Рудольф Сворень - В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]
Публикуя запись этой беседы, хочется сделать два примечания. Одно частное — через несколько месяцев после выполнения первого цикла работ исследователи полностью завершили работу по расшифровке структуры леггемоглобина «с точностью до атомов» — удалось изучить устройство молекулы с разрешением 2 Å.
Второе примечание относится к общим вопросам, связанным с изучением структуры белковых молекул, и в частности лег-гемоглобина. Эта работа затрагивает ряд фундаментальных биологических проблем. Например, проблемы эволюции живого. Эволюция, видимо, нелегко создавала такие сложные агрегаты, как молекула гемоглобина или миоглобина, долго налаживала их серийное производство в живом организме. Немало пришлось повозиться природе, чтобы свирепый химический хищник — кислород— под влиянием гема и самой белковой нити стал дрессированным, ручным. Чтоб он всякий раз не схватывался намертво с железом, как это делают атомы кислорода в свободном состоянии, а легко присоединялся бы к железу. И чтобы легко, по первому требованию уходил, когда, скажем, гемоглобин попадает в ткань, где несколько понизилось парциальное давление кислорода. Или когда миоглобин получает сигнал, что мышцам необходимо топливо, необходимы новые порции кислорода для выполнения той или иной работы.
Для чего нужны эти детали в гигантских биохимических машинах животного — понятно. Но что они делают в растениях? Как туда попали? И когда? Может быть, белковые молекулы, имеющие гем, были еще у общего предка растений и животных? И попали в бобовые растения «в порядке исключения», для выполнения какой-то особой, неизвестной пока функции? А может быть, растительный белок леггемоглобин появился самостоятельно на поздних стадиях эволюции растений? А похож он на гемоглобин в принципе по тем же причинам, по каким бывают похожими предназначенные для одной и той же цели машины, совершенно независимо разработанные в разных конструкторских бюро.
Примечательно, наверное, еще и то, что работа, в принципе биологическая, выполнена в институте, представляющем точные науки, — в Институте кристаллографии. Это явление типично для нашего времени. Можно смело сказать, что в последние десятилетия очень большое число открытий в области биологии, а может быть, даже большинство этих открытий, сделано благодаря успехам точных наук, прежде всего физики, химии, математики. От физиков, например, биологи получили такой совершенный и универсальный метод, как исследование тонких биологических превращений с помощью радиоактивных меток: в какое-либо вещество подмешивают небольшое количество его радиоактивного изотопа и, регистрируя физическими приборами излучение этого изотопа, следят за перемещением данного вещества, за его включением в те или иные клеточные структуры. Или, скажем, такие методы, как электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс — ЭПР и ЯМР. С помощью установок ЯМР и ЭПР воздействуют на исследуемое вещество и при этом очень точно дозируют энергию воздействия, определяя условие резонанса— совпадение внешней энергии с энергией связи электронов в молекулах и атомах. Это позволяет с очень высокой точностью определять структуру молекул, в частности, молекул биологических. В общем же можно сказать, что исследование структуры белковых молекул методами рентгеноструктурного анализа, в частности исследование структуры леггемоглобина, — это лишь один из многих вкладов физики в успехи биологических наук.
Расшифровка структуры леггемоглобина могла бы, наверное, представить интерес для специалистов, изучающих связывание атмосферного азота в почве. Азот — ключевая проблема для земледелия, для животноводства. Достаточно вспомнить, что внесение в почву азотных удобрений может во много раз поднять урожайность зерновых культур: поле, которое давало 5—10 ц хлеба с гектара, после внесения удобрений может дать 40–50 ц!
Азот в почве — это хлеб, корма, это изобилие пищи и растительного сырья. Элемент, жизненно необходимый для развития всего живого, азот не может прямо из атмосферы попасть в растение, в живой организм. Азот попадает в них сложным путем и только через почву, где связыванием атмосферного азота заняты некоторые виды бактерий. Тем из них, что поселяются в корнях бобовых, для работы по добыванию азота необходим леггемоглобин. Но — сами бактерии его не производят, они получают этот белок из растения. А оно в свою очередь начинает вырабатывать леггемоглобин лишь после того, как в корнях появляются бактерии.
