Путь к открытию напоминает восхождение. Не потому ли среди ученых так популярен альпинизм? Здесь как никогда важна интуиция: куда идти, когда впереди глыба горы и нет обзора? Но вот, если удача сопутствовала вам, взят перевал, и перед вами внезапно возник далекий горизонт. Вы поражены открывшимся видом: слов нет, прекрасная панорама - и, кажется, забыт оставшийся позади подъем. Однако давайте все же обернемся, чтобы бросить взгляд на пройденный путь.

С чего началась современная биоэнергетика? С накопления множества разрозненных фактов - сведений о мембранах, инкрустированных окислительными и фосфорилирующими ферментами. Глыба этих фактов заслоняла смысл протекающих в мембранах превращений, пока в 1961 году не выступил П. Митчел, ученый, еще не внесший своей лепты в копилку фактов, но указавший путь к их осмыслению.

Принято говорить, что в наши дни научный прогресс невозможен без участия больших коллективов ученых. Канул в вечность образ чудака-мыслителя, творящего в уединении на свой страх и риск. Казалось бы, для биоэнергетики эта истина очевидна; здесь одна только подготовка к опыту занимает уйму времени, а сам опыт, как правило, требует сложнейшей аппаратуры.

Пример Митчела опровергает эту догму, вновь подтверждая, что главное в науке - это мысль.

Я думаю, не случайно новая гипотеза была подхвачена у нас в стране, где в фундаментальной науке нет столь жесткой, как на Западе, конкуренции и от нее не требуют сиюминутной прибыли. Сыграло роль и то, что весь ход наших работ на рубеже 50-х и 60-х годов привел к отрицанию общепринятой тогда химической концепции биоэнергетики. Это освободило нас от шор старых представлений и подготовило к восприятию новой теории.

Ожесточенная борьба мнений вокруг химической схемы и гипотезы протонного потенциала привела к резкому расширению исследований по мембранной биоэнергетике во многих странах. В результате ключевые положения новой гипотезы были подтверждены, а старая схема и компромиссные варианты оставлены.

С легкой руки Митчела в биоэнергетике стало популярно слово "предсказание". От новой концепции в биоэнергетике теперь требуют не только объяснения уже описанных фактов, но и предвидения новых, еще неизвестных черт и свойств объясняемого явления. Это задача всегда чрезвычайно сложная, в особенности если речь идет о такой многоликой системе, как живой организм.

Я замечал, что вопрос "Каковы предсказания вашей концепции?" иногда воспринимается ученым как некое чрезмерное требование, будто его просят явить чудо:

- Я не пророк, чтобы предсказывать!

Здесь уместно вспомнить слова В. И. Ленина: "В чудеса теперь, слава богу, не верят. Чудесное пророчество есть сказка. Но научное пророчество есть факт".

И если от биоэнергетиков теперь требуют пророчеств, то здесь надо видеть лишь признание высокого уровня, достигнутого этой наукой. Наоборот, отказ от испытания науки на предсказательную силу выхолащивает ее содержание и способствует "выживанию" заведомо слабых идей.

Перевал, достигнутый биоэнергетиками в конце семидесятых годов, знаменует собой смену направления исследований: от выяснения принципа устройства молекулярных преобразователей энергии мы перешли к изучению точного механизма их действия.

А. Сцент-Дьердьи, давший биоэнергетике ее имя, как-то сказал: "Попросите химика выяснить, что такое динамо-машина, и первое, что он сделает, это растворит ее в серной кислоте. Биохимик, вероятно, разобрал бы ее на части и описал подробно каждый виток обмотки". К этому образному сравнению можно лишь добавить, что молекулярный биолог считал бы свою задачу выполненной только после того, как повторил работу биохимика в обратном порядке и собрал бы действующую динамо-машину из составных частей. А это невозможно без чертежа, без детальных знаний о механизме.

Но было бы ошибочным считать, что путь к познанию устройства белков-генераторов - единственная перспектива, открывшаяся нам с высоты теории протонного цикла. Мы увидели новые подходы к решению целого ряда классических проблем биологии, ждавших своего срока многие десятки лет. В этой книге я рассказал лишь о некоторых. Среди них роль калий-натриевого градиента, передача энергии по мембране как по электрическому кабелю, молекулярные основы зрения и т. д. На этих путях уже достигнуты первые успехи.

