Громадина микромир

Черты чисто физического подхода к изучению биологии растений можно увидеть в работах А. С. Фаминцына, который выяснял возможность осуществления фотосинтеза при искусственном освещении. Классические работы К. А. Тимирязева по фотосинтезу с предельной отчетливостью продемонстрировали плодотворность чисто физических подходов к изучению биологических явлений.

Д. И. Ивановский на основе изучения мозаичной болезни табака выдвинул предположение о существовании особых болезнетворных начал, отличных от микробов, которые позже получили наименование вирусов. Тем самым фактически были заложены основы развития вирусологии, которая сыграла немалую роль в будущем становлении молекулярной биологии.

Совершенно очевидно, что к познанию внутренних взаимоотношений между структурой и биологической функцией молекул можно было перейти, лишь накопив достаточное количество сведений о химической природе важнейших составных частей живой материи и о главных чертах их химических превращений. Работы по изучению объектов живого мира, то есть биохимические исследования, в царской России были немногочисленными. Но мы и сегодня с гордостью произносим имена Д. Н. Прянишникова, С. П. Костычева, В. И. Палладина, И. М. Сеченова – авторов классических работ в этой области.

Решающий перелом в развитии науки о живом произошел в первые годы Советской власти, когда в полной мере начали сказываться мудрые принципы «дальнего прицела», положенные нашей партией и правительством в основу организации исследовательской деятельности в стране. Еще в период гражданской войны была создана сеть институтов в системе Народного комиссариата здравоохранения. Сюда входили Институт физики и биофизики, возглавлявшийся академиком П. П. Лазаревым, организованный академиком А. Н. Бахом Институт биохимии и Институт экспериментальной биологии, возникший по инициативе Н. К. Кольцова. Именно институт, который возглавлял Н. К. Кольцов, и сыграл важную роль в создании фундамента нового направления – экспериментального изучения физических и химических основ явлений жизни.

О молекулярных механизмах наследственности он заговорил на Ш съезде

советских зоологов еще в 1927 году. Правда, в то время гипотеза Н. К. Кольцова показалась большинству не более чем красивой догадкой. Но уже в 1934 году Н. К. Кольцов убежденно повторял: «В основе каждой хромосомы лежит тончайшая нить, которая представляет собой спиральный ряд огромных органических молекул-генов. Возможно, вся эта спираль является одной гигантской длины молекулой». Н. К. Кольцов в то время развил и представления о превращениях молекулы-хромосомы, о том, какой биологический смысл эти превращения имеют: «При размножении клетки и хромосомы эта спиральная молекула делится продольно, или, точнее, на нее накладывается под влиянием сил кристаллизационного сцепления второй такой же ряд генов». И главная мысль этих работ Кольцова: каждая наследственная молекула – из молекулы же.

Сегодня, спустя несколько десятилетий, мы видим, что Кольцов почти во всех чертах сумел сформулировать основные закономерности в организации механизма наследственности. Я до сих пор с восхищением и благодарностью вспоминаю лекции Кольцова в народном университете имени Шенявского.

Мне довелось начинать свой путь в науке в 1921 году в Институте биохимии. Сегодня странно вспоминать, что в то время сам термин «биохимия», «биологическая химия», был нов и достаточно необычен и открытия, которые для своего времени были прорывом за грань неведомого, порою делались при самом скудном техническом оснащении: пробирки, аналитические весы да примитивный колориметр.

Но дело, конечно же, не в технике. В ту пору нас, как и сегодня, волновали одни и те же проблемы: что такое живая материя, как устроена и работает клетка, что такое наследственность? Но сегодня мы так далеко ушли вперед в понимании этих проблем, что порою мне кажется, что в науке за эти десятилетия минуло несколько исторических эпох.

– Мир молекулярной биологии – это мир гигантских молекул, участвующих в процессе жизни. Так очень часто пишут в популярной печати о вашей науке. Такая расшифровка столь же понятна, сколь и не слишком содержательна. Расскажите о тех чертах молекулярной биологии, которые вам кажутся самыми характерными.

– Прежде всего назову трехмерность. Именно это нагляднее всего отличает молекулярную биологию от ее ближайших предшественниц и соратниц. Ведь биохимику достаточно изобразить на бумаге цепочку уравнений – смысл событий, волнующих его, станет понятен. А вот в молекулярной биологии пространство всегда выступает как важнейшее действующее лицо. В мире молекулярной биологии изменения пространственной конфигурации молекул не только обычное дело, но, более того, важнейшее их свойство, благодаря которому эти молекулы и могут выполнять свои биологические функции. Классическим примером здесь служит, в частности, молекула гемоглобина. Ее структура, как оказалось, тесно связана, даже более того, порождена выполняемой функцией – связывать кислород и в составе эритроцитов крови переносить его из легких в различные ткани организма.

