image

      Живое вещество

      Автор: А.Н.Зелинский, автор книги «Защита творения (к 100-летию противогаза Н.Д.Зелинского)»
      Материал статьи:


      Меня всегда интересовала грань между живым и мертвым веществом и органическое взаимодействие их, без которого нормальная жизнедеятельность организма невозможна.

      Н.Д.Зелинский

      Николай Дмитриевич Зелинский (1861-1953) – русский и советский химик-органик, создатель научной школы, один из основоположников органического катализа и нефтехимии. Наиболее известен как изобретатель первого эффективного противогаза.

      Современная органическая химия, одним из создателей которой явился Н.Д.Зелинский, как свидетельствует само название этой науки, лежит на перекрестке химии и биологии, соединяя ка бы воедино эти две области познания. Н.Д.Зелинский был теснейшим образом связан пограничными областями естествознания контактами такими учеными, как И.М.Сеченов, М.А.Мензбир, Н.А.Северцов, А.М.Безредка, Н.В.Насонов. Многолетняя глубокая дружба была у него с Владимиром Ивановичем Вернадским – создателем современного учения о Биосфере и Ноосфере – дружба, основанная на долголетнем сотрудничестве и общих истоках научного мировоззрения.

      Без преувеличения можно сказать, что в основе всего творчества Николая Дмитриевича лежал глубокий интерес связи между живой и мертвой природой, их взаимодействию и взаимопроникновению. Этот интерес возник у него очень рано. Еще первая студенческая работа Н.Д.Зелинского была посвящена объекту, представляющему биологический интерес, – альфа-окси-бега-метаминомасляной кислоте. «Мертвое вещество природы, как бы сложно оно ни было, – писал он позднее, – представляет собой химическое соединение, отличающееся единством своего состава. Все молекулы такого химического соединения одинаковы.

      Что же собой представляет живое вещество – растительный или организм? Мне кажется, что на каждый организм с научной точки зрения можно до некоторой степени смотреть как на определенное химическое соединение комплексного (разрядка Н.Д.) характера, гармоничным взаимодействием составных частей которого обуславливается его жизнедеятельность».

      Впервые ученый столкнулся с исследованием влияния живых существ на образование мертвого вещества природы летом 1891 г., когда по приглашению известного биолога академика А.О.Ковалевского он принял участие в глубоководной экспедиции на Черном море на канонерской лодке «3апорожец». Экспедиция была вызвана тем, что незадолго до того русские ученые обнаружили в глубоких водах Черного моря большое количество сероводорода, с чем связывалось отсутствие жизни в Черном море на больших глубинах. Новая экспедиция была нужна для более точного выяснения причин столь значительного заражения вод Черного моря сероводородом и проверки общепризнанной в то время гипотезы Н.И.Андрусова, согласно которой сероводород образовался из белкового вещества в результате гниения трупов животных поги6ших при осолонении Червоморского бассейна, гипотезы, которой не разделял Н.Д.Зелинский.

      В результате исследований, связанных с этой экспедицией, Николаем Дмитриевичем был сделан следующий интересный вывод: сероводород в глубоких водах Черного моря имеет бактериальное происхождение; процессы химического взаимодействия между живым веществом микроорганизмов и мертвым веществом природы привели к тому, что Черное море и лиманы Одессы находятся в современную нам эпоху в стадии сероводородного брожения. Ученым было также установлено наличие биохимической реакции между сероводородом, выделяемым черноморскими микроорганизмами, и некоторыми органическими соединениями, содержащимися в черноморском иле. Самым интересным было обнаружение в иле бактерий, использующих в качестве источника кислорода сульфиты и сульфаты с восстановлением последних до сероводорода. Эти бактерии, выделенные Н.Д.Зелинским, были названы им Васtеrium hydrosulfurent Ponticum и исследованы совместно с доктором Е.М.Брусиловским. Гипотеза Н.И.Андрусова была оставлена. Н.Д.Зелинский показал, что микроорганизмы Черного моря могyт выделять сероводород даже при полном отсутствии белкового вещества. Интересно отметить, что пробирки с морской водой и илом хранились у ученого вплоть до 30-х годов XX века. Через сорок с лишним лет он снова вернулся к своей ранней работе и, вскрыв пробирки, убедился в том, что содержащиеся в них микроорганизмы сохранили жизнеспособность и продолжали восстанавливать сульфаты и сульфиты.

