Теги: журнал журнал домашняя лаборатория
Год: 2023
Текст
ИНТЕРНЕТ-ЖУРНАЛ
^r
чяя
ДЕКАБРЬ 2023
\л}' *
ДОМАШНЯЯ
ЛАБОРАТОРИЯ
Научно-практический
и образовательный
интернет-журнал
Адрес редакции:
homelab@gmx.us
Статьи для журнала направ-
лять, указывая в теме пись-
ма «For journal».
Журнал содержит материалы
найденные в Интернет или
написанные для Интернет.
Журнал является полностью
некоммерческим. Никакие го-
норары авторам статей не
выплачиваются и никакие оп-
латы за рекламу не принима-
ются.
Явные рекламные объявления
не принимаются, но скрытая
реклама, содержащаяся в
статьях, допускается и даже
приветствуется.
Редакция занимается только
оформительской деятельно-
стью и никакой ответствен-
ности за содержание статей
не несет.
Статьи редактируются, но
орфография статей является
делом их авторов.
При использовании материа-
лов этого журнала, ссылка
на него не является обяза-
тельной, но желательной.
Никакие претензии за не-
вольный ущерб авторам, за-
имствованных в Интернет
статей и произведений, не
принимаются. Произведенный
ущерб считается компенсиро-
ванным рекламой авторов и
их произведений.
По всем спорным вопросам следу-
ет обращаться лично в соответ-
ствующие учреждения провинции
Свободное государство (ЮАР).
При себе иметь, заверенные ме-
стным нотариусом, копии всех
необходимых документов на афри-
каанс, в том числе, свидетель-
ства о рождении, диплома об
образовании, справки с места
жительства, справки о здоровье
и справки об авторских правах
(в 2-х экземплярах).
Nft
ЩжШ П-П
- - ^
СОДЕРЖАНИЕ
Виток спирали
Начала органической химии
Электрохимический синтез хлората калия
Некоторые методы органической химии
Симмер для лазера
Два секундомера
Ветрогенератор
Солнечная батарея
Стеклодувная мастерская (продолжение)
Работа с листовым стеклом
Декабрь 2023
История
Ликбез
105
Химичка
138
146
Электроника
161
1бб
Техника
173
184
Технологии
191
205
Лаборатория
Химлаборатория инструментального анализа 221
Химлаборатория инструментального анализа (прод.) 243
Микробиологическая лаборатория 257
От атомов к древу
Водоворот
Мышление
267
Литпортал
370
НА ОБЛОЖКЕ
Рисунок к публикации «От атомов к древу».
История
ВИТОК СПИРАЛИ
Рич В.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. УТВЕРЖДЕНИЕ
ГЛАВА
ПЕРВАЯ
Тайна
Джеймса
Прайса
Это случилось почти двести лет тому назад, весной 1782 года. Началось все с
того, что молодой, но уже известный английский ученый, член Лондонского коро-
левского общества Джеймс Прайс собрался жениться.
И вот однажды вместе со своей невестой он поехал в только что купленный
дом, в котором они должны были поселиться после свадьбы. Этот дом принадлежал
раньше доктору Айришу, про смерть которого ходили темные слухи. Старик жил в
полном одиночестве, занимался какими-то таинственными опытами, чуть ли не
весь дом превратил в лабораторию и, в конце концов, был найден мертвым среди
своих реторт и перегонных кубов.
Вполне понятен интерес, с которым Прайс разглядывал доставшееся ему имуще-
ство доктора Айриша. Вполне понятно и то, что более всего заинтересовало
Прайса содержимое письменного стола. Он стал рыться в ящиках и вскоре уже
держал в руках пожелтевшую от времени рукопись.
Большой медной булавкой к последней странице рукописи был приколот конверт,
запечатанный сургучной печатью.
Прайс сломал сургуч и вытряхнул из конверта его содержимое — ярко-красный
порошок.
Тогда он заглянул в рукопись и прочел ее заглавие: «Как я нашел секрет все-
могущества» .
«6 сентября 1753 года, вечером, — сообщал доктор Айриш, — пришел ко мне не-
знакомый человек. Он произвел на меня хорошее впечатление. После приятной бе-
седы он спросил меня, видел ли я когда-нибудь философский камень и знаю ли
вещество, из которого он состоит. Когда я ответил, что ни разу не видел, не-
знакомец достал шкатулку из черного дерева и раскрыл ее. В шкатулке лежали
четыре больших куска вещества, похожего на красное, как рубин, стекло. Я уго-
ворил незнакомца дать мне немного этого драгоценного вещества. Затем он поки-
нул мой дом, и никогда более я его не встречал...»
Далее шло описание опытов с философским камнем.
Позабыв о невесте, Джеймс Прайс лихорадочно глотал строчку за строчкой,
страницу за страницей.
«Вылил настойку в воск... шесть драхм ртути... шипящий звук... газы... через пятна-
дцать минут ртуть превратилась в чистое золото... Я стал богат... настойка кончи-
лась... построил лабораторию... попытки... еще попытки... Удача, настойка получена! . .
Но слишком дорогой ценой... жизнь моя в опасности... слишком стар, чтобы продол-
жать...»
На этом рукопись обрывалась.
— Прости, дорогая, — сказал Джеймс Прайс, — еще пятнадцать минут. Надо про-
верить !
Он насыпал в тигель немного порошка и ринулся в соседнюю комнату, к печке.
Прошло пятнадцать минут и еще пятнадцать минут.
Невеста обиделась и уехала.
Никто не знает, когда Прайс закончил опыт. Но когда это произошло, в дымя-
щемся тигле, который он держал щипцами, сверкала золотая лужица драгоценного
металла.
...Джеймс Прайс так и не помирился со своей невестой. Целый год он жил один в
доме доктора Айриша и делал золото.
Потом он стал демонстрировать свое искусство соседям.
Потом к нему стали наведываться ученые коллеги из Лондона, и он делал свои
опыты при них и даже давал им свой порошок, и у них тоже получалось золото.
Наконец, слухи об этом дошли до самого английского короля, и Прайс предстал
пред его величеством Георгом Третьим.
Король весьма одобрил замечательное искусство своего подданного. И после
того как самые опытные химики королевства подтвердили, что самодельное золото
Прайса ровно ничем не отличается от хранимого в подвалах Британского казна-
чейства, алхимику было предписано изложить ученым коллегам сущность великого
открытия и передать Королевскому обществу запас красного порошка.
Но шли месяцы, а Джеймс Прайс не торопился исполнить эти требования.
В августе 1783 года к нему были направлены двое ученых мужей — сэр Филипп
Кларк и доктор Спэнс с ультиматумом: порошок или суд.
— Порошок! — сказал Прайс. И отправился в лабораторию.
Через три часа его нашли мертвым. Он лежал на полу, рядом с ним валялся пу-
зырек из-под синильной кислоты.
Два
рецепта
Рукопись старого доктора Айриша, которую нашел Джеймс Прайс, до нас не дош-
ла. Может быть, она сгорела во время одного из многочисленных в те времена
пожаров. А может быть, была запрятана так, что ее не смогли найти, и давным-
давно истлела в каком-нибудь тайнике.
Но кое-какие рецепты алхимиков сохранились. Их можно отыскать в старинных
рукописях, бережно хранимых в библиотеках по сей день.
Например, вот такой:
ИЗУМРУДНАЯ ТАБЛИЦА ГЕРМИЯ ТРИЖДЫ ВЕЛИЧАЙШЕГО
Это верно, без обмана, истинно и справедливо! То, что внизу, как то, что
вверху, и то, что вверху, как то, что внизу, для того чтобы совершать чудеса
одного и того же. И подобно тому, как все предметы произошли из одного по
мысли одного, так все они произошли из этого вещества путем его применения.
Его отец Солнце, его мать Луна, ветер носил его, земля его кормила. Оно отец
всякого совершенства во Вселенной. Его могущество безгранично на Земле. Отде-
ли землю от огня, гонкое от грубого, осторожно, с большим искусством. Это ве-
щество поднимется от земли к небу и тотчас снова низойдет на землю. Оно набе-
рет силу верхних и нижних вещей. И ты получишь славу мира, и всякий мрак уда-
лится от тебя... Я сказал все о деле солнца.
Солнцем в старину именовали золото. «Сол» и «зол» — корни одного происхож-
дения . Древние римляне золото называли «аурум» от «Аврора» — «заря». Так что
«дело солнца» — это безусловно «изготовление золота».
Но в остальном этот рецепт совершенно невразумителен. Впрочем, были и более
ясные рецепты. Один из них приписывают некоему Иоанну Исааку Голланду, будто
бы жившему в XV веке.
СЕ РЕЦЕПТ
Найденный в сундуке, замазанном в стене, был продан за великие деньги, из-
ведан самим делом на опыте и от искусных в алхимии одобрен, что и по делу
оказывается. Того ради остерегайтесь открывать толикой важности секрет жадным
и надменным людям, таково же и тем, кои не суть дети философии. Итак, начнем.
Возьми во имя господа Иисуса Христа столько золота, сколько тебе угодно. Сде-
лай амальгаму из одной части ртути, куда положи и золото, и дай ртути выку-
риться на малом жару. Потом нагревай его двадцать суток. Изотри мелко, после
налей хорошего уксусу на четыре пальца сверх материи, замажь горлышко и по-
ставь в теплую золу на двое суток, по прошествии коих уксус получит от золота
красный цвет. Потом нагревай снять по-прежнему девять суток, уменьшая число
дней нагревания и сливая завсегда крашеный уксус вместе. И сие продолжай де-
лать до тех пор, пока все твое золото распустится и останется на дне один се-
рый порошок, который ни к чему не годится. Растворенное дистиллируй, то и
найдешь твою соль на дне. Нагревай после двенадцать часов, как сне в рецепте
писано, потом растворяй золото в спирте, дай устояться и оставшееся на дне от
растворения нагревай трое суток, поступая так, как писано об уксусе. Когда
все золото в спирте распустилось, то на дне найдешь прекрасную соль, которая
тотчас растворяется подобно нашатырю. Возьми сей соли одну часть и четыре
части ртути, обложи их горячими угольями, то по прошествии получаса найдешь
твою ртуть кальцинировавшейся в порошок. Теперь возьми сей порошок ртути и
нагревай трое суток, потом изотри и раствори в, уксусе. Нагревай вторично,
раствори в спирте и бери опять на одну его часть четыре, поступая все по-
прежнему. Наконец, растопивши одну часть сего порошка, брось на четыре части
ртути, то превратится в хорошее золото и серебро. И так по сему к поступайте.
Аминь.
«Собрание различных достоверных химических книг, а именно Иоанна Исаака
Голланда Рука Философов, о Сатурио, о растениях, минералах, кабале и о Камне
Философском» вышло и русском переводе всего через четыре года после смерти
Джеймса Прайса — в 1787 году. Вера и подобные рецепты иссякла к тому времени
уже почти совсем. Джеймс Прайс, по всей вероятности, был одним из последних
ученых, принимавших их всерьез и не понимавших, что золото, которое они полу-
чали из разных, порошков, в этих порошках уже было.
Но времена, корда возможность превращения одних металлов в другие ни у кого
сомнений не вызывала, еще не были забыты...
ГЛАВА
ВТОРАЯ
Недопечённое олово,
недоваренный свинец
В одну из глухих ночей 1263 года к затерянному в лесах Северной Франции мо-
настырю, как и все тогдашние монастыри более похожему на крепость, чем на
святую обитель, подъехала закрытая повозка в сопровождении четверых всадни-
ков .
Заскрипели блоки, загремела цепь, опуская тяжелый дубовый мост, распахну-
лись окованные железными листами ворота. Повозка и всадники промчались по
мосту и скрылись за кирпичной зубчатой стеной.
Закрылись железные ворота. Снова заскрипели блоки и загремела цепь. Мост
поднялся. Глубокий, полный гнилой воды ров и высокая глухая стена надежно от-
резали повозку и всадников от всего остального мира.
А через несколько минут, придвинув поближе к свече пергаментный свиток,
отец настоятель, шевеля губами, читал послание его преосвященства Иеронима —
генерала Ордена святого Франциска Асизского.
«Сей брат Роджер, — говорилось в послании, — должен жить в полном уединении
от мира и в разлуке с друзьями. У него есть ученики, обращающиеся к нему за
советом. Пусть он станет ничем для них. Он должен быть заключен в тюрьме на
хлебе и воде и следует конфисковать всякую рукопись, какую ом вздумает куда-
либо отправить...»
Наутро сытые кони вынесли из монастыря всадников и повозку. Но тот, кто но-
чью находился в повозке, и о ком шла речь в послании главы Ордена, остался в
каменном мешке.
Полное имя узника было Роджер Бэкон. Но современникам он был известен более
как Доктор Мирабилис — Внушающий Удивление.
Да и как мог не внушать удивления окружающим странный монах, который первым
в Европе выдумал порох! А еще — объяснил причину радуги. А еще — изобрел очки
и телескоп. А еще — уверял, что между Европой и Индией простирается океан —
это за 250 лет до Колумба! А еще — утверждал, что человек ничего не должен
принимать на веру, а до всего обязан доходить своим умом и стараться все на
свете проверять опытом. О человеческом разуме Доктор Мирабилис был такого вы-
сокого мнения, что утверждал: «Можно сделать корабли, идущие без гребцов. И
быстрые колесницы без коней. И летательные аппараты. И такие устройства, что-
бы ходить безопасно по дну моря и рек...»
Простой народ удивлялся. А святых отцов все пуще охватывал великий гнев.
Брат Роджер подрывал веру! Это следовало пресечь.
И пресекли.
Многие годы провел Роджер Никон в монастырской темнице, отрезанный от сво-
ей, превращенной в лабораторию, кельи, от учеников, от книг, от возможности
наблюдать природу и ставить опыты.
Лишь связка гусиных перьев, да наполненная до края свинцовая чернильница,
да желтые листы пергамента были его друзьями. Но они же были и его предателя-
ми. Недаром ведь отец настоятель тратился на эти принадлежности. Недаром его
преосвященство строго наказывал не выпускать из рук Ордена исписанные узником
страницы. Они ждали, что на этих страницах будут раскрыты тайны алхимии, и
золото, сотворенное по рецептам Доктора Мирабилиса, наполнит хранилища Вати-
кана.
Роджер Бэкон.
С великими предосторожностями, под надежной охраной, все, написанное братом
Роджером, доставляли самому римскому папе. И римский папа Климент Четвертый
читал:
«Я буду говорить здесь о происхождении металлов и об их естественных нача-
лах. Заметьте прежде всего, что начала металлов суть ртуть и сульфур. Эти два
начала породили все металлы. Природа всегда имеет целью достичь совершенства
— то есть золота. Но вследствие различных мешающих ей случайностей получаются
и другие металлы, как это ясно изложено многими философами. Золото есть тело
совершенное, составленное из чистой, блестящей, постоянной, окрашенной в
красный цвет ртути и из чистого, постоянного, окрашенного в красный цвет
сульфура. Серебро — тело почти совершенное, ему недостает только немного ве-
са, постоянства и цвета. А вот олово — тело несовершенное, оно немного недо-
печено и недожарено. Свинец же недостаточно проварен...»
Не надо думать, что Доктор Мирабилис намеренно запутывал своих тюремщиков.
Нет, он честно излагал то, что думал и знал. Лишенный возможности творить но-
вое знание, он в своих сочинениях подводил итог тем знаниям, которые были на-
коплены его предшественниками. Недаром ссылался он на «многих философов». И
странные для нас слова Роджера Бэкона о недопеченном олове и недоваренном
свинце опирались на опыт предшествовавших ему поколений.
От четырь
состав
Лет за двести до того как в семье разорившегося рыцаря Бэкона из английско-
го графства Соммерсет родился мальчик Роджер, на другом конце Европы, в Кие-
ве, родился князь Святослав Ярославич.
Поскольку он не был первым сыном великого князя Ярослава Владимировича,
отец дал ему не Киев, а всего-навсего Чернигов. И пришлось Святославу сперва
вместе с первым братом Изяславом Киевским и вторым братом Всеволодом Переяс-
лавским отбирать Тьмутаракань у дяди Ростислава Владимировича и Полоцк у дру-
гого дяди — Всеслава. А потом воевать с половцами. А потом назначать в Новго-
род князем своего сына Глеба. И только тогда ему удалось — с помощью своего
второго брата Всеволода — изгнать из Киева своего первого брата Изяслава и
занять его место.
Удивительно, как, несмотря на все это, Святослав Ярославич успевал читать
книги, которые специально для него переписывай со старых греческих и болгар-
ских образцов.
Две книги из библиотеки Святослава дошли до наших дней. Они называются из-
борниками. В одном изборнике есть рисунок, изображающий Святослава и его се-
мью. Это один из немногих портретов древнерусских князей, сделанных с натуры
и дошедших до нас.
Святослав (крайний справа) с семьёй. Миниатюра из Изборника (1073).
Все содержание этого изборника было слово в слово списано с изборника, со-
ставленного для болгарского царя Симеона, а тот изборник, в свою очередь,
почти дословно повторял византийский оригинал. Так что сведения, которые Свя-
тослав мог почерпнуть в этой книге, были общепринятыми в тогдашнем культурном
мире.
Ни о золоте, ни об олове и свинце в изборнике Святослава нет ничего. Но все
же кое-что, к нашему предмету относящееся, имеется. А именно: рассуждение о
том, из чего состоит человеческое тело.
Оказывается, наши предки считали так: «Тело человече от четырь состав соз-
дано, имать бо от огня теплоту, от въздуха же студеньство, от земля же сухо-
ту, от воды же мокроту». То есть человеческое тело состоит из четырех перво-
начальных основ — из огня, из воздуха, из земли, из воды. А видно это из то-
го, что оно обладает свойствами теплоты, холода, сухости, влажности. Теплота
же, каждому ясно, может быть только от огня, холод — от воздуха, сухость — от
земли, влажность — от воды.
Все логично! Чем еще можно согреть, если не огнем? Где охлаждается разгоря-
ченный лоб и щеки — на ветру, на воздухе. Как высушить непролазную дорогу —
насыпать песку. А связь влажности с водой так же очевидна, как теплоты — с
огнем.
Но почему именно «от четырь состав», а не от пяти, шести, семи или, напри-
мер, двенадцати?
В конце VII — начале VI века до новой эры жил в городе Милете древний грек
по имени Фалес. То ли потому, что город Милет расположен на берегу Средизем-
ного моря, а следовательно, главное занятие его жителей — рыболовство и море-
плавание, то ли по иным причинам, но Фалес Милетский утверждал, что весь мир,
все вещи и существа, решительно все состоит из воды. Несколько позже другой
грек — Анаксимен, живший в Афинах, заявил, что в основе всего заложен воздух.
Еще позже, в V веке до новой эры, Гераклит из Эфес нашел, что все сущее — из
огня. А его ученик Эмпедокл согласился со всеми тремя, но добавил к их трем
первоосновам еще и четвертую — землю. Так, судя по сочинениям европейских ис-
ториков науки, будто бы образовалось учение о четырех началах, четырех эле-
ментах, из которых сложены все тела.
Но вот что любопытно: совершенно самостоятельно и, пожалуй, еще раньше ев-
ропейцев до той же самой мысли о тех же самых четырех элементах додумались
древние индийцы и древние китайцы.
Вероятно, ничего иного и не могло произойти: все тела могут быть либо твер-
дыми, либо жидкими, либо газообразными. И со всеми этими тремя состояниями
человек столкнулся сразу же, как только стал осознавать окружающий его мир. И
естественно, что понятие о твердом веществе совпадало у него с землей — неда-
ром в древнейших сказаниях она именовалась твердью. И так же естественно, что
понятие о жидком веществе связывалось с водой, а о газообразном — с воздухом.
При этом человек неоднократно наблюдал, как твердое превращается в жидкое, —
соль растворяется в воде, воск тает. И как жидкое превращается в твердое —
вода в лед. И как газообразный пар выпадает в виде росы и дождя. И как испа-
ряется вода. И как многие превращения происходят с помощью огня.
Вот и получились, не могли не получиться, четыре первоначальных элемента:
твердая земля, жидкая вода, газообразный воздух и еще огонь, с помощью кото-
рого одно может превратиться в другое.
Но, конечно же, далеко не все, что видели вокруг себя древние греки или
древние индийцы, можно было объяснить с помощью четырех первоначальных эле-
ментов . У любознательных людей возникало множество вопросов, на которые нужно
было найти какой-то ответ.
Например: почему плавает рыба, если вода сплошная и в ней нет дыры величи-
ной с эту рыбу? Не может же одна рыба раздвинуть целый океан!
Или еще: берем полчаши соли и высыпаем в чашу воды. Куда делась соль, если
воды осталось столько же, сколько и было?
Или: как летают птицы, от чего отталкиваются их крылья?
И так до бесконечности... Если мир на самом деле таков, каким мы его видим,
то рыбы не могут плавать, соль растворяться, птицы летать.
Значит, мир не такой, каким мы его видим?
Три легенды
про яблоко
Трудно сказать — почему, но, несмотря на существование апельсинов, бананов,
ананасов, груш, персиков, манго и прочих самых разнообразных фруктов, больше
всего историй связано с яблоками.
Одна из них придумана была шумерами — древнейшими жителями Ирака: про пер-
вую женщину в мире, которая съела яблоко и стала сразу все на свете знать.
(Потом эта история попала в Библию.) Вторую историю про яблоко тоже слыхали
почти все: это о том, как великий английский ученый Исаак Ньютон сидел однаж-
ды в саду и смотрел на падающие яблоки, и вдруг открыл закон всемирного тяго-
тения .
Третья история почему-то известна меньше, чем первые две. В ней речь идет о
Демокрите, который жил две с половиной тысячи лет назад в Древней Греции, был
знаменитым ученым, много путешествовал по западу и востоку, постих1 мудрость
египтян и вавилонян и умер в своем родном городе Абдеры почти ста лет отроду.
Так вот, сидел будто бы однажды Демокрит на берегу моря в размышлял следую-
щим образом: если я разрежу яблоко пополам, то получатся две половинки. Если
я разрежу пополам половинку, то получатся две четвертушки. Если я разрежу по-
полам четвертушку, получатся две осьмушки. Но если я и дальше захочу резать
получающиеся дольки, то до каких пор я смогу это делать?
У Демокрита не было такого инструмента, который позволил бы провести необ-
ходимый эксперимент. И Демокриту пришлось немало поломать голову, пока он не
пришел к поразительному выводу, для которого, казалось бы, не имел никаких
фактических оснований. Он решил, что бесконечно делить яблоко нельзя, что на-
ступит момент, когда у него в руках останется такой кусочек яблока, который
нельзя будет разрезать. Демокрит обозначил его словом «неделимый» — по-
гречески это слово звучит так: «атомос».
Демокрит не сомневался, что точно так же, как яблоко, должны вести себя при
делении на части и все другие тела. Он говорил: «Начало вселенной — атомы и
пустота, все же остальное существует лишь во мнении... Атомы бесчисленны по ве-
личине и по множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким
образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что
последние — суть соединения некоторых атомов. Атомы же не поддаются никакому
воздействию и неизменяемы вследствие твердости».
И словно по волшебству, все мгновенно встало на свои места. Рыбы спокойно
раздвигали носом атомы моря. Соль занимала пустые промежутки между атомами
воды. Крылья птиц опирались на незаметные глазу атомы воздуха. И далее: атомы
земли покидали почву и переходили в траву и деревья, атомы воды покидали реку
и превращались в туман, атомы огня проникали в темный камень и превращали его
в блестящий металл...
Гениальная догадка Демокрита потрясла не только холодный разум мудрецов, но
и пылкое воображение поэтов. Живший в I веке до новой эры римлянин Тит Лукре-
ций Кар сочинил целую большую поэму «Де рерум натура» — «О природе вещей».
Он писал:
Из ничего даже волей богов ничего не творится.
Не пропадает бесследно ничто, но в своем разложеньи
Все возвращаются вещи на лоно материи снова...
...Запахи мы ощущаем от разных предметов,
Не замечая того, чтоб к ноздрям подступало что-либо —
Платья, затем, на морском берегу, разбивающем волны,
Влагу приемлют, на солнце же снова они высыхают.
Но каким образом влага воды в них проникла, а также
Как испарила ту влагу жара, невозможно увидеть.
Так на мельчайшие части свои распадается влага.
Их же никоим мы образом глазом не можем заметить.
Так же кольцо, что в течение долгих годов проходящих
Носишь на пальце ты, мало-помалу становится тоньше,
Капель паденье дырявит скалу, а сошник искривленный
Плуга железного тупится в пашне для глаз незаметно.
Мы замечаем, что улицы, камнем мощенные, часто
Стерты ногами толпы...
Поразительно, до чего просто объясняются загадочные явления, на которые так
часто натыкается взор человека!
Но Лукреций мысленным взором пытался проникнуть еще дальше:
...Через рог фонаря протекает свободно
Свет, но не дождь. Почему? Ибо света тела основные
Мельче, чем те, из каких состоит благодатная влага.
Наш современник, лауреат Нобелевской премии по физике 1969 рода Ричард
Фейнман сказал в одной из своих лекций:
«Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные
знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ пере-
шла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего
количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная
гипотеза: все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в
беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкивают-
ся, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе содержится
невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного
воображения и чуть соображения».
ГЛАВА
ТРЕТЬЯ
Магический
квадрат
Вряд ли древние люди, независимо от того, были то китайцы, индийцы, греки
или славяне, не понимали, что одна из четырех известных им сущностей — огонь
— не совсем то же самое, что остальные три — земли, вода, воздух. Разумеется,
они не впали еще, что огонь — просто-напросто раскаленные частицы любого ве-
щества, соединяющегося с кислородом, о котором они, естественно, тоже еще ни-
чего не знали. Но все же эти люди, наши далекие предки, не могли не почувст-
вовать отличия огни от всех остальных вещей. Они понимали, что если огонь и
вещество, то все же совершенно особенное. Ибо, обладай весьма явным свойством
— жаром, он как будто не обладает ничем иным, кроме самого этого свойства.
Пожалуй, во всем древнем мире трудно было бы отыскать человека, в большей
мере наделенного воображением и силой ума, чем живший примерно в те же време-
на , что и Демокрит, греческий философ Аристотель.
Он и попытался объяснить главное свойство огня.
Если главное свойство огня — теплота, думал Аристотель, то нельзя ли найти
некие главные свойства у других элементов — у воды, у земли, у воздуха?
Если дотронуться до пламени светильника, то сразу ощутишь теплоту и су-
хость . Если протянуть руку к земле — земля окажется тоже суха, но холодна.
Если к воде — пальцы ощутят тот же холод, но еще и влажность. А подняв руку в
воздух, легко убедиться, что он обладает влажностью и теплотой — во всяком
случае, в Средиземноморье, где жил Аристотель.
Итак: если главные свойства огня — это теплота и сухость, то главные свой-
ства земли — сухость и холод, воды — влажность и холод, воздуха — влажность и
теплота.
