Предсказание химических структур

Квантовая механика может описать в деталях элек­тронные орбитали и энергетические состояния простей­шей из всех химических систем — атома водорода. Для более сложных атомов и даже для простейших химичес­ких молекул ее методы уже не столь точны, сложность вычислений становится непреодолимой и могут исполь­зоваться только приближенные методы. Для сложных молекул и кристаллов детальные вычисления невозмож­ны, по крайней мере на практике. Структуры молекул и расположение атомов внутри кристаллов могут быть определены эмпирическим путем, химическими и крис­таллографическими методами; эти структуры действи­тельно могут быть более или менее предсказуемы хими­ками и кристаллографами на основе эмпирических законов. Но это сильно отличается от фундаментального объяснения химических структур с помощью волнового уравнения Шредингера.

Важно осознать это серьезное ограничение кван­товой механики. Конечно, она помогает достичь ка­чественного или полуколичественного понимания химических связей и некоторых аспектов кристал­лов, таких как различие между изоляторами и провод­никами. Но она, исходя из своих начальных принци­пов, не позволяет предсказать формы и свойства даже простых молекул и кристаллов. Ситуация стано­вится еще хуже для жидкого состояния, для которого до сих пор нет удовлетворительного количественного описания. И не стоит строить иллюзии относительно того, что квантовая механика может дать детальное и точное объяснение форм и свойств очень сложных молекул и агрегатов макромолекул, изучаемых био­химиками и молекулярными биологами, не говоря уже о гораздо большей сложности форм и свойств да­же простейшей живой клетки.

Сейчас настолько распространено убеждение в том, что химия может обеспечить прочное основание для механистического понимания жизни, что кажется необходимым подчеркнуть, насколько шатки основы физической теории, на которые опирается сама хими­ческая наука. По словам Лайнуса Полинга:

«Мы можем верить физику-теоретику, который говорит нам, что все свойства можно рассчитать с помощью известных методов — решения уравнения Шредингера. Однако в действительности мы видели, что за 30 лет, прошедшие с открытия уравнения Шредингера, было сделано всего лишь несколько точ­ных неэмпирических квантово-механических расче­тов свойств веществ, в которых заинтересован химик. Для получения большей части информации о свойствах веществ химик все еще должен опираться на эксперимент»[95].

Хотя это было опубликовано двадцать лет назад и с тех пор были достигнуты значительные успехи в совершенствовании приближенных методов вычисле­ний в квантовой химии, положение по существу не изменилось и сегодня.

Тем не менее можно возразить, что детальные расче­ты в принципе могут быть сделаны. Но, даже допустив ради дискуссии, что такие расчеты можно осуществить, нельзя утверждать заранее, что они будут верными, то есть будут согласовываться с эмпирическими наблю­дениями. Так что в настоящее время нельзя считать до­казанным традиционное допущение о том, что сложные химические и биологические структуры могут быть полностью объяснены в рамках существующей физиче­ской теории.

Рис. 7. Возможные комбинации различных количеств стро­ительных блоков, которые можно соединять друг с другом либо концами, либо боками

Причины того, что трудно, если вообще возможно, предсказать форму сложной химической структуры, исходя из свойств составляющих ее атомов, может быть, можно сделать более понятными с помощью простой иллюстрации. Рассмотрим элементарные строительные блоки, которые можно добавлять друг к другу по очереди либо с концов, либо сбоку (рис. 7). С двумя строительными блоками имеем 2=4 воз­можные комбинации; с тремя — 2 = 8; с четырьмя — 2⁴ = 16; с пятью — 2⁵ = 32; с десятью — 2'° = 1024; с двадцатью — 2²⁰ = 1 048 576; с тридцатью — 2³⁰ = 1 073 741 824 и так далее. Число возможностей вскоре становится огромным.

