Наука и удивительное

Последовательность состояний, о которой мы здесь говорим, мы называем «квантовой шкалой», или «квантовой лестницей». Она устанавливается путем постепенного увеличения передаваемой энергии. На первой ступеньке этой лестницы вещество состоит из атомов, представляющих собой индивидуальные единицы; их внутренняя структура неизменна и жестка, а сами атомы Движутся, как бильярдные шары. На следующей ступеньке атомы распадаются на электроны и ядра, и теперь уже эти частицы оказываются индивидуальными единицами, неизменными и жесткими. На третьей ступеньке ядра распадаются на протоны и нейтроны; здесь единицами вещества являются протоны, нейтроны и электроны.

Существование квантовой лестницы позволило постепенно раскрыть строение неорганической материи. Исследуя явления при энергиях атомных порядков, мы не должны заботиться о внутреннем строении ядер, а изучая механику газов при обычных температурах, мы можем не интересоваться внутренним строением атомов. В первом случае мы можем считать ядра одинаковыми и неизменными единицами, т. е. элементарными частицами, во втором случае теми же свойствами обладают атомы. При этом наблюдаемые явления как бы упрощаются, и мы можем понять их, не зная внутренней структуры компонент, которые ведут себя как инертные единицы.

Квантовую лестницу можно продолжить и в сторону более низких энергий. Если охладить газообразный натрий до очень низких температур, то атомы натрия выстроятся правильными рядами, кристаллизуясь в металл натрий. В других веществах ступенька, находящаяся ниже атомной, еще интереснее. В большинстве веществ отдельные атомы существуют только при очень высоких температурах, характерных для пламени. При обычных температурах большинство атомов (но не атомы натрия, лития или неона) соединяется в группы и образует молекулы, которые находятся на следующей, более низкой ступеньке нашей квантовой лестницы. Они представляют характерные индивидуальные единицы; порог их устойчивости ниже, чем у атомов, вследствие большего размера молекул. Молекулу легче разложить на атомы, чем расщепить атом на ядро и электроны.

Интересно проследить за аналогичными явлениями на различных ступеньках квантовой лестницы. Мы наблюдаем, например, выделение энергии при соединении атомов в молекулы — химическое горение — и выделение энергии при слиянии маленьких ядер в большие — ядерное горение. Это два вида горения, очень несходные по количеству выделяемой энергии, но подобные в принципе; одно из них происходит на молекулярном уровне, другое — на ядерном.

Еще ниже на квантовой лестнице находятся макромолекулы; они представляют собой комбинации ряда особым образом расположенных обычных молекул. При известных условиях макромолекулы собираются в виде больших единиц, которые обладают удивительнейшими свойствами, — о них мы будем говорить более подробно в следующей главе. Это та ступень квантовой лестницы, на которой находится жизнь.

Последняя и низшая ступень занята веществом, находящимся при очень низкой температуре. Почти все вещества кристаллизуются при достаточном охлаждении; при этом их молекулы или атомы располагаются в правильном порядке. Тепловое движение исчезает, и устанавливается полный порядок, порядок совершенной неподвижности.

Когда мы достигаем самых низших ступенек квантовой лестницы — макромолекул и кристаллов, соотношение между размером и устойчивостью следует применять с некоторыми предосторожностями. Так как макромолекулы и кристаллы очень велики, можно подумать, что они крайне неустойчивы. Однако здесь неустойчивость, которая следует из соотношения размер — устойчивость, относится только к несущественным свойствам этих объектов. Например, макромолекулы не обладают жесткостью, их можно изгибать и складывать с очень небольшой затратой энергии; в кристаллах можно возбуждать внутренние колебания, затрачивая весьма малые энергии, — такие колебания возникают при действии обычных звуковых волн. Однако важные структурные свойства подобных объектов, например атомная структура макромолекул или правильное расположение атомов в кристаллической решетке, вполне устойчивы. Такие свойства определяются электронными конфигурациями атомов, и, следовательно, их устойчивость равносильна устойчивости электронных конфигураций в атомах.

Каждая ступенька на квантовой лестнице отвечает состоянию материи при определенных условиях (рис. 49).

Рис. 49. «Квантовая лестница».

Чем ниже ступенька, тем выше организация и дифференциация материи. Каждый шаг вниз по лестнице позволяет материи приобретать специфические формы, которые становятся тем разнообразнее, чем ниже мы спускаемся. На самой высшей ступеньке, о которой мы только что говорили, протоны, нейтроны и электроны движутся совершенно беспорядочно. На ближайшей более низкой ступеньке, в плазме, протоны и нейтроны находятся в упорядоченном виде в ядрах, но электроны по-прежнему находятся в беспорядочном движении. Еще ниже электроны присоединяются к ядрам и образуют атомы; они принимают свои типичные волновые конфигурации, характерные для атомов.

