Борис Ляпунов - Химия завтра
В-третьих, и потому, что среди ферментов есть химические аккумуляторы энергии. Энергия требуется и для создания белков, и для работы мышц, для сохранения постоянной температуры тела — словом, для любого проявления нормальной жизни организма.
ЧАСТЬ II
В ШКОЛЕ ВЕЛИКОГО ХИМИКА
Заглядывая вперед, химик-технолог не сможет пройти мимо опыта живой природы — этого поистине Великого Химика, искуснейшего из искусных.
Что дало бы нам овладение секретами живой химии?
Если мы сможем, подобно ей, обойтись без высоких давлений и температур, значит, не понадобятся дорогие материалы, Стекло, вероятно, заняло бы на химических заводах место стали.
Высочайшая надежность? Пока она недостижима, говорят ученые. Надо еще разобраться во всех тонкостях природной кибернетики. Они не сомневаются, что со временем это удастся сделать. У нас часто пользуются выражением «умные машины», Но только природа поможет сделать их по-настоящему умными.
Наши катализаторы в сотни и тысячи раз менее активны, чем ферменты животного и растительного мира — катализаторы природные. Они еще не обладают столь высокой избирательностью — способностью ускорять только одну реакцию из многих сотен.
А ведь те же самые реакции, в которых участвуют ферменты, мы встретим и на наших химических заводах.
Мы не будем, конечно, слепо копировать природу. В сложных молекулах ферментов лишь частичка, лишь активный центр служит всему причиной. Выходит, можно создать упрощенную постройку. Биохимики выделяют ферменты из живых тканей. Химикам же придется из большого ассортимента молекул неживой материи создать искусственно подобие живого фермента. Думают даже, что в искусственных ферментах обойдутся… без белка.
Спрашивается: сравняется ли по силе действия биокатализатор искусственный с природным? Да и будет ли годиться для наших целей ферментный осколок, только одна его активная часть? И, наконец, выполнят ли свою роль так, как нужно, катализаторы, устроенные проще, чем белки?
Опыты дали утвердительный ответ. Правда, не всегда удается догнать природу, получить столь же энергичный фермент. Но ведь это сейчас, а в будущем, может быть, будет иначе! Есть к тому же случаи, когда создавали даже более активные биологические вещества, чем природные.
Сегодняшняя практика подтверждает, что соревноваться в создании ферментов с природой вполне возможно. В то же время эти успехи таят в себе загадку для теории.
Если работоспособны более простые вещества, то зачем природе понадобились такие сложности? И только ли в одной активности дело? Не выполняют ли ферменты еще какую-то роль? Не могла же искусница-природа допустить столь неоправданные излишества или какие-то просчеты!
Большинство ферментов в клетке, оказывается, сосредоточено в митохондриях — особых тельцах, разделенных перегородками. Такая конструкция непроизвольна: недаром же, если митохондрии постепенно разрушаются, они вновь восстанавливаются, и опять с теми же перегородками. По-видимому, все эти сложные сооружения составляют часть химического завода клетки.
Чтобы создать химический завод, столь же совершенный, как клеточный, биохимикам предстоит немало поработать.
Ферменты возникли в первом же живом комочке белка. С тех пор несметное число тысячелетий природа совершенствовала это свое создание, как и другие детали белковых молекул. А если создать модель химической системы, которая станет само-развиваться подобно живому белку?
Разумеется, такую эволюцию надо сжать во времени. Ее можно направить и необязательно по проторенному пути, а выбрать другой вариант, не только более короткий, но и чем-то более интересный. У природы, как мастера эволюции, тоже бывали в запасе разные варианты.
Клетка устроена одинаково у людей и животных. Но люди и животные суши не могут пить морскую воду, а обитатели моря и одна-единственная птица — альбатрос — могут. У альбатроса имеется солевая железа, клетки которой работают несколько иначе. Сложная система клеточных «насосов» опресняет воду и выбрасывает соли.
Если уж природа придумала такое хитроумное приспособление, то почему бы и человеку, создав саморазвивающуюся химическую систему, не попробовать вести искусственную эволюцию по-своему?