      Интерес к проблеме живого вещества привел Н.Д.Зелинского в 1929 г. к прямому сотрудничеству с В.И.Вернадским, который, будучи в то время председателем Комиссии по изучению естественных и производительных сил России (КЕПС), предложил Н.Д.Зелинскому возглавить работы на сапропелевой станции в Залучье (оз. Белое Вышневолоцкого района).

      Внимание к сапропелю двух выдающихся ученых нельзя признать случайным. Как известно, сапропелиты являются ископаемыми продуктами органического происхождения. Они концентрируются на дне естественных водоемов и представляют собой богатый органическим материалом осадок или ил, получивший название сапропеля (гнилой осадок). Исходным материалом для образования сапропеля являются микрофлора и микрофауна водоемов, которые в симбиозе друг с другом и под влиянием растянутого во времени биохимического процесса постепенно превращались в тот насыщенный микроорганизмами осадок, который именуют сапропелем.

      Если мы вспомним, что в начале ХХ века стал остро дебатироваться вопрос о происхождении нефти, то проблема сапропеля представляла для Н.Д.Зелинского совершенно особый интерес. В отличие от точки зрения Д.И.Менделеева о том, что нефть является продуктом минерального происхождения, Н.Д.Зелинский, как уже упоминалось, считал, что материнское вещество нефти суть органический продукт. Причем низшие организмы, а не макрофауна сыграли и продолжают играть (по гипотезе Н.Д.Зелинского) громадную роль в создании лика земли. Важно подчеркнуть, что В.И.Вернадский глубоко сочувствовал идеям Н.Д.Зелинского. Достаточно вспомнить его собственный взгляд на решающую роль «живого вещества» в эволюции всей нашей планеты.

      Однако проблема сапропеля имеет еще один аспект. Сухая перегонка этого продукта дает смолу, при последующей разгонке которой можно, например, получить бензин, керосин и твердый парафин весьма высокого качества Первые опыты в этом направлении были проведены Н.Д.3елинским еще в 1913 г. на оз. Балхаш в Казахстане. Таким образом, проблема Сапропеля имела не только теоретический, но и практический интерес, особенно обострившийся в годы гражданской войны и хозяйственной разрухи, что привело к созданию специального Сапропелевого комитета. Все это и объясняет то внимание, которое было уделено этому вопросу Н.Д.Зелинским при активном участии своего коллеги и друга В.И.Вернадского.

      В другом аспекте Н.Д.Зелинскому пришлось рассмотреть органическую взаимосвязь мертвого и живого вещества природы в связи с его большим интересом к проблеме витаминов. «Если мы можем констатировать со времен первых классических работ Пастера очень тонкие реакции живого вещества микроорганизмов на мертвую материю, – писал он, – то в витаминном вопросе имеются данные, убеждающие нас, что и мертвая материя определенного химического характера и состава, в самых малых количествах, необходима для проявления под ее влиянием существенных функций организма: без нее эти функции выпадают». Именно здесь обнаруживается со всей ясностью удивительная зависимость между химической природой вещества и его способностью поддерживать и развивать полезные для жизни биохимические процессы.

      Витаминам, как известно, присуща динамическая роль в непрерывно совершающемся обмене веществ в организм: с помощью витаминов образуются промежуточные, временно существующие комплексные соединения, нужные организму для нормального течения биохимических процессов. Именно поэтому присутствие в пище витаминов, наряду с углеводами, жирами и белками, абсолютно необходимо; ими обуславливаются важнейшие функции организма, без проявления которых он погибает. Витамины синтезируются растительной природой, и это еще одна причина, по которой жизнь животных так тесно связана именно с растительной природой. В организм животных витамины переносятся непосредственно растительной пищей и плодами или же через питание белковой пищей других животных, успевших внести некоторый запас этих веществ в свое тело.

      Для Н.Д.Зелинского представляло большой интерес выяснить биологический и химический механизмы действия витаминов на животный организм. Каков здесь характер взаимосвязи живого и мертвого вещества? В чем состоит влияние витаминов, этой мертвой материи, на нормальную жизнедеятельность организма?

      «Биохимическое значение витаминов, – писал он, – заключается не в том, что при их помощи в организм вводятся большие запасы энергии, или основные кирпичи для постройки органического субстрата, а в том, что эти, по выражению Лунина, "дополнительные вещества" вызывают в клетках организма деятельность, подобную той, какая обусловливается ферментами и продуктами внутренней секреции. Эти три важных фактора весьма вероятно, находятся в тесном взаимодействии между собой».

