней физические приборы и физические методы исследования применялись для исследования биологических явлений на том уровне, который был характерен для биологии.

Положение дел начало резко меняться лишь за последнее двадцатилетие, когда выяснилась возможность обсуждать биологические явления на молекулярном уровне, когда оказалось возможным распространить законы физики, управляющие поведением атомов и молекул, на живое вещество.

С биологами физики стали общаться уже давно. Можно привести пример организованного в начале тридцатых годов Всесоюзного института экспериментальной медицины (ВИЭМ). В состав института входили такие отделы, как биофизика, светобиология, биологическая физическая химия. В этих отделах работало много физиков, но роль их была вспомогательная. Биологи часто беседовали с физиками о возможности применения физических методов для своих целей. Но не более того. Словом, взаимоотношения были дружеские, однако биологи и физики жили скорее как соседи по квартире, а не как члены одной семьи.

После войны биологическая физика начала новую жизнь в стенах Академии наук, и перечень вопросоз, с которыми биологи обращались к физикам, переменился.

Исследователи-«структурщики» стали подбираться к сложным объектам. Методы рентгеноструктурного анализа с успехом решали вопросы взаимного расположения атомов в молекулах, принимающих участие в биологических процессах. Объектом исследования стали и молекулы белков, своего рода «атомы» жизни. Сначала физики научились примерно оценивать их размеры, затем форму, а потом взялись и за выяснение их внутренней структуры.

Электронная микроскопия прогрессировала гигантскими шагами. С каждым годом граница невидимого отодвигалась все дальше; за увеличениями в тысячи раз пошли десятки тысяч, затем и сотни тысяч. На подложку – вроде предметного стекла обычного микроскопа – удавалось поместить не только клетки, но и отдельные их части. Раскрыли свою тайну вирусные частицы, стали непосредственно видны крупные молекулы, из которых они построены.

Разумеется, биологи не могли проходить мимо этих наблюдений. Не все им было понятно: результаты получали физики, а с языком их биологи только начинали знакомиться. Тут-то и возникала нужда в помощи физиков. По старой дружбе часто за объяснениями обращались ко мне, приходилось даже делать доклады по предмету, в общем от меня далекому.

Шло время, и вот несколько лет назад директор Института биофизики Глеб Михайлович Франк пригласил меня на доклад английского исследователя Перутца. Не помню, было это до или после присуждения Нобелевской премии этому ученому за его замечательный титанический труд, продолжавшийся примерно четверть века: им впервые была определена во всех атомных деталях структура молекулы одного из белков.

Я следил за работами Перутца по журналам, но тем не менее было интересно послушать его итоговый доклад. Как я и ожидал, доклад этого скромного, небольшого роста брюнета, по-деловому изложившего свою работу, произвел на слушателей огромное впечатление. Речь шла о том, чтобы найти последовательность в структурных элементах белка; показать, с каким изгибом один элемент следует за другим. А этих элементов в молекуле, которую изучал Перутц, ни больше, ни меньше, как 574. С чем бы сравнить эту задачу так, чтобы почувствовать сложность этого беспримерного труда? Представьте себе запутаннейший лабиринт внутри известной пирамиды Хеопса. Лабиринт состоит из 574 колен, изогнутых и переплетенных самым причудливым способом. И перед вами ставится задача – подробно описать лабиринт, не взламывая пирамиды. Можете простукивать, прослушивать, просвечивать рентгеновыми лучами, словом, исследовать по косвенным признакам.

Мой интерес к работе Перутца был тем более велик,что вся работа производилась теми самыми методами, которые были развиты для таких неживых объектов, как каменная соль, кальцит или нафталин.

Но более замечательным оказалось вот что. В результате работы Перутца, да и вообще всех работ, посвященных изучению структуры биологических объектов, выяснилось, что законы построения биологических веществ ни в чем не отличаются от правил построения объектов неживой природы. Те же расстояния между химически связанными атомами, те же законы припасовки молекул друг к другу. Молекулы соприкасаются на тех же расстояниях и с соблюдением тех же правил упаковки, которые были найдены ранее для простых кристаллов, не связанных с биологией.

Все это еще раз подтверждало непрерывность научного фронта, в которой убедились уже многие ученые. Исследования в, казалось бы, далекой кристаллографии совершенно неожиданно оказались нужным элементом в исследовании структуры белковых молекул. А эта работа, в свою очередь, явилась звеном в цепи проблем, открывающих тайны процессов, протекающих в живом организме.

