Роланд Глазер - Биология в новом свете

Рассмотрим такой пример. Каждому известно, что в горячем чае сахар растворяется гораздо быстрее, чем в холодном. Любая химическая реакция при более высокой температуре протекает быстрее. Почему? Потому что любое преобразование вещества, любой процесс растворения является результатом столкновения молекул. Чем выше температура, тем чаще происходят столкновения, тем быстрее протекает реакция.

Остановимся на процессе растворения сахара в чае. Огромное множество молекул сахара, произвольно расположенных в куске, непрерывно атакуют молекулы воды. Непрерывно, ибо процесс растворения продолжается без остановки вплоть до последней молекулы сахара. Даже когда растворение идет медленно, каждую секунду чрезвычайно большое число молекул переходит из кристалла в раствор.

Что же это за числа, которые мы называем "чрезвычайно" большими? Известно, что один моль (грамм-молекула) вещества содержит 6⋅10 23молекул — это 6 с 23 нулями. Чему равен моль? Молем принято обозначать количество граммов вещества, равное его молекулярной массе, а молекулярная масса — это, грубо говоря, число, показывающее, во сколько раз данная молекула тяжелее атома водорода. Если известна химическая формула вещества, то его молекулярную массу легко рассчитать с помощью таблиц. Молекула воды (Н 2О) в 18 раз тяжелее водорода, следовательно, 18 г воды составляют 1 моль и содержат 6⋅10 23молекул. Такое же число молекул находится в 342 г сахара. Теперь мы получили представление о том, что подразумевается под "чрезвычайно" большим числом молекул.

Итак, огромное множество молекул воды постоянно атакует сахар и даже при самом медленном растворении колоссальное количество молекул сахара переходит в раствор. Что означает при таких больших числах увеличение или уменьшение на один порядок?

Сейчас на Земле живет порядка 10 9человек. По сравнению с 10 23молекул, содержащихся в одном моле, это мало. Однако, если рассчитать, сколько людей рождается и умирает за одну минуту во всем мире, то получится так много, что можно говорить о почти непрерывном рождении или смерти. Если взять большой промежуток времени, то эта величина может составить население большого города.

Мельчайшие биологические структуры, отделенные от окружающей среды мембранами. Сколько молекул вещества они могут вместить? Можно ли здесь еще применять заимствованные из 'обычной' химии понятия, такие, как концентрация, вязкость, значения рН и т. д

Теперь попробуем сузить круг лиц, например до 30-40 человек, которые составляют круг наших знакомых; тогда рождение или смерть будет уже исключительным событием. Таким образом при переходе от большого числа к малому мы одновременно перешли от непрерывности к отдельному статистическому результату.

Так и в молекулярной биологии большое число 10 23становится маленьким, если мало интересующее нас пространство. Встречаются структуры диаметром меньше 1 мкм. Вспомним митохондрию, маленькую клеточную органеллу, отделенную от цитоплазмы клетки двойной мембраной, — энергетическую станцию клетки с очень сложной системой ферментов, и остановимся на ней подробнее. Функционирование ферментов в митохондрии зависит от многих условий. Особую роль играет величина рН, характеризующая кислотность среды. Если внутренняя среда митохондрии нейтральна, количество ионов водорода в ней равно количеству гидроксильных ионов и составляет 10 7грамм-ионов на 1 л, иначе 10 -7моль/л. Как нам теперь известно, в 1 моле содержится 6⋅10 23молекул (атомов или ионов), т. е. в 1 л нейтрального раствора присутствует 6⋅10 16ионов Н +.

Для простоты предположим, что объем митохондрии равен 1 мкм 3, или 10 -15л. В таком случае в этой органелле плавает не больше 6⋅10 16⋅10 -15= 6⋅10 1= 60 ионов водорода. Итак, из очень большого числа получилось маленькое! Что такое 60 ионов, если от того, вступит ли хотя бы один из них случайно в химическую реакцию с молекулой фермента в нужный момент и в нужном месте, зависит биологический процесс? Разве может быть гарантирована непрерывность функционирования, "надежность" работы митохондрии? В такой высокоорганизованной системе, как биологическая, отводить большую роль случаю, конечно же, нельзя.

И здесь мы сталкиваемся с фундаментальной проблемой биологии. В первой главе нас интересовало, почему слон не может быть еще больше, а мышь еще меньше. Ответить на эти вопросы можно было с помощью макрофизики и физиологии. Теперь мы можем спросить, почему не могут быть еще мельче клетки, одноклеточные, бактерии?

По-видимому, этот вопрос действительно связан с борьбой за надежность функционирования системы. Если бы клетка была слишком маленькой, то концентрации молекул в ней или отдельных ее участках оказались бы настолько малыми, что вероятность случайного столкновения молекул, вступающих в химическую реакцию, стала бы слишком низкой и соответствующие химические реакции протекали бы очень медленно. Клетка должна быть достаточно велика, чтобы иметь возможность противостоять случайным флуктуациям теплового хаоса. В этом случае за промежуток времени, необходимый для осуществления какого-либо биологического процесса, с достаточной надежностью будет происходить нужное число случайных столкновений молекул.

Итак, в игру вступает время! Его роль мы уже отмечали на примере со статистикой населения. Можно с уверенностью утверждать, что именно в данную минуту, не позже чем секундная стрелка наших часов сделает полный оборот, в мире родится по крайней мере один ребенок. Однако такое утверждение несправедливо, если мы будем рассматривать только одну какую-либо страну. Если же промежуток времени увеличить до одного часа или дня, то и в последнем случае надежность нашего утверждения значительно повысится.

Вернемся к молекулярной биологии. Если вероятность удачного столкновения в маленьком объеме мала, надо выбрать больший интервал времени. Обобщая, можно сказать так: более мелкие клетки должны быть более медлительными. Таким образом, в мире молекул существует определенная взаимосвязь между пространством и временем.

Конечно, было бы любопытно поближе познакомиться с пространственно-временными соотношениями. Как мала и насколько быстро действует та или иная система? Что нам известно о реакциях, которые могут протекать в столь малых пространствах? Химики тщательно изучили реакции in vitro , т. е. в пробирках. Нерешенные вопросы остаются и здесь, но многое известно уже достаточно хорошо. В растворе находится огромное множество молекул и ионов. Они равномерно перемешаны и хаотически движутся.