      Придавая особое значение ферментам, Н.Д.Зелинский писал, что «это те вещества, которые перебрасывают как бы мост между живой и мертвой материей, активируют последнюю, делают ее способной отвечать на импульсы, обусловливающие развитие живого органического тела». Для того чтобы такие соотношения могли существовать, необходимы особые химические формы, или особый строительный материал, из которого организм мог бы построить мост, связывающий живое с мертвым. Гипотеза Н.Д.Зелинского, высказанная в вышеупоминавшемся предисловии к книге К.Функа, состояла в том, что витамины как раз и являются необходимым строительным материалом для создания ферментов – этого моста между живой и мертвой материей.

      Известно, что эта идея лишь много лет спустя, а именно ненадолго до Великой отечественной войны, была воспринята и признана в 3ападной Европе и Америке.

      Интерес к химии живого вещества с неизбежностью обратил внимание Н.Д.Зелинского на химию белковой молекулы. Если первая работа ученого была посвящена аминокислотам, затем химии нефти, то после увлечения идеями Пастера он снова вернулся к белковым веществам, значение каталитического расщепления белков ферментами для познания строения самих белков, удивительные свойства аминокислот как носителей некоторых свойств витаминов и гормонов, наконец, сама загадка строения белковой молекулы все больше заставляют его заняться этой интереснейшей областью живого. «Любопытно, что можно проследить нити, – писал ученик Н.Д.Зелинского Н.И.Гаврилов, – связывающие его мысли в области углеводородов и области аминокислот и белков: циклические кетоны из углеводородов нефти привели Николая Дмитриевича к аминокислотам, каталитическое гидрирование и дегидрирование углеводородов – к каталитическому гидролизу в автоклаве белков, а между этими вопросами стоят то образование углеводородов при каталитическом разложении стеринов, жиров и даже самих белков, то биохимия моря и геобиохимические идеи В.И.Вернадского».

      «Есть в растениях и животных вещество, которое, без сомнения, является важным из всех известных веществ в живой природе и без которого жизнь на нашей планете была бы невозможна. Это вещество называют белком». Так писал в 1838 г. немецкий химик Ж.Мульдер, который, по предложению И.Берцелиуса, впервые ввел в научный обиход термин «протеин» (белок) от греческого слова «протейос» (первый). Как известно, белки, краеугольный камень жизни, представляют собой самые сложные из всех известных человеку веществ, и изучение их химического строения является одной из наиболее важных задач, стоящих перед современной химической наукой. Белки представляют собой гигантские макромолекулы, каждая из которых состоит из тысяч атомов главным образом водородa кислорода, углерода и азота. Вопрос о расположении этих атомов в молекуле белка является одним из интереснейших и увлекательнейших вопросов современной науки о белке.

      Почти до самого конца XIX века химическая природа белковых тел представляла собой полную загадку. Известно было только, что белки можно расщепить либо длительным кипячением в воде, либо действием кислоты или щелочи и в результате этого получить простые химические вещества, называемые аминокислотами. Поскольку в реакцию вступает вода, то процесс этот называется гидролизом белков. Таким образом, гидролиз белков является для химика важнейшим методом их исследования, В начале нашего столетия немецким химиком Э.Фишером было установлено, что белки представляют собой длинные цепи из аминокислотных остатков (т.е. из групп атомов обезвоженной молекулы аминокислоты) – так называемых полипептидов.

      Э.Фиплеру также удалось осуществить синтез искусственных пептидов, т.е. групп аминокислот, соединенных между собой пептидными связями.

      Работы Э.Фишера заинтересовали Н.Д.Зелинского и, вероятно, побудили его предпринять самостоятельные исследования по изучению белковой структуры. Методика, предложенная русским ученым, носила оригинальный характер. Надо сказать, что в то время гидролиз белка производился с помощью концентрированных минеральных кислот, именно таким способом пользовался в своих исследованиях и Э.Фишер. Н.Д.3елинский счел этот метод слишком грубым и стал искать более тонкие методы, при которых сохранялись бы структуры, действительно преформируемые в белковой молекуле. Он был уверен в том, что примеряя уже зарекомендовавший себя метод катализа, можно создать такие условия гидролиза, которые дадут результат, близкий к естественной ферментации белковых тел. Для этого он выбрал катализ слабыми кислотами и щелочами, но в условиях более высокой температуры нежели это обычно применялось, и значительно повышенного давления.