На следующей, более низкой ступеньке атомы соединяются в молекулы. Появляется широкая дифференциация, существует бесчисленное множество способов соединения атомов в молекулы, каждый соответствует появлению определенного вещества. На уровне макромолекул разнообразие еще больше: на этой ступеньке появляется живая материя в ее самых различных формах и с ее широчайшими возможностями. Обмен энергией достаточно мал для существования крупных комплексов молекул, клеток и организмов, но в то же время достаточно велик для стимуляции роста и развития этих объектов. На самой низшей ступеньке все разнообразие, любая дифференциация застывает, образуя неизменные картины закристаллизовавшегося вещества.

Элементарные частицы

Есть ли на квантовой лестнице ступенька, находящаяся выше состояния с отдельными протонами и нейтронами? Ответ на этот вопрос приводит нас к границе современной физики элементарных частиц.

Вспомним, что для разложения атомного ядра нужны энергии порядка многих миллионов электроновольт. Современные исследования в области высоких энергий не остановились на этом пределе. За последние 10 лет были построены ускорители, на которых достигались энергии во много сотен миллионов электроновольт. На некоторых устройствах удалось преодолеть даже миллиардный рубеж. В Женеве усилиями четырнадцати европейских наций был построен ускоритель, дающий 28 миллиардов электроновольт. Аналогичное несколько большее устройство работает в Брукхэвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде.

Основное назначение этих устройств уже не состоит в изучении структуры ядра. Скорее на них изучается строение нейтронов и протонов. Здесь сделан шаг на следующую, более высокую ступеньку квантовой лестницы. Ставится вопрос: существует ли предел устойчивости нуклонов, есть ли такая энергия, выше которой становится заметным внутреннее строение протонов и нейтронов? Мы исследуем природу самих элементарных частиц. Вследствие очень малых размеров этих единиц мы ожидаем весьма высокого предела устойчивости, значительно более высокого, чем для атомных ядер. Действительно, достаточно было применить энергии в несколько сот миллионов электроновольт, чтобы были найдены указания на внутреннюю структуру.

При воздействии на вещество столь больших энергий наблюдаются явления, которые до сих пор еще не совсем понятны. Они показывают, что нуклоны обладают структурой, но мы не знаем как следует, что это за структура. В нашей книге мы ограничимся кратким описанием таких явлений, не особенно вдаваясь в их детали.

При этих энергиях наблюдаются явления и факты, которые можно отнести к четырем группам. Перечислим их:

1. Образование квантов ядерного поля — мезонов.

2. Существование антивещества.

3. Появление «странных» частиц.

4. Короткое время жизни частиц.

Первое явление мы можем объяснить довольно хорошо. В качестве свидетельства творческой изобретательности человеческого разума укажем, что японский физик Юкава еще в 1935 г. предсказал существование этих мезонов до того, как они были открыты на опыте. Его теоретические рассуждения до сих пор остаются верными. Протон и нейтрон, рассуждал он, служат источниками ядерных сил, которые удерживают нуклоны в ядре. Поле ядерных сил окружает протон и нейтрон таким же образом, как электрическое поле окружает электрон. Электрон излучает свет, если он испытывает внезапный толчок и приводится в движение. Часть электрического поля как бы отторгается и распространяется в виде световых лучей, или, как мы теперь установили, в форме световых квантов. Аналогичным образом мы полагаем, что часть ядерного поля тоже отторгается при ударе нуклона с высокой энергией. Мы ожидаем найти ядерное излучение, кванты которого аналогичны световым.

Юкава предсказал существование этих квантов поля; исходя из свойств ядерных сил, он даже рассчитал минимальную энергию, необходимую для испускания такого кванта. Иными словами, он предсказал предел устойчивости протонов и нейтронов. Если протон или нейтрон испытывают столкновение с энергией, превышающей несколько сот миллионов электроновольт, то во всех направлениях испускаются мезоны — рождаются кванты поля ядерных сил. Такие кванты называют π-мезонами, чтобы отличать их от других частиц, которые тоже носят название мезонов. Испускание π-мезонов — это один из самых поразительных эффектов, наблюдаемых при очень высоких энергиях[47].

Вторая группа фактов особенно удивительна. В 1930 г. английский физик-теоретик П. А. М. Дирак предсказал существование антиэлектрона, позитрона, и его предсказание было вскоре подтверждено Карлом Д. Андерсоном, нашедшим позитрон в космических лучах. Мы уже говорили об этой частице, рассматривая радиоактивность; позитрон испускается вместе с нейтрино, когда протон превращается в нейтрон. Антиэлектрон почти тождествен обычному электрону, но имеет противоположный заряд (положительный) и противоположные магнитные свойства. Но интереснее всего следующее: если антиэлектрон (позитрон) сталкивается с обычным электроном, то происходит нечто вроде взрыва, и обе частицы исчезают. Они взаимно аннигилируют, и энергия, заключенная в их массе, превращается в свет. Наоборот, при достаточной энергии свет также может при известных обстоятельствах преобразоваться в пару электрон — позитрон; таким образом, электроны и позитроны могут создаваться за счет чистой энергии. Масса одного электрона отвечает энергии в полмиллиона электроновольт. Следовательно, создание одной пары электрон — антиэлектрон требует энергии, не меньшей 1 Мэв.

