Молекулярная биология

admin Рубрика: Оптимизм
Комментарии к записи Молекулярная биология отключены
Нажмите, чтобы узнать больше .

В 50—60-е годы почти одновременно с рядом открытий, создавших квантовую электронику, произошла весьма радикальная революция в биологии. Она обладала особенностью, характерной для второй половины нашего столетия. В классической науке серия следующих одно за другим фундаментальных открытий обычно открывала сравнительно спокойную полосу разработки частных проблем на основе новой концепции, новых понятий, новых экспериментальных методов. В наше время в тех областях науки, где середина века изменила фундаментальные представления, эти перемены вызывают значительно большое число новых вопросов, чем число вопросов, на которые был получен ответ.

В XIX в. существовала надежда достичь, углубляясь в природу вещей, самого глубокого первозданного слоя. Эта надежда никогда не была общей, но она существовала. Во второй половине XX в. науке, по-видимому, суждено оставить даже надежду на длительную остановку процесса углубления знаний.
Это и придает современной науке ее специфический прогнозный стиль. Раньше характеристика перелома в науке укладывалась в предложение типа «мы теперь уже знаем…» И теперь сохранилась эта составляющая характеристики, но акцент передвинулся на предложение типа «мы теперь видим, что нам еще предстоит узнать». Этот перенос акцента характерен и для биологии, причем под прогнозной рубрикой «что нам предстоит узнать» стоит самый общий и кардинальный вопрос «что такое жизнь?» Он складывается из тысяч конкретных вопросов о структуре и поведении различных организмов, тканей, клеток и молекул, но все они явным образом связаны с кардинальной проблемой сущности жизни. С ней связаны и прикладные вопросы. Продолжением и конкретизацией формулы «что нам предстоит узнать?» служат вопросы: «Как уничтожить рак?», «Как существенно, на десятилетия, продлить среднюю продолжительность жизни людей?», «Как управлять наследственностью?».
Чтобы подойти к этим проблемам (можно также сказать «к этим прогнозам»), следует, как и в предыдущих главах разъяснить некоторые специальные понятия. Но без деталей и самым кратким и беглым образом. Эта книга не претендует на роль обзора современного состояния физики, химии и биологии; задача ее состоит в том, чтобы попытаться ответить на вопрос: как изменяются фундаментальные представления о природе и что может дать человечеству их изменение? А поскольку этот вопрос интересует всех, попытка должна быть сделана в популярной форме, что опять-таки требует ограничить изложение минимумом специальных понятий и терминов.
Тесная связь специальных теоретических (в том числе математических и физических) конструкций и экспериментальных данных с кардинальным вопросом о сущности жизни сближает биологию с натурфилософской мыслью. Но только по широте поднимаемых вопросов, отнюдь не по характеру исследования. Современная биология связывает частные концепции с общей проблемой и с общими постулатами и таким образом достигает «внутреннего совершенства» своих концепций. Но эти общие постулаты обладают непосредственной или опосредствованной возможностью экспериментальной проверки и критерием «внешнего оправдания». Это относится прежде всего к вопросу: какое звено в иерархии дискретных частей материи обладает специфической способностью воспроизводить живое вещество той же структуры? Таким звеном являются очень большие молекулы, состоящие из многих тысяч атомов. Их называют биополимерами и макромолекулами. По своему составу они являются белками (комбинациями аминокислот) и нуклеиновыми кислотами. Существуют очень серьезные аргументы, чтобы приписать этим большим молекулам функцию самовоспроизведения. Современное учение о наследственности приписывает эту функцию хромосомам — образованиям, находящимся в ядрах клеток. В структуре хромосом содержится «генетический код», т. е. эта структура определяет структуру и судьбу клеток, возникающих из данной, а если данная клетка зародышевая, то ее хромосомы определяют эволюцию организма. Эта эволюция не сводится к росту организма, как это происходит, например, с кристаллами. Из весьма общих соображений о коде, предопределяющем поведение миллиардов клеток, из судеб которых складывается эволюция организма, из соображений о численности элементов структуры, в которой закодированы онтогенез и наследственность, из соображений об устойчивости этой структуры, из некоторых принципов квантовой механики и аналогий с квантовой механикой возникло представление о макромолекуле, в которой группировка атомов и радикалов служит генетическим кодом.
