Чайничек с
крышечкой,
Крышечка с шишечкой,
В шишечке дырочка,
С дырочки пар.
Из студенческой песенки
С древних времен человек пытался осознать свое место в природе. В те давние времена основанием для соответствующих рассуждений было наблюдение в буквальном смысле слова очевидных объектов, окружающих человека, – животных и растений, поверхности Земли, а также таинственного мира звезд. Однако потребовались тысячелетия, чтобы человек смог сопоставить себя с другими живыми существами, с планетой, на которой он живет, а тем более с далекими внешними мирами. Не сразу человек смог заглянуть внутрь себя и посмотреть на себя со стороны. Потребовалось немалое время, чтобы создать такие науки, как анатомия *, химия, молекулярная и субатомная физика, а также астрономия. Решающим шагом в установлении связи человека с внешним и внутренним мирами стало изобретение и применение телескопов и микроскопов, появившихся в XVII в., и многих других сложнейших приборов, созданных в XX в. В результате оказалось возможным наблюдать и исследовать совершенно новые природные объекты как макромира (объекты космоса), так и микромира (живые клетки, молекулы, атомы и т.д.). Вершиной этих достижений для биологии стало открытие природных высокомолекулярных соединений, называемых биополимерами, или макромолекулами, а для физики – мельчайших составных элементов материи – элементарных частиц и кварков.
В 1944 г. выдающийся австрийский физик Эрвин Шредингер написал книгу «Что такое жизнь с точки зрения физика?». Ее автор к этому времени уже стал классиком современной науки, создав знаменитое уравнение Шредингера, и в 1933 г. был удостоен Нобелевской премии «за открытие новых продуктивных форм атомной теории». И вот маститый физик после многочисленных дискуссий с нашим выдающимся соотечественником – биологом-генетиком Николаем Владимировичем Тимофеевым-Ресовским, пришел к выводу о необходимости выразить взгляд физика на существо биологических явлений. Получилась замечательная книга, в которой, вероятно, впервые соединились взгляды двух разных выдающихся ученых – физика и биолога. Она и сегодня не потеряла своего значения и читается с громадным интересом. Однако следует помнить о том, когда книга была написана. В то время ничего не было известно о структуре биологических макромолекул, и за 50 лет было сделано немало новых открытий. Воспользуемся этими новыми знаниями и попробуем рассмотреть, какое место биологические макромолекулы занимают среди множества объектов живой и неживой природы, привлекая необходимые сведения из современной физики, химии, биологии, элементарной математики и информатики.
1. Масштабы объектов природы
Размещение известных к настоящему времени самых малых и самых больших объектов на линейной шкале (табл. 1) позволяет увидеть внушительные масштабы природы – линейные размеры объектов Вселенной и наименьших элементарных частиц отличаются более чем на 40 порядков величины. Более того, таблица иллюстрирует, что элементарные частицы не так уж и элементарны и должны рассматриваться как сложные образования, составленные из еще более мелких элементов. Например, протон состоит из трех кварков. Таким образом, не только понятие атома, как неделимого элемента материи, потеряло свой первоначальный смысл, но и составляющие его элементы оказались не первичными, не неделимыми и не элементарными.
Рис. 1. Фотографии следов элементарных частиц (размер которых < 10–15 м) и галактики размером 1021 м
В результате исследования космических объектов также произошло разделение небесных светил на совершенно разные объекты по своей природе и размерам. Так, Меркурий – самая маленькая планета нашей Солнечной системы – и звезда Бетельгейзе созвездия Ориона ** – одна из наиболее гигантских звезд – наблюдаются нами на небесном своде, как примерно равные светила, а на самом деле их размеры отличаются в 100 000 раз.
Таблица 1. Оценка размеров объектов живой и неживой природы, м
В табл. 1 выбранные объекты природы расположены в порядке возрастания их величин, однако известно немало примеров перекрывания размеров у представителей разных групп. Например, так называемые нейтронные звезды, или пульсары, могут иметь диаметр, равный 20 км (2 • 104 м), т.е. порядок их величины много меньше величин планет Солнечной системы.
Перекрывание наблюдается и среди групп животного мира. Так, например, насекомые, являющиеся, как известно, многоклеточными организмами, отличаются чрезвычайным разнообразием не только по строению, окраске, адаптации, но и по размерам. Самые крупные из них (тропические палочники) достигают 33 см, что примерно в 10 раз превышает размеры наименьшего представителя млекопитаю-щих – карликовой белозубки. В то же время самые мелкие насекомые – трихограммы – могут иметь размер 0,2 мм (или 2 • 10–4 м), что сопоставимо с одноклеточной амебой и много меньше одноклеточных гигантских водорослей.
Не менее удивителен мир биологических макромолекул. Так, длина молекулы белка коллагена, являющегося компонентом соединительной ткани, составляет около 300 нм (3 • 10–7 м), что по порядку величины равно размерам вирусов, а длина развернутых молекул ДНК может достигать нескольких сантиметров, т.е. много больше размеров большого числа многоклеточных живых организмов. То есть мельчайшие живые организмы как бы вписываются в микромир, а вот самым крупным животным и растениям Земли – африканским слонам или голубым китам – явно не дотянуться по размерам до ближайшего к ним космического объекта – планеты, которую они населяют.
Биологические объекты в таблице размещаются между объектами неживой природы микромира и космоса. Размеры их самых больших и самых малых представителей отличаются на 10 порядков величины, но этот диапазон по крайней мере в 4 раза (по логарифмической шкале) меньше диапазона размеров всех известных к настоящему времени природных объектов.
При всем многообразии форм жизни, вероятно, есть что-то общее и особенное в строении всех представителей живой и неживой природы.
Попробуем отыскать это «что-то».