Атомы содержат не только электроны, но и ядра, которые в свою очередь состоят из протонов и нейтронов. Возникает вопрос: существуют ли антипротоны и антинейтроны? Поскольку массы нейтронов и протонов очень велики, для создания такой пары, частица — античастица, потребуется значительно большая энергия, чем для создания пары электрон— позитрон; она должна достигать нескольких миллиардов электроновольт. Когда в Беркли была построена установка на 6 Бэв (рис. 50), физики всего мира с беспокойством ожидали результата решающего опыта — существует ли антипротон?

Рис. 50. Бэватрон в Беркли.

Ответ был утвердительным. То, что протон и нейтрон имеют античастицы, было показано Сегре, Чемберленом, Вигандом и Ипсилантисом. Тем самым было установлено, что все частицы, из которых состоит вещество, имеют своих антидвойников. Это открытие доказало, что существует антивещество, состоящее из антипротонов, антиэлектронов и антинейтронов. Если антивещество придет в соприкосновение с обычным веществом, начнется взрывная аннигиляция. Антипротоны и протоны взаимно аннигилируют, и большое количество энергии, заключенной в массе, перейдет к разлетающимся квантам ядерных сил, мезонам. Вот почему антивещество никогда не встречается на Земле, если только оно не произведено на наших установках. Оно может существовать только до момента соприкосновения с обыкновенным веществом.

Перейдем теперь к третьей группе высокоэнергетических явлений, к появлению странных частиц. Когда протоны или нейтроны бомбардируют частицами очень высоких энергий, они иногда превращаются в частицы нового типа, называемые гиперонами. Гиперон обладает большей энергией, чем протон, и может рассматриваться как более высокое квантовое состояние протона. Атом тоже можно перевести в более высокое квантовое состояние, сообщая ему необходимый добавок энергии. Однако положение здесь не так уж просто: образование гиперонов всегда сопровождается одновременным рождением κ-мезонов, которые, по-видимому, тоже являются квантами ядерного поля, но обладают большей энергией, чем π-мезоны. Физики все еще только стремятся понять смысл этого явления.

Четвертая группа наблюдений характерна для физики высоких энергий. Все недавно открытые частицы: π-мезон, κ-мезон, гипероны — неустойчивы. Они имеют очень короткое время жизни, существуя около одной миллиардной доли секунды или даже меньше, а потом превращаются в другие частицы. Например, квант ядерного поля, π-мезон, живет только 10-8 сек. После этого он превращается в пару электрон — нейтрино. Положение здесь осложняется тем, что в этой паре мы имеем не обычный электрон, а тяжелую его разновидность с массой, примерно в 200 раз превышающей массу обычного электрона. Его принято называть μ-мезоном, но такое название не очень удачно, так как мезоны суть кванты поля, а тяжелый электрон — это обычная частица.

Сам тяжелый электрон живет 10-6 сек, после чего он претерпевает новое превращение. Он превращается в нейтрино с одновременным испусканием пары электрон — нейтрино. Таким образом, я-мезон кончает тем, что превращается в электрон и три нейтрино[48].

Природа этих странных превращений еще не ясна, но они кажутся взаимосвязанными. Краткость времени жизни частиц здесь обманчива. В условиях, существующих в ядрах, миллиардная доля секунды— это очень большой промежуток времени. В конце концов, естественным интервалом времени в ядре можно считать, например, тот промежуток времени, за который нуклон проходит сквозь ядро под действием ядерных сил. Такой промежуток времени гораздо короче одной миллиардной доли секунды, он составляет около 10-22 сек. Следовательно, неустойчивость новых частиц — это слабый эффект, и он указывает на какое-то специфическое слабое взаимодействие. Распад этих новых частиц очень похож на радиоактивный распад нейтрона в протон. В обоих случаях участвуют нейтрино. Объяснение этих явлений и их взаимосвязи — основная проблема современной физики[49].

Наивысшая ступень квантовой лестницы оказывается наиболее загадочной. Если мы поймем связанные с ней, но пока не объясненные явления, то нам удастся ответить на еще более фундаментальные вопросы: почему вещество состоит только из частиц трех видов: протонов, нейтронов и электронов?

