Читать онлайн «Новая наука о жизни». Страница 15

Хотя химики, кристаллографы и молекулярные биологи и не могут проводить детальные расчеты, необходимые для предсказания для данной системы структуры или структур с минимальной энергией a priori, но они могут использовать различные приближенные методы в сочетании с эмпирическими данными по структурам подобных веществ. Обычно эти вычисления не позволяют предсказывать уникальные структуры (кроме как для простейших систем), но позволяют получать лишь ряд возможных структур с более или менее равными минимальными энергиями. Таким образом, оказывается, что эти приближенные результаты подтверждают идею о том, что энергетические соображения недостаточны для объяснения уникальной структуры сложных химических систем. Но этого вывода всегда можно избежать, утверждая, что уникальная стабильная структура должна иметь энергию более низкую, чем любая другая возможная структура. Это утверждение никогда не может быть опровергнуто, поскольку на практике для расчетов могут быть использованы только приближенные методы; поэтому уникальная структура, реализованная в действительности, всегда может быть приписана тонким энергетическим эффектам, которые ускользают при вычислениях.

В отношении структуры кристаллов неорганических веществ эту ситуацию можно проиллюстрировать следующими соображениями Полинга:

«Простые ионные вещества, такие как галогениды щелочных металлов, имеют небольшой выбор структур; существует очень мало стабильных расположений ионов в кристалле, соответствующих формуле М+Х—, и различные факторы, которые влияют на стабильность кристалла, вступают в борьбу друг с другом, причем совсем необязательно каждый из них находит явное выражение при выборе между упаковками хлорида натрия и хлорида цезия. Для сложного вещества, такого как слюда, KalSi3O10(OH)2, или zunyite, Al13Si5O20(OH)1 °Cl, напротив, можно предложить много возможных структур, лишь слегка различающихся по своей природе и стабильности, и можно ожидать, что наиболее стабильная из этих возможных структур — та, которую фактически и принимает вещество, — в своих различных чертах будет отражать различные факторы, определяющие структуру ионных кристаллов. Оказалось возможным сформулировать набор правил относительно стабильности сложных ионных кристаллов… Эти правила были получены отчасти путем индукции из структур, известных в 1928 году, а отчасти путем дедукции из уравнений, описывающих энергию кристалла. Они не являются ни строгими в смысле их вывода, ни универсальными в плане их применения, но они оказались полезными в качестве критерия правильности структур, найденных (рассчитанных) для сложных кристаллов, а также в рентгеноструктурных исследованиях, где они позволяют предлагать разумные варианты структур для экспериментальной проверки».[97]

Рис. 9. Вверху: структура фермента фосфоглицераткиназы из мышцы лошади: αспирали представлены цилиндрами, β-нити — стрелками

Внизу: структура — αспирального участка в более крупноми масштабе (из Banks et al., 1979)

Диапазон возможных структур становится многое больше в органической химии, особенно в случае макромолекул, таких как белки, полипептидные цепи которых изгибаются, поворачиваются и складываются в сложные трехмерные формы (рис. 9). Надежно установлено, что в условиях, в которых белковая молекула стабильна, она складывается в уникальную структуру.

В многочисленных экспериментах белки заставляли развертываться в различной степени, изменяя их химическое окружение; и затем обнаруживали, что они снова сворачиваются в свою нормальную структуру, когда их помещали в соответствующие условия; начиная от различных начальных состояний и следуя различными путями свертывания, они приходят к одной и той же конечной структуре.[98]

Этой стабильной конечной точкой, по-видимому, является структура с минимальной энергией. Но это не доказывает, что она является единственной возможной структурой с минимальной энергией, может быть много других возможных структур с той же минимальной энергией. В самом деле, расчеты, проводимые для предсказания трехмерной структуры белков с использованием различных методов аппроксимации, неизменно дают слишком много решений. В литературе по свертыванию белков это известно как «проблема множества минимумов» (multiple-minimum problem).[99]

Есть убедительные причины думать, что сам белок не «проверяет» все эти минимумы, пока не найдет один подходящий:

