Текст книги "Заглянем в будущее"
Автор книги: Александр Китайгородский
Соавторы: Арон Кобринский,Натан Кобринский,Николай Семенов,Николай Петрович,В. Молярчук,Игорь Петрянов-Соколов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 16 страниц)
Магнитные свойства материалов характеризуют так называемой петлей гистерезиса, вид которой приведен в любом учебнике физики. Ученых, связанных с техникой, интересует как длина, так и ширина петли.
Варьируя их, они стремятся к двум целям. Чтобы, во-первых, в зазоре подковообразного магнита поле было как можно более однородным, то есть строго одинаковым во всех точках зазора. Во вторых, чтобы поле было сильным.
Нельзя сказать, что для достижения этих результатов еще имеются большие резервы. Исследователи уже близки к тому, чтобы выстроить параллельно магнитные «стрелочки» всех атомов сплавов кобальта, железа, никеля и марганца. И тогда будет получен предельно сильный постоянный магнит. Правда, есть одно «но». Теоретические расчеты показывают, что и в этом случае магнит будет не столь уж сильным. И чтобы усилить его, надо прибегнуть к электромагниту, то есть магниту с обмоткой, через которую идет ток.
Однако и постоянные магниты, пусть даже не очень сильные, нужны для разных областей техники. Достаточно напомнить, что качество микрофонов определяется качеством магнитов.
Все это довольно известные вещи; и поэтому стоит рассказать об одной линии действия науки, занимающейся улучшением качества магнитов, о которой читатель, возможно, не слыхал. Большие (многотонные) магниты высокого качества нужны для ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Что это за резонанс и зачем он нужен?
ЯМР – это мощный способ исследования структуры вещества. Если будет создан очень сильный и очень однородный магнит, то с помощью ЯМР удастся за какую-нибудь минуту узнать строение молекулы вещества и изобразить на экране, в какой последовательности связаны друг с другом ее атомы. Суть дела состоит в следующем.
У большинства атомных ядер (Я) имеется магнитный момент, то есть ядро ведет себя как магнитная стрелка (М). В зависимости от того, в каком окружении находится тот или иной атом, «магнитная стрелка» его ядра по-разному защищена от воздействия поля большого магнита, о котором идет речь. Это значит, что разные ядра находятся в отличающихся друг от друга собственных полях. Проведем мысленный эксперимент.
На исследуемое вещество, находящееся в зазоре магнита, наложим радиочастотное поле и начнем менять его частоту (сканировать – называют это действие). Все «магнитные стрелки» атомных ядер колеблются со своей собственной частотой, зависящей от того, в каком поле они находятся. А когда частота внешнего радиочастотного поля совпадает с собственной частотой ядра – стрелки, возникает резонансное (Р) поглощение. У каждого атома поглощение происходит при своей частоте. А она может быть зафиксирована приборами. Таким образом, зная изменение частоты внешнего поля, удается распознать все атомы.
Итак, хорошие сильные магниты – вещь полезная. Но, чтобы создать сильное магнитное поле, естественными магнитами не отделаешься. Нужны электромагниты, и притом со сверхпроводящей обмоткой.
* * *
Что такое сверхпроводимость, наверное, многие знают. Явление это открыто много десятилетий назад, но объяснить, почему при очень низких температурах электрический ток не испытывает никакого сопротивления в своем движении по проводу, удалось относительно недавно. При этом оказалось, что для создания теории не требуются новые принципы. Объяснение содержалось в законах квантовой механики, открытых, как известно, в 1926 году. Однако логическая дорожка, которая вела от генерал-закона к частному явлению сверхпроводимости, была покрыта густыми зарослями. Несмотря на то, что множество великолепных умов занимались ее поисками, удача открытия теории пришла более чем через тридцать лет. Американские физики Бардин и Купер, получившие Нобелевскую премию за создание теории сверхпроводимости, – люди высокоталантливые. Поэтому сказать, что им просто повезло, было бы несправедливо. Но нельзя забывать и того, что многие ученые (трудно, например, переоценить вклад, внесенный в проблему сверхпроводимости советскими физиками Л. Ландау, Н. Боголюбовым, В. Гинзбургом) подготовили почву, на которой выросла теория сверхпроводимости. Продолжая нашу аналогию со скрытой от глаз тропинкой, можно сказать, что исследователи, занимавшиеся проблемой сверхпроводимости до Бардина и Купера, обнаружили несколько несвязанных участков дорожки, а на долю будущих лауреатов выпало соединить эти отдельные участки в одну дорогу.