Почему существует только одна элементарная единица заряда — заряд электрона, равный по величине и противоположный по знаку заряду протона? Почему любая вновь открытая частица всегда имеет заряд, просто равный или равный, но противоположный по знаку, заряду электрона?

И наконец, следует задать еще один вопрос: если мы изучим и объясним явления на наивысшей ступеньке квантовой лестницы, можно ли будет подняться на следующую ступень? Только дальнейшее исследование природы позволит когда-нибудь ответить на этот вопрос. Надо продолжать поиски, и тогда мы сможем получить ответ.

ГЛАВА VIII

ЖИЗНЬ

Молекулы жизни

В предыдущих главах мы пытались выяснить строение вещества. Мы изучали атомы, ядра и различные комбинации атомов в молекулы. Условия на Земле таковы, что большинство атомов находится в характерных для каждого атома низших квантовых состояниях и соединяется в молекулы. Поэтому мы и находим на Земле так много веществ с точно определенными свойствами: минералы, металлы, вода, воздух и т. д. Но таких условий нет на поверхности Солнца. Там температуры столь высоки, что молекулы не могут существовать. Они будут немедленно разорваны на атомы. Поэтому мы должны ожидать, что на Солнце есть только элементы и нет молекул и что все находится в виде горячих паров. Среда, окружающая нас на Земле, к счастью, значительно более разнообразна, так как мы живем среди самых различных веществ, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Природные материалы и химические вещества инертны и неактивны. Они изменяют свою форму и химический состав только под влиянием внешних причин: воздух движется в результате нагревания Солнцем, вода — под действием ветра или силы тяжести, твердые тела — под влиянием механических или химических воздействий, таких, как ветер и непогода, химические процессы инициируются нагреванием и охлаждением, вызванным Солнцем и атмосферными факторами, а также потоком тепла из земных недр. В качестве примера укажем на ущелье, покрытое валунами, по которому течет река (рис. 51).

Рис. 51. Покрытое валунами ущелье, по которому течет речка.

В ложе ущелья встречаются куски породы самых разных размеров — от малых зерен до больших валунов; форма их зависит от того, что с ними происходило, пока их нес поток с какой-нибудь разрушающейся горы. Каждый валун состоит из маленьких кристалликов, строение и твердость которых определяются свойствами двуокиси кремния — вещества, из которого состоит большинство горных пород. На поверхности кусков породы видны следы химических реакций с кислородом воздуха, с водой потока или с дождевой водой. Однако при всем разнообразии объектов, при всех свидетельствах изменений, смещений вверх и вниз, непрерывных химических воздействий именно покой есть то свойство открывающейся нам картины, которое производит на нас наибольшее впечатление. Ничто не движется, кроме журчащей воды, когда-то поднятой в атмосферу в результате испарения и теперь гонимой вниз в зеленую долину под действием силы тяжести. Порыв ветра может переместить крупинки песка или перекатить с места на место несколько камушков, но это чисто механическое движение, которое не затрагивает внутреннюю структуру материи.

Однако на Земле существует и нечто другое, что вызывает изменение и движение и представляет совсем иную форму проявления материи. Куда мы ни посмотрим, мы везде увидим жизнь. Явления жизни никак не укладываются в те рамки, в которых может существовать обычное вещество, состоящее из атомов и молекул. Живая материя не инертна и не пассивна. Она растет, размножается, движется по земле, в воде и в воздухе, ее активность, по-видимому, предопределяется внутренними, а не внешними причинами. Живые объекты обладают характерными формами, сильно отличающимися от форм всех объектов, состоящих из обычной материи. Формы и размеры живых объектов воспроизводятся и повторяются и очень мало зависят от случайных условий в окружающей их среде. Существует очевидная единица живой материи — отдельный организм. Имеет вполне определенный смысл говорить о 1000 бактерий, о 1000 розовых кустов, о 1000 львов; эти единицы значительно крупнее естественных единиц материи — молекул.

Химический анализ показал, и в этом нет ни тени сомнения, что живые объекты состоят из тех же атомов, что и неживые. В самом деле, живая материя состоит в основном из четырех элементов: углерода, кислорода, водорода и азота; она содержит также и следы других элементов: железа, фосфора и магния, Нет ни малейших указаний на то, что в живой материи присутствует какое-либо специфическое вещество или что в ней иные законы взаимодействия между атомами.

Таким образом, явления жизни должны быть результатом обычных взаимодействий между атомами и молекулами, конечно, весьма специфическими молекулами, которые отличаются своим сложным строением от молекул неживого.

