Текст книги "Нанонауки. Невидимая революция"
Автор книги: Кристиан Жоаким
Соавторы: Лоранс Плевер
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 11 страниц)
МОЛЕКУЛЫ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ
Первыми о квантовых вычислительных устройствах заговорили еще в 1980-х годах Ричард Фейнман и Дэвид Дейч из Центра квантовых вычислений Оксфордского университета. Принцип квантового калькулятора основывается на спонтанной реакции квантовой – атомной или молекулярной – системы, находящейся в некотором нестационарном состоянии; предложено использовать для вычислений самопроизвольный отклик этой системы на какой-то стимул. Система делится на маленькие маленькие вычислительные единицы – «квантовые биты». Линейка квантовых битов может быть приведена к квантовой суперпозиции двух основных состояний (0 или 1), и оба состояния будут взаимодействовать между собой, но без обмена электронами. Само вычисление сводится к предоставлению ансамблю квантовых бит возможности самопроизвольно развиваться во времени. Квантовое вычислительное устройство считает примерно так, как считает время часовой механизм на шариках или на подшипниках, катающихся вдоль реек разной длины. Такие часы отсчитывают время ничуть не хуже, чем часы на зубчатых колесиках. Сначала систему квантовых битов готовят, вводя в нее два складываемых числа. Потом система развивается во времени самотеком: состояния отдельных бит меняются, пока не установится новое стационарное состояние всей линейки бит, которое и будет искомой суммой.
Эта концепция квантового калькулятора показывает, что вычислительные устройства не обязательно строить из электронных схем. Более того, специалисты по молекулярной электронике показывали, что незачем «заставлять» молекулу уподобляться электронной схеме – молекула может считать, но совсем не так, как приборы макро– или даже микроэлектроники. Оказывается, для того, чтобы научить молекулу считать, достаточно воспользоваться квантовой динамикой, которая присуща любой молекуле. При этом квантовые молекулы-калькуляторы способны выполнять все мыслимые арифметические и логические операции и, при равной сложности, совсем не обязаны быть такими же громадными и громоздкими, как те молекулы-схемы, которые пригрезились Форресту Картеру. Ученые даже сумели показать, что для квантовых расчетов вовсе незачем дробить молекулу на квантовые биты. Управлять внутренними квантовыми состояниями молекулы можно и манипулируя ее электронной структурой. Сами эти молекулы уже синтезируются и, надо думать, скоро мы узнаем о первых экспериментах с ними. Среди прочего они избавляют нас от пресловутого закона Мура. В самом деле показано, что для увеличения вычислительной мощности не обязательно нагромождать все больше и больше транзисторов на все сильнее уменьшающейся подложке, так как есть возможность управлять развитием квантовой системы во времени, а сама эта система может становиться все сложнее и сложнее и каждое новое поколение подобных систем будет богаче возможностями, чем системы предыдущего поколения.
ЗАВОДЫ ИЗ МОЛЕКУЛ
Первые механические молекулы и первые молекулярные вычислители уже описаны. Напрашивается мысль о соединении молекул обоих типов: если поставить молекулу-калькулятор на молекулу-карету, то получится… молекулярный робот. В самом деле в нашем – макроскопическом – мире роботом называется устройство, выполняющее различные механические задачи и управляющееся вычислительной машиной, установленной в корпусе робота. Сегодня молекула-робот – лишь идея или, лучше сказать, мечта. И никто не скажет, сбудется ли когда-нибудь эта мечта. Химическому синтезу подобных нанороботов и телеуправлению таким синтезом мешают препятствия, кажущиеся пока непреодолимыми.
Но если уж синтез нанороботов столь сложен, то почему бы не попытаться его обойти? Скажем, возложив эту задачу на машины. Ну и пусть сами эти машины тоже будут молекулярными. И пусть они, перебирая атом за атомом (или присоединяя одно химическое соединение к другому), собирают из них все нужные молекулы-машины. Не очень пока понятно, какими они, эти молекулярные сборщики, будут. Ясно лишь, что речь идет о самых настоящих сборочных цехах, даже заводах по производству молекул вычислительных и механических, а также нанороботов. Понятно, конечно, что на нынешнем уровне знаний что-либо в этом роде немыслимо и неосуществимо.