Рис. 8. Диаграммы, представляющие возможные структуры систем с возрастающей степенью сложности. В случае А есть единственная структура с минимумом энергии, а в случае D воз­можно несколько одинаково стабильных структур

В химической системе различные возможные рас­положения атомов имеют разные потенциальные энер­гии вследствие электрических и других взаимодействий между ними; система будет самопроизвольно стремить­ся обрести структуру с минимальной потенциальной энергией. В простой системе всего лишь с несколькими возможными структурами одна из них может иметь заметно меньшую энергию, чем остальные; на рис. 8 А такая ситуация представлена минимумом на дне «потенциального колодца»; другие менее стабильные возможности представлены локальными минимума­ми на сторонах «колодца». В системах возрастающей сложности число возможных структур увеличивается (рис. 8 В, С, D); при этом вероятность существования уникальной структуры с минимумом энергии уменьша­ется. В ситуации, представленной на рис. 8 D, несколько различных структур будут одинаково стабильными с энергетической точки зрения. Если бы оказалось, что система принимает любую из этих возможных структур наугад или если бы она колебалась между ними, тогда проблемы бы не было. Но если бы она неизменно принимала только одну из этих структур, это означало бы, что какой-то другой фактор, отличный от энергии, определяет, что реализуется именно эта особенная структура из всех других возможных. Но существова­ние такого фактора физикой сегодня не признается.

Хотя химики, кристаллографы и молекулярные биологи и не могут проводить детальные расчеты, необходимые для предсказания для данной системы структуры или структур с минимальной энергией a priori, но они могут использовать различные при­ближенные методы в сочетании с эмпирическими дан­ными по структурам подобных веществ. Обычно эти вычисления не позволяют предсказывать уникальные структуры (кроме как для простейших систем), но поз­воляют получать лишь ряд возможных структур с бо­лее или менее равными минимальными энергиями. Таким образом, оказывается, что эти приближенные результаты подтверждают идею о том, что энергети­ческие соображения недостаточны для объяснения уникальной структуры сложных химических систем. Но этого вывода всегда можно избежать, утверждая, что уникальная стабильная структура должна иметь энергию более низкую, чем любая другая возможная структура. Это утверждение никогда не может быть опровергнуто, поскольку на практике для расчетов могут быть использованы только приближенные мето­ды; поэтому уникальная структура, реализованная в действительности, всегда может быть приписана тон­ким энергетическим эффектам, которые ускользают при вычислениях.

В отношении структуры кристаллов неорганичес­ких веществ эту ситуацию можно проиллюстрировать следующими соображениями Полинга:

«Простые ионные вещества, такие как галогениды щелочных металлов, имеют небольшой выбор струк­тур; существует очень мало стабильных расположе­ний ионов в кристалле, соответствующих формуле М⁺Х^–, и различные факторы, которые влияют на ста­бильность кристалла, вступают в борьбу друг с дру­гом, причем совсем необязательно каждый из них нахо­дит явное выражение при выборе между упаковками хлорида натрия и хлорида цезия. Для сложного веще­ства, такого как слюда, KalSi₃O₁₀(OH)₂, или zunyite, Al1₃Si₅O₂₀(OH)₁₀Cl, напротив, можно предложить много возможных структур, лишь слегка различающихся по своей природе и стабильности, и можно ожидать, что наиболее стабильная из этих возможных структур — та, которую фактически и принимает вещество,— в своих различных чертах будет отражать различные факторы, определяющие структуру ионных кристал­лов. Оказалось возможным сформулировать набор правил относительно стабильности сложных ионных кристаллов... Эти правила были получены отчасти путем индукции из структур, известных в 1928 году, а отчасти путем дедукции из уравнений, описываю­щих энергию кристалла. Они не являются ни строги­ми в смысле их вывода, ни универсальными в плане их применения, но они оказались полезными в качестве критерия правильности структур, найденных (рас­считанных) для сложных кристаллов, а также в рентгеноструктурных исследованиях, где они позволяют предлагать разумные варианты структур для экспе­риментальной проверки»[96].