Сейчас мы еще очень далеки от того, чтобы полностью понимать, как взаимодействие этих молекул может порождать жизнь. Однако в последние два десятилетия биологи выполнили столько новых исследований молекулярного строения живых систем, что мы и сейчас уже можем составить представление о том, что происходит в живом веществе. Современные успехи, достигнутые в понимании жизни, следует считать одним из крупнейших достижений науки, сравнимых с работами Ньютона и Максвелла и с тем, что дала квантовая механика. Живые структуры имеют для нас особый интерес не только потому, что наш организм состоит из живой материи, но и потому, что иные формы жизни составляют наиболее существенную часть окружающей нас среды.

Жизнь существует во многих формах. Рассмотрим сначала простую форму жизни — бактерию[50] (фото VI).

Она имеет в длину около 25 стотысячных сантиметра, вытянута наподобие сосиски и состоит из оболочки со студнеобразным содержимым. Такая единица называется «клеткой». Для того чтобы понять существенные черты живого объекта, сравним его с неживым объектом примерно той же формы, например с пластмассовой оболочкой в форме колбаски, наполненной каким-то студнеобразным веществом, вроде желатина или жира. Стенки и содержимое такого макета должны быть однородными; они должны состоять из множества тождественных молекул одного сорта. Молекулы пластмассы образуют оболочку, молекулы желатина или жира — содержимое макета. Однако в клетке ситуация значительно сложнее, а дифференциация несравненно шире. Единицы, из которых построено вещество клетки, представляют собой сложные комбинации целого ряда молекул, так называемые макромолекулы. В одной клетке содержится не один и не два сорта таких макромолекул, а не менее пяти тысяч, причем каждый сорт имеет свою строго определенную специфическую структуру.

Но эта сложность еще не составляет основного различия между живым и неживым. Поместим оба объекта — пластмассовый мешочек с жиром или желатином и настоящую бактерию — в так называемый питательный раствор, т. е. в раствор сахара, фосфата и аммиака. Пластмассовый мешочек изменится очень незначительно. Немного содержимого мешочка может просочиться сквозь оболочку наружу, а немного раствора может попасть внутрь. Бактериальная же клетка изменится весьма сильно: она будет расти, внутри оболочки образуется больше макромолекул. Молекулы раствора просочатся в клетку сквозь ее оболочку, там они разложатся, и составляющие их атомы перестроятся в новые макромолекулы. Если этот процесс продолжится еще некоторое время, произойдут еще более странные вещи. Клетка разделится на две части, и каждая часть начнет расти сама по себе. В конце концов, когда израсходуется весь питательный материал, все сравнительно простые его молекулы — сахар, фосфат, аммиак — превратятся в сложные макромолекулы клеток. Это и есть процесс жизни.

В основном в клетке содержатся макромолекулы двух сортов — белки и нуклеиновые кислоты. Большая часть клетки состоит из белков; нуклеиновых кислот в ней значительно меньше, но они играют чрезвычайно важную роль.

Начнем с описания белков. Это большие единицы, макромолекулы, построенные из молекул аминокислот того же типа, что и описанные в гл. VI. Аминокислоты нанизаны, как бусины на струну, одна за другой; они как бы выстроились по прямой в ряд; число таких бусинок часто достигает 1000. Здесь мы встречаемся с типичным свойством жизни макромолекул. Они представляют собой цепи из более мелких единиц, расположенных во вполне определенном порядке, — длинные цепи, в которых одна молекула следует за другой.

Порядок чередования этих единиц очень важен. В белках мы находим 20 видов аминокислот. Они имеют свои названия, например глицин, аланин и т. д., но мы будем называть их просто буквами алфавита: а, 6, с и т. д.; всего нам понадобится 20 букв. Теперь мы можем описать белок, перечислив его аминокислоты в том порядке, в каком они расположены (рис. 52).

Рис. 52. Строение белка. а — упрощенная схема различных аминокислот; крючки с одной стороны символизируют карбоксильную группу, крючки с другой — аминогруппу; крючки зацепляются друг за друга и связывают аминокислоты; б — цепь аминокислот; в и г — эти цепи изображены линиями; в — волокнистый, или фибриллярный, белок; его цепи свиваются наподобие волокон веревки; г — глобулярный белок, его цепи свернуты в клубок.

Любое расположение букв, например с, f, m,u, a, d и т. д., определит некий белок. Для описания очень больших молекул белка понадобятся тысячи букв. Имеется бесчисленное множество способов расположения 20 различных видов аминокислот в ряд из 1000 членов. Каждому расположению соответствует один определенный белок. Мы можем получить представление о том, насколько велико число возможных белков, если напомним, что 1000 букв занимает около двух третей книжной страницы. Каждый способ заполнения этих страниц буквами, независимо от того, образуют ли они осмысленные и бессмысленные слова, отвечает другому белку.

Белки, находимые в живой материи, — это лишь малая часть всех возможных белков. Они содержат только «осмысленные» комбинации аминокислот, используемые в структуре и химии клетки. Они отвечают тексту, состоящему из содержательных фраз. Но все же число возможных белков огромно. Например, белки, входящие в состав кожи человека, различны у каждого индивидуума. Поэтому нельзя пересаживать кожу от одного человека другому, кроме тех случаев, когда они однояйцевые близнецы.