Судя по тому, что нам рассказывают, эти молекулярные сборщики молекул-машин должны выглядеть ультраминиатюризованными копиями роботов, уже трудящихся на наших заводах. К примеру, такому сборщику нужны клещи или пинцет и телескопическая механическая рука – чтобы захватывать маленькие молекулы и по одной подсоединять их, друг за другом, выстраивая нужные агрегаты. Ричард Смолли, большой мастер по обхождению с молекулами фуллерена, не согласен: если молекулярные щипцы схватят молекулу, то выпустить ее они просто не смогут, так как для захвата понадобится химическая реакция, а что делать для того, чтобы щипцы ослабили хватку? Химическую реакцию так просто не «выключишь» – это же не электрический ток. И остановить ее, если она происходит, непросто. Но кто сказал, что сборщику непременно нужны щипцы на конце телескопической руки-схвата – неужели передвинуть один атом или одиночную молекулу нельзя как-то по-другому? Наши коллеги в Свободном университете Берлина иглой туннельного микроскопа передвигали молекулу с шестью ножками в надежде, что она «проглотит» атомы меди, предварительно выложенные на поверхности. Эти атомы постепенно, по одному, оказались под молекулой, в кучке, после чего как-то сортировать или перебирать их стало невозможно – мешали ножки молекулы. Так что экспериментатор может отпустить захваченные было атомы – если только ему удастся поднять иголкой ту молекулу, которая собрала их в кучку.
Другие ученые, в том числе Уилсон Хо, Дон Эйглер, Герхард Мейер или Жеральд Дюжарден из парижского университета Пари-Сюд в Орсе, пробовали на роль сборщика туннельный микроскоп. Они пытались, пользуясь этим прибором, синтезировать молекулу, соединяя, по одному, атом за атомом или фрагмент молекулы за молекулярным фрагментом. Оказалось, что подтолкнуть иглой микроскопа две молекулы навстречу друг другу, чтобы они вступили в химическую реакцию, – предприятие очень утомительное. Надо ухитриться так подвести иглу, чтобы молекула заняла нужное положение: вступит молекула в реакцию или же останется безучастной, зависит от ориентации этой молекулы; точнее, от ориентаций обеих молекул. Правда, похоже на то, что эту задачку и решать незачем: тепло приводит молекулу в движение, исследуемые молекулы самопроизвольно принимают множество самых разных ориентаций, и какие-то из них наверняка вступят в нужные исследователям реакции.
ВСЕ БОЛЬШЕ, И БОЛЬШЕ, И БОЛЬШЕ?
Монументализировать так монументализировать – почему бы и нет? Но неужто до бесконечности? Или все-таки до какого-то предела? Так до какого же размера нам придется строить молекулу? А до нужного – позволяющего в один присест синтезировать одну молекулу-машину. Так, в 2002 году японские химики сумели сформировать молекулярную цепочку длиной в 100 нм. Раньше или позже, но по достижении некоторого (но какого?) размера или определенной сложности (какой?) вновь синтезировать за один раз очередную молекулу, состоящую из все более усложняющихся механизмов, не удастся. Напрашивается возвращение к обычной производственной практике – сборке из готовых частей. А это приводит нас в область супрамолекулярной химии: есть химики, которые уже возделывают эту ниву, например Фрейзер Стоддарт из университета в Лос-Анджелесе, Жан-Пьер Соваж в научном центре CNRS,лауреат Нобелевской премии Жан-Мари Лен в университете в Страсбурге.