То обстоятельство, что создание теории явления оказалось таким сложным делом и потребовало труда целого поколения ученых, показывает, что объяснить его на страницах издания «Эврики» – вещь очень трудная. Кроме того, нельзя сказать, что теория завершена. Пока что она не способна дать инженерам конкретные рецепты, по которым они смогли бы добиться такого успеха, чтобы это свойство проявлялось при комнатной температуре.
Борьба за повышение температуры сверхпроводимости ведется неустанно. Рекорд, правда, сегодня невысок: пока еще минус 250 градусов. Таким образом, для использования сверхпроводимости на практике осталось сделать немало – повысить точку перехода в сверхпроводящее состояние, по крайней мере, на 300 градусов.
Ученые-теоретики усиленно заняты поисками систем, сверхпроводящих при комнатной температуре. Есть сырая идея о том, что такими системами могут быть «сандвичи» – вещества, состоящие из чередующихся молекулярных слоев диэлектрика и проводника.
Надо ли доказывать, сколь величественной является проблема поиска сверхпроводников, работающих при обычной температуре? Ведь какая будет получена огромная экономия при передаче энергии по проводам – ясно каждому!
Но стоит обратить внимание на другую вещь. Человечеству надоели выхлопные газы. Бензиновые и дизельные двигатели не доведут нас до добра. В Токио регулировщики уличного движения дежурят уже в противогазах. В больших городах в буквальном смысле слова нечем дышать. Неудивительно, что именно в Японии, плотно населенной и технически высокоразвитой стране, разрабатываются идеи магнитного транспорта, использующего даже существующие сверхпроводники, работающие только при температуре жидкого гелия. Японцы считают, что, несмотря на огромную дороговизну транспортной трубы-тоннеля, омываемого жидким гелием, за это дело стоит взяться. Каков же принцип действия «магнитного» транспорта?
Он хорошо известен. Помещенные на определенных расстояниях электромагниты «перебрасывают» небольшой вагончик друг к другу. Пройдя один магнит, вагончик по инерции и под действием тяжести устремится вперед и чуть вниз. Тут его подхватит второй магнит. Правда, движение будет происходить по слегка волнистой кривой, однако пассажиру это не причинит особых неудобств. Огромная скорость и практически отсутствие затрат энергии на движение окупят, по мнению японцев, расходы по поддержанию сверхнизкой температуры в минус 270 градусов.
Теперь ясно, что открытие сверхпроводников, работающих при обычных температурах, произвело бы революцию не только в технике электропередачи, но и на транспорте.
Сверхпроводимость – это еще в большой степени мечта. И, несмотря на то, что перспективы этой отрасли науки совершенно фантастичны, на развитии ее не сосредоточены такие силы, как на усовершенствовании полупроводников.
* * *
Создание новых полупроводящих материалов остается по-прежнему в центре внимания техники. Работы ведутся как в области улучшения свойств полупроводников типа кремния и германия, так и в области поисков поля у проводниковых сплавов типа арсенида галлия. Казалось бы, что делать исследователю с таким материалом, как кремний? Кремний – он кремний и есть!
Но оказывается, что полупроводниковые свойства чувствительны ко всему на свете. Мельчайшие дефекты, ничтожнейшие примеси могут существенно изменить свойства материала. Так что страницы научных и технических журналов остаются заполненными исследованиями, посвященными давно известным материалам.
Основной целью в поисках лучших полупроводников является миниатюризация. Радиоприемники и магнитофоны уменьшились на глазах даже самого юного нашего читателя. Уже находятся в продаже карманные электронные вычислительные машины, правда обладающие пока что небольшими возможностями.
По мере усовершенствования полупроводниковой техники ЭВМ появятся во всех библиотеках, а затем и во всех квартирах наряду с телевизором и холодильником. Кстати, о телевизорах. Работа в области создания крупных кристаллов полупроводников приведет к сверхплоским безвакуумным телевизорам, которые можно будет вешать на стене, как картину.
