Размножающиеся молекулы?

Ленинград, 12 декабря 1927 года. Первое торжественное собрание III Всесоюзного съезда зоологов, анатомов и гистологов. Академику Кольцову предложено выступить на этом собрании с речью. Он избрал темой "Физико-химические основы морфологии". И как когда-то сам Кольцов вместе с другими молодыми людьми затаив дыхание слушал доклад Мензбира, так теперь новая молодежь ловит каждое его слово. Вот он поднимается на трибуну и начинает свою знаменитую речь:

- Глубокоуважаемый председатель! Глубокоуважаемые коллеги! Приношу мою признательность Организационному комитету за оказанную мне честь предложением выступить с речью на первом торжественном заседании. Для меня это большое удовольствие. После настоящего заседания начнется деловая работа съезда, и члены его ознакомят нас с результатами своих специальных работ. Но сейчас мы можем оторваться от той или иной специальной области и заняться более широкими проблемами биологии. Я попытаюсь перебросить перешеек между великим физико-химическим материком и архипелагом биологических островов. Пусть порой у меня не хватит строительного материала, и тогда да будет мне позволено воспользоваться лодкой или даже перелететь над водой по воздуху на аэроплане натурфилософии. Проблема связи между физико-химией и биологией настолько обширна, что построение непрерывного перешейка еще не по силам нашему времени...

И Кольцов говорит долго и вдохновенно, сопровождая доклад расчетами, формулами, микрофотографиями, подкрепляя свои утверждения многочисленными фактами.

В конце доклада Кольцов заговорил о структуре белков, о которой, как мы знаем, в то время почти ничего не было известно. И приходится поражаться тому, насколько взгляды, которые развил в своем докладе Кольцов, оказались близкими к истине. Он говорил, в частности, и о том, сколь многообразными могут быть белковые молекулы. Он совершенно правильно считал, что в основе строения белковых молекул лежат полипептидные цепи - ниточки, составленные из аминокислот. В качестве примера он рассмотрел в своем докладе формулу гептакайдекапептида - цепочки, составленной из 17 разных аминокислот.

Свойства белковой молекулы зависят не только от ее общего состава, но и от взаимного расположения частей, точно так же как смысл слов зависит не только от того, из каких букв оно составлено, но и от порядка букв. Например, слова топор, отпор, ропот, хотя и составлены из одних и тех же букв, обозначают совершенно разные вещи.

Кольцов подсчитал, сколько разных молекул (так называемых изомеров) можно получить простой перестановкой аминокислот в цепочке из 17 штук. Результат оказался сногсшибательным: около триллиона.

Зрительно представить триллион невозможно. Кольцов в своем докладе привел следующий пример. Если бы мы захотели напечатать в самой упрощенной форме этот триллион изомеров гептакайдекапептида, обозначая каждую аминокислоту одной буквой, и все ныне существующие типографии мира выпускали бы ежегодно 50000 томов, по 100 печатных листов в каждом, то до конца предпринятой работы протекло бы столько же лет, сколько их прошло с архейского периода до настоящего времени. А архейский - древнейший период в геологической истории Земли, когда на нашей планете еще не существовало никакой жизни. Заметим, что Кольцов в своих расчетах исходил из очень маленькой, по нынешним представлениям, молекулы. Большинство белков состоит не из полутора десятков, а из нескольких сотен аминокислот! Такая сложность ставит перед учеными труднейшую задачу.

Если вы капнете на поверхность металла кислотой, появятся пузырьки, а когда жидкость испарится, останется налет. Образовалась соль, выделился водород. Почему? Почему произошла именно эта реакция, а не какая-нибудь другая? Наука дает на этот вопрос простой и ясный ответ: при химической реакции получаются вещества с соответственно наименьшей свободной энергией.

Но так происходит только в самых простых случаях. Бывает, что образованию разных веществ соответствует одна и та же энергия. Если мы будем химически получать сахар, то образуется смесь двух разновидностей, так называемых изомеров. Они по-разному ведут себя по отношению к поляризованному свету, дают кристаллы разной формы. Но если тот же сахар образуется в живой клетке, то получается только один из изомеров. В живых клетках есть вещества белковой природы, так называемые ферменты, которые направляют реакцию в одну вполне определенную сторону.

Размножающиеся молекулы?

А как образуются столь сложные молекулы - белки? Ответить на этот вопрос было очень трудно. Если бы их строение определялось только энергетическими условиями, то получалась бы дикая смесь разнообразнейших молекул. На всей нашей планете невозможно было бы найти двух одинаковых. Может быть, помогут ферменты? Увы... Если бы было так, то для образования каждого фермента (ведь это тоже белок) должен был бы существовать в клетке еще какой-то фермент, а для него еще один и так далее. Число молекул в живой клетке должно бы быть бесконечно большим. Мы пришли к явному абсурду.

Как же решить эту задачу? Нетрудно видеть, что на равносильна решению загадки жизни вообще. Не потому ли задача столь трудна? Природа ревностно охраняет свои самые сокровенные тайны. И Николай Константинович Кольцов высказывает необычайно смелую гипотезу. Но чтобы понять место этой гипотезы в истории науки, нам придется вернуться на 300 лет назад.