Но как собрать множество молекулярных частей вместе – и так, чтобы получалась сложная машина? Одни ученые, скажем, Жан-Мари Лен, изучают самопроизвольную сборку раздельных деталей: такая «самосборка» или «автосборка» напоминает детские головоломки и пазлы. Необходимые части помечают какими-то химическими соединениями. Каждая такая химическая метка опознает свою пару, то есть соединение-метку на другом кусочке пазла, и затем два кусочка головоломки сцепляются между собой. И так до завершения сборки. Этот метод самопроизвольной сборки в ходу у вирусов и у некоторых живых существ, включая многие виды бактерий. Вот почему столь важны исследования таких наипростейших «машин» или еще меньших самособирающихся «автоматов», как вирусы.
Группе ученых под руководством профессора Эккарда Виммера в Университете Стони Брук под Нью-Йорком в 2002 году впервые удалось синтезировать вирус – это был вирус полиомиелита. В природе он выглядит как шарик диаметром 28 нм. Его генетическую и белковую структуры расшифровывал в 2000 году Джеймс Хогл из Гарвардского университета, а позднее, в 2001 году, и Эккард Виммер с сотрудниками. Вирус этот состоит из собственно вируса – виральной компоненты – и оболочки, более или менее сферической. Виральная часть – это макромолекула РНК, содержащая 7411 нуклеотидов, и каждый из них, если его развернуть, вытянется на несколько микрометров. Шарообразная оболочка (капсид), внутри которой прячется виральная часть (вирион), составлена из 60 подъединиц, в каждой – по четыре белка. А каждый белок содержит в среднем 250 аминокислот. В 2002 году команда Эккарда Виммера сначала синтезировала РНК виральной части с ее 7411 нуклеотидами: в большинстве своем это цепочки атомов, которые уже умеет получать биотехнология и которые потому можно просто купить в магазине. Потом ученые химически синтезировали недостающее. По сравнению с химическим синтезом молекулы-машины в несколько этапов задача чрезвычайно упростилась – хотя бы потому, что многократно приходится синтезировать одно и то же или же вносить в синтез незначительные и очень понятные перемены. Получив виральную составляющую, исследователи не стали спешить с синтезом четырех протеинов, из которых состоит оболочка вируса. Вместо этого, чтобы получить белки и, главное, построить их в правильном порядке, сотрудники Эккарда Виммера состряпали «суп» из живых клеток, и синтезированная РНК полиомиелита использовалась уже существующими и работающими клеточными механизмами для построения оболочки – словом, был запущен механизм автосборки (ученые подсунули клеткам чужую РНК, и клетки, по своей рабской привычке, послушно выполнили совершенно ненужную им работу: собрали капсид (оболочку) вируса). Значит, не всегда необходимо строить новые молекулярные заводы – можно просто заказать нужный продукт предприятиям, уже существующим в природе. Например, бактериям.
ЗАГОГУЛИНА В НАПРАВЛЕНИИ НАНОМАТЕРИАЛОВ
Мы уже рассказали о первых молекулах-машинах и показали те дорожки, которые, похоже, могут вывести нас к молекулярному производству, то есть изготовлению молекул достаточного размера, примерно в десяток нанометров, которым будут по силам те же сложные дела, что и привычным для нас машинам нашего – макроскопического – мира. И мы обозначили эту задачу термином «монументализация», хотя занимаются монументализацией считаные исследователи – куда больше ученых заинтересованы в новых материалах, которые они называют «наноматериалами». Наноматериалы вроде бы могут иметь отношение к бетону, облицовке, керамике… словом, к вещам заведомо полезным и очень осязаемым. И будто бы как нельзя более далеким от той области, в которой орудуют молекулы-машины. Да и масштабы – бетона! – как-то трудно увязываются с нанометрическими. И как тогда прикажете понимать это самое «нано»? Собственно, термин «наноматериал» был вычеканен потому, что очень уже неудобно выговаривать: «материал, структурированный в нанометрическом масштабе». Речь идет о материалах, построенных из элементов, которые представляют собой молекулы, макромолекулы или маленькие атомные агрегаты (более или менее упорядоченные нагромождения атомов), причем размеры этих элементов, этих составных частичек материала, несомненно, измеряются в нанометрах. Возьмем, например, поваренную соль (или, если угодно, хлорид натрия). Ее основной мотив – повторяющийся узор, в узлах которого расположены атом хлора и атом натрия (расстояние между ними менее 0,3 нм). Этот узор повторяется пространственно – в трех измерениях, и в итоге получается кристаллик соли, маленький кубик, который очень просто подцепить пинцетом, чтобы потом разглядывать через лупу. Стало быть, структура поваренной соли – вполне атомная. А теперь обратимся к какому-нибудь наноматериалу: его повторяющийся мотив – это одна молекула, быть может, сложная, но, главное, она придает материалу какую-то нужную характеристику (устойчивость к деформациям, способность запоминать информацию и т. п.). Но сие драгоценное качество появляется только тогда, когда миллионы таких – одинаковых – молекул собираются вместе. И это же верно и тогда, когда элементарные кирпичики материала – не молекулы, а наночастицы размером лишь в несколько нанометров в диаметре, но собранные в нагромождения из тысяч и тысяч атомов.