Тонкая, точно отлаженная биологическая машина, один из множества шедевров, созданных живой природой… Понять устройство такой машины, с тем чтобы, может быть, улучшить ее, это прежде всего значит в деталях выявить длинные цепочки взаимосвязанных химических превращений, выяснить устройство и функции отдельных их участков, отдельных молекул и даже молекулярных фрагментов.
Одна из ступеней высокой крутой лестницы, ведущей к такому пониманию, — расшифровка структуры леггемоглобина. После успешного завершения этой работы в различных институтах страны, в том числе и в самом Институте кристаллографии, рентгеноструктурными методами расшифрована структура многих других сложных биологических молекул.
Компьютер смотрит в микроскоп
Анализ микроскопических объектов с помощью электронной вычислительной машины помогает добывать качественно новую информацию о живой природе.
Наконец, наступил день, когда груз был доставлен адресату. На накладной рядом с «получил» и «сдал» поставлены подписи, и с огромного грузовика «Совтрансавто» снимают на асфальт, а затем вносят в вестибюль института несколько деревянных ящиков, аккуратно стянутых стальной лентой. На желтоватых стенках крупными буквами обозначено: «Получатель — СССР, Пущино-на-Оке, Институт биофизики АН СССР… Отправитель — ГДР, йена, Народное предприятие «Карл Цейс йена»… И изящный контур бокала на тонкой ножке, напоминающий: в ящиках находится нечто такое, к чему нужно относиться крайне осторожно. Это «нечто» — первые отправленные в нашу страну серийные образцы прибора «Морфоквант», разработанного совместно советскими специалистами и специалистами ГДР.
«Морфоквант» относится к сканирующим приборам для автоматического анализа микрообъектов, проще говоря, к приборам, которые сами исследуют картинку в поле зрения микроскопа и выдают результат в виде графиков или колонок цифр. Например, такой: «В поле зрения столько-то частиц такого-то размера, столько-то красных частиц, столько-то серых, такой-то процент круглых или продолговатых…» В некоторых научных исследованиях автоматические анализаторы могут дать большой эффект, причем не только количественный, но и качественный. То, на что лаборант затратил бы несколько томительных дней, делается в несколько минут, и появляется возможность анализировать огромные, недоступные ранее массивы информации, извлекая из хаоса «больших чисел» едва уловимые закономерности. Автоматические анализаторы начинают применять для решения практических задач, в частности в медицине, микроэлектронике, геологии, металлографии и, конечно же, в биологии — для изучения фантастического многообразия клеточных структур. Над созданием таких приборов работают многие фирмы Великобритании, Франции, США, Японии, ФРГ.
В нашей стране работы в этом направлении начались много лет назад по инициативе академика Г. М. Франка и главным образом в Институте биофизики, которым он руководил. В скором времени в работу включились исследователи и конструкторы некоторых институтов и заводов Риги, Ленинграда, Новгорода, Москвы. Был пройден нелегкий путь поисков и создана целая последовательность приборов, которую сегодня завершает «Морфоквант». Оригинальные идеи и технические решения — их новизну подтверждают десятки авторских свидетельств и патентов, полученных за границей, — сделали «Морфоквант» прибором, если можно так сказать, высокой квалификации, по ряду показателей пока еще никем не достигнутой.
Электронный глаз «Морфокванта» — фотоумножитель — рассматривает исследуемый препарат, точку за точкой; для этого двухступенчатая система прецизионных шаговых двигателей перемещает предметное стекло и часть оптической системы микроскопа с шагом от 0,1 до 3,2 мкм. Рассматривая, например, детали клетки по двум оптическим каналам с разными диафрагмами, удается автоматически осуществить очень точную фокусировку микроскопа. Подобным же образом можно нащупать границу объекта, обойти его контур и очень экономно записать координаты контура в память универсальной ЭВМ, которая входит в «Морфоквант». Кстати, ЭВМ сама управляет операцией обхода контура, а в дальнейшем анализирует геометрические или иные характеристики объекта, представленные сериями электрических сигналов.
