Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин

Все науки настолько связаны между собою, что легче изучать их все сразу, нежели какую-либо одну из них в отдельности от всех прочих.

Рене Декарт

Во времена Декарта, автора эпиграфа, науки не разделяли на физику, химию, биологию и т. п. Ученые изучали природу, и областью их интересов (пользуясь современным языком) было естествознание. В наше время следовать совету Декарта не так-то просто: современная химия состоит из органической, неорганической, биохимии, физической химии и еще некоторых других крупных разделов, причем в каждой области – свои методы исследования и свой язык. Однако современная ситуация показывает, что границы между многими науками становятся все более размытыми. Зачастую трудно указать, где кончается биология и начинается физика или химия. Лауреатами Нобелевской премии 2008 г. по химии стали американские ученые-биохимики Осаму Симомура, Мартин Чалфи и Роджер Тсиен. Они удостоены самой престижной научной награды за получение и разработку различных форм зеленого флуоресцентного белка, в английском написании – Green Ffluorescent Protein. В научной литературе этот белок принято сокращенно обозначать как GFP, и далее будем пользоваться именно этим сокращением.

Премированная работа – это интересный пример пересечения научных интересов разных ученых; судьбы некоторых из них сложились весьма драматично. Работа имеет не только большое научное, но и эстетическое значение. Интересно, что авторы никогда не работали вместе, но обстоятельства сложились таким образом, что усилия каждого из них привели к важному общему результату.

Таинственный светящийся мир

Способность некоторых веществ испускать свет называют люминесценцией. Многие, вероятно, видели в темноте свечение древесных гнилушек, светлячков или ночное свечение волн морского прибоя. Когда люминесценцию производят вещества в живых организмах, то это называют биолюминесценцией. Наука никогда не довольствовалась простыми наблюдениями – далее необходимо было описать явление, что в 1761 г. проделал датский зоолог Петер Форскол. Во время экспедиции на корабле по Северному морю он заметил в воде странное свечение: оказалось, что светятся небольшие (диаметром 2–3 см) медузы. Форскол выловил несколько таких медуз и поместил их в ведро, а затем приступил к наблюдениям. Оказалось, если их слегка потревожить, они начинают светиться ярким зеленым цветом. Медузы получили название «эквореи» (Aquorea, от лат. aqua – «вода»), с этого начался долгий путь исследования процессов биолюминесценции.

Среди наземных обитателей светящихся организмов немного: колонии некоторых бактерий, отдельные виды грибов и насекомых; как правило, их свечение непрерывно. Кстати, свечение древесных гнилушек вызвано грибницей опенка в результате химических процессов при окислении.

Громадное количество светящихся существ (более тысячи видов) – среди обитателей морских глубин. Свечение моря волновало людей с незапамятных времен, вызывая не только изумление и восхищение, но и суеверный страх. Отсутствие научных знаний подводило человека к фантастическим объяснениям, отразившимся в мифах, легендах и сказках. Во многих случаях свечение морских обитателей – импульсное: они испускают короткие световые вспышки длительностью 0,1–1 с. Эти вспышки необходимы для отпугивания хищников или быстро движущихся животных, которые при случайном столкновении могут механически повредить нежный светящийся организм – такой как у медузы. У некоторых глубоководных рыб надо ртом имеется подвижный отросток – "удилище", а на нем – световая приманка для жертвы. Другие рыбы используют вспышки для освещения окружающего пространства.

Удачный объект – половина успеха

Вначале отметим, что живым организмам позволяют светиться принципиально различные процессы. Во-первых, это набор биохимических реакций с участием специальных ферментов (биокатализаторов). Такое свечение использует энергию химической реакции и может продолжаться до тех пор, пока не будут исчерпаны необходимые реагенты.

Существует и иной механизм свечения: вещество поглощает из внешнего источника (например, дневное освещение) ультрафиолетовую часть спектра, которая обладает высокой энергией. В результате молекула переходит в возбужденное состояние, но может пребывать в нем очень недолго. Чтобы вернуться к "нормальному" состоянию, ей необходимо избавиться от излишка энергии, которую она получила с ультрафиолетовым облучением, что достигается излучением света, – это и есть флуоресцентный свет. Поскольку часть энергии была потрачена на переход молекулы в возбужденное состояние, испускаемый свет имеет бóльшую длину волны – сдвигается в сторону красной части спектра, что соответствует более низкой энергии. Общее правило флуоресценции – испускающийся свет всегда имеет бóльшую длину волны, нежели поглощенный.