В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

Сворень Рудольф Анатольевич

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.

В эти слова — «увидел невидимое» — нужно вдуматься. Они из той же хартии человеческого могущества, что и «поднялся в воздух», «ввел книгопечатание», «изобрел радио», «расщепил атом», «вышел в космос». Именно это «увидел невидимое» прорубило человеку окно в скрытый от него «по условию» огромный и удивительный микромир. Именно с этого «увидел невидимое» начались многие великие достижения современной физики, химии, биологии, медицины.

Невооруженным глазом можно видеть предметы размером до 0,1 мм. Микроскоп позволяет рассмотреть детали с размерами примерно до 0,0002 мм, т. е. до 2000 A (ангстрем), но не меньше: оптический прибор просто не может четко воспроизвести более мелкие детали. Световые волны просто не замечают эту мелочь, огибают ее, подобно тому как морская вода без труда перекатывается через мелкие прибрежные камни. Поэтому дальнейшее продвижение в область невидимого, за рубеж 2000 A стало возможным только потому, что исследователи заменили свет более коротковолновыми потоками (для мелкой ряби на воде и маленький камушек — препятствие) и разработали удивительно остроумные методы прощупывания невидимых объектов невидимым лучом с последующим колоссальным — в десятки и сотни тысяч раз — увеличением «картинки».

Один из таких методов — рентгеноструктурный анализ, созданный трудами многих выдающихся физиков и позволяющий в мельчайших подробностях увидеть детали кристаллов. Сущность метода: на кристалл направляют рентгеновские лучи; детали кристалла — молекулы, атомы — рассеивают их; в пространстве вокруг кристалла образуется сложная волновая картина; там, где рассеянные волны суммируются, появляются так называемые рефлексы — пучки с высокой рентгеновской яркостью; координаты «рефлексов» и их яркость в итоге зависят только от расположения деталей кристалла; измерив яркость и координаты «рефлексов», можно вычислить структуру кристалла, построить его точную модель.

В принципе происходит примерно то же, что и при образовании изображения в микроскопе. И здесь, и там есть источник излучения — в одном случае свет, в другом — рентгеновские лучи. И здесь, и там изображение строится из лучей, которые рассеивает наблюдаемый объект. Но в микроскопе «картинку» строят линзы, а для рентгеновских лучей линз не существует, и их роль берет на себя вычислительная машина. Благодаря очень короткой длине волны рентгеновского излучения — около 1 A — этот метод позволяет увидеть даже отдельные атомы. Более того, с помощью рентгеноструктурного анализа можно получить не плоскую, а трехмерную картину, воспроизвести пространственную структуру кристалла.

Настоящим триумфом рентгеноструктурного анализа стала расшифровка структуры белков, из которых предварительно выращивали кристаллы (для того, чтобы можно было применить рентгеноструктурный метод). Кристаллы эти чрезвычайно сложны, ибо сложны сами белковые молекулы, они состоят из тысяч и десятков тысяч различных атомов. Первые работы по расшифровке структуры белка миоглобина выполнили около 30 лет назад английские биофизики М. Перутц и Дж. Кендрью. Эти работы были отмечены Нобелевской премией, они открыли новую страницу в молекулярной биологии. Уже через несколько лет в лабораториях мира рентгеноструктурными методами был изучен и ряд других белковых молекул.