Разве не так отвечала природа на вопрос, заданный Аристотелем?
В ответе этом нетрудно было уловить диковинную особенность — одни и те же
свойства оказались у самых непохожих элементов: сухость — у огня и земли,
влажность — у воды и воздуха, холод — у земли и воды, теплота — у воздуха и
огня.
Но что скрывалось за этим?
Раз сухость есть и у огня и у земли, значит, — решил Аристотель, — она вхо-
дит в их состав точно так же, как влажность входит в состав воды и воздуха,
холод — в состав земли и воды, тепло — в состав воздуха и огня. То есть зем-
ля, вода, огонь и воздух вовсе не простые, первоначальные основы всех вещей,
а сложные, вторичные. Они сами образованы из тепла, холода, сухости и влажно-
сти, которые и есть четыре первоначальных элемента. Из них и состоит весь
мир.
Получалось очень просто и красиво. В этом Аристотель убедился окончательно,
когда попытался изобразить элементы в виде чертежа. Он начертил квадрат, на
одной вершине которого надписал «огонь», на второй «вода», на третьей «воз-
дух» , на четвертой «земля». А внутри этого квадрата начертил еще один квад-
рат, вершины которого касались середины сторон большого квадрата. И над вер-
шинами малого квадрата надписал другие четыре слова: «тепло», «холод», «су-
хость», «влажность». И теперь стало ясно видно: две внутренние вершины попар-
но обусловливают одну наружную.
Огонь
тепло / X сухость
у Земля
влажность \ / холод
Вода
Рисунок был так выразителен, что не увидеть в нем чертеж, по которому небо-
жители конструировали природу вещей, было очень трудно!
Вспомните: «тело человече от четырь состав создано, имать бо от огня тепло-
ту, от въздуха же студеньство...»
Не было ни одной алхимической рукописи, в которой не повторялся бы этот
чертежик великого грека.
Нарисованную им картину мира признавали правильной не только в древние вре-
мена, но и в средние века, вплоть до XV и XVI веков уже нашей, новой эры все
европейские народы.
Воспаленными от бессонницы и едких испарений глазами всматривались алхимики
в магический квадрат, стараясь угадать, в какой пропорции следует смешать
элементы, чтобы получить именно то, что им было нужно. Но на этот счет маги-
Воздух
ческий квадрат хранил молчание.
Правда, в сочинениях Аристотеля можно было найти упоминание о том, что кро-
ме четырех первоэлементов, в состав каждой вещи входит еще и какая-то квинта
эссенция — пятая сущность. По-видимому, без добавки этой сущности сами по се-
бе четыре элемента еще не могли составить никакого тела. И поэтому именно ее
и следовало отыскать в первую очередь.
В сочинениях разных алхимиков эту таинственную пятую сущность называли по-
разному: квинтэссенция, красный эликсир, эликсир жизни, камень мудрецов... Но
чаще всего ее называли философским камнем.
Поиски философского камня продолжались еще и тогда, когда Шекспир писал
«Гамлета», Магеллан плыл по Тихому океану, Галилей направлял на небо теле-
скоп...
Но конечно, не из-за философского камня повторялся магический квадрат в
книгах самых ученых людей на протяжении тысячелетий. Просто опыт тех времен
соответствовал этому квадрату. Изгоняли из рассола влажность, получали соле-
ную «землю». Добавляли влажность в соль, получали снова «воду». А при добав-
лении к влажности тепла получали пар — «воздух».
И еще — Аристотель понял: надо сосредоточить внимание на одинаковых свойст-
вах различных тел, чтобы разобраться в хаосе окружающих вас вещей и явлений.
А свойства — это то, что воздействует на наши ощущения, то, что мы можем уви-
деть , услышать, ощутить.
Одинаковое
в разном
Разумеется, в течение двух тысяч лет после Аристотеля люди занимались не
только тем, что разглядывали магический квадрат и думали о природе вещей. Они
пахали землю, пасли стада, строили жилища... И к сожалению, отнимали друг у
друга пашни, стада, жилища и все прочие плоды труда, для всего этого требова-
лись лопаты, топоры, мечи, копья. И надо было научиться выплавлять и обраба-
тывать металлы, изготовлять стекло и фарфор, находить лекарства. И делая все
это, человек постепенно разбирался в окружающем. И здесь надежным маяком ему
служил завет Аристотеля: искать одинаковое в разном.
Следующий после Аристотеля шах1 в познании природы вещей сделал замечатель-
ный арабский ученый, живший в VIII веке, — Джабир ибн-Хайян, именуемый в со-
чинениях европейских алхимиков Гебером.
Джабир ибн-Хайян обратил внимание на несколько веществ, которые были из-
вестны довольно давно, и во всяком случае упоминались уже в знаменитом труде
римлянина Плиния Старшего, погибшего в 79 году н. э. при извержении Везувия.
Труд Плиния назывался «Естественная история». А вещества именовались так: од-
но — аурум, другое — аргентум, третье — купрум, четвертое — феррум, пятое —
плюмбум пигрум, шестое — плюмбум альбум, седьмое — гидраргирум. Из аурума де-
лали драгоценные украшения и монеты. Из аргентума — то же самое, только поде-
шевле. Из сплава купрума с плюмбумом альбум получали твердую красивую бронзу.
Из феррума ковали оружие. Плюмбум нигрум шел на изготовление печатей и кро-
вель в богатых домах. Гидраргирум — аргентовая вода — употреблялся для рас-
творения остальных шести веществ.
У всех семи — совершенно разных по цвету, твердости, постоянству, то есть
способности оставаться неизменным в течение долгого времени, и по множеству
других свойств, — было три одинаковых свойства.
Первое — это особого рода блеск. Если отполировать лист из аурума или плюм-
бума альбум, то в нем можно было увидеть свое лицо.
Второе — пластичность. Если положить слиток из купрума или из феррума на
наковальню и ударять по нему молотом, то они, не разрываясь, расплющивались.
Из них можно было отковать нож или лемех.
Третье свойство было таким: если эти вещества попадали в огонь, то сначала
они превращались в жидкость, а потом постепенно теряли свой блеск, теряли
способность коваться и становились похожими на землю.
Именно это третье свойство не давало Джабир ибн-Хайяну покоя: с помощью ма-
гического квадрата объяснить его не удавалось никак.
В самом деле: к земле, состоящей, как известно, из сухости и холода, добав-
ляли огонь, состоящий из той же сухости я тепла, — и получали... воду, которая
должна состоять из холода и влажности. Немыслимо!
А потом к этой воде добавляли еще огня — и вместо того, чтобы превратиться
в воздух, она превращалась в землю. Еще немыслимей!
Что все это могло означать?
Если при встрече с огнем купрум теряет блеск и ковкость, то не значит ли
это, что блеск и ковкость представляют собой одну в притом важнейшую состав-
ную часть купрума? А другая его составная часть должна была в этом случае
поддаваться действию огня.
Так должен был рассуждать Джабир ибн-Хайян, пытаясь, как это делали и до
него, объяснить неизвестное через известное.
Европейский портрет XV века «Гебера».
Фалес из приморского города Милета, как вы помните, «сконструировал» все
вещи из воды. Эмпедокл взял еще воздух, землю и огонь. А Джабир ибн-Хайян
стал искать такую вещь, которая превосходила все прочие блеском и плавкостью.
И решил, что это аргентовая вода. Обладая прекрасным металлическим блеском,
она не нуждалась в плавлении, потому что и так была жидкой.
У гидраргирума — ртути — было ведь и еще одно замечательное свойство: она
могла растворить любой твердый металл — даже серебро, даже золото. А потом
снова выделить его. Ртуть рождала металлы!
И Джабир ибн-Хайян предположил, что гидраргирум — мать всех металлов, и
вознамерился найти отца — вещество, от которого зависит их, способность под-
вергаться воздействию огня.
Поиски шли, очевидно, по тому же пути. Какое известное тело полнее всего
поддается действию огня? Масло? Но после него остается копоть. Дерево? Но по-
сле него остается зола.
Сера! — наконец догадался Ибн-Хайян. Когда сера встречается с огнем, то не
остается ничего, ни единой крупицы вещества! Латинское имя серы — сульфур, то
есть это существо мужского рода.
Сульфур и есть отец металлов!
Правда, воспитанный на Аристотеле, Джабир ибн-Хайян считал, что в состав
металлов входят философская ртуть и философская сера, которые, в свою оче-
редь , в наибольшем количестве содержатся в обыкновенной ртути и обыкновенной
сере — как тепло содержится в огне, а влажность — в воде.
Теперь в том, что касается металлов, получалась довольно стройная и понят-
ная каждому образованному человеку средневековья картина. Есть мать металлов
— гидраргирум. Есть отец металлов — сульфур. Есть их дети — разные по степени
своего совершенства. Вполне совершенные — золото, чуть попроще — серебро, со-
всем заурядные — олово, свинец, железо.
И чтобы очистить несовершенные металлы, надо лишь поколдовать с ртутью и
серой в присутствии Пятой Сущности, о которой говорил еще Аристотель.
...Обо всем этом и писал в своей темнице Роджер Бэкон.
А современник Бэкона Базилиус Валентинус сделал эту картину еще более
стройной и понятной.
Повторяя учение не очень еще известного в Европе таджика Абу Али ибн-Сины,
или, как он писал, Авиценны, Базилиус Валентинус указал на третью составную
часть металлов. Ту самую, которая остается, когда после встречи металла с ог-
нем исчезают и ртуть и сульфур, и которую мы теперь называем окалиной. Эту
тусклую, рассыпчатую часть тогда обычно называли просто землей — медной зем-
лей, если она получалась из меди, свинцовой землей, если обжигу подвергался
свинец, и так далее. А еще их называли металлическими известками по аналогии
со жженой известью, которая получалась при обжиге мела.
У металлических земель было одно общее свойство — они растворялись в воде и
в кислотах. Вот на него-то и обратил внимание Ибн-Сина, а за ним Базилиус Ва-
лентинус . И они стали искать среди известных им веществ такое, которое рас-
творяется лучше всего. И нашли.
В состав металлов, кроме ртути и серы, — объявил Базилиус Валентинус, —
входит еще соль. Конечно, не просто поваренная соль. И не селитра, из которой
брат Роджер приготовил огненное зелье — порох. Нет, образованный человек та-
кого подумать не мог. В состав металлов входит философская соль!
Теперь с металлами все вроде бы и объяснялось.
Но великолепная конструкция природы вещей, вычерченная в виде магического
квадрата Аристотелем, потеряла свою простоту и красоту.
Судите сами: к теплоте, влажности, холоду, сухости прибавились металлич-
ность, обжигаемость, растворимость. Причем было видно, что обжигаемость и
растворимость — сера и соль — входят в состав вовсе не одних только металлов.
Разве можно, например, назвать металлом селитру? Значит, все тела состоят из
четырех Аристотелевых элементов и трех новых начал? Но тогда получается неиз-
бежная путаница. Если тепло и сухость образуют огонь, то при чем тут сера?
Если холод и влажность образуют воду, то какое отношение к ней имеет соль? И
если воздух — сложное тело, состоящее из влажности и тепла, то куда деваются
исчезающие при обжиге металлов ртуть и сера?
Чем больше новых веществ получали алхимики — сплавов, кислот, щелочей, зе-
мель , лекарств, красок, — тем больше путаницы обнаруживалось в некогда строй-
ных теориях.
И эту путаницу кто-то должен был распутать.
Постоянный
ночной
светильник
К путанице в теориях добавлялась и путаница в практике — постоянные неудачи
всех попыток найти философский камень в сделать золото.
Если в былые времена никто толком не знал, что творится в таинственных мо-
настырских кельях, где колдуют над своими тиглями алхимики, то в XVII веке,
когда существовали многочисленные аптеки, красильни, пробирные палаты, поро-
ховые мануфактуры, любая неудача с превращением металлов быстро получала ог-
ласку .
Огромнейшее впечатление на ученый и неученый мир произвела история с разо-
рившимся гамбургским купцом Геннингом Брандом.
На остатки денег Бранд устроил неплохую лабораторию и засел за сочинения
Гебера, Авиценны, Базилиуса Валентинуса, Роджера Бэкона.
Он работал методически. Все рецепты получения философского камня разделил
на три сорта. Третий сорт — рецепты темные, в которых понять что-либо не было
никакой возможности. Вроде такого, приписываемого греку Зосиме, жившему в IV
веке:
"Вот тайна! Змея, пожирающая свой хвост, состав, поглощенный и расплавлен-
ный, растворенный и сброженный. Он становится светло-зеленым и переходит в
темно-зеленый цвет. От него происходит красный цвет киновари. Это киноварь
философов. Его чрево и голова желты, его голова темна и зелена. Его четыре
ноги — четыре стихии. Его три уха — поднявшиеся лары.
О, мой друг! Приложи свой ум к этому и ты не впадешь в ошибку!"
Прикладывать свой ум к подобным рецептам Геннинг Бранд и не пытался.
Вторым сортом он считал рецепты изготовления философского камня из ртути и
сульфура. Вроде того, что имелся в "Зеркале алхимии" Роджера Бэкона: "Возьми
белую, светлую, чистую, не вполне совершенную ртуть, смешанную равномерно в
должных пропорциях с подобной ей серой, высуши в твердую массу, очищай и со-
вершенствуй огнем, и она станет в тысячу раз чище и совершенней, чем обыкно-
венные тела, сваренные естественной теплотой".
Бранд был сведущим во многих ремеслах человеком и знал, что из ртути и серы
ничего, кроме красной краски киновари, не получишь, как ее ни очищай.
Поэтому проверять он решил лишь те рецепты, которые относил к первому сор-
ту: рецепты получения философского камня из веществ человеческого организма.
Философский камень — сила таинственная и необычайно тонкая. А что может
быть таинственней и тоньше, чем жизнь? И еще, многие мудрецы считали, что фи-
лософский камень и жизненный эликсир — одно и то же. Значит, он должен, пусть
в самом небольшом количестве, содержаться в живом теле.
Бранд не поленился и не побрезговал — набрал целый пивной котел мочи и стал
ее выпаривать. Когда после нескольких дней выпаривания на дне котла осталось
немного гущи, Бранд усилил жар.
Гуща стала белеть и вдруг воспламенилась, и клубы белого дыма поднялись над
котлом. Что бы это такое могло гореть? Надо было срочно повторить опыт и по-
пытаться собрать это странное белое вещество.
Через несколько дней Бранд получил новую порцию гущи и принялся подогревать
ее в реторте.
Вскоре в приемнике реторты скопилось что-то белое. Геннинг Бранд потрогал
это "что-то" пальцем — на ощупь оно напоминало воск. Понюхал — и почувствовал
слабый запах чеснока. Лизнул — на вкус вещество было довольно-таки противным.
Бранд положил странный воск в чашку и поспешил из лаборатории, чтобы пока-
зать его кому-нибудь из домашних.
Когда он вошел в тускло освещенную гостиную — в доме экономили свечи, —
поднявшаяся ему навстречу жена вдруг пошатнулась и упала в кресло.
— Что с тобой? — испугался Геннинг Бранд.
— С тобой что? — простонала жена.
Бранд не понял.
— Волосы! — шепнула она.
Брандт подошел к зеркалу и застыл и изумлении. Его голова светилась дья-
вольским зеленым огнем!
— Руки! — послышался шепот жены.
Бранд посмотрел на ладони — и от них исходило такое же сияние.
— Мы спасены! — закричал купец-алхимик. — Я нашел философский камень!
Всю ночь и следующие сутки, ни на минуту не смыкая глаз, Геннинг Бранд бро-
сал кусочки "философского камня" и кипящую ртуть, смешанную с серой, и в рас-
плавленный свинец, и в расплавленное олово. Он перепробовал все мыслимые ком-
бинации твердых металлов, гидраргирума и сульфура. Но ртуть оставалась рту-
тью, серебро серебром, медь медью, свинец свинцом, олово оловом.
Картина Джозефа Райта «Алхимик, открывающий фосфор» (1771 год) ,
предположительно описывающая открытие фосфора Хеннигом Брандом.
Нет, холодный огонь не был философским камнем. Но Бранд не пришел от этого
в отчаяние. Он был купцом и отлично знал, что в золото могут превращаться лю-
бые вещи и без всякой алхимии.
Через месяц в Гамбурге открылось новое невиданное и неслыханное производст-
во , разумеется, строго засекреченное. Ни один алхимик не мог проникнуть в ла-
бораторию Бранда — что, впрочем, никого и не удивляло: в те времена почти лю-
бое производство было окутано глубокой тайной.
Поражающее воображение современников светоносное вещество Геннинг Бранд
продавал маленькими порциями на вес золота. Даже дороже. Некоторые лица —
среди них и знаменитые ученые — просили Бранда раскрыть его секрет. Иногда он
соглашался — за немалые, конечно, деньги.
В 1676 году, через семь лет после открытия холодного огня, профессор Вит-
тенбергского университета Каспар Кирхмейер впервые описал новое вещество в
статье под названием "Постоянный ночной светильник, иногда сверкающий, кото-
рый долго искали и наконец нашли".
Многие пытались самостоятельно раскрыть секрет получения драгоценного "по-
стоянного светильника" — фосфора. Первым добился успеха англичанин Роберт
Бойль, которому один из людей, купивших секрет Бранда, намекнул, что источник
холодного огня — нечто присущее человеческому телу. Этого намека оказалось
достаточно, чтобы через две недели Бойль составил секретный отчет Королевско-
му обществу с подробным описанием процесса получения нового вещества.
Открытие фосфора было одним из сильнейших ударов, разрушавших надежды на
получение философского камня. Уж если такое замечательное светоносное вещест-
во оказалось не в силах совершенствовать металлы, то чего еще можно было
ждать?
Неудачи практики не могли не пошатнуть веры в правильность теории, к тому
же изрядно запутанной.
Эпоха безраздельного господства идей Аристотеля о природе вещей кончалась.
Начиналась эпоха сомнений. Возможно ли вообще превращение одного элемента в
другой?
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. СОМНЕНИЕ
ГЛАВА
ПЕРВАЯ
Химик-
скептик
Роберт Бойль; седьмой сын графа Корка, был не чета случайно открывшему фос-
фор гамбургскому купцу-алхимику Бранду. Один из директоров самой гигантской
из когда-либо существовавших в мире купеческих компаний — Ост-Индской. Роберт
Бойль был одновременно знаменитым физиком и химиком — первым президентом Лон-
донского королевского общества.
Надо думать, что если бы Роберт Бойль не был в достаточной мере деловым че-
ловеком, то ему бы не доверили Ост-Индской компании — он бы немедленно разо-
рился сам и разорил всех совладельцев. И в делах науки Бойль тоже был челове-
ком практическим. Вот как он сам про себя написал: "Я привык рассматривать
мнения, как монеты. Когда мне в руки попадает монета, я обращаю гораздо мень-
ше внимания на имеющуюся на ней надпись, чем на то, из какого металла она
сделана..."
Между прочим, в те времена бумажных денег не было, монеты делались из золо-
та и серебра, и только самые мелкие разменные монетки — из меди. Ценность ка-
ждой монеты на самом деле зависела только от того, сколько в ней драгоценного
металла.
"...Мне совершенно безразлично, — писал далее Роберт Бойль, — вычеканена она
много лет или столетий назад или только вчера оставила монетный двор. Столь
же мало я обращаю внимание на то, иного или мало рук она прошла до меня, если
только я на своем пробирном камне установил, настоящая она или фальшивая,
достойна она быть в обращении или нет. Если после тщательного исследования я
нахожу, что она хороша, то тот факт, что она долгое время и многими не прини-
малась за настоящую, не заставит меня отвергнуть ее. Если же я нахожу, что
она фальшивая, то ни изображение и подпись монарха, ни возраст ее, ни число
рук, через которые она прошла, не заставит меня принять ее: и отрицательный
результат от одной пробы, которой я сам подверг ее, будет иметь для меня го-
раздо больше значения, чем все те обманчивые вещи, которые я только что на-
звал, если бы все они доказывали, что она не фальшивая".
О каких обманчивых вещах идет речь, станет понятно, когда мы назовем книгу
35-летнего Роберта Бойля, из которой взяты эти слова. Книга эта — "Скептик-
химик, или Рассуждение об экспериментах, которые приводятся обыкновенно в до-
казательство четырех элементов и трех химических начал в смешанных телах".
Монетами, которые ученый подверг испытанию и признал фальшивыми, оказались
"прошедшие много рук" и в течение двух тысяч лет признававшиеся истинными
учения Аристотеля, Джабира ибн-Хайяма, Абу Али ибн-Сины.
А испытывал он их так.
Брал горшок земли и взвешивал эту землю. И записывал: "земля — четыре фун-
та, семь золотников, два с половиной грана".
Затем брал тыквенное семечко и сажал в горшок.
Затем приказывал своему ассистенту аккуратно поливать водой землю в этом
горшке. (Ассистентом у него был знаменитый впоследствии Роберт Гук — первым
увидевший в микроскоп, что все живые ткани состоят из клеток.)
Время шло, семечко прорастало, превращалось в растение, которое зацветало и
давало плод. Когда тыква вырастала, Бойль срезал ее, а землю снова взвешивал.
Гирьки оказывались теми же четыре фунта, семь золотников и два с половиной
грана.
Где же ртуть, где сера, где соль? — торжествующе спрашивал испытатель. Зем-
ля не израсходована, расходовалась только вода. Значит, тыква состоит из од-
ной воды, а теория трех химических начал фальшива!
Роберт Бойль.
Каждое тело можно разложить на его составные, далее неразложимые части, —
говорил Бойль. Они-то и есть элементы, Элементарны не свойства, а вещества.
Не потому золото — золото, что оно золотого цвета, тяжелое и нерастворимое. А
потому нерастворимо, потому тяжелое, потому золотого цвета, что оно — золото.
И все попытки получить золото, смешивая вещества такого же цвета с веществами
такой же тяжести, — бессмысленны.
Только эксперимент может удостоверить, какое вещество сложно, а какое эле-
ментарно. Вот, например, вода. Разложить ее на какие-либо более простые веще-
ства не удается. Значит, вода — элемент.
Может показаться, что Роберт Бойль возвратился к Фалесу Милетскому. Но на
самом деле он ушел далеко вперед. Ведь для Фалеса такого понятия, как провер-
ка на опыте, вообще не существовало.
Почему же так правильно мысливший Роберт Бойль, восстановив в своих правах
вещество и опровергнув первоначальную, элементарную сущность свойств, сам не
смог назвать те элементарные вещества, которые к его времени уже были выделе-
ны людьми — золото, серебро, медь, железо, ртуть, олово, свинец, сурьму,
цинк, мышьяк, углерод, серу, фосфор, висмут? Почему вместо них он возвел в
сан элемента сложное вещество — воду?
Потому, что у Роберта Бойля не было средства узнать, какое вещество на са-
мом деле простое, а какое состоит из других простых веществ.
"Жирная земля"
Иоганна Бехера
В 1673 году, через четыре года после того, как гамбургский купец Геннинг
Бранд вместо философского камня нежданно-негаданно изготовил таинственный хо-
лодный огонь, магистрат голландского города Гааги получил заманчивое предло-
жение : изготовлять золото из песка. Не из золотоносного, привезенного из Ин-
дии или Африки, а из самого обыкновенного, на котором стоит чуть не вся Гол-
ландия .
Несмотря на то, что предложение поступило от Иоганна Иоахима Бехера — чело-
века весьма и весьма известного, успевшего к тому времени побывать и профес-
сором медицины в Майнце, и главным финансовым советником в Вене, — гаагские
бюргеры проявили осторожность и не торопились с ответом.
Бехер обиделся и поехал в Амстердам, где в это время находился король, что-
бы предложить ему свое изобретение. Но и король тоже проявил осторожность.
Что поделаешь — время безрассудной веры прошло, пришло время скептиков.
Не обнаружив у голландцев энтузиазма, Бехер собрался уже было покинуть Ни-
дерландское королевство, когда его познакомили с гостившим в Амстердаме не-
мецким принцем Германом Баденским. Сильно порастратившиися за рубежом, принц
проявил к предложению Бехера самый пылкий интерес. И тут, как это часто быва-
ет, зашевелились и голландцы. Чем черт не шутит, а вдруг их родной голланд-
ский песок и в самом деле превратится в баденское золото? Это было бы чрезвы-
чайно обидно! И амстердамские толстосумы выдали Бехеру изрядное количество
талеров на постройку фабрики.
Дело закипело. На одной из речек вблизи побережья, состоящего целиком из
отличного золотистого песка, начали строить водяную мельницу с огромным водя-
ным колесом.
Насчет таких дел Бехер был большой мастер: еще в Майнце он обещал построить
тамошнему курфюрсту вечный двигатель и, говорят, почти построил, но, к сожа-
лению, курфюрст за что-то разгневался на профессора, и Бехеру пришлось поки-
нуть город, не закончив своих трудов...
Каждый понимал, что делать золото из обыкновенного песка не так-то просто.
Поэтому Бехера не очень торопили. Все же на исходе пятого года пребывания его
в гостеприимном королевстве терпение и талеры хозяев стали подходить к концу,
и Бехеру пришлось показывать товар лицом.
И тогда Иоганн Иоахим Бехер в присутствии городских властей Амстердама вы-
плавил из песка немного золота! Обрадованные голландцы тут же выдали изобре-
тателю большую награду, а также новую порцию талеров на завершение строитель-
ства фабрики. Но через несколько недель Бехер тайно покинул Нидерландское ко-
ролевство и бежал в Лондон...
История знает немало всяческих плутней, и если бы Иоганн Иоахим Бехер огра-
ничился в своей жизни только такими проделками, как та, о которой здесь рас-
сказано , то вряд ли он остался бы в человеческой памяти надолго.
Но Бехер этим не ограничился.
Он составил первый в мире международный язык и 10000 слов — предшественник
теперешнего эсперанто.
Он научил немецких крестьян выращивать диковинное американское растение —
картофель.
Он строил стекольные, бумажные, шелковые фабрики.
Он создал лучшую на континенте химическую лабораторию.
Но самое главное: он написал замечательную книгу " Физика субтерранеа" —
"Подземная физика".
Если Аристотель считал, что все может превращаться во все с помощью квинт-
эссенции, если Джабир ибн-Хайян считал, что металлы могут превращаться друг в
друга с помощью философского камня, то Иоганн Иоахим Бехер заявил, что пре-
вращение одних веществ в другие зависит от содержания в них "жирной земли".
Все вещества он разделил на две группы. Одну группу составляли такие, кото-
рые эту жирную землю содержали. Другую группу составляли вещества, которые
эту жирную землю потеряли.
Но как узнать, есть в том или ином веществе жирная земля или ее нет? Очень
просто! Бросьте вещество в огонь. Если горит — значит, еще есть. Если не го-
рят — значит, уже нет.
