На пути к полному покорению природы

Характер обмена веществ в живом организме, его видовые и индивидуальные особенности определяются составом и строением белков, что в свою очередь зависит от структуры нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК). Нуклеиновые кислоты состоят из множества мономеров — нуклеотидов, каждый из которых содержит азотистое основание (одно из четырех), молекулу сахара (дезоксирибоза в ДНК, рибоза в РНК) и молекулу фосфорной кислоты. Последовательность расположения трех соседних нуклеотидов, так называемый триплекс, определяет структуру и свойства каждой данной аминокислоты, а последовательность триплексов — их расположение в белке. Таким образом, в строении нуклеиновых кислот двух видов закодирован состав всех белков организма.

Сейчас уже в значительной степени раскрыт механизм синтеза белка из аминокислот, происходящий в рибосомах клетки. Управление синтезом белков в организме и создание на этой основе новых видов организмов представляются возможными с помощью целенаправленных изменений (мутаций) отдельных нуклеотидов или последовательности их расположения в ДНК. Такие мутации происходят в природе и без вмешательства человека (спонтанно, под действием космических лучей и других факторов среды). Изменения в организме растений и животных в результате таких естественных мутаций составляли до сих пор базу, на основе которой велась селекция.

Теперь наука выявила ряд факторов (температура, коротковолновые излучения, химические вещества), посредством которых можно вызывать искусственные мутации. Например, путем изменения температуры частоту появления мутаций, т. е. частоту появления новых признаков в организмах, удается повышать в несколько раз по сравнению с естественным процессом. Коротковолновая радиация увеличивает появление мутаций в сотни раз, а химические мутагены — в десятки и сотни тысяч раз. Все это необычайно расширяет базу селекции и выбор материала для нее. С помощью коротковолнового излучения (ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, гамма-лучи, поток нейтронов) в СССР получены новые формы пшеницы, отличающиеся устойчивостью ко многим заболеваниям, неполегаемостью и другими ценными свойствами, раннеспелые и устойчивые к фитофторе сорта картофеля, скороспелые сорта томатов, новый сорт хлопчатника, отличающийся увеличенными и быстро созревающими коробочками, новые сорта гороха, сои и т. д. В зарубежных странах (Швеция, США, Австрия и др.) созданы 16 новых сортов сельскохозяйственных культур, выведенных посредством радиации и уже применяющихся в практике. В ГДР этим методом получены ценные сорта ячменя, сои, томатов.

В качестве химических мутагенов применяются этиленимин, диэтилсульфат, нитрозометилмочевина, N — нитрозоалкилмочевина и др. На их основе уже получено до 500 новых высококачественных сортов растений.

Методами искусственного мутагенеза созданы новые штаммы плесневых грибков; в частности, именно такие штаммы позволили увеличить производство пенициллина, стрептомицина, эритромицина и других антибиотиков в сотни раз. Один из искусственных штаммов бактерий синтезирует аминокислоту лизин в 300 раз быстрее, чем природный штамм.

Применение мутагенов, особенно химических, сокращает сроки выведения новых сортов с многих лет до 1 — 2 годов. Кроме того, при обычной гибридизации во вновь выводимом сорте закрепляются не только положительные признаки скрещиваемых особей, но и некоторые нежелательные; при искусственном мутагенезе в новом сорте можно закреплять только положительные изменения, возникающие в исходном материале. Сказанное, однако, не означает отказа от применения старых методов гибридизации. Наоборот, искусственный мутагенез в ряде случаев весьма эффективно сочетается с гибридизацией.

Успехи в освоении методов искусственного мутагенеза резко расширяют возможности целенаправленного изменения органического мира, и когда зависимость характера мутаций от природы мутагенов и способы применения последних будут полностью освоены, люди будут создавать новые формы растений и животных так же уверенно, как они это делают, создавая машины.