2. Периодическая система элементов и жизнь
Попытаемся выявить характерные структурные отличия живых объектов от неживых. Пользуясь табл. 2, в которой собраны известные сведения о химическом составе Вселенной, нашей планеты и нас с вами, рассмотрим отличие мира живого от микро- и макромира. Сравнив относительное содержание ряда химических элементов во Вселенной, земной коре и человеческом организме, увидим существенное отличие. В земной коре больше всего содержится кислорода, кремния, алюминия, натрия, кальция, железа, магния и калия. На остальные вместе взятые элементы приходится менее 1%. Живые организмы построены главным образом из водорода, кислорода, углерода и азота, на остальные элементы здесь также приходится менее 1%. Таким образом, если не считать кислорода, между химическими элементами, наиболее распространенными в живой и неживой природе, перекрывания нет. Кислород – самый тяжелый из преобладающих элементов живой материи и, наоборот, самый легкий из элементов земной коры. Отсюда, например, можно заключить, что живые системы из доступных элементов земной коры и атмосферы выбирают именно легкие элементы.
Таблица 2. Относительное содержание четырнадцати химических элементов во Вселенной,
Замечательно, что живая материя в этом отношении больше напоминает земную атмосферу и даже Вселенную в целом. В составе звезд, атмосферы Земли, межзвездного вещества преобладают легкие элементы. Сама же Земля – это всего лишь «минеральный прах» из тяжелых элементов, оставшихся после того, как легкие элементы улетучились в космическое пространство вследствие слабого гравитационного притяжения нашей крошечной по сравнению с другими космическими объектами планеты. Параллелизм между распространенностью химических элементов во Вселенной и составом живой материи обнаружен для тридцати одного элемента (только гелий не укладывается в общую схему). Вопрос в том, случайно ли это совпадение или же в биологических системах как бы законсервировался химический состав среды, которая окружала жизнь в момент ее возникновения, остается предметом чисто теоретических споров.
Хотя в живых организмах обычно обнаруживаются следы всех химических элементов, присутствующих в окружающей среде, необходимых для жизни элементов, без которых она не может обойтись, насчитывается всего около двадцати. Эти элементы делят на три категории в соответствии с их концентрацией в живой клетке (табл. 3): основные элементы, следовые элементы (или микроэлементы) и ультрамикроэлементы.
Для разных биологических видов общий набор химических элементов может различаться. Некоторые из элементов имеют универсальное значение: H, C, N, O, Na, Mg, P, S, Ca, K и Cl; другие – Mn, Fe, Cu, Zn, – требуются хотя и не всем, но многим видам. Вопрос об универсальности остальных химических элементов, встречающихся в живых организмах, – B, Si, V, Co, Se, Mo, – пока не решен.
Таблица 3. Химические элементы, используемые в живых системах, и некоторые их функции
* Жирным шрифтом указаны элементы, необходимые всем или многим организмам, универсальность остальных элементов лишь более или менее вероятна
Изучение незаменимых ультрамикроэлементов – нескончаемое занятие: никогда нельзя быть уверенным в том, что тот или иной элемент действительно не требуется, а получить доказательства того, что он, напротив, необходим, с методической стороны, дело крайне сложное. В работе с ними приходится использовать сверхчистую воду и реактивы, и даже сверхчистую стеклянную посуду. О потребности в некоторых ультрамикроэлементах даже не подозревали до тех пор, пока не было обнаружено, что почти полное их отсутствие в определенных почвах служит причиной заболеваний и разного рода нарушений у растений и животных. Отсутствие меди в почвах некоторых областей Австралии вызывает у овец болезнь, при которой отмечается стойкое поражение нервной системы, анемия и ухудшение состояния волосяного покрова. Многие болезни растений (гниль сердечка у свеклы, ломкость стеблей сельдерея и пр.) вызываются недостатком в почве бора. Потребность в таких ультрамикроэлементах, как бор, легче всего продемонстрировать, добавляя их в почву: при одной сотой части бора на миллиард частей почвы растения заболевают, одной десятой части бора на миллиард частей почвы достаточно для излечения заболевания, а одна часть на миллиард – это уже яд для растений.
Итак, химический состав живой и неживой природы отличается. Однако эта характеристика еще не позволяет нам структурно выделить биологические объекты и заключить, что они содержат нечто такое, чего нет в космосе. Планеты и звезды также отличаются по химическому составу, однако их принципиальное различие заключено в другом – в отличии физических свойств. Вероятно, атомарный уровень организации, с которого мы начали, не позволяет увидеть искомых принципиальных различий. Перейдем к следующей, более высокой ступени организации – молекулярному уровню.
Рис. 2. Фотографии вируса (размер 10–8 м) и самого большого млекопитающего – кита (размер 5 • 101 м)
классической механике. Названо в честь предложившего его австрийского физика Э.Шредингера (1887 -1961).
ЭЛЕКТРОН – от греческого слова hlektron – янтарь. Понятие 1600 г. введено английским ученым У.Гилбертом но основании того, что янтарь при трении электризуется и начинает притягивать к себе легкие предметы.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ – по своему первоначальному смыслу – простейшие частицы, из которых состоит вещество. Понятие злементарные частицы пришло на смену древнему понятию атома вещества.
* Происхождение и смысл слов, выделенных курсивом, дается в словарике в конце статьи в одном из следующих № «Физики»
** С начала XVII в. звезды каждого созвездия стали обозначать буквами греческого алфавита приблизительно в порядке уменьшения их блеска. Как и Бетельгейзе, около ста тридцати ярких звезд имеют собственные названия, из них восемьдесят пять были даны древними арабами, сохранилось около двадцати греческих и около десяти римских названий звезд, и только три даны в новое время. Слабые же звезды обозначаются номерами звездных каталогов, в которые они занесены, либо экваториальными координатами.