И приводил главный пример: сера, которая считалась одним из трех химических
начал, на самом деле сложное вещество — она состоит из жирной земли и купо-
росного масла. Купоросным маслом называли тогда серную кислоту.
Итак, сера оказалась не химическим началом, не элементом. А вместо философ-
ского камня появилась жирная земля...
Далеко не сразу разобрались читатели "Подземной физики", что означают для
науки эти внесенные Бехером перемены. Но через несколько десятилетий его идеи
были оценены в полной мере. Это произошло в 1667-1703 годах, когда Георг Эр-
нест Шталь, ученик и последователь Бехера, создал и обнародовал теорию неви-
димого вещества флогистона — от греческого слова "флогистес" — "горящий".
И тогда впервые появилась возможность на основании опыта наглядно показать,
какое вещество — простое, какое — сложное.
Стройность
и красота
Сам Аристотель, будь он жив, не мог бы нарадоваться на стройность и красоту
шталевской природы вещей, обнимавшей и объяснявшей с чрезвычайной простотой
чуть ли не все накопленные за всю человеческую историю факты превращения од-
них тел в другие.
Все на свете Шталь объяснял только тем, что существует флогистон — чрезвы-
чайно тонкая материя, которая под действием огня может переходить, перели-
ваться из одного вещества в другое.
Вы взяли кусочек серы и сожгли. Что произошло? Извольте, флогистон покинул
серу и растворился в воздухе. А оставшийся желтый дым это кислый воздух, ко-
торый можно соединить с водой и получить сложное вещество — купоросное масло.
Почему нельзя сжечь полностью весь кусочек серы в запаянном сосуде? Изволь-
те . Потому что флогистон растворяется в воздухе. Но воздух, находящийся в за-
паянном сосуде, способен растворить лишь ограниченное количество флогистона.
Поэтому остальной флогистон не имеет возможности уйти из серы.
Вы взяли кусочек свинца, положили в реторту, носик ее заплавили и принялись
реторту нагревать. Часть свинца превратилась в красную землю. Что произошло?
Да в принципе то же самое, что и с серой. Часть флогистона, бывшая в свинце,
растворилась в воздухе. Почему только часть — вы уже знаете.
Все это примеры разложения сложных веществ серы и свинца в простые вещества
— флогистон, кислый воздух, свинцовую землю. Если угодно, можете назвать кис-
лый воздух дефлогистированной серой, а свинцовую землю — дефлогистированным
свинцом.
Так же просто можно было объяснить и другие превращения: простых веществ в
вещества сложные.
Вы взяли уголь и свинцовую землю, смешали их и положили в реторту. Теперь
нагревайте. Уголь стал тлеть, а серый порошок превратился в блестящий шарик
свинца. Что произошло? Да только то, что флогистон из угля — необычайно бога-
того флогистоном тела — перешел в свинцовую землю, и из двух простых тел фло-
гистона и свинцовой земли образовалось одно сложное — свинец.
Удивительно простой и изящной оказалась природа вещей!
К тому же теория флогистона, как и полагается хорошей теории, не только
объясняла известные факты, но и давала возможность предсказывать новые.
Вот заурядный для эпохи флогистона случай с русским химиком Товием Егорови-
чем Ловицем. В 1785 году ему было поручено найти способ очистки винно-
каменной кислоты. Для красильного дела нужны были совершенно бесцветные кри-
сталлы , а из раствора выпадали кристаллы темные.
Ловиц рассуждал так: винно-каменная кислота способна гореть — значит, в ней
есть флогистон. Уж не он ли делает ее темной? Надо попытаться очистить ее от
флогистона.
Как? Нужно найти тело, которое было бы более жадным до флогистона, чем вин-
но-каменная кислота.
Какое именно?
Ловиц остановился на древесном угле. Ведь если его нагревать, то он далеко
не сразу отдает свой флогистон, значит, жаден до него.
Темные кристаллы винно-каменной кислоты растворили в воде и туда же бросили
толченого угля.
Прошло немного времени — и раствор стал прозрачным.
Так с помощью теории флогистона было открыто замечательное свойство угля
впитывать различные примеси. Свойство, которое было применено впоследствии во
многих пищевых и прочих химических производствах, а во время первой мировой
войны — в противогазах, спасших тысячи и тысячи человеческих жизней...
Почему такая странная и неверная с нашей точки зрения идея, как введение в
научный обиход несуществующего вещества — флогистона, продержалась целое сто-
летие, и помогало при этом совершать новые открытия?
Да потому же, почему продержалось две тысячи лет учение Аристотеля о несу-
ществующих четырех элементах.
В этих учениях в неверной форме были выражены некоторые совершенно правиль-
ные вещи.
Аристотель верно подметил, что разные вещества имеют некоторые одинаковые
свойства и догадался, что они зависят от внутреннего строения, от состава
этих разных веществ.
А Бехер и Шталь верно подметили, что превращение одних веществ в другие за-
висит от их взаимодействия друг с другом при нагревании. И еще — что сущест-
вуют два типа превращений: одни идут с выделением тепла (флогистон уходит), а
другие — с поглощением тепла (флогистон приходит) . И еще — что превращение
металлов в земли сродни горению угля или серы. И еще — что при превращении
земель в металлы, к землям присоединяется нечто отнимаемое от угля.
Но, может быть, самое притягательное в теории Бехера и Шталя заключалось в
следующем: флогистон прекрасно объяснял природу вещей, не оставляя в ней мес-
та ни для Аристотелевых четырех элементов, ни для алхимических трех начал, ни
для квинтэссенции, ни для философского камня. Только реальные вещества, с ко-
торыми человек имел дело, и одна-единственная тонкая материя — вот и все, что
составляло весь способный к взаимным превращениям мир!
Теперь, чтобы остались одни лишь реальные вещества, нужно было избавиться
от одной-единственной подпорки, одного-единственного костыля — флогистона.
Но, разумеется, должно было пройти немало времени, пока наиболее проницатель-
ные исследователи поставили перед собой такую задачу.
ГЛАВА
ВТОРАЯ
Флогистон
и теплород
Первым ученым, отказавшимся от флогистона, был Михаил Васильевич Ломоносов.
Впрочем, сначала Ломоносов занялся не флогистоном, а другой тонкой матери-
ей.
Дело в том, что если у химиков, занимающихся превращением веществ, остался
в середине XVIII века только флогистон, то у физиков, изучающих свойства и
различные формы движения тел, разных тонких материй было более чем достаточ-
но . Самая живучая из них — эфир — дожила до XX века, ее проходил в школе еще
автор этой публикации. Эфир считался такой невесомой "жидкостью", с помощью
которой очень удобно объяснялись удивительные свойства света, с одной сторо-
ны, распространяющегося по прямой, а с другой, способного огибать непрозрач-
ные предметы, когда они очень малы.
Столь же удивительным, как свет, казалось в XVIII веке и тепло. Для того
чтобы объяснить, например, каким образом оно передается от нагретого тела к
более холодному, тот же Роберт Бойль прибегал к тонкой материи, именуемой те-
плородом, или теплотвором, Это ведь очень удобно: в нагретом теле больше теп-
лорода, в холодном меньше — вот он и переходит в холодное, как вода перетека-
ет из более высокого сосуда в тот, что расположен пониже.
В сущности, теплород был чем-то вроде движущей силы флегистона. Однако если
флогистон без теплорода существовать не мог, то теплород без флогистона обхо-
дился легко и просто: переходя из печки в горшок с супом, он только нагревал
суп, но не превращал его ни во что иное...
Опровержение
рассуждением
Первая работа Ломоносова, посвященная этому предмету, датируется 1745 го-
дом. Она так и называлась — "Размышления о причине теплоты и холода".
"В наше время, — указывал Ломоносов, — причина теплоты приписывается особой
материи, называемой большинством теплотворной... Это мнение в умах многих пус-
тило такие могучие побеги и настолько укоренилось, что можно прочитать в фи-
зических сочинениях о внедрении в поры тела названной выше теплотворной мате-
рии, как бы притягиваемой каким-то любовным напитком; и наоборот — о бурном
выходе ее из пор, как бы объятой ужасом. Поэтому мы считаем нашей обязанно-
стью подвергнуть эту гипотезу расследованию..."
Откуда берется тепло?
Опыт подсказывал:
"...Теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются, де-
рево загорается пламенем: при ударе кремня об огниво появляются искры; железо
накаляется докрасна от проковывания частыми и сильными ударами..."
Все это Ломоносов видел не раз собственными глазами. Но как было увидеть,
что именно происходило при этом?
Увидеть было нельзя, но понять — можно. А первый намек на истину содержался
в замечательных словах Демокрита: "Обыкновенно мы говорим о сладком и горь-
ком, о теплом и холодном, о цвете и запахе, в действительности же существуют
атомы и пустое пространство".
Нельзя сказать, что учение Демокрита об атомах было забыто. Нет, об атомах
помнили. Только не знали, к какому делу их приставить. Потому что было совер-
шенно непонятно, как совместить наличие атомов, которых, как учил Демокрит,
неисчислимое множество сортов, с наличием четырех элементов Аристотеля. Если
весь мир состоит из нескольких элементов, то как он может состоять из множе-
ства сортов атомов — тогда и сортов атомов должно быть всего несколько?
Так порознь и существовали в умах ученых людей атомы и элементы.
Роберт Бойль, например, весьма скептически относясь к элементам алхимиков,
скептически относился и к идее о небольшом количестве изначальных элементов
вообще.
А в атомы он верил. Атомы жидких тел представлялись ему находящимися в бес-
престанном движении, атомы твердых тел — неподвижными. Промежутки же между
атомами, по мнению Бойля, были заполнены тонкой материей.
Но что, если никакой тонкой материи нет? — размышлял Ломоносов. — А есть
лишь атомы и пустота? И атомы эти — не только жидких, но и твердых тел — мо-
гут двигаться?
Тогда и трение, и частые, сильные удары молота — все это подстегивает ато-
мы, они движутся внутри тел все быстрее и быстрее, а мы ощущаем это ускорение
движения атомов как нагревание вещества, из них составленного, а замедление —
как охлаждение.
А когда мы наблюдаем, как нагретое тело передает тепло холодному, то на са-
мом деле в это время частицы одного вещества передают частицам другого веще-
ства свое движение.
При чем же тут, теплород?
Опровержение
опытом
В XVI или даже в XVII веке, опровергая теплород, можно было ограничиться
одними рассуждениями. Но в XVIII веке рассуждения полагалось подкреплять опы-
тами. Тем более, что гипотеза о теплороде имела свои опытные подтверждения, в
том числе широко известным экспериментом знаменитого Роберта Бойля.
В 1673 году Бойль поставил такой опыт: в запаянной реторте стал нагревать
кусок свинца. Через два часа часть свинца превратилась в красную землю. Бойль
отломил запаянный кончик реторты и услышал, как в нее с шумом ворвался воз-
дух. Взвесив вещество, находящееся в реторте, он обнаружил, что превративший-
ся в землю свинец потяжелел на 8 гранов. Эту прибыль в весе он приписал теп-
лороду, мельчайшие частицы которого сумели проникнуть через стекло в запаян-
ную реторту.
В отличие от Бойля, Ломоносов взвешивал реторты со свинцом до и после про-
каливания заплавленными и никакого прибавления в весе ни на единый гран ни в
одном случае не обнаружил, хотя часть свинца в реторте и превращалась в крас-
ный порошок.
Вес порошка вместе с оставшимся в прежнем виде свинцом действительно увели-
чивался по сравнению с первоначальным, до обжига. Но недаром ведь писал Бойль
о шуме, с которым врывался в реторту воздух, как только обламывали ее запаян-
ный конец. Это значило, что количество воздуха в реторте во время прокалива-
ния уменьшилось. Куда же ушел воздух? Весы неумолимо и бесстрастно свидетель-
ствовали — в красный порошок.
И в 1756 году в отчете адъюнкта Санкт-Петербургской императорской академии
наук Михаилы Ломоносова появилась запись:
"Между разными химическими опытами, коих журнал на 13 листах, деланы опыты
в заплавленных накрепко сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов
от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение
ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в
одной мере".
Теплорода, а вместе с ним и флогистона — тонких материй огня — не стало.
Остались только частицы свинца и частицы воздуха.
Но не следует думать, что сразу же после опытов Ломоносова от флогистона
отказались все химики мира. Этого не случилось.
И не только потому, что отчеты Российской академии наук читали далеко не во
всем мире.
Главное было в другом. Уже Шталь понимал, что опыт Бойля противоречит тео-
рии флогистона — ведь у Бойля вес земли был больше веса свинца, значит, что-
то пришло, а не ушло! Но и Шталь, и другие ученые отмахивались от этого опы-
та, как и от некоторых других, противоречащих флогистонной теории. Отмахива-
лись потому, что эта теория прекрасно объясняла сотни и тысячи прочих опытов
и процессов.
А один из ярых сторонников теории Шталя сумел объяснить даже прибавку в ве-
се, полученную Бойлем. Он объявил, что флогистон имеет... отрицательный вес!
Таким образом, замечательный опыт Бойля, который мог бы послужить доказатель-
ством наших сегодняшних представлений о химических взаимодействиях веществ,
дважды послужил доказательством существования несуществующего: первый раз —
теплорода, второй раз — флогистона...
Так или иначе, но еще, по крайней мере, полвека флогистон безраздельно ца-
рил в химии.
ГЛАВА
ТРЕТЬЯ
Ошибка
Джозефа
Блэка
В то же примерно время, когда адъюнкт Михайло Ломоносов в Петербурге делал
в накрепко заплавленных сосудах свои опыты, доказавшие, что в природе не су-
ществует никакого флогистона, профессор Джозеф Блэк в шотландском городе
Глазго делал другие опыты, которые должны были доказать существование флоги-
стона , и не только доказать, а и поймать его в чистом виде.
Вообще говоря, можно было предпринять попытку выделить флогистон из угля,
или из серы, или даже из железа. Но у Блэка были серьезные причины попытаться
выделить его из магнезии — белого порошка, похожего на соду.
Дело в том, что как раз в это время некая миссис Стефенс согласилась за
5000 фунтов стерлингов раскрыть секрет найденного ею лекарства от камней в
почках. В напечатанном в "Лондонской газете" описании этого лекарства было
сказано, что оно состоит из порошка, отвара и пилюль. И что порошок, в свою
очередь, состоит из яичной скорлупы и улиток, прокаленных в течение восьми
часов; а чтобы получить отвар, нужно варить зеленую ромашку, укроп, петрушку
и репейник с мылом и медом; а пилюли надлежит делать из прокаленных улиток,
обугленных семян сурепки, репейника, шиповника, овса и также из мыла и меда...
Знакомые Блэку врачи не очень поверили в такую пропись. Но вместе с тем ле-
карство миссис Стефенс было гораздо менее едким, чем рекомендуемые тогдашними
медиками, и этим привлекало больных. Применявшиеся тогда в медицине средства
против камней в почках получали из мягких щелочей — соды и поташа, которые
варили с гашеной известью. А известь получали из едкой извести, которую изго-
товляли обжигом известняка.
Согласно флогистонной теории, известняк, как и земля, был простым вещест-
вом. При обжиге известняка флогистон переходил в него из огня, поэтому жженая
известь и становилась едкой. А во время варки едкой извести с содой или пота-
шем флогистон из извести переходил в мягкие щелочи и делал их тоже едкими.
Во время одного из таких переходов Блэк и рассчитывал выделить флогистон.
Но поскольку щелочи, изготовленные из поташа и соды, были слишком едкими, а
врачи просили Блэка найти что-нибудь помягче, он решил заняться щелочью, из-
готовленной из магнезии.
Обыкновенные мягкие щелочи — сода и поташ — отличались тем, что при добав-
лении к ним купоросного масла пли соляного спирта (серной или соляной кисло-
ты) начиналось бурное вскипание. Блэк бросил щепотку мягкой магнезии в стакан
с кислотой и увидел, что порошок быстро растворяется с бурным выделением воз-
духа. Значит, в порошке флогистона не было — именно так, с бурным выделением
воздуха, растворялись в кислотах все мягкие, дефлогистированные щелочи.
Теперь надо было ввести в мягкую магнезию флогистон. Блэк отвесил порцию
порошка, ссыпал в тигель, поставил его на сильный огонь.
Когда обжиг закончился и жженая магнезия остыла, Блэк аккуратно, стараясь
не потерять ни пылинки, взвесил ее. Порция уменьшилась на восемь гран. Куда
они делись?
Он раздумывал несколько дней. А потом ссыпал жженую магнезию в кислоту (ни-
какого вскипания при этом, естественно, не произошло) и принялся добавлять
туда соды до тех пор, пока белые хлопья мягкой магнезии не перестали выпа-
дать . Затем отфильтровал их и высушил. Теперь весы должны были показать —
правильна ли догадка?
Пинцетом, одну за другой, положил он на чашечку маленькие разновески. Так
он и думал: мягкой магнезии ровно на восемь гран больше. Вот она, пропажа!
Откуда пришли эти восемь гран? Ясно откуда — из соды. Восемь гран из соды —
это воздух, который ушел из мягкой магнезии, когда она кипела в кислоте, воз-
дух, о котором говорил еще знаменитый алхимик Ян Баптист ван Гельмонт. Он по-
лучал его при обжиге мела и при брожении вина. Он назвал его газом — то ли по
названию прозрачной шелковой ткани из арабского города Газы, то ли от грече-
ского слова "хаос". Второе вероятнее, так как ван Гельмонт писал, что газы —
это вещества, "которые не могут быть ни сохранены в сосудах, ни превращены в
видимое тело".
Блэк дал газу свое название — "фиксируемый воздух", то есть воздух, который
могут удерживать щелочи.
После опытов Блэка с белой магнезией стало ясно: мягкие щелочи отнюдь не
элементарны. Они сложнее, чем едкие щелочи, поскольку состоят из едких щело-
чей плюс фиксированный воздух. А флогистон тут ни при чем. При обжиге извест-
няка или магнезии в них ничто не входит из огня, наоборот — огонь изгоняет
фиксируемый воздух, смягчающий известь и магнезию.
Таким образом, в то же примерно время, когда Ломоносов доказал, что обжиг
металлов есть соединение металлов с частицами воздуха, Блэк доказал, что об-
жиг мягких щелочей — это их разложение на едкие щелочи и фиксированный воз-
дух. И Ломоносов, и Блэк с помощью весов прекрасно объяснили эти реакции, не
прибегая к тонким материям.
Из их опытов следовало: под маской флогистона скрывались газы.
Джозеф Блэк.
Нет ничего неестественного в том, что из четырех первичных элементов Эмпе-
докла сперва более подробно были изучены земля и вода, или, иными словами, —
твердые тела и жидкости. И еда, и одежда, и жилье, и орудия труда, и оружие —
все это камень, дерево, металл, все это твердь, с этим сталкиваешься на каж-
дом шагу. Достаточно знакомы человеку жидкости — он пьет, умывается, стирает,
плавает, — и он стал пристально изучать свойства воды, кислот, щелочей, спир-
тов и других льющихся веществ.
Немудрено, что тела газообразные, которые в жизни человека были менее за-
метны, обратили на себя внимание гораздо позже, чем твердые и жидкие. Но те-
перь настало их время.
Вместо тонкой материи — флогистона в опытах Ломоносова и Блэка главными
действующими лицами оказались атмосферный воздух и фиксируемый воздух, позже
названный углекислым газом.
И вся вторая половина XVIII века прошла в химии под знаком воздуха, или,
вернее, воздухов — этих вездесущих, невидимых, но зато весомых, а следова-
тельно , вполне реальных веществ.
Ошибка
Генри
Кавендиша
Джозеф Блэк, погнавшись за флогистоном, поймал углекислый газ. Другой анг-
личанин, Генри Кавендиш, погнавшись за водородом, поймал флогистон. Вот как
это произошло.
Собственно, ни о каком водороде — газе, который, соединяясь с кислородом,
образует воду, — никто еще не подозревал, как не подозревали и о кислороде.
Вода считалась простым, неразложимым телом, пожалуй, единственным, насчет ко-
торого все соглашались, что это настоящий элемент.
Но давным-давно, с тех примерно времен, когда научились получать из желез-
ного колчедана и из селитры купоросное масло (оно же — селитряный спирт, оно
же — серная кислота), обнаружилось следующее. Если бросить и сосуд с этой ед-
кой жидкостью железный гвоздь, то гвоздь растворится, а жидкость начнет как
бы кипеть — в ней появятся пузырьки воздуха. Так же давным-давно обнаружи-
лось , что воздух из купоросного масла особенный: при соприкосновении о огнем
он горит, а иногда даже взрывается.
Факт этот был известен еще алхимикам, но они не сочли его интересным. Вот и
на болотах из торфяной жижи всплывают пузырьки, которые можно поджигать. А на
Востоке, сообщают путешественники, в некоторых местах горючие испарения стру-
ятся прямо из-под земли. Алхимикам было не до них, алхимиков одолевали другие
заботы.
Роберт Бойль первым придумал, как собрать этот странный воздух. Он взял бу-
тыль с водой. И, говоря словами самого Бойля, "увидел поднимающиеся воздушные
пузырьки, которые, соединяясь, понижали уровень воды, занимая ее место. Скоро
вся вода была вытеснена из верхнего сосуда и заменена телом, которое имело
вид воздуха".
В дальнейших занятиях с этим телом, "имевшим вид воздуха", Роберт Бойль,
однако, большого смысла не увидел.
Его увидел через сто лет другой англичанин — Генри Кавендиш.
Генри Кавендиш был лордом, но государственные дела его не интересовали — он
жил затворником. Не было у него ни жены, ни детей. Полностью отсутствовало и
ученое тщеславие — о замечательных своих открытиях он иногда вообще никому не
говорил, о них узнали только из записей в лабораторном дневнике уже после
смерти Кавендиша.
Кавендиш занялся горючим воздухом, пузырьки которого выделяются, если со-
единить железо с купоросным маслом, вскоре после того, как Джозеф Блэк опуб-
ликовал статью "Эксперименты над белой магнезией, едкой известью и некоторыми
другими щелочами". Из этой статьи ученому миру стало известно о том, что ще-
лочи становятся едкими вовсе не от того, что в них проникают частицы флоги-
стона, а от того, что их покидают частицы фиксируемого воздуха.
Кавендиш начал с того, что вместо железа брал другие металлы: цинк или оло-
во . Газ исправно выделялся. Тогда он заменил селитряный спирт соляным — то
есть, по-нашему, соляной кислотой. Газ и тут выделялся.
С равным основанием можно было предположить, что воздух выделяется из ме-
таллов и что воздух выделяется из кислот. Кавендиш остановился на первом
предположении: ведь жидкость на вид оставалась неизменной, а кусочек металла
исчезал. Очевидно, решил Кавендиш, кислота разлагает металл на растворимую
часть — землю — и на этот воздух. Но ведь известно, что металл состоит из
земли и флогистона! Так может, этот воздух и есть дотоле неуловимый флоги-
стон?
Прежде всего, Кавендиш решил убедиться в том, что горючий воздух не имеет
ничего общего с обычным атмосферным воздухом. Мало ли, что он горит, а воздух
не горит. Надо еще доказать, что он не имеет тех свойств, которые воздух име-
ет, то есть не может растворять в себе флогистон. Помните? Считалось, что
воздух поддерживает горение потому, что он способен растворять вытекающий из
горящего вещества флогистон.
Кавендиш ввел в бутыль с горючим воздухом зажженную свечу — свеча погасла.
Кавендиш посадил в банку с горючим воздухом мышь — мышь задохнулась.
Нет, горючий воздух и атмосферный воздух — разные вещи!
Теперь хорошо было бы найти удельный вес горючего воздуха. Это было очень
непросто — проделать столь тонкое измерение столь тонкой материи. Но Кавендиш
нашел решение.
Он бросил в кислоту унцию цинка и определил объем выделившегося горючего
воздуха. Затем взвесил колбу с кислотой, бросил туда унцию цинка, подождал,
пока цинк растворится, а газ улетучится, и снова взвесил колбу с растворив-
шимся цинком.
Теперь она весила чуть-чуть меньше.
Кавендиш два, три, четыре раза повторял опыт. Убыль в весе оставалась преж-
ней.
Тогда он разделил эту убыль на объем, который занимал горючий воздух при
растворении унции цинка. Получалась ничтожно малая величина — в переводе на
наши меры литр горючего воздуха весил примерно пять сотых грамма. И это в то
время, когда литр обыкновенного атмосферного воздуха весит почти грамм! А
фиксируемого воздуха Блэка — два грамма!
Такого легчайшего, почти невесомого вещества до той поры никто не знал. И
Кавендиш окончательно уверился: это тончайшее вещество и есть флогистон!
Все же, будучи человеком исключительно точным, он дал горючему воздуху та-
кое название: "воспламеняемый воздух из металлов".
Ошибка
Джозефа
Пристли
Знаете ли вы, кто первым сделал газированную воду?
Джозеф Пристли. Был он священником. А по совместительству — учителем. До
тридцати четырех лет не занимался никакими опытами. И вообще о химии имел до-
вольно смутное представление — будучи уже взрослым человеком, прослушал две-
три популярные лекции.
Итак, он читал проповеди, учил детей английскому, французскому и итальян-
скому языкам и не подозревал о предстоящей ему мировой славе и бронзовом па-
мятнике , который соорудят ему сограждане в его родном городе Лидсе.
Все изменила одна встреча. В 1767 году, приехав на несколько дней в Лондон,
Джозеф Пристли случайно познакомился с одним из самых выдающихся ученых того
времени — американцем Бенджаменом Франклином. Тем самым Франклином, который
изобрел громоотвод.
С этого момента священник не мог думать ни о чем ином, кроме исследований.
И так как в то время все английские естествоиспытатели изучали разные "возду-
хи ", занялся тем же и Пристли.
Начал он с фиксируемого воздуха Блэка. И первым его успехом было получение
газированной воды: во время одного из опытов он пропустил углекислый газ
сквозь воду и решил попробовать, не изменился ли ее вкус. Газированная вода
понравилась ему чрезвычайно, и Пристли стал угощать ею всех своих знакомых.
Слух о новом напитке достиг Лондона. Королевское общество собрало самых из-
вестных врачей. Пристли на глазах у них приготовил газированную воду, врачи
попробовали ее и пришли в такой восторг, что вскоре Пристли был награжден зо-
лотой медалью Королевского общества, а газированную воду рекомендовали Бри-
танскому адмиралтейству для употребления на кораблях в качестве лекарства от
морской болезни.
Первая удача весьма воодушевила тридцатипятилетнего новобранца науки, и он
занялся новыми опытами, причем во всех случаях старался получить какой-нибудь
новый воздух.
Вскоре Пристли пришел к мысли, что способ, продуманный Бойлем для собирания
газов, всем хорош, кроме одного: в воде, налитой в бутыль, воздух может рас-
твориться. Надо было придумать что-нибудь получше. И Пристли придумал: он
стал наполнять бутыль не водой, а ртутью, и над ртутью собирать газы.