Подлинную революцию в производстве средств питания может произвести химический синтез компонентов пищи из элементов и неорганических и органических соединений с использованием энергии любого происхождения. Правда, некоторые ученые считают этот путь неприемлемым. Например, известный специалист в области фотосинтеза А. А. Ничипорович пишет: «Никакой искусственный фотосинтез не будет способен создать столь разнообразные по категориям, столь сложные по составу и такие соответствующие вкусам и потребностям человека пищевые продукты, как мука, молоко, мясо, масло, овощи, плоды и т. д. и т. п. (А. А. Ничипорович. Кладовая Солнца. «Наука и жизнь», 1958, № 1, стр. 9) Однако история науки свидетельствует против такого пессимизма.

Почти до половины XIX в. среди ученых преобладало мнение о коренном и глубоком различии между органическими и неорганическими соединениями. Сторонники этого мнения (виталисты) утверждали, что для образования органических веществ необходима особая жизненная сила, имеющаяся в живых организмах и недоступная познанию человека. Учение о жизненной силе сформулировано в первом учебнике органической химии, написанном знаменитым шведским ученым Берцелиусом. Первым органическим соединением, полученным из неорганического вещества, была мочевина; в 1824 г. ученик Берцелиуса немецкий химик Велер получил ее из циановокислого аммония. Однако виталисты продолжали упорствовать и после этого. Дело в том, что аммиак, из которого получали тогда циановокислый аммоний, не умели синтезировать из элементов (азота и водорода), и виталисты утверждали, что он не является полностью неорганическим соединением. Но после открытия Велера синтез органических веществ из неорганических начал бурно развиваться: в 1845 г. этим путем была получена уксусная кислота, в 1855 г. — этиловый спирт, в 1856 г. — метан и т. д.

В 1863 г. французский химик Бертло синтезировал ацетилен, и когда он сказал, что этим открыта принципиальная возможность искусственного получения любых химических соединений, он не преувеличил значения своего открытия. Сейчас химики умеют не только синтезировать сложнейшие соединения (витамины, гормоны, антибиотики), но и создают множество новых веществ, неизвестных в природе: синтетические каучуки и волокна, пластические массы, лекарственные препараты, элементорганические соединения и т. д. Все это подтверждает полную несостоятельность утверждений о невозможности искусственного создания любого вещества, имеющегося в природе.

Академик А. Н. Несмеянов, указав на успехи синтеза органических веществ, пишет: «Неизвестно, долго ли продлится в одежде и обуви «мирное сосуществование» естественного и искусственного волокна, натуральной и искусственной кожи, но ясно одно, что совершенствование и удешевление этих заменителей развиваются такими темпами, что сельскохозяйственные продукты обречены» (А. Н. Несмеянов. Проблемы синтеза пищи. «Природа: 1965, № 9.). Что же помешает человеку добиться таких же успехов и в области синтеза компонентов пищи?

Нельзя согласиться и с другим утверждением Ничипоровича о том, что искусственный фотосинтез не сможет выполнять «важной роли зеленых растений — обогащать атмосферу нашей планеты кислородом, очищать ее от избыточного накопления углекислоты». Химизм процесса фотосинтеза сводится к образованию из более окисленных соединений менее окисленных, при этом происходят поглощение энергии и выделение свободного кислорода из молекул воды. Что же принципиально изменится, если, например, производить электролиз больших количеств воды? Получающийся при этом свободный кислород будет выделяться в атмосферу, а водород можно использовать для получения органических соединений. В этом случае энергия солнечных лучей будет заменена электрической, ресурсы которой по мере полного овладения энергией ядерного синтеза будут практически беспредельными.

Кроме того, применение синтеза компонентов питательных веществ отнюдь не требует прекращения процесса фотосинтеза зеленых растений и никто, вероятно, не будет предлагать уничтожить растительный мир Земли.

В каком же положении находится проблема синтеза компонентов пищи в наши дни?

