Химический морфогенез

Агрегативные морфогенезы с нарастающей интен­сивностью осуществляются в неорганических систе­мах при понижении температуры: когда плазма охлаж­дается, субатомные частицы агрегируют в атомы; при более низкой температуре атомы агрегируют в моле­кулы; затем молекулы конденсируются в жидкости; и наконец, жидкости кристаллизуются.

В состоянии плазмы обнаженные атомные ядра можно рассматривать как морфогенетические зароды­ши атомов; они связаны с атомными морфогенетическими полями, которые содержат виртуальные орбитали электронов. В одном смысле эти орбитали не существу­ют, но в другом — они обладают реальностью, которая выявляется в остывающей плазме, когда они актуали­зируются путем захвата электронов.

Электроны, которые были захвачены атомными орбиталями, могут быть смещены оттуда воздействием внешней энергии или путем введения виртуальной орбитали с более низкой потенциальной энергией. В последнем случае они теряют дискретный квант энер­гии, который излучается как фотон. В атомах со многи­ми электронами каждая орбиталь может содержать только два электрона (с противоположными спинами); таким образом, в остывающей плазме электронами за­полняются сначала виртуальные орбитали с наиболее низкой энергией, затем орбитали с ближайшими к ним низшими энергиями и так далее, до тех пор пока не реа­лизуется (актуализируется) полная атомная форма во­круг морфогенетического зародыша ядра.

Атомы, в свою очередь, являются морфогенетическими зародышами молекул, а малые молекулы — зародышами больших молекул. Химические реакции включают либо агрегацию атомов и молекул в боль­шие молекулы — например, образование полимеров,— либо расщепление больших молекул на мень­шие или на атомы и ионы, которые затем могут агре­гировать с другими атомами или ионами, например в процессе горения: под действием внешней энергии молекулы распадаются на атомы и ионы, которые затем соединяются с кислородом с образованием малых, простых молекул, таких как Н₂О и СО₂. Эти химические изменения включают актуализацию вир­туальных форм, связанных с атомами или молеку­лами, которые действуют как морфогенетические зародыши.

Мысль о том, что молекулы имеют виртуальные формы ранее, чем они актуализируются, особенно ясно иллюстрируется тем хорошо известным фактом, что совершенно новые соединения сначала могут быть «спроектированы» на основе эмпирически определен­ных принципов химического взаимодействия, а затем уже фактически синтезированы химиками-органика­ми. В этих лабораторных синтезах одна стадия следует за другой; на каждой стадии определенная молекуляр­ная форма служит морфогенетическим зародышем для следующей виртуальной формы, которая должна быть синтезирована, и в конечном итоге образуется форма совершенно новой молекулы.

Если представление о химических реакциях как о морфогенетических процессах кажется несколько искусственным, то следует вспомнить о том, что дейст­вие катализаторов, как неорганических, так и органи­ческих, в значительной степени зависит от их формы. Например, ферменты, специфические катализаторы множества биохимических реакций, имеют поверхно­сти, канавки, выемки или впадины, которым соответ­ствуют реагирующие молекулы со специфичностью, часто сравниваемой с тем, как ключ соответствует замку. Каталитический эффект ферментов в большой степени зависит от того способа, которым они удерживают реагирующие молекулы в положениях, нужных для того, чтобы реакция произошла. (В свободном рас­творе случайные столкновения молекул происходят во всех возможных ориентациях, большинство из кото­рых непригодны для реакции.)

Детали химического морфогенеза неясны отчасти из-за их большой скорости, отчасти потому, что про­межуточные формы могут быть весьма нестабильны, а также потому, что конечные изменения состоят из вероятностных квантовых скачков электронов между орбиталями, которые образуют химические связи. Вир­туальная форма молекулы, которая должна возникнуть, запечатлена в морфогенетическом поле, связанном с атомным или молекулярным морфогенетическим за­родышем; когда другой атом или молекула приближа­ются в подходящей ориентации, форма образующейся молекулы актуализируется посредством квантовых скачков электронов на орбитали, которые ранее суще­ствовали лишь как виртуальные формы; в то же время при этом освобождается энергия, обычно в виде тепло­вого движения. Роль морфогенетического поля в этом процессе является, так сказать, энергетически пассив­ной, но морфологически активной; оно создает вирту­альные структуры, которые затем актуализируются, по мере того как морфические единицы низшего уров­ня «защелкиваются» («slot» or «snap») в эти структуры, освобождая при этом энергию.