Ему на редкость везло. Уже первый опыт с ртутью принес новый успех. Пристли
стал нагревать поваренную соль с серной кислотой, и в бутыли над ртутью со-
брался воздух с острым едким запахом. Раньше никогда не могли его выделить,
потому что он очень жадно соединялся с водой (мы называем этот газ хлористым
водородом).
Затем Пристли решил собрать над ртутью воздух из нашатырного спирта. И со-
брал ! (Мы называем этот газ аммиаком.)
После этого он попробовал впустить в один сосуд воздух из нашатырного спир-
та и воздух из поваренной соли. И вместо бесцветных воздухов получил белое
облако, вскоре осевшее порошком (мы называем его хлористым аммонием).
Все это было так интересно, что ушедшего с головой в лабораторные опыты
священника не смог соблазнить даже знаменитый капитан Джемс Кук, пригласивший
Пристли принять участие в кругосветном плавании.
Вместо того чтобы плыть с Куком в южные моря, Пристли купил зажигательное
стекло чуть ли не в полметра диаметром и стал накалять с его помощью самые
разные твердые вещества. Он клал их под стеклянный колокол с отводной труб-
кой, которая шла в бутыль, где над ртутью могли собираться выходящие из нака-
ляемых тел газы.
Кому до опытов Блэка с белой магнезией такое могло прийти в голову?
А теперь это проделал даже не слишком искушенный в химии любитель.
Удача не покидала Джозефа Пристли, Первого августа 1774 года он решил выде-
лить воздух из красного порошка, описанного еще в трактатах Джабир ибн-
Хайяна. Алхимики называли его "Меркуриум пер се" — жженой ртутью. Порошок
этот получали, прокалив на воздухе ртуть, он был ртутной землей, ртутной из-
вестью .
Пристли насыпал щепоть ртутной извести в тигелек, накрыл колоколом и, подо-
ждав, когда солнце выглянет из-за тучи, навел на тигель свое зажигательное
стекло. Внимательно, боясь упустить малейшую подробность, он наблюдал за тиг-
лем. И вдруг там что-то заблестело.
Пристли немного отодвинул линзу, чтобы разглядеть получше, что это, и уви-
дел посреди уменьшившейся кучки порошка большую светлую каплю ртути.
Он снова направил туда линзу и перевел взгляд на бутыль — ртуть заполняла
ее ужо не целиком, как перед опытом, а немного отступив от торчащего вверх
дна: в бутыли был воздух из ртутной извести)
Через полчаса в тигельке блестела ртутная лужица, а две бутыли были полны
каким-то воздухом. Что это за воздух? Тот, что окружает нас всегда? Или горю-
чий воздух Кавепдиша? Или воздух, который он сам получил из поваренной соли и
серной кислоты? Или тот, другой, из нашатырного спирта? Как это узнать?
Ну, прежде всего, если это обыкновенный атмосферный воздух, то он должен
растворять флогистон, то есть поддерживать горение...
Пристли зажег свечу и осторожно сунул ее в бутыль. Огонь не только не погас
— напротив, пламя свечи стало намного ярче, чем обычно.
Пристли подбежал к камину, выхватил щипцами маленький, слабо тлеющий уголек
и сунул его в другую бутыль — уголек запылал, разбрасывая огненные искры, —
словно это был не уголь, а пропитанная селитрой бумага.
Что бы еще попробовать?
Взгляд Пристли упал на тонкую железную проволоку, из обрезков которой он
собирался получить горючий воздух. Он схватил щипцами эту проволоку, накалил
в камине докрасна и сунул ее раскаленный кончик в ту самую бутыль, где горел
уголь.
И не поверил своим глазам — железо горело! Новый воздух растворял флогистон
намного энергичнее, чем атмосферный!
Должно быть, потому, подумал Пристли, что сам он начисто лишен флогистона,
как бы дефлогистирован. Это дефлогистированный воздух!
Название, данное Джозефом Пристли новому воздуху, не вызвало никаких возра-
жении у его ученых друзей из Королевского общества. Они были вполне солидарны
с ним — да, конечно, это именно дефлогистированный воздух. Тем более, если
принять во внимание недавние опыты ученика Блэка — Даниэла Резерфорда, кото-
рый открыл флогистированный воздух.
Джозеф Пристли.
Резерфорд брал обычный атмосферный воздух, пропускал его через известковую
воду, чтобы очистить от фиксируемого воздуха, а затем через раскаленные угли,
чтобы насытить флогистоном. Такой флогистированный воздух не мог уже поддер-
живать горения и дыхания (за что впоследствии и получил название "азот" — по-
гречески "безжизненный").
А воздух Пристли, который поддерживал горение в несколько раз лучше обычно-
го воздуха, естественно, следовало обозначить как дефлогистированный. Ведь в
нем и в самом деле вовсе не должно было содержаться флогистона или если он
там и был, то в гораздо меньшем количестве, чем в атмосферном воздухе.
Нелепая, на наш взгляд, логика! Но что поделать — флогистонная гипотеза ка-
залась исключительно логичной...
Пристли был уверен, что раз его дефлогистированный воздух очень хорош для
горения, то он не может быть нехорош для дыхания. Опыты подтвердили это.
Мышь, помещенная в закрытый сосуд с дефлогистированным воздухом, не теряла
сознания вдвое дольше, чем мышь, сидевшая в таком же сосуде с обычным возду-
хом.
Пристли и сам пробовал вдыхать дефлогистированный воздух и нашел, что он
вполне приятен.
Откуда в ртутной извести дефлогистированный воздух? На этот счет больших
сомнений у Пристли не возникало: ведь жженую ртуть получали из обычной ртути,
прокалив ее на воздухе, то есть изгнав флогистон. Очевидно, ртуть, кроме фло-
гистона, содержала еще и этот воздух, который при прокаливании ртути тоже те-
рял свой флогистон.
Оставалось посмотреть, как поведут себя земли других металлов. Пристли по-
вторил знаменитым опыт Роберта Бойля, уже повторенный однажды Ломоносовым. Он
взял свинец и сильно нагрел его. Свинец начал краснеть и постепенно превра-
тился в красный порошок. Тогда Пристли сделал то, чего не сделал ни Бойль, ни
Ломоносов: он положил красный порошок под колокол, нагрел своей линзой и сно-
ва превратил в свинец, изгнав из порошка находившийся в нем воздух.
Воздух из свинцовой земли оказался точно таким же, как воздух из жженой
ртути.
Из любой металлической извести можно было получить дефлогистированный воз-
дух — это было потрясающее открытие!
Пристли не знал, что еще за два года до него тот же самый дефлогистирован-
ный воздух в той же самой жженой ртути обнаружил шведский аптекарь Карл Виль-
гельм Шееле — вероятно, один из самых лучших экспериментаторов XVIII века.
Это стало известно позже, когда оказалось, что дефлогистированный воздух — то
самое вещество, без которого наука не могла двигаться дальше, и честь его от-
крытия стали оспаривать разные исследователи. Впрочем, никто из них, открыв
дефлогистированный воздух (Шееле называл его огненным воздухом), так и не по-
нял , с чем они имеют дело.
В 1785 году Джозеф Пристли, будучи во Франции, познакомился с самыми выдаю-
щимися французскими химиками. В лаборатории одного из них в честь гостя был
дан обед. У гостя не было никаких причин скрывать свои успехи, и он с гордо-
стью рассказал о них.
Только один из присутствующих понял, что означает открытие Пристли. Это был
хозяин лаборатории — Антуан Лоран Лавуазье.
ГЛАВА
ЧЕТВЕРТАЯ
Почему
похудел
пеликан
В отличие от Джозефа Пристли, который был небогат, прослушал лишь несколько
лекций по химии, а первые самостоятельные эксперименты провел, когда ему ми-
нуло тридцать четыре года, Антуан Лоран Лавуазье был одним из самых богатых
людей Франции, учился у самых лучших профессоров и уже в двадцать три года
был избран в Академию наук. Может быть, именно это позволило ему увидеть в
опытах английского естествоиспытателя то, чего тот не увидел.
А может быть, это произошло потому, что Лавуазье жил и работал во Франции,
которая тогда находилась накануне революции. И на его взглядах сказался тот
колоссальный подъем духа, то стремление покончить со всем отжившим и ветхим,
та смелость, какой одушевлен был французский народ.
Впрочем, если эпоха и оказывала влияние на образ мыслей молодого исследова-
теля, то сам он об этом вряд ли догадывался. Он деятельно приумножал достав-
шееся ему по наследству богатство, а все остальное время занимался наукой.
Более всего — физикой и химией.
Сначала он заинтересовался водой. И не мудрено: это было единственное веще-
ство, которое никто не мог разложить на составные части и которое, вместе с
тем, могло превращаться в землю. Во всяком случае, таково было мнение великих
авторитетов, и в их числе Роберта Бойля, проделавшего опыты с тыквой.
Впрочем, еще за сто лет до Бойля примерно такой же эксперимент провел гол-
ландский алхимик Гельмонт. Тот самый, что первый выделил из мела связанный с
ним воздух и придумал для него название — газ. Только Гельмонт взял не тыкву,
а иву. Он посадил ивовый прут в двести фунтов высушенной земли и ровно пять
лет поливал его дистиллированной водой. А потом взвесил деревце и высушенную
землю: ива весила 164 фунта, а земля те же двести. Откуда появились эти 164
фунта? Ясное дело — из воды.
Правда, некоторые ученые считали, что Гельмонт и Бойль ошибались. Голландец
Герман Бургаве, например, заявил, что в воду попадает пыль из воздуха. Но
француз Этьен Жоффруа и немец Андреас Маргграф провели исследования в закры-
тых сосудах и доказали, что и там из воды выпадает осадок.
Лавуазье сразу же усмотрел в опытах Гельмонта и Бойля очевидный пробел: они
оба не принимали во внимание воздух. Тот самый воздух, который прекраснейшим
образом мох1 связываться с различными веществами, как об этом свидетельствова-
ли многочисленные опыты разных исследователей, а наиболее убедительные — Джо-
зефа Блэка.
О том, что фиксируемый воздух Блэка это совсем не то, что атмосферный воз-
дух, Лавуазье, как и другие ученые люди того времени, ясного представления не
имел. Ведь некоторые опыты свидетельствовали, что это одно и то же. Например,
тот же Блэк показал, что если подуть через трубку в известковую воду — вода
замутится и станет известковым молоком. Но именно такой эффект дает и фикси-
руемый воздух!
Теперь-то нам известно, что человек вдыхает одно, а выдыхает другое, но кто
ж тогда знал то, что знаем мы?..
В отличие от Пристли, который формулировал свои вопросы к природе примерно
так: "А что будет, если я попробую выделить воздух из нашатырного спирта?"
или: "А что будет, если я суну свечу в воздух из ртутной извести?", Лавуазье
всегда ставил природу в такое положение, когда она должна была ответить одно
из двух: либо "да", либо "нет". Это великое искусство — уметь задавать приро-
де такие четкие вопросы!
Готовясь к спору с Бойлем и Гольмонтом, Лавуазье решил задать природе такой
вопрос: "Увеличится ли общий вес пеликана и налитой в него воды после дли-
тельной перегонки?"
Пеликаном называли реторту с длинным носиком, который был погружен в носик
другой реторты, как клюв пеликана-детеныша в клюв пеликана-мамы.
Когда в одну реторту наливали воду и начинали ее кипятить, пар поднимался
во вторую реторту, охлаждаемую снаружи холодной водой; там он снова превра-
щался в жидкость и стекал в первую реторту, в которой жидкость подогревалась
и снова превращалась в пар. После неоднократных перегонок на дне реторт нака-
пливался землистый осадок.
Так вот, если бы на вопрос Лавуазье природа ответила "да", то это означало
бы, что извне, из огня, внутрь пеликана проникла огненная или еще какая-то
материя, которая этот осадок и образовала.
Если бы природа ответила "нет", то это означало бы, что осадок образовался
либо из воды, либо из стекла.
И тут Лавуазье приготовил природе дополнительный вопрос; "Уменьшился ли вес
самого пеликана?"
Уже по этим вопросам видно, что Лавуазье полностью признавал слова Лукреция
о том, что "из ничего даже волей богов ничего не творится".
Понимая, что голос природы может быть едва слышным, Лавуазье позаботился о
том, чтобы услышать его, как бы тих он ни оказался. Исследователь заказал
специальные, особо чувствительные весы, и не кому-нибудь, а пробиреру коро-
левского монетного двора господину Шевену — великому мастеру точных приборов.
Точность этих весов была такая, что при нагрузке в пять-шесть фунтов ошибка
измерения не превышала одного грана. В переводе на наши меры на этих весах
можно было взвесить три килограмма и ошибиться не более чем на несколько де-
сятых грамма.
...Молодой исследователь взвесил пеликан до и после наполнения водой, записал
цифры в лабораторный журнал, закупорил реторту, обмазал пробку жирной замаз-
кой, чтобы ни вода, ни воздух не могли пройти, поместил пеликан в железную
банку с песком — песчаную баню — и принялся подогревать ее лампой с шестью
фитилями.
Шесть фитилей работали вовсю — то и дело приходилось подливать в лампу
оливковое масло. А через каждые двенадцать часов снимать с фитилей накопив-
шийся нагар.
День и ночь булькала вода в пеликане. Булькала, превращалась в пар, оседала
мелкими капельками, стекала в приемник, и снова булькала, и снова превраща-
лась в пар, оставляя на дне реторт серый осадок.
На сто первые сутки Лавуазье накрыл фитили железными колпачками, остудил
пеликан, тщательно удалил замазку и взвесил прибор. Вес оказался равным 5
фунтам 9 унциям 4 драхмам 49 и трем четвертям грана.
Он осторожно поставил пеликан на стол и раскрыл журнал с первоначальной за-
писью. До нагрева, сто один день назад, наполненный водою пеликан весил 5
фунтов 9 унций 4 драхмы 50 гран.
Ошибку в четверть грана нельзя было принимать в расчет — она была в четыре
раза меньше предела точности весов.
Итак, ничто извне в пеликан не проникло ни из огня, ни из окружающего воз-
духа.
Лавуазье опорожнил прибор и, тщательно просушив, взвесил его. Сто один день
назад пеликан весил 1 фунт 10 унций 7 драхм полграна.
Теперь он похудел более чем на 17 гран.
Значит, никакая перегонка не смогла превратить воду в землю, просто вода
понемногу растворила стенки реторт, и часть растворенного стекла выпала в ви-
де осадка из раствора!
Так-то это так, по надо взвесить осадок: вдруг вес его окажется больше, чем
потеря в весе стекла?
Лавуазье отфильтровал осадок из перелитой в бутыль воды и поместил его на
весы. Всего пять гран! Куда же делись остальные двенадцать (семнадцать минус
пять) ?
Он не верил в чудеса, он верил в закон сохранения материи. Убывшая из стек-
ла и не выпавшая в осадок материя может быть только в воде. Выпарить, быстрей
выпарить!
Через час на дне пустой бутыли остался мелкий порошок. На весы его! Так.
Пятнадцать гран вместо двенадцати? Не страшно — ведь еще до того, как попасть
в пеликан, эта вода находилась в других сосудах и могла растворять их. Во
всяком случае, пропажа нашлась. Как это сказано у Лукреция?..
Не пропадает бесследно ничто, но в своем разложеньи
Все возвращаются вещи на лоно материи снова...
Он бережно накрыл стеклянным колпаком драгоценные весы.
Жоффруа и Маргграф ошиблись. Земля в их герметически закрытых сосудах появ-
лялась не из воды, а из стекла. Ошибся и великий Бойль. Вода не превращается
в землю. Даже если земля имеет вид тыквы!
Да, вода тут ни при чем. А почва оставалась в прежнем весе... Откуда же тык-
ва? Откуда дерево Гельмонта?
Но если что-то в одном месте умножилось, то чего-то не могло не убыть в
другом. И если это другое не земля, и если это другое не вода, значит это...
воздух!
Лавуазье подсел к столу, подвинул поближе небольшую книгу в кожаном пере-
плете . Это дневник, сюда он заносил свои мысли и планы.
"Фиксируемый воздух обнаруживает свойства, весьма отличные от обычного воз-
духа , — написал он. — Тот воздух убивает животных, которые его вдыхают, а
этот совершенно необходим для жизни. Тот легко соединяется со всеми телами, а
этот — с трудом или совсем не соединяется... Я дам историю всего того, что было
сделано в отношении воздуха, который извлекается из тел и который с ними свя-
зывается. Важность предмета заставила меня начать сызнова всю эту работу, ко-
торой, на мой взгляд, предстоит вызвать революцию в физике и химии..."
Лоран Лавуазье с женой.
Во Франции последней трети XVIII века слово "революция" было у всех на ус-
тах. И Лавуазье знал, о чем говорил. Если до тех пор загадки превращения ве-
ществ не были раскрыты с помощью мер и весов, то это означало одно из двух:
либо что-то может быть создано из ничего, либо надо научиться мерить и взве-
шивать великое множество флюидов, скрывающихся под маской воздуха.
Но из ничего даже волей богов ничего не творится!
"Операции, — продолжал Лавуазье, — посредством которых можно добиться свя-
зывания воздуха: рост растений, дыхание животных, горение, при некоторых об-
стоятельствах обжиг, наконец, некоторые химические реакции. Я должен начать с
этих экспериментов".
Если поджечь
холодный огонь
Прошло сто лет со дня получения Геннингом Брандом первой щепотки холодного
огня, но фосфор все еще не потерял своей притягательной силы в глазах иссле-
дователей. 10 сентября 1772 года в дневнике Лавуазье появилась такая запись:
"Я купил у г. Митуара одну унцию прекрасного фосфора из Германии, который
он мне отпустил за сорок пять луидоров. Я бросил маленький кусочек в бутылку,
фосфор начал светиться и дымить, но без ощутительного тепла. Я приблизил, его
к огню, и он тотчас же воспламенился с потрескиванием. Бутылка лопнула. Обод-
ренный этим успехом, я решил проверить таким же способом, поглощает ли фосфор
при горении воздух..."
Проверка происходила так.
Лавуазье отвесил девять гран фосфора, положил его в маленькую агатовую чаш-
ку и поставил чашку под стеклянный колокол, погруженный в таз с водой. Потом
направил на фосфор линзу.
Фосфор загорелся, заклубился белый пар и скоро заполнил весь колокол.
А что с водой? Вода поднялась в колоколе на целый дюйм — значит, воздуха
под колоколом стало меньше!
На сколько? Примерно на двадцать семь кубических дюймов! Значит, эти два-
дцать семь кубических дюймов воздуха связал сгоревший фосфор.
А может ли он связать весь находящийся под колоколом воздух?
Лавуазье отвесил втрое больше фосфора. Поместил под колокол. Зажег. Вода
поднялась примерно на столько же, на сколько и раньше.
Весь воздух связываться не желал.
Почему? Непонятно. Надо думать. Впрочем, ведь еще не доказано, что и та,
убывшая часть воздуха, действительно связана фосфором.
Лавуазье отвесил 8 гран фосфора, положил в агатовую чашку, чашку поставил в
широкогорлую склянку, закупорил склянку и взвесил.
Затем откупорил склянку, поместил ее под колокол и сжег фосфор.
Склянка наполнилась белым дымом.
Лавуазье быстро вынул склянку из-под колокола, снова закупорил и поставил
на весы.
Вместо 8 гран фосфора в склянке было теперь 14 гран какого-то вещества.
Пока Лавуазье доставал склянку из-под колокола, немного этого вещества вы-
текло из склянки, так что на самом деле его получилось несколько больше. Зна-
чит, каждый гран фосфора поглощает примерно столько же какого-то флюида из
воздуха!
А что если попробовать подсчитать, сколько весит этот флюид? Столько же,
сколько обычный воздух, или нет?
Значит, так. Когда сгорело 9 гран фосфора, вода вытеснила 27 кубических
дюймов. 27 дюймов делим на 9 гран — получается 3, три кубических дюйма возду-
ха связал каждый гран фосфора.
Но весы показывают, что каждый гран фосфора связал примерно гран воздуха.
Значит, кубический дюйм связанного фосфором воздуха весит примерно одну треть
грана.
Очень интересно! Ведь кубический дюйм атмосферного воздуха на двадцать пять
процентов легче!
Но если это не атмосферный воздух, то что же? Уж не вода ли, пары которой
всегда есть в атмосфере?
Вместе с агатовой чашкой, наполненной фосфором, Лавуазье поставил под коло-
кол еще одну чашку, наполненную водой. Зажег фосфор. Часть фосфора преврати-
лась в белый нар, затем горение прекратилось.
Лавуазье направил линзу на чашку с водой, вода вскипела и обратилась в пар.
Лавуазье снова направил линзу на фосфор, на ту часть фосфора, которой не
хватило неизвестного флюида.
Но фосфор отказался от воды, не желал гореть, и все!
Лавуазье продолжал накалять агатовую чашечку до тех пор, пока фосфор не на-
чал плавиться, кипеть и, наконец, превратился в дым.
Нет, это не вода.
Но что же еще может содержаться в атмосфере? Уж не тот ли самый фиксируемый
воздух, который Блэк обнаружил в мягких щелочах? Как бы это проверить?..
Но сначала нужно доказать, что связанный горящим фосфором флюид содержится
именно в воздухе. Попробуем-ка поджечь фосфор под колоколом, из которого воз-
дух выкачан.
Это очень важный опыт. Может быть, самый важный. Флогистону стенка колокола
нипочем — это ведь очень тонкая материя, его частицы проникают сквозь любую
стенку.
Заработал насос, откачивая воздух. Вода под колоколом поднялась чуть ли не
наполовину.
Лавуазье навел линзу на агатовую чашку с фосфором. Никакого огня.
Терпение, терпение! Фосфор начал плавиться. Закипел. Превратился в дым. И
осел на стенках колокола.
А вдруг он чего-нибудь не заметил?
Лавуазье впустил под колокол воздух и попробовал на вкус капли на внутрен-
ней поверхности колокола. Когда он делал это после горения фосфора, капли не-
изменно оказывались кисловатыми. Теперь он не почувствовал ни малейшей кис-
линки .
Нет, он ничего не упустил. Без воздуха фосфор не горел. Прибавление веса не
зависело ни от какой тонкой материи. Только от воздуха!
Но это противоречило известному опыту Бойля с прокаливанием металлов. Может
быть, надо вместо фосфора взять олово или свинец?
Прежде чем сделать это, Лавуазье заменил фосфор серой. И доказал, что сера
тоже соединяется с воздухом.
Затем он взял олово. И доказал, что оловянная известь — результат соедине-
ния металла с тем же воздухом.
Опыт со свинцом показал то же самое.
Теперь у Лавуазье не оставалось иного выхода, как повторить полностью опыты
Бойля.
И он сделал это.
Он отлил тоненькие стерженьки из чистейшего олова и чистейшего свинца весом
ровно по восемь унций. И поместил их в новые, тщательно очищенные стеклянные
реторты, предварительно взвешивая каждую на них. Запаял их, снова взвесил и
держал над раскаленными углами двенадцать часов подряд, пока на расплавленном
металле не перестала образовываться окалина. И после этого взвесил снова. И
оказалось, что ни одна реторта не увеличилась в весе.
Что все это значило? Да только то, что во время обжига ничто, находящееся
вне реторты, не соединялось с металлами. И что если вес металла увеличился,
то причину этого следовало искать внутри реторты.
Лавуазье взял одну из остывших реторт, провел раскаленным углем черту по
стенке, смочил эту черту водой и по образовавшейся трещине аккуратно разъял
реторту на две части. Обе части и все содержимое он взвесил. Реторта не потя-
желела, а вес металла увеличился на три грана.
Он повторял опыты с оловом и свинцом до тех нор, пока не смог доказать три
вещи.
Первое. В определенном объеме воздуха можно обжечь лишь определенное коли-
чество металла.
Второе. Запаянные реторты не увеличиваются в весе и, значит, увеличение ве-
са металла при обжиге не происходит ни от материи огня, ни от какой иной ма-
терии извне реторты.
Третье. Увеличение веса металла при обжиге равняется несу поглощенного воз-
духа.
Через семнадцать дет после Михаила Васильевича Ломоносова Антуан Лоран Ла-
вуазье убедился в том же самом: "Без пропущения внешнего воздуха вес сожжен-
ного металла остается в одной мере".
Теперь надо было узнать, что же представляет собою та часть воздуха, кото-
рую при обжиге поглощают металлы. Мысль о воде пришлось отбросить. Мысль о
фиксируемом воздухе Блэка следовало проверить.
Для Лавуазье заставить природу дать ответ на этот вопрос было не так уж
трудно.
В один из летних дней 1773 года он зажег под колоколом фосфор, и, когда
фосфор погас из-за недостатка флюида, нужного ему для дальнейшего горения,
Лавуазье впустил под колокол полученный обжигом мела фиксируемый воздух.
Но в этой смеси фосфор гореть не пожелал. А внесенная под колокол зажженная
свеча сразу же погасла.
Ответ природы был таким: ни фосфор, ни свеча, ни металлы не поглощали фик-
сируемого воздуха. Он тут был ни при чем.
Как следовало поступить, чтобы выяснить природу другого вида связанного
воздуха — поглощаемого не щелочами, а металлами, фосфором, серой? Выход был
один: надо было суметь "развязать" этот воздух, выделить его в чистом виде и
исследовать.
Да вот беда — большинство металлических известей снова превращались в ме-
талл лишь в присутствии других веществ, например, богатого флогистоном угля.
И это путало всю картину, мешало выделить в чистом виде именно тот флюид, ко-
торый был в этих известях связан.
Весь 1774 год прошел в попытках выделить этот флюид из железных известей,
то есть окислов железа. Но, как написал сам исследователь, "из всех этих ес-
тественных и искусственных известей, которые мы подвергали действию в фокусе
больших зажигательных стекол... нет ни одной извести, которую бы удалось полно-
стью восстановить без добавления чего-либо..." .
В таком положении находилось дело, когда в один из октябрьских дней этого,
не очень удачного 1774 года Джозеф Пристли за обеденным столом поведал фран-
цузским коллегам об удивительных свойствах открытого им дефлогистированного
воздуха.
Дефлогистированная
химия
..Едва за гостем захлопнулась дверь, хозяин бросился в лабораторию.
Насыпать в реторту несколько щепоток жженой ртути было делом одной минуты.
Вот красный порошок заблестел в фокусе линзы, вот в нем появилась тяжелая
капелька ртути, вот вода из бутыли стала уходить, уступая место пузырям осво-
бождающегося из ртутной извести воздуха, вот он пойман, наконец, неуловимый
виновник горения!
Этот священник говорил чистую правду: внесенный в бутыль тлеющий уголек
раскалился добела и сыпал искры, как праздничный фейерверк.
