Общеизвестен факт, что люди за свою историю наизобретали множество разнообразных усилителей. Наука и техника прямо-таки изобилуют подобными изобретениями. Архимедов блок и слепящий луч лазера объединены одной сущностью: некое действие, многократно повторяясь, усиливается в соответствующем преобразователе. Созданию преобразователей-усилителей посвящено основное внимание думающего человечества. Ведь к ним на определенном основании относятся и лебедка и атомная бомба. Человек начал создавать свои усилители не на пустом месте. И здесь природа выступила в роли учителя и недостижимого эталона. Особенно изощренно ею сконструированы усилители живого организма.

Например, кошка да и другие животные и птицы ночного образа жизни отлично видят в темноте. Именно видят, а не ориентируются с помощью ультразвуковой локации. Их глаза способны улавливать незначительные порции рассеянного света и преобразовывать его в жизненно важную для себя информацию. Правда, еще ни одна кошка не рассказала, каким именно опалесцирующим оттенком переливается шерстка бегущей в темноте мыши. Но все-таки ночной мир кошке и сове представляется и красочней и богаче, чем человеку. Будь кошка наделена талантом художника, ее ночные пейзажи привлекли бы зрителей особой изощренностью линий и форм. Впрочем, кошкины проблемы нас мало волновали бы, не будь они в существе своем тесно связаны с особенностями человеческого зрения. Механизм; как говорится, один, а возможности разные. Познание этого механизма обещает человеку интересное и важное расширение возможностей видеть и запечатлевать увиденное.

Зрение – процесс, где удивительным узлом завязаны физиология, биофизика, химия и математика. Преломление света в хрусталике, образование электрических импульсов в зрительном нерве, деформация глазного яблока относятся к категориям чисто физических процессов. Преобразование световых волн чувствительными клетками сетчатки в электрические импульсы зрительного нерва связано с характернейшими физиологическими функциями организма. А вся технология превращения зрительной информации в представимый образ относится к сфере абстрактного мышления.

У химиков, исследующих механизм зрения, свои строго определенные цели. Ими были установлены конкретные материальные носители главных стадий зрительного процесса. Основное внимание, понятно, посвящено пигментам в клетках сетчатки, которая отвечает на физиологическую реакцию на свет.

Известно, что зрительные ощущения возникают, когда фотоны света поглощаются фоточувствительными элементами сетчатки. Разрешающая способность сетчатки довольно высока. Достаточно 150 фотонов, чтобы человек ощутил вспышку света. Прячем только 30 из этих 150 световых частиц, как правило, достигают сетчатки. Остальные рассеиваются, теряются, проходя через хрусталик и глазную жидкость.

Ученых давно интересовал вопрос, какое же именно химическое соединение в колбочках и палочках сетчатки реагирует на свет и позволяет отличать световые волны разной длины. Задача была не из простых, но все же такие соединения были найдены. Из человеческой сетчатки удалось выделить только два светочувствительных пигмента. Один из них, сейчас наиболее изученный, оказался белком пурпурного цвета, названным родопсином.

У родопсина сложное химическое строение. Основу его составляет высокомолекулярный белок, соединенный с особым химическим соединением – ретиненом. В этом ретинене вся загвоздка.

По химической структуре он полный аналог витамина А. Недаром с нехваткой этого витамина так часто связана и недостаточность зрения. Например, ночная слепота – неприятное, не тяжелое заболевание. Группа ретинена, как определили химики, хромофорна, то есть способна реагировать на свет. Ударит по молекуле родопсина поток фотонов, что-то произойдет с хромофорной группой, и перемены эти тотчас понесутся сигналами в глубины мозга.

Но вот что же именно происходит с родопсином?

Сегодня это уже досконально известно. Дело в том, что хромофорная, чувствующая свет группа родопсина по своей химической природе может быть отнесена к изомерам. У нее одинаковый состав, но разная пространственная форма. Химики различают «цис» и «транс»-форму, причем различие здесь заключено главным образом в порядке чередования двойных химических связей между атомами. Попадая на сетчатку глаза, свет открывает серию последовательных превращений родопсина. В начальной стадии происходит образование его новой пространственной формы.