Одним из путей решения этой проблемы является прямое следование природе — освоение механизма происходящих в ней тончайших синтезов органических веществ, а затем осуществление их в промышленном масштабе. Теперь, когда завершается изучение структуры хлорофилла, а также химизма и механизма фотосинтеза, уже не фантастичны процессы искусственной ассимиляции С02 и получения углеводов в неживой среде с помощью энергии солнца. И этот искусственный фотосинтез, возможно, потребует меньших затрат, чем процесс фотосинтеза, осуществляющийся с помощью культурных растений в сельскохозяйственном производстве. Станет ли такой метод главным способом получения компонентов пищи из неорганических веществ или будут найдены иные методы, покажет будущее.

Жиры и углеводы — основной энергетический материал живого организма, источник тепла, возникающий в процессе жизнедеятельности организма. Жиры, кроме того, служат материалом для построения клеток и тканей. По химической природе жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших одноосновных кислот. Вопрос об их искусственном получении был принципиально решен еще в 1854 г., когда Бертло синтезировал триглицерид высших жирных кислот. В настоящее время глицерин получают из пропилена, а высшие одноосновные кислоты — из углеводородов или высших спиртов. Те и другие вещества можно получать также из нефтепродуктов, водорода и угля, окиси углерода или углекислого газа.

В Германии во время второй мировой войны было организовано опытное производство синтетического сливочного масла. Его получали из глицерина, синтезируемого из пропилена, и жирных кислот. Последние получали из синтина, представляющего собой смесь гомологов метана, образующуюся при действии водорода на окись углерода в присутствии катализатора. Продукту придавались консистенция и запах натурального масла, однако по составу он отличался от природного жира.

Сейчас химики не отмечают принципиальной трудности для устранения этого различия.

Но такой продукт относится к твердым жирам типа животных, главным компонентом которых являются предельные жирные кислоты. Человеку же необходимы и жидкие жиры, типа растительных, состоящих из непредельных жирных кислот. Синтез последних тоже осуществлен, хотя еще в лабораторном масштабе.

Главным компонентом углеводной пищи является крахмал, продукт поликонденсации виноградного сахара (глюкозы). Он содержится в картофеле, рисе, кукурузе и любом зерне. Кроме того, человек питается моносахаридами (глюкоза и ее изомер фруктоза), которыми богаты плоды и мед, и дисахаридами, содержащимися в свекле и молоке. Однако все это углеводное питание может заменить одна глюкоза, так как в пищевом тракте все углеводы гидролизуются до глюкозы и только в таком виде проникают в кровь, а затем в клетку.

Полимеризация глюкозы в крахмал в искусственных условиях считается сейчас разрешимой задачей. А. М. Бутлерову еще в 1861 г. удалось получить из формальдегида (продукт каталитического окисления метилового спирта воздухом) сиропообразную смесь различных сахаров. Теперь известны методы получения из формальдегида фруктозы и глюкозы, но на пути их практического использования еще имеются неразрешенные вопросы.

Особо важную роль в жизнедеятельности любого организма играют белки. Все процессы обмена веществ— основного процесса жизни — связаны с образованием, превращениями и разрушением белков. Белки являются главной составной частью ферментов — веществ, регулирующих направление и скорость химических реакций в организме. С отдельными видами белков связана деятельность органов тела (например, сокращение мышц, работа желез внутренней секреции). Белки служат основным пластическим материалом клеток и играют определенную роль в энергетическом балансе организма. Энгельс писал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел… Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, которое не находится в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни» (Ф. Энгельс. Анти-Дюринг, 1953, стр 77).

Главной составной частью белков являются аминокислоты— сложные химические соединения, содержащие аминогруппы NH2 и карбоксильные группы СООН. Именно этим группам аминокислоты обязаны тем, что могут проявлять и кислотные и основные свойства, а все бесконечное многообразие белков живого организма обеспечивается всего 20 аминокислотами, отличающимися друг от друга главным образом расположением аминогрупп и другими структурными деталями. Белки разных тканей одного и того же животного имеют не одинаковое строение, так же как и белки одних и тех же тканей разных видов животных.