Особенное структурирование вещества ради получения материала с желательными свойствами известно давно да и применяется с незапамятных времен. Еще в античные времена умели вплавлять наночастицы меди в стекло, чтобы стекло стало красноватым. Растворяемые краски тоже содержали наночастицы в эмульсии. Угольная или ламповая – она же голландская – сажа тоже состоит из частиц углерода диаметром от 10 до 1000 нм. Об этом писали еще в учебниках в XIX веке. И такие же наночастицы служат – и всегда служили – красителями в чернилах и туши. Те же наночастицы сажи в 1917 году стали добавлять в надувные шины, чтобы служили подольше. Наночастицы платины, родия, палладия работают в автомобильных каталитических конвертерах: они сидят в крошечных порах керамического блока – поры в керамике увеличивают площадь ее соприкосновения с выхлопным газом. Наночастицы ускоряют химические реакции, в результате которых содержащиеся в выхлопных газах оксид углерода (угарный газ) и оксиды азота превращаются в воду и диоксид углерода (углекислый газ).
Новизна наноматериалов по сравнению с материалами традиционными состоит в химической структуре повторяющегося основного мотива, который становится много сложнее. Возделывающие ниву наноматериалов и не заглядывают на поля монументализации, где молекула становится машиной, – они полагают, что ей уготована участь элементарного кирпичика для построения наноматериала. Наноматериалы – это такая необъятная область исследований, что ей следовало бы посвятить отдельную книгу. И не одну. Но никакого отношения к нанотехнологии наноматериалы не имеют.
Немало ученых, как и встарь, видят в молекуле всего лишь маленький «кусочек» вещества. А разговоры последних лет о молекулах-машинах научная среда нередко встречала насмешками, хотя это давно уже не просто разговоры, речь идет о реальных экспериментах. Молекула коренным образом изменила свой статус и, утратив анонимность, вышла из толпы множества себе подобных и равно безликих, чтобы обрести индивидуальность, – и как только у молекулы появилось «лицо», так она выказала неслыханную доступность по отношению к измерительным приборам и процедурам. Откликаясь на вызов, брошенный монументализацией, мы должны отыскать новаторские способы и приемы изготовления подобных молекул-приборов и молекул-машин, добиваясь, чтобы такая огромная молекула содержала ровно столько атомов, сколько требуется для выполнения ее работы, и не больше. И понятно, никто не скажет, до каких размеров и до какой сложности дорастут эти машины.
Глава 5
Наннобактерии
Из элементарного кирпичика, затерянного среди миллиардов миллиардов многих иных таких же кирпичиков, молекула за какие-то пятнадцать лет превратилась в нечто вполне самостоятельное. Теперь она может воплотиться в научный прибор или в сложную установку, а то и машину, и эти новые роли молекулы становятся все сложнее и многочисленнее, ей под силу все более трудные дела, и со дня на день должна прилететь весточка об успешной монументальной сборке молекулы-машины. Раз уж нам удалось понять, как собираются белки, мембраны и рибосомы в живой клетке, то неужели мы не сумеем воспроизвести структуру и организацию хотя бы самых простейших, но и самых крошечных форм жизни? А вдруг, когда мы соберем все составляющие вместе, получится искусственная клетка и эта клетка окажется живой?
