Памяти В.А. Даванкова

Скончался профессор В.А. Даванков – учёный, придумавший новый способ получения мезопористых полимеров («сверхсшитый полистирол») и первым осознавший важность этого класса материалов для медицины критических состояний. Сложно выбрать самое важное из его богатейшего наследия. Мой голос за то, что благодаря ему в арсенал методов врачей-реаниматологов вошёл такой жизнеспасающий метод как гемоперфузия с использованием мезопористых полимеров.

Как придать полимеру пористую структуру? Почти все методы так или иначе основаны на применении «порогенов» - вспомогательных веществ или материалов, несовместимых с этим полимером, образующих отдельную от него фазу. Объём, занимаемый этими порогенами – это будущие поры в полимере. Порогеном могут выступать самые разные вещества – кристаллы соли и сахара, пузырьки воздуха или кристаллы льда, растительное масло или даже другие полимеры. Вадим Александрович предложил принципиально другой метод получения пористых полимеров, без участия порогенов и гетерогенных бифазных систем. 

Исходным материалом для этого нового метода стал обычный, не пористый полистирол, попавший в органический растворитель и полностью в нём разбухший. Тесно сцепленные цепи макромолекул, из которых состоял сухой и несмоченный полимер, покрываются «шубой» из молекул растворителя. Расстояние между цепями увеличивается, их подвижность возрастает. Равновесно набухший полимер чем-то подобен пористому, только эти поры имеют совершенно особенную структуру, недоступную для формирования с помощью привычных порогенов. Удалить растворитель легко, но тогда цепи полимера «склеятся» обратно. Провидческая догадка В.А. Даванкова заключалась в том, что если подвергнуть равновесно набухший полимер воздействию избытком определённого сшивающего агента, то между этими полимерными цепями можно создать много-много маленьких жёстких «распорок», не дающим этой удивительной микро- и мезопористой структуре сколлапсировать даже после удаления молекул растворителя. В ходе этого превращения возникает огромная внутреннняя поверхность с площадью более тысячи квадратных метров в грамме полимера – это и есть «сверхсшитый полистирол».

Обычные пористые полимеры обладают внутренней поверхностью до 50 квадратных метров на грамм. Внутренний объём сверхсшитого полистирола больше на 1-2 порядка и сопоставим с активированным углём – 1000-2000 квадратных метров на грамм. 

Размышления над строением таких материалов, определением величины площади поверхности в различных условиях, над связью размера и количества пор в полимере с его набуханием и способностью поглощать этими порами вещества различного размера помогли задать множество важных и неочевидных вопросов о строении полимеров и пористых материалов. Вероятно, не мне одному — Вадим Александрович является одним из наиболее признанных и цитируемых в мире учёным в этой области, именно его с Марией Петровной Цюрупой работы 1970–80х годов заложили фундамент для создания того, что сейчас называется “polymers of intrinsic microporosity”, “conjugated microporous polymers”, “covalent organic frameworks”, и понимания того, как они устроены.

Несмотря на свой огромный вклад в фундаментальную науку, Вадим Александрович не был «кабинетным учёным». По его технологии было запущено множество производств хроматографических сорбентов.

Но нам наверное интереснее то, что разработки В.А. Даванкова легли в основу «антицитокиновых» полидивинилбензольных гемосорбентов CytoSorb. В 1990х он и его ближайшие коллеги и соавторы (М.П. Цюрупа, Л.А. Павлова) будучи уже состоявшимися специалистами приехали в США и работали там над получением сорбентов для удаления белка бета-2-микроглобулина из крови. Если открыть американские патентные заявки тех лет – там будут их имена. Предполагалось, что гемоперфузия с применением этих сорбентов будет назначаться людям с терминальной стадией почечной недостаточности, у которых этот белок откладывается в суставах. Сорбент получился, но коммерчески успешный продукт на его основе - нет. Поэтому эта исходная идея трансформировалась в «антицитокиновую» гемоперфузию (бета-2-микроглобулин похож по размеру на многие цитокины и полимер, справляющийся с его удалением, проявил также и «антицитокиновые» свойства). Как это часто бывает, метод был использован в качестве терапии отчаяния у больного с не поддающимся купированию тяжёлым системным воспалительным ответом. Этого никто не ждал, но больной вылечился и был выписан. Дальше у компании началась своя, достаточно успешная жизнь, а Вадим Александрович с коллегами вернулся в Москву. 