Как же осуществляется эта связь между структурой и функцией?

Молекула гемоглобина возникает в результате взаимодействия четырех субъединиц, каждая из которых являет собой достаточно законченный, сформированный блок. Субъединицы, соединяясь в пары – пар, следовательно, получается две, – образуют не жесткую, неподвижную структуру, а гибкую, меняющуюся, трансформирующуюся. Когда молекула гемоглобина «занята» своей основной работой, то пары субъединиц то сдвигаются друг с другом, то раздвигаются. При их сближении молекула получает такую конфигурацию, что может захватить атом кислорода, а при их расхождении атом кислорода освобождается – молекула словно выпускает его из своих объятий. Весь этот процесс очень напоминает движение грудной клетки, что и дало одному из исследователей основание назвать молекулу гемоглобина «молекулярными легкими».

Еще один пример. В работе, которая проводилась под руководством академика КО. А. Овчинникова, изучалось действие биологических факторов, которые обеспечивают так называемый активный транспорт веществ. Дело здесь вот в чем. Ведь обычно вещества передвигаются от мест с более высокой их концентрацией туда, где их содержание в данный момент ниже. Но в живой материи множество важнейших функций – хотя бы проведение нервного импульса – основано как раз на обратном: переносе ионов туда, где их концентрация становится больше. Это явление и называется активным транспортом. Оно обеспечивается действием специальной группы веществ – ионофоров. Так вот, в работе, о которой я начал говорить, изучался валиномицин – типичный представитель таких «переносчиков».

Оказалось, что при одних условиях пространственная форма молекулы валиномицина напоминает закрытый бутон цветка. Но стоит им измениться, как молекула буквально преображается: она просто выворачивается наизнанку, словно бутон распускает свои лепестки. Именно в результате такой трансформации и осуществляется активное перемещение-перенос ионов калия через клеточные мембраны, «в строительстве» которых участвует валиномицин.

И этот новый, объемный мир требует от исследователя умения приспособиться к нему, «войти» в него. И «жить» там. Ведь, в сущности, и расшифровка генетического кода, ознаменовавшая рождение молекулярной биологии, была не чем иным, как торжеством пространственного воображения. Используя данные, полученные целым рядом других ученых, объединив в пространстве множество отдельных деталей, Ф. Крик и Дж. Уотсон сумели вообразить целостную пространственную структуру – двойную спираль.

Второй характернейший признак молекулярной биологии – так называемый принцип редукционизма. Суть его в том, что познание сложного, в том числе и жизненных процессов, должно идти через расчленение сложного на его возможно более простые части, которые в конце концов и становятся фактическим предметом изучения.

Сегодня не подлежит сомнению, что, только избрав именно этот путь, молекулярная биология добилась целого ряда выдающихся успехов. Бактерии, вирусы, фаги, субклеточные образования были главными объектами исследования во всю предшествующую пору молекулярной биологии. Это само по себе привело к немалым успехам в познании живой материи. Но позже закономерности, обнаруженные при изучении этих предельно простых объектов, оказалось возможным распространить и на весь мир живых существ. Ясно, что если природу многих процессов, важных, скажем, для жизни слона, можно вскрыть, изучая микроб кишечной палочки, – это торжество принципа редукционизма.

Но, разумеется, принцип редукционизма не только многое дает исследователю, но и требует от него умения видеть место исследуемого им механизма в общей картине жизни, или, говоря словами русской пословицы, – умения за отдельными деревьями видеть и весь лес. Сводя сложное явление к сумме его частей, надо обязательно уметь проделывать этот путь и в обратном направлении: к сложному целому, к системной организации, к воссозданию целостности, другими словами, уметь от редукционизма перейти к интеграции.

– Сила научной теории, как известно, заключается в ее предсказательности. Сегодня процесс деления клетки достаточно хорошо изучен, но все его составные детали были «извлечены» экспериментальным путем, ни одна из них не была предсказана теоретически. Вряд ли этому стоит удивляться. Ведь еще только предстоит преодолеть настоящую пропасть между простейшими объектами, стоящими на грани живого и неживого, изучением которых занимается молекулярная биология, и миром высших организмов. Что делается для того, чтобы «перебросить мост» через эту пропасть?