Рис. 9. Вверху: структура фермента фосфоглицераткиназы из мышцы лошади: α‑спирали представлены цилиндрами, β-нити — стрелками

Внизу: структура — α‑спирального участка в более крупноми масштабе (из Banks et al., 1979)

Диапазон возможных структур становится многое больше в органической химии, особенно в случае макромолекул, таких как белки, полипептидные цепи которых изгибаются, поворачиваются и складываются в сложные трехмерные формы (рис. 9). Надежно установлено, что в условиях, в которых белковая молекула стабильна, она складывается в уникальную структуру.

В многочисленных экспериментах белки заставляли развертываться в различной степени, изменяя их хи­мическое окружение; и затем обнаруживали, что они снова сворачиваются в свою нормальную структуру, когда их помещали в соответствующие условия; начи­ная от различных начальных состояний и следуя раз­личными путями свертывания, они приходят к одной и той же конечной структуре[97].

Этой стабильной конечной точкой, по-видимому, является структура с минимальной энергией. Но это не доказывает, что она является единственной воз­можной структурой с минимальной энергией, может быть много других возможных структур с той же ми­нимальной энергией. В самом деле, расчеты, проводи­мые для предсказания трехмерной структуры белков с использованием различных методов аппроксима­ции, неизменно дают слишком много решений. В ли­тературе по свертыванию белков это известно как «проблема множества минимумов» (multiple-mini­mum problem)[98].

Есть убедительные причины думать, что сам белок не «проверяет» все эти минимумы, пока не найдет один подходящий:

«Если бы цепь (полипептидная.— Прим. пер.) иссле­довала все возможные конфигурации наугад, путем вращения вокруг различных одиночных связей в струк­туре, потребовалось бы слишком много времени для достижения природной конфигурации. Например, если отдельные остатки несвернутой полипептидной цепи могут существовать только в двух состояниях, что является сильной недооценкой, тогда число воз­можных случайно образованных конформаций для цепи из 150 аминокислотных остатков составляет 10 (хо­тя, конечно, большинство из них, вероятно, будут стерически невозможными). Если бы каждая конформация исследовалась с частотой вращения молекул (10 сек), что является переоценкой, для опробования всех возможных конформаций потребовалось бы при­мерно 10 лет. Поскольку синтез и свертывание цепи белка, такого как рибонуклеаза или лизоцим, занима­ют около 2 минут, ясно, что в процессе свертывания не перебираются все конформаций. Вместо этого, как нам представляется, в ответ на локальное взаимодей­ствие пептидная цепь направляется по возможным низкоэнергетическим путям (число которых относи­тельно невелико), возможно, проходя через уникальные промежуточные состояния к конформаций с самой низкой свободной энергией»[99].

Но процесс свертывания не только может быть направлен по определенным путям, он может быть направлен также к одной особенной конформаций с минимальной энергией, выбранной из всех других возможных конформаций с той же самой минималь­ной энергией.

Это обсуждение приводит к общему выводу, что существующие физические теории могут быть в принципе неспособны объяснить уникальные струк­туры сложных молекул и кристаллов; они позволяют предложить набор возможных структур с минималь­ной энергией, но нет доказательств того, что в состоя­нии объяснить тот факт, что реализуется одна, а не другие из этих возможных структур. Поэтому можно себе представить, что фактор, отличный от энергии, выбирает между этими возможностями и, таким обра­зом, определяет специфическую структуру, которую принимает система[100].

Гипотеза, которая сейчас будет излагаться, осно­вана на идее о том, что этот отбор осуществляется причинностью нового типа, пока еще не признанного физикой,— посредством морфогенетических полей.

