Содержание
Введение: прорыв
vii
1. Наследственность и хромосомы
15
2. Самое важное
23
3. Язык химии
33
4. Строительные кирпичики для белков
53
5. Форма белков
77
6. Поиски кода
95
7. "Золушка"
105
8. От цепочки к спирали
123
9. Взаимодействие нитей
133
10. Вестники ядра
149
11. Взлом кода
161
12. Будущее
175
указатель
183
Введение
Прорыв
Всем нам довелось стать современниками одного из самых важных научных открытий во всей истории человечества.
С самого конца 18-го столетия, когда зародилась современная химия в ее современном виде, и вплоть до последних лет умы биологов занимала загадка жизни - но подобраться к ней вплотную не удавалось. Некоторые уже готовы были в разочаровании признать вопрос о жизни и ее механизмах принципиально неразрешимым, загадкой, которую уму человеческому постичь не дано никогда.
А потом наступило грандиозное десятилетие 1940-х гг. Весь мир содрогался от великой войны, а ученые - от творческой лихорадки. (Подобная связь между войной и всплеском творческой деятельности отмечается нередко, но мало кто считает это достаточным оправданием для существования войн).
Биохимики уже научились использовать в своих опытах над живыми организмами радиоактивные атомы, внедряя их в более крупные соединения, которые затем вводили внутрь организма. Но только в 1940-х годах благодаря созданию атомных реакторов радиоактивные атомы стали широко доступными, и с их помощью ученым удалось успешно раскрыть некоторые сложные цепочки биохимии организма.
Примерно в этот же период биохимики научились разделять сложные смеси при помощи всего лишь промокательной бумаги, нескольких общеизвестных растворителей и закрытого ящика. И в то же время к их услугам оказались страшно сложные инструменты - электронные микроскопы, увеличивающие объекты в сотни раз сильнее, чем микроскопы обычные, масс-спектрографы, в силах которых было отбирать атомы по одному, и т. д.
Но поистине революционным годом следует считать 1944, когда ученый по имени О. Т. Эйвери взялся вместе с двумя своими коллегами за изучение вещества, проявившего способность превращать бактерий одного штамма в бактерий другого. Этим веществом оказалась дезоксирибонуклеиновая кислота, широко известная теперь под аббревиатурой ДНК.
Для непосвященного это открытие может показаться малозначительным, но в действительности же оно полностью перевернуло несколько положений, которые на протяжении столетия принимались биологами и химиками, как непреложная истина. В биологических науках было установлено новое направление приложения усилий, и, соответственно, были разработаны и новые методики исследований. Так родилась наука, известная ныне, как "молекулярная биология".
Не прошло с тех пор еще и двадцати лет, как проблемы, которые казались когда-то неразрешимыми, обрели свое решение, а предположения, представлявшиеся фантастическими, стали общеизвестными фактами. Ученые бросились в гонку за достижениями, и большинство из них уже успели поставить свои рекорды.
Последствия описываемого полностью неоценимы; холодный и ясный взгляд современной науки сумел проникнуть глубже в суть вещей, чем когда-либо за всю свою историю в три с половиной века.
Сама наука как таковая, в современном своем виде, зародилась где-то на рубеже 16 и 17 веков, когда великий итальянский естествоиспытатель Галилео Галилей изложил в общедоступной форме принципы применения количественных методов к наблюдению, производства точных измерений и построения обобщений, формулируемых в виде простых математических выражений.
Достижения Галилея лежат в области механики, изучения движения и вызывающих его сил. Впоследствии, ближе к концу семнадцатого века, нового прогресса в этой сфере удалось достичь благодаря усилиям английского ученого Исаака Ньютона. Законы механики позволили описать движение небесных тел; сложные явления удалось понять, исходя из простых базовых допущений. Вслед за физикой знакомый нам вид начала принимать и астрономия.
А сама физика между тем продолжала активно развиваться в направлении, заданном когда-то Галилеем. В девятнадцатом веке удалось приручить электричество и магнетизм, и утвердились теории, удовлетворительным образом описывающие явления электромагнетизма.
С началом двадцатого столетия физика достигла новых высот сложности и тонкости - на этот уровень ее подняли открытие радиоактивности, разработка квантовой теории и теории относительности.
А между тем в конце восемнадцатого века французский химик Лавуазье применил метод количественных измерений и к химии, сделав ее тем самым полноправным членом клуба точных наук. Девятнадцатый век стал периодом развития новых плодотворных теорий, оперировавших такими понятиями, как атомы и ионы. Делались грандиозные обобщения; были зафиксированы законы электролиза и составлена периодическая таблица элементов. Химики научились синтезировать вещества, не встречающиеся в природе, и в ряде случаев эти новые вещества оказались полезнее любых натуральных.
К концу девятнадцатого века грань между областями физики и химии стала размываться. Появились и начали бурно развиваться новые области знания, такие, как физическая химия или химическая термодинамика. В двадцатом веке с помощью квантовой теории удалось определить механизм объединения атомов в молекулы. Сегодня любое разграничение между физикой и химией является уже полностью искусственным; в действительности обе эти науки являются единым целым.
Итак, человеческий разум одерживал грандиозные победы над неодушевленной вселенной, физические науки всячески развивались, а что же происходило тем временем с науками биологическими?
Конечно же, пребывать в замершем состоянии они не могли - в области биологии тоже совершались великие открытия. Например, в девятнадцатом веке таких основополагающих открытий было сделано как минимум три.
В 30-х годах 19-го века немецкими биологами Шлейденом и Шванном была выдвинута клеточная теория. С их точки зрения, все живое состоит из крошечных клеток, видимых только под микроскопом. Эти-то клетки и являются первичными единицами жизни.
В 50-х годах английский натуралист Дарвин разработал теорию эволюции, которая позволила рассматривать, как единое целое, всю цепь живых существ прошлого и настоящего. Эта теория лежит в основе всей современной биологии.
И, наконец, в 60-х годах французский химик Пастер выдвинул теорию бактериального происхождения болезней. Лишь это помогло врачам осознать, чем же они на самом деле занимаются, а медицине - перерасти состояние "упования на господню волю". Именно с этого переломного момента началось принципиальное снижение смертности и увеличение продолжительности жизни.
Однако, все эти революционные этапы развития биологических наук, сколь бы велико ни было их значение, по природе своей отличались от современных им прорывов в области физики и химии - это были явления качественные, описательные, в них не было места для применения точных измерений.
