Методические материалы, статьи

Оркестр молекул

«Музыка небесных сфер» — выражение, давно занявшее свое место в культурном обиходе. Идущее из античности от пифагорейцев, оно связано с такими именами, как Кеплер, Ньютон, Резерфорд, Зоммерфельд, а лежащие в его основе явления дали импульс к созданию оперы «Гармония мира» в первой трети нашего века.

«Музыка биомолекул» — выражение, которому еще предстоит выйти на авансцену.

В предыдущем материале рассказывалось о вибрациях молекул. Весной 1968 года известный биолог Симон Шноль сделал доклад о «музыке молекул» в клубе «Гипотеза» Пущинского научного биологического центра. Журнал напечатал этот доклад в #9 за тот же год. (Кстати, с той публикации и началась журнальная рубрика «Клуб «Гипотеза».) А выступление Шноля сопровождалось исполнением «биохимической музыки» на пианино.

Кажется полезным хотя бы в отрывках вспомнить рассуждения тридцатилетней давности.

Характерным результатом эволюции, миллиарды лет шедшей на Земле, можно считать усиление во времени изначальных, плохо выраженных свойств биологических структур — если эти свойства были полезны в борьбе за существование. Такое представление удобно тем, что позволяет обратить время вспять и посмотреть, каким свойствам первичных биологических молекул могли бы соответствовать ярко выраженные линии в спектре свойств современных живых организмов.

Строение глаза и сложнейшие биохимические превращения, происходящие в «палочках» и «колбочках», — результат развития чувствительности к свету первых биологических молекул. Можно проследить возникновение совершенных органов движения — ног, плавников, крыльев — из выростов протоплазмы древних одноклеточных.

Проделаем подобный путь, чтобы проследить эволюцию восприятия звука.

Какие обстоятельства заставили живых существ выбрать из всего многообразия звуков, которыми наполнена Вселенная, тот относительно узкий интервал частот, который называется слышимым? Можно предположить, что в процессе эволюции в качестве «слышимых» были отобраны звуковые частоты, соответствующие каким-то первичным свойствам молекул протоплазмы. Если так, то современные сильно специализированные органы слуха — морфологически закрепленное и усиленное проявление этих молекулярных свойств. Возможно, «слышимый диапазон» избран потому, что именно в этом диапазоне «звучат» сами протоплазматические структуры.

Как можно представить себе возникновение звуковых колебаний в относительно простых молекулярных системах?

Все биологические процессы, насколько это можно сейчас представить, связаны с изменениями формы молекул. Такое изменение отдельной молекулы должно породить акустический импульс сложной формы: щелчок. Но поскольку молекул неизмеримое множество, движения отдельных молекул, как бы «шумны» они ни были, не будут сопровождаться излучением звука. Для этого нужно, чтобы движения молекул были сколько-нибудь одновременны, синхронны. Может ли это быть? По-видимому, да: ведь колебание двух соседних молекул «в резонанс» энергетически наиболее выгодно.

О порядке частот, с которыми движутся белковые молекулы, можно узнать из несколько неожиданного, но вполне достоверного источника. Речь идет о молекулах белков-ферментов: движения их можно оценить скоростью процесса, который катализирует этот фермент. Представим себе, например, работу фермента, разрушающего молекулу пищи, она делится на четыре этапа. Первый: фермент ждет свободную молекулу пищи, второй: эта молекула села в активный центр фермента, третий: молекула фермента сжалась, она охватила молекулу пищи, и объем системы уменьшился, четвертый: разрушение молекулы пищи завершено, продукты ферментативного превращения выброшены, молекула фермента возвращается в исходное состояние.

Все в целом составит некий цикл. Число таких циклов в единицу времени давно и без специального «колебательного» смысла называется в биохимии числом оборотов. Биохимики-классики создают таблицы, в которых приводят числа оборотов различных ферментов. Напоминаю: каждый такой цикл — это есть движение, сжатие и разжатие, щелчок, акустический импульс.