Остановимся на том изложении представлений о макромолекуле как носителе генетического кода, которое было сделано Шредингером в середине 40-х годов[53].
Шредингер сближает молекулу с элементом твердого тела — кристаллом. Молекулы в кристалле и атомы в молекуле связаны силами одной и той же природы. Шредингер подчеркивает квантовый характер этих связей — их нельзя представить, исходя из непрерывности энергии и из непрерывного перехода от одной конфигурации частиц к другой конфигурации, обладающей энергией, сколь угодно отличающейся от первоначальной. Далее Шредингер говорит о построении кристалла из молекул. Молекулярная структура может повторяться при все большем участии частиц, вырастая в трех направлениях. Хромосомное волокно (образование, в котором запечатлена информация о наследуемых признаках) представляет собой результат другого пути. Молекула может переходить в апериодическое твердое тело, в апериодический кристалл.
«Другой путь, — пишет Шредингер, — это построение все более и более увеличивающегося агрегата без скучного механизма повторения. Это случай все более и более сложной органической молекулы, в которой каждый атом, каждая группа атомов играет индивидуальную роль, не вполне равнозначную роли других атомов и групп. Мы можем совершенно точно назвать это образование апериодическим кристаллом или твердым телом и выразить нашу гипотезу словами: «…целое хромосомное волокно представляет собой апериодическое твердое тело»[54].
Далее Шредингер разъясняет, почему очень небольшая частица может вместить в себя зашифрованную информацию, определяющую развитие организма. Причина состоит в большом числе комбинаций при сравнительно небольшом числе атомов в молекуле. Поэтому именно молекула (апериодический кристалл, где возможны самые различные группировки одних и тех же атомов) может определить однозначным образом вариант развития организма из колоссального числа возможных вариантов. «Хорошо упорядоченное объединение атомов, наделенное достаточной устойчивостью для длительного сохранения своей упорядоченности, представляется единственно мыслимой материальной структурой, в которой разнообразие возможных («изомерных») комбинаций достаточно велико, чтобы заключить в себе сложную систему детерминаций в пределах минимального пространства»[55].
Шредингер приводит пример азбуки Морзе. Точки и тире, всего два знака в группах из двух, трех и четырех знаков дают 30 сочетаний, 30 букв. Но три различных знака в группах по десять дали бы 30 тыс. комбинаций, а число сочетаний пяти разных знаков в группах по 20 достигло бы 372 529 029 846 191405.
Шредингер энергично подчеркивает отличие молекулы, в которой запечатлен код наследственности, от статистического ансамбля физики. Хромосомные молекулы «представляют наивысшую степень упорядоченности среди известных нам ассоциаций атомов (более высокую, чем у обычных периодических кристаллов) в силу той индивидуальной роли каждого атома и каждого радикала, которую они здесь играют»[56].
Это очень далеко от статистической физики, где «индивидуальная роль каждого атома» пренебрежима и упорядоченность может быть реализована, когда в игру вступает колоссальное число индивидов. Следует заметить (об этом речь будет идти в последних главах этой книги), что «индивидуальная роль каждого атома» исключается не только статистической физикой. Роль каждого индивида отрицается любой классически статистической концепцией, и, чтобы обобщить характеристику, данную Шредингером, достаточно поставить слово атом в кавычки.
Однако Шредингер не считает принцип «индивидуальной роли атома» нефизическим. «Новый принцип — это подлинно физический принцип; на мой взгляд, он не что иное, как опять-таки принцип квантовой теории»[57].