Такое неравноценное положение дел в различных областях науки стало поистине бедствием для многих серьезных исследователей дел человеческих. По мере того, как познания человека об окружающей его вселенной росли и углублялись, росла и сосредоточенная в его руках мощь - от пороха до бризантных взрывчатых веществ и атомных бомб. Были открыты новые яды, как химической, так и биологической природы. Появился даже "луч смерти" - мы говорим о лазере, который, конечно же, является в первую очередь не оружием, а средством, чье будущее лежит в сфере передачи информации, промышленных технологий и даже медицины - и хорошо бы нам удалось ограничиться этими мирными способами его применения.
Использовать свои знания для причинения страданий и несчастья человек умел всегда. По крайней мере, с тех пор, как овладел огнем и подобрал с земли первую дубинку. Однако за 40-е годы двадцатого века впервые знание дало человеку силу, с помощью которой оказалось возможным истребить вообще весь род людской, а то и вообще все живое.
Наука смогла поставить эти знания на службу человеку, но сам человек меж тем остается за пределами понимания науки.
Что же мы можем сказать об "общественных науках"? Одни великие умы долго и тщательно изучали психологические мотивы, как нормальные, так и патологические. Другие - исследовали создаваемые человечеством общества и культуры. Однако ни психология, ни социология не продвинулись пока что ни на шаг дальше простых описаний. Ни одна из социальных наук, собственно, не представляет собой явления, которое искушенный в количественных измерениях химик, физик или физиолог мог бы уверенно назвать наукой как таковой. Прилагая все усилия, социальные науки так и не могут пока что внятно объяснить, "почему Сэмми не останавливается" (1).
(1) Название популярной в 40-е гг. двадцатого века книги про карьеру киномагната, автор - Бадд Шульберг. - прим. пер.
Так мы вплотную подходим к удивительному парадоксу: знаний человека достаточно, чтобы за один день уничтожить миллиард себе подобных, стоит лишь пожелать, но при этом причины такого желания все еще остаются для него самого непостижимыми.
"Познай себя!" - призывал Сократ две с половиной тысячи лет назад. Теперь, если человечество себя не познает, оно обречено.
На самом деле, физические науки уже неоднократно то тут, то там вторгались на территорию биологии. В поле интересов физиков попали мышечные сокращения и электрический потенциал мозга, а химики вовсю пытались воспроизвести химические реакции, проходящие в живом организме. Однако большая часть биологии продолжала оставаться недосягаемой, и представителям точных наук приходилось довольствоваться работой на периферии - вплоть до того самого великого десятилетия 1940-х годов.
А в 1944 году главная загадка жизни - загадка роста, размножения, наследственности, развития первоначальной яйцеклетки, и, возможно, работы самого мозга - попала под микроскоп физики.
Только тогда нога человека впервые вступила на дорогу поистине научной биологии, на дорогу, которой предстоит привести его к столь же глубокому и точному пониманию процессов мышления и жизни, какое уже имеется в отношении молекул и атомов.
Это будущее знание, конечно же, тоже может быть использовано во вред, и привести к появлению новых источников ужаса - научное управление жизненными процессами может послужить и целям новой тирании. Но может ведь случиться и иначе - при правильном использовании знания эти должны привести к исцелению, или, по крайней мере, сдерживанию, большинства болезней, истязающих плоть и дух человека. А главное, смертоносные силы природы окажутся в руках биологического вида, который познал себя и может себя контролировать, а значит - которому можно доверять решение вопросов жизни и смерти.
Вполне возможно, что уже слишком поздно, и безумие человеческое способно довести нас всех до разрушения раньше, чем новое знание достигнет необходимого совершенства. Но мы же можем, в конце концов, хоть попытаться!
Лишь одно-два поколения, быть может, отделяют нас от желанной цели, ведь современная наука развивается потрясающе быстрыми темпами.
Смотрите сами:
В 1820 году датский физик Эрстед заметил, что компасная стрелка отклоняется от своего обычного направления, если ее поднести к проволоке, по которой пропущен электрический ток. Это случайное наблюдение впервые позволило свести воедино феномены электричества и магнетизма.
Эрстед просто случайно отметил интересный факт, и вряд ли кто-нибудь в тот момент мог предугадать последствия подобной наблюдательности. Результатами же стали изобретения электрических генераторов и двигателей, телеграфной связи, и все это - в течение всего четверти века! А через 60 лет была изобретена лампа накаливания, и началась глобальная электрификация.
В 1883 году Томас Эдисон отметил, что если в лампу поместить рядом с нитью накаливания металлическую пластину, то ток будет протекать между нитью и пластиной через вакуум, причем только в одном направлении.
Сам Эдисон не оценил значения своего открытия, но зато это сделали другие. "Эффект Эдисона" нашел применение в том, что сейчас именуется радиолампами, и послужил толчком к возникновению электроники. За последующие 40 лет радио приобрело большое значение для человечества. А за 60 лет на смену радио уже пришло телевидение, а электроника получила еще одно, новое применение - в создании огромных компьютеров.
В 1896 году французский физик Беккерель обратил внимание, что фотопленка затуманивается от присутствия урановых соединений, даже будучи завернутой в черную бумагу. Создавалось впечатление, что уран испускает какие-то невидимые лучи, и это предположение открыло для науки целый мир, лежащий внутри атома.
Четверть века спустя после открытия Беккереля, физики-атомщики уже расщепляли атомы, а еще четверть века спустя открытая ими сила уже уничтожала города. Через 60 лет после первоначального открытия уже существовали атомные электростанции для мирных целей.
В 1903 году братья Райт впервые подняли в небо летательный аппарат тяжелее воздуха. С практической точки зрения он представлял из себя большой воздушный змей с моторчиком, в воздух поднимался лишь на несколько секунд, пролетал несколько футов и снова приземлялся. Однако 60 лет спустя преемниками того первого самолета были уже огромные лайнеры, переносящие через океаны и континенты по сотне с лишним пассажиров со сверхзвуковой скоростью.
В 1926 году Годдарт запустил ракету - первую ракету на жидком топливе, горение которого происходило благодаря запасу жидкого же кислорода. Эта ракета поднялась на высоту 55 метров и развила скорость в 100 км/ч.
Однако техника ракетостроения быстро прогрессировала, и 35 лет спустя уже были разработаны ракеты, способные вынести человека на земную орбиту, на расстояние более 160 км., со скоростью 30 000 км/ч. Нет никакого сомнения в том, что еще через четверть века человек доберется и до луны, и установит там научные базы.
Таким образом, получается, что с момента научного открытия до периода расцвета практического его применения проходит, как правило, шестьдесят лет. В 1944 году было открыто вещество, названное учеными ДНК, а, поскольку это событие однозначно можно назвать революцией в биологии, я уверен, что в 2004 году молекулярная биология достигнет таких высот, какие мы сейчас и представить не можем. Многие из нас будут к тому моменту еще живы и смогут все лицезреть своими глазами. К тому же, если нам суждено в мире дожить до 2004 года, это будет свидетельствовать о том, что сила знания смогла надежно защитить человека даже от самоуничтожения.