Нельзя не сказать о возможных последствиях открытий биоэнергетиков для практической деятельности человека, хотя в этом важнейшем деле нашей науке долгое время фатально не везло. Пастер, которого Ракер считает первым биоэнергетиком, прославился прежде всего, конечно, своим вкладом в медицину, а вовсе не выяснением того факта, что брожение вызывается микроорганизмами. Тем не менее последнее открытие было затем широко использовано в пивоварении. Фабрикант знаменитого голландского пива Хайнекен основал не так давно особый фонд, из которого раз в три года выделяется изрядная сумма на премирование лучшей работы в области биохимии. Этим он решил воздать должное незаслуженно отодвинутому на второй план открытию Пастера, а заодно прославить свою фирму.

В 1905 году А. Харден и У. Йонг обнаружили, что для брожения необходим фосфат, а в 1914 году один очень известный немецкий биохимик предложил добавлять фосфат в питьевую воду для солдат кайзеровской армии, "чтобы улучшить энергообеспечение их организмов на марше". Этот экскурс биоэнергетики в военную практику кончился громким конфузом: солдатские желудки пришли в такое расстройство, что марш-бросок пришлось остановить у ближайших придорожных кустов.

Лет через тридцать после этого случая поспешное применение новых биоэнергетических сведений повлекло за собой более трагические последствия, чем понос в пехотном батальоне. Когда выяснилось, что разобщитель динитрофенол нарушает ассимиляцию пищи, его попытались применить как средство от ожирения. Люди, получавшие динитрофенол, действительно похудели, но спустя некоторое время у них началось тяжелое нарушение зрения. Неудивительно, что толстяки, оказавшись перед дилеммой: остаться полными, но зрячими, или стать стройными, но слепыми, - отказались от рекомендаций врачей, увлекшихся биоэнергетикой.

Да, биоэнергетики в долгу перед медициной. Мы слишком долго сами блуждали впотьмах, чтобы взять на себя смелость указывать путь другим. Однако с каждым прорывом на новый уровень знания прояснялась картина того, что происходит в клетках человеческого организма.

Мы уже можем точно сказать, как действуют многие лекарства. Грамицидин, например, нарушает изолирующий барьер мембран. В этом действии он неразборчив; что бактерия, что клетка больного - все равно. Поэтому грамицидин можно применять как полоскание, но не внутрь. Другое дело левомицетин: он блокирует синтез белка в бактериях и в наших митохондриях, но не влияет на этот процесс в цитоплазме клетки человека. Левомицетин не столь опасен, как грамицидин, и если все же дает побочные эффекты, то их причину надо искать прежде всего в нарушении энергетики митохондрий. Или фенилин, антикоагулянт, предотвращающий тромбозы, - довольно сильный разобщитель-протонофор. При передозировке есть опасность превратить в тепло всю энергию дыхания.

Объяснить болезнь еще не значит ее вылечить. Но это путь к научному поиску правильного способа лечения.

Мы знаем, что амитал, барбамил и другие снотворные-барбитураты блокируют дыхание в митохондриях на уровне первого протонного генератора дыхательной цепи. Есть вещества, введение которых приводит к образованию нового пути переноса электронов в обход поврежденного участка цепи. Так действует, например, витамин К₃. А такой субстрат дыхания, как янтарная кислота, подключается к дыхательной цепи после звена, атакованного амиталом. Как знать, может быть, Мерилин Монро осталась жива, не опоздай биоэнергетики на пару лет со своим открытием эффекта янтарной кислоты и витамина К₃?

Иногда задают вопрос: "А что может дать биоэнергетика для решения проблем энергетического кризиса?" Здесь прежде всего приходит на ум использование белков - генераторов фототока в качестве солнечных батарей. Действительно, такие батареи, судя по нашим данным, могут быть экономичнее подобных устройств, используемых сегодня в технике.

Если говорить о бактериородопсине, самом простом и стабильном среди белков-генераторов, то его практическое применение ограничивается прежде всего тем, что этот компонент приходится включать в очень тонкие, а потому нестойкие липидные пленки, соизмеримые по толщине с природными мембранами (то есть 70 ангстрем, или 7 миллионных долей миллиметра). Перенести протон через более толстые пленки бактериородопсину не удается.

Хлорофилл-белковые комплексы сложнее бактериородопсина, зато есть шанс сорбировать их на электроде, с тем чтобы они переносили электроны с какого-либо вещества-донора на электрод.