Приведенные соображения исходят из очень общих постулатов, но принципиально допускают возможность экспериментальной проверки. Такая возможность реализовалась в 50—60-е годы с помощью электронного микроскопа и меченых атомов. Об электронном микроскопе уже говорилось, по поводу меченых атомов следует напомнить, что ядерные реакции (в том числе деление ядер) приводят к появлению радиоактивных ядер. По излучениям таких меченых атомов их легко обнаружить и идентифицировать с теми атомами, которые были помещены в те или иные ткани организма. Меченые атомы позволяют проследить миграцию различных веществ в организме и на основе таких наблюдений определить физиологические и патологические процессы вплоть до микропроцессов в клетках.
В 40-е и еще более в 50—60-е годы ответ на вопрос, что такое жизнь, приобрел весьма конкретный вид в том смысле, что указываются пе только функции, но и те структуры, для которых они характерны. О таких структурах уже шла речь. Теперь мы остановимся на них несколько систематичнее, если это слово сколько-нибудь подходит для весьма беглых и отрывочных справок.
Живое вещество состоит из клеток — комочков протоплазмы, окруженных мембранной оболочкой, с ядром и некоторыми другими вкраплениями. Это довольно сложная структура, которая обменивается энергией и веществом с окружающей средой, делится на части — дочерние клетки такой же структуры, дифференцируется (из зародышевой клетки образуются разнообразные клетки многоклеточного организма), перемещается, меняет свою структуру и поведение при изменении внешней среды. В ней синтезируются молекулы белка. Состоит клетка главным образом из макромолекул белка и нуклеиновых кислот. Таких молекул в ней несколько десятков миллионов. Электронный микроскоп позволил довольно детально изучить структуру клеток и даже увидеть некоторые наиболее крупные молекулы.
Как уже было сказано, генетическая загадка — повторение структуры и поведения организма — может быть разрешена и уже отчасти разрешена при изучении клеточных ядер. Их структура — существование в ядре надмолекулярных образований, структура этих образований и структура самих молекул, входящих в эти образования, — исходный пункт современной теории наследственности. Ядро содержит постоянное для каждого вида число уже упоминавшихся хромосом, состоящих главным образом из нуклеиновой кислоты, которая называется дезоксирибонуклеиновой. Ее сокращенное название — ДНК — стало сейчас не менее известно широким кругам, чем названия и символы наиболее часто упоминаемых элементов периодической системы или элементарных частиц, что соответствует фундаментальному значению ДНК и состоящих из нее хромосом для управления работой клетки и для передачи наследственных признаков организмов.
В хромосомах и содержится генетическая информация, которая передается другим элементам клетки, где происходит синтез белка.
Он происходит во внеядерных образованиях, находящихся в окружающей ядро протоплазме и содержащих наряду с другими элементами рибосомы — частицы молекулярных размеров, состоящие из молекул другой нуклеиновой кислоты, рибонуклеиновой (сокращенное название, также широко известно, — РНК). Рибосомы можно увидеть в электронный микроскоп.
Таинственные процессы передачи закодированной в ДНК генетической информации приводят к тому, что при делении клетки образуются дочерние клетки той же структуры и, что особенно важно, с такими же хромосомами. Перед делением клетки каждая хромосома удваивается. Такое удвоение изучено довольно детально с помощью электронного микроскопа и еще детальнее с помощью меченых атомов. Хромосома состоит в основном из молекул ДНК, и удвоение хромосомы определяется удвоением этих молекул. Образование новых молекул ДНК (иначе говоря, синтез ДНК) носит матричный характер. Под этим термином подразумевается следующее. Для биологического синтеза характерны процессы, когда состав синтезируемого вещества определяется некоторой посторонней внесенной извне системой. Эта система аналогична готовой форме, в которую укладывается или в которой застывает исходный материал. В случае синтеза ДНК такой матрицей служит сама молекула ДНК, которая как бы отбирает из окружающей среды необходимые атомы и укладывает их так, чтобы получить другую молекулу.
