Мир под напряжением. История электричества: опасности для здоровья, о которых мы ничего не знали - Артур Фёрстенберг

Так что биохимики продолжали думать о белках, липидах и ДНК как о маленьких шариках, плавающих в водном растворе и случайно сталкивающихся друг с другом. Они даже нервную систему представляли себе подобным образом. Им все же приходилось признавать квантовую теорию, когда их заставляли, но лишь в ограниченных рамках. Биологическим молекулам по-прежнему было позволено взаимодействовать только с непосредственными соседями, а не на расстоянии. Признавать современную физику разрешалось только по чуть-чуть, словно проделывая маленькую дырочку в плотине, через которую по капельке сочатся знания, и укрепляя тем временем основную структуру, чтобы ее не снесло наводнением.

Старым знаниям о химических связях и ферментах в водном растворе теперь приходится сосуществовать с новыми моделями дыхательной цепи переноса электронов. Их пришлось выдумать, чтобы объяснить явления, которые имеют важнейшее значение для жизни: фотосинтез и дыхание. Крупным порфиринсодержащим белковым молекулам больше не нужно было двигаться и физически взаимодействовать друг с другом, чтобы происходило что-то полезное. Теперь они могли оставаться на месте, а между ними передвигались туда-сюда только электроны. Биохимия становилась куда более живой. Но ее путь был еще далек. Ибо даже в новых моделях электроны, словно мальчики-посыльные, были ограничены передвижением лишь между одной белковой молекулой и ее соседкой. Они могли, так сказать, перейти через улицу, но не уйти по большаку в далекий город. Организмы по-прежнему изображали, по сути, как мешки с водой, содержащей очень сложные химические растворы.

Законы химии объяснили много в процессах обмена веществ, электрон-транспортные цепи объяснили еще больше, но организующего принципа найти так и не удалось. Слоны вырастают из крохотных зародышей, которые появляются из единственной безмозглой клетки. Саламандры идеально восстанавливают потерянные конечности. Когда мы получаем порез или перелом, клетки и органы нашего организма мобилизуются и координируют свои действия, чтобы восстановить поврежденные ткани. Как передается эта информация? Как, цитируя Сент-Дьёрдьи, белковые молекулы «живут»?

Несмотря на ужасный грех Сент-Дьёрдьи, его предсказания сбылись. Молекулы в клетках не дрейфуют случайным образом, чтобы столкнуться друг с дружкой. Большинство из них прикреплены к мембранам. Вода внутри клеток тщательно структурирована и не похожа на свободно текущую жидкость, которая плескается в стакане, прежде чем вы ее выпьете. Пьезоэлектричество, свойство кристаллов, которое делает их полезными для производства электронной техники, которое преобразует механический стресс в электрическое напряжение, и наоборот, обнаружили в целлюлозе, коллагене, кератине, костях, шерсти, дереве, сухожилиях, стенках кровеносных сосудов, мышцах, нервах, фибрине, ДНК и у всех типов белков, которые были проверены[238]. Иными словами, электричество жизненно необходимо для биологии – хотя большинство биологов отрицают это вот уже два столетия.

Сент-Дьёрдьи был не первым, кто бросил вызов общепринятому мышлению. Уже в 1908 г. Отто Леманн, заметив близкое сходство между формами известных жидких кристаллов и многих биологических структур, предположил, что жидкокристаллическое состояние является самой основой жизни. Жидкие кристаллы, как и организмы, умеют вырастать из семян, восстанавливать раны, поглощать другие вещества или другие кристаллы, страдают от отравления, формируют мембраны, сферы, палочки, ленты и спиральные структуры, делятся, «спариваются» с другими формами и дают «потомство», имеющее характеристики обоих родителей, преобразуют химическую энергию в механическое движение.