Формативная причинность

Гипотеза формативной причинности предполага­ет, что морфогенетические поля играют причинную роль в развитии и сохранении форм систем на всех уровнях сложности. В этом контексте слово «форма» включает не только форму внешней поверхности или границы системы, но также ее внутреннюю структуру. Предполагаемое возникновение формы вследствие действия морфогенетических полей названо здесь формативной причинностью, чтобы отличить ее от причинности энергетического типа, которой уже так основательно занимается физика[101]. Так как, хотя мор­фогенетические поля могут вызывать свои эффекты только в сочетании с энергетическими процессами, сами они неэнергетичны.

Идею неэнергетической формативной причиннос­ти легче понять с помощью аналогии из области архи­тектуры. Чтобы построить дом, нужны кирпичи и дру­гие строительные материалы, также необходимы строители, которые кладут эти материалы в должном порядке, и, кроме того, план архитектора, определяю­щий форму дома. Одни и те же строители, делая одно и то же общее количество работы, используя одно и то же количество строительных материалов, могут пост­роить дома различной формы на основе различных планов. Таким образом, план можно рассматривать как причину специфической формы дома, хотя, конечно, это не единственная причина: эта форма никогда не могла бы быть создана без строительных материалов и работы строителей. Аналогичным образом специфиче­ское морфогенетическое поле является причиной спе­цифической формы, принимаемой системой, хотя оно не может действовать без подходящих «строительных блоков» и без энергии, необходимой, чтобы поставить их на место.

Эта аналогия не имеет целью предположить, что причинная роль морфогенетических полей зависит от сознательно созданного проекта, но лишь подчеркива­ет, что не всякая причинность должна быть энергетиче­ской, даже несмотря на то, что все процессы изменения требуют затрат энергии. Сам по себе план дома не явля­ется видом энергии. Даже когда он начертан на бумаге или в конце концов реализован в виде дома, он ничего не весит и не имеет какой-либо собственной энергии Если бумага сожжена или дом разрушен, не происходит измеримого изменения массы или энергии — план просто исчезает. Подобно этому, согласно гипотезе формативной причинности, морфогенетические поля сами по себе неэнергетичны, но тем не менее они иг­рают причинную роль в определении форм систем, с которыми связаны. Ибо, если бы система была связа­на с другим морфогенетическим полем, она бы развивалась иначе[102]. Эта гипотеза может быть проверена опытным путем в тех случаях, когда морфогенетические поля, действующие на системы, могут быть изменены (см. ниже разделы 5. 6, 7. 4, 7. 6 и 11. 4).

Морфогенетические поля можно рассматривать к аналоги известных физических полей в том отношении, что они способны упорядочивать физические изменения, несмотря на то что сами они непосредственно наблюдаемы. Гравитационное и электромагнитное по. представляют собой пространственные структуры, которые невидимы, неосязаемы, неслышимы, без вкуса без запаха; они могут быть обнаружены только через соответствующие гравитационные и электромагнитные эффекты. Для того чтобы объяснить тот факт, что физи­ческие системы влияют друг на друга на расстоянии без какой-либо видимой материальной связи между ними, эти гипотетические поля наделяются свойством пересе­кать пустое пространство или даже фактически образо­вывать его. В одном смысле они нематериальны, но в другом — являются аспектами материи, поскольку о них можно узнать что-либо лишь по их действию на материальные системы. В сущности говоря, научное определение материи просто было расширено, чтобы принять в рассмотрение эти поля. Подобно этому, морфогенетические поля есть пространственные структу­ры, обнаруживаемые только по их морфогенетическому действию на материальные системы; они также могут рассматриваться как аспекты материи, если определение материи еще более расширяется, чтобы включить и их.

Хотя в предыдущих разделах обсуждался только морфогенез биологических и сложных химических систем, мы будем предполагать, что гипотеза форма­тивной причинности приложима к биологическим и физическим системам всех уровней сложности. Поскольку система любого типа имеет свою характер­ную форму, то каждая система должна иметь специ­фическое морфогенетическое поле определенного типа: так, должен быть один тип морфогенетического поля для протонов; другой для атомов азота; другой для молекул воды; другой для кристаллов хлористого натрия; другой для клеток мускулов земляных червей; другой для почек овцы; другой для слонов; другой для букового дерева и так далее.