Другой вариант - сорбировать на электродах окислительно-восстановительные ферменты и попытаться создать биологический топливный элемент.

В нашей лаборатории С. Варфоломеев и его коллеги взяли два таких фермента: один, окисляющий водород, и другой, восстанавливающий кислород. Сорбировав на одном электроде фермент-окислитель, а на другом фермент-восстановитель, они получили постоянный ток. При этом на первом электроде протекала реакция Н₂ -> 2Н⁺ + 2е, на втором - 1/2O₂ + 2е +2Н⁺ -> Н₂O. У такого топливного элемента оказался целый ряд бесспорных преимуществ и только один недостаток, но весьма досадный: ферменты, как всякие белки, имели малый срок жизни. Этот срок удалось резко продлить, когда в качестве сырья для получения ферментов вместо обычных бактерий взяли особый вид бактерий-термофилов.

За термофилами пришлось ехать на Камчатку. Там есть вулкан, из кратера которого вытекает нагретая до +130 градусов концентрированная серная числота. У подножия горы поток кислоты впадает в речку с обычной водой. Чуть ниже места впадения, там, где температура "всего" +70 градусов, и был обнаружен особый вид бактерий, ферменты которых отличаются исключительной стабильностью. Достаточно сказать, например, что для активности фермента, окисляющего водород, температурный оптимум оказался +90 градусов.

Вернувшись в Москву с небольшим количеством удивительных бактерий, С. Варфоломеев наладил их культивирование и получил достаточное количество ферментов, чтобы поставить опыт по генерации тока. С этими ферментами стабильность биологического топливного элемента превзошла все ожидания: он мог работать месяцами.

Еще одна проблема биоэнергетики будущего - это биосинтез АТФ в промышленных масштабах. Хотим мы того или нет, но человечество идет к получению пищевых продуктов синтетическим путем. Чтобы решить эту задачу, потребуется синтез белков, жиров, углеводов и витаминов из простых соединений: углекислого газа, воды, аммиака - при участии соответствующих ферментов. Ферменты эти должны обеспечиваться энергией. АТФ - наиболее универсальная форма энергии, которую "узнают" такие ферменты. Вот почему фабрики синтетической пищи будут потреблять АТФ, как ГРЭС - уголь.

Массовые количества АТФ можно было бы производить за счет света в стабилизированных тем или другим способом протеолипосомах, содержащих бактериородопсин и протонную АТФ-синтетазу из термофильной бактерии. В сопряжении этих двух весьма устойчивых ферментов - преобразователей энергии видится сегодня тот наиболее перспективный принцип, который можно было бы положить в основу технологии производства АТФ.

Вскрытие механизма работы уже описанных биологических преобразователей энергии и практическое применение добытых знаний - вот ближайшая перспектива биоэнергетики.

А что, если попытаться заглянуть в более далекое будущее? Прогнозы в науке - неблагодарное дело. И тем не менее...

Давайте сначала обернемся назад и попробуем проследить, каким путем шли биоэнергетики все годы, составившие новейшую историю их науки. Быть может, продолжив этот путь в грядущее, нам удастся представить себе, что ждет нас впереди.

Безусловно, важнейшей вехой на пути биоэнергетики было открытие нового типа преобразования энергии в клетке - генерации протонного потенциала. Это открытие было подготовлено долгими и, казалось бы, бесплодными поисками, блужданиями в дебрях необ-яснимых фактов, которые привели в конце пятидесятых годов к пониманию того, что есть крупная нерешенная проблема - механизм окислительного фосфорилирования, не поддающийся объяснению в рамках привычных научных догм. В описании энергетики клетки пропущен какой-то важнейший аспект - вот ощущение того времени, что предшествовало рождению концепции протонного потенциала.

А как сегодня выглядит биоэнергетическая карта клетки? Есть ли на ней крупное "белое пятно", нерешенная проблема, по масштабам своим соизмеримая с загадкой окислительного фосфорилирования? Все ли типы биологических преобразователей энергии нам известны теперь, после открытия протонного потенциала?

Впечатление таково, что мы свели наконец концы с концам" и на карте энергетических превращений не осталось достаточно обширных свободных мест. Но ведь такое же мнение складывалось в сороковые-пятидесятые годы, когда совершала свое триумфальное шествие концепция Липмана об АТФ как единственной конвертируемой форме энергии в живых системах.