Итак, данная книга является попыткой рассказать о том, как было совершено само открытие, описать его значение в отдаленной и ближайшей перспективе; и, в конце концов, спрогнозировать, какие результаты оно сможет принести в будущем - каким мне очень хотелось бы видеть 2004 год.
Глава 1
Наследственность и хромосомы
Прежде, чем начнется наука
Когда женщина становится матерью, она всегда знает об этом. Она знает, что ребенок - ее собственный, потому что выносила его в себе.
Вот отцовство - более трудноустановимый факт. Первобытные люди вообще далеко не сразу поняли, что мужчина имеет какое-то отношение к появлению детей. Однако, в конце концов это было признано, и к моменту возникновения цивилизации в какой бы то ни было форме понятие отцовства уже прочно существовало.
С осознанием идеи отцовства и понятие семьи приобрело новый смысл. Рождение ребенка перестало быть необъяснимым событием, случающимся с женщиной, и в результате чего мужчина, являющегося в данный момент ее супругом, приобретал нежданную обузу. Кроме того, стало ясно, что ребенок является не только частью матери, но и частью отца, который тоже возрождается в ребенке во всей красе молодости.
Ребенок из лишней обузы превратился в символ бессмертия, в создание, которое после смерти отца продолжит жить и будет представлять собой весь род. Дети предстали звеньями продолжающейся цепи, чьи достоинства являются предметом гордости всех остальных членов группы, живых, покойных, и тех, кому еще только предстоит родиться, и чей позор также в равной степени ложился на всех. (В Библии содержится множество упоминаний о трагедии бездетности, означающей смерть рода).
Наряду с осознанием понятия отцовства неизбежно росло и осознание того факта, что черты лица, тела и характера передаются по наследству. Сын походит на отца внешне - и это стало уверенным показателем того, что муж матери действительно является отцом ребенка.
От наблюдения о внешней схожести между отцом и сыном недалеко и до более тонкого наблюдения о наследовании свойств характера - храбрости, темперамента, различных способностей. Если некий мужчина доказал свою способность править, то из этого следовал естественный вывод о том, что его сын должен автоматически унаследовать все свойства, которые привели его отца на трон. Поэтому принять порядок престолонаследия обществу было легко.
Именно это ощущение наследования личностных свойств, передачи душевных качеств от поколения, и породило такие феномены, как культ предков, кровная вражда, аристократия, кастовая система общества, и даже расизм.
И сегодня это ощущение семейственности не потеряно. Многие племенные инстинкты первобытного человека отошли в прошлое, но мы до сих пор прекрасно понимаем, что значит "он из хорошей семьи" и до сих пор возлагаем на детей ответственность за грехи родителей, подспудно считая, что если из родителей ничего хорошего не вышло, то и из детей не выйдет.
В общем, представление о наследовании личностных черт является одним из самых древних, самых распространенных и твердо закрепленных представлений, свойственных человеческому роду. К тому же оно является одним из самых важных, если учесть силу его влияния на построение социальной структуры человечества.
И любая успешная попытка прояснить происхождение такого наследования, превратить его из предмета интуитивных догадок в предмет точного научного знания, заслуживает огромного интереса и представляет большую важность.
Генетика
До 1860-х годов с наследственными механизмами никто толком не экспериментировал. Лишь в эти годы были сделаны первые точные наблюдения с записанными и тщательно проанализированными результатами. Автором этих экспериментов был монах-августинец по имени Грегор Мендель, увлеченно занимавшийся ботаникой в своем монастыре в Австрии. Он выращивал различные виды гороха, целенаправленно скрещивал их, и отмечал, каким образом в потомстве наследовались различные свойства - цвет, внешний вид семян, длина ствола. Некоторые из простых заключений, выведенных из этих экспериментов, сейчас называют "законами Менделя", поскольку впоследствии оказалось, что правила эти распространяются не только на горох, но и на все живые существа, от фруктовых мушек до мышей и людей.
С применением этих законов к наследованию у людей был сделан вывод, что вклад обоих родителей, мужчины и женщины, в наследственность ребенка одинаков. В простейшем случае каждый родитель предлагает один вариант для каждого свойства ребенка. Два варианта, предлагаемые родителями для одного и того же свойства, могут, таким образом, не совпадать. То есть, например, один родитель может предлагать голубой цвет глаз для ребенка, а другой - карий.
В итоге, один из вариантов оказывается сильнее, предпочтительнее. Так, если от одного из родителей ребенку предлагается голубой цвет глаз, а от другого - карий, то ребенок будет кареглазым. Однако, свойство голубоглазости останется при нем, и в следующем поколении ребенок может оказаться голубоглазым, если вариант, предлагаемый от второго родителя, тоже будет содержать в себе это свойство.
В начале двадцатого века носители этих "вариантов" стали называться генами, от греческого слова, означающего "происхождение", а наука о закономерностях передачи наследственной информации - генетикой.
Менделю посчастливилось выбрать себе, в лице гороха, простой организм, удобный для изучения. Различные свойства, на изменение которых он обращал внимание, определялись каждое своей единой парой генов, что позволило ему получить полезные результаты. В более сложных организмах внешние проявления свойств являются, как правило, результатом совместного действия нескольких генов. Более того, свойства, диктуемые генами, сами могут в определенных пределах изменять свои проявления в зависимости от внешних условий. Тогда разобрать запутанные наследственные связи становится нелегко.
Особенно сложно обстоит дело с людьми. Некоторые свойства - например, группу крови, - отследить легко. Множество же других, даже таких, казалось бы, простых, как цвет кожи, имеют сложные схемы передачи по наследству, пока до конца не изученные. "Народная мудрость" зачастую предлагает ответы, которые кажутся вполне правдоподобными, и которые ложатся в основу расистских теорий, толкающих людей на истребление друг друга. Ученые же не могут согласиться ни с простотой, ни с кровожадностью таких теорий.
Для того, чтобы разобраться со сложными наследственными связями, недостаточно наблюдать за целым организмом и отмечать только те свойства, которые можно увидеть невооруженным взглядом. Это все равно, что пытаться понять правила футбола, наблюдая за послематчевыми пенальти. Да, такой наблюдатель сделает ценный вывод, что цель игры - попадать мячом в ворота, и что побеждает та команда, которой удалось это сделать большее количество раз, но чтобы продвинуться в своем анализе дальше, придется все же посмотреть игру целиком.
Деление клеток
Во второй половине девятнадцатого века биологи смогли добраться и до "игры целиком". В этом им помогло появление микроскопов, с помощью которых удалось как следует изучить клетки - самые маленькие единицы всего живого на земле.