Согласно организмической теории, системы или «организмы» иерархически организованы на всех уровнях сложности[103]. В нашем обсуждении эти систе­мы будут называться морфическими единицами. При­лагательное «морфический» (от греческого корня morphē — форма) подчеркивает аспект структуры, а слово «единица» — единство или целостность системы. В этом смысле химические и биологические системы состоят из иерархий морфических единиц: например, кристалл состоит из молекул, которые содержат ато­мы, которые, в свою очередь, содержат субатомные частицы. Кристаллы, молекулы, атомы и субатомные частицы есть морфические единицы, так же как живот­ные и растения, органы, ткани, клетки и органеллы. Простые примеры такого иерархического типа орга­низации можно представить наглядно в виде диаграм­мы — либо как «дерево» А, либо как набор «китайских шаров» В {рис. 10).

Рис. 10. Альтернативные варианты представления простой иерархической системы

Морфическая единица высшего уровня должна как-то координировать организацию частей, из которых она состоит. Мы будем предполагать, что она делает это посредством влияния своего морфогенетического поля на морфогенетические поля морфических единиц низ­ших уровней. Таким образом, морфогенетические поля, подобно самим морфическим единицам, имеют строго иерархическую организацию.

Способ, которым морфогенетические поля могут действовать на системы, находящиеся под их влияни­ем, обсуждается в следующей главе, а вопросы о том, откуда берутся они сами и что сообщает им их специ­фическую структуру, рассматриваются в главе 5.

Глава 4
Морфогенетические поля

Морфогенетические зародыши

Морфогенез не происходит в вакууме. Он может начаться только с уже организованной системы, кото­рая служит морфогенетическим зародышем. В процес­се морфогенеза новая морфическая единица более высокого уровня возникает вокруг этого зародыша под влиянием специфического морфогенетического поля. Так как же это поле соединяется с морфогенети­ческим зародышем, чтобы началось развитие?

Ответ может состоять в том, что как соединение материальных систем с гравитационными полями за­висит от их массы, а с электромагнитными полями — от их электрического заряда, так и соединение систем с морфогенетическими полями зависит от их формы. Таким образом, морфогенетический зародыш окру­жается морфогенетическим полем благодаря тому, что он имеет свою характерную форму.

Рис. 11. Диаграмма, представляющая развитие системы из морфогенетического зародыша (треугольник) по нормальной хреоде (А). Показаны также альтернативный морфогенетический путь развития (В), регуляция (С) и регенерация (D). Зате­ненные области представляют виртуальные формы внутри морфогенетического поля

Морфогенетический зародыш является частью сис­темы, которая должна возникнуть. Поэтому часть мор­фогенетического поля системы соответствует этому зародышу. Однако остальная часть поля еще не занята или не заполнена; она содержит виртуальную форму законченной системы, которая становится реальной (актуальной) только тогда, когда все ее материальные части занимают соответствующие им места. Тогда морфогенетическое поле совпадает с актуальной формой системы.