По мере накопления материала о структуре молекул и укладке молекул в биологически важных объектах крепла уверенность в том, что одинаковыми для живых и неживых объектов должны оказаться не только законы архитектуры, но и законы, управляющие процессами. Становилось несомненным, что все биологические явления окажется возможным описать как процессы перемещения, слияния, разлома молекул тем самым способом, который был разработан физикой для веществ, не имеющих отношения к живому. Структурные исследования не оставляли места для особой биологической субстанции и толкали исследователей на все более смелое подведение физического фундамента под здание биологии.

Не моя цель рассказывать здесь о разнообразных достижениях этого важнейшего направления современной науки. Но чтобы тезис о физике, как основе всего современного естествознания, был воспринят читателем без сопротивления, стоит привести один довольно яркий пример.

Как-то зашел ко мне знакомый биолог, и между нами произошел такой разговор.

– Почему бы вам не заняться нуклеиновыми кислотами? – предложил гость.

– А что это такое?

– Вы про молекулу ДНК слыхали?

– Что-то смутно помню.

– Есть подозрение, что в этой молекуле заложен секрет деятельности клетки.

– Эта молекула – ядро клетки?

– Да нет, она составная часть ядра; я вижу, ваши сведения из биологии довольно скромные.

– Не спорю, напомните, пожалуйста, – ответил я.

– Наш организм построен из клеток, – начал мой собеседник.

– Можете не начинать с азов, – перебил его я. – Это мне, слава богу, известно, и вирховский принцип «клетка из клетки» мне не так давно напомнили наши газеты. Знаю я и то, что клетки бывают разные – клетка мускулов, клетка мозга или печени – все они различаются.

– Очень хорошо. Но чтобы подвести вас к теме нашего разговора, мы должны, напротив, поинтересоваться тем, что является общим для всех клеток.

– Что же это?

– Все клетки напоминают маленькую капсулку с жидкостью. Жидкость заселена самыми разнообразными молекулами и скоплениями молекул, образующих замечательно интересные постройки. Мы еще далеки от понимания функций этих молекул и телец, но уже сейчас ясно, что клетка – это маленькая фабрика, получающая приказы к действию, которые могут приноситься ей либо пришедшими из других частей организма молекулами, либо могут быть переданы по телеграфу нервной системы.

– Но фабрика нуждается в энергии!

– Верно, энергия для работы по выполнению приказов получается клеткой за счет солнечной энергии или пищи.

– Вы знаете, как это происходит? – теперь уже задал вопрос я.

– В общих чертах нам это известно. Но не будем отклоняться от темы. Если вас все это заинтересует, я вам принесу почитать популярные статьи. Сейчас же скажу, что, повинуясь приказам и за счет полученной энергии, клетка способна производить самую различную работу – механическую, химическую, электрическую.

– А умственная деятельность?

– Ну, разумеется, тоже клетки; все бесконечное разнообразие жизненных процессов осуществляется совокупными действиями мириад клеток, из которых построен наш организм.

– Не могу сказать, чтобы мне было все ясно, кроме общих идей.

Биолог засмеялся.

– Поверьте, и мы еще очень далеки от понимания механизма большинства жизненных процессов, но огромным достижением сегодняшней биологии является открытие некоторых общих закономерностей. К ним принадлежит точно установленный факт, что основная работа клетки состоит в производстве разного сорта белковых молекул.

– Я где-то читал о бесконечном разнообразии молекул белков.

– Не совсем так. Хотя клетка производит больше сортов молекул, чем любая пуговичная фабрика сортов пуговиц, типы производимых молекул вполне определенные. Фабрика-клетка работает по разнообразным, но раз навсегда утвержденным чертежам. Так вот, в последние годы мы нашли главного конструктора фабрики. Это особая молекула, которая сокращенно называется ДНК.

– А если полностью?

– Дезоксирибонуклеиновая кислота.

– Пусть уж лучше будет ДНК. Так что же оказалось?

– О, придется произнести еще один длинный монолог. Начальство фабрики заключено в так называемом ядре клетки – ДНК очень длинная молекула. Важной ее особенностью является то, что она построена из кусочков четырех сортов. Я упрощаю, но вы потом разберетесь сами в деталях, а мне хочется рассказать лишь основную идею открытия. Эти кусочки расположены в какой-то определенной беспорядочной последовательности. Теперь идея номер один. План разнообразных действий клетки, передающийся без изменения от клетки к ее бесконечному потомству, возникающему благодаря делениям, закодирован специфической последовательностью расположения этих кусочков.

– Хорошо, но какое же это имеет отношение к производству бесконечно разнообразных белковых молекул?

