Андрей Зелински

ЖАЛОНИ НА НАУЧНИЯ ПЪТ

БИОГРАФИЯ НА АКАД. НИКОЛАЙ ЗЕЛИНСКИ

(продължение от бр. 47)

6. ЖИВОТО ВЕЩЕСТВО

"Винаги ме е интересувала границата между живото и мъртвото вещество и органичното им взаимодействие, без което нормалната жизнена дейност на организма е невъзможна".

Н. Д. Зелински

  Съвременната органична химия, един от създателите на която е Н. Д. Зелински, както свидетелства самото название на тази наука, се намира на границата между химията и биологията, сякаш съединявайки в едно тези две области на познанието. Н. Д. Зелински беше най-тясно свързан с граничните области на естествознанието чрез контактите си с учени като И. М. Сеченов, М. А. Мензбир, Н. А. Северцов, А. М. Безредка, Н. В. Насонов. Многогодишна дълбока дружба го свързваше с Владимир Иванович Вернадски - създателя на съвременното учение за Биосферата и Ноосферата - дружба, основана върху продължително сътрудничество и общи извори на научния мироглед.

"На скъпия Николай Дмитриевич Зелински за добър спомен. В. Вернадски. 1914"

Без преувеличение може да се каже, че в основата на цялото творчество на Николай Дмитриевич лежеше дълбок интерес към връзката между живата и мъртвата природа, тяхното взаимодействие и взаимопроникване. Този интерес възникнал у него много рано. Още първата студентска работа на Н. Д. Зелински бела посветена на обект, представляващ биологичен интерес - алфа-окси-бета-метаминомаслената киселина. "Мъртвото вещество на природата, колкото и сложно да е то, - пише той по-късно, - представлява химично съединение, отличаващо се с единство на своя състав. Всички молекули на такова химично съединение са еднакви.

Какво представлява живото вещество - растителният или животински организъм? Струва ми се, че на всеки жив организъм от научна гледна точка можем да гледаме като на определено химично съединение с комплексен (разредка на Н.Д.) характер, хармоничното взаимодействие на съставните масти на което е обусловено от неговата жизнена дейност"¹.

За пръв път ученият се сблъскал с изследването на влиянието на живи същества върху образуването на мъртво природно вещество през лятото на 1891 г., когато по покана на известния биолог А. О. Ковалевски той взел участие в дълбоководната експедиция в Черно море с канонерската лодка "Запорожец". Експедицията била предизвикана от това, че малко по-рано руски учени открили в дълбоките води на Черно море съдържание на голямо количество сероводород, с което било свързвано отсъствието на живот в Черно море на големи дълбочини. Новата експедиция била необходима за по-точното изясняване на причините за толкова значително заразяване на водите на Черно море със сероводород и проверка на общопризнатата по онова време хипотеза на Н. И. Андрусов, според която сероводородът се образувал от белтъчно вещество като резултат от гниенето на гниенето на труповете на животни, загинали при осоляването на черноморския басейн - хипотеза, която не била споделяна от Н. Д. Зелински.

Като резултат от изследванията, свързани с тази експедиция, Николай Дмитриевич направил следния интересен извод: сероводородът в дълбините на Черно море има бактериален произход; процесите на химично взаимодействие между живото вещество на микроорганизмите и мъртвото вещество на природата са довели до това, че Черно море и лиманите на Одеса се намират в съвременната епоха на етапа на сероводородното брожение. Ученият също така установил наличието на биохимична реакция между сероводорода, отделян от черноморските микроорганизми, и някои органични съединения, съдържащи се в черноморската тиня. Най-интересно било откриването в тинята на бактерии, използващи като източник на кислород сулфити и сулфати с възстановяване на последните до сероводород. Тези бактерии, изолирани от Н. Д. Зелински, били наречени от него Bacterium hydrosulfereum Ponticum и изследвани съвместно с доктор Е. М. Брусиловски. Хипотезата на Н. И. Андрусов била изоставена. Н. Д. Зелински показал, че микроорганизмите в черно море могат да отделят сероводород дори при пълно отсъствие на белтъчно вещество². Интересно е да се отбележи, че епруветките с морска вода и тиня били запазени от учения до 30-те години на ХХ век. След повече от 40 години той отново се върнал към своя ранен труд и, след като отворил епруветките, се убедил, че съдържащите се в тях микроорганизми са запазили своята жизнеспособност и продължавали да възстановяват сулфати и сулфити.

