Глава 1. Химики-аналитики ждут их

Муху странную бери

Однажды в детстве я оказался на пустыре. Все поросло травой на разрушенной войной стройке. Оборвался путь железнодорожной ветки, не дойдя до корпусов, зияющих пустыми окнами. И вдруг на насыпи у рельсов, где надолго застыли колеса грузовой железнодорожной платформы, я увидел знакомое мне растение, нагнулся и сорвал его - это был чесночок, созревший, но совсем крошечный, в десять раз уменьшенная копия того, что растет на огороде. У него была головка величиной с горошину, но зубчики в ней, как у настоящего чеснока. Тогда мне показалось, что кто-то сделал игрушечное растение, а на самом деле я столкнулся с загадочной проблемой нашей земной жизни - проблемой формообразования. Какие "приборы" следят за формой живого и где они скрыты? Эти вопросы и сейчас мне кажутся одними из самых таинственных и самых интересных.

Здесь же у рельсов, в траве, бегали, стрекотали и прыгали другие живые существа. Они были вооружены миниатюрными локаторами, дальномерами и светофильтрами, дающими им возможность по-своему воспринимать окружающий мир. Падающая от меня тень заставляла их отскакивать и прятаться между травинок.

Биологи считают, что муравей глазами отличает только свет от тени. Но почему же тогда он принимает оборонительную позу, если протянуть к нему руку, будто он видит наши пальцы и ладонь и точно определяет расстояние до руки? Может быть, он "видит" не нас, а электрическое поле от руки? Тогда какими же "приборами" муравей может ощущать это поле?

Достаточно присмотреться к живым существам, чтобы убедиться, какой необычайной способностью реагировать на присутствие веществ и различных полей наделены они. В безбрежном мире живых организмов можно найти рекордсменов, способных ощущать отдельные молекулы веществ и улавливать самые слабые известные нам, а возможно, и неизвестные поля. Но ведь у многих существ их удивительные приборы помещаются в объеме величиной с булавочную головку, а в некоторых случаях даже в световой микроскоп их не рассмотришь, нужен электронный.

Попробуем сравнить сделанный человеком прибор с тем, что создала природа.

В современной аналитической лаборатории целые полчища датчиков, индикаторов и различных анализаторов.

Вот, например, сейчас часто применяют нейтронный активационный анализ. С помощью этого совершенного метода можно уловить незначительную разницу в составе микроэлементов в волосах двух людей. Мне приходилось использовать этот метод при исследовании состава микроэлементов в хрусталиках глаз лягушек, особенно у головастиков, когда и хрусталик-то на ладони выглядит, как маковое зернышко, а ведь удалось обнаружить в такой крохе даже золото. Однако сколько требуется приборов для такого сверхточного анализа! Нужен источник нейтронов - атомный реактор, сооружение достаточно внушительное. И еще - многоканальный анализатор гамма-спектра величиной с небольшой платяной шкаф.

Сама же природа нам подсказывает, как надо строить миниатюрные датчики и приборы, которыми снабжены различные насекомые, рыбы, птицы. Миллионы лет совершенствовались их анализаторы в процессе эволюции. Можно ведь смоделировать их работу. У электронщиков для этого большие возможности. Так, на плато величиной с почтовую марку они могут поместить схему телевизора. В будущем у пленочной электроники перспективы неограниченные.

Но есть и второй путь создания чувствительных приборов. Например, использовать датчики мух, пауков, крыс.

Учитывая фантастическую чувствительность живых организмов к различным химическим соединениям, можно попытаться не моделировать их, а прямо, непосредственно подключить к электронным схемам. Как здесь не вспомнить стихотворение Н. Заболоцкого под названием "Царица мух":

 Муху странную бери,
 Муху в банку посади,
 С банкой по полю ходи,
 За приметами следи.
 Если муха чуть шумит -
 Под ногами медь лежит.
 Если усиком ведет -
 К серебру тебя зовет.
 Если хлопает крылом -
 Под ногами злата ком.