Насколько нам известно сегодня, самые маленькие из всех живых организмов, населяющих нашу планету, – бактерии. А самые маленькие бактерии – меньше 200 нм. Вот это малютки! Для сравнения: обычные бактерии часто разрастаются до 1000 нм, а средний размер клеток человеческого тела – около 20 000 нм. Вирусы, правда, еще меньше (200–300 нм), но их не считают живыми организмами, потому что они не умеют ни жить самостоятельно, ни репродуцировать себя (то есть сами по себе вирусы не способны размножаться).
Предполагается, что могут быть открыты бактерии еще меньшие, чем все известные малютки: они должны быть не длиннее 100 нм, а то и 20 нм! Если эти крошечные «нанобактерии» и в самом деле будут обнаружены, то они окажутся куда меньше всего того, что мы привыкли называть жизнью. В самом деле, они настолько малы, что их, кажется, и быть не может. Ведь для того, чтобы питаться и размножаться, то есть, иначе говоря, быть живым и, следовательно, жить, организм заведомодолжен содержать в себе всё, что необходимо для выживания: непременно ДНК, рибосомы – чтобы вырабатывать белки, митохондрии, ну и цитоплазму – кисель, где все это плавает, упакованное в плазматическую мембрану, которую защищает жесткая стенка (без нее, правда, как-то обходится микоплазма – мельчайший из известных живых организмов). Теоретики подсчитали, что живой организм никак не может быть меньше 180 нм.
А вот новые бактерии должны быть еще меньше. Они состоят, согласно общепринятым воззрениям, или из самых маленьких сборщиков макромолекул, еще способных жить (это нисходящий подход, то есть миниатюризация), или из одной монументальной макромолекулярной машины – машины естественной, то есть созданной самой природой, но научившейся жить (тут: восходящий подход, монументализация). Само существование таких организмов оспаривается. Люк Монтанье, открывший вирус СПИДа, окрестил их аббревиатурой НБО – «неопознанные бактериальные объекты». Следы этих пока неопознанных бактериальных объектов обнаружены во многих и разных местах планеты: на скалах и в осадочных породах морского дна, а также в организмах млекопитающих (коров и людей).
МЕТЕОРИТ – КРАЕУГОЛЬНЫЙ КАМЕНЬ, ВАЛЯВШИЙСЯ В ЛУЖЕ
До 1996 года были известны только такие бактерии, величина которых намного превышала теоретический предел. Ничто ничему не противоречило, все шло как надо. Все шло как надо и в жизни некоего геолога из университета Миссисипи: его звали Роберт Фоук, и он, работая в 1990 году, близ горячих ключей в окрестностях Витербо, недалеко от Рима, наткнулся на какие-то непонятные объекты. Они представляли собой совсем крошечные (25-500 нм) кружки и овалы, выстраивавшиеся в цепочки или группировавшиеся как попало. Геолог понял, что это не минералы, и окрестил непонятные следы «наннобактериями» – с двумя «н», потому что в начале XX века эту приставку писали с двумя «н», и так до сих пор делают биологи и палеонтологи ( см. Приложение II). Тогда на Роберта Фоука просто не обратили внимания: какой-то геолог – да что он может понимать в биологии? Кто же не знает, что такой крошечной жизни нет и не может быть! Подумаешь – открытие… Этот Роберт Фоук, если он и в самом деле что-то углядел, так то наверняка остатки заурядных бактерий. Ну, может быть, какие-то конкреции, вкрапления минералов, а что они такие чудные… Ну так они всякими бывают.
