Несомненно, что если химикам удастся упростить и доработать свою технологию до такого состояния, когда станет возможным изучение множества ферментов у множества живых видов, то обнаруженные при этом различия помогут в подробностях раскрыть ход эволюции жизни на Земле.
Глава 7
ФЕРМЕНТЫ И ОБРАЗЫ
В одном из классических химических экспериментов, с которого часто начинается изучение общей химии в колледже, экспериментатор получает кислород путем разложения бертолетовой соли (в состав которой входят атомы кислорода). При проведении этого опыта необходимо четко соблюдать условия. Студент должен не просто нагреть бертолетову соль — необходимо сначала добавить двуокись марганца, в состав которой тоже входит кислород. Если этого не сделать, то бертолетову соль придется нагревать очень сильно, а выход кислорода все равно будет небольшим. При наличии же двуокиси марганца достаточно лишь немного нагреть смесь, и кислород начнет активно выделяться.
Необходимо объяснить студенту, что сам диоксид марганца при этом в реакции не участвует, хотя бы для того, чтобы студент не решил, что кислород выделяется из двуокиси марганца, а в осадок выпадает металлический марганец. Действие двуокиси марганца заключается только в ускорении каким-то образом распада бертолетовой соли. При этом сама двуокись марганца не потребляется — достаточно, чтобы она просто присутствовала. В данном случае двуокись марганца является катализатором реакции, а сам процесс, при котором одно вещество самим своим присутствием влияет на ход реакции других веществ, называется катализом.
Если ограничиться вышеприведенными сведениями (как часто делают), то новичок может сделать вывод и всю жизнь считать, что катализ — это такое чудо. Само признание того, что некое вещество может влиять на процесс без непосредственного вступления в него, одним своим присутствием, сразу порождает представление, что либо бертолетова соль каким-то мистическим образом чувствует присутствие двуокиси марганца и начинает вести себя по-другому, либо мы наблюдаем случай дистанционного воздействия (например, телекинеза) на бертолетову соль со стороны могущественной молекулы двуокиси марганца.
Излишняя таинственность в науке только помеха, ведь сама задача науки заключается в том, чтобы сделать Вселенную как можно менее таинственным местом. Если учесть, что стоит студенту заняться в будущем промышленной химией, и ему придется постоянно сталкиваться с катализируемыми реакциями, а если он изберет биохимию, то и здесь обязательно будет иметь дело с необходимыми белковыми катализаторами — ферментами, то понятно, что подобный налет таинственности совсем уж нежелателен.
Естественно, нет необходимости надолго прерывать вводный курс химии ради подробного отклонения в область химии поверхностей с целью раскрыть завесу тайны катализа. Студенты все равно ничего не поймут, потому что у них еще нет соответствующей базы знаний, да это и не нужно. Достаточно просто отметить, что никакой тайны в катализе нет, а подробное объяснение подождет.
Чтобы устранить таинственность, нужно всего лишь привести студентам известные примеры того, как реакцию можно ускорить с помощью присутствия внешнего воздействия, — примеры, явно лишенные какой-либо мистики. Короче говоря, студент может быть не готов к объяснениям из области высшей химии, но он всегда готов к восприятию метафорического образа.
Если этот образ окажется достаточно наглядным, го студент запомнит его навсегда. Даже если он никогда не пойдет дальше базового курса химии, то хотя бы в одном аспекте химия лишится в его глазах мистического налета. Так совершится еще один вклад в рационалистическую систему мировоззрения человека, которая в итоге приводит к научному мышлению. Если же студент в дальнейшем перейдет к курсу высшей химии, то там катализу будет уделено особое внимание и под него будет подведена точная теоретическая база, но, по крайней мере, изначальный подход у нашего студента уже будет правильным и он сможет воспринимать материал с большим доверием.
Так как же катализатор может повлиять на ход реакции самим своим присутствием? Какую аналогию такому феномену может предложить жизнь? Давайте возьмем в качестве аналогии скольжение кирпича по наклонной плоскости.
Давайте вместо распадающейся с высвобождением кислорода бертолетовой соли представим себе кирпич, скользящий вниз по слегка наклонной плоскости с высвобождением энергии. Оба процесса являются спонтанными, но и для первого и для второго необходим изначальный толчок. Бертолетову соль надо сначала нагреть; кирпич нужно подтолкнуть рукой.
