Рудольф Сворень - В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

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.

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.

Машина может рассортировать объекты (т. е. сообщить каких сколько) по их размерам на 120 групп. В частности, машина может рассортировать объекты по их оптической плотности; по длине периметра; по коэффициенту формы — отношению параметра к площади; оценить степень извилистости контура; габаритные размеры объекта — наибольшую длину и высоту; оценить его внутреннюю структуру, выявив и замерив области различной оптической плотности; определить площадь объектов разного цвета; исследовать структуру в разных участках светового спектра, т. е. связать структуру с цветом, а значит в итоге с химическими и физическими характеристиками. Все эти операции прибор выполняет четко, быстро (ошибка при измерении площади объектов не превышает 0,5 %, оптической плотности — 1 %) — за каких-нибудь четверть часа. «Морфоквант» может по довольно подробной программе исследовать 2–3 тыс. объектов.

Создание современного научного прибора и тем более организация его серийного выпуска — дело непростое и, скажем прямо, не очень-то заметное широкой публике. В то же время именно прибор, рабочий инструмент исследователя, нередко открывает путь к важному научному результату.

«Морфоквант», как и ряд его предшественников, созданных в нашей стране, уже записал в свой актив немало интересных практических результатов, в частности в онкологии, гематологии, а также в исследовании хромосом, имеющем очень важное значение для медиков и селекционеров. И конечно же, у этого серийного прибора, в котором в высокой мере реализуется требование века «автоматизировать исследования!», впереди большая и интересная научная биография.