Но Роберт Фоук упорно стоял на своем. Он был тверд как сталь. В 1992 году Фоук устроил конференцию в Американском обществе геологии. На этот раз кое-кто к нему прислушался. В зале сидел Крис Романек, геохимик, работавший в НАСА, и он что-то быстро записывал вслед за докладчиком. Похоже, рассказ геолога заворожил геохимика, и тот, решив лично заняться изучением диковинных следов непонятных организмов, захотел проверить на наличие таковых имеющиеся у него образцы породы. Он переговорил с Дэвидом Маккеем, тоже работавшим в НАСА, но в Хьюстоне, в Космическом центре Джонсона, и, вооружившись электронным микроскопом высокого разрешения, – внимание! – обнаружил структуры такие же или очень похожие на то, о чем рассказывал Роберт Фоук!
Весть об этом открытии наделала в мире много шуму – очень уж необычными казались исследованные образцы, точнее, их происхождение. Они были отобраны с метеорита, прилетевшего с Марса. Само падение этого метеорита, окрещенного аббревиатурой ALH84001(открыт в 1984 году, в Антарктиде, у горного хребта Аллан-Хиллз), прошло незамеченным, как, впрочем, и его обнаружение. Но, когда двенадцать лет спустя Дэвид Маккей и Крис Романек нашли в нем структуры, «похожие размерами и формой» на наннобактерии, обнаруженные Робертом Фоуком, незамедлительно вспыхнули жаркие споры. Мало того, что как будто бы подтверждалось существование наннобактерий (уже дело громадной важности), но, более того, эти организмы, похоже, попали на Землю с Марса: выходило, что на Марсе есть – или была – жизнь!
Весь мир затаил дыхание. Нашествие зелененьких человечков? Как сказать.
Внеземные существа оказались крошечными бактериями, куда меньшими, чем все то, что под силу нашему воображению. Правда, кое-кто орал во все горло: «Ну да, открытие! Как же это открыватели умудрились подгадать со своим открытием к голосованию в конгрессе?» Законодатели тогда как раз решали, какую долю бюджета стоит потратить на корабли, отправлявшиеся к Марсу. И пошло-поехало: да в самом ли деле эти продолговатые бороздки оставила после себя некая жизнь? Да и с Марса ли камушки-то? Мало ли чего сыщется в той Антарктиде.
Во Франции между тем нашлись исследователи, вознамерившиеся приглядеться поближе к метеориту, который упал в 1936 году в пустыню в Тунисе, близ Татавина; затем его доставили в Национальный музей естественной истории в Париже, куда в 1990-х попали и другие обломки этого же и иных пришельцев из космоса. Татавинский метеорит уж точно был не с Марса, однако его химический состав оказался почти таким же, как у ALH84001.И тут ученых ожидал сюрприз: в осколках метеорита нашлись продолговатые палочки длиной в несколько десятков нанометров, но – второй сюрприз – они были не на том кусочке метеорита, который был подобран через несколько часов после его падения. Получалось, что «наннобактерии» завелись на тех фрагментах метеорита, которые лежали в пустыне и после 1936 года, а на обломке, который почти сразу же попал в музей и хранился там в герметичном контейнере, охраняющем неземной камень от земных загрязнений, их не было! Стало быть, происхождение «наннобактерий» – вполне земное, да и то, что увидали на ALH84001,тоже, скорее всего, возникло на Земле, и, значит, вряд ли тут наследила внеземная жизнь.
И все же остается одно возражение: продолговатые следы на метеоритах как-то несовместимы с жизнью и жизнедеятельностью – какими мы их сегодня знаем. Чуть позже похожие формы размерами от 50 до 500 нм нашли в Австралии, когда обследовали образцы, извлеченные со дна морского, где они лежали на трехкилометровой глубине. Геолог Филиппа Юинз, стоявшая у истоков этого открытия, окрестила их «нанобами» («нано» – биологические организмы; «бы» – от «микробы», биологические микроорганизмы). Занявшись их изучением, она сумела показать, что нанобы состоят из углерода, кислорода и азота, а эти химические элементы неотделимы от жизни. Более того, Юинс доказала, что нанобы самопроизвольно развиваются как культура при комнатной температуре. И еще у них есть мембраны и к тому же они… позитивно прореагировали в трех тестах на присутствие ДНК. «Если нанобы – не биологические организмы, то трудно предложить вместо них что-то другое, что бы не противоречило нашим результатам», – сделала заключение Филиппа Юинз. Больше она ничего не сообщила мировому научному сообществу – что весьма странно, поскольку открытие ее действительно очень важно.