Бактериальная клетка — одна из простейших живых единиц, и поэтому она содержит значительно меньшее число белков. В ней «только» 5000 различных видов белков. Они во многих отношениях различны. Одни из них негибки и похожи на волокна; они служат материалом для клеточной стенки, для внутренних мембран и перегородок (эти белки похожи по своему строению на белки кожи человека). Другие белки гибки настолько, что длинные аминокислотные цепи спутаны в клубки. Они называются глобулярными белками и способны перемещаться; из них состоит почти все студнеобразное содержимое клетки.

Глобулярные белки химически активны; как мы увидим далее, они могут участвовать в химических реакциях, нужных для процесса роста. Для таких специальных целей нужны сложнейшие механизмы, вот почему некоторые белки являются такими сложными комбинациями молекул.

Перейдем теперь к макромолекулам второго типа — к нуклеиновым кислотам. Они представляют только малую, но, как мы увидим, наиболее существенную часть клетки. Важнейшая нуклеиновая кислота — это дезоксирибонуклеиновая, сокращенно ДНК (фото VII).

ДНК также представляет собой линейную последовательность отдельных единиц, расположенных одна за другой. Но эти единицы уже не аминокислоты, а молекулы, называемые нуклеотидами. Существует только четыре сорта таких молекул: цитозин, гуанин, тимин и аденин. Здесь нас не интересуют детали их строения; они содержат атомы углерода, азота, кислорода и фосфора. Назовем их просто Ц, Г, Т и А. Элементы, или единицы, цепи, образующие макромолекулу ДНК, на самом деле несколько сложнее. Это пары нуклеотидов. Звеньями такой цепи служат пары Ц с Г и А с Г.

Из-за расположения пар нуклеотидов лучше, быть может, описывать нуклеиновые кислоты как лестницы, а не как цепи (рис. 53).

Рис. 53. Схематическое изображение молекулы ДНК. а — четыре звена ее цепи; б — лестница без скручивания; е — истинная форма скрученной винтовой лестницы.

Каждая ступенька лестницы — это одна из пар. Небезразлично, какой из нуклеотидов пары находится с правой и какой с левой стороны ступеньки. Поэтому существует четыре сорта ступенек: ЦГ, ГЦ, ТА и АТ; они следуют друг за другом во вполне определенном порядке, характеризующем дезоксирибонуклеиновую лестницу. Кроме того, эта лестница закручена в спираль, так что вся молекула выглядит, как винтовая лестница, в которой каждой ступенькой является пара нуклеотидов. В живых клетках эти молекулы имеют огромную длину — они содержат от десяти до ста миллионов пар нуклеотидов в ряд. В клетке спирали все свиты в плотный клубок. Размотав клубок, мы увидим, что в бактериальной клетке полная длина винтовой лестницы достигает сантиметра, а в клетках человеческого тела — нескольких метров (фото VIII).

Здесь надо остановиться и подумать. Мы встретились с молекулярной структурой длиной в несколько сантиметров или метров, т. е. с объектом макроскопического размера, столь же большим, как и предметы на нашем письменном столе. А ведь это одна-единственная молекула. Конечно, она столь длинна, так как состоит из огромного числа нуклеотидов; каждая пара нуклеотидов очень мала, так же мала, как и обычная неживая молекула, длину которой мы считаем примерно равной 10-7 Но если выстроить в ряд 10 или 100 миллионов таких пар, то мы получим уже макроскопические размеры.

Есть известный смысл в том, что поддержание жизни требует столь длинных молекул. Мы покажем это в дальнейшем более подробно. Пока же удовлетворимся тем, что подчеркнем колоссальное число различных возможных вариантов расположения молекул в ДНК. Мы уже видели, каким огромным числом способов можно построить белковую цепь из 1000 бусинок (аминокислот), если имеется 20 типов бусинок.

В случае ДНК мы имеем только 4 типа звеньев, но всего их может быть 10—100 миллионов! Важно понять, что ограничение числа типов до 4 (вместо 20 у белков) уменьшает число возможных расположений, но не очень сильно. Это уменьшение с избытком перекрывается значительно большим числом звеньев. Вместо 20 букв мы теперь имеем только 4. Но можно записать текст, пользуясь только двумя буквами, как, например, в азбуке Морзе, где применяются только тире и точки. Конечно, для этого требуется в среднем по три или четыре знака на букву, и, следовательно 1000 сигналов будет отвечать только одной пятой части страницы. Однако в молекуле ДНК (помимо того, что имеются четыре, а не два символа) содержится от 107 до 108 ступенек, в несколько тысяч раз больше, чем в белке, что соответствует книге в 1000 или в 10 000 страниц. Поэтому число возможных способов построения молекулы ДНК так же велико, как и число возможных расположений букв (в осмысленном и бессмысленном порядке) в книге, состоящей не менее чем из 10 000 страниц!