Мне повезло познакомиться с ним в критический для нашего проекта момент. Когда мы уже понимали, что будущее в экстракорпоральной терапии сепсиса – за мультимодальной гемоперфузией, когда уже умели удалять эндотоксин из растворов с помощью иммобилизованных селективных лигандов, но ещё не понимали какая матрица для этой иммобилизации наиболее перспективна, какими свойствами она должна обладать и как её синтезировать. Наверное, на целом свете не было второго такого человека, который мог так адресно помочь с поисками ответа на этот вопрос. Мы стали много и близко общаться, Вадим Александрович – один из самых приятных собеседников, которых я знал, он обладал колоссальной эрудицией и манерами английского лорда, а надменности и напыщенности в нём не было ни грамма. 

Когда первые пациенты успешно получили терапию с помощью наших мультимодальных гемосорбентов, это была наша общая с ним радость. Он прекрасно понимал все ограничения сверхсшитых стирольных сополимеров предыдущего поколения в качестве «антицитокиновых» гемосорбентов и сходным со мной образом смотрел на их будущее – поверхностную функционализацию селективными лигандами.

Всю свою долгую жизнь Вадим Александрович проработал в Институте элементорганических соединений имени А.Н. Несмеянова, не чужом мне месте (на 4-5 курсе химического факультета МГУ я делал в ИНЭОСе дипломную работу, а мой дед В.Т. Алексанян стоял у истоков лаборатории молекулярной спектроскопии и возглавлял её до своей скоропостижной смерти). Вадим Александрович очень гордился нашими успехами, и два года назад, уже будучи тяжело больным и маломобильным, попросил меня выступить на конференции в ИНЭОСе о применении современных сверхсшитых полистиролов в медицине, посчитав меня подходящим рассказчиком.

Вадим Александрович, видимо, был счастливым обладателем какого-то особенного пространственного воображения, без которого нельзя было бы создать такие удивительные объекты как сверхсшитый полистирол или оптически активные матрицы для хроматографии (его не менее значительное достижение и наследие). Он не прекращал работу до последних дней, и когда уже не мог регулярно ездить в институт, на первое место для него вышли рассуждения об астрофизике и происхождении атмосферного кислорода, физической природе симметрии и фундаментальных предпосылках асимметрии биомолекул. Он считал, что сама вселенная ассиметрична и это будет способствовать энантиомерному обогащению ещё на добиологическом этапе. Я, гораздо хуже него зная физику и не до конца понимая эти рассуждения, осторожно спорил с ним, говоря о том, что уже на гипотетическом этапе РНК-мира отбор с удовольствием «уцепится» за оптическую активность, выхватив один из энантиомеров из рацемической смеси.

Месяц назад я получил от него письмо, по которому сразу стало понятно, что оно прощальное. Там нет ничего личного, и думаю, где-то там ему приятно, что я им сейчас делюсь:

ЖИЗНЬ – НЕВЕРОЯТНАЯ СЛУЧАЙНОСТЬ ИЛИ НЕПОЗНАВАЕМАЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ?

В.А. Даванков

Чем дольше я живу, тем чаще в голове возникают назойливые вопросы, вроде: кто я, зачем живу, что потом? На какое-то мгновение мне даровано истинное чудо – жизнь, а я до сих мор не осмыслил сущность и ценность этого дара! И вообще, что есть «ЖИЗНЬ?». Философские определения этого термина можно принять, но удовлетворения они не приносят. «Совокупность явлений, происходящих в организмах, особая форма существования и движения материи, возникшая на определенной ступени ее развития.

Понятие «жизнь» можно охарактеризовать только перечислением качеств, отличающих ее от «нежизни».