НАНОПРИШЕЛЬЦЫ? ДА ОНИ ВЕЗДЕСУЩИ!
Работающий в Университете Куопио, в Финляндии, микробиолог Олави Каяндер в своей работе часто сталкивался с необходимостью готовить всякие бульоны из клеточных культур. Однажды вся его стряпня пошла насмарку: клетки погибли. Чтобы понять, что произошло, ученый проанализировал сыворотку плода теленка, которая была добавлена в культуру в качестве питательной среды. Загрязнений в сыворотке он не нашел, зато обнаружил какие-то неведомые организмы, размер которых был не меньше 50 и не больше 200 нм. Микробиолог решил, что это – наннобактерии, которые, как оказалось, встречались не только в геологических породах, но и присутствовали в живых организмах. Но маловеры не унимались и твердо стояли на своем. Мол, образцы еще раньше, до попадания в бульон, были заражены другими бактериями из-за изъянов в органическом материале или просто потому, что уже кишели самыми заурядными бактериями. А что такие маленькие, так это – стресс. Человек, если его напугать, съеживается, вот и эти тоже ужались и сократились.
Карим Бензерара из Института минералогии и физики плотных сред ( CNRS) решил покончить с этими дрязгами, разгадав тайну наннобактерий. Присоединившись к команде исследователей Татавинского метеорита, Бензерара начал изучать его обломки с помощью самых совершенных приборов – мощного просвечивающего электронного микроскопа и синхротрона (ускорителя элементарных частиц). И выяснил, что каждая палочка, обнаруженная в Татавинском метеорите, на самом деле всего лишь кристалл кальцита (известкового шпата). И уж конечно не живой микроорганизм! Значит, есть чисто минеральный процесс, приводящий к образованию именно таких форм. И этот процесс даже удалось воспроизвести в лаборатории. Так что, похоже, нанесен роковой удар по наннобактериям геологического происхождения (то есть тем, что были найдены в метеоритах, скалах и в осадочных породах морского дна).
Затем Карим Бензерара решил применить свои приемы к «наннобактериям человеческого происхождения», которые нашли в сосудистых тканях. Изучение образцов на синхротроне выявило наличие таких нагромождений атомов углерода, которые свойственны белкам, но в данном случае они оказались сопряженными с нанокристаллами фосфата кальция. Следует ли считать эти данные доказательством некой новой формы жизни, обнаруживающейся в сосудистых тканях через углеродистые конкреции? В самом деле, белки ведь могли попасть в эти конкреции и случайно. В своих исследованиях Карим Бензерара держится гипотезы, согласно которой «наннобактерии человеческого происхождения» тоже могут иметь чисто кристаллическое происхождение. Подразумевается, что эти «организмы» способны возникать из образования ядер и роста кристаллов фосфата кальция – а эти процессы управляются белками. Так что Карим Бензерара уверен: несмотря на то что механизм синтеза «человеческих наннобактерий» пока что не очень понятен и неизвестна даже его природа, которая может быть как неорганической, так и органической, однако ничего похожего на жизнь тут нет и быть не может.
Но, если бы, наоборот, удалось показать, что эти минерало-органические объекты – последствие жизнедеятельности живых существ, случилась бы настоящая революция. Тогда на новые – в смысле пока неизвестные – бактерии можно было бы свалить вину за недуги, которые (пока) неведомо откуда берутся: артериосклероз, камни в почках, псаммомы – опухоли, часто встречающиеся при раке яичников, и т. д. Кроме того, те же бактерии могут быть причастны к образованию костей, зубов, зубной эмали и зубного камня. В общем и целом они могут быть связаны с механизмами отложения и осаждения минералов – веществ, органическими не считающимися. Более того, если эти «наннобактерии» и в самом деле существуют, то они представляют собой новую, неведомую прежде форму жизни, во многом непохожую на те живые существа, которые нам известны сегодня. Вполне возможно, что это уцелевшие архаические бактерии или протобактерии – то есть примерно такие же организмы, с которых начиналась жизнь на нашей планете. Словом, нечто вроде «недостающего звена», этакого связующего промежутка между молекулами и теми живыми бактериями, которые нам известны сегодня.