Возникнет ли новый кризис идей в биоэнергетике? Если возникнет, я этому не удивлюсь. "Гораций! Много в мире есть такого, что вашей философии не снилось". Гамлет мог бы произнести эти слова и сегодня.

Недавно была обнаружена бактерия - спирилла, накапливающая в цитоплазме кристаллы окиси железа, частицы которого располагаются вдоль длинной оси клетки. Эти бактерии чувствуют магнитное поле. Они безошибочно ориентируются в пространстве относительно магнитных полюсов Земли, различая север и юг. Как намагничивают бактерии крупинки железа? Как реагируют они на магнитное поле? Какую роль играет эта их способность для жизнедеятельности? На все эти вопросы мы пока не можем ответить даже приблизительно. А ведь речь идет о магнетизме - давно изученном физиками явлении.

Что же сказать о гравитационном поле, если биологический аспект этой проблемы остается уделом "специалистов по телекинезу", которые вынуждены предполагать существование неизвестных физике "генераторов гравитации"!

Электрический ток был открыт Гальвани в опытах с лягушкой двести лет назад. Так биолог подарил физикам новый огромный раздел их науки. Как знать, не ждет ли физиков в будущем еще один такой подарок? Ведь история повторяется, в том числе и история науки...

Мы подошли к последней странице этой книги. Я пишу ее на вольном воздухе. В лицо упруго катит волны воздушный океан. Он раскачивает щиты оргстекла в деревянной раме - нехитрую оснастку моего "кабинета" на лоджии десятого этажа. Оснастка чуть колеблется и поскрипывает. Слева внизу милый сердцу лабораторный корпус. Впереди, на горизонте, у самой его черты, какое-то новое Беляево или Чертаново белеет грядой строек, а справа вдали Останкинская телебашня болит занозой в лиловом московском небе. Я очень горд этим своим открытием - писать на воле, в любую погоду, пока не замерзнут чернила...

Рассказы о биоэнергетике Часть I ИСТОРИЯ НОВОЙ НАУКИ Глава 1. ЧЕМ ЗАНИМАЮТСЯ БИОЭНЕРГЕТИКИ? Рождение биоэнергетики Глава 2. ЧТО ТАКОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН? Как клетка получает и использует энергию АТФ - разменная валюта клетки Где и как образуется АТФ? Глава 3. ОТ МИРМИКОЛОГИИ К БИОЭНЕРГЕТИКЕ Муравьиный язык Митохондрии производят АТФ в пробирке Глава 4. ДВА ПУТИ Факт или артефакт? Стриженые голуби Бурый жир Глава 5. КРЕПКИЙ ОРЕШЕК Жертва "закона Паркинсона" Ложная аналогия Парадокс веществ-разобщителей Глава 6. МИТЧЕЛ И ЕГО ДОГАДКА Начало пути Чисто умозрительное построение Хемиосмотическая гипотеза Корни гипотезы Одна из многих гипотез? Глинн Хауз. Ослы и дети Глава 7. ПОРАЖЕНИЯ И ПОБЕДЫ "Глинковские лаборатории" Первые опыты Митчела и Мойл "Варшавская битва". Поражение Серебряный звук трубы Первая "Серая книга" Митчела

Протонофоры Красные флажки на карте Конформационная гипотеза Ягендорф, Витт, Булычев и другие "Чудо-ионы" История повторяется Карфаген должен быть разрушен! Протеолипосомы Глава 8. БЕЛКИ - ГЕНЕРАТОРЫ ТОКА Драчев и бактериородопсин Суп из топора Последняя капля Глава 9. ПРИЗНАНИЕ Принцип Митчела Нобелевский лауреат Ароморфозы в науке и "комплекс Герострата" Йоги и биоэнергетика Часть II БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ Глава 1. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Протонная АТФ-синтетаза Цитохромоксидаза Хлорофильные генераторы Фотосинтез без хлорофилла Родопсин и зрение Глава 2. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, ИЗОБРЕТЕННЫЙ БАКТЕРИЕЙ Флагелла, крюк и диски Протонный потенциал движет бактерией Вращение хлоропластов Глава 3. ДВОЙНАЯ БУХГАЛТЕРИЯ ЖИВОЙ КЛЕТКИ Зачем клетка обменивает натрий на калий? Электрический кабель цианобактерий Глава 4. К НОВЫМ РУБЕЖАМ