В недалеком будущем появятся индивидуальные радиостанции, позволяющие связаться с любым знакомым, где бы он ни был – в Индии или в Австралии. Осуществление этой задачи не за горами. За границей уже сейчас продаются «токи-воки» (talky-walky), что в переводе на русский язык означает примерно «гуляй-болтай». «Токи-воки» – это два маленьких передатчика-приемника, настроенных на одну волну. В лесу вы можете с приятелем искать грибы и не бояться потерять друг друга. А в ГУМе при наличии «токи-воки» вы будете знать, что ваша подруга находится в отделе готового платья в то время, когда вы выбираете себе подходящую удочку.
* * *
Мы живем в пору бурного научно-технического прогресса. Конечно, как справедливо было замечено в одном научно-фантастическом романе, «не всякий прогресс прогрессивен».
Страна, которая уверенно шествует к коммунистическому обществу, планирует научно-технический прогресс, отбрасывает в сторону то, что человеку не надо, подчиняет технику его интересам, памятуя, что главная цель коммунизма – это создание условий для полнокровной радостной жизни людей, населяющих планету.
Не надо об этом забывать, планируя деятельность в области создания новых материалов.
Как уже говорилось, современная физика может предсказать предельные свойства тел. Не может быть тела более прочного, чем бездефектный кристалл алмаза. Намагниченность определяется числом атомов в единице объема и будет максимальной в том случае, если «магнитные стрелки» всех атомов будут смотреть в одну сторону. Электрическое сопротивление проводника может быть практически доведено до нуля, если понизить температуру.
Наука не только указывает дороги, которыми надо следовать для достижения важных целей. Она помогает распознать и тупики. Можно привести примеры невозможного, противоречащего законам науки. Не будет создана тонкая нитка, с помощью которой можно было бы вытащить застрявший в грязи грузовик. Не будет изобретена тончайшая ткань, предохраняющая тело от холода…
Итак, природа сама ставит пределы возможного и невозможного, но они нисколько не мешают нам создавать великолепно устраивающий нас мир. Так что нет причин огорчаться этим пределам. А если будут найдены новые атомы? – спросит читатель, не признающий пределы дерзания человеческой мысли.
Не получается. Таблица Менделеева заполнена, и все стабильные атомы с временами жизни, достаточными для того, чтобы их использовать в производстве, уже открыты. Появление нового стабильного атома означало бы крушение закона Менделеева и уравнений квантовой механики. Такого не будет.
Но ведь будут найдены новые молекулы?!
Без сомнения, и тут читатель имеет право фантазировать безудержно. В его распоряжении вся сотня атомов таблицы Менделеева, и никто не вправе поставить под сомнение возможность получения самой удивительной атомной конструкции.
А как же законы валентности?
Действительно, как правило, те простые законы валентности, которые все мы изучали в школе, работают безотказно. Углерод может быть сцеплен с двумя, тремя и четырьмя атомами; кислород – с одним или двумя; водород – только с одним атомом и т. д. Но в последние годы химики синтезировали огромное число занятнейших «уродов», которые напоминают нам, что правила валентности весьма условны. Молекула может быть построена как угодно, лишь бы образующие ее электроны и ядра заняли такую конфигурацию, которая соответствует достаточно глубокой ложбинке на склоне горы (прошу вернуться назад и прочитать еще раз метаспортивное отступление).
Химики были совершенно ошарашены открытием ферроцена. Оказалось, что валентные черточки можно проводить не только от атома к атому, но от «центра» одной группы атомов к «центру» другой группы атомов.
Большим событием было открытие семейства молекул, части которых скреплены без участия валентных связей. Эти молекулы носят название катенанов, и они в точности напоминают обыкновенную цепочку: колечки из валентносвязанных атомов продеты друг в друга. Наверное, в дальнейшем на этом же принципе будут созданы двухмерные и трехмерные сетки.
Пока что эти вещества получены в субмикроскопических количествах, и кольца построены из атомов углерода. Но в принципе возможны катенаны, содержащие атомы азота, кислорода, серы, фосфора… Если бы удалось решить задачу создания таких материалов в промышленном масштабе, то мы получили бы в свое распоряжение ткани любых цветов, обладающие предельной крепостью и совершенной гибкостью; ткани, которые абсолютно не мнутся и которые невозможно порвать. Как видите, есть о чем мечтать, не изменяя законам природы.
