Біологія

Отже, ми прийшли до науки, яка займається вивченням живого,— до біології. Коли вона робила свої перші кроки, біологи розв'язували суто описові завдання; їм потрібно було з'ясувати, яким буває живе, їм доводилося, скажімо, підраховувати, скільки в блохи на нозі волосків, і т. д. Коли все це (з великим інтересом) було вивчено, вони звернулися до механізму функціонування живого, спершу, природно, дуже грубо, в загальних рисах, тому що в різних тонкощах розібратися було непросто. Колись між біологією і фізикою існували цікаві стосунки: саме біологія допомогла фізиці відкрити закон збереження енергії; адже Майєр установив цей закон, вивчаючи кількість тепла, що виділяється і поглинається живим організмом. Якщо придивитися до біології живих організмів, можна помітити безліч суто фізичних явищ: циркуляцію крові, тиск і т. п. Візьмімо, наприклад, нерви. Наступивши на гострий камінець, ми миттєво дізнаємося про це: щось нам про те говорить, якась інформація підіймається вгору по нозі. Як же це відбувається? Вивчаючи нерви, біологи дійшли висновку, що це дуже ніжні трубочки зі складними, дуже тонкими стінками. Через ці стінки в клітину надходять іони; виходить щось на кшталт конденсатора з додатними іонами зовні та від'ємними всередині. У такої мембрани є чудова властивість: якщо в одному місці вона «розряджається», тобто якщо в якомусь місці іони пройдуть наскрізь, так що електрична напруга тут упаде, то сусідні іони відчують цей електричний вплив; це так подіє на мембрану в сусідньому місці, що вона теж пропустить крізь себе іони. Своєю чергою це позначиться на наступному місці і т. д. Виникне хвиля «проникності» мембрани; вона побіжить уздовж нервового волокна, якщо один його кінець «збудиться» гострим каменем. Виходить наче довгий ланцюжок кісточок доміно, поставлених сторч; штовхнеш крайню, вона — наступну і т. д. Звісно, більш ніж одне повідомлення так не передаси, треба знову підняти всі кісточки; і в нервовій клітині теж після цього йдуть процеси повільного накопичення іонів і підготовки нерва до нового імпульсу. Так ми дізнаємося, що ми робимо (або принаймні де ми перебуваємо). Електричні явища під час проходження нервового імпульсу, звичайно, можна реєструвати електричними приладами. Оскільки ці явища існують, то без фізики електрики не можна зрозуміти провідність по нерву. Зворотне явище відбувається, коли звідкись із мозку по нерву передається повідомлення. Що робиться тоді на кінці нерва? Нерв там дає розгалуження, пов'язані з м'язовою структурою; називають їх кінцевими відгалуженнями. З причин, точно не відомих, у момент, коли імпульс досягає кінця нерва, з нього вилітають маленькі пакетики реактивів, званих ацетилхоліном (5—10 молекул за раз); вони впливають на м'язове волокно, і воно скорочується — бачите, як усе просто! Але що ж усе-таки змушує м'яз скорочуватися? М'яз — це велика кількість щільно розташованих волокон; у них містяться дві різні речовини — міозин і актоміозин; і все ж механізм, за допомогою якого хімічна реакція, викликана ацетилхоліном, змінює розмір молекули, поки що не з'ясований. Інакше кажучи, невідомі найосновніші процеси, відповідальні за механічні рухи м'язів. Біологія — настільки широке поле діяльності, що є безліч проблем, про які ми навіть не згадуємо; скажімо, питання про те, як здійснюється зір (що світло робить усередині ока), або як працює вухо і т. д. (Як працює думка, ми обговоримо пізніше, коли будемо говорити про психологію.) Так от, усі ці питання, що постають перед біологією, насправді для біолога зовсім не головні, зовсім не вони лежать в основі життя. Якщо ми їх і зрозуміємо, нам все одно не зрозуміти сутності життя. Ось вам приклад: люди, які вивчають нерви, розуміють, що їхня робота дуже потрібна, адже тварин без нервів не буває. Але життя без нервів можливе. У рослин немає ні нервів, ні м'язів, і все ж вони працюють, живуть (що одне й те саме). Отже, найфундаментальніші проблеми біології треба шукати глибше. При цьому ми встановимо, що в усіх живих істот є багато спільних рис. Найзагальніше ж між ними те, що вони складаються з клітин, усередині кожної з яких діє складний механізм хімічних перетворень. У рослинних клітинах, наприклад, є механізм поглинання світла й вироблення сахарози, яка потім у темряві поглинається, підтримуючи життя рослини. Коли тварина поїдає рослину, сахароза породжує в тварині ланцюг хімічних реакцій, тісно пов'язаних із фотосинтезом рослин (і зворотним ланцюжком у темряві). 