Теперь предстояло методично и досконально разобраться в том, что же такое
атмосферный воздух. И что такое фиксируемый воздух Блэка. И почему, когда
Генри Кавендиш сжег горючий газ, который он счел флогистоном, у него получи-
лась вода. И как все же быть с флогистоном? И вообще, какие вещества следует
считать простыми, а какие сложными?
На это ушло десять лет.
Но самое трудное было позади. В руках у Лавуазье была нить не хуже, чем та,
которая вывела легендарного Тезея из лабиринта. Называлась она новой теорией
горения.
Он изложил ее в статье п0 горении вообще".
Суть теории заключалась в том, что горение всех горючих веществ — серы,
фосфора, "углеобразных тел", — а также обжиг металлов есть соединение этих
веществ с дефлогистированным (Лавуазье писал — "чистым") воздухом. А никакого
флогистона ни горючие тела, ни металлы не содержат.
Удалив из атмосферного воздуха "чистый воздух". Лавуазье доказал, что ос-
тавшийся газ вовсе не фиксируемый воздух, но так же, как и он, не поддержива-
ет горения и дыхания.
Восстановив ртутную известь углем, Лавуазье получил под колоколом фиксируе-
мый воздух и тем самым доказал, что тот — не что иное, как соединение угля с
"чистым воздухом".
Предположив, что получающаяся при сжигании горючего воздуха вода есть со-
единение этого горючего воздуха с "чистым воздухом", он пропустил водяные па-
ры через раскаленный ружейный ствол и получил на нем окалину, а в приемном
сосуде — горючий воздух.
Лавуазье нашел "чистый воздух" во всех металлических известях, во многих
кислотах и в щелочах.
И нигде не нашел флогистона.
Конечно, даже самые крупные химики, узнав об этом, не могли сразу отказать-
ся от привычного образа мыслей.
И Генри Кавендиш, первым получивший из водорода и кислорода воду, продолжал
писать: "Из всего вышеизложенного вытекает безусловное основание считать, что
дефлогистированный воздух представляет собой воду, лишенную своего флогисто-
на, и что горючий воздух является флогистированной водой".
А знаменитый изобретатель парового двигателя Джеймс Уатт говорил, что вода
состоит из дефлогистированного воздуха и флогистона.
Но долго это продолжаться не могло. Попробуйте объяснить кому-нибудь, что
воду надо получать так: сперва дефлогистировать воздух, то есть изгнать из
него флогистон, затем к этому дефлогистированному воздуху добавить флогистон.
Любой человек, конечно, сразу заметит, что в этом случае получится не вода, а
тот же самый первоначальный воздух.
В дефлогистированной Антуаном Лораном Лавуазье химии таких казусов не было.
И потому довольно быстро ее признали во всех странах. Написанный Лавуазье
"Начальный курс химии", изданный во Франции в 1789 году, в том же году был
переведен на голландский язык, в следующем году его выпустили англичане, еще
через год — итальянцы и потом — немцы. Правда, на родине Бехера и Шталя дело
не обошлось без эксцессов — обиженные за свой немецкий флогистон, "патриоты"
публично сожгли портрет Лавуазье.
"Начальный курс химии" был первой книгой, в которой действительно простые,
элементарные тела были названы простыми, элементарными, а действительно слож-
ные — сложными. И помещена первая в истории науки таблица химических элемен-
тов, из которых состоят сложные вещества.
Вот она.
ПРОСТЫЕ КЩеСТВА
Простые вещества, которые
принадлежат к трем царствам
природы и которые можно
рассматривать в качестве эле-
ментов тел
Простые вещества неметалли-
ческие, окисляемые и кислото-
образующие
Свет
Теплород
Кислород
Азот
Водород
Сера
Фосфор
Углерод
Муриееый радикал
(жпор)
Плавиковый радикал
{фтор)
Борный радикал
{бор}
Простые веществе металличес-
кие» окисляемые и кислотооб-
разующие
Сурьма
Серебро
Мышьяк
Висмут
Кобальт
Медь
Олово
Железо
Марганец
Ртуть
Молибден
Никель
Золото
Платина
Свинец
Вольфрам
Цинк
Простые вещества землистые,
солеобрэзующие
Известь Магнезня
Барит Глинозем
Кремнезем
Первые строки таблицы Лавуазье не могут не вызвать недоумения. Опять тепло-
род? И что ото за вещество — снег?
Ничего не попишешь — и самым большим ученым не все известно.
Лавуазье никак не мог понять, откуда берутся свет и тепло, которые возника-
ют при горении. И он не придумал ничего лучшего, как, изгнав огненную материю
из твердых и жидких тел, поместить ее в окружающую атмосферу. И объявить, что
обычно огненная материя соединена с кислородом, а при горении это соединение
будто бы распадается, кислород соединяется с горящим телом, а огненная мате-
рия выделяется в виде тепла и света.
Неправильно, но остроумно.
В общем, Лавуазье не уничтожил флогистон. Но доказал, что в состав химиче-
ских веществ никакой флогистон не входит.
Но будем требовать от одного человека слишком многого, Лавуазье и так сде-
лал для химии больше, чем кто-либо со времен Аристотеля. Продолжая идти по
указанной Аристотелем дороге, он открыл общее для множества веществ свойство
— соединяться с кислородом. И затем добрался до коренного свойства веществ —
не разлагаться на другие вещества. Им обладали 26 известных Лавуазье тел. На-
счет еще пяти — магнезии, барита, извести, глинозема и кремнезема — он напи-
сал : "Можно ожидать, что эти земли вскоре перестанут причисляться к классу
простых веществ. Они — единственные из всего данного класса веществ, которые
не имеют охоты соединяться с кислородом, и я весьма склонен думать, что эта
индифферентность по отношению к кислороду, ежели мне дозволено воспользовать-
ся таким выражением, происходит оттого, что они уже сами по себе насыщены ки-
слородом" .
Правота этих слов вскоре была доказана.
Двадцать шесть плюс еще пять — тридцать один элемент! Но главное, чем обя-
зана Лавуазье наука, это не числом названных им элементов, а объяснением то-
го, что такое элемент. И лучше всего это можно видеть на примере ртути и се-
ры.
Для алхимиков ртуть была не просто тяжелым жидким металлом, а еще и состав-
ной частью всех прочих металлов, сама, в свою очередь, состоящая из влажности
и холода. Так же как сера была не просто твердым, желтым, горючим телом, но
еще и составной частью масла, угля и прочих горючих тел, сама, в свою оче-
редь , состоящая из сухости и тепла...
Для Лавуазье же ртуть и сера были двумя неразложимыми простыми телами, ко-
торые могли соединяться с другими простыми телами, образуя при этом разные
сложные вещества, но отнюдь не другие элементы.
Элементы оказались совсем не такими, какими представлялись они Аристотелю и
вслед за ним алхимикам. Кончилась эпоха сомнений в возможности превращения
элементов. Пришло точное знание того факта, что в ходе химических реакций ни
один элемент не может превратиться в другой.
Однако это не означало простого отрицания алхимических идей. Это было ог-
ромное продвижение вперед в понимании природы вещей. Вместо фантастического
представления о первичных частицах, слагающих все многообразие окружающего
нас мира, появилось в основном правильное представление о химических элемен-
тах.
Правда, никто еще не знал причин, по которым один элемент отличается от
другого. Никто еще не догадывался о механизмах, с помощью которых элементы
образуют сложные вещества.
И, пожалуй, самое главное — никто не понимал, каким образом можно объеди-
нить учение о химических элементах с атомной гипотезой. Этим и предстояло те-
перь заняться в первую очередь.
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ. ОТРИЦАНИЕ
ГЛАВА
ПЕРВАЯ
Только
целые
числа
В книгах на русском языке человека по имени Джон Долтон нет. В прошлом веке
английские слова писали у нас как придется — вместо Уошингтон получился Ва-
шингтон, вместо Айвенго был Ивангос, а вместо Джон Долтон написали Джон Даль-
тон.
Так он и остался Дальтоном.
Джон Дальтон.
Про Джона Дальтона его современники сообщали немало неприятного. Например:
"Его вид и манеры были отталкивающими, голос у него был резкий и сварливый, а
походка неуклюжая" . Или: "В нем было меньше желания узнать, что сделали дру-
гие, чем твердой уверенности в правильности того, что сделал он сам".
Впрочем, и к Аристотелю лично знавшие его люди относились далеко не лучшим
образом. В одной из старых, почтенных энциклопедий можно прочесть: "При жизни
А. не был любим. Наружность его не отличалась привлекательностью. Он был ма-
лого роста, близорук и картав. На губах его играла язвительная улыбка..."
В гениях ли тут дело? Или в людях, которые их окружают?
В 1773 году, когда "Начальный курс химии" Лавуазье вышел во Франции уже
вторым изданием, 27-летний провинциальный учитель Джон Дальтон приехал в
большой промышленный город Манчестер, где ему досталось место преподавателя
математики и физики в новом колледже.
И здесь Дальтон занялся исследованиями.
Три вопроса более других интересовали его.
Первый. Лавуазье установил, что, по крайней мере, 26 веществ представляют
собой элементы — неразложимые простые тела.
Почему они далее не разлагаются?
Второй. Жозеф Луи Пруст, исследуя киноварь из Испании и Японии, поваренную
соль из морей, озер и копей, воду из горных ледников и глубоких шахт, а также
многие другие сложные вещества из разных мест, доказал, что любая вода в очи-
щенном от примесей виде содержит 11,1 % по весу водорода и 88,9 % кислорода,
а любая соль — 39,3 % натрия и 60,7 % хлора, а любая киноварь — 86,2 % ртути
и 13,8 % серы. И вообще, что "соединение есть привилегированный продукт, ко-
торому природа дала постоянный состав".
Как объяснить это постоянство состава любого сложного тела?
Третий. Еще алхимикам было известно: для того, чтобы превратить в киноварь
всю ртуть и всю серу без остатка, нужно ваять их в определенном отношении, а
именно: отвесить 86,2 части ртути и 133 части серы. Иначе либо сера, либо
ртуть останутся в избытке. Но когда химики от твердых тел и жидкостей перешли
к газам, в подобных числах возникла новая особенность. Газы легче было отме-
рять не в весовых единицах, а в объемных — ведь их собирали в бутыли. И тут-
то при переходе от унций к литрам выявились удивительнейшие вещи. Например,
если считать по весу, то аммиак состоит из 17,06 части водорода и 82,94 азо-
та . Ничего особенного. А если считать по объему — то из трех объемов водорода
и одного объема кислорода. Все числа получались целыми! Или другой пример.
Разложили воду, собрали в одной бутыли кислород, в другой водород. И пришлось
для кислорода брать бутыль ровно вдвое меньшего размера, чем для водорода.
Откуда взялись эти целые числа?
Ответы, которые нашел Джон Дальтон, оказались ошеломляюще простыми.
Почему далее не разлагаются элементы? Да потому, что они состоят из атомов
одного сорта. Атомы же неделимы никакими способами.
Почему постоянен состав сложных веществ? Да потому, что сложное вещество
состоит из сложных атомов — молекул, а каждая молекула — это соединение опре-
деленного числа атомов одного сорта с определенным числом атомов другого сор-
та или нескольких других сортов.
Почему появились целые числа? Да потому, что атомы неделимы, и они не могут
входить в состав молекул четвертушками или половинками, и значит, молекула
воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. А молекула ам-
миака — из трех атомов водорода и одного атома азота.
Теперь можно было понять и закон сохранения материи при химических превра-
щениях: куда могла материя деваться, если все превращения оказывались лишь
переходом одних и тех же атомов от одного вещества к другому?
Но Дальтон не хотел ограничиваться объяснением уже открытых фактов. Только
та теория хороша, которая позволяет предсказывать новые. И Дальтон сделал
предсказания. Первое относилось к свойствам самих атомов. Раз непременное
свойство любого вещества — его масса, вес, значит, это непременное свойство
есть у каждого атома. И атомы разного сорта должны иметь разный вес.
Второе предсказание относилось к разным веществам, образованным одними и
теми же элементами. Например, углерод с кислородом могут образовать два со-
вершенно разных газа — угарный и углекислый. Азот с кислородом — четыре раз-
ных вещества. Было ясно и так, что одни и те же элементы входят в эти вещест-
ва в разных пропорциях. Дальтон объявил другое, а именно: что в таких соеди-
нениях весовые количества одного элемента, приходящиеся на одно и то же коли-
чество другого элемента, будут кратными, то есть, будут относиться между со-
бою как целые числа. Потому что в молекуле одного такого соединения может
быть только два атома, скажем, углерода вместо одного, или три, или четыре,
но уж никак не полтора атома — ведь атом не делится на половинки!
Дальтон сам проверил угарный и углекислый газы. В угарном газе на три весо-
вые части углерода приходится четыре весовые части кислорода, а в углекислом
— на те же три части углерода уже восемь частей кислорода. 8:4 = 2. Целое
число!
Проверил Дальтон и соединения азота с кислородом. Там тоже получились целые
числа.
Впрочем, у газов и раньше, когда имели дело с объемами, получались целые
числа. А вот у твердых и жидких тел никаких простых соотношений никто никогда
не наблюдал.
Дальтон взял два медных окисла — черный и красный. В черном оказалось по
весу 79,9 % меди и 20,1 % кислорода, в красном — 88,8 и 11,2. Теперь надо бы-
ло высчитать, сколько приходится меди на единицу веса кислорода в том и дру-
гом окисле. Дальтон разделил 79,9 на 20,1. Получилось 3,96. Потом разделил
88,8 на 11,2. Получилось 7,92.
Теперь оставалось разделить 7,92 на 3,96. И, конечно, получилось целое чис-
ло : два. На один атом меди в молекуле черного окисла приходилось два атома
меди в молекуле красного. Закон кратных отношений действовал безотказно...
С этого времени химики всего мира могли с карандашом или пером в руках под-
считывать, сколько исходных веществ надо взять, чтобы они нацело, без остат-
ка , превратились в нужное новое вещество.
Атомный
вес
Первую таблицу атомных весов двадцати элементов составил сам Дальтон и по-
местил в книге "Новая система химической философии". Первый том ее вышел в
1808 году. Она именовалась так: "Таблица относительных весов мельчайших час-
тичек газообразных и других тел". Относительных — потому что взвесить атом
Дальтон не мог, а мог только попытаться выяснить, на сколько тот или иной
атом тяжелей атома водорода.
Кроме относительных весов, в таблице были даны символы для химических эле-
ментов . Раньше каждому веществу давали свой символ. И потому свои знаки были
не только у золота, ртути или серы, но и у поваренной соли, селитры, уксусной
кислоты — вообще у любого, известного химикам вещества. Получалась китайская
грамота.
Дальтон же все упростил: элемент обозначался своим символом, а соединение —
символами элементов, в него входящих.
Правда, ни предложенные Дальтоном символы, ни обозначения, в его таблице
относительные веса долго не продержались. Символы-значки были заменены первы-
ми буквами латинских названий элементов. А относительные веса — другими, бо-
лее точными числами.
Тем не менее, в главном Дальтон оказался прав — у каждого элемента был
только ему одному присущий атомный вес — число, показывающее, во сколько раз
атом такого-то элемента тяжелее, чем атом водорода, или, впоследствии, чем
одна шестнадцатая часть атома кислорода.
Точное определение этих чисел стало в принципе возможным после того, как
появился закон Авогадро.
ELEMENTS
С • Л Hydrogen t
ф Л .ore S\
fl^B Carbon эд
Q Oxygen J
\J^ Phosphorus П
ф SulpW /J
^ Lime Ц
©da «8
Iron tian 4/Г
©s
K^ Baiyt'es 6e ■
0 iron ^i
© Copper^
(£) Silver фг
@ {Sold ^i
^ Platina ^p
jjjj) Potash ^|Q Mercu^T/^
Таблица Дальтона.
Амедео Авогадро, профессор Туринского университета в Италии, задумался над
химическими реакциями, в которых из одних газообразных веществ получаются
другие газообразные вещества. Например, над тем, как разлагается аммиак. Если
полностью разложить один кубический дюйм аммиака, то из него получится ровно
столько же азота и ровно три кубических дюйма водорода. Или, например, над
тем, как получается углекислый газ. Если соединить кубический дюйм угарного
газа с кубическим дюймом кислорода, то получится не два кубических дюйма уг-
лекислоты , а только один.
Что бы это могло значить? Почему более сложный газ всегда занимает ровно
такой же объем, как один из исходных, и притом тот, которого было меньше?
Авогадро рассуждал примерно так.
Молекула сложного вещества образовалась из атомов простых веществ или моле-
кул менее сложных веществ. Например, молекула аммиака состоит из атомов азота
и водорода. Значит, в ней не может не быть хотя бы одной частицы азота. Зна-
чит, число полученных молекул аммиака не может быть больше числа атомов азо-
та.
Но и сложные частицы аммиака, и простые частицы азота занимают один и тот
же объем. Почему? Проще всего это можно было объяснить следующим: при одной и
той же температуре и давлении в равных объемах находится одинаковое число
частиц любого газа. Хоть легчайшего водорода, хоть тяжелой углекислоты.
Из этого обнаруженного Авогадро закона, которому подчиняется жизнь газов,
оказалось возможным определить относительный атомный вес любого элемента. На-
до только выделить его в виде газа или пара, собрать в сосуд, взвесить и
сравнить его вес с весом другого такого же сосуда с водородом. Ведь от того,
будете вы делить вес одного атома кислорода на вес одного атома водорода или
же вес миллиарда атомов кислорода на вес миллиарда атомов водорода — резуль-
тат измениться не может.
Амедео Авогадро.
Так была определены атомные веса многих элементов, и все они оказались раз-
ными.
Легче водорода не нашлось ни одного элемента.
А наиболее тяжелым оказался висмут.
На самом деле еще тяжелей был уран, но правильно определить атомный вес
урана долго не удавалось...
Когда исследователя находили какой-нибудь, новый элемент, то его атомный
вес обязательно оказывался не таким, как у ранее известных.
Все же другие свойства атомов не были так индивидуальны. Цвет, вкус, запах,
металлический блеск, растворимость, горючесть, способность образовывать ки-
слоты, или, наоборот, щелочи — не были особым признаком. Этими свойствами об-
ладали — пусть в развой мере — многие элементы, атомы многих сортов.
Сколько их?
В таблице Лавуазье, составленной в 1789 году, было двадцать шесть элемен-
тов . После того как Лавуазье объяснил, что такое простое тело и что такое —
сложное, перечень известных химикам элементов стал расти с невиданной быстро-
той.
В том же 1789 году появились уран и цирконий, в 1791 — титан, в 1794 — ит-
трий, в 1797 — хром. Первый же год нового, XIX века ознаменовался открытием
ниобия, второй — тантала, третий — церия и палладия, четвертый — родия, ос-
мия, иридия. Затем после двухлетнего перерыва наступил черед калия, натрия,
бария, стронция, магния, кальция и бора — все они были открыты великим охот-
ником за элементами англичанином Хемфри Дэви. Второе десятилетие XIX века да-
ло человечеству хлор, йод, литий, кадмий, селен. Третье — кремний, бром, алю-
миний, торий. Четвертое и пятое — маленькая передышка: всего три новых эле-
мента — ванадий, лантан и рутений. А потом снова лавина: 1860 — цезий, 1861 —
рубидий, 1862 — таллий, 1863-индий, 1868 — гелий...
Через восемьдесят лет, прошедших после появления таблицы Лавуазье с ее 26
элементами, люди знали уже более 60 сортов атомов. Среди новых элементов были
такие активные, как калий, горящий даже в воде. И такие стойкие, как осмий
или иридий, не боящиеся самых сильных кислот. Был легчайший металл алюминий и
более тяжелые, чем свинец, — торий и уран.
Сколько элементов еще предстоит открыть? И какими окажутся их свойства? И
вообще — от чего эти свойства зависят, по какому закону от элемента к элемен-
ту изменяются?
На эти вопросы не мох1 ответить никто.
Только что упорядоченный Лавуазье и Дальтоном мир элементов снова постепен-
но превращался в хаос, за которым отдельные мыслители тщетно стремились уга-
дать систему.
Английский врач Уильям Праут выступил с идеей, которую сегодня нельзя не
назвать пророческой. Вес любого атома кратен весу атома водорода потому, что
все атомы состоят из атомов водорода; именно водород и есть та первичная ма-
терия, из которой затем постепенно образовались и все остальные элементы...
Но эта крайне привлекательная мысль не подтвердилась. Точные измерения по-
казали, что атомные веса более тяжелых элементов не делятся нацело, без ос-
татка, на атомный вес водорода.
Другой англичанин Джон Ньюлендс предложил расположить все сорта атомов в
порядке возрастания атомных весов и посмотреть, не обнаружится ли при этом
какая-нибудь закономерность в изменении других свойств элементов.
В 1866 году он высказал свою идею в Лондоне. Но присутствовавшие на докладе
ученые подняли его на смех; один физик даже спросил: а не пробовал ли досто-
почтенный докладчик расположить элементы не по атомным весам, а по алфавиту?
И Ньюлендс отступил.
Не достигли успеха и другие попытки обнаружить закономерную систему элемен-
тов, предпринятые французом Александром де Шанкуртуа, немцем Лотаром Мейером,
англичанином Уильямом Одлингом.
Но если общий чертеж системы элементов до конца 60-х годов XIX века оста-
вался неизвестным, то кое-какие его детали все же постепенно прояснялись. Бо-
лее всего это относилась к установлению сходства между отдельными элементами
и даже группами элементов.
Пожалуй, наиболее важный шаг в этой области сделал немецкий химик Иоганн
Деберейнер. Он установил, что существуют группы элементов, сходные не только
по химическим, но и по некоторым физическим свойствам. Например, литий-калий-
натрий. Или магний-кальций-стронций. Или фосфор-мышьяк-сурьма. Или фтор-хлор-
бром. Такие группы Деберейнер назвал триадами. А установленная им закономер-
ность — "закон триад" — гласила: атомный вес среднего члена триады есть сред-
нее арифметическое атомных весов ее крайних членов. Таким же средним был у
средних элементов триад и удельный вес окисей.
Казалось бы, что могло помешать распространению "закона триад" и на несход-
ственные по своим химическим свойствам и даже на все вообще элементы?
Но парадоксальная по тому времени мысль о "сходстве несходного", если и
возникала, то ее тут же отбрасывали, или остерегались обнародовать, или, как
в случае с Ньюлендсом, не могли доказать.
Кроме того, препятствием для ее утверждения была путаница с атомными веса-
ми : атомные веса многих элементов были определены неверно. И главным образом
потому, что большинство исследователей первой половины XIX века не представ-
ляли себе как следует различие между двумя видами частиц вещества — атомами и
молекулами. И не понимали, что закон кратных отношений Дальтона относится к
атомам, а закон Авогадро — к молекулам. Поэтому при определении атомного веса
того или иного элемента нередко получали ошибочный результат. Например, зная,
что в воде на 1 весовую часть водорода приходится 8 весовых частей кислорода
и полагая, что соотношение атомов элементов здесь один к одному, можно было
принять атомный вес кислорода за 8. А рассуждая так же о перекиси водорода,
можно было принять его за 16.
Только в 40-х годах XIX века французский химик Шарль Жерар пришел к выводу,
что атом есть наименьшее количество элемента, входящее в состав молекулы его
соединений. И что молекула есть наименьшее количество вещества, вступающее в
химические реакции и занимающее в газообразном состоянии одинаковый объем для
всех веществ.
С этого времени стало теоретически возможным правильное определение атомных
весов. Но, во-первых, не все ученые сразу согласились с Жераром. А во-вторых,
для претворения теоретической возможности в реальность нужно было преодолеть
немало технических препятствий.
И лишь к концу 50-х годов, когда итальянский ученый Станислао Канницаро
изобрел способ определения атомного веса металлов по плотности их паров и те-
плоемкости, все химики, наконец, согласились с жераровскими представлениями
об атоме и молекуле.
Об этом удалось договориться на Международном химическом конгрессе; он со-
стоялся в сентябре 1860 года в немецком городе Карлсруэ. После этого можно
было правильно определить атомный вес всех без исключения элементов. Хотя,
конечно, для этой работы потребовалось немало времени.
...Чтобы навести порядок во все увеличивающемся нагромождении химических эле-
ментов и снабдить человечество картой атомов, нужен был гений. Возможно, не
меньший, чем Чарлз Дарвин, который разобрался в хаосе растительного и живот-
ного мира.
И никто из маститых участников конгресса в Карлсруэ не подозревал, что этот
научный подвиг совершит находившийся в одном зале с ними двадцатишестилетний
русский химик Дмитрий Иванович Менделеев.
ГЛАВА
ВТОРАЯ
Совет из
Петербурга
В 1859 году немецкие ученые Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен обнаружили но-
вое, до того не известное свойство атомов: если раскалить какое-нибудь веще-
ство и заставить его светиться, а потом пропустить этот свет через стеклянную
призму, то можно обнаружить, что спектр у него будет не такой, как у другого
вещества. В спектре натрия, например, самой яркой будет желтая полоска, а в
спектре магния — зеленая.
Когда Кирхгоф и Бунзен обнаружили эти удивительные особенности атомов раз-
ного сорта, они построили специальный прибор спектроскоп, который позволял
получить спектр мельчайшей крупицы вещества. И принялись испытывать в этом
приборе самые разные минералы. И вот в одном минерале, в спектре которого
светилась ярко-голубая полоска, они открыли новый элемент цезий ("небесно-
голубой"), а в другом минерале — в его спектре светилась багровая полоска —
новый элемент рубидии ("красный").
Спектроскоп был принят на вооружение десятками исследователей во многих
странах. И вскоре были открыты еще два новых элемента.
Один из них был назван таллием ("таллюс" — это молодая зеленая ветвь), а
другой индием (индиго — самая красивая синяя краска); в спектре первого уче-
ные увидели характерную только для этого элемента ярко-зеленую полоску, в
спектре второго — ярко-синюю.
После таллия и индия пришло время гелия...
Из всех ученых, занявшихся спектральным анализом, наибольший успех выпал на
долю французского химика Поля Лекока де Буабодрана — ему посчастливилось об-
наружить три новых элемента.
Самую широкую известность получило его первое открытие. И не потому, что
первый открытый Буабодраном элемент, названный в честь родины первооткрывате-
ля галлием, оказался более распространенным и важным для техники, чем впо-
следствии обнаруженные им самарий и диспрозий. Нет, открытие галлия произвело
громадное впечатление на весь ученый мир совсем по другой причине...
Можно представить себе радость исследователя, когда он, раскалив кусочек
довольно обычного минерала, увидел в его спектре совсем необычную, ранее ни-
кому и никогда не встречавшуюся фиолетовую линию и уже через день, многократ-
но повторив эксперимент и сравнив полученный спектр со спектрами известных
элементов, смог написать французскому академику Вюрцу:
"Позавчера, 27 августа 1875 года, между двумя и четырьмя часами ночи, я об-
наружил новый элемент в минерале цинковая обманка из рудника Пьерфитт в Пире-
неях..."