НЕДОСТАЮЩЕЕ ЗВЕНО
Согласно наиболее вероятной гипотезе, жизнь появилась в процессе перехода от вещества косного, инертного к веществу живому. Якобы молекулы становились все сложнее и сложнее и организационно – все совершеннее. Напрашивается вопрос: после чего – после какого уровня сложности и организации – начинается жизнь? Этот вопрос терзает ученых еще с античных времен. В V веке до н. э. греческие философы считали все вещества живыми. Лукреций думал, что жизнь возникает из смеси частиц, «зерен» души с «зернами» телесными. В XVIII веке молекулы считались живыми существами – только самыми маленькими из всех существующих. Бюффон (1707–1788) назвал первые обнаруженные после изобретения микроскопа живые клетки «органическими молекулами». А чего ради считать их живыми? Но вдруг это не так? Сплошной туман – ничего не ясно. Когда в 1827 году ботаник Роберт Броун наблюдал под микроскопом непрерывное и беспорядочное движение зернышек пыльцы на поверхности воды (знаменитое броуновское движение), он решил, что ему посчастливилось открыть те «первобытные молекулы», которые отвечают за жизнь.
Жизнь, похоже, казалась тогда не менее таинственной, чем теперь, когда непонятностей ничуть не меньше. «Есть такое дерево, <…> часто наблюдаемое в Шотландии. С этого дерева опадают листья: падая в воду, листья превращаются в рыб, те же, что упали на землю, становятся птицами» [18]18
Didier P. Une petite histoire des recherches scientifiques sur l'origine de la vie,INRP, http://www.inrp.fr/Access/biotic/evol/orivie/html/histoire.htm
[Закрыть], читаем мы в трактате по ботанике, написанном в XVII веке. Эта теория самопроизвольного зарождения жизни бытовала в самых разнообразных вариантах и дожила до Пастера, который в 1858–1874 годах успел досыта наслушаться всякого разного от злобных приверженцев «разумных классических воззрений». Пастер сумел положить конец всем спорам, когда на конференции в Сорбонне убедительно показал, что так называемое самозарождение жизни на самом деле возникает из-за заражения микробами и в конечном счете из-за некачественной – или никакой – стерилизации.
Но и это выступление Пастера не покончило с витализмом – так называют веру в некую особенную силу, которая то ли порождает жизнь, то ли порождается жизнью, причем главная особенность этой силы в том, что она непохожа на силы, действующие в физических и химических явлениях. Первый ощутимый удар по витализму датируется 1828 годом, когда в лаборатории было синтезировано вещество, как нельзя более тесно связанное с жизнью: немецкий химик Фридрих Вёлер получил мочевину, используя только классические методы физики и химии и не испытывая нужды ни в какой «жизненной силе». По мере того как химические реакции, идущие внутри клетки, становились все более понятными, ученые постепенно убеждались в том, что в живой и неживой природе правят одни и те же законы. «Жизнь есть продукт организации молекул» – к такому выводу пришел французский биолог Франсуа Жакоб, удостоенный в 1965 году Нобелевской премии. После Пастера все уяснили, что живое происходит из живого, а после Дарвина – что одни виды произошли от других видов. Так что все мы – люди, овощи, улитки – происходим от какой-то первобытной протобактерии… а то и, если, конечно, что-то этакое существует или когда-то существовало, от наннобактерии! Важно, что сия мысль все-таки сумела пробить себе дорогу, а именно: возникновение жизни есть результат некой химической эволюции. Сумеем ли мы воспроизвести нечто подобное в лаборатории? Одно несомненно: ученые не смогут оставить в покое тайну жизни, которая будоражит человечество уже многие века.