«Цис» становится стране», или, как говорят специалисты, осуществляется трансфотостереоизомеризация. Следующая стадия, так называемый тем-новой процесс, сама состоит из ряда промежуточных стадий. В итоге тем-нового процесса в свободном состоянии образуется белок опсин и остаток хромофорной группы. А дальше происходит усиление сигнала с помощью присутствующих в клетках сетчатки ферментов. Механизм этого усиления долгое время был неясен и в последние годы тщательно изучался.

Большая и интересная работа в этом направлении проделана химиками Московского государственного университета. Премией Ленинского комсомола 1974 года награжден кандидат химических наук, ассистент МГУ Варфоломеев Сергей Дмитриевич, который совместно с сотрудниками кафедр химической кинетики и химической зизимологии исследовал процесс усиления светового сигнала ферментами сетчатки.

Работали московские химики с модельными веществами, то есть соединениями, похожими на природные, но более простыми по структуре и свойствам. Химические модели – аналоги сложных природных белков – удобны в работе и позволяют получать четкие и убедительные результаты в исследовании. Модель порой отражает сложный мир действительности, как чертеж – реальную деталь, и именно в этом ее научная привлекательность. Упрощение близко прояснению, то есть более глубокому и четкому пониманию.

Выбор химической модели для работы сродни искусству. В нем сходятся необходимость и случайность. Необходимость отражена в эмпирических требованиях к модели: она должна быть соединением именно с такими-то – определенными свойствами. Варфоломееву, в частности, предстояло найти модельное вещество, которое соответствовало бы светочувствительным пигментам сетчатки. Обязательным в этом списке требований было наличие хромофорной группы. Случайность в выборе модели связана с некоторым исследовательским произволом: все-таки выбрано именно такое соединение, а не рядом стоящее. Случайность – в уровне опыта и точности интуиции.

Рабочим веществом был избран альфа-химотрипсин. Это один из наиболее изученных и известных ферментов. Было получено производное соединение химотрипсина – стабильный и не обнаруживающий ферментативной активности белок. Но при освещении ультрафиолетовым светом с этим белком происходит уже знакомое нам превращение: трансфотостереоизомеризация. По сути, то же самое, что происходит со «зрячим» белком родопсином сетчатки глаза, когда на нее попадают фотоны света. Хромофорная группа, белка переходит из «цис» в трансформу.

А транс-изомер белка химически неустойчив, и в определенных условиях он распадается с образованием свободного фермента и другого соединения.

Ферменты, как известно, – ускорители биохимических реакций. Достаточно ничтожных количеств этих веществ, чтобы реакции шли в десятки, сотни тысяч раз быстрее. Появление свободного альфа-химотрипсина, активного и сильного фермента, приводит к резкому ускорению реакции. Световой сигнал многократно усиливается...

Таким образом, Варфоломееву и его коллегам удалось в искусственных условиях смоделировать процесс зрения, проникнуть в его сокровенный механизм. Природный усилитель световых сигналов если и не повторен, то правдоподобно отражен в своей молекулярной модели. Механизм усиления заключается в быстром накоплении продуктов реакции, которые катализируются выделившимся активным альфа-химотрипсином. Причем чем дольше и сильнее действует ультрафиолетовое облучение, тем быстрее растет и образуется соответствующее количество фермента. А значит, усиление светового сигнала может происходить практически неограниченно.

Работы московских химиков имеют также прямые практические следствия. Кто из любителей фотографии не знает, сколько мучений доставляет так называемая зернистость фотографической эмульсии? Она сильно ограничивает возможности фотографии, не позволяет получать четкие изображения при сильном увеличении. Создание фотосистем, в которых световой поток усиливается с помощью ферментативных процессов, обещает появление беззернистых фото, которым не заказаны любые размеры. Видимо, и для сверхчувствительных съемок пригодятся «зрячие» ферменты, созданные руками человека. Должны же люди наконец поставить на место кошку с ее талантом ночного зрения.

В последнее время наше восхищение достижениями науки обрело новые оттенки. Мы не только радуемся свершениям познания, но и ждем. И в том ожидании немало от придирчивой надежды, что завтрашний день науки подарит еще одно новое основание для оптимизма: очередное открытие, следующую ступень познания.

• Страницы:
• 1
• 2
• следующая

Представьтесь или зарегистрируйтесь, чтобы участвовать в обсуждении.