Вопрос №30
Иерархия природных структур
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».