Сенсацией явилось получение соединений благородных газов. По правилам валентности им не полагалось бы образовывать какие-либо вещества. Поскольку по таблице Менделеева эти атомы (аргон, неон) обладают нулевой валентностью, они не должны вступать в связь с атомами другого сорта. По этой причине их и называют благородными, или инертными.
В соответствии со сказанным можно придумывать молекулы, в которых углерод выступает как бы пятивалентным, фосфор – восьмивалентным, а сера соединяется с тремя соседями. Законам природы это не противоречит. А правилам валентности?..
Ну что ж, простимся с ними, как со строгими законами, но не лишим их нашего превеликого уважения, так как все же подавляющее большинство химических соединений подчиняется этим правилам с полной покорностью.
– Ага, – восторжествует наш оппонент, – значит, будут новые, построенные самым неожиданным образом молекулы! Почему же нельзя допустить создание веществ со свойствами, выходящими за рамки сегодняшней фантазии ученого-скептика?
По той причине, что, как бы причудливо ни были бы построены новые молекулы, силы взаимодействия между ними будут подчиняться известным нам законам. А свойства материалов – суть следствия межмолекулярных и межатомных сил. Так что никакие атомные конструкции не приведут нас к кевориту и к излучателям телепатических «пси»-лучей.
Но не надо расстраиваться. Синтез новых молекул принесет нам немало замечательных открытий, ничуть не менее романтических, чем полюбившаяся многим журналистам антигравитационная материя.
– Это вы просто хотите подсахарить пилюлю, – хмуро заявляет оппонент. – Сами же только что сказали, что законы взаимодействия атомов не изменить.
Сказал. Некоторая доля скепсиса небесполезна. Нет сомнения в том, что будут получены очень нужные человечеству новые вещества. Но в то же время, зная предельные свойства веществ, нужно направлять деятельность синтетиков (так называют ученых, изготовляющих новые вещества) в определенное русло, нужно планировать науку.
Число уже синтезированных веществ исчисляется миллионами. Продолжать эту работу можно до бесконечности. Но нельзя закрывать глаза и на то, что большую часть новых веществ, полученных химиками, можно вместить в крошечные пробирки, и они мирно покоятся на полках шкафов.
Без сомнения, кончилось то время, когда всякий новый синтез был интересен по той причине, что он открывал новые закономерности связывания атомов. Открытие ферроцена, о котором только что шла речь, практического значения не имело и скорее всего иметь не будет. Однако важно было узнать, что валентные черточки могут соединять не только атомы, но и группы атомов. Эти сведения пригодятся тому химику, который примется за новый синтез, преследуя определенную практическую цель.
Поговорим теперь о синтезе макромолекул.
* * *
Макромолекулы – это, попросту говоря, большие молекулы. Не станем обсуждать, начиная с какого числа атомов молекулу надо назвать большой. Это так же бесполезно, как назвать число волос на голове, отделяющее лысых дядей от молодых людей с богатой шевелюрой. Во всяком случае, когда число атомов начинает измеряться тысячами, говорят о макромолекулах. Самые большие макромолекулы могут достигать размера сотых долей микрона (в мире атомов это Хеопсовы пирамиды).
Законы логики и в этом случае могут быть положены в основу вывода о создании всех возможных макромолекул. Большие молекулы могут быть построены из одинаковых кусочков и из разных. Отдельные звенья могут образовывать линейные последовательности, двухмерные сетки, а также трехмерные каркасы. Труднее придумать невозможную комбинацию, чем предложить невероятную, которую нельзя было бы осуществить на опыте.
Макромолекулы существуют в природе, кроме того, их изготовляют в лабораториях и на фабриках. Уже давно химики знали, что молекулы целлюлозы, каучука, белков состоят из многих тысяч атомов. И так же давно искусственные макромолекулы считались «грязью» – отходами, которые полагалось выплескивать в раковину. Но в 40-х годах положение дел изменилось. На сцену вышли нейлон, капрон, полиэтилен и другие синтетические полимеры.