Интересът към проблема за живото вещество довел Н. Д. Зелински през 1929 г. до пряко сътрудничество с В. И. Вернадски, който, бидейки по онова време председател на комисията по изучаване на естествените и производителните сили на Русия (КЕПС), предложил на Н. Д. Зелински да оглави изследванията на сапропеловата станция в Залучие (ез. Белое във Вишневолоцки район).

Вниманието на двамата изтъкнати учени към сапропела не може да бъде счетено за случайно. Както е известно, сапропелите представляват изкопаеми продукти с органичен произход. Те се концентрират на дъното на естествените водоеми и представляват богата на органични материали утайка или тиня, получила името сапропел (гнила утайка). Изходен материал за образуването на сапропела са микрофлората и микрофауната на водоемите, които в симбиоза една с друг и под влиянието на разтегнат във времето биохимичен процес постепенно са се превръщали в онази наситена с микроорганизми утайка, именувана сапропел.*

Ако си припомним, че в началото на ХХ век започнал остро да се дебатира въпросът за произхода на нефта, то въпросът за сапропела представлявал за Н. Д. Зелински много специален интерес. За разлика от гледната точка на Д. И. Менделеев, че нефтът е продукт с минерален произход, Н. Д. Зелински, както вече споменахме, смятал, че майчиното вещество на нефта е органичен продукт. При това именно низшите организми, а не макрофауната са играли и продължават да играят (според Н. Д. Зелински) огромна роля в оформянето на лика на земята. Важно е да се подчертае, че В. И. Вернадски дълбоко съчувствал на идеите на Н. Д. Зелински. Достатъчно е да си спомним неговия собствен възглед за решаващата роля на "живото вещество" в еволюцията на цялата ни планета.

Проблемът за сапропела обаче има още един аспект. Пиролизата на този продукт дава смола, при последващата дестилация на която може да се получи бензин, керосин и твърд парафин с доста високо качество. Първите опити в тази насока били осъществени от Н. Д. Зелински още през 1913 г. на езерото Балхаш в Казахстан. Така, проблемът за сапропела имал не само теоретично, но и практическо значение, особено нараснало в годините на гражданската война и стопанска разруха, което довело до създаването на специален Сапропелов комитет. Всичко това обяснява вниманието, отделено на този въпрос от Н. Д. Зелински при активното участие на неговия колега и приятел В. И. Вернадски.

В друг аспект се наложило на Н. Д. Зелински да разгледа органичната взаимовръзка между мъртвото и живото вещество в природата във връзка с неговия голям интерес към проблема за витамините. "Ако можем да констатираме още от времето на първите класически трудове на Пастьор много фини реакции на живото вещество на микроорганизмите към мъртвата материя, - пише той, - то във витаминния въпрос съществуват данни, които ни убеждават, че и мъртвата материя с определен химичен характер и състав, в най-малки количества, е необходима за проявяването под нейно влияние на съществени функции на организма: без нея тези функции отпадат"³. Именно тук се разкрива в пълна яснота удивителната зависимост между химическата природа на веществото и неговата способност да поддържа и развива полезни за живота биохимични процеси.

