Нет, не пропасть отделяет молекулы друг от друга — ров. Но еще много придется поработать, прежде чем удастся перекинуть мостик через этот ров, чтобы создать единую энергоцентраль, которую инженеры назовут органическим полупроводником. Потечет, обязательно потечет электричество по гектарам полимерных пленок, по волокнам нашей одежды, по защитным покрытиям самолетов и ракет. Удивительный ток, который уже сейчас питает своей энергией наши чувства и мысли, любые движения нашего тела, нашей «души». Ток, порожденный улыбкой доброго старого Солнца. И этот ток, выполняющий в биосфере любые работы, не способен лишь к одному — быть выраженным в понятиях классической химии.
«Странствующий электрон относится к миру изменяющихся форм и распределений в электронных облаках, которые принадлежат субмолекулярной биологии, управляемой законами квантовой механики».
Так пишет в своем «Введении в субмолекулярную биологию» Сент-Дьердьи. Глубокий старик, он с юношеской увлеченностью доказывает, что применение тяжелой математической артиллерии помогает биологам победоносно брать Бастилию за Бастилией. Биолог, воспитанный в традициях старой школы, он сумел на склоне лет отрешиться от классических представлений и принять на вооружение новые идеи. Пионер квантовой биологии, он отлично видит трудности, которые подстерегают каждого, кто решит последовать за ним в многотрудный, но увлекательный поход.
«…у входа в науку, как и у входа в ад, должно быть выставлено требование:
„Здесь нужно, чтоб душа была тверда;
Здесь страх не должен подавать совета“».
Сент-Дьердьи говорит:
«Переходя к новой области, я всегда надеялся овладеть интересующим меня предметом. В случае квантовой механики я даже не надеюсь на это. Отсюда и мои опасения… Должны ли биологи допускать, чтобы их вытесняли из этого мира электронных явлений только из-за того, что они не знакомы с тонкостями квантовой механики? Сейчас число исследователей, овладевших обеими науками — биологией и квантовой механикой, очень мало. Учитывая ограниченные возможности ума человека и ограниченную продолжительность его жизни, можно думать, что это число никогда и не будет очень большим. Каждая из этих наук требует всего ума человека и всей его жизни. Таким образом, по крайней мере в настоящее время для развития науки необходима некая гибридизация разных специальностей.
По моему мнению, во всяком случае сейчас, наилучшее решение заключается не в превращении биологов в физиков и наоборот, а в их сотрудничестве. Для этого не обязательно, чтобы биологи сами проникали во все тонкости квантовой механики. Им достаточно найти общий язык с физиками и интуитивно овладеть основными идеями и ограничениями квантовой механики, чтобы быть в состоянии наметить для физика проблемы и понять смысл его ответов. Точно так же физику лучше оставаться на своей стороне пропасти, чем превратиться в, быть может, второразрядного биолога. Если, например, я как биолог интересуюсь энергетическими уровнями какого-нибудь вещества и если мне говорят, что его наивысший уровень характеризуется определенным значением коэффициента k, равным, скажем, 0,5, то я могу исходить из этих данных. Мне достаточно знать, что означает k, равное 0,5, и мне нет нужды точно знать, как было получено это значение. В обмен я могу указать физику, для каких веществ вычисление коэффициента может представлять особый интерес».
Коэффициент k…
Ледяным бесстрастием веет от нескончаемой вязи математических формул, которыми химики-квантовики заполняют страницу за страницей, расчисляя молекулу с помощью абстрактнейшей из абстракций — пси-функции Шредингера. Но странное дело: холодные, мертвые коэффициенты, порожденные усилиями человеческого мозга, пришли на помощь этому живому, пульсирующему сгустку материи!
Мозг, средоточие мыслей и чувств, породивших все, что так дорого, и все, что так ненавистно человечеству. Святая святых физиологии. Сложнейшая и таинственнейшая «машина», к которой каждая наука пытается подобрать свой ключ. Кто бы мог подумать, что и квантовая химия окажется в числе тех, кто успешно штурмует эту крепость науки!
Царство изумительной гармонии и целесообразности, мозг иногда оказывается в плену хаоса и дезорганизации. Нет, речь идет не о механических повреждениях этой чудесной «машины», заключенной в нашей черепной коробке. Все клетки-реле на месте, все коммуникации — кровеносные сосуды и нервные нити — в порядке, а логический аппарат отказывает в работе. Врач подписывает приговор: «психическое заболевание».
Не так давно этот приговор был равносилен смертному. Душевный недуг означал интеллектуальную гибель. И лишь в самые последние годы химия вручила психиатрии надежные средства, которые излечили не одного душевнобольного, возвратив его к активной общественной жизни. Бурно развивается юная область древней медицины — психофармакология, наука о веществах, влияющих на высшую нервную деятельность. К сожалению, до сих пор поиск новых лекарств зачастую идет вслепую, «методом проб и ошибок». Вот почему центральным вопросом психофармакологии остается механизм действия медикаментов на те или иные участки коры и подкорки.