Каждая клетка представляет собой каплю жидкости (с очень сложным химическим составом), окруженную тонкой мембраной и имеющую некую сердцевину, именуемую ядром.
Клетка является единицей живой материи, и, хотя сам организм может состоять из миллиардов клеток, все свойства его являются видимым результатом деятельности той или иной клеточной группы, или комбинации групп. Цвет кожи человека зависит от активности определенных клеток кожи, вырабатывающих коричневато-черный пигмент, и чем выше способность этих клеток к выработке пигмента, тем темнее кожа человека. Если человек страдает диабетом, то причиной тому - неспособность по какой-то причине клеток поджелудочной железы вырабатывать определенные вещества.
Это перечисление можно продолжать бесконечно, и по мере продолжения мы не можем не прийти к предположению о том, что стоит нам понять, как передаются свойства клеток, так мы сразу же поймем, и как передаются свойства целых организмов. Например, клетки кожи периодически делятся, таким образом, получается, что на месте одной старой клетки появляются сразу две новых. Каждая из новых клеток способна производить пигмент ровно в той же степени, что и родительская. Как же удается сохранить этот уровень?
Примерно в 1880-м году немецкий биолог Вальтер Флемминг взялся за тщательное изучение процесса деления клеток. Он обнаружил, что в ядре клетки содержится вещество, способное впитывать краситель красного цвета, после чего клетка становится хорошо заметной на бесцветном фоне. Это вещество получило название хроматин, от греческого слова, означающего "цвет".
В процессе деления клеток хроматин собирается в пары нитеобразных телец, получивших название хромосомы. Поскольку оказалось, что роль этих нитеобразных хромосом в делении клеток является ключевой, то сам процесс получил название митоз, от греческого "нить". В решающий момент, перед тем, как разделиться всей клетке, пары хромосом распадаются. Из каждой пары одна хромосома отправляется на одну сторону делящейся клетки, а другая - на противоположную. По завершении деления в каждой из двух новых клеток оказывается одинаковое количество хромосом.
Из вышеизложенного может создаться впечатление, что в каждой из этих двух получившихся клеток содержится только половина хромосом изначальной клетки. Но это не так. Перед разделением клетки каждая из хромосом каким-то образом формирует собственную копию (этот процесс называется репликацией). И лишь по завершении такого размножения хромосом клетка разделяется. Соответственно, в каждой из получившихся клеток наличествует полный набор пар хромосом, полностью идентичный изначальному, имевшемуся в родительской клетке. И каждая из новых клеток полностью готова подвергнуться впоследствии такому же процессу деления, в ходе которого опять повторится сначала удвоение, а потом разделение хромосом.
Когда стало ясно, что именно хромосомы так бережно сохраняются организмом в процессе клеточного деления и точно распределяются по новым клеткам, не могло не возникнуть предположения, что именно они каким-то образом управляют свойствами и функциями клетки. Причиной того, что дочерняя клетка обладает всеми свойствами материнской, является наличие в ней либо первоначальных хромосом, либо их точных копий.
Но позволяет ли это с уверенностью заявить, что, будучи способными определять свойства конкретной клетки, эти же хромосомы определяют и свойства всего организма? Наверное, наилучшим аргументом в пользу положительного ответа будет тот факт, что все организмы, какими бы большими и сложными они не становились с возрастом, начинают свою жизнь одной-единственной клеточкой.
Взять хотя бы человека - его жизнь начинается с оплодотворенной яйцеклетки, полученной в ходе слияния материнской яйцеклетки и отцовского сперматозоида. В организме человека, хоть мужчины, хоть женщины, нет ни одной клетки крупнее яйцеклетки - она самая большая. Правда, невооруженным глазом ее разглядеть все равно можно с огромным трудом - диаметр ее всего 0,0013 мм.
Внутри этого крошечного пространства скрыты все факторы, представляющие собой вклад матери в наследственные свойства ребенка. Хотя, конечно, подавляющую часть яйцеклетки занимают не они, а питательные вещества - инертные и неживые сами по себе. И только ядро яйцеклетки, составляющее малую часть всей клетки, является действительно живым; именно в нем заключена генетическая информация.
На первый взгляд это кажется неочевидным, но давайте рассмотрим вклад отца. В сперматозоиде питательных веществ, заслуживающих упоминания, нет вообще; когда он сливается с яйцеклеткой, именно ее запасам питания предстоит обеспечивать получающуюся в итоге оплодотворенную клетку. Поэтому сперматозоид гораздо меньше, чем яйцеклетка - в целых 80 000 раз. Это самая маленькая клетка, которую способен породить организм человека.
Тем не менее, в крошечном сперматозоиде полностью заключен весь отцовский вклад в наследственность ребенка. И этот вклад полностью равен материнскому.
Наполнение сперматозоида состоит почти целиком из пакета хромосом - по одной хромосоме из каждой пары, имеющейся в клетках. Всего их двадцать три. В ядре яйцеклетки содержится тоже двадцать три хромосомы, по одной из каждой пары, присутствующей в клетках матери.
Формирование яйцеклеток и сперматозоидов является единственным известным нам примером разделения хромосом по клеткам без предварительной репликации, таким образом, что каждая яйцеклетка и каждый сперматозоид обладают в результате только "уполовиненным" набором хромосом. Это положение исправляется, когда яйцеклетка и сперматозоид сливаются воедино, формируя оплодотворенную яйцеклетку, содержащую двадцать три пары хромосом, по одной отцовской и одной материнской хромосоме в каждой паре.
Общеизвестно, что и материнские, и отцовские черты передаются ребенку в равной мере. Поскольку известно, что в материнских клетках хромосомы занимают лишь малую часть, а отцовские, напротив, не содержат практически ничего, кроме хромосом, то неизбежно напрашивается вывод о том, что именно в хромосомах содержится генетическая информация не только для отдельных клеток, но и для всего организма, вне зависимости от его сложности.
Разумеется, никто и не утверждал, что каждая хромосома определяет одно свойства - всем понятно, что список свойств человека не ограничивается 23 пунктами. Принято считать, что каждая хромосома состоит из целого ряда генов, каждый из которых определяет отдельную характеристику. По современным оценкам, в каждой хромосоме человека содержится более 3000 генов. (1)
(1) По результатам завершившегося в апреле 2003 года проекта "Геном человека" установлено, что всего у человека имеется 30 000-50 000 генов. - прим. пер.
Примерно в 1900 году, благодаря голландскому ботанику Хьюго де Вриесу стало ясно, что наследование признаков не всегда происходит без сучка и задоринки. Иногда у потомства наблюдаются новые свойства, не похожие на свойства ни одного их родителей. Сейчас такое явление называется мутацией, от латинского слова, означающего "изменения".
