2. Физика и биология.

Итак мы пришли к науке, которая занята изучением живого - к био­логии.

1) Когда она делала свои первые шаги, биологи решали чисто описа­тельные задачи:

• им нужно было выяснить, каким бывает живое.

• им приходилось, скажем, подсчитывать, сколько у блохи на ноге волосков и т.д.

2) Когда все это было изучено, биологи обратились к механизму функционирования живого, сперва, естественно, очень грубо, в общих чертах, потому что в разных тонкостях разобраться было не просто.

Когда то между биологией и физикой существовали интересные отношения:

Именно биология помогла физике открыть закон сохранения энергии. Ведь Ю. Майер (немецкий врач) установил этот закон при изучении количества тепла, выделяемого и поглощаемого живым организмом.

Если вглядеться в биологию живых организмов, можно заметить мно­жество чисто физических явлений: циркуляцию крови, давление, зрение и т.д.

Биология - настолько широкое поле деятельности, что есть уйма проблем, о которых мы даже не упоминаем: скажем вопрос о том, как осуществляется зрение (что свет делает внутри глаза) или как работает ухо и т.д.

Как работает мысль мы обсудим когда будем говорить о психологии. Так вот, все эти вопросы, стоящие перед биологией, на самом деле для биолога не главные, отнюдь они не лежат в основе жизни.

Если мы их поймем, нам всеравно не понять сущности жизни.

Вот вам пример: люди, изучающие нервы, понимают, что их работа очень нужна, ведь животных без нервов не бывает.

Но жизнь без нервов возможна.

У растений нет ни нервов, ни мышц, и все же они работают, живут (что одно и тоже).

Значит самые фундаментальные проблемы биологии нужно искать глуб­же.

При этом мы установим, что у всех живых существ есть много общих черт.

Самое же общее между ними то, что они состоят из клеток, внутри каждой из которых действует сложный механизм химических превращений.

В растительных клетках, например, есть механизм поглощения света и выработки сахарозы, которая потом в темноте поглощается, поддерживая жизнь растения.

Когда животное поедает растение, сахароза порождает в животном цепь химических реакций, тесно связанных с фотосинтезом растений и об­ратной ему цепочкой химических реакций в темноте.

Таким образом в клетках живых организмов происходит множество сложнейших химических реакций, одни соединения превращаются в другие, затем в третьи и еще и еще.

Для того, чтобы в клетках живых организмов протекали необходимые реакции, в них (в клетках) существуют очень большие молекулы, которые как-то "умеют" расставить малые молекулы так, чтобы нужные реакции протекали без труда.

Эти большие сложные молекулы называются ферменты (или закваска, так как их впервые обнаружили при брожении сахара).

Сам фермент состоит из другого вещества, называемого белок.

Все ферменты отличаются друг от друга, причем каждый предназначен для контроля некоторой определенной реакции.

Подчеркну, что сам фермент в реакцию не вовлекается.

Он не изменяется, его дело передвинуть атом из одного места на другое.

Передвинет в одной молекуле и готов уже заняться следующей.

Совсем как станок на фабрике, причем должен иметься запас нужных атомов и возможность избавляться от ненужных.

Возьмем например водород:

Существуют специальные ферменты, имеющие "ячейки" для переноса водоро­да в любой реакции, причем механизм, высвобождающий водород в одном месте, придерживает этот атом, чтобы использовать его еще где-нибудь.

Другая важнейшая деталь процессов протекающих в клетках живых организмов - это взаимное превращение гуанозиндифосфата ( ГДФ ) в гуанозинтрифосфат ( ГТФ ) (соответственно аналоги АДФ - аденозиндифосфат и АТФ - аденазинтрифосфат ) потому что в гуанозинтрифосфате энергии больше.

Подобно тому, как в некоторых ферментах имеется "ячейка" для пе­реноса атома водорода, бывают еще молекулы, в которых имеется особая "ячейка" для перенося энергии.

В ГТФ (гуанозинтрифосфат) больше энергии, чем в молекуле ГДФ (гу­анозиндифосфат), и, следовательно молекулы ГТФ могут привести в дейс­твие процессы, которым требуется энергия, например цикл сжатия мышцы.

Таким образом, процессы в мышцах есть взаимное превращение ГТФ в ГДФ.

Есть и другой резон, по которому для биологии и других наук важна именно физика - это техника эксперимента.

Дело в том, что для анализа невообразимо сложных процессов, про­текающих в биологических системах, используются все достижения экспе­риментальной физики, например "меченные атомы".

Под этим понятием понимается использование различных изотопов хи­мических элементов.

Напомню, что химические свойства атомов определяются зарядом его ядра, а не массой.

Атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, а следовательно иден­тичные по химическим свойствам, но отличающиеся массой ядра, называют­ся изотопы.

