[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.
Влодзимеж Седлак, изучавший идеи Сент-Дьёрдьи в Польше, разработал дисциплину биоэлектроники в 1960-х гг. в Католическом университете Люблина. Жизнь, утверждал он, – это не просто набор органических веществ, которые вступают в химические реакции: эти химические реакции координируются с электронными процессами, которые происходят в среде белковых полупроводников. Другие ученые из того же университета продолжают разрабатывать эту дисциплину и поныне, как теоретически, так и экспериментально. Мариан Внук сосредоточился на порфиринах как ключе к эволюции жизни. Он утверждает, что главная функция порфириновых систем – электронная. Йожеф Зон, глава отдела теоретической биологии в этом университете, изучает электронные свойства биологических мембран.
Как ни странно, использование порфиринов в электронных продуктах многое рассказывает о биологии. Добавление тонких пленок порфиринов к коммерческим фотоэлектрическим элементам повышает и напряжение, и ток, и максимальную мощность[239]. Существуют прототипы солнечных батарей, основанных на порфиринах[240], а также порфириновых органических транзисторов[241].
Свойства, благодаря которым порфирины находят применение в электронной технике, – это те же свойства, которые делают нас живыми. Как все знают, играть с огнем опасно: процесс окисления быстро и бурно выделяет огромную энергию. Как же тогда живые организмы используют кислород? Как нам удается дышать и усваивать пищу, не погибая от возгорания? Наш секрет – это сильно пигментированная, флуоресцентная молекула, которая называется порфирин. Сильные пигменты всегда очень эффективно усваивают энергию, а если они флуоресцентные, то они еще являются и хорошими энергетическими передатчиками. Как учил нас Сент-Дьёрдьи в своей книге «Биоэнергетика» (1957), «флуоресценция, таким образом, говорит нам, что молекула способна принимать энергию и не рассеивать ее. Любая молекула должна обладать двумя этими качествами, чтобы работать как передатчик энергии»[242].
Порфирины – более эффективные передатчики энергии, чем любые другие компоненты жизни. Если выражаться технически, то у них малый ионизационный потенциал и высокое сродство к электрону. Соответственно, они способны передавать большое количество энергии быстро и небольшими шагами, по одному низкоэнергетическому электрону за раз. Они даже могут передавать энергию электронным способом от кислорода другим молекулам, а не рассеивать эту энергию в качестве тепла и сжигать ее. Именно поэтому вообще возможно дыхание. На другом конце великого цикла жизни порфирины в растениях впитывают энергию солнечного света и транспортируют электроны, которые перерабатывают двуокись углерода и воду в углеводы и кислород.
Порфирины, нервная система и окружающая среда
Есть еще одно неожиданное место, где можно найти эти молекулы: в нервной системе, органе, по которому текут электроны. Собственно говоря, у млекопитающих центральная нервная система – это единственный орган, который светится красным флуоресцентным цветом порфиринов под ультрафиолетовыми лучами. Эти порфирины тоже выполняют важную базовую функцию жизни. Они, однако, находятся в том месте, где их меньше всего можно ожидать увидеть: не в самих нейронах, клетках, которые переносят сообщения от пяти наших органов чувств к мозгу, а в миелиновых оболочках, которые окружают их, – оболочках, роль которых практически не исследуется учеными и разрушение которых вызывает одну из самых распространенных и наименее изученных неврологических болезней нашего времени – рассеянный склероз. Только в 1970-х гг. хирург-ортопед Роберт Беккер обнаружил, что миелиновые оболочки на самом деле являются линиями электропередачи.
В здоровом состоянии миелиновые оболочки содержат в основном два типа порфиринов – копропорфирин III и протопорфирин, – в пропорции примерно 2:1 в комплексе с цинком. Именно такой состав очень важен. Когда химикаты из окружающей среды отравляют порфириновый путь, избыток порфиринов, связанных с тяжелыми металлами, накапливается и в нервной системе, и в остальном организме. Это нарушает структуру миелиновых оболочек и меняет их проводимость, что, в свою очередь, влияет на возбудимость нервов, которые они окружают. Вся нервная система становится сверхчувствительной к стимулам любого рода, в том числе к электромагнитным полям.
Клетки, окружающие наши нервы, до последнего времени даже особенно не изучались. В XIX в. анатомы, не найдя у них никаких заметных функций, предположили, что они играют лишь «питательную» и «поддерживающую» роль, защищая «настоящие» нервы, которые окружают. Они назвали их глиальными клетками, по греческому слову, означающему «клей». Открытие потенциала действия, который передает сигналы по всем нейронам, и нейротрансмиттеров, химических веществ, которые переносят сигналы от одного нейрона к другому, покончило с дискуссиями. С тех пор глиальные клетки окончательно стали считаться чем-то вроде упаковочного материала. Большинство биологов игнорировали открытие немецкого врача Рудольфа Вирхова, который в 1854 г. обнаружил, что миелин имеет свойства веществ, которые впоследствии будут описаны как жидкие кристаллы. Они не считали это важным.