На витамините, както е известно, е присъща динамична роля в непрекъснатата обмяна на веществата в организма: с помощта на витамините се образуват промеждутъчните, временно съществуващи комплексни съединения, необходими на организма за нормалното протичане на биохимичните процеси. Именно поради това присъствието в храната на витамини, наред с въглехидратите, мазнините и белтъчините, е абсолютно необходимо; от тях се обуславят най-важни функции на организма, без които той загива. витамините се синтезират от растителната природа, и това е още една причина, поради която животът на животните е тясно свързан именно с растителната природа. В организма на животните витамините се пренасят непосредствено от растителната храна и плодове или чрез хранене с белтъчна храна от други животни, успели да внесат известен запас от тези вещества в своето тяло.

За Н. Д. Зелински представлявало голям интерес да изясни биологичния и химическия механизъм на действие на витамините върху животинския организъм. Какъв е тук характерът на взаимовръзката между живото и мъртвото вещество? В какво де състои влиянието на витамините, на тази мъртва материя, върху нормалната жизнена дейност на организма?

"Биохимичното значение на витамините - пише той, - се състои не в това, че при тяхна помощ в организма се вкарват големи запаси от енергия, или основни съставки за производството на органичен субстрат, а в това, че тази, според израза на Лунин, "допълнителни вещества" предизвикват в клетките на организма дейност, подобна на онази, която се обуславя от ферментите и продуктите на вътрешна секреция. Тези три важни фактора е доста вероятно да се намират в най-тясно взаимодействие помежду си"⁴.

Като придава специално значение на ферментите, Н. Д. Зелински пише, че "това са веществата, които прехвърлят сякаш мост между живата и мъртвата материя, активират последната, правят я способна да отговаря на импулсите, обуславящи развитието на живото органично тяло"⁵. За да могат да съществуват такива съотношения, са необходими специални химични форми, или специален строителен материал, от който организмът би могъл да построи моста, свързващ живото с мъртвото. Хипотезата на Н. Д. Зелински, изказана в гореспоменатия предговор към книгата на К. Функ, се състояла в това, че именно витамините са необходимият строителен материал за създаването на ферментите - този мост между живата и мъртвата материя.

Известно е, че тази идея чак много години по-късно, а именно в навечерието на Великата отечествена война, беше възприета и призната в Западна Европа и Америка.

Интересът към химията на живото вещество с неизбежност обърнал вниманието на Н. Д. Зелински към химията на белтъчната молекула. Ако първия труд на учения бил посветен на на аминокиселините, след това на химията на нефта, то след увлечението от идеите на Пастьор той отново се върнал към белтъчните вещества. Значението на каталитичното разграждане на белтъците от ферментите за познанието на строежа на самите белтъци, удивителните свойства на аминокиселините като носители на някои свойства на витамините и хормоните, най-накрая, самата загадка за строежа на белтъчната молекула все повече го карат да се заеме с тази най-интересна област от живата природа. "Любопитно е, че могат да се проследят нишките, - пише ученикът на Н. Д. Зелински Н. И. Гаврилов, - свързващи неговите мисли в областта на въглеводородите и областта на аминокиселините и белтъците: цикличните кетони от въглеводородите на нефта доведоха Николай Дмитриевич до аминокиселините, каталитичното хидриране и дехидриране на въглеводородите към каталитичната хидролиза в автоклава на белтъците, а между тези въпроси стои ту образуването на въглеводороди при каталитично разлагане на стерини, мазнини и дори на самите белтъци, ту биохимията на морето и геобиохимичните идеи на В. И. Вернадски"⁶.

"Има в растенията и животните вещество, което без съмнение е най-важното измежду всички известни вещества в живата природа и без което животът на нашата планета би бил невъзможен. Това вещество се нарича белтък". Така пише през 1838 г. немският химик Ж. Мулдер, който по предложение на И. Берцелиус за пръви път въвел в научна употреба термина "протеин" от гръцката дума "протейос" (първи). Както е известно, белтъците, крайъгълният камък на живота, представляват най-сложните вещества измежду всички, известни на човека, и изучаването на техния химичен строеж е една от най-важните задачи, стоящи пред съвременната химическа наука. белтъците представляват гигантски макромолекули, всяка от които се състои от хиляди атоми, най-вече водород, кислород, въглерод и азот.  въпросът за разположението на тези атоми в белтъчната молекула е един от най-интересните и увлекателни въпроси в съвременната наука за белтъка.