Можно представить испытанное исследователем удовлетворение, когда после го-
да упорной, кропотливой работы ему удалось выделить несколько тысячных долей
грамма этого нового элемента и определить некоторые его свойства, в том числе
атомный вес, который оказался близким к 69, и плотность, которая оказалась
равна 4,7.
Труднее представить, что почувствовал Буабодран, когда узнал, что петер-
бургский профессор Дмитрий Менделеев, не имевший ни малейшей крупицы галлия,
тем не менее, позволил себе не только оспаривать правильность найденной им,
Буабодраном, плотности нового элемента, не только называть иное, по его мне-
нию, более правильное число — 5,9, но еще и давать советы. Он рекомендовал
получше очистить препарат от натрия и тогда уже определять плотность.
В наше время подобный совет не мог бы ни поразить, ни даже удивить. Сейчас
химику предугадать то или иное свойство еще не открытого элемента не намного
сложнее, чем пассажиру поезда или самолета предугадать время своего прибытия
из одного города в другой.
А в те времена многие серьезные ученые к возможности подобных предсказаний
относились весьма скептически. Когда, например, знаменитый Бунзен узнал о
том, что Менделеев предсказал существование нескольких новых элементов с оп-
ределенными свойствами, он сказал: "Дайте мне биржевые ведомости, и я берусь
на их основе предсказать вам все, что угодно".
Не надо из-за этого считать Роберта Бунзена консерватором в науке. Он им не
был. Просто у него в памяти сохранялось немалое число догадок, высказанных по
поводу еще не открытых элементов и впоследствии не подтвердившихся. И он, как
в большинство исследователей, предпочитал обширному болоту предсказаний,
пусть узкую, но верную тропку экспериментов.
Знал Буабодран про высказывание Бунзена о биржевых ведомостях или не знал,
не известно. Но вряд ли сам он, уже немолодой, 36-летний экспериментатор,
придерживался иных взглядов на возможности теории. Тем не менее, он не мог,
ознакомившись с одним из менделеевских предсказаний, не заметить редкостного
совпадения найденных из опыта свойств галлия с предсказанными свойствами ги-
потетического "экаалюминия". Совпадал их атомный вес. Совпадая метод обнару-
жения . Совпадали реакции их соединений с соединениями других элементов. Не
совпадала только плотность.
И Лекок де Буабодран решил последовать совету, полученному из далекой Рос-
сии. Он тщательно очистил галлий от примеси натрия и заново измерил плотность
нового элемента.
Петербургский профессор, в глаза не видевший галлия, оказался прав: плот-
ность оказалась 5,9, а не 4,7.
Хочешь верь —
хочешь проверь
Издавна принято гордостью семьи считать первенца, старшего сына. Именно его
объявляли, как правило, наследником монарха. И в палату лордов, и в боярскую
думу вступал старший в роде. И неделимые отцовские поместья тоже доставались
ему. И только сказки почему-то всегда держали сторону младшего...
Что касается истории науки, то тут дело обстояло тоже не совсем так, как в
высшем обществе. Кавендиш, например, был не первым, а вторым сыном герцога
Девонширского. Роберт Бойль — не первым, а седьмым сыном графа Корка. Про
Джона Дальтона точно известно, что у него был старший брат...
27 января 1834 года в городе Тобольске, в семье директора городской гимна-
зии Ивана Павловича Менделеева и жены его Марьи Дмитриевны родился семнадца-
тый ребенок, нареченный в честь деда Дмитрием.
Детство его прошло в тридцати верстах от города, в деревне Аремзянке. Там
он впервые увидел чудеса: на маленьком заводике самый обыкновенный песок пре-
вращался в прозрачное стекло.
Когда Дмитрий Иванович окончил Тобольскую гимназию, отца уже не было в жи-
вых. Мать отвезла младшего сына в Петербург и там исхлопотала ему возможность
на казенный счет учиться в педагогическом институте. Пока учился — много бо-
лел . Врачи решили — чахотка и приговорили его к ранней смерти.
По окончании института Менделеев уехал в Крым. На юге ему посчастливилось
встретиться с знаменитым медиком Николаем Ивановичем Пироговым. Тот осмотрел
юношу и сказал: "Проживешь до ста лет, нет у тебя никакого туберкулеза!"
Менделеев поверил Пирогову, вскоре вернулся в Петербург и прожил в тамошнем
нелегком климате, правда, не до ста, а до семидесяти трех лет — всегда в не-
престанной работе.
Позже его часто называли гением. "Какой там гений, — говорил он. — Трудился
всю жизнь, вот и стал гений!"
Трудился всю жизнь. Спускался в угольные шахты. Поднимался на воздушном ша-
ре. Исследовал нефтяные промыслы Кавказа и Америки, Хлопотал об открытии се-
верного морского пути. Учил студентов. Писал книги. Выводил на чистую воду
лжеученых...
Д. И. Менделеев.
Но главным делом жизни Менделеева стал открытый им закон природы: периоди-
ческий закон химических элементов.
...Про открытие законов природы сложено немало легенд. Про Архимеда, который
с криком "Эврика!п выскочил из ванны, обнаружив, что погруженное в воду тело
теряет в весе ровно столько, сколько весит вытесненная им вода. И про Ньюто-
на , открывшего закон всемирного тяготения, глядя на падающее яблоко. И про
Демокрита, предсказавшего атомы.
О великом открытии Менделеева тоже существуют разные рассказы.
Один из них называется:
Интервью
Репортер газеты "Петербургский листок":
— Как вам пришла в голову, Дмитрий Иванович, ваша периодическая система?
Менделеев:
— О-о! Господи!.. Да ведь не так, как у вас, батенька! Не пятак за строч-
ку! . . Не так, как вы! Я над ней, может быть, двадцать пять лет думал, а вы
считаете: сидел — и вдруг, пятак за строчку, пятак за строчку, готово! Не
так-с! Ну-с, все? У меня времени нет...
Другой рассказ — он известен со слов друга Менделеева, чешского химика
Браунера — называется:
Картонки
"Когда я начал писать мой учебник, я чувствовал, что мне необходима систе-
ма, которая позволила бы мне распределить химические элементы. Я нашел, что
все существующие системы являются искусственными, а потому непригодны для мо-
ей цели; я же добивался установления естественной системы. С этой целью я на-
писал на маленьких кусочках картона знаки элементов и их атомные веса, после
чего я начал группировать их различными способами соответственно их сходству.
Но этот способ не удовлетворял меня до тех пор, пока я не расположил картонки
одну после другой соответственно возрастанию атомных весов..."
Третий рассказ, проведенный в воспоминаниях геолога Александра Александро-
вича Иностранцева, называется:
Во сне
"Как-то я зашел к Д. И. Менделееву по какому-то делу и застал его в превос-
ходном настроении духа; он даже шутил, что было крайней редкостью. Это было
вскоре после его знаменитого открытия закона периодичности элементов. Я, вос-
пользовавшись этим благодушным настроением Дмитрия Ивановича, обратился к не-
му с вопросом, что натолкнуло его на знаменитое открытие. На это он сообщил,
что уже давно подозревал известную связь элементов между собою и что много и
долго думал об этом. В течение последних месяцев Дмитрий Иванович перепортил
массу бумаги с целью отыскать в виде таблицы эту законность, но ничего не
удавалось. В последнее время он усиленно снова занялся вопросом и по его рас-
сказу был даже близок к этому, но окончательно все-таки ничего не выходило.
Перед самым открытием закона Дмитрий Иванович провозился над искомою таблицею
целую ночь до утра, и все же ничего не вышло; он с досады бросил работу и,
томимый желанием выспаться, тут же в рабочем кабинете, повалился на диван и
крепко заснул.
Во сне увидел вполне ясно ту таблицу, которая позднее была напечатана.
Даже во сне радость его была настолько сильна, что он сейчас же проснулся и
быстро набросал эту таблицу на первом клочке бумаги, валявшемся у него на
конторке. Сделал на нем всего одно исправление и отправил в типографию. Воз-
можно, что этот клочок бумаги сохранился и до настоящего времени. Менделеев
нередко пользовался для заметок неиспользованными полулистками почтовой бума-
ги от полученных им записок".
Итак, по первой версии Менделеев открывал свой закон в течение двадцати пя-
ти лет, по второй — открыл его довольно быстро, когда начал писать учебник,
по третьей — вообще не открыл, а просто увидел его во сне.
А как было на самом деле?
ГЛАВА
ТРЕТЬЯ
Находки
в архиве
История науки знает поразительные примеры того, как человек, поверивший в
легенду, добивался желанного успеха. Шлиман, поверив в поэмы Гомера о подви-
гах древних ахейцев, раскопал в Турции Трою. Эванс, поверивший в миф о Тезее,
раскопал на острове Крите лабиринт. Совсем недавно люди, поверившие в сагу об
Эрике Рыжем, обнаружили остатки скандинавских поселений в Америке.
Советский историк науки академик Бонифатий Михайлович Кедров решил прове-
рить рассказы об открытии Менделеева.
Подробно препарировав по документам вековой давности каждый час, а где уда-
лось — и каждую минуту тех дней, Кедров изложил результаты этой проверки в
интереснейшем труде "Микроанатомия великого открытия". Это исследование дает
возможность шаг за шагом проследить за ходом менделеевской мысли.
Собственно, первый рассказ проверять было нечего. Все работы Менделеева,
начиная с магистерской диссертации, так или иначе, вели к открытию закона.
Менделеев изучал изоморфизм — способность разных элементов замещать друг дру-
га в одном и том же кристалле, не нарушая его первоначальной конструкции. И
искал ответа на вопрос: не связано ли это свойство с атомным весом элементов?
Потом он занимался изучением удельных объемов простых веществ, а удельный
объем — это атомный вес, деленный на удельный вес. Потом он занимался высшими
окислами, то есть такими соединениями элементов с кислородом, в которых эле-
менты используют полностью свою валентность — главное химическое свойство
атома, о котором у нас будет подробный разговор чуть позже.
Так что в первом рассказе все было верно: открытие явилось итогом многолет-
них трудов и раздумий.
А как же другие два рассказа? Картонки? Любовь Менделеева к писанию на сэ-
кономленной бумаге? И сон?
Вот это следовало проверить.
Все бумаги Дмитрия Ивановича Менделеева после смерти его в 1907 году были
собраны в старой квартире при Петербургском университете, где он прожил более
двадцати лет и сделал свое великое открытие.
В 1924 году в Ленинграде было сильное наводнение, почти как то, что описано
Пушкиным в "Медном всаднике". Нева разбушевалась, балтийские воды ринулись в
город. А университет стоит на самом берегу. Вода залила квартиру Менделеева,
и многие книги подмокли. Те, что остались сухими, служащие университета спеш-
но увязали в пачки вместе с разными документами и сумели сохранить.
Четверть века пролежали эти связки нетронутыми. Только после Отечественной
войны младшая дочь Менделеева Мария Дмитриевна, директор Менделеевского му-
зея , стала приводить все это имущество в порядок.
В одной из связок, которую она разбирала, оказались две таблицы элементов,
составленные самим Менделеевым. Первая — с множеством пометок, помарок и ис-
правлений , явный черновик. Вторая — чистовая, почти без исправлений.
Это были рукописные наброски самой первой периодической таблицы элементов,
отпечатанной в типографии отдельным листком 1 марта 1869 года (по новому сти-
лю — 13 марта) и в тот же день разосланной многим отечественным и иностранным
химикам. На чистовом листке была надпись на двух языках — русском и француз-
ском: "Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом
сходстве, И стояла дата 18 — 11/17 — 69, то есть 17 февраля 1869 года.
Долгие часы провел Кедров, внимательно разглядывая листки.
Черновик был сплошной головоломкой.
Серединка листка была почти такой же, как у чистовика, только элементы были
расставлены по атомным весам не в порядке возрастания этих весов, а в порядке
их уменьшения. Водород оказался слева внизу, а свинец справа вверху.
Но зато вокруг этой серединки — и выше ее, и ниже, и по бокам — царил ужа-
сающий беспорядок: одни символы и цифры были перечеркнуты, другие вписаны, во
многих местах стояли вопросительные знаки, некоторые надписи были совсем не-
разборчивы и непонятны.
* /lu / i hi 19
•*J<5
у
Л**ч
md *шг
-*•* * - ""fie *т ' *
**»
U // — ..у ,
"/*
ч
J
■и
/г, /I»
/У*
A// jkty./z+t
(ji/h ;£
Y-. &f
/jj*< },
fjfi*
<■' a/i и 4 (Mi,
-'.•*v. •'•
y/fv.
'Л(члф* * . /е.> **л * ф
2*А+-*к*4*А+ titй++ .
tf/. Л...
•'*,„.„£... /S«S
Г'' 7
Д. И. Менделеев. Рукопись «Опыта системы элементов, основанной
на их атомном весе и химическом сходстве». 17 февраля 1869 года.
Это напоминало, пожалуй, письменный стол во время работы. Он тоже посторон-
нему человеку может показаться хаотическим скоплением книг, рукописей, ящиков
с карточками, листков бумаги. Но на самом деле это вовсе не хаос. В этом бес-
порядке есть свой порядок, своя идея.
На листке как бы запечатлелся ход какой-то мысли. Вот, в нижней его части,
столбцы символов элементов с атомными весами. И все зачеркнуты, кроме одного
— "In". И около этого одного, незачеркнутого, стоит знак вопроса. Видно, Мен-
делеев так и не сообразил, что ему с этим "In" делать. А с остальными сообра-
зил? Очевидно, да, раз он их зачеркнул. Видимо, то, для чего он их выписал,
было сделано, и они теперь стали ему не нужны.
А не может ли статься, что именно на этом листке фиксировал Менделеев кар-
тину, которая получалась у него, когда он то так, то эдак раскладывал те са-
мые картонные карточки, о которых впоследствии рассказывал Браунеру? Похоже,
очень похоже на это...
Но с чего же начал Менделеев? С этого незачеркнутого "In"? Или с непонятной
надписи "несупоб" под символом тербия? Или с такой же непонятной надписи "Не-
взо"?..
Нет, с какого конца распутывать этот ребус, было неясно.
Второй листок, чистовой, ничем в разгадывании ребуса помочь не мог. Ведь он
был написан после того, как работа с черновиком была завершена. А помочь мог-
ла бы лишь находка того, что предшествовало черновику...
Впрочем... Впрочем, чистовик как раз и мог помочь — ведь на нем значилась да-
та!
Не все потеряно. Надо искать. Искать архивные материалы, помеченные той же
датой, тем же 17 февраля.
И начались поиски.
Документы менделеевского архива были подшиты не просто по времени их появ-
ления, а по темам. В одной папке лежали, например, бумаги, относившиеся к пе-
риодическому закону, в другой — к нефтяной промышленности, в третьей — к
сельскому хозяйству. Между прочим. Менделеев сельским хозяйством очень инте-
ресовался и в своей деревне Боблове ставил множество агрохимических опытов. И
вообще, поскольку Менделеев интересовался множеством предметов, то и папок
было множество. И в каждой могли оказаться какие-нибудь листки, относящиеся
именно к этому дню — 17 февраля.
Прошло немного времени, и Кедров держал в руках еще два документа, датиро-
ванных тем же числом.
Один был найден сотрудниками музея в собственноручно переплетенном Менде-
леевым первом издании "Основ химии" — того самого учебника, о котором Менде-
леев говорил Браудеру, что именно при его написании он и совершил открытие.
Найденный листок был испещрен символами химических элементов.
Вторая находка была в папке, отведенной бумагам по сельскому хозяйству; это
было письмо секретаря Вольного экономического общества Ходнева по поводу
предполагавшегося обследования сыроварен. Но главным было не само письмо, а
то, что написано было Дмитрием Ивановичем на его обороте.
Начало
Естественное разделение людьми всех вещей, в зависимости от их свойств, на
группы привело сначала к учению о четырех первоэлементах. В XIX веке понима-
ние природы вещей было куда более глубоким и детальным. И новое деление ве-
ществ на группы соответствовало этому пониманию.
Что существуют блестящие, ковкие металлы — золото, серебро, медь, олово,
платина и другие, — было известно очень давно. Теперь к ним прибавились новые
блестящие и ковкие элементы: никель, кобальт, алюминий, рутений и много дру-
гих.
Все эти вещества были словно в родстве. А некоторые из них казались совсем
близкими родственниками: например, натрий, калий и прибавившийся к ним в са-
мом начале века литий. Эти металлы были такие мягкие, что их можно было ре-
зать ножом. И соединялись с кислородом с такой жадностью, что отнимали его
почти у любого другого вещества. А их соединения с кислородом замечательно
легко растворялись в воде, образуя едкие щелочи.
Такая же группа похожих элементов была и среди неметаллов. Например, фтор,
хлор и бром, так же яростно соединявшиеся с водородом, как щелочные металлы с
кислородом. И соединения эти так же легко растворялись в воде. Только получа-
лись тут уже не щелочи, а сильнейшие кислоты.
Пожалуй, наиболее интересным свойством атомов, на которое химики обратили
особое внимание уже после смерти Дальтона, была так называемая атомность. Это
понятие было введено в 1853 году английским химиком Эдуардом Франклендом.
Сейчас вместо "атомность" химики говорят "валентность".
Франкленд изучал соединения металлов с органическими радикалами — частями
органических молекул, способными вести себя в реакциях подобно атомам. И об-
наружил , что натрий может присоединять к себе только один радикал. А цинк —
два радикала. Алюминий — три. По этому признаку, по числу присоединяемых ра-
дикалов или атомов, все сорта атомов как бы подразделялись на семь групп. И
тут родство некоторых элементов, заметное и раньше, выступило еще явственней.
Щелочные металлы — натрий, калий и литий — оказались одновалентными. Они
могли присоединить к себе только по одному атому. А галогены — фтор, хлор и
бром — были семивалентными.
Когда лавина элементов стала нарастать и возникла насущная необходимость
разобраться в родственных отношениях всех элементов, многие ученые предприня-
ли попытки построить единую систему элементов, положив и основу ее какое-
нибудь свойство.
Например, металличность. Скажем, брали один из наиболее активных металлов —
литий, натрий или калий — и ставили его первым, а последним ставили какой-
нибудь безусловный неметалл, например, фтор.
Но так систему построить не удавалось. Мышьяк, бор, титан, ванадии и множе-
ство других моментов оказывались какими-то промежуточными: в одних случаях
они вели себя, как металлы, в иных — как неметаллы.
Пытались взять за основу отношение элемента к кислороду и водороду. Тут все
было хорошо, пока речь шла об элементах со сравнительно небольшим атомным ве-
сом. А дальше начиналась путаница. Например, фтор с кислородом никак не желал
соединяться, но похожий на него йод делал это довольно легко.
Ничего не получалось и с валентностью. Одинаковая валентность была у таких
равных элементов, как калий, который сам собой загорается в воздухе, и золо-
то , отличающееся замечательной стойкостью.
Итак, попытки расположить в одном строю все элементы в зависимости от при-
сущих им химических свойств успехом не увенчались.
Но привели к успеху и первые попытки расставить все элементы по порядку их
атомных весов. Что это получалась за шеренга! Как забор из неподобранных по
размеру палок — одна длинная, другая короткая, одна толстая, другая тонкая.
Рядом оказывались, например, кислород, который поддерживает горение, азот,
который не поддерживает горения, и углерод, который сам горит. Такой порядок
был хуже любого беспорядка.
С чего начал Менделеев, стало понятным только после того, как в руки Кедро-
ва попало письмо, на обороте которого беглым быстрым почерком Дмитрия Ивано-
вича было набросано несколько химических символов, а выше всех, явно написан-
ные первыми, один под другим стояли "С1 и "К".
Хлор и калий. Соседи по весовому строю: атом хлора в тридцать пять раз тя-
желей атома водорода, атом калия — в тридцать девять. И — полная противопо-
ложность по химическим свойствам. Самые близкие и одновременно самые далекие.
Такого сопоставления не делал никто. Это было одно из самых неровных мест
строя. Это был узел.
Люди обычные ищут обходных путей, пытаются строить, пусть шаткие, но все же
мостки через пропасти и рвы, ищут пути полегче. Люди необычные идут прямо,
пропасти и рвы преодолевают прыжком, в жизни берутся за самое трудное.
По преданию, оракул обещал владычество над Азией тому, кто развяжет узел на
колеснице, пожертвованной в храм фригийским царем Гордием. И вот будто бы уз-
нал об этом Александр Македонский, вошел в храм, обнажил меч и разрубил гор-
диев узел.
Менделеев тоже ухватился за узел, чтобы его разрубить.
Третий
лишний
В тот день Менделеев очень спешил. На десять дней, начиная с 17 февраля,
получил он испрошенный в университете отпуск. Он должен был ехать в Новгород-
скую губернию, а затем в Тверскую губернию, а затем в Москву. Кроме обследо-
вания сыроварен, порученного ему Вольным экономическим обществом, он хотел
еще заехать в Боблово, повидать свое семейство.
Он только что получил почту и, завтракая, читал напутственное письмо секре-
таря общества.
Но, читая, он не переставал думать о своем. О неуловимой системе изменения
свойств элементов.
Он думал о ней уже много лет. Но сейчас система эта была нужна ему, как ни-
когда. Надо продолжать "Основы химии". Он рассказал уже о щелочных элементах
— о литии, натрии, калии. О чем писать дальше? О щелочноземельных, самых
близких к щелочным, — магнии, кальции, барии, стронции? А потом — о цинке,
кадмии? Или о меди, серебре? Нет, лучше все-таки о цинке и кадмии, они двух-
валентны, так же, как магний, как все щелочноземельные. Но тогда почему одно-
валентные, подобно литию и кадмию, медь и серебро должны пропускать вперед
двухвалентные элементы?
Где логика? Нет логики!
Верней, она есть, есть в точной последовательности атомных весов. Правда,
эта логика физическая, и она пока не считается с логикой химических свойств.
Конечно, похожее сразу бросается в глаза. Кто не знает, что щелочноземель-
ные элементы напоминают щелочные? А ведь они и по атомным весам следуют один
за другим. Близки, очень близки! Натрий 23, магний 24. Калий 39, кальций 40.
Но ведь не везде так. Значит, закон совпадения — изменяющийся закон?
А что, если зайти с другого конца? Поискать среди близких по атомным весам
не те, которые химически близки, а как раз наоборот?
Мысль была так парадоксальна, что Менделеев схватил карандаш и на первом
подвернувшемся клочке бумаги — на обороте только что полученного письма — за-
писал: "С1. А под символом хлора: "К" . Поднялся и с письмом в руке стреми-
тельно прошел в кабинет — благо он был рядом.
Он набросал на том же обороте письма несколько цифр, потом схватил листок
чистой бумаги и стал покрывать его символами и взятыми на память цифрами
атомных весов.
Но переставлять элементы с места на место на листке бумаги было неудобно.
Менделеев обвел взглядом кабинет, и взгляд его остановился на колоде карт —
он любил раскладывать пасьянсы, когда отдыхал.
Вот что ему нужно — карты. Не такие, конечно, а с символами элементов. Что-
бы их можно было разложить на столе и перекладывать с места на место.
Менделеев достал из ящика конторки пачку недавно отпечатанных визитных кар-
точек, отсчитал семьдесят штук, остальные отправил обратно в ящик, а выложен-
ные перевернул чистой стороной вверх.
Потом взял первый выпуск "Основ химии", открыл на страничке со списком про-
стых тел и начал проставлять атомные веса элементов. И переносить их на кар-
точки .
И вот уже первая карточка становится водородом, вторая — литием, третья —
бором...
Колода готова. Осталось только взять из стопки на столе еще один лист чис-
той бумаги, чтобы записывать, как ложатся карты.
О поездке уже не могло быть и речи.
Менделеев разделил все карточки на четыре кучки. В первую он собрал группы
элементов, сходство которых не вызывало у него никаких сомнений, а свойства
были хорошо известны — и атомный вес, и валентность, и характер сродства с
другими элементами. Таких карточек набралось двадцать семь штук: щелочные ме-
таллы — литий, натрий, калий, рубидий, цезий; галогены — фтор, хлор, бром,
йод; затем кислород и во многом схожие с ним сера, селен, теллур; затем сход-
ные по многим признакам азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут; еще семейство —
углерод, кремний, олово; еще похожие — магний, цинк, кадмий; наконец, явно
близкие — медь, серебро, ртуть. К последней группе можно было бы добавить еще
и золото. Но уж очень оно походило на платину и атомный вес почти такой же:
золото — 197, платина — 194.
Вместе с золотом, платиной и совсем уже близкими к платине палладием, роди-
ем, рутением, иридием и осмием он отложил карточки некоторых, недостаточно
изученных тяжелых элементов.
Третью кучку составили не очень ясные по своему родству, но более легкие
элементы, вроде бора, алюминия, кобальта.
И, наконец, в четвертую попали несколько совсем почти не изученных, недавно
открытых, чрезвычайно редких элементов, таких, как иттрий или, например, ин-
дий.
Теперь можно было строить таблицу, используя в первую очередь карточки из
первой кучки.
Менделеев взял первое семейство щелочных металлов и построил его в ряд.
Сперва самый легкий литий, за ним потяжелее — натрий, за ним еще более тяже-
лый — калий, потом еще более тяжелый — рубидий: последним встал самый тяже-
ленный — цезий, с атомным весом 133, недавно открытый Бунзеном и Кирхгофом,
но, несомненно, относящийся к этому семейству: жадность его к кислороду была
столь велика, что держать его можно было лишь в запаянном сосуде.
Под щелочные металлы Менделеев положил карточки галогенов. Так, чтобы один
под другим стояли соседи по атомному весу: под литий с атомным весом 7 ста-
вить ничего не пришлось — галогена с атомным весом легче 18 не существовало.
Этот самый легкий галоген фтор пришелся под натрием, хлор — под калием, бром
— под рубидием, йод — под цезием.
Точно так же, как калий и хлор, все остальные пары элементов были ближайши-
ми соседями по атомному весу и совершенными противоположностями по свойствам.
Если один в паре был одновалентен, то другой непременно семивалентен.
Дорога была правильной. Можно было двигаться дальше.
Кислород — под фтор, серу — под хлор, селен — под бром, теллур — под йод:
шестивалентные под семивалентными.
Теперь пятивалентные: азот — под кислород, фосфор — под серу, мышьяк — под
селен, сурьму — под теллур.
А висмут куда же? Над ним нет ни родственника кислорода, ни родственника
йода... Ладно, пусть пока стоит в одиночестве, без пары. Есть же еще элементы и
в других кучках! Может, какой-нибудь подойдет...
Не все ладно получилось и в следующем, углеродном семействе, которое встало
ниже. Здесь не нашлось подходящей пары для мышьяка. Углерод с атомным весом
12 расположился под азотом с атомным весом 14; кремний с атомным весом 28
расположился под фосфором с атомным весом 31. Везде разница в две-три едини-
цы: соседи! А под мышьяком с атомным весом 75 оказалась дырка.