Ви бачите тут низку молекул, які послідовно перетворюються одна на іншу,— цикл із досить дрібними кроками. Це — цикл Кребса, або дихальний цикл. Судячи зі змін у молекулах, кожна речовина і кожен крок у циклі досить прості. Але ці зміни відносно важко відтворюються лабораторним шляхом. Це відкриття надзвичайної важливості в біохімії. Річ ось у чому. Якщо є дві схожі речовини, то якраз їх часто не можна перетворити одна на одну, тому що ці дві форми зазвичай розділені енергетичним бар'єром, «перевалом». Адже, бажаючи перенести предмет на нове місце на тому самому рівні по інший бік перевалу, ви спершу мусите підняти його над перевалом. Це вимагає додаткової витрати енергії. З тієї самої причини багато реакцій не відбуваються, їм не вистачає так званої енергії активації. Якщо ви хочете приєднати до хімічної сполуки зайвий атом, то для того, щоб він пристав куди треба, його слід присунути впритул, інакше потрібна перестановка не відбудеться, він лише трохи забіжить угору по «схилу» і скотиться назад. Але якби ви могли, буквально покрутивши молекулу в руках, розсунути її атоми, ввести в утворену дірку ваш атом і потім закрити отвір, то ви б оминули підйом, жодної витрати енергії не знадобилося б і реакція пройшла б легше. Так от, у клітинах і справді існують дуже великі молекули (значно більші за ті, чиї зміни зображено на фіг. 3.1), які якось уміють розставити малі молекули так, щоб реакція перебігала без труднощів. Вони, ці великі складні пристрої, називаються ферментами (або заквасками; назвали їх так тому, що виявили їх при зброджуванні цукру. До речі, перші з реакцій циклу Кребса було відкрито саме при зброджуванні). Реакції циклу йдуть лише в присутності ферментів. У клітинах живих організмів відбувається безліч хитромудро задуманих хімічних реакцій: одна сполука перетворюється на іншу, потім на третю, потім ще і ще. Фіг. 3.1 дає певне уявлення про гігантські зусилля, докладені у вивченні біохімії; там зведено воєдино наші знання про малу частку тієї безлічі ланцюжків реакцій (можливо, приблизно 1 % загальної кількості), що відбуваються в клітині. Сам фермент складається з іншої речовини — білка. Молекули ферментів великі й складні. Усі ферменти відрізняються один від одного, причому кожен призначений для контролю якоїсь певної реакції. На фіг. 3.1 біля кожної реакції позначено назви потрібного фермента (а іноді один фермент контролює й дві реакції). Підкреслимо, що сам фермент у реакцію не залучається. Він не змінюється, його справа — тільки перемістити атом з одного місця в інше. Перемістить в одній молекулі й уже готовий зайнятися наступною. Зовсім як верстат на фабриці, причому має бути запас потрібних атомів і можливість позбуватися непотрібних. Візьміть, наприклад, водень: існують ферменти, що мають спеціальні комірки для перенесення водню в будь-якій хімічній реакції. Скажімо, є три або чотири ферменти, які знижують кількість водню; вони використовуються в багатьох місцях циклу. Цікаво, що механізм, який вивільняє водень в одному місці, притримує цей атом, щоб використати його ще десь-інде. Найважливіша деталь циклу, наведеного на фіг. 3.1,— це перетворення ГДФ на ГТФ (гуанозиндифосфату на гуанозинтрифосфат), тому що в другій речовині — ГТФ — енергії набагато більше, ніж у першій. Подібно до того як у деяких ферментах є «скринька» для перенесення атомів водню, бувають ще особливі «скриньки» для перенесення енергії; до них входить трифосфатна група. У ГТФ більше енергії, ніж у ГДФ, і коли цикл іде в один бік, утворюються молекули з надлишком енергії; вони можуть привести в дію інші цикли, яким потрібна енергія, наприклад цикл скорочення м'яза. М'яз не скоротиться, якщо немає ГТФ. Можна помістити у воду м'язове волокно й додати туди ГТФ, тоді волокно скоротиться, перетворюючи ГТФ на ГДФ (якщо тільки присутні потрібні ферменти). Отже, скорочення м'яза