Мы скоро увидим, что это разнообразие связано с разнообразием жизни, что расположение четырех типов пар в молекуле ДНК и есть та книга, которая говорит клетке, что ей делать и как развиваться. Остается только узнать, как прочесть эту книгу.

Химический процесс жизни

Вернемся теперь к тому, что мы назвали процессом жизни, — к росту бактериальной клетки и ее делению на две новые при погружении в питательный раствор сахара, фосфата и аммиака: Этот процесс наиболее интересен и загадочен.

Молекулы сахара и аммиака очень просты. Поэтому в бактериальной клетке должен существовать механизм, способный выполнять два процесса: во-первых, строить 20 видов аминокислот и 4 нуклеотида из сахара и аммиака и, во-вторых (этот второй этап значительно труднее), соединять аминокислоты в правильном порядке, обеспечивающем образование тысяч различных белков и точное повторение нуклеиновых кислот в процессе деления.

Первое задание — производство «бусинок» — выполняют, как мы уже упоминали, некоторые белки клетки. Эти белки обладают способностью разлагать молекулы питательного раствора после того, как они просочились сквозь оболочку, и переставлять образовавшиеся атомы так, чтобы они превратились в аминокислоты или нуклеотиды.

Второе задание — расположение бусинок в правильном порядке, обеспечивающем получение новых белков или новых нуклеиновых кислот, — выполняется при участии длинных цепей из нуклеиновых кислот.

Детали этого механизма известны не особенно хорошо. Он очень сложен и поэтому требует так много чрезвычайно сложных белков и нуклеиновых кислот. Основные принципы этого механизма были открыты только в последние два десятилетия. Мы попытаемся представить их в несколько упрощенном виде.

Для этого процесса необходимо одно — энергия. Когда образуются аминокислоты и когда они присоединяются друг к другу, нужна энергия, чтобы поставить их части на правильные места и связать их должным образом.

Рассмотрим процесс получения энергии. Молекулы сахара, находящиеся в питательном растворе, в который погружена бактерия, содержат энергию. Мы знаем, что при сжигании сахара может освободиться много энергии в виде тепла, если он превращается в углекислоту и воду. Но в данном случае тепловую энергию никак нельзя использовать, потому что она сводится к беспорядочному тепловому движению, которое нельзя применить для целеустремленного создания молекул. В гл. VI мы говорили, что специальным способом можно превратить энергию горения из тепла в энергетические квантовые состояния некоторых молекул. В клетке это осуществляют определенные специфические белки. Они способны притягивать молекулы сахара к своей поверхности. Здесь молекулу сахара вынуждают распасться на группы атомов, которые белки перестраивают так, чтобы получилась углекислота и вода. Этот процесс эквивалентен «горению». Что же происходит с энергией, освобождаемой при таком процессе? Белок притягивает к себе молекулы другого рода, которые держатся близ распадающегося сахара. Эти молекулы (всегда присутствующие в клетке) называются аденозинтрифосфатами или сокращенно АТФ. Они могут находиться в двух квантовых состояниях: одном с большей и другом с меньшей энергией — и поэтому служат хранилищами энергии, извлеченной из сахара. Как только сахар «сжигается» белком, молекулы АТФ переходят в высшее квантовое состояние. Если для молекулярного синтеза в клетке где-либо потребуется энергия, молекула АТФ направится туда и отдаст свою энергию, переходя обратно в состояние с более низкой энергией[51].

Носители энергии АТФ имеют еще одно преимущество. Они несут очень малые количества энергии. Энергия, освобождаемая при сгорании одной молекулы сахара, распределяется примерно между 40 молекулами АТФ. Энергия разменивается, так сказать, на мелкие монеты и легче распределяется между всеми нуждающимися в ней.

Теперь мы переходим к следующему вопросу: как молекулы и макромолекулы присоединяются друг к другу в клетке? Начнем с бусинок, образующих белковые цепи, т. е. с аминокислот. Все атомы, содержащиеся в аминокислотах, можно найти в питательном растворе; все они есть в молекулах солей, сахара и аммиака. Эти молекулы проникают в клетку через поры ее оболочки. Поэтому требуется только разложить простые молекулы питательного раствора и сложить их части так, чтобы образовались аминокислоты. Этот существенный шаг также осуществляют белки. Определенная группа специфических белков производит определенный тип аминокислоты, в результате чего получается весь набор требуемых аминокислот. Белки этой группы обладают свойством притягивать нужные молекулы питательных веществ и с помощью энергии, поставляемой АТФ, перетасовывать атомы до тех пор, пока из них не полупится должная аминокислота. Это получается следующим образом: когда белок встречает сахар и аммиак, атомы последних присоединяются к белку под известными углами. Эти углы таковы, что атомы, однажды присоединившись, вынуждены попадать в соответствующие места образующейся аминокислоты.

