Философия микромира: Порядок рождается из хаоса

Философия микромира: Порядок рождается из хаоса

Философия микромира: Порядок рождается из хаоса. В мире науки №5/6_2016
(Фото: 4)

Электронная версия статьи

20,00 RUR

Купить

— Александр Сергеевич, в течение последних 15 лет вы занимаетесь разработкой модели существования микрочастиц. Если применить научный язык, это принципы работы так называемых молекулярных наномашин — иной, практически недоступный нашему привычному пониманию мир, где действуют свои законы. Какое определение микромира вы можете дать применительно к живому организму?

— А почему к живому? Ведь то, что мы исследуем, может быть частью и живого, и неживого, и принцип один и тот же. Вот рибосомы, которые я изучаю в течение многих лет, — это, можно сказать, орга неллы наноразмера (200 А), ответственные за синтез всех белков живого мира, один из основных, или

даже основной, процесс жизни. Но ведь сами они неживые, хотя и обязательно присутствуют внутри каждого живого организма. И именно их малые размеры определяют целый ряд свойств и закономерностей, присущих микромиру и проявляющихся и работающих внутри живого.

Что же такое рибосома? Можно дать такое определение: это молекулярная наномашина, способная считывать генетическую информацию, закодированную в виде последовательности нуклеотидов матричной РНК, которую она пропускает (протягивает) через себя, и в соответствии со считываемой информацией и синхронно с ее прочтением синтезировать белок из аминокислот, поступающих в рибосому в виде аминоацилтРНК. Сама же рибосома построена из специальной рибосомной РНК, две молекулы которой — большая и малая — образуют структурный каркас для большой и малой субъединиц соответственно. Меньшая доля приходится на специальные рибосомные белки рибосомы.

И вот эта работающая рибосомананомашина, от которой требуется исключительная прецизионность каждого шага в процессах декодирования генетической информации и синтеза белка, оказывается в условиях, когда, казалось бы, это невозможно. При ее размерах она неизбежно вовлекается в тепловое броуновское движение, включая бомбардировку машины молекулами и частицами среды и собственные тепловые флуктуации частей машины. Таким образом, тепловое броуновское движение будет постоянно «тормошить» машину и ее подвижные модули. В итоге все подвижные части машины дрожат и флуктуируют, а машина в целом беспорядочно дергается и крутится. Другими словами, любой упорядоченной работе молекулярной машины противостоит мощное воздействие беспорядочных тепловых импульсов.

Все «обитатели» микромира подчиняются беспорядочному тепловому движению. Оказывается, на беспорядке и случайных спонтанных событиях тоже могут строиться определенные процессы, если принципиально изменить тактику отбора. Например, в живой природе естественный отбор как раз осуществляется в основном за счет выбраковки плохих особей, а не специальной поддержки хороших. Было открыто, что эта белоксинтезирующая частица в процессе синтеза белка выполняет два типа масштабных движений. Она состоит из двух неравных субъединиц, большой и малой, объединенных друг с другом. Через рибосому между этими двумя ее частями (субъединицами) проходит нить генетической (белоккодирующей) матрицы РНК, и несколько, а иногда и много рибосом нанизываются на нее, как бусинки на нить, и движутся по ней в определенном направлении, считывая закодированную в РНК генетическую информацию. В процессе этого продвижения рибосом и считывания ими информации с «нити» РНК каждая рибосома последовательно наращивает полипептидную цепь, из которой потом, когда цепь будет достроена, она свернется в глобулу — и получится белок. И так будет повторяться в каждой рибосоме по достижении ею конца считываемой белоккодирующей части пройденной ею «нити» РНК.

Итак, весь процесс прочтения матричной «нити» РНК каждой рибосомой можно разделить на повторяющиеся шаги, в каждом из которых осуществляется 1) прочтение определенного участка цепи РНК; 2) присоединение очередного звена, кодируемого вышеуказанным участком, к синтезируемому полипептиду. Она работает на случайности, потому что подчиняется тепловому движению и представляет собой непрочное соединение. Части рибосомы сначала притираются друг к другу и, чтобы соединиться, должны распахнуться, затем повернуться и постепенно продвигаться вперед. Но принцип — не в построении, не в индукции определенных движений, а в вылавливании полезных движений, происходящих в этом тепловом хаосе.

В моих лекциях я привожу пример, заимствованный из журнала Scientific American, чтобы лучше представить, что происходит внутри микромира. Вы на автомобиле, вас бомбардируют со всех сторон крупные градины, мотор отказал, а вам надо ехать. Как? Град и ветер вас колотят и бросают в разные стороны, но у вас есть колея. Это та самая «нитка», на которую нанизываются частицы, чтобы двигаться в определенном направлении и только в одну сторону. Что вы делаете? Не забывайте: мотор не работает! Вам надо взять в руку кирпич, встать у заднего колеса, дождаться, когда вас тряхнет вперед, и подложить под заднее колесо кирпич. Назад машина уже не поедет. Потом еще раз: толчок вперед — и снова подложить кирпич, чтобы автомобиль не откатился назад при ударе спереди. Так машина постепенно продвигается, и вы ей оставляете лишь путь вперед, а назад отсекаете.

В микромире совершенно другие условия, при таких размерах порядка быть не может, и тем не менее все прекрасно работает. Это не сразу понятно, но когда проникаешь в суть, все становится ясно и делается интересным. Основной принцип такой: не надо ничего толкать, тащить, не надо ничего строить — просто ждать и отсекать ненужное, лишнее, используя возможность, предоставляемую окружающей обстановкой.

Так работают и биологические организмы на очень маленьких размерах. Чтобы считать информацию, рибосоме надо «проехать» от начала и до конца «нити», и получится белок. Надо лишь удержать одно направление и избежать отката назад — именно на это в микромире тратится энергия. Все сводится к тому, чтобы ждать удачного момента. Это и есть способ реализации всех движений в наномире.

Подробнее читайте на страницах журнала "В мире науки" №5/6_2016