Почти до самия край на XIX век химическата природа на белтъчните тела представлявала пълна загадка. Известно било само, че белтъците могат да бъдат разградени или чрез продължително варене във вода, или под действието на киселина или основа и в резултат от това да се получат прости химични вещества, наречени аминокиселини. Тъй като в реакцията участва вода, този процес се нарича хидролиза на белтъците. Така, хидролизата на белтъците е най важният метод за тяхното изследване. В началото на ХХ век немският химик Е. Фишер установява, че белтъците представлява дълги вериги от аминокиселинни остатъци (т.е. от групи атоми на обезводнени аминокиселинни молекули) - така наречените полипептиди. Е. Фишер също така успял да осъществи синтез на изкуствени пептиди, т.е групи от аминокиселини, съединени помежду си с пептидни връзки.

Трудовете на Е. Фишер заинтересували Н. Д. Зелински и вероятно го подбудили да предприеме самостоятелни изследвания по изучаването на белтъчната структура. Методиката, предложена от руския учен, имала оригинален характер. Следва да споменем, че по онова време хидролизата на белтъка се осъществявала с помощта на концентрирани минерални киселини, именно този способ използвал в своите изследвания и Е. Фишер. Н. Д. зелински сметнал този метод за твърде груб и започнал да търси по-фини методи, при които биха се запазили структурите, наистина преформирани в белтъчната молекула. Той бил сигурен в това, че като прилага вече доказалия се метод на катализата, могат да се създадат такива условия на хидролиза, които да дадат резултат, близък до естествената ферментация на белтъчните тела. За тази цел той избрал катализа със слаби киселини и основи, но в условия на по-висока температура, отколкото това обикновено се прилагало, и на значително увеличено налягане.

Първите резултати от своите изследвания в това направление той изложил в доклад, прочетен в Москва на 19 февруари 1914 г. на събранието на Дружеството "Х. С. Леденцов" за съдействие на успехите на опитните науки и техните практически приложения.

"Хидролизата на белтъчните тела по механизма на процеса на разграждане, - пише той за това, - постепенно се прекрати в променените от нас условия в катализата на белтъчните тела. Ние успяхме в условията на лабораторен опит да осъществим пълен разпад на белтъците при възможно минималните количества киселина, т.е. по естествен път да доведем белтъчното разграждане до етапа, до който то достига в храносмилателния тракт на човека и животните, където стомашният и чревният сокове притежават съответно слаба киселинна и слаба основна концентрация"⁷. По този начин ученият се стремял да доближи изкуствената лабораторна катализа до естествената, ферментационната, доколкото именно последната играе решаваща роля във всички природни процеси в организма. Та нали именно при помощта на ферментите постъпващите в организма белтъчни вещества с различен произход се разграждат хидролитично до крайни форми, за да се създаде, синтезира от последните белтъкът, който е присъщ на природата на дадения индивид. "И така, ферментите, - твърди ученият, - представляват и съзидаващи, и разрушаващи фактори на живота. За да разберем по какъв механизъм те извършват своята изумителна работа, трябва да познаваме по-добре тяхната химическа природа. най-голямата задачи на нашето време се състои в изолирането на ферментите като химически индивиди и в техния синтез"⁸.