Всякая полимерная молекула является макромолекулой, но не всякая макромолекула является полимерной. Приставка «поли», означающая «много», говорит сама за себя. Полимерными называют такие молекулы, которые построены из повторяющихся единиц. Нитка с нанизанными одинаковыми бусинками – вот подходящий зрительный образ для молекул вроде нейлона.
Долгое время синтез полимерных молекул заключался в создании таких условий, при которых одна бусинка присоединялась к другой любым способом. В каком смысле – любым?
Представьте себе, что бусинка не круглая, а овальная. Тогда можно собрать цепочку из бусинок, надетых на нитку в одинаковых положениях (скажем, все бусинки нанизаны длинной осью вдоль нити или, напротив, все – поперек). Так вот, на первых порах нанизывание бусинок происходило по закону случая (одна вдоль, другая поперек, третья под углом к оси молекулы). Однако затем был открыт способ получения упорядоченных молекул. Благодаря этому резко улучшились механические свойства синтетических материалов (чулки стали рваться пореже).
Стремление к упорядоченному программированному автоматическому синтезу длинных молекул является, как мне кажется, основной тенденцией химии больших молекул. В идеале синтез нужных макромолекул (нужного нового вещества) мог бы выглядеть так. В котел бросают частички А, Б, В, Г… Составляется программа построения нужных молекул, допустим, АВ АВГ. БАВГАБВАГВАГАГАБВА… Включается установка, и… синтез идет сам по себе. Лавры Артура Кларка, безудержного фантазера, меня не волнуют, и я остерегусь называть год и даже десятилетие, когда такой план действия станет реальностью. Но думаю, что это будет довольно скоро.
Нетрудно сообразить, что число новых молекул, которые можно создать, практически равно бесконечности. Может быть, когда-либо конструкцию новых молекул будут рассматривать как нечто вроде игры в шахматы. Скажем, выигрывает тот, кто составит более прочную молекулу, состоящую из одного «короля», одного «ферзя» и восьми «пешек»…
Но не стоит, наверное, считать, что человечество будет без конца придумывать все новые и новые вещества. Синтез макромолекул будет проводиться до тех пор, пока в этом будет иметься практический смысл. И все же надо заметить, что ждать каких-либо грандиозных событий в области производства синтетических тканей, видимо, не приходится. Конечно, чулки, джемперы и брюки из перлона, дакрона, кримплена каждый год становятся несколько лучше. Но прогресс не столь значителен, как хотелось бы, и, что самое интересное, все же хлопок, шелк и шерсть остаются вне конкуренции. Однако, пожалуй, не в этом будущее макромолекулярной химии. Тогда в чем же? В совершенствовании технических приемов?
Без сомнения, еще масса дела у технологов, озабоченных получением различных масел, присадок, покрытий, заменителей, металлов. И все же я сомневаюсь в том, что на этой дороге нас ждут революционные открытия. Да и, честно говоря, разве столь уж велика нужда в новых тканях, новых строительных материалах? Если как следует призадуматься, то придешь к заключению, что наука и техника дали человечеству все материалы, которые требуются ему для комфортабельной и интересной жизни.
Но есть одна область науки, которая находится еще в младенческом состоянии. Имеется в виду биология.
В то же время доказывать, что понимание биологических закономерностей позарез нужно людям, – значит ломиться в открытую дверь. Поэтому мне кажется, что будущее макромолекулярной химии в служении биологии. Человечество вплотную подошло к производству живого. Дело «за небольшим» – надо научиться изготовлять кирпичи, из которых построено живое. А оно построено из макромолекул.
Но прежде чем приступить к решению этой важнейшей и увлекательной проблемы, надо изучить, как работает фабрика жизни. Только тогда нам станут ясны те задачи, которые стоят перед химией больших молекул. Только тогда мы сможем прогнозировать создание новых веществ.
* * *
Можно ли методами химического синтеза создать живой организм?
Всего лишь несколько десятков лет назад даже постановка такого вопроса казалась святотатственной. Опытное же доказательство того, что жизнедеятельность есть сумма химических процессов, является важнейшим подтверждением основной идеи диалектического материализма, утверждающего единство мира.