Сине-зеленые водоросли работают, строят белок не только на свету, но и в темноте, если к питательному раствору добавлять глюкозу. Химическое производство в них легко переналаживается. И это тоже показатель высокого совершенства. Перевести же химзавод с одного вида топлива на другой — для нас целая реконструкция.
Учителями химиков должны стать и бактерии. Как много дала бы химии будущего разгадка секретов их химического «производства»! С помощью своих ферментных систем они могут делать удивительные вещи.
Есть бактерии, которые синтезируют белки, питаясь окисью углерода, а она смертельна для человека даже в самой малой дозе. Есть бактерии, окисляющие железо, превращающие серу в серную кислоту, использующие гремучий газ, который не взрывается при этом.
Невидимки легко и просто связывают атмосферный азот в разные соединения: тот самый азот, который химики долго не могли заставить вступать в реакции и успеха добились лишь с помощью высоких давлений и температур. То, что происходит в клубеньковых бактериях, живущих на корнях бобовых растений и связывающих азот, будет воспроизведено искусственно. Тогда покажутся анахронизмом дорогие, громоздкие, огромные машины и аппараты современной химической индустрии.
Катализаторы бактериальных клеток весьма совершенны. Мы не умеем иногда получать нужный нам продукт в чистом виде, без «спутников». А бактерии способны на это.
Мы еще не умеем получать кое-какие вещества, которые легко вырабатываются бактериями. Уже тысячи химических реакций, самых разнообразных, проводят для нас микроорганизмы. В будущем мы научимся управлять, руководить их работой.
Мы наладим в широких масштабах синтез всевозможных соединений — антибиотиков и витаминов, углеводов, белков и жиров, стимуляторов роста, добычу полезного нам всюду, где оно есть. И, что очень важно, мы выведем новые виды бактерий, заставим их синтезировать именно то, что нужно нам. Новые поколения, выведенные искусственным путем, могут оказаться намного производительнее своих предков: отличий здесь не меньше, чем у домашних животных и культурных растений от диких.
Совершенно необычное применение в биохимии уже нашла вычислительная техника. Электронные машины рассчитывают рацион питания для бактерий: первый опыт, который поможет воспользоваться электроникой для управления микробиологическим синтезом. Большие биохимические заводы, производящие корма и пищу, будут управляться кибернетически.
Вполне серьезно геологи говорят уже теперь о возможности создавать месторождения руд — не за миллионы лет, как в природе, а гораздо быстрее. Бактерии в этом помогут, ибо они работники и в подземных кладовых.
Пример неожиданной проблемы, которую химия выдвигает и которую она же должна решить. Тару изготовляют из негорючей пластмассы. Поэтому уничтожить ее невозможно. Но если ввести в нее уже при изготовлении бактерии, то они потом съедят пластик.
Какой откроется простор, когда разгадают многие загадки живого!
Вот один из первых примеров удачной учебы химиков у природы.
Из крови осьминога извлекли вещество, способное собирать медь, растворенную в морской воде. Затем создали подобное вещество искусственно. Оно задерживало не только медь, но и уран, и притом полностью.
Тогда пошли еще дальше: появился еще один химический «аккумулятор» — для золота. Собрали его вроде бы очень мало — меньше полуторамиллионной доли грамма из ста литров. Но Океан велик, а технология чрезвычайно проста. Если пропускать морскую воду через небольшие плотины, поставив на ее пути химический аккумулятор, то можно добыть немало драгоценного металла.
Химики могут поучиться у природы секретам растительных конструкций. Они узнали, что растения состоят в основном из углеводов или похожих на них веществ. Эти вещества особенно подходят для создания прочных и своеобразных архитектурных сооружений. Природа умело распределила материал, применила армировку, — волокна, составляющие остов, выдерживают наибольшую нагрузку, они не менее прочны, чем сталь.
Измельчая и затем уплотняя вещества, готовя из них материал — строительный, конструкционный, — мы, по существу, берем урок у природы.
Кости и мышцы животных, стволы, стебли растений состоят из множества волокон, зерен, пленок. Поэтому материал надо, подражая природе, строить из мельчайших частичек. Сначала надо его раздробить, а потом сблизить между собой частицы, избегая опасных крупных пор и пустот.