Катализата на белтъчните вещества Н. Д. Зелински приложил и към изследването ни химическия състав на цели организми (мишка, жаба, треска, морско свинче) и отделни органи (сърце на теле). Като резултат от тези опити тялото на всяко животно преминавало в разтвор и давало като резултат катализат - разнообразна смес от аминокиселини и други съединения с по-прост състав. "Задачата на пълното и всестранно изследване или анализ на такъв "животински" катализат, - пише ученият, - е обусловена, по самата природа на образуващите тук съединения, с трудности, които несъмнено много превишават анализа например на урановата руда с извличане от нея на радиеви соли. Да се проследят всички звена, влизащи във връзка за образуването на такъв органичен субстрат като белтъка, и да се отчетат количествено, без да се пропуснат онези, които влизат в състава на белтъка, може би, в твърде неголеми количества, аз мисля, че представлява не по-малки трудности, отколкото улавянето на всички преходни форми на радиоактивния разпад от урана до оловото включително"⁹.

Без да се спира на получаването на подобни катализати, Н. Д. Зелински (при съдействието на лекаря Ф. А. Андреев) проверил как се отразява върху живия организъм въвеждането в кръвта му на разнообразната смес от аминокиселини, присъстващи в катализата. Като резултат в края на своя доклад ученият посочил възможното лечебно приложение на катализатите, което е получило своето по-нататъшно развитие в тъканната терапия.

Дълбокият интерес на Н. Д. Зелински към явленията на ферментационната катализа, проявен от него още в началото на ХХ век, може в пълна степен да бъде оценен чак в днешно време. Днес ние знаем, че живата природа, както изглежда, разполага с някакъв еволюционно подбран асортимент от активни структури, най-добре приспособени към изпълнението на различни биологични функции (фотохимични, ферментни, хормонални), т.е. по своята природа каталитични в широкия смисъл на тази дума. Тук се разкрива наистина фундаменталното физикохимическо различие на ферментите от неорганичните катализатори, заключаващо се в тяхната колосална активност, която заедно с високата химическа специфимност съставлява главната особеност на ферментативната катализа. И ако в началото на ХХ век се наблюдавало сближаване на катализата с ферментологията, то в края на века науката започва да овладява най-мощната и в същото време най-фината форма на химическа активност, която съществува в природата - активността на химическите катализатори. И това само укрепва представата ни, че катализаторите дори от най-прост тип не са отделени с непроходима пропаст от най-сложните природни ферменти и че катализата, при цялата си сложност и специфичност, все пак остава единно природно явление.

Успешно започнатите изследвания на Н. Д. Зелински в областта на ферментативната катализа обаче били временно прекъснати от събитията на Първата световна война. Тя принуждава учения да прехвърли всичките си сили към неотложното решаване на съвсем други въпроси, свързани вече не с изучаването на "живото вещество", а със задачата за спасяването на "живото същество", тоест спасяването на самия човешки живот.

Бележки:

* Значението на сапропелите е много голямо в селското стопанство, тъй като те представляват доста ценни естествени торове, рязко повишаващи добивите на различни селскостопански култури.

1. Зелинский Н. Д. О развитии химической науки СССР. Ръкопис, архив на Н. Е. Зелинска.

2. Зелинский Н. Д. О сероводородном брожении в Черном море. – В кн.: Зелинский Н. Д. Собрание трудов, т. IV. М., 1960. 

3. Зелинский Н. Д. Предговор към кн.: Функ К. Витамины. М., 1922. С. 7.

4. Зелинский Н. Д. О развитии химической науки СССР.

5. Зелинский Н. Д. Предговор към кн.: Функ К. Витамины. М., 1922. С. 6.

6. Гаврилов Н. И. белки и естественные органические соединения – объекты исследований Н. Д. Зелинского. – В кн.: Академик Николай Дмитриевич Зелинский. Девяностолетие со дня рождения. М., 1952. С. 103-104.

7. Зелинский Н. Д. Естественный и искуственный анализ белковых тел. – В кн.: Зелинский Н. Д. Собрание трудов, т. I. М., 1954. С. 357.

8. Ibid. С. 360.

9. Ibid. С. 363.