О высокой чувствительности насекомых знали уже средневековые схоласты и даже пытались использовать их при отыскании кладов или месторождений драгоценных металлов. Именно писания одного из них и вдохновили поэта Н. Заболоцкого к созданию стихотворения. Звали его Агриппа Неттесгеймский (он жил в начале XVI века). Каких только легенд не ходило об этой странной личности. Вплоть до того, что якобы он даже мог вызывать к себе дьявола. Он действительно отыскивал и клады, и месторождения драгоценных металлов и проводил необычайные алхимические опыты. Не исключено, что в его руках были секреты использования "живых приборов". Агриппа знал, что древние индусы отыскивают клады с помощью какой-то таинственной мухи, он назвал ее царицей мух. Мало того, сам он, видимо, имел такую муху и даже оставил рецепт, как обращаться с ней: "Когда будете иметь в своем распоряжении одну из таких мух, посадите ее в прозрачный ящичек. Ее помещение надо освежать два раза в день и давать ей растение, на котором ее поймали. Она может жить при таких условиях почти месяц. Чтобы узнать направление скрытых на глубине сокровищ, надо, чтобы была хорошо установившаяся погода. Тогда, взяв ящичек с мухой, отправляйтесь в путь, постоянно подсматривая и подмечая ее движения. Если в недрах скрыты драгоценные камни, вы заметите содрогание в лапках и усиках. Если же будете находиться над местом, содержащим золото или серебро, муха замахает крыльями, и чем ближе вы будете, тем сильнее будут ее движения. В том случае, если там находятся неблагородные металлы - медь, железо, свинец и прочие, муха будет ходить спокойно, но тем быстрее, чем ближе к поверхности они находятся".

Н. Заболоцкий вспоминает, что подобные курьезные предания он слышал и в русских деревнях.

Может быть, можно по описаниям Агриппы определить вид мухи, о котором идет речь? Имея в руках такую муху, нетрудно проверить правдоподобность опытов схоласта. Пусть мало шансов, что "кладоискательный прибор" заработает. Но вдруг... Агриппа пишет, что таинственная муха величиной с крупного шмеля любит садиться на водные растения. Мало сведений, но какая-то нить в руках есть. Вся трудность в том, что мух и их родственников 80 000 видов. Видимо, Агриппа ничего не знал еще о мимикрии: существуют, например, бабочки, принявшие вид мух. Где гарантия, что именно не одну из них содержал у себя средневековый ученый.

Современные ученые занялись исследованием "живых приборов", их колоссальной чувствительности еще в 20-е годы. Известный уже в то время биолог Н. К. Кольцов даже организовал лабораторию физико-химической биологии. Вот один из опытов, проведенный в ней. В большой, на 200 литров, аквариум, наполненный водой, помещались одноклеточные существа-сувойки. Их можно увидеть в микроскоп. Они похожи на колокольчики, сидящие на тонких ножках. При воздействии на сувоек неблагоприятных факторов ножки быстро сворачиваются в пружинки, а сам колокольчик закрывается. Кольцов добавлял в сосуд лишь одну каплю слабого раствора с ионами кальция. Через некоторое время (его всегда можно было рассчитать) первые ионы достигали сувоек. И их ножки тотчас же сворачивались. Значит, эти существа способны реагировать на отдельные заряженные атомы вещества.

В научных журналах того времени можно найти описание другого опыта Н. К. Кольцова. В банку с водой, где сидит лягушка, опущено золотое кольцо. И через некоторое время ее брюхо становится розовым. Кровеносные сосуды расширились и стали просвечивать сквозь тонкую кожицу. А много ли золота за это время растворилось в воде? Ничтожное количество.

Изучением чувствительности живого увлекся и фармаколог Н. П. Кравков. В 1926 году его труд о действии лекарственных препаратов посмертно был удостоен Ленинской премии. В опытах Кравкова индикатором тоже были кровеносные сосуды, но только не лягушки, а кроличьего уха. В ухо, отрезанное от тела животного (точнее, в кровеносные сосуды), лаборант впрыскивал физиологический раствор. Пройдя по системе сосудов, жидкость вытекала через открытые концы вен, и ее капли падали на чашку очень точных весов.

Когда в раствор добавляли немного адреналина, сосуды сужались, скорость истечения капель уменьшалась. "Живой прибор" работал безукоризненно. Самое любопытное, что он сигнализировал о некоторых веществах даже на расстоянии. Стоило поднести к уху свинцовую пластинку - и эффект был таким же, что и при введении раствора с адреналином.