Удвоение молекул ДНК объясняет сохранение генетического кода, той информации о структуре и поведении организмов, с теми или иными вариациями, повторяющимися от поколения к поколению. Но как действует эта информация, как она заставляет укладываться в определенные сочетания белок, являющийся наряду с нуклеиновыми кислотами основной частью живого вещества? Белок состоит из аминокислот. Их молекулы, распределенные в пространстве, создают всю самосогласованную систему клеток, тканей и органов.
Далее размножение и дифференциация клеток, рост и развитие тканей и органов определяются компоновкой во времени процессов синтеза и распада аминокислот, их взаимодействием с окружающей средой, поведением молекул белка.
Структура клеток, тканей, органов и самих организмов, как и их поведение, определяется наследственной, генетической информацией. Как же эта информация, закодированная в ДНК, определяет структуру и поведение белков?
Здесь мы переходим к проблеме, которую называют проблемой транскрипции. Этот термин, который обычно обозначает изображение некоторого слова буквами другого языка, вполне уместен, поскольку в генетике широко пользуются понятиями кода и другими понятиями теории информации. Специфически биохимический смысл транскрипции состоит в синтезе уже известных нам РНК, т. е. рибонуклеиновых кислот. Дело в том, что ДНК непосредственно не могут служить матрицами для синтеза аминокислот, из которых состоят белки. Здесь имеют место промежуточные процессы. Молекула ДНК служит матрицей для образования молекулы РНК. Это и есть транскрипция, перевод генетического кода на другой язык. Структуре молекулы ДНК, в которой закодированы структура и поведение организмов, соответствует образовавшаяся на этой молекуле, как на матрице, молекула РНК. Такая РНК называется матричной. Ее синтез происходит в хромосомах.
Матричная РНК еще не может передать генетическую информацию белку. Она передает ее другой РНК, которая называется транспортной, и эта последняя уже определяет синтез аминокислот — процессы, происходящие в клетке за пределами ее ядра.
Теперь мы можем вернуться к вопросу о макромолекуле как единственной структуре, способной хранить генетический код, гарантирующий с теми или иными отклонениями самовоспроизведение организмов. Сейчас можно многое прибавить к аргументам Шредингера. Приведем высказанные М. В. Волькенштейном соображения об организме, состоящем из небольших молекул, содержащих малое число атомов[58]. Это не может быть жидкое или газообразное тело. Неупорядоченные движения молекул жидкости или тем более газа не могут гарантировать хранение генетической информации. Другое дело — кристаллическое тело с упорядоченным поведением молекул. Изменения кристаллических решеток под влиянием внешней среды могут быть достаточно однозначными. Вполне представимы быстрые реакции кристаллического «организма» на внешние воздействия, которые меняли бы, например, проводниковые и полупроводниковые свойства проводимости кристаллов. Эти реакции могли бы стать условными рефлексами. Далее, упорядоченная низкомолекулярная система из многих кристаллических решеток могла бы изменять свою структуру так, чтобы в ней запечатлялся генетический код, чтобы она могла воспроизводить себя и, более того, эволюционировать, создавать более совершенные кристаллические организмы. Речь идет, очевидно, о металлическом или состоящем из Других низкомолекулярных материалов кибернетическом роботе. Но, как замечает М. В. Волькенштейн, кристаллический организм не мог бы возникнуть самопроизвольно. Так возникают макромолекулы. В процессах полимеризации малые молекулы превращаются в большие, и только эти последние могут образовывать живые надмолекулярные системы. Теперь их эволюция подошла к тому критическому моменту, когда уже не стихийные силы, а сознательная компоновка самых различных, в том числе кристаллических, немакромолекулярных объектов может создавать самовоспроизводящиеся и самосовершенствующиеся кибернетические системы.
В изложенном беглом очерке клетки, ядра, а также аминокислот, нуклеиновых кислот и их синтеза допущено немало упрощений и неточностей. Существуют вирусы, претендующие на титул живого вещества, но не сформированные в клетки. Существуют бактериальные клетки, они не имеют ядер. Таких оговорок можно было сделать очень много. Но они не изменят тех выводов, к которым мы сейчас подойдем.
Эти выводы относятся к соотношению между современной молекулярной биологией, нашедшей в макромолекулах основные жизненные функции самовоспроизводимости и саморегулирования, и неклассической физикой. Но существуют ли непосредственные логические связи между картиной взаимодействий макромолекул, их синтеза и перекодирования генетической информации, с одной стороны, и принципами квантовой механики — с другой?
Существование макромолекул, так же как и малых молекул, обязано микропроцессам и микровзаимодействиям квантовой природы. На вопрос, что объединяет атомы и радикалы в молекулы, нельзя ответить без ссылок на уровни энергии и орбиты электронов, на их положения и движения, на волновые свойства микрочастиц, на модель атома, вообще на квантовые понятия. Но это еще не делает молекулярную биологию квантовой теорией. Тот факт, что вещество состоит из элементарных частиц, атомов и молекул, т. е. из квантовых систем, еще не придает квантового характера макроскопическим процессам, при объяснении которых можно не принимать во внимание волновые свойства частиц и корпускулярные свойства излучений. Чтобы объяснить сдувание песка с вершины дюны и передвижение дюны, нет нужды ссылаться на атомистическую структуру песчинок. Но, если требуется указать причину формы кристаллических песчинок, придется сослаться на структуру молекул, на расположение атомов, на свойства квантовых систем.
Значительную, даже преобладающую часть биологических и биохимических процессов можно описать, не принимая во внимание ни поведение отдельных электронов, связанное с их волновыми свойствами, ни особенности излучений, связанные с их корпускулярной природой. В частности, процессы удвоения хромосом, синтеза РНК, синтеза белковых молекул по матрицам РНК не являются квантовыми процессами.
Однако есть биологические процессы, которые необъяснимы (и соответственно невоспроизводимы в эксперименте) без квантовых представлений. Эти процессы представляют особенно большой интерес для прогноза и для определения ноозон в молекулярной биологии, в механизме наследственности.
Таковы, в частности, изменения генетического кода в хромосомах, вызванные квантами коротковолновой радиации. [59]
Рассмотрим основные механизмы изменения хромосомы под влиянием излучения [59].
Во-первых, квант энергии может быть поглощен атомом или группой атомов внутри молекулы ДНК. В этом случае вызванная излучением перегруппировка атомов и их связей — серия радиохимических реакций — приведет к разрыву цепи радикалов либо к стойкому локальному изменению структуры молекулы ДНК. Такое структурное изменение является изменением генетического кода и приводит к новым наследуемым признакам. Иными словами, в результате поглощения кванта энергии возникает мутация — внезапное возникновение новой формы, сохраняющейся затем у потомства.
Во втором случае поглощенная энергия не вызывает изменений там, где она была поглощена, но она переходит дальше по молекуле ДНК и где-то вызывает локальное поражение, серию радиохимических реакций и как результат — хромосомную перестройку и мутацию.
В третьем случае эффект поглощения кванта будет косвенным. Этот квант действует не непосредственно на хромосому, а на молекулы окружающей среды. В результате в этой среде появляются новые химически активные агенты, которые действуют на хромосомы как мутагены, т. е. вызывают перестройку генетического кода и мутацию.
В подавляющем большинстве вызванные радиацией мутации вредны. Новые наследуемые признаки препятствуют жизнедеятельности и размножению организмов. Беспорядочная, «энтропийная» радиация, радиационный фон — это одна из строк, написанных на угрожающей стороне той надписи, которая символизирует будущее цивилизации. На другой стороне этой надписи, в программе безопасности, процветания и прогресса проектируется снижение радиации. Прогноз на 2000 год исходит из последовательного снижения фона радиации в результате прекращения ядерных испытаний, строго контролируемого использования атомной энергии, исключающего повышение радиации, и специальных, доста- [60] точно эффективных мероприятий, направленных на ее снижение.
Но, может быть, радиационная генетика, используя упорядоченные и контролируемые излучения, может войти в число конструктивных методов? Она уже вошла в это число. Упомянем о радиационной селекции, о применении радиоактивных изотопов и других источников ионизирующих излучений для увеличения числа разнообразных мутаций и в искусственном отборе тех мутаций, которые повышают жизнедеятельность, скорость размножения и экономическую ценность животных и растительных организмов.
На уровне клеток применение радиации включает радиотерапию. Мы упомянем здесь о радиотерапии рака.
Применение различных излучений для лечения рака могло стать научным, а не чисто эмпирическим методом только на основе молекулярной биологии. Непосредственным объектом радиотерапии служит поведение клеток. Но это поведение запрограммировано в молекулах ДНК. В настоящее время существуют мутационная концепция происхождения рака и другая концепция, возлагающая ответственность за злокачественные новообразования на вирусы. Первая из этих концепций исходит из изменений в генетическом коде как из исходного процесса. Вторая концепция считает исходным процессом проникновение в организм вируса. Но возможно, что вирус воздействует на хромосомы, нарушая их структуру, и видоизмененная, генетическая информация предопределяет способность клеток к злокачественному росту [61]. Во всяком случае без представления о хромосомах и генетическом коде ни этиология, ни терапия рака не могли бы развиваться.
Вместе с тем радиотерапия рака не могла бы развиваться как научная, а не чисто эмпирическая дисциплина без детального представления о воздействии различных по интенсивности и частоте излучений и различных по типу частиц на возникновение радиохимических реакций на молекулярном. уровне. Заметим, что речь идет о существенно квантовых процессах.
Можно думать, что современное применение излучений в сельском хозяйстве и в медицине еще очень далеко и по масштабу, и по характеру от того, что будет достигнуто в последней четверти столетия. Здесь нужно вспомнить о квантовой электронике. Не исключено, что уже в конце XX в. человечество шагнет далеко вперед по пути радикального увеличения продовольственных ресурсов, лечения рака и существенного удлинения жизни людей с помощью квантовой электроники и молекулярной биологии.
Дж. Томсон говорит, что современная радиационная генетика напоминает попытку улучшить статую, обстреливая ее с дальнего расстояния из пулемета[62]. Действительно, применяемые сейчас излучения — это стрельба наугад, с тем чтобы из большого числа неожиданных мутаций выбрать положительные, закрепив их отбором в течение сравнительно долгого времени на ряде поколений животных или растений. Мы не можем вести прицельную стрельбу по хромосоме, во-первых, потому, что у нас нет прицельного оружия (излучение охватывает большой участок живой ткани), и, во-вторых, потому, что у нас нет точно локализованной цели (мы еще не знаем достаточно детально внутреннюю структуру молекулы ДНК и роль ее элементов в образовании тех или иных мутаций).
По-видимому, квантовая электроника может помочь и в прицельности стрельбы, и в локализации цели. Электронный микроскоп позволяет изучать очень малые участки. На таком участке можно сконцентрировать пучок электронов или тонкий пучок квантов электромагнитного излучения. Это будет не только прицельная стрельба, но и метод локализации цели, потому что электроника здесь позволит экспериментально изучать функции элементов молекулы ДНК в создании тех или иных мутаций, исследовать механизм их возникновения и в конце концов получать заранее определенные мутации, воздействуя на соответствующие элементы молекулы.
Речь идет не только о квантовой электронике в узком смысле, но и о всей совокупности излучений различных по типу частиц, различных по энергии, из различных источников. Квантовая электроника позволяет направить на клетку и далее на хромосому луч, чрезвычайно сконцентрированный в пространстве. С другой стороны, можно точнее локализовать излучение во времени, пользуясь релятивистским эффектом: время бежит для бомбардирующей частицы быстрее или медленнее в зависимости от скорости движения частицы; соответственно можно регулировать время ее жизни и фиксировать длину пробега. Быть может, в терапии рака будет широко применяться облучение релятивистскими частицами, которые распадаются там, где это необходимо, и не поражают здоровые ткани.
Сейчас трудно предвидеть конкретные формы «прицельной» радиационной генетики, «прицельной» радиационной терапии. Нас и интересуют здесь не эти конкретные формы, а принципиальное значение этой тенденции для общего прогноза на 2000 г. Оно состоит в переходе к сознательной перестройке детальной структуры биополимеров. Если квантовая электроника концентрирует неупорядоченное и в этом смысле «энтропийное» множество источников излучения, то квантовая биохимия, применяющая тонкие лучи коротковолновых излучений и тонкие потоки различных по типу и энергии частиц, уменьшает неупорядоченность воздействий на генетические изменения.
Наиболее энтропийной, неупорядоченной, неконтролируемой формой таких изменений являются мутации, вызываемые радиационным фоном. Конец XX в. будет временем уменьшения этой энтропийной формы воздействия на жизнь и возрастания концентрированных форм такого воздействия.
В одной из дальнейших глав мы остановимся на проблеме информации и ее накопления и концепции как стержневой линии прогресса во всех областях. Сейчас, забегая вперед, можно отметить следующее.
Природа пошла довольно далеко в статической упорядоченности наследственности. Генетический код обладает высоким уровнем стабильности. Молекула ДНК располагает значительной «памятью» об эволюции вида и неплохо «знает», какие детали организмов будут повторяться в будущем. Но информация об изменении наследственности невелика. Мутации органических форм не запрограммированы. Эволюция органической жизни упорядочена только статистически: из большого, статистически репрезентативного множества случайных мутаций отбираются и воспроизводятся изменения, которые увеличивают вероятность выживания организмов. В некоторой мере это объясняется неупорядоченностью, случайностью, «энтропийностью» воздействий, в частности радиационных воздействий, на живое вещество и генетические коды организмов. Фундаментальная задача нашего столетия — передать следующему веку значительный запас информации о динамике генетической информации. Задача эта в известной мере решается упорядочением, концентрацией радиации, уменьшением ее энтропии (за счет ее роста в окружающей среде), т. е. квантовой электроникой, и аналогичными ей методами. Подчеркнем только, что теоретической основой и более детального изучения биополимеров, и дальнейшего прогресса электроники служит квантовая физика.
Из всего сказанного о воздействии квантовой электроники на молекулярную биологию и о неклассическом характере процессов изменения наследственного кода вытекает следующее.
Ноозоны существуют не только в ряде дискретных частей материи и не только в спектре излучений. Они существуют и в органической жизни. Классическая наука знала о переходах от физических и химических закономерностей к собственно биологическим закономерностям онтогенеза, и здесь, в этой точке перехода, она создавала начальные физико-химические условия для онтогенеза — ноозоны онтогенеза, условия орошения и удобрения, которые вместе с выбором климатических условий для различных культур определяли вероятность определенной онтогенетической эволюции. Классическая наука знала и о начальных условиях филогенеза, а практика комбинировала условия отбора таким образом, чтобы возникали новые, заранее представленные в виде цели селекции видовые особенности. Современная молекулярная биология делает ноозоной переход от физических воздействий на молекулу к структуре молекулы, содержащей генетический код, изменение этого кода.
Но возможность управления изменениями кода вытекает из неклассической природы воздействий и неклассической природы молекулы живого вещества.
Существует еще одна связь между квантовой физикой и биологией. Ее нельзя представить в виде серии экспериментальных приемов и физических схем, переходящих из физики в биологию. Речь идет о повышении интеллектуального потенциала науки в целом, в частности биологии, в результате вызванного квантовой механикой резкого расширения того, что можно было бы назвать ассоциативными валентностями научного мышления. Когда ученый ищет модель, раскрывающую природу некоторого процесса, у него возникает то или иное число ассоциаций. Он может скомпоновать имеющиеся в его распоряжении понятия и факты в соответствии с каждой из этих ассоциаций. Когда Карно думал о границах усовершенствования паровых машин и о переходе теплорода от топки к конденсатору, естественной матрицей для термодинамической схемы была механическая модель жидкости, переливающейся из сосуда с более высоким уровнем жидкости в сосуд с менее высоким уровнем. Когда Фарадей создавал свою концепцию поля, силовые линии ассоциировались с упругими трубками. Ученый выбирает из меньшего или большего числа возможные ассоциации. Число этих ассоциаций во много раз возрастает при появлении новых концепций, которые означают не только «продвижение разума вперед», но и его «углубление в самого себя».
