Давно ушли в прошлое времена витализма, когда думали, что всякое живое тело содержит в себе особую субстанцию, а всякое существо наделено душой.
В XIX в. химикам удалось получить синтетическим путем органические вещества. Постепенно список таких веществ расширялся, и эти вещества становились все более сложными. Ученые показали, что можно подражать жизнетворным органам животных и растений и воспроизводить в лаборатории многое из того, что делает клетка. Поскольку при таких опытах экспериментаторы имели в качестве исходных продуктов лишь простые неорганические соединения и не добавляли в свои колбы и реторты «жизненный эликсир», то результаты опытов все сильнее и сильнее подрывали веру в существование специфического агента жизни.
Не только синтез, но и анализ способствовал разрушению этой веры. Важнейшие составляющие живой материи — белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты — подвергались разложению на элементарные части. Структура молекул, входящих в состав живого организма, изучалась день за днем тысячами специалистов. Все яснее вырисовывался вывод: механизм действия самых сложных ячеек живой ткани можно понять, в принципе, без гипотезы об особых «флюидах». Создавались все более правдоподобные модели клетки, показывающие, как из комбинации простого создается сложное и сверхсложное.
В наше время, по-видимому, мало кто из биологов сомневается, что рано или поздно в лабораторных условиях удастся получить такие характерные для всего живого мира соединения, как сложные белки или нуклеиновые кислоты. Сейчас это не осуществимо не только из-за технических трудностей: не совсем точно известна структура огромных молекул этих веществ. Но технические препятствия редко бывают непреодолимыми: поэтому мы говорим, что придет день, когда люди с помощью своего разума и рук сделают то, что сделала миллиард лет тому назад природа — создадут из мертвых веществ простейший комочек жизни.
Как мы знаем, материя неуничтожима. Электроны, протоны и нейтроны — частицы, из которых состоят атомы всех элементов, — не исчезают и не появляются из ничего, по крайней мере в тех случаях, которые нас интересуют в этой книжке. Меняется лишь способ объединения этих простых частиц в устойчивые образования — молекулы, кристаллы и т. д. Частицы образуют группы, переходящие из одних состояний в другие. Но выше уже было сказано, что наиболее удобной характеристикой состояния является его энергия. Ведь энергия тоже не возникает из ничего и не пропадает бесследно, поэтому за ее движением можно легко проследить. Значит, если рассматривать клеточный обмен как непрерывное преобразование энергии из одной формы в другую, в руках исследователя появится необходимая количественная мера.
Весь живой мир «питается» энергией, заключенной в химических соединениях. Одни только зеленые растения составляют исключение: в их листьях происходит процесс фотосинтеза и энергия солнечного луча переходит в форму химической энергии сложных молекул. Фотосинтез— единственные ворота, через которые солнечная энергия вливается в органический мир. Все организмы, неспособные к фотосинтезу, питаются или прямо растениями или косвенно ими же — едят животных, питающихся растениями.
Многие из читателей знакомы с замечательными популярными книгами К. А. Тимирязева, посвященными превращению энергии Солнца в химическую энергию крахмала и сахара. Выдающийся ученый нарисовал впечатляющую картину первой фазы великого превращения энергии, в котором заключена жизнедеятельность. Вторая фаза — потребление энергии молекул крахмала и сахара (вернее, многих сортов крахмалоподобных и сахароподобных веществ) клеткой, построение ею огромных белковых молекул по плану, передаваемому через сменяющиеся поколения молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты.
В настоящее время нельзя еще нарисовать картину второй фазы так же полно, как делал это Тимирязев в своих статьях по фотосинтезу. Но все же многое теперь стало понятно в работе клетки, в энергетических превращениях, происходящих в ее частях. В частности, стало ясно, почему жизнь в основном потребляет лишь химическую форму энергии и «боится» других форм — световых или радиоактивных лучей. Суть в том, что исполинские молекулы белка, из которых построена живая клетка чрезвычайно чувствительны и хрупки.
Десять-двадцать лет тому назад аксиомой любого учебника было существование трех состояний вещества: газа, жидкости и твердого тела. Такая простейшая систематика сейчас уже явно недостаточна; она не охватывает всю материю, которая нам известна.
Первым нарушило тройственность понятие поля. Оно проникло в физику постепенно. Сначала поле отождествлялось с чем-то воображаемым, было удобно лишь для расчетов. Материальность поля и его равноправие с «весомой» материей долго не решались признать официально — слишком сильные возникали воспоминания о эфире и флогистоне прошлого. Однако ученые настолько привыкли к понятию «поле», что воспринимают его так же «зримо», как Фарадей воспринимал свои силовые линии.
Пятое состояние материи (его иногда называют четвертым, рассматривая лишь весомую материю) нашло признание в науке совсем недавно. Это — плазма, т. е. смесь положительно заряженных ионов и свободных электронов, сорвавшихся с оболочек. Конечно, о том, что в недрах звезд газ ионизирован, знали уже давно. Но только подробные исследования свойств плазмы, проделанные в последние годы, позволили узнать точные законы, управляющие плазмой, и выделить ее в особое состояние материи. Материя во Вселенной находится, по-видимому, в основном именно в плазменном состоянии.
Не пора ли признать, что существует и шестая форма, в которой пребывает меньшая часть материи, но которая не теряет от этого своего значения — жизнь?
Живая ткань. Огромные полимерные молекулы ДНК и белка — это не твердое тело и не жидкость. Организм — не эмульсия, не суспензия, не раствор. Им управляют совершенно особые законы. Пока мы их не знаем — основание ли это для того, чтобы отрицать неповторимую специфику живой материи!