Биолог А. Л. Чижевский сконструировал сверхчувствительный аппарат, который предупреждал о всплесках солнечной активности за неделю до их появления. Главной "деталью" прибора были бактерии, способные изменять свою окраску. На что они реагируют - на изменение электромагнитных полей или летящие от солнца частицы - до сих пор не выяснено.

Многие специалисты скептически относятся к созданию "живых" и "полуживых" приборов. Конечно же, инженеры не сомневаются в высокой чувствительности бактерий, мух, рыб и лягушек, их волнует другое - можно ли однозначно определить, что живой организм реагирует именно на изучаемое вещество. Сколько реакций у различных растений и животных на воздействие внешней среды? Ответ может получиться очень размазанным. А физический прибор всегда покажет правильный ответ, если он исправен и точно проградуирован.

Это вполне понятное сомнение. Конечно, прибор должен гарантировать воспроизводимость результатов при повторных измерениях. Биологи отдают себе в этом отчет и уже пытаются преодолеть эту трудность. Так, взят на вооружение условный рефлекс.

Скажем, у рыб условный рефлекс формируется на отдельные молекулы примеси веществ, попавших в воду. При попадании исследуемых концентраций веществ в воду рыбу можно научить уходить от сетки, через которую пропускается ток. А как доказать, что рыба реагирует именно на это вещество, а не на какой-либо другой раздражитель? Стереть память к этому веществу. Возможно ли это? Вполне. Найдено, что, если карасю после обучения ввести антибиотик пуромицин, он забудет рефлекс на это вещество, хотя все другие рефлексы у него сохранятся.

Сейчас способы регистрации биопотенциалов достигли такого совершенства, о которых в 20-е годы приходилось только мечтать. Теперь экспериментаторы научились отводить биотоки как от нервных ядер и узлов, так и от отдельных клеток. С помощью тончайших платиновых и золотых электродов можно снимать потенциалы с оболочек клеток и с нервных волокон. Так что подключиться к "живому прибору" или отдельному его датчику не представляет особого труда, хотя это ювелирная работа, выполняемая под микроскопом. Современным электрофизиологам удается регистрировать разность потенциалов порядка десятых долей милливольта.

На службе биологов уже стоят микроскопические по размерам световоды, фотосопротивления и фотоэлементы, с помощью которых можно следить за изменением цвета бактерий и формы клеток. А их можно применять как отдельные узлы "живых" или "полуживых" приборов.

Возможно, применение электронных и живых узлов даст новое поколение измерительной аппаратуры, способной избавиться от посторонней информации и различных помех. Сколько приходится ставить различных фильтров в приборах, чтобы выделить, например, нужное вещество, а это все усложняет анализирующие устройства и удорожает их. В то же время живые организмы умеют с помощью своих "датчиков" отсеивать лишнюю информацию. Так, глаз лягушки, особенно сетчатка, выбирает только нужные для животного сведения. Подобные механизмы переработки информации найдены в анализаторах животных, занимающих другое систематическое положение. Например, насекомые и пауки прекрасно "понимают" показания своих органов чувств. Органы обоняния у паука находятся не на голове, а на ногощупальцах (педипальпах) и кончике брюшка. Природный водоем паук обнаруживает на большом расстоянии. Но не находит банку с дистиллированной водой, поставленную почти рядом. По-видимому, пауки реагируют на ничтожные примеси солей в воде.

Говорят, что на вкус и цвет товарищей нет. Но ни одну муху не проведешь на сахарине. Она уверенно отличит его от сахара, прикоснувшись к порошку лапками. Оказывается, пространственный анализ веществ и их химический состав муха определяет одним только прикосновением лапок. Попробуем представить себе и биоприбор - отведем с помощью электродов потенциалы с нервных клеток мухи, а после усиления передадим на осциллограф, на экране которого каждому веществу будет соответствовать определенная осциллограмма. Имея набор кривых, полученных ранее от различных веществ, можно за одну минуту исследовать несколько веществ.

Недавно группа сотрудников кафедры энтомологии биологического факультета МГУ предложила способ записывать на осциллографе сигналы, идущие от вкусовых щетинок самки комара-пискуна. Оказалось, что любому химическому соединению соответствует строго определенная последовательность электрических импульсов. И это при концентрации в сотые доли миллиграмма в одном литре воды! Ученые ищут ключи к расшифровке осциллограмм. Если поиски будут успешными, можно надеяться на создание средства эффективного экспресс-анализа для химических лабораторий.