      Первые результаты своих работ в этом направлении он изложил в докладе, прочитанном в Mocкве 19 февраля 1914 г. на собрании Общества содействия успехам опытных наук и их практических применений имени Х.С.Леденцова.

      «Гидролиз белковых тел по механизму процесса расщепления, – писал он об этом, – постепенно прекратился в измененных нами условиях в катализе белковых тел. Нам удалось в условиях лабораторного опыта осуществить полный распад белков при возможно малых количествах кислоты, т.е. искусственно довести дело белкового расщепления до той стадии, до которой оно доходит в пищеварительном тракте человека и животных) где желудочный и кишечный соки обладают соответственно слабой кислотной и слабой щелочной концентрацией». Таким образом, ученый стремился приблизить искусственный лабораторный катализ к катализу естественному, ферментативному, поскольку именно последний играет решающую роль во всех природных процессах организма. Ведь именно при помощи ферментов поступающие и организм белковые вещества различного происхождения гидролитически расщепляются до конечных форм с тем, чтобы уже из последних создать, синтезировать тот белок, который свойствен природе данного индивида. «Итак, ферменты, – утверждал ученый, – являются и разрушающими и созидающими факторами жизни. Чтобы понять, по какому механизму они совершают свою изумительную работy, нужно знать их химическую природу. Величайшая задача времени состоит в выделении ферментов, как химических индивидуумов, и в их синтезе».

      Катализ белковых веществ Н.Д.Зелинский применил и к исследованию химического состава целых организмов (мышь, лягушка, налим, морская свинка) и отдельных органов (сердце теленка). В результате этих опытов тело каждого животного переходило в раствор и давало в результате катализат – разнообразную смесь аминокислот и других соединений более простого состава. «Задача полного и всестороннего исследования, или анализа, такого "животного" катализата, – писал ученый, – обусловлена, по самой природе образующихся здесь соединений, трудностями, несомненно, во многом превышающими анализ, например, урановой руды с извлечением из нее солей радия. Проследить все звенья, вступающие в связь для образования такого органического субстрата, как белок, и количественно учесть их, не пропустив тех, которые входят в состав белка, быть может, в весьма небольших количествах, я думаю, представляется не менее трудностей, чем уловить все переходные формы радиоактивного распада от урана и до свинца включительно».

      Не остановившись на получении подобных катализатов, Н.Д.Зелинский (при содействии доктора Ф.А.Андреева) проверил, как сказывается на живом организме введение в его кровь той разнообразной смеси аминокислот, которые имеются в катализе. В результате в конце своего доклада ученый указал на возможное лечебное применение катализатов, что получило свое дальнейшее развитие в тканевой терапии.

      Глубокий интерес Н.Д.Зелинского к явлениям ферментативного катализа, проявленный им еще в начале ХХ века, можно в полной мере оценить лишь сегодня. Сейчас мы знаем, что живая природа, по-видимому, располагает некоторым эволюционно отобранным ассортиментом активных структур, наиболее приспособленных к выполнению различных биологических функций (фотохимических, ферментных, гормональных), т.е. по существу своему каталитических в широком смысле этого слова. Здесь обнаруживается действительно фундаментальное физико-химическое отличие ферментов от неорганических катализаторов, заключающееся в их колоссальной активности, которая вместе с высокой химической специфичностью составляет главную особенность ферментативного катализа.

      И если в начале ХХ века наблюдалось сближение катализа и ферментологии, то на исходе нашего столетия наука начинает овладевать самой мощной и в то же время самой тонкой формой химической активности, которая существует в природе, – активностью естественных катализаторов. И это только укрепляет наше представление о том, что катализаторы даже самого простого типа не отделены непроходимой пропастью от сложнейших природных ферментов и что катализ, при всей своей сложности и специфичности, все же остается единым явлением природы.

      Однако успешно начавшиеся работы Н.Д.Зелинского в о6ласти ферментативного катализа были на время прерваны трагическими событиями Первой мировой войны. Она заставляет перенести все силы и все внимание ученого на безотлагательное решение совершенно иных вопросов, связанных теперь уже не с изучением «живого вещества», а с задачей спасения «живого вещества», т.е. спасения самой жизни человека.

      27.03.2017 19:56