И вот я решил попытаться упорядочить, систематизировать, прежде всего – для себя самого, разрозненные отрывочные мысли, которые возникали в моей голове в разные периоды моей вполне счастливой и успешной жизни, когда мой разум обращался к Главному вопросу – смысла жизни, ее происхождения и сущности разума.

Я отдаю себе отчет в крайней ограниченности познанного мною и потому не строю себе иллюзий относительно научной ценности конечного результата. И все же…

Я ЕСТЬ? 

В ряде современных книг по теории поля можно вычитать парадоксальное утверждение, что материи нет, а есть только местные возмущения полей. Так Я - шедевр организованной материи или вихрь электромагнитных колебаний? Во втором случае вихрь тоже должен быть высоко организованным! Я не вижу и не ощущаю себя в виде электромагнитного вихря. Он виртуален. И как он мог возникнуть и что он собой представляет? 

            Как интересующемуся астрофизикой химику –экспериментатору, мне легче рассмотреть материальную модель живого существа.

            С очень большой уверенностью ученые предполагают, что вскоре после Большого Взрыва (~14.5 миллиардов лет назад) некоторая часть выделенной энергии превратилась в материальные элементарные частицы – барионы и антибарионы и затем в химические элементы – водород и гелий. Гравитационные силы и флуктуации плотности газовых облаков привели к образованию звезд и галактик. В недрах ядерных реакторов звезд постепенно синтезировались другие наиболее распространенные во вселенной элементы - кислород, углерод, азот, неон, железо. А умирание звезд, сопровождающееся взрывом Сверхновых, привело к синтезу и всей палитры более тяжелых элементов. Вероятно, добрую половину периода своего существования вселенная потратила на синтез и накопление необходимых для возникновения твердой материи элементов. Едва-ли на данной стадии эволюции вселенной где-то могла зародиться основанная на материи живая субстанция.

            Лишь после прошествия нескольких миллиардов лет в космосе накопилось достаточное количество данной нам в ощущение материи для начала формирования звездных систем с серией вращающихся вокруг звезд достаточно массивных негазовых планет. Только тут становится возможным переход от атомарного к молекулярному этапу эволюции материи. Так, Солнечная система с набором планет сформировалась из газо-пылевого облака всего ~4.5 миллиарда лет назад. Если неорганические соединения в обилии присутствовали в пылевом облаке, то органическая химия должна была стартовать на одной из планет, например, на земле, при ее охлаждении до умеренных температур.

            Теперь химики знают, что самые разнообразные органические соединения образуются из набора элементов или примитивных углерод-содержащих фрагментов при воздействии на смесь мощных ударов или облучений. Мы можем себе представить, что в разных точках Земли – в ее атмосфере, гидросфере и литосфере, ускоренный мощной метеоритной бомбардировкой и космическим облучением, шел синтез множества разнообразных органических соединений, в том числе и тех, которые впоследствии стали основой для синтеза сложных полимерных структур типа белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов. Убежден, что материальная жизнь может базироваться только на органической химии, т.к. углерод - единственный элемент, способный образовывать длинные и разветвленные цепи, включающие другие распространенные органогенные (H, C, O, S, N, P) атомы, а через них и практически любые другие атомы и ионы. 

            Несомненно, синтез сложных молекул полимеров происходил в водной среде, например, в изредка пересыхающем бассейне, многократно подпитываемом водами океана. Ведь сборка крупных молекул возможна в сильно концентрированном «бульоне» бассейна, но не в водах океана. 

            Бассейн сконцентрировал в себе сотни тысяч разнообразнейших органических соединений. А для сборки молекулы белка нужны только аминокислоты. Попробуем оценить вероятность самосборки одной определенной полипептидной цепочки длиной в 100 aминокислотных звеньев. Едва ли более короткий пептид может катализировать сборку идентичной себе цепи, т.е. обеспечить самовоспроизведение протобиологической системы. Из большого числа возможных природа использует 20 «белковых» аминокислот. Они должны были собраться в цепи в совершенно определенной последовательности, иначе цепь не приобрела бы нелинейной, свернутой во «вторичную», структуру, необходимую для каталитической активности. Но случайное возникновение счастливой правильной последовательности 100 звеньев в цепи из набора в 20 разных единиц абсолютно нереально. Ведь нам нужна одна единственная из 20100 равновероятных структур!