Доказательства, о которых идет речь, получены в последние годы. Они революционизировали мышление людей, в том числе и тех, кто вроде бы нехотя «в принципе» соглашался, что живая материя состоит из тех же электронов и атомов, из которых состоят железные балки и каменные колонны. Это и понятно. Одно дело – некий абстрактный принцип, с которым ты миришься в полной уверенности, что реализация его практически невозможна. И совсем иначе начинаешь мыслить, когда узнаёшь механизм химического производства живого организма и видишь пусть на самом элементарном примере, что принцип работает.
История науки свидетельствует: если удалось осуществить какое-то явление хоть в самом незначительном масштабе, если продемонстрирована справедливость закона природы для простейшего случая, то экстраполяция является наизаконнейшим приемом. Из слабо мерцающей лампочки с угольной нитью рождаются лампы ярче солнца. Детская игрушка, состоящая из двух слабеньких магнитных полюсов и вращающейся между ними проволочной рамки, приводит к электрификации мира. От крошечного лабораторного экрана, светящегося под действием радиоактивных частиц, недолгим оказывается путь к высвобождению энергии, запрятанной в недрах атомов…
Поэтому нет сомнения в том, что первые удачные опыты по синтезу ДНК (мы расшифруем эти буквы чуть ниже), проведенные в 60-х годах, открыли дорогу к синтезу живой материи химическими методами.
Если еще каких-нибудь двадцать лет назад даже среди хороших биологов можно было найти таких, которые считали, что существуют «особые законы», справедливые только для живого, и возводили непреодолимую стену между живым и неживым, то теперь, мне кажется, трудно найти ученого, который не верил бы в возможность синтеза живой клетки.
Уверенность в том, что создание «фабрики живого» не является предметом, достойным внимания одних лишь авторов фантастических романов, основана прежде всего на достаточно ясном понимании механизма передачи наследственности и схемы производства белковых молекул-кирпичей, из которых строится живой организм. История этого достижения разыгралась на глазах одного поколения.
Классический период развития генетики, когда ген рассматривался как некая формальная, абстрактная и неделимая единица, закончился всего лишь лет тридцать назад. Результаты опытов по скрещиванию различных пород животных и сортов растений, находящиеся в превосходном согласии с законами, установленными Грегором Менделем в 1865 году, не позволяли грамотному и объективному исследователю сомневаться в существовании некоего носителя наследственности. Разумеется, большое число биологов задумывалось над тем, что же такое ген. Многие из них понимали, что надо перекинуть мост через овраг, разделяющий генетику и химию.
В конце 30-х годов удалось показать, что имеется прямая связь между цветом глаз мутантных разновидностей мушки дрозофилы и биохимическим синтезом пигмента, обеспечивающего мушкам цвет их очей. Поскольку этот биохимический синтез направлялся и контролировался определенной молекулой белка (такие «контролеры» называются энзимами), то отсюда был сделан вывод, что мутация, то есть изменение гена, влечет за собой потерю способности образовывать соответствующий энзим.
С каждым годом становилась все яснее важность этого направления исследований. Мушки дрозофилы оказались чересчур сложным объектом, и биохимики стали прослеживать идею связи генной структуры с синтезом вещества, который выполняет живая фабрика, на микроорганизмах.
В 40-х годах теория «один ген – один энзим» получила достаточно широкое признание. Сущность ее сводилась к следующему. Что бы там ни представляли собой пока что таинственные гены, но ответственность каждого из них за тот или иной наследственный признак (цвет глаз, форму крыльев и т. д.) однозначно связана с его химической функцией производства молекул белка.
Таким образом, выходило, что гены имеют исключительно узкую специализацию: каждый из них производит одну огромную молекулу – молекулу белка, которая, в свою очередь, выполняет строго определенную задачу, а именно: контролирует и направляет в нужную сторону биохимическую реакцию.
Изящная гипотеза, не правда ли? Четкая и основанная на представлении о единстве природы. В ядре клетки имеются гены, каждый ген есть машина по производству молекулы белка, а молекула белка является контролером и управителем одной из химических реакций, необходимых для роста организма и его нормальной жизнедеятельности. Но как все это происходит? Каким образом ген производит молекулы белков? И, в конце концов, что же такое ген?