Любой атом или молекула данного типа могут участ­вовать во многих видах химических реакций и поэтому являются потенциальными зародышами множества различных морфогенетических полей. Эти поля можно представить как возможности, «парящие» вокруг них. Однако атом или молекула могут не выполнить свою роль зародыша определенного морфогенетического по­ля до тех пор, пока к нему или к ней не приблизится подходящий атом или молекула, возможно, благодаря их специфическим электромагнитным или иным воз­действиям.

Морфогенез кристаллов отличается от такового атомов и молекул тем, что определенный рисунок атом­ной или молекулярной организации повторяется нео­граниченно. Морфогенетический зародыш создается самим этим рисунком. Хорошо известно, что введение «семян» или «ядер» кристалла соответствующего типа значительно ускоряет кристаллизацию переохлажден­ных жидкостей или перенасыщенных растворов. В от­сутствие таких семян или ядер морфогенетические зародыши кристаллов появляются только тогда, когда атомы или молекулы случайно занимают подходящие положения относительно друг друга вследствие теп­лового движения. Когда зародыш присутствует, вирту­альные формы копий структуры решетки, задаваемой этим морфогенетическим полем, распространяются в разные стороны от поверхностей растущего кристалла. Подходящие свободные атомы или молекулы, которые приближаются к этим поверхностям, захватываются ими и «защелкиваются» в нужное положение; опять-таки при этом выделяется тепловая энергия.

Осеменение, или нуклеация, переохлажденных жидкостей может также проводиться, хотя и менее эффективно, путем введения малых фрагментов чуже­родных веществ: например, химики часто скребут по краям пробирок, чтобы засеять растворы кусочками стекла. Эти кусочки служат поверхностями, позволяю­щими легче находить наиболее подходящие относи­тельные положения тем атомам или молекулам, кото­рые образуют истинный морфогенетический зародыш кристалла. По своим морфогенетическим эффектам такие семена напоминают катализаторы химических реакций.

Все виды химического морфогенеза, рассмотрен­ные до сих пор, несомненно, агрегативны. В неживых системах явления трансформации гораздо менее рас­пространены. Например, большинство кристаллов не способны превращаться в другие кристаллические фор­мы; они могут расплавиться или раствориться, и тогда их составляющие могут принять участие в других про­цессах кристаллизации; но это есть разрушение (дезаг­регация), за которым следуют другие виды агрегации. Подобным же образом химические реакции включают дезагрегативные и агрегативные изменения. Однако существуют важные примеры молекулярной транс­формации, такие как складывание белков, и обратимые изменения формы, которые происходят, когда неко­торые ферменты связываются с молекулами, реакции которых они катализируют[105].

Тот факт, что белки складываются гораздо быстрее, чем можно было бы ожидать, если бы они «находили» свою конечную форму путем «случайного поиска», указывает на то, что их складывание происходит по определенным направлениям или по ограниченному числу направлений (раздел 3.3). Эти «канализирован­ные пути изменения» можно рассматривать как хреоды. Чтобы процесс складывания мог начаться, соглас­но представлениям, излагавшимся выше в разделе 4.1, должен присутствовать морфогенетический зародыш и этот зародыш должен уже иметь характерную трех­мерную структуру, которую он имеет в конечной фор­ме белка. Предположение о существовании таких морфогенетических пусковых точек фактически уже было высказано в литературе по складыванию белков:

«Высокая скорость раскручивания предполагает необходимость того, чтобы процесс протекал по огра­ниченному числу направлений, даже когда статистика эта строго ограничена своего рода основными правила­ми стереохимии, которые содержатся в неявном виде в так называемом графике Рамачандрана. Становится необходимым постулировать в процессе складывания существование ограниченного числа допустимых ини­циирующих событий. Такие события, обычно называе­мые нуклеациями, вероятнее всего, происходят в тех частях полипептидной цепи, которые могут участво­вать в конформационном равновесии между случайны­ми и кооперативно стабилизированными структура­ми. Далее важно подчеркнуть, что аминокислотные последовательности полипептидных цепей, предназ­наченные для того, чтобы служить фабрикой белковых молекул, функционально осмыслены лишь тогда, когда они имеют трехмерную структуру, которая харак­терна для них в молекуле природного белка. Кажется разумным предположить, что части белковой цепи, которые могут служить как центры нуклеации для складывания, будут теми, которые могут "отклонять­ся" внутрь и наружу от конформации, которую они имеют в конечном белке, и что они образуют отно­сительно жесткую структуру, стабилизированную набором кооперативных взаимодействий» [106].

Такие «центры нуклеации» будут действовать как морфогенетические зародыши через их связывание с морфогенетическим полем белка, которое затем будет канализировать процесс складывания по направлению к характерной конечной форме.

Дата добавления: 2015-08-18