            В реальности все обстоит еще гораздо хуже. Из 20 белковых аминокислот 19 содержат асимметрический атом углерода и потому их молекулы существуют в виде двух изомеров. Они отличаются друг от друга только как предмет отличается от своего зеркального отображения и их включение в цепь равновероятно. А для придания определенной вторичной структуру конечного пептида требуются только «левые» аминокислоты! Значит, для случайного образования цепи из 100 звеньев, из которых 95 относятся к «левому» ряду, вероятность уменьшается еще в 295 раз! Итак, для создания первой способной к самовоспроизведению пептидной цепочки

в первичном бульоне открывались 20100 х 295 =10 рановероятных возможностей! Такой синтез нельзя поручать случаю! Для конечного успеха изначально должна была существовать цель, дизайн, план синтеза пептида, механизм отбора нужных изомеров фрагментов из бульона, переполненного чуждыми молекулами. Случайного успеха быть на могло!

            Не менее разочаровывающий вывод вытекает и из попытки оценить вероятность случайного образования аналогичной цепи полинуклеотидного типа из 4 известных базовых нуклеотидов. Там дополнительную сложность вносит участие Д-рибозы в каждом звене и вовлечение в цепь более редкого элемента – фосфора – в его окисленной форме.

            Столь же невероятным представляется способность первой удачной пептидной цепочки успешно функционировать в агрессивном концентрированном бульоне. Ей недостаточно сохранить себя и научиться самовоспроизводиться. Настоящей жизнью наделена лишь клетка – сложнейшая система, состоящая из множества подсистем и снабженная сложной программой. Ведь клетка не просто делится пополам. Каждой половинке уже предназначено стать ножкой или головкой зародыша. Где, в каком носителе заложена эта программа? Тут тоженет места  случаю.

            Поэтому именно зарождение жизни, данный шаг на пути эволюции от неорганической материи к живой клетке кажется мне самым невероятным, и, тем не менее, у науки нет пока другого материалистического объяснения свершившегося когда-то события, кроме случайности. 

            Но жизнь после данной невероятной случайности быстро распространилась по планете, а может быть, в виде иных форм органической жизни, и на многих планетах вселенной.

             В любом случае я есть! И именно в форме сложнейшей в мире системы органических структур, а не в форме локального возмущения космических полей. И, кроме больного вопроса что и откуда я, я зачем-то задаю себе массу не менее сложных вопросов, вроде, а зачем я живу и что будет потом?   

            Еще в юности я согласился с отцом, что смысл жизни в служении, а служить стоит только Человеку, Природе или Науке. Нетрудно выбрать себе любой их многочисленных путей служения Человеку и Природе. Но наука - это что-то другое. Это не только и не столько масса накопленных знаний, выведанных у природы, и удивительных технологий, базирующихся на этих знаниях. Наука - постоянное стремление проникнуть в еще неизведанное, открыть еще несуществующие законы. Но как можно желать того, чего еще нет? А ведь я посвятил этому всю свою сознательную жизнь. Меня вели фантазия, интуиция и, как ни странно, обычная логика. Эти три сущности никак не относятся к измеряемым свойствам моего физического тела, хотя неразрывно связаны с ним и, нигде не существуют в отрыве от него.

            Невольно натыкаешься на вопрос: а что есть Мысль, Разум, Интеллект? При активном умственном напряжении мозг развивает мощность порядка 10 Ватт. Я точно знаю, что эту энергию поставляют простые химические реакции в точках пересечения аксонов – многочисленных длинных жгутиков, выброшенных через межклеточный матрикс нервными клетками – нейронами. Мышление - словно сноп извилистых молний проносится по системе нейронов, но лишь часть из треков связана с обдумываемой в данный момент мыслью. Этот трек как-то фиксируется (запоминается). Ведь я могу вернуться к той же мысли много позже. Ясно, что фиксация возможна только материальными средствами – какими-то «молекулами памяти» вдоль соответствующей «траектории мысли».      