Мутации можно объяснить в рамках теории хромосом. Иногда случается так, что в ходе деления клетки хромосомы делятся по клеткам неправильно, и яйцеклетка или сперматозоид получает на одну хромосому больше или меньше, и получившееся в результате несоответствие наследуется всеми клетками будущего организма.
Всю серьезность последствий таких нарушений смогли осознать только в последние годы, по крайней мере, в том, что касается человека. В наших клетках хромосомы присутствуют в виде беспорядочно перемешанного клубка, так что лишь в 1956 году было точно установлено, что их 46, а не 48, как считалось раньше. Появились новые технологии для выделения и изучения хромосом, а к 1959 году стало ясно, что дети, рожденные с "монголизмом" (1) имеют не 46, а 47 хромосом в клетках. В основе ряда других более-менее серьезных нарушений функций организма также лежит либо отклоняющееся от нормы количество хромосом, либо повреждение самих хромосом в ходе деления клетки.
(1) Так именуется в англоязычной терминологии форма умственной отсталости, известная нам, как синдром Дауна - прим. пер.
Однако, не все мутации можно объяснить значительными изменениями в хромосомах. При многих из них, да на самом деле - при большинстве, никаких заметных внешних отличий от нормы в хромосомах не наблюдается.
Самым вероятным предположением является то, что во всех этих случаях изменения в хромосомах все же имеются, но они столь малы, что неразличимы даже под микроскопом. Скорее всего, они произошли в субмикроскопической структуре вещества, формирующего хромосому.
Если это так, то необходимо проникнуть еще глубже, в епархию химиков. Но прежде чем задаваться вопросом о том, какие химические изменения происходят в хромосомах, надо сначала уяснить себе, из чего же хромосомы состоят?
Глава 2
Самое важное
Из чего состоит хромосома
Вопрос химического состава живой ткани волновал химиков на протяжении полутора веков, хотя общие представления об этом были выработаны еще в середине девятнадцатого века.
Главным компонентом всех живых тканей является, разумеется, вода - обычная вода, которая окружает нас повсюду. Но вот все остальное в живом организме абсолютно непохоже на вещества, распространенные в неживой природе.
Элементы, составляющие почву, море и воздух - стабильны, жаростойки и, по большей части, невоспламеняемы. А вещества, выделяемые из живой ткани, легко разрушаются под воздействием высокой температуры. Все они в той или иной степени горючи, а если их нагревать в отсутствии кислорода, чтобы исключить вероятность возгорания - все равно распадаются, выделяя газ и претерпевая необратимые изменения.
В результате, выделяемые из живой (или ранее живой) ткани элементы еще в 1807 году получили отдельное название - органические вещества, поскольку содержались изначально в организмах. Вещества же, выделяемые из неживых объектов, стали называться неорганическими.
К 1820 году считалось, что все органические вещества должны принадлежать к одной из трех групп: углеводов, жиров, или белков (или, как их еще называют, протеинов) (1). Если говорить о хорошо знакомых нам веществах, то сахар и крахмал - углеводы, оливковое и подсолнечное масло - жиры, а желатин и яичный белок - белки.
(1) В специализированной научной литературе, склонной к унификации лингвистического разнообразия, в последнее время повсеместно употребляется англоязычный термин "протеины", однако в дальнейшем в книге мы все же будем использовать русское слова "белок" - прим. пер.
К середине девятнадцатого века стало понятно, что из этих трех групп самыми сложными по структуре и важными по функциям являются белки. Само английское название "протеин" происходит от греческого слова, означающего "самое важное".
Одним из закономерных следствий сложности строения белка является его хрупкость и неустойчивость. (Это, конечно, не стопроцентный закон, но с точки зрения вероятности высокий и сложно составленный карточный домик всегда развалится скорее, чем простой).
Углеводы и жиры вполне могут подвергаться без вреда для себя воздействию, губительному для белков. Например, если раствор белков начать подогревать, в них происходят необратимые изменения, белки становятся нерастворимыми, перестают выполнять свои функции и разрушаются.
Разрушить белок может контакт с кислотой или со щелочью, воздействие солевого раствора или радиации. Даже простое взбивание раствора белка зачастую может привести к его разрушению.
Тем не менее, белки - это стержень жизни, явления такого же хрупкого и уязвимого, как они сами. Любые изменения в окружающей среде, способные нарушить деятельность белков, могут нанести вред живому организму, или даже привести к его смерти. Тонкость строения организма по сравнению, скажем, с камнем, является лишь отражением тонкости строения составляющего организм белка.
В общем, неудивительно, что биохимики не особенно удивились, выяснив, что хромосома по сути своей в основном белок. Это казалось естественным. Что же еще, если не "самое важное" вещество могло послужить материалом для создания хромосом - носителей наследственной информации всего организма?
Но в хромосомах есть не только белок, и не любой белок, как выяснилось, является "чистым" белком. Да, некоторые белки можно назвать "белками до мозга костей", в том смысле, что ни одна их часть не обладает ярко выраженным отличием от других. В качестве примера можно привести белок, содержащийся в яйце; такие белки называют простыми.
С другой стороны, например, гемоглобин - белок крови, переносчик кислорода от легких непосредственно к тканям, простым белком не является. Его можно расщепить на две части - гем и глобин. Последний является простым белком, а вот первый - вообще не белок, а железосодержащее вещество, не имеющее ни одного свойства, характерного для белков. В общем составе гемоглобина этот не-белковый элемент тесно связан с белком. Таким образом, гемоглобин можно назвать сложным (или конъюгированным) белком.
В других сложных белках к белковой части присоединяются различные углеводы, жиры, пигменты, металлы, и прочее. Белок, составляющий хромосому, тоже является сложным, но его небелковая часть не относится ни к одному из только что перечисленных классов. Она представляет собой довольно любопытное вещество, впервые открытое сто лет назад.
В 1869 году молодой немецкий химик по имени Фридрих Мишер выделил из живой ткани вещество, которое оказалось не углеводом, не жиром и не белком. Поскольку Мишер выделил это вещество из клеточного ядра, то и назвал его нуклеином (от латинского nucleus - "ядро"). Со временем у этого вещества обнаружились кислотные свойства, и его стали называть нуклеиновой кислотой.
Именно это вещество, как выяснилось, и крепится к белку в хромосоме. Когда это обнаружилось, вещество, из которого состоят хромосомы, стали называть нуклеопротеином.