Т.о. используя изотопы можно проследить ход любой химической ре­акции.

Вернемся, однако, к описанию фермента и белков.

Не все белки - ферменты, но все ферменты - белки.

Существует множество белков - таких, как белков мышц, структурные белки, скажем в хрящах, волосах, коже, не являющиеся ферментами.

И все-таки белки очень характерная для жизни субстанция;

Во-первых - это составная часть всех ферментов;

А во-вторых - составная часть многих живых веществ.

Структура белков проста и довольно занятна.

Они представляют собой ряды, или цепи различных аминокислот Аминокислоты - органические соединения, содержащие карбоксильную

и аминогруппу имеющие строение типа:

H₂N  R  C  O

|

OH

где R углеводородный радикал.

Существует более двух десятков аминокислот и все они могут соче­таться друг с другом, образуя цепи, костяком которых являются группы

(так называемая пептидная связь).

 C  N 

 

O H

Белок - это всего лишь цепочки сложенные из этих двух десятков аминокислот.

Одним из триумфов современной науки было открытие в 1960 г. точ­ного пространственного расположения атомов некоторых белков.

В них 56-60 аминокислот соединены друг с другом.

Было установлено точное местоположение свыше 1000 атомов, входя­щих в сложную структуру двух белков (один из них гемоглобин, входящий в состав крови).

А одна из печальных сторон этого открытия появилась в том, что из этой картины ничего увидеть нельзя.

Мы не понимаем, почему она такая.

Именно эту проблему и следует сейчас атаковать..

Есть и другая проблема в биологии: откуда ферменты "знают", кем им стать ?

От красноглазой мухи рождается опять красноглазая муха.

Значит вся информация о ферментах, создающий красный пигмент, должна перейти к очередной мухе.

Передает эту информацию не белок, а вещество в ядре клетки, ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота).

Это-та ключевая субстанция, которая передается от одной клетки к другой (половые клетки, например, почти целиком состоят из ДНК) и уно­сит с собой инструкцию, как делать ферменты.

ДНК можно сравнить с "калькой" или печатной матрицей. На что по­хожа эта "калька", как она должна действовать ?

Первое - она должна воспроизводить самое себя;

Второе - она должна быть способна давать задания белку.

Структура ДНК долго изучалась сперва химически (исследовались составные части) затем ренгенографически (исследовалась пространственная структура).

В результате пришли к следующему знаменательному открытию:

Молекула ДНК - пара цепочек, навитых друг на друга.

Скелет каждой цепочки хотя и похож на белковые цепи, но химически отличен от них - это ряд сахарных и фосфатных групп.

Каждая из цепочек, образующих спирали молекулы ДНК состоит из че­тырех основных компонентов или звеньев (азотистых оснований) : адени­на, тимина, цитазина и гуанина, обозначаемых для простоты буквами A, B, C, D. (А, Т, Ц, Г)

Причем, не всякие звенья спариваются. Например возможны пары АВ (АТ) (аденин-тимин) и CD (ЦГ) (цитозин-гуанин). Они размещены на двух цепях молекулы так, что "подходят друг к другу".

Но С и А (Ц и А) (цитозин к аденину) или В и С (Т и Ц) (тимин к цитозину) не подходят.

Если в цепи стоит С (Ц) (цитозин) то в другой цепи на этом месте должно быть только D (Г) (гуанин)

Таким образом - каждой букве в одной цепи молекулы ДНК соответствует определенная буква в другой.

Как же мыслиться при этом воспроизведение ? Пусть спираль ДНК расщеплена на две цепочки. Как сделать другую такую же ?

Если в клетке есть фабрика, вырабатывающая фосфатные группы, са­хар, и звенья A, B, C, D (А, Т, Ц, Г), то к нашей половине цепочки присоединяются только звенья подходящие к ней.

Например имеем структуру: ВAADC (ТААГЦ), то следовательно к ней могут присоединиться только звенья в следующей последовательности ABBCD (АТТЦГ).

Следовательно: при делении клетки спираль ДНК разнимается посре­дине на две цепочки, каждая переходит в свою клетку и там набирает се­бе дополнение.

Наконец последний вопрос: как порядок следования звеньев А, В, С и D (А, Т, Ц, Г) в ДНК определяет расстановку аминокислот в белках ?

Ответа пока нет.

Это основная нерешенная проблема современной биологии.

Право же, ни одна наука, ни одна отрасль знания ни движутся так бурно по всем направлениям вперед, как биология.

Но если бы мы должны были назвать то самое главное, что ведет нас сейчас все вперед в наших попытках понять явления жизни, мы обязаны были бы сказать: "все тела состоят из атомов", все что происходит в жи­вых существах, может быть понято на языке движений и покачивания ато­мов.