            Мозг человека составлен более чем ста миллиардами нейронов. Число аксонов и точек их пересечения - не поддается осмыслению. Возбуждение передается по этой нейронной сети с непостижимой скоростью и в нужном направлении! Для этого в каждой точке контакта аксонов происходит химическая реакция: миграция медиатора и ионов калия, смещение электронных облаков функциональных групп, конформационная подстройка участвующих белковых молекул, т.е. многостадийная окислительно-восстановительная реакция. Она не выделяет, а потребляет энергию. Ее в конечном счете приносит кислород крови. Если кровоснабжение мозга недостаточно, процесс нарушается, отключаются определенные функции организма, угасает разум. 

            Думаю, что именно в этот период человеку представляются разные отрывочные видения, но по личному опыту клинической смерти знаю, что в конце туннеля – безмолвная чернота. Процесс реанимации и возвращение сознания вновь сопровождаются чудесными видениями.

            Но мне важно, что мерцающее сознание, все равно, неразрывно связано с химическими процессами в клетках мозга, т.е. с бренной органической материей. Когда в конце пути жители подземелья и полчища микроорганизмов разберут мои великолепные органические конструкции на мельчайшие фрагменты и используют их для собственного процветания, мой разум, если он еще где-то будет витать, лишится своей материальной основы.     

         И что потом? Ноосфера?

            Может ли вообще что-либо существовать, не опираясь на соответствующие материальные системы? Поражаясь знаниям «Алисы» и быстродействию Интернета, я знаю, что где-то стоят мощные серверы и трудятся армии ИТ специалистов. В конце концов, этот чудный виртуальный мир не открыт, а создан нами! Но разум, интуиция? Материальная основа для них чудесным образом формируется в мозгу ребенка, но фантазия взрослого человека не ограничивается накопленными в детстве молекулами памяти! Опережая свой век, Циолковский создавал теорию межпланетных полетов! Какие неизведанные траектории выбирала его фантазия в нейронной сети его мозга? Что руководило его разумом? Его наследие понятно ученым. Оно бесценно. А теперь попробуйте отвлечься от бытовых забот и послушайте Шопена. Вы почувствуете его настроение, его душу. Как это? Он оставил лишь черные точки на нотной бумаге. Разве в них кроется душа? Ноты лишь маячки на пути к мыслям Шопена. А где они сами и почему они доступны нам через столетия? 

            Каждый взрослый человек – личность, великая или не очень. Мне кажется, личность складывается из того, что человек знает, умеет, помнит, что он создал в этой жизни, как общался с окружающими, и, главное, что он оставляет потомкам. Этот компонент не обязан быть заводом или пароходом, а может быть мелодией, идеей, мыслью, т.е. творением его разума, вкладом в нечто нематериальное. 

            Вернадский говорил о Ноосфере, созданной человечеством. Я так и не понял его идею. Мне она не кажется чем-то отличным от Высшего Разума, Бога, в конце концов. Присуща ли она только нашей планете или она бесконечна, как и сама вселенная? Как формируется ноосфера? Воспринимает ли она только великие идеи и положительный опыт человечества? Как отсекается все то зло и ненависть, которые временами переполняют нашу грешную землю? Чтобы не мучиться подобными вопросами, религии предлагают простой способ – верить Святым писаниям. Но для меня это слишком просто. Мне надо планировать, ставить эксперименты, а перед религией и теорией о ноосфере я чувствую себя беспомощным и бесполезным. Я как бы натыкаюсь на великую стену непознаваемого. Нет, как ученый, я не могу отучиться задавать себе бесконечную череду вопросов, мучительно искать на них ответы и испытывать величайшее удовлетворение, когда мне это удается. 

             Вот так, в конце жизненного пути я так и не сделал для себя выбора между двумя альтернативными пониманиями сущности жизни и версиями происхождениями Жизни - невероятной случайностью и непознаваемой закономерностью.