Расставив остальные элементы первой кучки, многие из которых тоже оказались
без пар или без родственников, Менделеев принялся разыскивать места карточкам
из других кучек.
Он начал с семейства щелочных земель: тут похожие друг1 на друга элементы
оказались ближайшими соседями и по весу — кальций с атомным весом 40 встал
над калием с атомным весом 39, магний (24) над натрием (23), стронций (87)
над рубидием (85), барий (137) над цезием (133).
Правда, литий снова остался без пары. Вот уже все карточки выстроились по
порядку атомных весов в семь шеренг — но числу семейств элементов. И над ли-
тием оказался... бор, ничем не похожий на магний или кальций элемент, не двух-
валентный, как щелочноземельные, а трехвалентный, как алюминий. Что за стран-
ность?
Менделеев еще раз тщательно проверял начало таблицы. Литий, атомный вес 7,
одновалентный металл. Бор, атомный вес 11, вроде бы похож на металл, трехва-
лентен. Углерод, атомный вес 12, промежуточный элемент между металлами и не-
металлами, четырехвалентен. Азот, вес 14, неметалл, пятивалентен. Бериллий,
вес чуть больше 14, металл, трехвалентен. Кислород, вес 10, неметалл, шести-
валентен. Фтор, вес 19, неметалл, семивалентен. Натрий, вес 23, металл, одно-
валентен...
Стоп! С одновалентного натрия должна начинаться вторая семерка...
Натрий, вес 2 3, одновалентный металл. Магний, 24, металл, двухвалентен.
Алюминий, 27, металл, трехвалентен. Кремний, 28, промежуточный элемент, четы-
рех валентен. Фосфор, 31, неметалл, пятивалентен. Сера, 32, неметалл, шести-
валентна. Хлор, 35, неметалл, семивалентен. Калий...
Вторая семерка была образцовой — атомные веса шли один за другим без пере-
боя, и валентность у каждого последующего элемента увеличивалась ровно на
единицу.
Менделеев снова возвратился к первой семерке. Элементы здесь стояли непра-
вильно . И неправильностей было две. Первая: после одновалентного лития стоял
трехвалентный бор. Вторая: после пятивалентного азота стоял трехвалентный бе-
риллий .
Если первая неправильность была совсем непонятной, то вторая объяснялась
тем, что бериллий явно попал не на свое место. Не будь его тут, после пятива-
лентного азота шел бы шестивалентный кислород. И вообще азот и кислород такая
же пара, как другие элементы этих двух шеренг: фосфор и сера, мышьяк и селен.
А бериллий тут — третий лишний!
Как он попал на чужое место?
ГЛАВА
ЧЕТВЕРТАЯ
Берцелеус
или Авдеев?
Атомный вес бериллия — 14,1. Значит, его место между азотом и кислородом.
Но в таком случае нарушался строй всей первой семерки элементов. Получа-
лось, как в известном с давних времен анекдоте, когда весь взвод шел не в но-
гу , а в ногу шагал только один поручик.
Надо было к этому странному "поручику" присмотреться получше.
...С глубокой древности были известны и высоко ценились прозрачные, густо-
зеленые изумруды и зеленовато-голубые аквамарины.
А такие же по форме кристаллы, но бесцветные, называли "бериллами", от гре-
ческого слова "бериллос" — "блестящий", "сверкающий".
Изумруды и аквамарины вставляли в короны и скипетры царей, а бериллы знат-
ные римляне употребляли вместо очков или, точнее, вместо луп.
Во второй половине XVIII века, когда химики начали подвергать анализу все
природные минералы, этой участи не миновал и берилл.
Именно тогда удалось установить, что изумруд, аквамарин и берилл — это, в
сущности, одно и то же. Потому и форма кристаллов у них одинаковая. А разный
цвет зависит от ничтожных примесей других веществ: в аквамарине есть железо,
в изумруде — железо и хром.
Берилл.
Из чего же состоят эти драгоценные камни?
Считалось, что из глинозема — земли, из которой впоследствии был выделен
элемент глиний, позже названный алюминием, и из кремнезема — земли, из кото-
рой впоследствии был выделен элемент кремний.
И только в 1798 году француз Луи Никола Воклен открыл в берилле, помимо
кремнезема и глинозема, еще одну новую землю.
Она была очень похожа на глинозем. Но были у нее и кое-какие отличия — они
и помогли ее выделить. Например, в одной из мягких щелочей — в углекислом ам-
монии — глинозем ни за что не хотел растворяться, а новая земля растворялась
довольно легко. И еще: образуемые этой землей соли имели сладкий вкус.
По этому признаку Воклен и решил назвать открытую им в берилле новую землю
глициной — от греческого слова "гликос" или "глюкос", что означает "сладкий".
(От этого же греческого прилагательного образовано слово "глюкоза").
Но в то же примерно время был открыт элемент иттрий, и его соли тоже оказа-
лись сладкими. И шведский химик Экеборг предложил землю, полученную из берил-
ла, так и называть — берилловой.
У нас в стране выделенный из берилловой земли элемент долго именовался гли-
цием, глицинием, глицинитом и даже сладимцем. Но, в конце концов, как и в
других странах, его стали называть бериллием.
Из-за трудности отделения окиси бериллия от окиси алюминия (глинозема) бе-
риллий принято было считать родственником алюминия.
И раз алюминий был трехвалентным, считалось, что и бериллий тоже трехвален-
тен и что окись бериллия, подобно глинозему, имеет формулу ВегОз. И что хло-
ристый бериллий, подобно хлористому алюминию, имеет формулу ВеС1з. Так писал
известнейший химик первой половины XIX века швед Иене Якоб Берцелиус.
Правда, с Берцелиусом не соглашался русский химик Иван Васильевич Авдеев.
Он долгое время работал на Урале, богатом аквамаринами, изумрудами и берилла-
ми, и хорошо изучил их, а также сделал анализы сернокислого глиция и хлори-
стого глиция, и двойных солей глиция с калием. Авдеев доказывал, что чаще
всего глиций ведет себя подобно магнию, а вовсе не подобно алюминию. Но в За-
падной Европе не очень считались с исследованиями русских химиков. И мнение
Авдеева общепринятым не стало.
Менделеев эти работы Авдеева, опубликованные в том же "Горном журнале", в
котором была напечатана и первая статья Менделеева, знал и высоко ценил. И,
задумавшись о месте бериллия в таблице, он сразу же вспомнил об исследованиях
Авдеева.
Закон
есть
закон
А что если прав Авдеев, а не Берцелиус? — думал Менделеев. Если бериллий
действительно собрат не алюминия, а магния? Если он двухвалентен, а не трех-
валентен?
Ведь тогда и место ему будет не в шеренге алюминия, а в шеренге магния.
Менделеев убрал карточку с символом "Be" с ее прежнего места.
Теперь азот и кислород сомкнули ряды, и здесь восстановился такой же полный
порядок, как во второй семерке: после пятивалентного элемента с атомным весом
14 шел шестивалентный с атомным весом 16.
Но куда девать бериллий? В шеренге магния есть только одно незанятое место
рядом с литием. А с литием встать ему никак нельзя — бериллий с атомным весом
14,1 будет тогда стоять раньше бора, а у бора атомный вес всего 11 — на три
единицы меньше...
Впрочем, если уж верить Авдееву, так до конца!
Откуда взялся у бериллия его атомный вес — 14,1? Одно из определений было
таким. Разложили хлористый бериллий на бериллий и хлор. Взвесили и то и дру-
гое. Оказалось, на 35,5 грамма хлора приходится 4,7 грамма бериллия. Атомный
вес хлора известен — 35,5. Каков же атомный вес бериллия? А это зависит от
того, сколько атомов бериллия в одной молекуле соли. По Берцелиусу, в хлори-
стом бериллии на один атом хлора приходится три атома металла, как и в хлори-
стом алюминий. Значит, чтобы найти атомный вес бериллия, надо эти самые 4,7
умножить на три. Вот и получилось 4,7X3=14,1.
Но ведь по Авдееву, на один атом хлора приходится не три, как у алюминия, а
два, как у магния, атома бериллия. И тогда его атомный вес...
Менделеев перечеркнул на карточке бериллия цифры "14,1" и размашисто вывел
новые цифры: "9,4". И поставил карточку туда, где она должна была находиться
в соответствии с новым атомным весом, — между литием и бором.
Теперь эта семерка выглядела так. Первым шел одновалентный металл литий,
вторым — двухвалентный металл бериллий, третьим — трехвалентный промежуточный
элемент бор, четвертым — четырехвалентный промежуточный элемент углерод, пя-
тым — пятивалентный неметалл азот, шестым — шестивалентный неметалл кислород,
седьмым — семивалентный неметалл фтор.
Уже не одна семерка, а четырнадцать карточек подтверждали то, что Менделеев
предчувствовал, а именно — соответствие химических свойств атома его физиче-
ским свойствам.
Не простое соответствие, далеко не простое! Расположи элементы в один ряд —
и ничего не увидишь. Но вот так, когда стоят они в семь шеренг, видно, это
строй этот — естественный.
В самом деле, вот первый из четырнадцати, литий. Очень активный металл, на
воздухе он сразу покрывается рыхлой коркой окисла, а уже при слабом нагреве
воспламеняется. С водой дает едкую щелочь.
Второй, бериллий, тоже металл, но менее активный. На воздухе окисляется
медленно. И пленка окисла у него тоненькая, плотная. А чтобы воспламенить
его, нужен очень сильный нагрев. Раствор окисла в воде тоже имеет щелочные
свойства, но слабые.
Третий, бор, кое в чем еще проявляет металлические свойства, но в основном
ведет себя уже как неметалл. На воздухе, при нормальной температуре, не окис-
ляется совсем. Раствор окисла в воде почти не обнаруживает щелочных свойств,
чаще обнаруживает кислотные.
Четвертый, углерод, еще ближе к неметаллам. Соединение углекислого газа с
водой — это уже настоящая кислота, хоть и слабенькая.
Следующий, пятый в первой семерке элемент, азот — это уже типичный неме-
талл; правда, еще очень неактивный. С кислородом не желает вступать в соеди-
нения до тех пор, пока его как следует не разогреют — выше 1000 градусов! Но
с водой окись азота дает сильную азотную кислоту.
Куда более агрессивен шестой элемент, кислород. Вот уж неметалл так неме-
талл! С активными металлами он соединяется яростно, со взрывом. Только не-
сколько самых стойких, благородных металлов, вроде золота, платины, серебра,
не поддаются окислению.
Еще более активный неметалл — седьмой элемент, фтор. Он до такой степени
активен, так цепко соединяется с другими веществами, что в то время, о кото-
ром идет речь, его никто еще не сумел выделить в свободном виде.
Казалось бы, конструируй мир атомов человек, он сделал бы восьмой элемент
еще более активным неметаллом, чем фтор, но... на восьмом месте, рядом с фто-
ром, стоял натрий, такой же и даже еще более активный щелочной металл, чем
литий, с которого все началось. Круг замкнулся. А верней — с натрия элементы
пошли на второй круг.
Девятый, магний, был подобен второму — бериллию. Десятый, алюминий — треть-
ему, бору. Одиннадцатый, кремний — четвертому, углероду. И так вплоть до че-
тырнадцатого, хлора подобного седьмому, фтору.
Менделеев взглянул на пятнадцатую карточку. Это был калий. Опять скачок,
опять переход от медленного, постепенного изменения свойств к внезапному,
резкому, контрастному: от самого активного неметалла к самому активному ме-
таллу . Элементы уходили на третий круг.
Так вот каким оно было — долго скрывавшееся от людских глаз соответствие
между физическими и химическими свойствами атомов! Химические свойства зави-
сели от атомного веса, они изменялись в соответствии с его изменением, но не
однообразно, а периодически, сперва плавно, потом скачком, потом опять плав-
но , потом опять скачком и так далее.
Но скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается...
Пустые
места
Собственно, только эти пятнадцать элементов пока не портили общую прекрас-
ную картину.
Уже следующий за калием кальций, хоть и шел, подобно магнию, после очеред-
ного щелочного металла, но становиться в одну шеренгу с магнием и бериллием
не желал. Для того чтобы мало-мальски прилично расположить другие семейства
элементов — ванадия, ниобия, тантала или хрома, молибдена, вольфрама или ме-
ди, серебра, ртути — пришлось кальций, стронций и барий оторвать от других
щелочноземельных элементов — бериллия и магния — и поставить отдельно допол-
нительной шеренгой.
И при этом получалось, что между бериллием и магнием стояло семь элементов,
между магнием и кальцием тоже семь, а между кальцием и следующим щелочнозе-
мельным элементом стронцием — уже семнадцать.
То же самое получалось и со щелочными: литий от натрия и натрий от калия
отделяли семь элементов, а калий от рубидия — семнадцать.
Почему в одном месте семь, а в другом семнадцать?
Непонятно. Но хорошо уж и то, что через семнадцать повторялись все семейст-
ва, что они подчинялись какому-то пусть непонятному, но одному и тому же за-
кону.
Странно выглядело и положение первого, самого легкого элемента, водорода:
он стоял особняком. Рядом с ним, одновалентным газом, не было ни двух-, ни
трех-, ни четырех-, ни пяти-, ни шести-, ни семивалентных элементов, хотя от
атомного веса водорода атомный вес его ближайшего соседа лития отделяли шесть
единиц.
Это казалось странным потому, что между литием и его ближайшим соседом бе-
риллием разница в весе едва превышала две единицы. И разница между бериллием
и следующим за ним бором, между бором и следующим за ним углеродом, между уг-
леродом и следующим за ним азотом и далее тоже была примерно в две единицы.
Но водород еще не разрушал весь порядок. В конце концов его можно поставить
самым первым, как бы вывести за скобки. Правда, непонятно за что водороду та-
кая честь. Но подобные вопросы следовало пока отложить.
Можно было "закрыть глаза" и на некоторые неясности с малоизученными эле-
ментами .
Например, по скудным сведениям об эрбии, иттрии, индии, тербии, церии, лан-
тане, дидиме нельзя было судить об их химических свойствах. Их атомные веса
совпадали с атомными весами других, и притом достаточно хорошо известных эле-
ментов. Например, атомный вес у индия значился около 75. Но именно таков был
вес атома прекрасно изученного мышьяка. А эрбию приписывали атомный вес 56,
такой же атомный вес был и у железа, изученного еще более подробно, чем мышь-
як . Эти новые редчайшие элементы не входили в основные семейства и поэтому
они пока особенно не мешали. Придет время, их изучат получше, тогда все и ут-
рясется .
Но был элемент, который входил в одно из главных семейств, обязан был вхо-
дить по своим химическим свойствам, а вот по атомному весу не имел на это
права. Речь шла о теллуре — тоже довольно редком, но все же неплохо наученном
элементе. Очень похожем на селен, и вместе с ним входящем в одну семью с се-
рой и кислородом.
По своему положению в шеренгах он мог располагаться только в одном месте;
между сурьмой, принадлежащей к семейству кремния-углерода, и йодом из семей-
ства галогенов. Но вот бода: атомный вес сурьмы 122, атомный вес йода 127, а
вес атома теллура 128.
Что делать?
Менделеев поступил с теллуром точно так же, как еще раньше с бериллием —
поставил куда следовало, не считаясь с его общепринятым атомным весом.
Правда, для бериллия было некоторое основание: исследования Авдеева. А с
теллуром таковых не было, если не считать совершенно отчетливо проглядывающе-
го, несмотря на все огрехи и непонятности, закона природы. Закона, связываю-
щего скачкообразной, периодической зависимостью атомный вес элементов с их
химическими свойствами.
Закон есть закон!
В данном случае диктовали химические свойства, а вес... вес мог быть опреде-
лен неправильно.
Так же неправильно, по всей вероятности, определен был атомный вес редкого
металла тория, потому что такой же вес значился у достаточно распространенно-
го олова — 118.
Так или иначе, почти все карты нашли свое место. И символы элементов с их
атомными весами значились на листке черновика, окруженные со всех сторон все-
возможными пометками — следами размышлений и подсчетов.
Однако посередине таблицы зияла дыра — пустое место между мышьяком, цинком,
оловом, ураном, кремнием, алюминием.
Занять пробелы соседними карточками было невозможно. Если влево сдвинуть
стоящее справа от пустого места олово с атомным весом 118, то оно примкнет к
мышьяку с атомным весом 75 — явная несуразность. Не может стоять после мышья-
ка и кремний: его атомный вес всего-навсего 28. И олово и кремний могли за-
полнять пустое место только одной ценой — уничтожением последовательности
атомных весов элементов. Но тогда только что найденный закон превратился бы в
полное беззаконие.
А если пустое место заняли бы соседи не с боков, а сверху либо снизу?
Нет, и это уничтожало закон. Опустившись вниз, мышьяк из своего семейства
пятивалентных попадал бы в чуждое семейство, четырехвалентных. По той же при-
чине не мог подняться и цинк, Если бы мышьяк или цинк это сделали, то было бы
нарушено соответствие между атомными весами и химическими свойствами элемен-
тов .
Но не мог же строй элементов оставаться с пустыми местами!
ГЛАВА
ПЯТАЯ
Через
пропасть
Менделеев пристально разглядывал пустое место в таблице элементов. Собст-
венно говоря, это было не одно, а два пустых места: тут могли разместиться
как раз две карточки. Одна встала бы в шеренгу углерода после кремния, а дру-
гая — в шеренгу бора после алюминия.
Нужны были именно две карточки, потому что и в семействе углерода, и в се-
мействе бора не хватало третьего соседа. Так диктовала последовательность из-
менения химических свойств: не мог же сразу после кремния, настолько близкого
к неметаллам, что его двуокись в соединении с водой дает кислоту, идти такой
несомненный металл, как олово! Внутри семейства химические свойства элементов
всегда изменялись плавно. Ведь не шла же сразу после фосфора сурьма или сразу
после серы теллур. Нет, между ними стояли промежуточные по своим свойствам
элементы: в первом случае мышьяк, во втором — селен. Вот и в семействах угле-
рода и бора явно не хватало таких промежуточных элементов.
О нехватке именно двух элементов свидетельствовала и последовательность из-
менения атомных весов. Разница между ближайшими атомными весами в средней
части строя либо один, либо два, либо, в крайнем случае, пять, а между цин-
ком, атомный вес которого около 65, и мышьяком, атомный вес которого 75, раз-
ница в десять единиц? Что за пропасть? С чего бы это вдруг?
Менделеев еще раз перебрал карточки слабо изученных элементов. Но подойдет
ли сюда один из них? Но по отрывочным сведениям трудно было утверждать что-
либо определенное.
Если судить по атомным весам, то где-то в этом районе мог стоять индий.
Атомный вес у него считался чуть большим, чем у мышьяка, а надо бы хоть на
пяток единиц поменьше.
Или, может быть, иттрий? У него атомный вес 60, на пять единиц меньше цин-
ка , а надо бы как раз на столько больше!
Или эрбий... Правда, атомный вес у него будто бы 56...
Менделеев взял ручку и на полях черновика попытался пересчитать атомные ве-
са этих и некоторых других редчайших, малознакомых элементов. Но ничего нуж-
ного не получилось.
И все-таки с этой пустотой надо было что-то предпринимать! И он ставил туда
то одну, то другую карточку — из тех, что не нашли себе подходящего места. И
заносил их на черновик, заполняя тем самым пустоту в строю элементов. И снова
зачеркивал их символы двумя или тремя тонкими черточками.
В конце концов, он перечеркнул их на листке жирно-жирно, отказавшись от по-
пыток решить вопрос с помощью четвертой кучки слабо изученных элементов.
И стал думать о других, не таких зияющих, но все же, если приглядеться, за-
метных пустотах.
Первая — она уже и раньше бросалась в глаза — находилась между водородом и
литием: целых шесть единиц разницы, а дальше разница шла всего в две единицы.
Безусловно — пропасть.
Вторую пустоту он обнаружил после кальция. Атомный вес этого элемента был
40, а следующий атомный вес был 50 — у титана. И это в то время, как предыду-
щий, стоящий перед кальцием, калий отличался от него лишь на одну единицу. И
на такую же единицу отличался от титана стоящий за ним ванадий. Единица — де-
сятка — единица. Снова пропасть!
Не многовато ли?
И хорошо, что многовато! Была бы одна, это означало бы случайность. А раз
не одна, раз много — значит, не случайно, значит, закономерно, значит, нечего
и пытаться строить шаткие мостки, а надлежит шагнуть через пропасти?
И Менделеев сделал третий гигантский шаг.
Первый был — когда он поставил рядом калий и хлор. Второй — когда рассчитал
истинный атомный вес бериллия.
Теперь он взял две чистые карточки, на одной написал "? = 70м, на другой "?
= 68м и заполнил ими зияющую в середине таблицы пустоту.
Пустые места, пропасти между элементами — это еще на известные, но, безус-
ловно , существующие в природе сорта атомов. Это неоткрытые элементы!
Неплохо бы найти подходящие места и для нескольких редких элементов, чьи
атомные веса дублируют атомные веса других, хорошо известных. Но тут он был
бессилен. У него не хватало сведений: о тербии, например, Бунзен писал, что
его вообще не существует.
Менделеев снова наклонился над столом, придвинул к себе уже весь исписанный
лист бумаги, окружил на нем символ тербия жирным кружком и для памяти поме-
тил: "не су по б", то есть "не существует по Бунзену".
Потом начал зачеркивать символы других, таких же сомнительных элементов, но
на индии снова задержался, зачеркивать его символ не стал, а после минутного
раздумья написал перед ним: "невзо", то есть "не взошли", не нашли себе места
в таблице.
Все!
Менделеев встал с кресла, подошел к дивану, совсем уже без сил упал на него
и, как был, не раздеваясь, заснул.
Первое
подтверждение
Сколько проспал он так — час, два, три — не известно.
Известно только, что в тот же день он переписал черновик набело, поставил
на чистовике дату и отправил его в типографию.
А еще известно, что чистовик... не соответствовал черновику.
В черновике элементы были поставлены так, что их атомный вес уменьшался от
начала к концу. А в чистовой таблице наоборот. Словно кто-то скомандовал
строю элементов: "Кругом!"
Но кто это мог сделать в то время, когда автор таблицы спал? Или следует
поверить тому, что написал в своих воспоминаниях Иностранцев? Может быть, но-
вую таблицу элементов Менделеев и правда увидел... во сне?
Ничего сверхъестественного тут нет. Он спал — а мозг продолжал работать.
После напряженного творчества так бывает нередко...
И, проснувшись, Менделеев мог не делать исправлений в черновике, а прямо
набело переписал его так, как увидел во сне.
По сравнению с черновиком есть на этом листке с датой "17 февраля 1869 го-
да" еще несколько изменений. По-видимому, больше всего в последние часы и ми-
нуты этого дня размышлял Менделеев о пропастях, о пустых местах. И он запол-
нил еще четыре таких пустых места цифрами атомных весов неоткрытых элементов.
Одно — между водородом и литием, другое — между литием и бериллием (8) ,
третье — между натрием и магнием (22), четвертое — между кальцием и титаном
(45) .
Перед тем как отослать листок в типографию, Менделеев первое дополнение —
элемент между литием и водородом — зачеркнул.
Потом, через несколько дней, он распорядился убрать из таблицы и элементы с
атомным весом 8 и 22.
Все же остальное так и осталось, как было на листке с датой "17 февраля
1869 года".
Первого марта отпечатанный в типографии "Опыт системы элементов, основанной
на их атомном весе и химическом сходстве" Менделеев разослал своим коллегам —
российским и иностранным.
Разослав первый, во многом еще несовершенный "Опыт системы элементов", пер-
вую опытную конструкцию модели закона природы, согласно которому химические
свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомного веса,
Менделеев написал краткую статью о своем открытии для "Журнала Русского Хими-
ческого Общества" и отправился, наконец, обследовать сыроварни.
Но, конечно, отключиться от периодического закона он не мог. И во время по-
ездки, и после возвращения в Петербург, он продолжал уточнять и обосновывать
наметившиеся закономерности в отношениях между элементами.
Он понимал, что никакой научный закон не будет признан, если он ограничива-
ется объяснением уже известных фактов.
Даже закон всемирного тяготения, так замечательно объяснивший движение всех
видимых тел, не мог считаться доказанным законом природы, пока французский
астроном Урбен Жан Жозеф Леверье не предсказал на его основе, что неправиль-
ности в движении планеты Уран объясняются существованием еще не открытой пла-
неты, которая движется вокруг Солнца так-то и так-то, и пока немецкий астро-
ном Иоганн Галле не открыл эту предсказанную планету — Нептун — как раз в
предсказанном месте...
Собственно говоря, первые предсказания Менделеев сделал уже в ходе открытия
периодического закона.
Он предсказал, что атомный вес бериллия гораздо меньше, чем принятый иссле-
дователями, а именно превышает атомный вес водорода не в 13-14 раз, а пример-
но в 9. И что должны существовать еще неоткрытые элементы с атомным весом 45,
68 и 70.
Теперь следовало заняться этим подробно и тщательно.
Прежде всего, было ясно, что в атомных весах очень многих элементов царит
беспорядок. И в основном по той же причине, что привела к неправильному опре-
делению атомного веса бериллия.
Именно: многие химические элементы были еще плохо изучены. И конечно, хуже
всего — очень редкие и позже других открытые элементы — те самые, что "невзо"
в таблицу. А также, которые "взошли", но, тем не менее, выглядели в ней
странно. Например, уран.
Его окись прекрасно соединялась со щелочами, совершенно так же, как окись
хрома. Или как окись вольфрама. А вовсе по как окись бора или алюминия, в
родственники которым он попал из-за своего атомного веса.
Бор и алюминии — трехвалентные, а хром и вольфрам — шестивалентные. Так
что, если уран подобен хрому и вольфраму, а не бору и алюминию, то и он не
трехвалентен, а шестивалентен. И значит, принятый химиками атомный вес его
120 на самом деле надо помножить на два, и будет он тогда 240, и окажется
уран в таблице самым последним элементом.
И у многих из тех, которым вообще не нашлось в таблице места, на самом де-
ле , вероятно, другой атомный вес.
Ну, хотя бы торий. По таблице атомных весов Берцелиуса ему присвоен атомный
вес такой же, как у олова. Но недавно обнаружилось, что хлористый торий ле-
туч, как хлористый цирконий. И вовсе не похож на хлористый магний — вполне
прочную на воздухе соль вроде поваренной.
А ведь считалось, что ториевая земля подобна магнезии. Исходя из этого и
был установлен атомный вес тория. Его тоже надо бы удвоить. И тогда торий пе-
рейдет в конец таблицы и встанет далее свинца, перед ураном.
И с индием, и с церием тоже все станет ясно, если согласиться с тем, что
оба они сходны с бором и алюминием. Тогда атомный вес индия будет не 75, а
113, а церия — не 92, а 138, и разместить их в таблице будет довольно просто.