Эти процессы представлены в виде диаграммы на рис. 11. Затененные области обозначают виртуаль­ную форму, а сплошные линии — реальную форму си­стемы. Морфогенетическое поле можно представить себе как структуру, окружающую или включающую в себя морфогенетический зародыш и содержащую виртуальную конечную форму; затем это поле в диа­пазоне своего действия организует события таким образом, что виртуальная форма актуализируется, то есть переходит в реальную. В отсутствие морфических единиц, которые составляют части конечной сис­темы, это поле обнаружить невозможно; оно проявля­ет себя только через свое организующее действие на эти части, когда они попадают в область его влияния. Грубой аналогией могут служить «силовые линии» магнитного поля вокруг магнита; эти пространствен­ные структуры проявляют себя, когда частицы, спо­собные намагничиваться, такие как железные опилки, оказываются вблизи магнита. Тем не менее магнитное поле можно считать существующим и тогда, когда железные опилки отсутствуют; подобно этому, мор­фогенетическое поле вокруг морфогенетического зародыша существует как пространственная структу­ра, даже несмотря на то, что она еще не была актуали­зирована в конечной форме системы. Однако морфогенетические поля радикальным образом отличаются от электромагнитных полей в том, что последние зависят от фактического (актуального) состояния системы — от распределения и движения заряженных частиц,— тогда как морфогенетические поля соответствуют потенци­альному состоянию развивающейся системы и уже присутствуют раньше, чем система принимает свою конечную форму[104].

На рис. 11 показано несколько промежуточных со­стояний между морфогенетическим зародышем и ко­нечной формой. Последняя может быть достигнута также различными путями {рис. 11 В), но если обычно выбирается один определенный путь, его можно рас­сматривать как «канализированный путь изменения», или хреоду (рис. 5).

Если развивающаяся система повреждена путем удаления ее части, она все же может достичь конечной формы (рис. 11 С). Это представляет регуляцию.

После актуализации конечной формы продолжаю­щаяся связь между морфогенетическим полем и систе­мой, форма которой ему соответствует, будет стремить­ся стабилизировать эту систему. Любые отклонения системы от этой формы будут корректироваться, так как система стремится вернуться к этой форме. А если часть системы удалить, конечная форма будет стремить­ся снова актуализироваться (рис. 11 D). Это представля­ет регенерацию.

Тип морфогенеза, показанный на рис. 11, сущест­венно агрегативный: ранее существовавшие отдель­но морфические единицы объединяются в морфическую единицу более высокого уровня. Возможен другой тип морфогенеза, когда морфическая едини­ца, которая служит морфогенетическим зародышем, уже является частью другой морфической единицы более высокого уровня. Влияние нового морфогенетического поля приводит к трансформации, в кото­рой форма первоначальной морфической единицы более высокого уровня заменяется формой новой морфической единицы. Большинство видов химичес­кого морфогенеза относится к агрегативному типу, тогда как биологический морфогенез предполагает обычно комбинацию трансформативного и агрегативного процессов. Примеры мы рассматриваем в следующих разделах.

Химический морфогенез

Агрегативные морфогенезы с нарастающей интен­сивностью осуществляются в неорганических систе­мах при понижении температуры: когда плазма охлаж­дается, субатомные частицы агрегируют в атомы; при более низкой температуре атомы агрегируют в моле­кулы; затем молекулы конденсируются в жидкости; и наконец, жидкости кристаллизуются.

В состоянии плазмы обнаженные атомные ядра можно рассматривать как морфогенетические зароды­ши атомов; они связаны с атомными морфогенетическими полями, которые содержат виртуальные орбитали электронов. В одном смысле эти орбитали не существу­ют, но в другом — они обладают реальностью, которая выявляется в остывающей плазме, когда они актуали­зируются путем захвата электронов.

Электроны, которые были захвачены атомными орбиталями, могут быть смещены оттуда воздействием внешней энергии или путем введения виртуальной орбитали с более низкой потенциальной энергией. В последнем случае они теряют дискретный квант энер­гии, который излучается как фотон. В атомах со многи­ми электронами каждая орбиталь может содержать только два электрона (с противоположными спинами); таким образом, в остывающей плазме электронами за­полняются сначала виртуальные орбитали с наиболее низкой энергией, затем орбитали с ближайшими к ним низшими энергиями и так далее, до тех пор пока не реа­лизуется (актуализируется) полная атомная форма во­круг морфогенетического зародыша ядра.