Шло время. Всю первую треть двадцатого века биохимики напряженно изучали вирусы - мельчайшие возбудители заболеваний, неразличимые даже в микроскоп. В 1935 году американский биохимик Уэнделл Стэнли выделил в виде кристалла вирус табачной мозаики, заболевания, поражающего листья табака, за что и получил в 1946 году нобелевскую премию в области медицины и физиологии. Природа этих кристаллов оказалась белковой.
Вирус не состоял из клеток, напротив, он представлял собой частичку не крупнее хромосомы. Как и хромосома, вирус обладал способностью реплицироваться, попадая в клетку. А после открытия такого функционального сходства было уже рукой подать до обнаружения свойства и структурного - химического.
Вирус табачной мозаики оказался не простым белком. В его состав входила также и нуклеиновая кислота, так что это был нуклеопротеин. Вслед за ним было выделено и изучено много других вирусов, и все они без исключения оказались нуклеопротеинами.
Таким образом, перед биохимиками к 1940 году предстала ясная картина. Теперь им были известны две сущности, способные к репликации - внутриклеточные хромосомы и вирусы, вторгающиеся в клетку извне. И природа обеих была нуклеопротеиновой!
Теперь ответ на задачи, поставленные генетикой, лежал перед учеными в области свойств и структуры нуклеопротеинов.
Разнообразие
Однако для химиков 1940 года и предыдущих периодов изучение нуклеопротеинов означало в первую очередь изучение их белковой части. Небелковая часть казалась им "слишком простой". Всерьез на что-то влиять мог, по их мнению, только белок.
Белки же являются не просто сложными и запутанными - они еще и существуют в огромном множестве разновидностей. Само по себе это только прибавляло значения изучению белков.
Чтобы вы яснее представляли себе, о чем идет речь, вот небольшой пример белкового разнообразия.
В организме каждую секунду происходят тысячи химических реакций, сосчитать их просто невозможно. Все сложные вещества, получаемые с пищей, необходимо разложить на более мелкие составляющие, а эти составляющие нужно, в свою очередь, поглотить и собрать их них новые сложные вещества, в которых нуждается организм. Некоторые из поступающих с пищей веществ надо расщепить, чтобы получить при этом энергию, а неиспользуемые отходы надо вывести из организма. Из других элементов пищи надо произвести специальные вещества, необходимые организму. И каждое из этих действий происходит в несколько взаимосвязанных этапов.
Практически ни одну из отдельных химических реакций, так уверенно и отработанно происходящих в живом организме, не удается повторить в лаборатории, если взять изолированно вещества, в реакции участвующие, при температуре, соответствующей температуре тела. Для того, чтобы реакции произошли, требуется добавление некоторых дополнительных веществ, выделяемых из живой ткани. Эти вещества именуются ферментами (энзимами).
Фермент - это катализатор, то есть, вещество, которое, будучи добавленным в небольшом количестве, ускоряет процесс протекания химических реакций, при том, что сам катализатор в процессе реакции необратимых изменений не претерпевает. Фермент предоставляет веществам возможность вступать в реакцию с меньшими энергозатратами - таким образом, сама реакция будет протекать гораздо быстрее.
Это вообще-то сложный предмет, но вот одна простая аналогия. Лежащий на наклонной доске кирпич не съезжает вниз, несмотря на действие гравитации, потому что ему мешает сила трения. Для того, чтобы он заскользил вниз, его надо подтолкнуть - то есть, приложить энергию. Начав двигаться, он может съехать вниз, а может и снова остановиться. А теперь представьте, что и кирпич, и доска покрыты тонким слоем гладкого воска. Теперь кирпич и сам заскользит вниз под действием силы тяжести, причем гораздо быстрее. Вот роль такого слоя воска ферменты и выполняют.
Так вот, почти каждая из тысяч реакций, происходящих в организме, катализируется своим особым ферментом. Не одним для всех, а отдельным для каждой реакции! А каждый фермент представляет собой белок - особый, отдельный для каждого случая белок.
Не только в человеческом организме производятся тысячи различных ферментов - это происходит в организме любого живого существа. Большая часть реакций, происходящих в клетках человека, протекает также и в клетках других созданий. Некоторые из реакций являются универсальными, то есть, протекающими в клетках всех типов. Это значит, что фермент, катализирующий одну и ту же реакцию, может присутствовать в организме волка, осьминога, мха и бактерии, так же как и в наших собственных клетках. Однако сам фермент в каждом случае будет разным.
Получается, что каждый вид живых существ имеет тысячи свойственных только ему ферментов. Поскольку живых существ на земле более миллиона видов, то даже, если рассматривать одни лишь ферменты, можно с уверенностью говорить о существовании миллиардов различных белков!
Еще о разнообразии
Вот еще один пример, позволяющий наглядно убедиться в разнообразии белков.
Организм человека способен формировать антитела. Это вещества, вступающие в реакцию с вторгающимися в организм извне микробами, или с ядовитыми продуктами их жизнедеятельности, что называется выработкой иммунитета против заболевания. Таким образом организм борется с болезнями, например, с корью. Будучи единожды сформированными, антитела к вирусу кори либо остаются в организме, либо, в случае повторного контакта с вирусом начинают производиться быстро и в массовом порядке, как будто организм пользуется для их формирования уже налаженным когда-то конвейером, так что иммунитет к кори остается у нас на всю жизнь.
Все мы, жители городов, постоянно сталкиваемся с возбудителями полиомиелита и других тяжелых заболеваний. У большинства из нас против них формируется иммунитет, эффективно защищающий нас от болезни. Немногим несчастным, однако, случается и заболеть.
Антитела формируются иногда и против безвредных веществ, содержащихся в пыльце, пище или других факторах окружающей среды. Когда мы подвергаемся воздействию этих веществ, между ними и антителами начинается реакция, приводящая к таким неприятным симптомам, как чихание, забитая носоглотка, резь в глазах, чесотка и астматические проявления. Про все это мы говорим "у меня аллергия к тому-то и тому-то".
Такую чувствительность к определенным веществам можно выработать и целенаправленно. Если кролику ввести инъекцию некоей субстанции, то у него выработаются к ней антитела. В сыворотке крови, взятой у такого кролика, будут обнаружены антитела, вступающие в реакцию с таким веществом, и только с ним.
Число различных видов антител, которые способен вырабатывать организм, кажется неограниченным. На каждую бактерию, на каждый токсин бактериального происхождения, на каждый штамм вируса, на каждый белковый (а то и небелковый) компонент пищи или чего угодно еще будут формироваться свои антитела, вступающие в реакцию только с этим веществом.
Антитела, справляющиеся с одним штаммом вируса, не будут работать даже против другого штамма, имеющего минимальные отличия. Вот почему нельзя на всю жизнь приобрести иммунитет против таких заболеваний, как простуда и грипп. Антитела-то в организме производятся, но в следующий раз мы подвергаемся воздействию уже другого штамма вируса, и они оказываются бесполезными.