Сейчас мы остановимся на обратной связи между физикой и биологией.
Когда мы говорим об итогах той революции в представлениях о жизни, которой ознаменовалась середина столетия, на первый план выступает воздействие на биологию экспериментальных средств физики и химии, классических и квантовых физико-химических понятий и общего подъема интеллектуального уровня, вызванного теоретической физикой. Но когда мы говорим о перспективах, происходит некоторый сдвиг акцента. По-видимому, в десятилетия, оставшиеся до конца века, значительно вырастет обратное воздействие биологии на физику, химию и связанную с физикой и химией экспериментальную и производственную технику.
Это воздействие возможно на молекулярном и на надмолекулярном уровнях. На молекулярном уровне, вероятно, будет происходить совершенствование синтетических полимеров, причем «целевой схемой» окажутся биополимеры, т. е. макромолекулы живого вещества. Последние обладают рядом преимуществ, например не достигнутой в химии однородностью состава. Биополимеры состоят из молекул, совпадающих по составу и строению. В синтетических полимерах — синтетических каучуках, пластмассах, волокнах — встречаются цепи с различными длинами, с различным расположением радикалов и атомов. Можно предположить, что синтетические материалы в ближайшие десятилетия расширят область своего применения за счет приближения на молекулярном уровне к материалам органического происхождения. Вместе с тем молекулярная биология позволит расширить число синтетически получаемых материалов с заранее заданными свойствами и самый спектр этих свойств.
Не исключено, что на надмолекулярном уровне обратное воздействие биологии на физику приведет к возможности имитировать в силовом аппарате производства двигательные реакции живого вещества.
Чисто механическая или электромагнитная схема не может приблизиться ни по коэффициенту полезного действия, ни по дифференцированности движений к мышце с ее механохимическими функциями.
Дж. Томсон сравнивал руку обезьяны, срывающей с дерева апельсины, с машиной, которая выполнила бы ту же функцию с помощью электроники. Электронная машина, вероятно, с трудом помещалась бы на грузовике и потребляла бы много энергии. Обезьяна весит 20 кг и потребляет 500 г орехов в день[63]. Но это рука обезьяны. А рука человека? Рука, которая «достигла той высокой степени совершенства, на которой она смогла, как бы силой волшебства, вызвать к жизни картины Рафаэля, статуи Торвальдсена, музыку Паганини»?[64]
Быть может, движения мышц, уступающие движениям механизма по точности повторений, но превосходящие их при выполнении дифференцированных распоряжений мозга, станут образцами для производственной и экспериментальной техники. Быть может также, устройства, имитирующие мышцу по функциям, будут имитировать ее и на молекулярном уровне, состоять из синтетических макромолекул и действовать с помощью механохимических процессов. Но все же наиболее вероятная по направлению реконструкция силового аппарата обойдется, по крайней мере в ближайшие десятилетия, без синтетических полимеров, имитирующих механохимические функции мышц, и функции рабочих мышц будут выполнять системы, состоящие из кристаллических решеток.
Об этом уже говорилось. Обратное воздействие биологии на физику состоит в том, что функции живого организма образуют как бы матрицу, или целевую схему, к которой направлено конструирование кибернетических механизмов. Разумеется, эти механизмы смогут (и уже могут) делать то, что недоступно человеческому организму. Но это не лишает организм роли целевой схемы по той простой причине, что кибернетика всегда будет иметь своей главной целью преобразование человеческого труда.

« »

Comments are closed.