Атомы, в свою очередь, являются морфогенетическими зародышами молекул, а малые молекулы — зародышами больших молекул. Химические реакции включают либо агрегацию атомов и молекул в боль­шие молекулы — например, образование полимеров,— либо расщепление больших молекул на мень­шие или на атомы и ионы, которые затем могут агре­гировать с другими атомами или ионами, например в процессе горения: под действием внешней энергии молекулы распадаются на атомы и ионы, которые затем соединяются с кислородом с образованием малых, простых молекул, таких как Н₂О и СО₂. Эти химические изменения включают актуализацию вир­туальных форм, связанных с атомами или молеку­лами, которые действуют как морфогенетические зародыши.

Мысль о том, что молекулы имеют виртуальные формы ранее, чем они актуализируются, особенно ясно иллюстрируется тем хорошо известным фактом, что совершенно новые соединения сначала могут быть «спроектированы» на основе эмпирически определен­ных принципов химического взаимодействия, а затем уже фактически синтезированы химиками-органика­ми. В этих лабораторных синтезах одна стадия следует за другой; на каждой стадии определенная молекуляр­ная форма служит морфогенетическим зародышем для следующей виртуальной формы, которая должна быть синтезирована, и в конечном итоге образуется форма совершенно новой молекулы.

Если представление о химических реакциях как о морфогенетических процессах кажется несколько искусственным, то следует вспомнить о том, что дейст­вие катализаторов, как неорганических, так и органи­ческих, в значительной степени зависит от их формы. Например, ферменты, специфические катализаторы множества биохимических реакций, имеют поверхно­сти, канавки, выемки или впадины, которым соответ­ствуют реагирующие молекулы со специфичностью, часто сравниваемой с тем, как ключ соответствует замку. Каталитический эффект ферментов в большой степени зависит от того способа, которым они удерживают реагирующие молекулы в положениях, нужных для того, чтобы реакция произошла. (В свободном рас­творе случайные столкновения молекул происходят во всех возможных ориентациях, большинство из кото­рых непригодны для реакции.)

Детали химического морфогенеза неясны отчасти из-за их большой скорости, отчасти потому, что про­межуточные формы могут быть весьма нестабильны, а также потому, что конечные изменения состоят из вероятностных квантовых скачков электронов между орбиталями, которые образуют химические связи. Вир­туальная форма молекулы, которая должна возникнуть, запечатлена в морфогенетическом поле, связанном с атомным или молекулярным морфогенетическим за­родышем; когда другой атом или молекула приближа­ются в подходящей ориентации, форма образующейся молекулы актуализируется посредством квантовых скачков электронов на орбитали, которые ранее суще­ствовали лишь как виртуальные формы; в то же время при этом освобождается энергия, обычно в виде тепло­вого движения. Роль морфогенетического поля в этом процессе является, так сказать, энергетически пассив­ной, но морфологически активной; оно создает вирту­альные структуры, которые затем актуализируются, по мере того как морфические единицы низшего уров­ня «защелкиваются» («slot» or «snap») в эти структуры, освобождая при этом энергию.

Любой атом или молекула данного типа могут участ­вовать во многих видах химических реакций и поэтому являются потенциальными зародышами множества различных морфогенетических полей. Эти поля можно представить как возможности, «парящие» вокруг них. Однако атом или молекула могут не выполнить свою роль зародыша определенного морфогенетического по­ля до тех пор, пока к нему или к ней не приблизится подходящий атом или молекула, возможно, благодаря их специфическим электромагнитным или иным воз­действиям.