Неясностей было очень много. Скептики полагали, что химическая интерпретация биологических процессов если вообще и возможна, то, во всяком случае, является делом далекого будущего.
Основания для такого отношения были весьма солидны. Что значит дать химическую интерпретацию биологических явлений? Ответ ясен: надо подробно описать атомно-молекулярный механизм производства молекулы белка геном. Для этого, в свою очередь, нужно знать, как устроен ген, требуется также заиметь данные о структуре молекулы белка. То есть получить сведения о деталях конструкций, состоящих из десятков тысяч атомов; установить, как эти атомы скреплены между собой, в какой последовательности расположены, какую форму образует цепь атомов, связанных валентными силами! Но разве возможно решить задачу такой сложности? В конце 40-х годов лишь слабо мерещился путь к ее решению. И только несколько зорких людей отправились за синей птицей.
Прошло всего лишь двадцать лет с той поры. За это время относительно небольшая армия исследователей – физиков и биохимиков совершила научный подвиг, который сравнивают с открытием Ч. Дарвином теории эволюции. Установлена структура гена; определено атомное строение нескольких десятков белковых молекул; выяснен механизм передачи наследственных признаков; стало известно, каким образом гены производят молекулы белков; на языке атомов интерпретированы мутации; осуществлено вмешательство в биохимический синтез и, наконец, намечены пути синтеза живого вещества. И это за двадцать лет! За каких-нибудь двадцать лет! Если темп развития наших знаний в области молекулярной биологии останется тем же – а скорее всего так оно и будет, – то выращивание живых организмов в колбах и поправка генных дефектов (то есть неселекционное управление наследственностью) станет реальностью на рубеже XX и XXI веков!
Многие биологи полагают, что романтический период в молекулярной генетике уже закончился. Принципы этой науки установлены, остается труд. Работа предстоит огромная – нужно выяснить механизм множества процессов, протекающих в живом организме, определить структуру тысяч биологических макромолекул…
Последний термин приобрел права гражданства лишь в начале 50-х годов, но возник он значительно раньше.
Д. Берналл и В. Астбюри – ученики отца и сына Бреггов, открывших рентгеноструктурный анализ (основной метод изучения структуры вещества), – были, вероятно, первыми исследователями, предпринявшими в 20-х и 30-х годах попытки определить пространственное расположение атомов в структурах нуклеиновых кислот и белков. Они предполагали, что только на этом пути будут найдены разгадки функционирования живого организма, и выразили уверенность в принципиальной возможности интерпретации биологических фактов на молекулярном уровне. И оказались правы.
Перешагнем через несколько десятилетий и в телеграфной форме сообщим читателю, как говорится, положение на сегодняшний день. Начать надо со структуры белковых молекул.
Уже давно известно, что молекулы белка представляют собой цепи, построенные из 20 различных «кирпичей» – аминокислот. Не станем приводить их названия, хотя некоторые из них, например метионин или глутамин, знакомы лицам, вынужденным прибегать к услугам аптек. Аминокислоты связаны друг с другом одинаковыми «колечками» (химики называют эту связь пептидной). Так что найти структуру молекулы белка – это значит прежде всего определить порядок следования аминокислот. Но это не все. Нужны сведения и о форме молекулы.
Сейчас этой нелегкой работой занято большое число лабораторий. Вероятно, биологам нужно знать структуру всех белков. Так что в некотором обозримом будущем на книжных полках библиотек будет стоять толстая книга, содержащая сведения о последовательностях аминокислот во всех белковых молекулах.
Важность этих сведений не подлежит сомнению. Достаточно одной или двух перестановок в следовании аминокислот, чтобы произошли коренные изменения в жизни организма. Врожденная болезнь или тяжелое уродство может быть следствием совершенно пустякового изменения в структуре того или иного белка.
Исключительно интересным является сопоставление структуры одних и тех же белков разных организмов. Сравнивая, скажем, последовательность аминокислот в молекулах гемоглобина человека, лошади, быка, комара, мы с изумлением убеждаемся, что различия эти совершенно незначительны. Небольшие перестановки в следовании аминокислот сопровождали эволюцию живых существ от низших к высшим. Изучая первичную структуру белковых молекул разных животных, можно безошибочно проследить пути эволюции.