Если посмотреть на числа оборотов просто по классическим биохимическим таблицам, то открывается удивительная картина: числа оборотов основной коллекции ферментов — слышимые звуки. Мало того, что слышимые звуки — это музыкальные звуки. Я могу нарисовать клавиатуру рояля и на каждой клавише написать название фермента, который работает на этой частоте.

Правда, есть быстродействующие ферменты, вылезающие за пределы звуковой шкалы. Например — холинэстераза, выполняющая важную роль в передаче нервного импульса, карбангидраза, освобождающая СО2 в крови в легких. Числа оборотов этих ферментов порядка сотен килогерц. Они должны быстро работать: мы обязаны жизнью высоким числам оборотов этих ферментов.

Есть класс особо медленных ферментов — это ферменты пищеварения. Захват и разрушение белков происходит необычайно медленно. Трипсин, пепсин — это густой бас и даже еще ниже.

Не нужно думать, что все ферменты «верещат» одновременно. На самом деле, в клетке работает небольшое число ферментов.

В цепи реакций, составляющих тот или иной обязательный для клетки биохимический процесс, всегда есть узкое место, когда одна из реакций идет медленнее всего. В «ансамбле» таких процессов задающим должен быть тон медленных ферментов. Например, в гликолизе (гликолиз — цепь последовательных реакций, составляющих основу энергообеспечения клетки) мы услышим прежде всего фермент фосфофруктокиназу. Это самая медленная стадия, узкое место.

В принципе, то или иное состояние клетки должно характеризоваться определенным звуковым ансамблем.

Поэтому можно считать важнейшей экспериментальной задачей — наладить «выслушивание» клетки. В добавление к микроскопам придут микрофоны (только в буквальном смысле, микро-фоны — такие устройства, которые позволят выслушивать живую клетку и говорить, например, так: «фосфофруктокиназа работает достаточно мощно, но вот альдолаза все время запаздывает». Это позволит ставить диагноз биохимии тканей и клеток. Ясно, что эта задача сложная, потому что звуки тихие. И надо избавиться от посторонних шумов.

Старобылинные утверждения «слышу, как трава растет» для нас не являются в этом смысле сколько-нибудь несерьезным фольклором, биохимия роста травы характеризуется, конечно, целой симфонией звуков. И я думаю, когда-нибудь в научных обзорах по истории вопроса список цитированной литературы будет начинаться былинами — теми, где говорится о звуке травы.

Тут я должен поставить вопрос, ответить на который не могу. Может быть, звукосочетания, оказывающие наиболее яркое действие на сложные современные организмы, просто отражают обще-биохимические свойства клеток? Грубо говоря, может быть, мажор приятен из-за положительного действия на обмен веществ? Знай мы эти бесспорные по своим эффектам звукосочетания, мы бы составили некоторое представление о свойствах молекул. Однако тут пока почти ничего не ясно.

«Звуки» ферментов гликолиза

#п.п.ФерментЧисло оборотовЧастотаНота
1Фосфорилаза 1676659Ми, 2 октава
2Фосфорилаза 216001567Соль, 2 октава
3Фосфоглюкомутаза/гексогиназа280/215277/220До-диез, 1 октава/ля, малая октава
4Фосфофруктогиназа19-2019,45Ми-бемоль, субконтроктава (на рояле нет)
5Альдолаза3332,73 До, контроктава
6Дегидрогиназа триозофосфата166164,8Ми, малая октава
7Эиолаза150146,8 Ре, малая октава
8Дегидрогеназа молочной кислоты12151244Ми-бемоль, 3 октава
9Цитохром редуктаза183185Фа-диез, малая октава

Вот какие ноты можно получить из гликолиза. Из полученных нот можно составить ре-межорную гамму, в ней не будет хватать только одной ноты «си» (или соответственно си-минорную гамму без ноты «си»).

Как видите, получилась вполне осмысленная, современная и совершенно самостоятельная мелодия, которая может служить темой для различных вариаций и импровизаций.

С. Шноль



См. также:
Курсы английского языка для школьников в центре «Милленниум»
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005