Морфогенез кристаллов отличается от такового атомов и молекул тем, что определенный рисунок атом­ной или молекулярной организации повторяется нео­граниченно. Морфогенетический зародыш создается самим этим рисунком. Хорошо известно, что введение «семян» или «ядер» кристалла соответствующего типа значительно ускоряет кристаллизацию переохлажден­ных жидкостей или перенасыщенных растворов. В от­сутствие таких семян или ядер морфогенетические зародыши кристаллов появляются только тогда, когда атомы или молекулы случайно занимают подходящие положения относительно друг друга вследствие теп­лового движения. Когда зародыш присутствует, вирту­альные формы копий структуры решетки, задаваемой этим морфогенетическим полем, распространяются в разные стороны от поверхностей растущего кристалла. Подходящие свободные атомы или молекулы, которые приближаются к этим поверхностям, захватываются ими и «защелкиваются» в нужное положение; опять-таки при этом выделяется тепловая энергия.

Осеменение, или нуклеация, переохлажденных жидкостей может также проводиться, хотя и менее эффективно, путем введения малых фрагментов чуже­родных веществ: например, химики часто скребут по краям пробирок, чтобы засеять растворы кусочками стекла. Эти кусочки служат поверхностями, позволяю­щими легче находить наиболее подходящие относи­тельные положения тем атомам или молекулам, кото­рые образуют истинный морфогенетический зародыш кристалла. По своим морфогенетическим эффектам такие семена напоминают катализаторы химических реакций.

Все виды химического морфогенеза, рассмотрен­ные до сих пор, несомненно, агрегативны. В неживых системах явления трансформации гораздо менее рас­пространены. Например, большинство кристаллов не способны превращаться в другие кристаллические фор­мы; они могут расплавиться или раствориться, и тогда их составляющие могут принять участие в других про­цессах кристаллизации; но это есть разрушение (дезаг­регация), за которым следуют другие виды агрегации. Подобным же образом химические реакции включают дезагрегативные и агрегативные изменения. Однако существуют важные примеры молекулярной транс­формации, такие как складывание белков, и обратимые изменения формы, которые происходят, когда неко­торые ферменты связываются с молекулами, реакции которых они катализируют[105].

Тот факт, что белки складываются гораздо быстрее, чем можно было бы ожидать, если бы они «находили» свою конечную форму путем «случайного поиска», указывает на то, что их складывание происходит по определенным направлениям или по ограниченному числу направлений (раздел 3.3). Эти «канализирован­ные пути изменения» можно рассматривать как хреоды. Чтобы процесс складывания мог начаться, соглас­но представлениям, излагавшимся выше в разделе 4.1, должен присутствовать морфогенетический зародыш и этот зародыш должен уже иметь характерную трех­мерную структуру, которую он имеет в конечной фор­ме белка. Предположение о существовании таких морфогенетических пусковых точек фактически уже было высказано в литературе по складыванию белков:

«Высокая скорость раскручивания предполагает необходимость того, чтобы процесс протекал по огра­ниченному числу направлений, даже когда статистика эта строго ограничена своего рода основными правила­ми стереохимии, которые содержатся в неявном виде в так называемом графике Рамачандрана. Становится необходимым постулировать в процессе складывания существование ограниченного числа допустимых ини­циирующих событий. Такие события, обычно называе­мые нуклеациями, вероятнее всего, происходят в тех частях полипептидной цепи, которые могут участво­вать в конформационном равновесии между случайны­ми и кооперативно стабилизированными структура­ми. Далее важно подчеркнуть, что аминокислотные последовательности полипептидных цепей, предназ­наченные для того, чтобы служить фабрикой белковых молекул, функционально осмыслены лишь тогда, когда они имеют трехмерную структуру, которая харак­терна для них в молекуле природного белка. Кажется разумным предположить, что части белковой цепи, которые могут служить как центры нуклеации для складывания, будут теми, которые могут "отклонять­ся" внутрь и наружу от конформации, которую они имеют в конечном белке, и что они образуют отно­сительно жесткую структуру, стабилизированную набором кооперативных взаимодействий»[106].

Такие «центры нуклеации» будут действовать как морфогенетические зародыши через их связывание с морфогенетическим полем белка, которое затем будет канализировать процесс складывания по направлению к характерной конечной форме.