Последовательность расположения аминокислотных остатков уже установлена для молекул некоторых белков— для гормона инсулина, фермента рибонуклеазы, вируса табачной мозаики, гемоглобина крови и миоглобина мышц. Например, выяснено, что молекула миоглобина построена из одной цепи, содержащей 151 аминокислотный остаток; удалось установить пространственную конфигурацию цепи и местонахождение в ней каждого аминокислотного остатка. Результатом исследований строения белков явились попытки синтезировать простейшие из них. И в этом направлении уже кое-что достигнуто. Искусственно получен гормон вазопрессин, содержащий 8 аминокислотных остатков; синтезирована полипептидная цепь из 23 остатков аминокислот, составляющая только часть молекулы адренокортикотропного гормона, но имеющая такую же гормональную активность, как и гормон в целом.

Исключительное разнообразие строения белков в живом организме весьма усложняет задачу получения искусственных белков, идентичных природным. Естественно, возникает вопрос, сколько же времени потребуется на то, чтобы научиться воспроизводить весь колоссальный ассортимент природных белков. Но оказывается: в отношении белковых компонентов пищи дело обстоит гораздо проще. Белки, поступающие с пищей, в процессе пищеварения распадаются на аминокислоты, из которых затем вновь образуются необходимые организму белки. Следовательно, требуется организация производства не белков, а аминокислот. Дело упрощается еще и тем, что из всех необходимых для синтеза белков аминокислот в пищевом рационе взрослого человека обязательно должны присутствовать только 8, а в детском рационе 9 аминокислот. Такие аминокислоты называют незаменимыми, так как все другие требующиеся организму аминокислоты образуются в самом организме за счет избытка незаменимых аминокислот. Синтез аминокислот микробиологическими, а также химическими методами заметно развивается. Первым путем уже получены незаменимая аминокислота лизин и натриевая соль глутаминовой аминокислоты; оба вещества нашли применение в пищевой промышленности и медицине. Разработан метод получения из нефти протеинов — основных белковых веществ всех живых организмов. Изучены микроорганизмы, продуцирующие отдельные аминокислоты; для остальных аминокислот такие микроорганизмы еще предстоит найти. По мнению академика А. Н. Несмеянова, в ближайшем будущем, вероятно, удастся создать единую или близкую технологию получения всех аминокислот.

Овладение микробиологическим синтезом аминокислот— большая победа в деле обогащения пищи человека белком. Конечно, это еще не синтез аминокислот из неорганических элементов, так как микроорганизмы — продуценты аминокислот — выращиваются на отходах сельского хозяйства, продуктах гидролиза древесины, нефтепродуктах, т. е. на продуктах фотосинтеза прошлого и текущего времени. Но и химический синтез не отстает от микробиологического. Например, уже освоен промышленный метод получения аминокислоты метионина из пропилена; полученный этим путем метионин применяется в животноводстве. Ряд аминокислот предполагается синтезировать из метана через промежуточные соединения — нитрометан и нитроуксусную кислоту.

Некоторые ученые считают, что для полного освоения производства аминокислот потребуются меньшие средства, чем те, которые были израсходованы на создание первой атомной бомбы.

Витамины также играют весьма важную роль в рационе человека и животного. Некоторые витамины входят в состав ферментов, другие самостоятельно участвуют в обмене веществ. Организм человека нуждается примерно в 20 различных витаминах, но суммарная потребность в них не превышает 0,1 г в сутки, если не считать витамина холина; его требуется потреблять в количестве 0,5—1 г/сутки. В рационах растительной и животной пищи далеко не всегда содержатся все необходимые витамины и поэтому приходится применять специально изготовляемые витаминные препараты. Установлено химическое строение почти всех витаминов, и большинство из них уже изготовляется в промышленном масштабе. Правда, эти препараты чаще получают из растительного и даже животного сырья, но перед синтезом витаминов из химического сырья не стоит никаких принципиальных трудностей.

Неорганические соли требуются человеку в количестве нескольких граммов в сутки; очевидно, что их легко можно вводить в синтетическую органическую пищу.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделитесь информацией с друзьями

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: