Знание-сила, 1999 № 11-12 (869,870)

Так уж повелось, что по многим методам исследования биология движется в фарватере фундаментальных естественных наук, точных по своему определению. Хотя в принципе ее «квантование», то есть переход на количественные рельсы, началось задолго до возникновения новой физики нашего века.

Речь идет, конечно же, о количественном подходе к биологической проблеме, который использовал Грегор Мендель в своих теперь знаменитых опытах с горохом. Подход этот не был близок биологам XIX века, и недаром его «проглядел» Дарвин, который тоже занимался скрещиванием растений.

Плодотворная теория тем и хороша, что она позволяет провидеть направление развития экспериментальных подходов решения задач. В качестве примера можно привести концепцию светового кванта, фотона, который воздействует на хромофор – окрашенную молекулу ретиналя, – в зрительном пурпуре сетчатки нашего глаза. Энергия, приносимая фотоном, изменяет форму молекулы, сигнал об этом изменении передается молекулой белка через мембрану внутрь клетки. Так генерируется нервный импульс, передающийся в наш мозг. Из миллионов отдельных «вспышек» нервных импульсов и складывается то, что мы называем зрением.

Фотон «выбивает» и электрон магния, без которого хлорофилл растений не был бы зеленым. Электрон затем «разбивает» воду на кислород и водород. Без первого мы не можем жить, а второй «заряжает» клетку энергией АТФ, без которой невозможен фотосинтез органики, представляющей основу нашего питания. Так что, как видим, квантовый подход оказался весьма продуктивным в биологий. Можно было бы привести массу других примеров, но вот – одно из самых недавних исследований. Оно основано на совершенно уникальном приложении так называемого принципа туннелирования к работе ферментов, обеспечивающих ту сложность и эффективность живых систем, какие мы видим в реальности.

Туннелированием в квантовой и атомной физике называется «подпороговое» проникновение легких частиц. Речь идет не о преодолении энергетического барьера, «запирающего» самопроизвольное протекание реакций и процессов, а как бы о протекании под ним. Представьте себе морскую волну у берега. Встречая препятствие, она может, разбившись, перелететь через него. А может просочиться снизу, если там есть щель. В физическом микромире такой эффект связан с дуалистической или двойственной природой материи, построенной из частиц-волн. Это, как известно, краеугольный камень основания всей квантовой физики.

Белковая цепь фермента с туннельным каналом в центре.

Туннельный микроскоп позволил увидеть атомы на поверхности образца.

В норме при обычных условиях – той же комнатной температуре – газ на кухне самопроизвольно не возгорается (если у вас не особая горелка). Так же спокойно лежат и спички: горение органики, то есть ее соединение с кислородом воздуха, невозможно без преодоления энергетического барьера, то есть подведения к системе определенной энергии (газ вспыхивает только после поднесения к нему зажженной спички).

Но иногда процессы протекают и без подведения полной энергии активации. В качестве аналогии можно привести пример испарения воды. Она бурно испаряется при кипении, но медленное испарение – «высыхание» – происходит и при комнатной температуре. Проход материальной частицы под пиком энергетического барьера получил название туннелирования. Де Бройль установил, что оно связано с длиной волны частицы, например того же электрона. Длина волны обратно пропорциональна корню квадратному из массы. Между тем электрон в 1836 раз легче протона – вот почему есть сканирующий электронный туннельный микроскоп, но пока еще нет протонного.

Принцип работы туннельного микроскопа связан со способностью электрона проскакивать по туннелю зазор между кончиком иглы «пробника» и поверхностью образца. При приближении иглы к «холму» расстояние уменьшается и по туннелю устремляется большее число электронов – ток возрастает. Для его выравнивания иглу приходится поднимать, потом снова опускать. Так путем последовательных «рейсов» иглы осуществляется сканирование поверхности. Если игла слишком приблизилась к атому или молекуле, то последние «прилипают» к ней, что дает возможность перемещать частицы с места на место. Можно также разрезать молекулу, что и было однажды проделано. Но мы несколько увлеклись…

Физики научились распознавать вирусы