Все антитела, как выяснилось - белки, соответственно, все различные антитела представляют собой различные белки. Таким образом, разнообразие антител служит еще одним свидетельством разнообразия белков как таковых.
Есть в живых организмах и другие белки, не являющиеся ни антителами, ни ферментами, и уж тут-то, можно было бы подумать, должны существовать какие-то стандарты. Например, определенные протеины формируют важные структурные компоненты соединительной или мышечной ткани. В формировании первой участвует коллаген, второй - актомиозин (1). Можно еще вспомнить уже упоминавшийся гемоглобин.
(1) Сложные имена большинства химических веществ имеют свое значение. Но, как правило, объясняя их смысл, можно уйти слишком далеко от темы. Поэтому я буду объяснять значения названий только в тех случаях, когда это будет сделать легко и просто.
Но даже такие белки отличаются друг от друга. Так, например, возможно получение антител к компонентам именно человеческой крови, которые будут реагировать только с ней. Именно таким образом засохшую человеческую кровь отличают, скажем, от куриной в криминалистике.
Впрочем, антитела к компонентам куриной крови иногда могут вступать в слабую реакцию с кровью утиной, а антитела к собачьей крови - с волчьей. Эти факты являются лишним подтверждением близкого родства обоих биологических видов.
Подводя итоги, мы можем уверенно сказать, что каждому виду живых существ свойственны свои особые белки и ферменты, что они присутствуют у каждой особи вида и в каждой клетке организма.
Ключевое слово здесь - "ферменты", поскольку белки формируются в каждом организме путем долгой серии реакций, катализируемых ферментами. Если организмы различаются какими-то небелковыми веществами, то вполне возможно, что эти вещества тоже были созданы с помощью каталитической деятельности определенных ферментов.
Ферменты в беспорядке
Изменение количественного содержания того или иного фермента может привести к поразительным переменам не только в клетках, для деятельности которых он непосредственно необходим, но и в организме в целом.
Например, в клетках кожи путем долгой цепочки химических реакций, каждой их которых управляет отдельный фермент, может формироваться черно-коричневый пигмент. Если все необходимые ферменты присутствуют в большом количестве - кожа такого человека смуглая, волосы - темные, глаза - карие. Если хоть один из нужных ферментов представлен в недостаточном количестве, то производство пигмента снижается; у такого индивидуума кожа и волосы - светлые, глаза - голубые. Иногда бывает так, что у отдельных людей какой-то из необходимых пигментов не вырабатывается вообще. Тогда пигмент не формируется, кожа и волосы такого человека белые, а глаза - розовые, потому что в отсутствие пигмента становятся видны кровеносные сосуды. Таких людей называют альбиносами.
Иными словами, те характеристики, которые мы считаем наследственными (цвет глаз или волос), или вообще странной мутацией (альбинизм) могут вызываться не согласованной деятельностью клеток, а изменениями уровня содержания одного-единственного фермента в этих клетках.
Проследить путь от ферментов к внешнему результату не всегда так легко. Отсутствие одного фермента, или несбалансированность нескольких могут привести к тому, что некая реакция не пойдет нормальным образом, или даже, наоборот, вызвать какую-нибудь неестественную реакцию. Не сформируется какое-нибудь вещество из тех, что должны бы сформироваться, или наоборот, сформируется в количестве, превышающем норму. И в том, и в ином случае это окажет влияние на работу других ферментов, что, в свою очередь, нарушит деятельность третьих, и так далее. Любое вмешательство в ферментативную деятельность практически в любом случае вызовет цепную реакцию, которая неизвестно, чем может закончиться.
Есть такой фермент, называется он фенилаланиназа, который в некоторых редких случаях у людей не вырабатывается. Он катализирует одну из реакций, в результате которых производится один из материалов, из которых в ходе других реакций строится тот самый черно-коричневый пигмент, о котором вы только что читали. В отсутствие этого фермента формирование пигмента затруднено, и человек становится блондином. Но, по неизвестным нам пока причинам, отсутствие этого фермента приводит также и к умственному расстройству, известному под названием "фенилпировиноградная олигофрения".
В очень многих случаях свойства организма можно логически вывести из соотношения содержания ферментов в клетке. Кажется не лишенным оснований предположение о том, что вообще все свойства организма являются видимым проявлением внутриклеточного баланса ферментов.
Если мы хотим решить загадку наследственности, то нам необходимо ответить на два вопроса:
1. Что за свойства белка позволяют ему формировать так много разных ферментов?
2. Что за свойства хромосом позволяют им осуществлять формирование именно нужных ферментов?
Для ответа на эти вопросы нам придется погрузиться в океан химического языка символов и формул. Пытаться досконально разобраться в генетике, не касаясь химии - это то же самое, что смотреть телеспектакль без звука. Общий смысл происходящего уловить, в принципе, можно, но что там на самом деле происходит - останется загадкой.
Глава 3
Язык химии
Атомы
Язык химии начинается с химических элементов. Химические элементы - это вещества, неделимые на более простые составляющие (по крайней мере, неделимые с помощью тех средств, которыми располагали химики девятнадцатого столетия). Всего на данный момент известно 103 химических элемента (1). Некоторые из них имеют исключительно лабораторное происхождение, и в естественном виде на земле не встречаются. Есть среди них и те, что встречаются достаточно часто, но для живых существ значения не имеют.
(1) Имеется в виду момент написания книги; на самом деле сейчас, в 2005 году, известно уже 114 элементов периодической таблицы Менделеева - прим. пер.
Собственно, нас здесь будут интересовать только шесть элементов:
1. углерод
2. водород
3. кислород
4. азот
5. сера
6. фосфор
Все они распространены на земле достаточно широко, четыре из них - очень широко. Например, уголь - это практически чистый углерод, так же, как и сажа или карандашный грифель. Еще одной особой формой углерода является алмаз.
Девяносто девять процентов вдыхаемого нами воздуха представляют собой смесь кислорода и азота в пропорции 1:4. Сера обычно предстает в виде ярко-желтого твердого вещества, водород - легкого горючего газа, которым иногда наполняют баллоны, а фосфор - красноватого твердого вещества.
Все вещества состоят из крошечных единиц - атомов. Наука двадцатого века показала, что атомы, хоть и являются невероятно малыми, тем не менее состоят сами из еще более малых частиц. Однако в данной книге строение атома мы рассматривать не будем, достаточно нам будет знать, что атом - минимальная единица вещества.