После дерзкой будапештской лекции Сент-Дьёрдьи его идеи стали разрабатывать и другие. В 1949 г. голландский ученый Э. Кац объяснил, как электроны могут проходить через полупроводящий кристалл хлорофилла во время фотосинтеза. В 1955 г. Джеймс Бассэм и Мелвин Кальвин, работавшие на Комиссию США по атомной энергии, развили его теорию. В 1956 г. Уильям Арнольд в Национальной лаборатории «Оук-Ридж» экспериментально подтвердил, что высушенные хлоропласты – частицы зеленых растений, содержащие хлорофилл, – имеют многие свойства полупроводников. В 1959 г. Дэниэл Или из Ноттингемского университета доказал, что высушенные белки, аминокислоты и порфирины в самом деле являются полупроводниками. В 1962 г. Родерик Клейтон, еще один сотрудник «Оук-Риджа», обнаружил, что фотосинтетические ткани живых растений ведут себя как полупроводники. В 1970 г. Алан Адлер из Института Новой Англии показал, что тонкие пленки из порфиринов ведут себя точно так же. В 1970-х гг. биохимик Фримен Коуп из Центра разработки военно-морской авиации США в Уорминстере, штат Пенсильвания, подчеркнул важность физики твердого тела для истинного понимания биологии, как и биолог Аллан Фрей, в то время самый активный американский исследователь воздействия микроволновой радиации на нервную систему. Лин Вэй, профессор электротехники в Университете Ватерлоо (Онтарио), заявил, что нервный аксон – это линия электропередачи, а его мембрана – ионный транзистор. Он сказал, что эквивалентные схемы «можно найти в любой современной книге по электронной технике», а «поведение нерва легко предсказать посредством полупроводниковой физики». Когда он сам так поступил, его уравнения предсказали некоторые свойства нервов, которые были – и остаются – загадкой для физиологов.

В 1979 г. молодой профессор биоэлектроники из Эдинбургского университета опубликовал книгу Dielectric and Electronic Properties of Biological Materials («Диэлектрические и электронные свойства биологических материалов»). Ранние работы Или и Арнольда раскритиковали, потому что замеренная ими энергия активации – количество энергии, необходимое для того, чтобы заставить белки проводить электричество, – оказалась с виду слишком большой. В живых организмах якобы недостаточно энергии, чтобы перевести электроны в зону проводимости. Белки, может быть, и проводят электричество в лаборатории, утверждали критики, но вот в реальном мире такого не бывает. Или и Арнольд, впрочем, проводили всю свою работу на высушенных белках, а не на живых. Молодой профессор Рональд Петиг указал на очевидную вещь: вода необходима для жизни, и проводимость белков возрастает, если добавить к ним воды. Собственно, исследования показали, что достаточно добавить всего 7,5 % воды, чтобы повысить проводимость многих белков в 10 000 раз, а то и больше! Вода, предположил он, – это донор электронов, она служит своеобразным «допингом» для белков, превращая их в хорошие полупроводники.

Роль воды в электрических структурах живых организмов отмечали и другие. Физиолог Гилберт Линг, поняв, что вода в клетках является гелем, а не жидкостью, разработал свою теорию электронной природы клеток в 1962 г. Позже исследованиями в этой области занялся Джеральд Поллак, профессор биоинженерии в Вашингтонском университете. Его вдохновила встреча с Лингом на конференции в середине 1980-х гг. Последняя книга Поллака The Fourth Phase of Water: Beyond Solid, Liquid and Vapor («Четвертое состояние воды: не только лед, жидкость и пар») вышла в 2011 г.

Лондонский генетик Хо Мэ Ван, ныне покойная, одела идеи Сент-Дьёрдьи в наряды, хорошо видимые для всех. Она разработала методику с использованием поляризационного микроскопа, который яркими цветами показывал интерференционные узоры, создаваемые жидкокристаллическими структурами, из которых состоят живые существа. Первым животным, которое она поместила под свой микроскоп, был маленький червь – личинка мухи-дрозофилы. «Когда он ползет, он покачивает головой из стороны в сторону, демонстрируя мышцы челюсти – синие и оранжевые полосы на сиреневом фоне», – писала она в 1993 г. в книге The Rainbow and the Worm: The Physics of Organisms («Радуга и червь: физика организмов»). Она и многие другие настойчиво утверждали, что жидкокристаллические свойства наших клеток и тканей не только рассказывают нам об их химии: они рассказывают нам кое-что особенное о самой жизни.