Допустим, что наклонная доска, на которой лежит кирпич, имеет грубую поверхность и между ней и кирпичом возникает сильное трение. Тогда, несмотря на силу тяжести, воздействующую на кирпич, он остановится сразу же, как только его перестанут толкать рукой.
Теперь предположим, что и кирпич и доска покрыты тонким слоем льда. Теперь кирпич будет скользить вниз гораздо легче, от самого слабого толчка, а то вообще сам по себе.
Но ведь лед не толкает кирпич, не усиливает силу тяжести, вообще не прилагает к кирпичу никаких усилий. Он сам по себе вообще ничего не делает. Он просто присутствует. Да и нужно-то его немного — лишь столько, чтобы покрыть тонким слоем соприкасающиеся части доски и кирпича. Причем в идеальном случае лед еще и не тратится в процессе скольжения. Когда кирпич уже соскользнул вниз, весь лед остается на месте — можно ставить на доску второй обледенелый кирпич, за ним — третий и т. д.
Катализатор определяют как вещество, способное ускорять химическую реакцию фактом своего присутствия в небольших количествах и не подвергающееся в результате реакции изменениям. Стоит убрать из определения слово «химическую», и мы увидим, что лед, покрывающий доску, является самым настоящим катализатором.
Можно привести и другую аналогию — с письменным столом. Представьте себе, что посреди пустыни стоит человек с карандашом и листом бумаги, а вокруг него — только мягкий пересыпающийся песок. Человек хочет что-то написать на листе.
Писать он умеет, у него есть чем писать и на чем. Однако прочесть написанное им в таких условиях будет сложновато, а то и невозможно, а бумага в процессе написания практически неизбежно порвется.
Теперь представим себе, что вдруг под рукой у нашего писателя обнаруживается гладкий письменный стол из полированного дерева. Карандаш на полировке не пишет, но как разительно изменится при этом вся ситуация в целом!
Никаких дополнительных тайн письма человеку не открывается, инструмент его — карандаш — остается прежним, да и предмет, на котором он может писать, — все тот же лист бумаги.
Однако теперь текст получится ровный, четкий и понятный — и все благодаря письменному столу, который ускоряет и облегчает процесс самим фактом своего присутствия, при этом не претерпевая в процессе написания текста никаких изменений. И карандаш, и бумага в какой-то степени затрачиваются при написании текста, да и сам пишущий тратит на этот процесс некоторое количество калорий энергии, и только письменный стол не несет никаких потерь. В дальнейшем с его помощью можно осуществить неограниченное количество подобных действий; короче говоря, он является полноценным катализатором.
Кстати, обе приведенные метафоры говорят еще об одном, о том, что катализ — это, как правило, феномен, связанный с поверхностью; о том, что для ускорения реакции (будь то скольжение кирпича, написание письма или распад бертолетовой соли) необходимо предоставить наилучшим образом подходящую для процесса поверхность.
Позже, уже в ходе более глубокого изучения предмета, студенту объяснят, что катализ ускоряет реакцию, никоим образом не сдвигая при этом точку равновесия. Предположим, к примеру, что у нас имеются вещества А и В, которые вступают в реакцию с образованием веществ С и D. Естественным образом эта реакция будет происходить лишь до определенного момента — она остановится по достижении системой равновесного состояния, то есть такого, когда все доли каждого из четырех веществ — А, В, С и D — в смеси достигнут определенного уровня. Присутствие катализатора лишь ускоряет ход реакции в том смысле, что равновесное положение достигается быстрее, но по его достижении реакция точно так же останавливается.
Более того, если изначально взять С и D, то и они вступят между собой в реакцию с образованием А и В, — и эта реакция тоже будет протекать додостижения системой равновесного состояния. Интересно, что и ход такой обратной реакции можно ускорить с помощью того же самого катализатора.
Когда студента впервые в жизни ставят перед этим фактом, то наличие вещества, способного подталкивать реакцию в обоих направлениях, как будто обладая точным знанием о том, где именно находится точка равновесия, может показаться ему какой-то чертовщиной.