Каждый элемент состоит либо из одного атома, либо из нескольких атомов, отличающихся от атомов других элементов. Таким образом, науке известны 103 вида атомов, по одному атому для каждого известного элемента. Поскольку мы будем рассматривать только шесть элементов, то нас интересуют только шесть видов атомов - 1) атом углерода, 2) атом водорода, 3) атом кислорода, 4) атом азота, 5) атом серы, 6) атом фосфора.
Нам предстоит часто упоминать эти атомы, так что удобнее всего было бы присвоить им в дальнейшем стандартные обозначения. В отношении этих шести элементов можно сказать, что в международной системе принято обозначать их первой буквой латинского названия: углерод - буквой С, водород - Н, кислород - О, азот - N, серу - S, а фосфор - Р.
Итак, пока все просто. В английском языке мы имеем дело с 26 буквами, каждая из которых может быть строчной и заглавной, девять цифр для обозначения чисел и множество символов для дополнительных целей, например, обозначения пунктуации. Моя печатная машинка может воспроизводить 82 различных символа, и то мне мало. А для знакомства с языком химии нам потребуется сейчас всего шесть символов.
Как правило, атомы на земле не существуют сами по себе. Почти всегда один атом связан с другим или группой других. Если связанными между собой являются атомы одного и того же вида, то мы получаем химический элемент, о каких я писал в начале главы. Но бывает и так, что связанными между собой оказываются атомы разных видов, и тогда мы имеем дело с химическим соединением.
Любая устойчивая группировка связанных атомов, будь то одинаковые или разные атомы, называется молекулой.
Если атомы - это буквы химического языка, то молекулы - слова. Но перед тем, как начать составлять из букв слова, следует узнать кое-что и о правилах химического правописания. Ведь когда мы беремся писать по-английски, нам заранее известно, что мы не можем писать как угодно. Если мы пишем букву Q, то понятно, что следующей должна быть U; если мы видим букву Х, то скорее всего, это не начало слова. (1) Увидев буквосочетание типа "zwhf", мы понимаем, что это что угодно, только не английское слово.
(1) То же верно для всех языков, например, в русском слово не может начинаться с букв Ы, Ъ, или Ь, а после Ч не может стоять, например, Ю. - прим. пер.
У химического правописания тоже есть свои правила, и не стоит удивляться, что они отличаются от правил английского языка. Для начала скажем о том, что для атома кислорода (О) и атома серы (S), имеется только два возможных "места скрепления" с другими атомами, как у букв, стоящих посреди слова и соединенных с двумя буквами - предыдущей и последующей. Для атома водорода (Н) имеется возможность только для одного крепления, как у буквы, стоящей в начале или в конце слова.
А вот атом водорода может соединяться с другими атомами уже три раза одновременно, а атом углерода - не менее четырех. На этом этапе нам придется расстаться с аналогиями из области букв обычного языка (атом фосфора представляет собой особый случай, и на нем я остановлюсь подробнее, когда придет время) (1).
(1) На самом деле правила скрепления атомов несколько сложнее, чем я описал. Например, при некоторых условиях атом углерода будет крепиться только в двух местах, да и атом азота может получить возможность установления четвертой связи, а серы - третьей. Но в рамках данной книги все эти тонкости знать не обязательно. Так что я ограничусь только данным примечанием - чтобы вы не думали, что все обстоит так просто.
Обозначим места для крепления к другим атомам (или валентности, как их правильно называть) черточками вокруг обозначения элемента. Таким образом, вот как выглядят правила химического правописания:
|
? C ? ? N ?
| |
атом углерода атом азота
? О ? ? S ? ?Н
атом кислорода атом серы атом водорода
рис. 1 Атомы и их валентности
[стр. 36]
Молекулы
Простые молекулы легко составлять из атомов, пользуясь системой валентностей, приведенной на рис.1. Первое, что приходит в голову - это разместить по атому водорода на каждую валентность всех других атомов, как показано на рис.2.
Таким образом мы получим формулу строения хорошо известных веществ. Ну, о воде и говорить нечего. Метан - это горючий газ, составляющий большую часть "природного газа", который горит в газовых плитах и колонках. Аммиак - это газ с резким запахом. Его водный раствор продается в аптеках, и известен нам, как нашатырный спирт. Сероводород - это газ с запахом, похожим на запах протухших яиц. Его можно встретить в школьных химических лабораториях или у застойных водоемов.
Н
|
Н ? С ? Н Н ? N ? Н
| |
Н Н
метан аммиак
Н ? О ? Н Н ? S ? Н
вода сероводород
рис. 2. Простые молекулы
[стр. 37]
Формулы простых веществ настолько хорошо знакомы химикам, что, как правило, рисованием структур, как мы это сделали выше, никто себя не утруждает. Принято просто указывать обозначения имеющихся в молекуле атомов и количество тех атомов, которые представлены в ней несколько раз. Так, метан обозначается СН4, аммиак - NH3, вода - Н2О, а сероводород - Н2 S. Записывая молекулы таким образом, мы пользуемся эмпирическими формулами. Для небольших молекул этого, как правило, бывает вполне достаточно.
Иногда соседствующие атомы удерживаются вместе с помощью двойных или тройных связей. Примеры см. на рис. 3.
О = О N = N
молекула кислорода молекула азота
О = С = О Н - С = N
углекислота синильная кислота
S = С = S Н - С = С - Н
сернистый углерод ацетилен
Н - С = О Н - С = С - Н
| | |
Н Н Н
формальдегид этилен
рис. 3 Двойные и тройные связи
[стр. 38]
Когда два атома кислорода связаны вместе, обе валентности каждого атома оказываются задействованными в этой связи, и в результате получается молекула, состоящая из одинаковых атомов. Вещество, состоящее только из таких молекул, является химическим элементом. В атмосфере кислород представлен не отдельными атомами, а молекулами, состоящими из двух атомов каждая. Таким образом, атмосферный кислород можно назвать молекулярным кислородом. Атмосферный азот тоже имеет вид молекул, состоящих из двух атомов, связанным между собой по всем трем валентностям атомов азота. Газообразный водород тоже состоит из двухатомных молекул, связанных между собой одной-единственной связью, ведь у атома водорода всего одна валентность.
Разные атомы тоже могут иметь между собой более одной связи, как это происходит, например, в молекулах углекислоты или синильной кислоты. Однако факт того, что связи - двойные и тройные, никак не влияет на правила их образования. Сосчитав все связи, имеющиеся у каждого атома в любой молекуле на рисунке 3, вы сами можете убедиться, что у атомов кислорода и серы всегда реализовано по две валентности, у атома азота - три, у углерода - четыре, а у водорода - одна.
При написании эмпирических формул, двойные и тройные связи не упоминаются никак, остается только голый подсчет атомов. Так, формула молекула кислорода - О2, азота - N2, углекислоты - СО2, синильной кислоты - НСN, и так далее.