Есть и другие белки, которые таким же способом производят нуклеотиды из молекул питательной среды.

Все эти процессы иллюстрируют удивительные свойства белков. Последние могут осуществлять и направлять такие химические реакции, как перенос энергии от сгорающего сахара к АТФ или образование аминокислот и нуклеотидов. Белки, обладающие такой способностью, обычно называют ферментами. Они гораздо сложнее простых белков, которые не являются ферментами и служат только для создания определенной клеточной структуры и для регулировки потока веществ. Белки могут сами воспроизводить все свои компоненты, но они не способны соединять их. Белки делают буквы, но не могут складывать их в слова. Буквы есть, но где же автор, который составляет из них слова и предложения?

Генеральный план, управляющий жизнью

Теперь мы должны ответить на самый важный вопрос: как аминокислоты соединяются в белки? В этом этапе сосредоточены все секреты жизни бактерии, ибо, как мы уже видели, именно различные типы белков выполняют все важнейшие процессы в химической жизни клеток. Где же в клетке спрятан генеральный план построения каждого из многих тысяч белков, план, определяющий порядок чередования аминокислот вдоль ряда? Напомним, что каждый белок — это цепь примерно из 1000 аминокислот (иногда их больше, иногда меньше) и если мы приписываем каждой аминокислоте одну букву алфавита, то ряд аминокислот будет отвечать ряду из 1000 букв, занимающему около полустраницы нашей книги. Для того чтобы задать порядок аминокислот в 5000 белках потребуется несколько тысяч таких страниц. Где же находится эта информация в клетке? Надо только вспомнить, что макромолекулы нуклеиновых кислот несут в себе возможность передать содержание многих тысяч страниц книги. Такую информацию нам может дать порядок расположения четырех типов пар нуклеотидов вдоль витков спирали. Существует достаточно возможностей расположения ступеней в нуклеиновой кислоте длиной в несколько сантиметров для задания всех 5000 белков, входящих в состав бактерии.

Здесь сам собой возникает большой вопрос: каким же образом порядок нуклеотидов в нуклеиновой кислоте задает порядок аминокислот в белках? Как информация, заключенная в ступенях спирали, передается вновь образующимся белкам? Как может клетка «читать» эту книгу, насчитывающую много тысяч страниц, и следовать ее указаниям в процессах роста и деления?

Об этом немногое пока известно. Мы знаем только, что такая передача информации происходит. Очень упрощенно мы можем изобразить воспроизведение белков следующим образом. Определенная группа ступенек спиральной лестницы притягивает один сорт аминокислот, следующая группа — другой сорт и так далее[52]. Ступеньки расположены так, что аминокислоты сами выстраиваются в том порядке, в котором, как предполагается, они должны находиться в белке. Белки образуются вдоль лестницы нуклеиновых кислот, которая достаточно длинна, чтобы на ней поместились все 5000 белков, необходимых бактерии. Это описание воспроизведения белков чрезвычайно упрощено. Мы знаем, что истинные процессы гораздо сложнее и что большинство их деталей еще неизвестно. Тем не менее нарисованная нами картина поможет читателю уяснить сущность того, что, по нашему мнению, является основными процессами в бактериальной клетке[53].

Подведем некоторые итоги. Клетка состоит из многих типов белков. Наиболее простые белки образуют оболочку и структурный остов клетки. Другие белки сжигают сахар и способствуют образованию несущих энергию молекул АТФ; наиболее сложные белки производят аминокислоты из веществ питательной среды. Клетка содержит также несколько крупных молекул нуклеиновых кислот, которые способны соединять аминокислоты в правильном порядке, что обеспечивает образование новых белков всех сортов, требуемых в процессе роста.

Когда клетка достигает определенных размеров, какие-то еще плохо известные факторы вызывают перегруппировку белков, и клетка делится на две одинаковые клетки меньших размеров. На этой стадии необходимо удвоить важные во всех отношениях нуклеиновые кислоты, так как все клетки нуждаются в определенном их наборе для дальнейшего роста. Удвоение такой длинной и строго упорядоченной молекулы — процесс нелегкий. Мы еще точно не знаем, как он происходит в природе, но можем представить себе возможный путь его осуществления. Вот простой механизм удвоения винтовой лестницы, воспроизводящей длинную молекулу ДНК.

Как мы помним, каждая ступенька лестницы это определенная пара нуклеотидов. При делении клетки лестница расщепляется в длину на две части в результате разрыва каждой ступеньки посередине (рис. 54).