В древности верили в самозарождение жизни. Считали, что мухи зарождаются из гнилого мяса, а мыши из грязного белья. Алхимики утверждали, что знают способ искусственного выращивания "гомункулуса" - маленького живого человечка. И все этому верили. Еще бы, перед всеми стоял авторитет самой библии, где записан рассказ о пчелах, родившихся из внутренностей мертвого льва. А для тех немногих, для кого авторитет науки был выше авторитета церкви, существовали утверждения Аристотеля, также верившего в самозарождение (о том, насколько стойки эти предрассудки, говорят и некоторые дожившие до наших дней суеверия и некоторые недавние псевдонаучные теории).

Теория самозарождения начала колебаться лишь в XVII веке. Флорентийский врач, друг знаменитого физика Торричелли, Франческо Реди усомнился в том, во что верили все в течение долгих веков: в том, что мухи зарождаются из гнилого мяса. Чтобы проверить это, он сделал, казалось бы, самую естественную, но совершенно необычную для тех времен вещь - поставил опыты. И убедился, что, если мясо сделать недоступным для мух, никаких личинок в нем не заводится. В 1668 году вышла работа Реди о мясной мухе, навсегда прославившая его имя. В те времена научные труды писались по-латыни. Свои взгляды Реди сформулировал в короткой фразе: "Omne vivum ex vivo". Все живое от живого! Постепенно это утверждение получило всеобщее признание, а в работах Пастера было распространено и на мир невидимых живых существ - микробов. Но утверждение Реди сводилось к тому, что живое не возникает из неживого. А каким именно образом живое производит живое?

В те же времена, когда жил и работал Реди, вышла в свет удивительная книга. Она называлась "О произрождении животных". На ее титульном листе был помещен аллегорический рисунок: Зевс-громовержец восседает на троне и держит в руках раскрытое яйцо, из которого выходят паук, бабочка, змея, птица, рыба и ребенок. На яйце надпись: "Omne vivum ex ovo". Все живое из яйца! Очень существенное дополнение к формуле Реди. Автором этой книги были Вильям Гарвей. Тот самый Гарвей, который за несколько лет до этого открыл и описал кровообращение. Работы Реди и Гарвея вошли в золотой фонд науки, каждому ученому известны их утверждения о возникновении жизни. И хотя в наше время никто не пишет своих трудов по-латыни, но когда в прошлом веке ученые открыли сначала клеточное деление, а затем кариокинез (деление клеточного ядра), они по примеру великих предшественников сформулировали свои выводы на тот же манер: "Omnis cellula ex cellula" и "Omnis nucleus ex nucleo" - "Каждая клетка от клетки" и "Каждое ядро от ядра".

Кольцов размышляет о том, как образуются в клетках белки, и притом не просто белки, а какие нужно. Он привлекает для этого все данные, известные не только биологии, но и химии и физике (а он превосходно знает эти науки). Перебирает все изученные механизмы и каждый раз приходит к одному и тому же выводу: это невозможно!

Но если невозможно, то как может существовать и развиваться жизнь на нашей планете? Откуда в организмах берутся необходимые белки? И вот тут-то Кольцов и приходит к своей замечательной гипотезе, единственно возможной и единственно правильной. Чтобы избежать необходимости неосуществимого выбора, сложные молекулы должны строиться по образцу уже существующих. Кольцов сравнивает этот процесс с процессом кристаллизации. Как ионы натрия и хлора, рассеянные в растворе поваренной соли, в правильном порядке складываются вокруг строящегося кристаллика, так и аминокислоты прикладываются своими боковыми "сродствами" к тем пунктам уже существующей белковой молекулы, где находятся соответствующие аминокислоты. Итак, решение найдено! Правильно оно или нет, покажут опыты, но таким образом впервые дается объяснение загадочному процессу.

Обо всем этом Кольцов рассказывает в своей лекции. Это ее кульминационный пункт. Но сейчас докладчик развернет перед ловящей каждое его слово аудиторией новое широкое обобщение.

- Если действительно ассимиляция сводится к кристаллизации, - говорит он, - то отсюда вытекает, что белковые молекулы разделяют с организмами одно в высшей степени важное свойство, которое до сих пор считалось отличительным свойством живых организмов. Много понадобилось времени, чтобы установить, что организм возникает только от другого организма из яйца: "Omne vivum ex ovo", "Omnis cellula ex cellula", "Omnis nucleus ex nucleo".

Теперь мы можем прибавить еще один новый тезис: каждая белковая молекула возникает в природе из другой такой же белковой молекулы путем кристаллизации вокруг нее из находящихся в растворе аминокислот и других белковых обломков: "Omnis molecula ex molecula" - "Каждая молекула из молекулы".

Значит, размножение не есть исключительное свойство живых организмов, оно - наиболее вероятный способ возникновения в природе всех сложных векториальных систем!

Мы не можем здесь излагать содержание всего доклада Кольцова, но самое важное сводится к только что сказанному. Размножающиеся молекулы... Не правда ли, что звучит это крайне неправдоподобно? Безусловно. И нужно сказать, что мало нашлось ученых, которые тогда же согласились с Кольцовым. Более склонные к фантазированию с восторгом принимали "безумную гипотезу", другие относились к ней скептически. Но какой бы безумной ни казалась гипотеза Кольцова, она давала правдоподобный ответ на поставленный вопрос. Другого объяснения скептики предложить не могли. А сторонники старались экспериментально подтвердить гипотезу Кольцова.