є перетворенням ГДФ на ГТФ; накопичений протягом дня ГТФ використовується в темряві для того, щоб пустити весь цикл у зворотний бік. Як бачите, ферменту байдуже, у який бік іде реакція; якби це було не так, порушувався б один із законів фізики. Є й інша причина, через яку для біології та інших наук важлива саме фізика,— це техніка експерименту. Наприклад, намальована біохімічна схема не була б досі відома, якби за нею не стояли великі досягнення експериментальної фізики. Річ у тім, що для аналізу цих неймовірно складних систем немає кращого засобу, ніж ставити мітки на атомах, які беруть участь у реакції. Якщо ввести в цикл трохи вуглекислоти із «зеленою міткою» на ній і подивитися, де мітка опиниться через 3 с, потім через 10 с і т. д., то можна простежити перебіг усієї реакції. Але як зробити «зелену мітку»? За допомогою різних ізотопів. Нагадаємо, що хімічні властивості атомів визначаються числом електронів, а не масою ядра. Але в атомі вуглецю, наприклад, може бути або шість, або сім нейтронів поряд з обов'язковими для вуглецю шістьма протонами. У хімічному відношенні атоми С¹² і С¹³ не відрізняються, але за масою і ядерними властивостями вони різні, а отже, і розрізнювані. Використовуючи ці ізотопи, можна простежити хід реакції. Ще краще для цього радіоактивний ізотоп С¹⁴; з його допомогою можна дуже точно простежити за малими порціями речовини. Повернімося, однак, до опису ферментів і білків. Не всі білки — ферменти, але всі ферменти — білки. Існує безліч білків, таких, як білки м'язів, структурні білки, скажімо, в хрящах, волоссі, шкірі, що не є ферментами. І все-таки білки — дуже характерна для життя субстанція; по-перше, це складова частина всіх ферментів, а по-друге, складова частина багатьох інших живих речовин. Структура білків проста й досить цікава. Вони являють собою ряди, або ланцюги, різних амінокислот. Існує два десятки різних амінокислот, і всі вони можуть поєднуватися одна з одною, утворюючи ланцюги, кістяком яких є групи СО—NH і т. п. Білок — це всього лише ланцюжки, складені з цих 20 амінокислот. Кожна амінокислота, з усією ймовірністю, слугує якимось спеціальним цілям. У деяких амінокислотах у певному місці міститься атом сірки; два атоми сірки в одному й тому самому білку утворюють зв'язок, тобто схоплюють ланцюг у двох точках і утворюють петлю. В інших є надлишковий атом кисню, що надає їм кислотних властивостей; характеристики третіх — лужні. У деяких бувають великі групи атомів, що звисають з одного боку і займають багато місця. Одна з амінокислот — пролін — насправді не аміно-, а імінокислота. Ця невелика різниця призводить до того, що коли в ланцюзі є пролін, то ланцюг перекручується. Якби ви захотіли створити якийсь певний білок, то вам довелося б дати такі вказівки: тут помістіть сірчаний гачок, потім додайте чогось, щоб заповнити місце, тепер прив'яжіть щось, щоб ланцюг перекрутився, і т. д. Вийшли б скріплені між собою хитромудрі ланцюжки зі складною структурою; усі ферменти, мабуть, влаштовані саме так. Одним із тріумфів сучасної науки було відкриття (у 1960 р.) точного просторового розташування атомів деяких білків; у них 56—60 амінокислот приєднані одна за одною. Було встановлено точне місцезнаходження понад 1000 атомів (навіть до 2000, якщо рахувати і водень), що входять до складної структури двох білків (один з них — гемоглобін). А один із сумних боків цього відкриття полягав у тому, що з цієї картини нічого побачити не можна; ми не розуміємо, чому вона така. Саме цю проблему й слід зараз атакувати. Є й інша проблема в біології: звідки ферменти «знають», ким їм стати? Від червоноокої мухи народжується знову червоноока мушка; отже, вся інформація про ферменти, що створюють червоний пігмент, має перейти до наступної мушки. Передає цю інформацію не білок, а речовина в ядрі клітини, ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота). Це — та ключова субстанція, яка передається від однієї клітини до іншої (статеві клітини, наприклад, майже цілком складаються з ДНК) і несе з собою інструкцію, як робити ферменти. ДНК — це «калька», друкарська матриця. На що схожа ця калька, як вона має діяти? Перше — вона повинна відтворювати саму себе; друге — вона повинна бути здатна давати завдання білку. Щодо першого, то можна було б думати, що це відбувається так само, як відтворення клітин: клітини підростають і діляться навпіл. Можливо, молекули ДНК теж ростуть і теж діляться? Ні, це виключено. Адже атоми напевно не ростуть і не діляться! Мабуть, для репродукції молекул потрібен інший шлях, хитріший. Структуру ДНК довго вивчали спершу хімічно (складові частини), потім рентгенографічно (просторова структура). У результаті дійшли такого знаменного відкриття: молекула ДНК — це пара ланцюжків, навитих один на одного. Скелет кожного ланцюжка, хоч і схожий на білкові ланцюги, але хімічно відмінний від них,— це ряд цукрових і фосфатних груп, як показано на фіг. 3.2. З цієї схеми видно, як у ланцюзі може зберігатися інструкція, бо, розділивши ланцюжок на дві нитки, ви отримуєте ряд речовин BAADC...; не виключено, що цей ряд у кожного організму свій. Отже, можна думати, що кожен особливий ряд ДНК містить у собі особливі вказівки, як виробляти білки.
На схемі видно пари поперечних ланок, приєднаних до цукрових груп, що стягують між собою дві нитки. Ці ланки неоднакові; є чотири сорти ланок — аденін, тимін, цитозин, гуанін, що позначаються А, В, С і D. Цікаво, що не всякі ланки спаровуються. Наприклад, можливі пари АВ або CD; вони розміщені на двох нитках так, що «підходять одна до одної», мають сильну енергію взаємодії. Але С до А або В до С не підходить; якщо в ланцюзі стоїть С, то в іншому ланцюзі в цьому місці повинно бути тільки D. Кожній букві в одному ланцюзі відповідає певна буква в іншому. Як же мислиться при цьому відтворення? Нехай ланцюг розщеплений на два. Як зробити інший такий самий? Якщо в речовині клітини є фабрика, що виробляє фосфат, цукор і ланки А, В, С, D (поки що не прив'язані до ланцюга), то до нашої половинки ланцюжка приєднаються тільки підхожі ланки, що доповнюють BAADC, тобто ABBCD... . При поділі клітини ланцюг розділяється посередині на дві нитки, кожна переходить у свою клітину і там набирає собі доповнення. Нарешті, останнє питання: як порядок проходження А, В, С, D у ДНК визначає розстановку амінокислот у білках? Відповіді поки що немає. Це основна невирішена проблема сучасної біології. Поки що ми маємо лише якісь уривки інформації про це. У клітині є найдрібніші частинки — мікросоми; зараз відомо, що саме в них і виробляються білки. Але мікросоми перебувають не в ядрі, не там, де перебуває ДНК зі своїми інструкціями. Мабуть, у цьому є якийсь сенс. Відомо, однак, що від ДНК відриваються шматочки молекул, не такі довгі, як ДНК, що несе в собі всю інформацію, а щось на кшталт невеликих її часточок. Називають їх РНК, але не в цьому річ. Це щось на кшталт зменшеної копії ДНК. Відомо, що РНК якось переносить у мікросому повідомлення про те, який сорт білка потрібно виготовити. (Цей факт уже відомий.) Після цього в мікросомі утворюється білок. Це теж відомо. Але різні деталі того, як амінокислоти входять у білки і як вони розташовуються відповідно до коду, зашифрованого в РНК, поки що не відомі. Ми не вміємо читати цей код. Якщо «написано», наприклад, АВССА, то ми не знаємо, який білок буде приготовлено. Далебі, жодна наука, жодна галузь знань не рухається так бурхливо в усіх напрямках уперед, як біологія. Але якби ми мали назвати те найголовніше, що веде нас зараз усе вперед і вперед у наших спробах зрозуміти явище життя, ми повинні були б сказати: «всі тіла складаються з атомів», усе, що відбувається в живих істотах, може бути зрозуміле мовою рухів і коливань атомів.