– А откуда вы взяли, что белковые молекулы бесконечно разнообразны?

– Не помню, но где-то читал.

– В известном смысле это верно, но замечательным является то обстоятельство, что все белковые молекулы построены из двадцати различных элементов. Только двадцати. Опять-таки, располагая эти элементы в разной последовательности, можно получить неисчерпаемое богатство разновидностей молекул, годящихся, так сказать, на все случаи жизни и на все вкусы.

– Рассказывайте про производство белков, вы меня заинтриговали, – попросил я.

– Вы знаете, что такое типографская матрица?

– Конечно.

– Так вот, представьте себе, что вы отлили отдельно каждую строчку. Если будете пытаться совместить одну из строчек с матрицей так, чтобы все выпуклые части вошли в соответствующие впадины, то это удастся сделать только единственным способом, поставив строчку на ее собственное место.

– Ясно.

– Молекула ДНК играет роль такой матрицы, алфавит у нее четырехбуквенный, а число строчек двадцать. Роль строчки в моей грубой схеме играет молекула, которая сокращенно обозначается РНК.

– Можете не называть ее полностью. Продолжайте, пожалуйста.

– Молекула ДНК находится в среде, где имеется достаточное количество ее строительных блоков четырех сортов. Прежде всего ДНК готовит строчки, то есть изготовляет молекулы РНК.

– Вы говорите об этом так, будто речь и на самом деле идет о типографской строчке. А здесь протекает сложнейший химический процесс.

– Я рад, что вы это чувствуете. Я просто не останавливаюсь на химизме явления, а говорю лишь о структурной схеме, – уточнил мой товарищ. – Каждая из строчек – это специализированная молекула РНК, которая способна подцепить один из строительных кирпичей белковой молекулы. После того как молекулы РНК построены, они отправляются на охоту за своими кирпичами белковых молекул, притаскивают их к молекуле ДНК (я опять упрощаю картину, но это не меняет принципиальной стороны дела), каждая строчка находит свое место, и кирпичи белковой молекулы оказываются расположенными в строго определенной последовательности, они соединяются и образуют белковую молекулу.

– Но ведь надо сделать много сортов белковых молекул.

– Совершенно верно, представляйте себе молекулу ДНК не как один лист матрицы, а как большое число листов – каждый лист фабрикует свой белок.

– Потрясающе интересно! Представить себе химический процесс такой степени сложности и происходящий «сам по себе»?! Нет, это, право, поразительно. Я вот думаю сейчас, что на настоящем уровне техники спроектировать автоматическую фабрику даже для производства одного сорта белка и то невозможно. А здесь, в живой материи, в микроскопическом масштабе налажено сложнейшее производство, подчиняющееся приказам извне… Да, звучит, как сказка.

– Вот вы и должны заняться этими вещами и показать, что ничего сказочного в этом нет, – поведение всех этих молекул подчиняется все тем же правилам, которые действуют в простых небиологических системах.

– Ну, знаете, это надо менять свою профессию, а я уж стар для этого.

– Гм. Это уже другой вопрос. Его вы должны решить сами. Я же хотел лишь нарисовать реальную картину, которая сложилась сейчас в биологической науке.

С этими словами мой собеседник-биолог простился и ушел, а я долго еще грыз себя, почему 10–15 лет назад не занялся этими проблемами. Последующее показало, что хорошо мне знакомые, частично развитые мною самим представления о поведении органических молекул переносятся на сложные процессы, протекающие в клетке. Те же правила, те же закономерности, тот же фундамент, общий для физической науки. Действительно, самое главное в схеме – припасовка молекул друг к другу таким образом, чтобы впадина одной и выступ соседней совпадали, – была мною еще в начале сороковых годов обнаружена как непременное свойство всех органических кристаллов. Оказалось, что и в сложных системах то же правило осуществляется не только качественно, но и с соблюдением тех же геометрических соответствий, которые присущи всему миру простых органических кристаллов.

Тщательно исследуется сейчас и энергетическая сторона дела. Показано, что все описанные чудесные процессы происходят с полным соблюдением закона сохранения энергии. Энергия, необходимая для переноса и конструирования молекул, доставляется солнцем или пищей. Таким образом, усложнение против простых химических реакций – столкновений, разломов и соединений молекул – только количественное.

В молекулярной биологии сегодняшнего дня больше загадок, чем решенных проблем. Тем не менее то, что нам известно, показывает с полной несомненностью, что в основе сложнейших процессов жизни лежат физические законы, общие для всех частиц, строящих вселенную.

Только это мне и хотелось подчеркнуть.