Диапазон удельной энергии (энергии на единицу массы) для плазменной формы вещества огромен. Плазма может существовать при тысячах, сотнях тысяч и миллионах градусов. Для живой материи этот диапазон минимален. Жизнь как бы представляет собой овеществленное противоречие — с одной стороны она постоянно жаждет энергии, с другой стороны — боится получить чрезмерно большую дозу энергии.
В этом нельзя найти ничего удивительного, если подумать об основных функциях жизни. Сложность, упорядоченность, стабильность, удержание и передача информации— все это немыслимо при больших энергиях, когда начинает царить закон случайных соударений. Жизнь есть нечто прямо противоположное хаосу, а хаос неизбежно возникает там, где четкие правила сцепления атомов в молекулы заглушаются высоким энергетическим фоном нагретой среды.
Наука еще далека от четкого определения шестого состояния материи, т. е. жизни. Мы затронули это вопрос лишь потому, что поставили своей целью рассказать об одной из важнейших особенностей живой ткани— биолюминесценции. Но рассуждая о свойстве некоего явления, неизбежно приходишь к размышлению о природе этого явления, даже если располагаешь скудными данными. В нашем случае такое «глубинное» размышление становится плодотворным, если использовать ключ, уже столько раз выручавший науку — энергию.
Из работ многих ученых, в том числе академика В. Н. Кондратьева и его учеников, мы знаем, что при поглощении 2—9 электроновольт энергии (это соответствует 46,2—207,4 кал/моль), как правило, происходит переход электронов, осуществляющих химические связи атомов в молекуле, на более высокие энергетические уровни. Молекула оказывается в возбужденном состоянии. Из того, что было сказано выше, ясно, что возбуждение не может длиться долго, ибо всякая квантовая система стремится к низшему из всех возможных энергетическому уровню.
Как может улетучиться избыток энергии? Во-первых, молекула может диссоциировать, развалиться на две части. В случае живой ткани это может означать гибель молекулы, выход ее из строя. Но деление сложных молекул, управляющих построением белковой ткани, происходит по четким правилам, в определенный момент времени и в определенном месте клетки (нарушение закономерностей деления молекул ДНК, т. е., в конечном счете, роста ткани, есть раковое заболевание); мы же говорим о случайном возбуждении молекулы, о случайной диссоциации. Следовательно, такой путь сбрасывания излишней энергии, как диссоциация, вообще говоря, для живой ткани молекулы плох. Второй способ — излучения, люминесценция.
Наконец, в третьем варианте возвращение электрона на основной уровень может привести к увеличению кинетической энергии молекулы и ее соседок — выделится тепло. Молекула в живой ткани должна «заботиться» и о всей особи, в которую она входит, и о себе «лично». Но что угрожает ей самой? Например, развал, о котором мы сейчас говорили.
Следовательно, (принимая за аксиому, что живая материя устроена целесообразно, т. е. выработала в себе защитные свойства), должны существовать какие-то способы предотвращения возможной диссоциации молекул живой ткани из-за перевозбуждения.
Так мы приходим к выводу о том, что одной из функций биолюминесценции является сбрасывание избыточной энергии возбужденных молекул. Может быть живое свечение — не что иное, как предохранительный клапан, через который выпускается лишняя энергия, могущая «разорвать» молекулу?
Пробежим мысленным взором по многообразной фауне и флоре нашей планеты. Мы увидим бескрайние скопления населяющих океанскую толщу рыб, моллюсков, змей, черепах; разнообразных наземных животных; заросли тропических лесов, травяные просторы саванн и тундры. Вся эта колоссальная масса непрерывно обновляющегося живого вещества—шестое состояние материи — процеживает через себя энергию. Но энергетический поток не должен захлестывать живую ткань, дозировка этого потока строго регламентирована. Жизнь — это форма существования материи, характеризующаяся очень узким диапазоном энергетического баланса. Если волку не хватает внутриклеточных запасов энергии, он упорно разыскивает жертву, подбирается даже к человеческому жилью. Но когда дичи много, волк не съест лишнего. Если день холодный, кошка укладывается на солнечной стороне двора и греется. Но вот стало чрезмерно жарко, и она ретируется в холодок. Любая особь, любой организм обладает сознательным или инстинктивным механизмом авторегулировки, пропускания сквозь себя энергии.
Так ведет себя организм в целом, а что можно сказать относительно отдельной его молекулы? Ведь она не может уползти, скрыться в тень и т. д. Что если в результате химических реакций появится избыток энергии, возникнет недопустимо высокое возбуждение, угрожающее хрупкой частице? Тогда вступит в действие биолюминесценция, избыток энергии будет сброшен и опасность, таким образом, будет отведена.
Удивительно стройная теория, не правда ли? Ее можно даже развить и добавить следующее: возникнув первоначально как защитный механизм живых молекул от перевозбуждения, биолюминесценция в дальнейшем (в процессе эволюции, борьбы за существование и естественного отбора) стала использоваться некоторыми животными для определенных целей. Светляк, например, употребляет ее для сигнализации, животные морских глубин— для освещения вечного мрака океанской пучины. У тех же видов, которые не сумели использовать живое свечение, оно сохранило свое значение лишь в качестве предохранительного клапана.
Объяснение получается на первый взгляд простым и логичным. Но в построении теорий нужна осторожность. Прежде, чем утверждать что-либо, посмотрим внимательно, какие молекулы входят в состав живой ткани, каковы свойства этих молекул, какие из них боятся перевозбуждения и какие ответственны за биолюминесценцию.