«Если бы цепь (полипептидная. — Прим. пер.) исследовала все возможные конфигурации наугад, путем вращения вокруг различных одиночных связей в структуре, потребовалось бы слишком много времени для достижения природной конфигурации. Например, если отдельные остатки несвернутой полипептидной цепи могут существовать только в двух состояниях, что является сильной недооценкой, тогда число возможных случайно образованных конформаций для цепи из 150 аминокислотных остатков составляет 10 (хотя, конечно, большинство из них, вероятно, будут стерически невозможными). Если бы каждая конформация исследовалась с частотой вращения молекул (10 сек), что является переоценкой, для опробования всех возможных конформаций потребовалось бы примерно 10 лет. Поскольку синтез и свертывание цепи белка, такого как рибонуклеаза или лизоцим, занимают около 2 минут, ясно, что в процессе свертывания не перебираются все конформаций. Вместо этого, как нам представляется, в ответ на локальное взаимодействие пептидная цепь направляется по возможным низкоэнергетическим путям (число которых относительно невелико), возможно, проходя через уникальные промежуточные состояния к конформаций с самой низкой свободной энергией».[100]

Но процесс свертывания не только может быть направлен по определенным путям, он может быть направлен также к одной особенной конформаций с минимальной энергией, выбранной из всех других возможных конформаций с той же самой минимальной энергией.

Это обсуждение приводит к общему выводу, что существующие физические теории могут быть в принципе неспособны объяснить уникальные структуры сложных молекул и кристаллов; они позволяют предложить набор возможных структур с минимальной энергией, но нет доказательств того, что в состоянии объяснить тот факт, что реализуется одна, а не другие из этих возможных структур. Поэтому можно себе представить, что фактор, отличный от энергии, выбирает между этими возможностями и, таким образом, определяет специфическую структуру, которую принимает система.[101]

Гипотеза, которая сейчас будет излагаться, основана на идее о том, что этот отбор осуществляется причинностью нового типа, пока еще не признанного физикой, — посредством морфогенетических полей.

Гипотеза формативной причинности предполагает, что морфогенетические поля играют причинную роль в развитии и сохранении форм систем на всех уровнях сложности. В этом контексте слово «форма» включает не только форму внешней поверхности или границы системы, но также ее внутреннюю структуру. Предполагаемое возникновение формы вследствие действия морфогенетических полей названо здесь формативной причинностью, чтобы отличить ее от причинности энергетического типа, которой уже так основательно занимается физика.[102] Так как, хотя морфогенетические поля могут вызывать свои эффекты только в сочетании с энергетическими процессами, сами они неэнергетичны.

Идею неэнергетической формативной причинности легче понять с помощью аналогии из области архитектуры. Чтобы построить дом, нужны кирпичи и другие строительные материалы, также необходимы строители, которые кладут эти материалы в должном порядке, и, кроме того, план архитектора, определяющий форму дома. Одни и те же строители, делая одно и то же общее количество работы, используя одно и то же количество строительных материалов, могут построить дома различной формы на основе различных планов. Таким образом, план можно рассматривать как причину специфической формы дома, хотя, конечно, это не единственная причина: эта форма никогда не могла бы быть создана без строительных материалов и работы строителей. Аналогичным образом специфическое морфогенетическое поле является причиной специфической формы, принимаемой системой, хотя оно не может действовать без подходящих «строительных блоков» и без энергии, необходимой, чтобы поставить их на место.

Эта аналогия не имеет целью предположить, что причинная роль морфогенетических полей зависит от сознательно созданного проекта, но лишь подчеркивает, что не всякая причинность должна быть энергетической, даже несмотря на то, что все процессы изменения требуют затрат энергии. Сам по себе план дома не является видом энергии. Даже когда он начертан на бумаге или в конце концов реализован в виде дома, он ничего не весит и не имеет какой-либо собственной энергии Если бумага сожжена или дом разрушен, не происходит измеримого изменения массы или энергии — план просто исчезает. Подобно этому, согласно гипотезе формативной причинности, морфогенетические поля сами по себе неэнергетичны, но тем не менее они играют причинную роль в определении форм систем, с которыми связаны. Ибо, если бы система была связана с другим морфогенетическим полем, она бы развивалась иначе.[103] Эта гипотеза может быть проверена опытным путем в тех случаях, когда морфогенетические поля, действующие на системы, могут быть изменены (см. ниже разделы 5. 6, 7. 4, 7. 6 и 11. 4).