Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров
И вот выяснилось, что химизм действия препаратов находится в прямой зависимости от величины, высчитываемой математически и сухо именуемой «коэффициентом k». Этот показатель характеризует энергию связи электрона с молекулой.
Для вычисления энергетических уровней молекул обычно прибегают к двум квантово-механическим приемам. Один из них уже упоминался — это метод валентных схем. Именно его применили впервые Гейтлер и Лондон для расчета молекулы водорода. Метод предполагает, что любую молекулу можно мысленно разбить на ряд двухцентровых двухэлектронных связей. Несколько иная посылка лежит в основе метода молекулярных орбит. Там отвергается утверждение, что электрон находится у определенного атома. Напротив, химическая связь считается результатом движения электронов в суммарном поле, созданном всеми электронами и всеми ядрами. Электрон как бы размазан по всей «молекулярной орбите». Понятно, почему метод молекулярных орбит оказался особенно эффективным для расчета систем сопряженных связей, которые играют первостепенную роль в органической химии и биологии.
Энергия какой-либо орбиты E равна α + kβ. Здесь α — кулоновский интеграл, β — обменный интеграл. Первый выражает энергию электростатического взаимодействия электронов между собой и с ядрами. Второй — энергию обменного взаимодействия. Для веществ, близких по химической природе, значения α и β почти одинаковы. Следовательно, энергия зависит главным образом от величины k. Коэффициент k рассчитывается для двух видов молекулярных орбит — связывающей и разрыхляющей.
Когда образуется молекула, энергия электронов в основном состоянии оказывается меньше, чем сумма прежних энергий электронов в индивидуальных атомах (расщепление уровней!). Потому-то и выделяется тепло при объединении двух атомов H в молекулу H2. Но если электроны переходят в возбужденное состояние, они подпрыгивают с основной («связывающей») орбиты на более высокую «разрыхляющую». Так она называется оттого, что заполнение ее электронами в результате активации молекулы приводит к «разрыхлению» валентной связи и распаду молекулы на атомы. Энергия разрыхляющей молекулярной орбиты больше, чем у исходных атомных орбит.
Главное — запомнить: удалить электрон со связывающей орбиты тем легче, чем меньше коэффициент k. Стало быть, тем лучшим донором электронов является молекула. Например, для одного из электронных посредников дифосфопиридиннуклеотида ДПН—H k = 0,298. Это очень хороший донор. А у ДПН+ +, k = 1,032. Значит, донор из него никудышный.
Равным образом, чем меньше коэффициент k для разрыхляющей орбиты, тем легче молекула присоединяет чужие электроны. Тем лучше из нее акцептор электронов. У ДПН+ в этом случае k = 0,356. Очень хороший акцептор! А для ДПН—H k = 1,032. Акцептор из рук вон плохой. А наши антагонисты — аминазин и серотонин? У первого для связывающей орбиты k меньше нуля. Значит, это успокаивающее средство оказывается исключительно щедрым донором. Зато акцептор из него скверный (k = 1). У серотонина же наоборот — способность принимать чужие электроны выражена ярче (k = 0,87). А отдавать свои — э, нет, здесь серотонин «жаднее».
Если целебное действие успокаивающих средств связано с их способностью отдавать электроны, то квантово-механический расчет позволит выявить и более могущественные лекарства! Если введение доноров смягчает симптомы шизофрении, то, быть может, именно недостаток электронов вызывает этот тяжелый психический недуг? Тогда возникает новый вопрос: чем объяснить недостаток электронов? Не присутствием ли в крови акцепторов? А раз так, то на любой акцептор можно найти управу в виде соответствующего донора!
Автор приносит глубочайшие извинения за длинные-предлинные цитаты. Но, право, лучше не скажешь!
«Я не предлагаю здесь новую теорию шизофрении, — скромно заключает Сент-Дьердьи. — Я пытаюсь лишь показать, что квантовая механика может подсказать новые подходы к важным проблемам, которые уж так давно зашли в тупик». Да, действительно: дистанция между абстрактными математическими расчетами и постелью больного не столь уж велика!
Свою книгу «Введение в субмолекулярную биологию» автор считает последней. И, словно передавая эстафету новым поколениям, престарелый мэтр квантово-механической биологии обращается к читателю с завещанием:
«Я хотел бы сделать только одно предостережение биологам, которые отваживаются вступать в область физических проблем. Между физикой и биологией есть существенное различие. Физика — это наука о вероятностях. Если какой-либо процесс 999 происходит одним путем и только 1 раз другим, то физик, не колеблясь, скажет, что первый путь и есть истинный. Биология — это наука о невероятном, и я думаю, что в принципе для организма существенны только статистически невероятные реакции. Таким образом, в живом организме становятся возможными реакции, которые кажутся физику невозможными или, во всяком случае, невероятными. Когда была вскрыта гробница Тутанхамона, оказалось, что за 3000 лет его завтрак не окислился. Такова физическая вероятность. Но если бы фараон воскрес и сам съел свой завтрак, то последний сгорел бы очень быстро. Такова биологическая вероятность. Сам фараон должен был бы представлять собой очень сложную и высокоорганизованную структуру ядер и электронов, статистическая вероятность которой близка к нулю. Я не хочу этим сказать, что биологические реакции не подчиняются законам физики. В конечном счете объяснить их должна именно физика, но только окольным путем, который на первый взгляд может показаться совершенно неправдоподобным.
Все это делает взаимоотношения физиков и биологов очень сложными. Биолог зависит от суждения физиков, но вместе с тем он должен быть очень осторожен, когда ему говорят, что то или иное событие или явление невероятно. Если бы я всегда соглашался с вердиктом физиков, то мне пришлось бы бросить это направление моих исследований. Я счастлив, что не сделал этого».
Через все научное творчество Сент-Дьердьи красной нитью проходит мысль: не стоит смущаться ошибками и неудачами при решении больших задач. Автор сам так выразил ее в шутливой форме: «Когда я переехал в Вудс-Холл и начал ходить на рыбалку, я всегда носил с собой огромный крючок. Я знал, что все равно ничего не поймаю, но ведь приятнее не поймать большую рыбу, чем маленькую».
Неизведанное — малонадежная почва. И тому, кто на нее вступает, дано утешаться лишь надеждой, что его ошибки окажутся почетными.
Бесстрашие в научных дерзаниях, свежесть взгляда вопреки культу традиционных представлений — вот к чему зовет Сент-Дьердьи. Этого не занимать нашей молодежи.
В декабре 1961 года — за три года до выхода в свет книжки Сент-Дьердьи — в Тбилиси проходил союзный симпозиум по кибернетике. Всеобщее внимание привлекла работа молодых ученых из Института кибернетики Академии наук Грузии. Вот что было доложено младшим научным сотрудником института Квинихидзе и кандидатом физико-математических наук Чавчанидзе.
Математическая модель клетки… Ее еще нет у биологов. Даже такой, которая напоминала хотя бы планетарную модель атома, предложенную Резерфордом. Не