Так-то оно так, но при чем тут квантовая химия? Неужто прыжки электронов со ступеньки на ступеньку имеют какое-то значение для функции гигантской машины, составленной из 15 миллиардов деталей-клеток?
Как интеграл принял участие в консилиуме психиатров.
В свое время мы узнали, что длительное состояние тоски или страха, беспричинное с точки зрения психиатра, вызвано прямой химической причиной: в крови повышается концентрация адреналина. Или его ближайшего сородича серотонина. Антагонистом этих веществ, нагоняющих страх, является аминазин (хлорпромазин). Он помогает и психически нормальным людям.
Трудно не волноваться перед хирургической операцией. Даже те, кто не из пугливого десятка, боятся металлического звона инструментов. А те, кому был введен аминазин, спокойны и не испытывают страха.
И вот выяснилось, что химизм действия препаратов находится в прямой зависимости от величины, высчитываемой математически и сухо именуемой «коэффициентом k». Этот показатель характеризует энергию связи электрона с молекулой.
Для вычисления энергетических уровней молекул обычно прибегают к двум квантово-механическим приемам. Один из них уже упоминался — это метод валентных схем. Именно его применили впервые Гейтлер и Лондон для расчета молекулы водорода. Метод предполагает, что любую молекулу можно мысленно разбить на ряд двухцентровых двухэлектронных связей. Несколько иная посылка лежит в основе метода молекулярных орбит. Там отвергается утверждение, что электрон находится у определенного атома. Напротив, химическая связь считается результатом движения электронов в суммарном поле, созданном всеми электронами и всеми ядрами. Электрон как бы размазан по всей «молекулярной орбите». Понятно, почему метод молекулярных орбит оказался особенно эффективным для расчета систем сопряженных связей, которые играют первостепенную роль в органической химии и биологии.
Энергия какой-либо орбиты E равна α + kβ. Здесь α — кулоновский интеграл, β — обменный интеграл. Первый выражает энергию электростатического взаимодействия электронов между собой и с ядрами. Второй — энергию обменного взаимодействия. Для веществ, близких по химической природе, значения α и β почти одинаковы. Следовательно, энергия зависит главным образом от величины k. Коэффициент k рассчитывается для двух видов молекулярных орбит — связывающей и разрыхляющей.
Когда образуется молекула, энергия электронов в основном состоянии оказывается меньше, чем сумма прежних энергий электронов в индивидуальных атомах (расщепление уровней!). Потому-то и выделяется тепло при объединении двух атомов H в молекулу H2. Но если электроны переходят в возбужденное состояние, они подпрыгивают с основной («связывающей») орбиты на более высокую «разрыхляющую». Так она называется оттого, что заполнение ее электронами в результате активации молекулы приводит к «разрыхлению» валентной связи и распаду молекулы на атомы. Энергия разрыхляющей молекулярной орбиты больше, чем у исходных атомных орбит.
Главное — запомнить: удалить электрон со связывающей орбиты тем легче, чем меньше коэффициент k. Стало быть, тем лучшим донором электронов является молекула. Например, для одного из электронных посредников дифосфопиридиннуклеотида ДПН—H k = 0,298. Это очень хороший донор. А у ДПН+ +, k = 1,032. Значит, донор из него никудышный.
Равным образом, чем меньше коэффициент k для разрыхляющей орбиты, тем легче молекула присоединяет чужие электроны. Тем лучше из нее акцептор электронов. У ДПН+ в этом случае k = 0,356. Очень хороший акцептор! А для ДПН—H k = 1,032. Акцептор из рук вон плохой. А наши антагонисты — аминазин и серотонин? У первого для связывающей орбиты k меньше нуля. Значит, это успокаивающее средство оказывается исключительно щедрым донором. Зато акцептор из него скверный (k = 1). У серотонина же наоборот — способность принимать чужие электроны выражена ярче (k = 0,87). А отдавать свои — э, нет, здесь серотонин «жаднее».
Если целебное действие успокаивающих средств связано с их способностью отдавать электроны, то квантово-механический расчет позволит выявить и более могущественные лекарства! Если введение доноров смягчает симптомы шизофрении, то, быть может, именно недостаток электронов вызывает этот тяжелый психический недуг? Тогда возникает новый вопрос: чем объяснить недостаток электронов? Не присутствием ли в крови акцепторов? А раз так, то на любой акцептор можно найти управу в виде соответствующего донора!
Автор приносит глубочайшие извинения за длинные-предлинные цитаты. Но, право, лучше не скажешь!