Менделеев был настолько уверен в открытом им законе, что не стал дожидаться
проверки предсказаний и внес новые атомные веса в таблицу элементов.
В последующем он усовершенствовал ее. Сдвоил ряды и больших периодах (начи-
ная с калия) и все периоды расположил не по вертикали, как ранее, а по гори-
зонтали. Такая таблица была гораздо удобнее и понятнее, чем первоначальная.
Менделеев назвал ее "Естественной системой элементов".
Прошло всего несколько месяце", и Менделеев получил известие о том, что
Бунзен опытным путем заново определил атомный вес индия. Он оказался равным
113!
Экабор,
экаалюминий,
экасилиций
Для Менделеева этого известия было вполне достаточно. Теперь он не просто
верил, а точно знал, что его "Естественная система элементов" по праву носит
свое название, ибо такова природа вещей.
Но согласно с ним мыслили в ту пору лишь несколько человек. А огромное
большинство людей, в том числе химиков, и не подозревали о свершившемся пере-
вороте. Должно было произойти какое-то очень заметное событие, чтобы люди из-
менили привычные взгляды на мир веществ, чтобы увидели, какой могучий новый
"инструмент" есть уже в науке и чтобы начали им пользоваться.
Ну, что такое исправление атомного веса? Сколько человек заметят такое про-
исшествие?
А вот открытие нового элемента — это событие. Об этом пишут все газеты.
И такое событие — из неожиданного и случайного — он, Менделеев, может сде-
лать теперь ожидаемым и закономерным.
Среди пустот, среди пропастей "Естественной системы элементов" более других
поражало отсутствие двух элементов, сходных с бором и алюминием. Первый из
них, более легкий, Менделеев назвал экабором, а второй, более тяжелый, —
экаалюминием. "Эка" — по-санскритски (древнеиндийски) означает "один". Так
что получалось что-то вроде: "еще один бор" и "еще один алюминий".
Но "Естественная система элементов" позволяла не только предсказать место,
на которое после открытия можно будет поставить в таблицу новые элементы. И
не только дать им названия, указывающие на их родственные связи с другими
элементами. Она позволяла довольно точно предсказать множество свойств этих
новых элементов.
Скажем, экабор.
Разумеется, Менделеев начал с атомного веса. Он проставил его еще в самой
первой таблице, в "Опыте системы элементов". Почему именно 45? Да потому, что
в очереди атомных весов экабор стоит между кальцием с атомным весом 40 и ти-
таном с атомным весом 50. А 40 + 50, деленные на 2, как раз и дадут 45. По
"Закону триад" Деберейнера.
В том, что это будет металл, больших сомнений быть не могло: уже бор обна-
руживал некоторые металлические свойства, алюминий, стоящий к экабору ближе,
чем бор, был настоящим металлом. Да и соседи справа и слева — кальций и титан
— тоже были металлами.
Что еще можно сказать об этом неведомом экаборе? Легкий это металл или тя-
желый? Удельный вес кальция — полтора. Удельный вес титана — четыре с полови-
ной. Экабор стоит между ними, значит — три. Немного потяжелей алюминия.
А что можно сказать про окись экабора? Как и глинозем, она будет состоять
из двух атомов металла и трех атомов кислорода. Будет нелетучей, неплавкой,
нерастворимой в воде — все кругом нелетучи, неплавки, нерастворимы.
И сам экабор будет нелетуч, так что спектроскопом его не ухватишь.
А вот другой не открытый пока элемент этого семейства — экаалюминий, скорее
всего, будет летуч. Ведь расположенные под ним индий и таллий были открыты
методом спектрального анализа.
Этот металл, с атомным весом, близким к 68, будет, конечно, еще более тяже-
лым, чем экабор, по всей вероятности, вдвое тяжелее его.
А как он будет плавиться? Поглядим... Медь, цинк, экаалюминий... Медь плавится
при тысяче ста градусах, цинк — при четырехстах двадцати... Если дело пойдет
так и дальше, то экаалюминий будет плавиться при температуре еще по крайней
мере в три раза меньшей, чем цинк. Это окажется один из самых легкоплавких
металлов!
Третий из явно пропущенных элементов — экасилиций. Сосед кремния, олова и
мышьяка, он должен был настолько же походить на них, насколько сам мышьяк по-
ходил на фосфор, сурьму и селен.
Плавкий, тяжелый металл. В сильном жару способный улетучиваться и окислять-
ся. Почти не действующий на кислоты, то есть не вытесняющий из них водорода.
Во многих соединениях он будет похож на расположенные неподалеку титан и цир-
коний , и потому, возможно, именно в их минералах его и следовало бы поискать.
Менделеев предсказал еще существование зкацезия и двицезия, эканиобия, эка-
тантала и экайода, двителлура, экамарганца и тримарганца.
Со времени открытия Исааком Ньютоном закона всемирного тяготения и до от-
крытия Иоганном Галле планеты Нептун прошло полтора столетия. Менделееву по-
везло больше. Через пять лет после выхода в свет первых выпусков "Основ хи-
мии" с изложением периодического закона Лекок де Буабодран открыл предсказан-
ный Менделеевым экаалюминий1. А через десять дет швед Ларе Нильсон открыл
предсказанный экабор2. А через пятнадцать лет немец Клеменс Винклер открыл
предсказанный экакремний3.
К этому времени атомные веса всех известных элементов были исправлены так,
что эти элементы спокойно могли занимать полагающиеся им в согласии с их хи-
мическими свойствами места в периодической таблице. Кроме теллура, атомный
вес которого превышал атомный вес йода. Хотя в соответствии с их принадлежно-
стью к семействам, теллур в таблице обязан был стоять раньше йода. Подобно
1 Галлий
2 Скандий
3 Германий
тому, как кислород стоял раньше фтора, сера раньше хлора, а селен раньше бро-
ма.
И еще — кроме кобальта. Правда, прежде считалось, что атомные веса у ко-
бальта и никеля совершенно одинаковы — 59, а, в конце концов, один из них
оказался чуть-чуть тяжелее. Но, к сожалению, тяжелей оказался не никель, а
стоящий перед ним кобальт.
А в 1894 году к этим двум элементам, не желавшим подчиняться общей дисцип-
лине , присоединился третий.
ГЛАВА
ШЕСТАЯ
Элементарен
ли азот?
О необычайной скромности Генри Кавендиша уже упоминалось. Когда через сто-
летие после смерти ученого заглянули в его архив, то обнаружили там открытия,
которые затем были сделаны заново другими исследователями. Например, закон
Кулона — о том, что сила взаимодействия двух зарядов обратно пропорциональна
квадрату расстояния между ними, — был открыт Кавендишем на двенадцать лет
раньше Кулона.
Кое-что выяснилось и о другом ранее неизвестном открытии Кавендиша. После
того как Даниел Резерфорд, израсходовав весь кислород на горение угля и оса-
див углекислый газ, обнаружил, что в сосуде остался азот, Кавендиш решил про-
верить , однороден ли этот оставшийся газ.
Проверял Кавендиш так. Он взял электростатическую машину, с помощью которой
можно было получать электрические искры — других источников электричества еще
не было, — и стал пропускать искры через воздух, обогащенный кислородом.
В том же сосуде Кавендиш поместил чашку с раствором едкого натра, чтобы по-
глощать образующиеся окислы азота.
Дело подвигалось крайне медленно, поскольку искры были слабенькие. Три не-
дели подряд крутил упорный лорд рукоятку машины, пока оставшийся в сосуде газ
не перестал соединяться с кислородом.
Инертный остаток составлял примерно сто двадцатую часть первоначального
объема газов.
Это было в 1784 году.
Через сто десять лет после этого опыта на тот же остаток наткнулись два со-
отечественника Генри Кавендиша — директор Кавендишской лаборатории Кембридж-
ского университета лорд Релей и профессор Лондонского университета Уильям
Рамзай.
Началось с того, что лорд Релей, измеряя плотность самых обыкновенных газов
— кислорода, водорода, азота, — столкнулся с непонятным явлением. У азота
оказались две разные плотности. Они отличались очень немного, но отличались
безусловно. Все дело было в том, откуда брался азот. Если из воздуха, то
плотность у него была чуть побольше. А если из какого-нибудь соединения — ам-
миака , или селитры, или азотной кислоты, — то чуть поменьше.
Ломал, ломал голову лорд Ролей и, наконец, обратился в почтенный журнал
"Нейчер" ("Природа") с просьбой посоветовать ему что-нибудь. Но я редакция
почтенного журнала не знала, в чем дело.
Услыхав о непонятных вещах, происходящих с обыкновенным азотом, да еще не
где-нибудь, а в одной из лучших лабораторий мира, Уильям Рамзай приехал и
Кембридж и сказал лорду Релею, что тут может быть только одна причина: в азо-
те из воздуха есть еще какая-то более тяжелая примесь.
Релей сначала не соглашался. Опыт Кавендиша был никому не известен. А пред-
положить, что может быть еще менее активный газ, чем азот, Релей не мох1. В
таблице Менделеева для такого газа места не было.
Но Рамзай настаивал. Он даже брался провести все необходимые исследования.
Релей согласился.
Рамзай поехал к себе в Лондон и взялся за дело. Он знал, что нагретый маг-
ний легко поглощает азот, и воспользовался этим свойством магния для того,
чтобы попытаться отделить от атмосферного азота более тяжелую примесь.
Сделал он так — взял трубку с медными стружками, раскалил и стал через нее
пропускать воздух. Стружки почернели, значит, кислород соединился с медью. А
все остальное Рамзан собрал в баллон.
Это все остальное он пропустил через известковую воду, чтобы она поглотила
углекислый газ, который всегда в небольшом количестве есть в воздухе. Извест-
ковая вода стала белой.
Теперь Рамзай взял магниевые опилки и бросил их в сосуд. И принялся этот
сосуд нагревать, чтобы связать азот с магнием.
Прошел час, другой, третий.
Рамзай измерил плотность оставшегося в сосуде газа: 16. Плотность азота
равна 14. Значит, в сосуде было что-то тяжелее азота.
Рамзай продолжал опыт.
Через три часа он снова измерил плотность газа — она возросла до 17,5.
Еще три часа — и плотность поднялась до 19!
Рамзай отделил газ от опилок и, крепко сжимая сосуд, поспешил к спектроско-
пу.
Так и есть — в спектре этого тяжелого газа ярко светились не известные у
других газов красные и зеленые линии. Новый элемент!
Несколько дней подряд раскалял Рамзай магниевые опилки в сосудах с азотом
и, когда собрал, наконец, чуть не сотню кубических сантиметров нового газа,
написал о своем открытии в Кембридж, лорду Релею.
Но пока Рамзай возился с магнием, лорд Релей тоже не дремал.
Не очень веря в успех, он все же решил провести собственные исследования.
Про магний он не знал — он был не химиком, а физиком, — поэтому он стал свя-
зывать азот старым испытанным методом сэра Генри Кавендиша. Тем более, что
электрический ток теперь получить было куда проще — существовали уже и акку-
муляторные батареи, и динамо-машины. И неделями крутить ручку уже не приходи-
лось .
И когда пришло письмо от Рамзая, у Релея тоже было накоплено немного такого
же самого газа.
Все лето они исследовали новое вещество, а 13 августа 1894 года доложили о
нем на съезде Британского общества естествоиспытателей в Оксфорде.
Они доложили, что газ этот еще более инертен, чем азот. Что с кислородом он
не желает соединяться даже под действием электрических искр. И с магнием тоже
не желает. И ни с какими другими веществами его тоже соединить не удалось. И
что в отличие от атомов других газов — водорода, кислорода, того же азота, —
его атомы не соединяются даже друг с другом. Они носятся не в виде двухатом-
ных молекул, как все прочие газы, а прямо так, поодиночке!
В какое семейство можно было определить этот сверхинертный элемент? Такого
семейства в таблице Менделеева не существовало!
И атомный вес был у нового газа престранный: чуть поменьше, чем у кальция,
и безусловно больше, чем у калия. То есть он хотел затесаться между щелочным
и щелочноземельным элементами. Худшего места нельзя было бы и придумать!
Когда британские естествоиспытатели выслушали все это, на съезде наступило
довольно долгое молчание.
Первым нарушил его физик Оливер Лодж. Он спросил:
— Не открыли ли вы, господа, и название этого газа?
Ни Рамзай, ни Релей о названии еще не думали. Только накануне они убеди-
лись , что этот газ существует в виде отдельных атомов, а значит, он действи-
тельно элемент, а не какое-нибудь сложное вещество.
Тогда председательствовавший на съезде доктор Медан предложил назвать новый
газ аргоном: в переводе с греческого это означало "недеятельный", или проще —
"бездельник".
Загадку, которую аргон задал науке, полностью разгадать удалось только че-
рез двадцать лет. И совсем другим людям.
Но наполовину ее разгадал тот же Рамзай. И довольно скоро.
"...Этот
красивый
газ"
Вскоре после съезда, на котором Рамзай и Релей доложили о своем открытии, в
Лондон приехал американский геолог доктор Гиллебранд.
Узнав об аргоне, он посетил Рамзая и рассказал ему, что недавно сам чуть не
открыл новый элемент. Он исследовал минералы, которые содержат редкий элемент
уран, и обнаружил, что все они при растворении в кислотах выделяют какой-то
весьма недеятельный газ. И он, Гиллебранд, заикнулся было, что это новый эле-
мент, но коллеги подняли его на смех. И действительно, газ оказался азотом.
— А в каком минерале этого азота больше всего? — спросил Рамзай.
— В клевеите, — ответил доктор Гиллебранд.
Клевеит, названный так по имени шведского химика Пера Клеве, — довольно
сложный минерал, состоящий в основном из окислов тория и урана. Откуда там
азот?
История эта показалась Рамзаю загадочной, и сразу после отъезда американца
он стал искать образец клевеита. Это оказалось не просто — минерал был открыт
недавно, встречался крайне редко, и вполне могло получиться так, что его не
нашлось бы во всей Англии.
Но Рамзаю повезло: у одного торговца минералами он обнаружил две унции кле-
веита. Рамзай выложил 18 шиллингов, вернулся в лабораторию и попросил своего
ученика Матьюса вскипятить минерал с серной кислотой и собрать выделившийся
газ.
Матьюс был человеком аккуратным и все сделал как следует. У газа из клевеи-
та оказался редкостный спектр! Ничуть не похожий ни на спектр азота, ни на
спектр какого-нибудь иного земного вещества. Яркая светло-желтая полоска в
нем была как две капли воды похожа да ту, которая 27 лет назад была обнаруже-
на в спектре солнечного протуберанца.
Гелий? Да, гелий!
Прежде всего Рамзай нашел атомный вес "небесного вещества". Он оказался ра-
вен 4. Следовательно, место гелия было между водородом и литием.
Как жаль, что Менделеев зачеркнул на своем листке и не внес в свои дальней-
шие прогнозы элемент, заполняющий эту брешь!
Рамзай продолжал исследование.
Он попробовал гелий поджечь. Но тот гореть не пожелал. И с водородом соеди-
няться — тоже. И с хлором. И с калием...
Теперь аргон не выглядел круглым сиротой, бродягой без роду, без племени.
Их было двое таких бездельников. Гелий стоял перед литием. Значит, аргон сле-
довало поставить перед другим щелочным металлом. Ближе всего по атомному весу
подходил калий. Значит — перед калием? Невзирая на то, что атомный вес у него
был не меньше, а больше, чем у калия?
Тогда по примеру Менделеева можно было кое-что предсказать, Например, что
перед натрием тоже должен находиться инертный элемент с атомным весом что-
нибудь около 20. (Помните зачеркнутое Менделеевым 22?) И что перед рубидием
будет открыт бездельник с атомным весом 84. А перед цезием еще один — с атом-
ным весом 131...
Осенью 1897 года Рамзай выступил в Канаде с докладом об аргоне я гелии. И
объявил, что существуют еще не открытые сопредставители той же группы. И что
"по образцу учителя нашего Менделеева", — так сказал в своей речи Рамзай, —
можно предсказать их свойства. И предсказал.
А уже в следующем роду, приготовив побольше аргона и охладив его до жидкого
состояния и постепенно выпаривая, нашел в нем всю недостающую троицу.
У всех трех были очень красивые спектры. Но особенно красивым оказался
спектр одного из них — в нем было множество ярко-красных линий, вся трубка с
газом светилась ярко-красным светом.
Как раз в это время в лабораторию вошел двенадцати летний сын Рамзая... Ко-
нечно, в наше время двенадцатилетние подростки не нашли бы в светящейся крас-
ным светом трубке ничего необычайного. Сейчас такую трубку можно увидеть ве-
чером на любой большой улице. Но тогда...
— Папа, — закричал сын Рамзая, — как зовут этот красивый газ?
— Еще не решено, — сказал отец.
— Он что — новый?
— Новооткрытый, — уточнил отец.
— Почему бы в таком: случае не назвать его "новум"?
— Не подходит. Это латынь, а полагается греческое слово... Впрочем, отчего бы
не назвать его неоном? Это по-гречески то же самое...
В отличие от историй о ванне, яблоках и прочих легендарных вещах и обстоя-
тельствах, сопутствующих открытиям, у этой истории довольно надежный первоис-
точник: она рассказана самим Рамзаем.
Других собратьев гелия и аргона назвали криптоном и ксеноном — от греческих
слов "скрытый" и "странный".
Неон встал в таблице Менделеева как раз перед натрием, криптон — перед ру-
бидием, ксенон — перед цезием.
Новое семейство — нулевая группа элементов — очень уместно выглядело именно
там, куда оно встало: между щелочными металлами, самыми активными из всех ме-
таллов , и галогенами, самыми активными из всех неметаллов.
Правда, с появлением нового семейства в таблице появился новый нарушитель
последовательности атомных весов — аргон.
Но, во-первых, он был не единственным нарушителем — до него уже были ко-
бальт и теллур.
А во-вторых, разве это был единственный вопрос, который ставил перед наукой
закон Менделеева?
Вопрос
вопросов
Это только вначале так кажется — взойди на гору, и все откроется как на ла-
дони.
С одной стороны, так оно и есть — с горы виднее.
Но с другой стороны, не совсем так, потому что перед взошедшим на гору рас-
ширяется горизонт. Линия, отграничивающая то, что мы видим, от того, чего мы
не видим, стала много длинней. И за каждой точкой этой границы есть неизвест-
ное.
С вершины открытого Менделеевым закона мир элементов был как на ладони.
Но почему он такой, этот мир?
Почему он начинается с водорода? Почему нет элемента легче? Или он еще не
открыт?
Почему он кончается ураном? Почему нет элемента тяжелое, или его тоже еще
не открыли?
Наконец, самый главный вопрос. Как образовались атомы разного сорта, если
атомы не могут превращаться друг в друга, если они неделимы и вечны?
Новые вопросы означали конец целой эпохи в познании природы вещей. Однако
новая эпоха еще не наступила. Невозможность превращения одних элементов в
другие в ходе химических реакций была многократно доказана, а никаких иных
реакции люди еще не знали.
ЧАСТЬ ЧЕТВЕРТАЯ. ОТРИЦАНИЕ ОТРИЦАНИЯ
ГЛАВА
ПЕРВАЯ
Порция
электричества
Алхимики "читали, что подобное соединяется с подобным. И если сера соединя-
ется с ртутью, то потому, что между ними есть какое-то сродство. Однако Ро-
берт Бойль в своем "Химике-скептике" утверждал обратное — лучше всего соеди-
няются как раз противоположные по своим свойствам вещества. Ведь всем извест-
но, как жадно соединяются кислоты со щелочами!
Эта идея Бойля получила подтверждение в XVIII веке, корда Гальвани и Вольта
научились делать батареи. Если в банку с раствором поваренной соли опускали
два угольных стержня и подключали их к полюсам гальванического элемента, то
на стержне, который был подключен к отрицательному полюсу, всегда выделялся
натрий, а на стержне, подключенном к положительному, всегда выделялся хлор.
Когда научились разлагать электрическим током воду, получилась такая же
картина: на отрицательном электроде непременно был водород, а на положитель-
ном — кислород.
Химики пытались понять, отчего одни элементы выделяются только на отрица-
тельном электроде, а другие на положительном. Уже давно было известно, что
одноименно заряженные тела отталкиваются, а тела, имеющие разноименные заря-
ды, притягиваются. Поэтому Берцелиус в начале XIX века объяснил поведение
элементов при электролизе так... Раз водород притягивается к катоду — отрица-
тельно заряженному электроду, — значит, сам водород заряжен положительно. А
кислород, который притягивается к положительно заряженному аноду, заряжен от-
рицательно .
Все элементы он разделил на электроположительные и электроотрицательные.
Положительные — те, что выделяются на отрицательном электроде. Отрицательные
— те, что выделяются на положительном.
А соединение одних элементов с другими Берцелиус объяснял следующим обра-
зом. Положительный водород притягивается к отрицательному кислороду, и полу-
чается вода. Положительный натрий притягивается к отрицательному хлору, и по-
лучается поваренная соль.
Это объяснение представлялось вполне логичным. Но вот однажды знаменитый в
те времена французский химик Жан Батист Андре Дюма был приглашен на королев-
ский бал.
Химик Дюма был к тому же сенатором и президентом Парижского муниципалитета,
поэтому в королевском дворце ему приходилось бывать не так уж редко. Но на
этот раз, едва успев войти и скинуть на руки лакею пальто, Дюма почувствовал
в воздухе королевского дворца что-то необычное. Чем-то он напоминал воздух
его собственной лаборатории.
Машинально взглянув в огромное зеркало и одернув полы парадного мундира,
Дюма потянул носом и удивленно покачал головой: откуда это во дворце короля
взялась соляная кислота?
Он поспешил наверх, в зал. Запах кислоты чувствовался там: еще сильнее.
Многие дамы принимали к глазам тончайшие платочки.
Дюма с подозрением оглядывался вокруг и наконец догадался: свечи! Ослепи-
тельно белые восковые свечи издавали удушливый запах.
Всю следующую неделю Дюма вместе со своими ассистентами корпел в лаборато-
рии , пытаясь установить, что произошло со свечами.
И установил: многие атомы водорода в молекуле воска заменились атомами хло-
ра, которым отбеливали воск. Когда свечи горели, хлор выделялся, тут же со-
единялся с атомами водорода — во влажном воздухе они есть всегда — и получал-
ся хлористый водород, который растворялся во влаге воздуха и превращался в
едкую соляную кислоту.
Эта история имела последствия не только для фабриканта, поставлявшего во
дворец свечи — ему было отказано от двора, но и для теории Берцелиуса, со-
гласно которой электроположительный водород никоим образом не мог быть заме-
щен в воске электроотрицательным хлором.
Деление элементов на положительные и отрицательные оказалось ошибочным. Со
временем установили, что сам по себе любой атом электрически нейтрален и лишь
в растворе или под влиянием других внешних воздействий может превращаться в
электрически заряженный ион, на который и воздействует электрический ток.
(Ион в переводе с греческого означает идущее, движущееся, это причастие на-
стоящего времени от глагола эйми — идти.) Но связь между атомами и электриче-
ством, между соединением и разложением разных веществ и притяжением и оттал-
киванием электрических зарядов была нащупана Берцелиусом правильно.
В тридцатых годах XIX века великий английский физик и химик Майкл Фарадей
сумел измерить самую маленькую порцию электричества, необходимую для переноса
иона натрия к катоду. Она оказалась в пятьсот миллиардов раз меньше одного
кулона. А ведь и сам кулон тоже не очень велик — это количество электричест-
ва, способное выделить из раствора азотнокислого серебра 0,001118 грамма дра-
гоценного металла.
Самое занятное заключалось в том, что одинаковая порция электричества была
связана и с одним ионом водорода, и с одним ионом натрия, и вообще — с одним
ионом любого одновалентного элемента. Но почему это так, поняли позже.
Лучи в
трубке
Майкл Фарадей, первым обнаруживший наименьшую порцию электричества, первым
обнаружил и свойство газов пропускать электрический ток.
А его современник немецкий математик и физик Юлиус Плюккер изобрел газо-
светную трубку.
Он брал обыкновенную стеклянную трубку, наполнял ее каким-нибудь газом, по-
том часть газа откачивал, а оба конца заваривал вместе с платиновыми прово-
лочками. Теперь стоило подвести к этим проволочкам, кончики которых торчали
снаружи, электрический ток — и вся трубка начинала светиться!
После смерти Плюккера опытами с газосветными трубками увлекся английский
ученый Уильям Крукс. Между прочим, это он открыл с помощью спектроскопа эле-
мент таллий с ярко-зеленой полоской в спектре.
Первое, что сделал Крукс — это попытался создать в трубке еще большее раз-
режение . И ему сразу же повезло: он увидел, как вблизи катода появилось тем-
ное пространство, которое постепенно заполнило всю трубку. И когда оно дос-
тигло противоположного конца, анод вдруг засветился зеленоватым светом.
Стоит отметить этот 1878 год — год рождения электроннолучевой трубки, самой
главной части наших телевизоров.
Однако до телевизоров было еще далеко... А пока что Крукс поместил трубку ме-
жду полюсами магнита. И тогда анод перестал светиться, и светящееся пятнышко
перескочило на стекло, отклонившись по направлению к положительному полюсу
магнита.
Это могло значить только одно: от катода несутся по трубке невидимые лучи,
представляющие собою отрицательное электричество!
Трубка Крукса.
Крукс продолжал опыты и через некоторое время узнал о катодных лучах уже
немало. Они распространялись прямолинейно, как солнечный свет. Они не только
заставляли многие тела светиться, но некоторые могли даже расплавить. Они
способны были проникать сквозь непрозрачные твердые тела. В воздухе они про-
ходили путь в семь сантиметров.
Так не вели себя никакие известные виды лучей или вещества. И Крукс понял,
что обнаружил новый вид материи.
Почему появляется темное пространства, когда газ в трубке становится более
разреженным?
Да потому, что теперь частицам лучистой материи приходится пролетать неко-
торое расстояние, прежде чем они столкнутся с каким-нибудь атомом газа и за-
ставят его светиться. Чем больше разрежение, тем дольше полет частиц до
встречи с атомами.
Что это за частицы?
Во всяком случае, не атомы, а что-то гораздо более мелкое...
В тысячу раз
легче атома
Скоро студентов будут привозить к нам в детских колясках!" — сказал прези-
дент Манчестерского Оуэнс-колледжа, узнав о приеме в университет четырнадца-
тилетнего Джозефа Джона Томсона. И тут же распорядился не принимать таких ма-
лолетних в университетские колледжи.
Однако Томсон с первого же курса стал забирать все стипендии, присуждаемые
за лучшие успехи в науках.
Когда ему было 19 лет, его первую работу опубликовали в "Трудах Королевско-
го общества". Когда ему было 24 года, он, блестяще выдержав экзамены на бака-
лавра, появился в Кавендишской лаборатории. Когда ему было 28 лет, один кем-
бриджский старожил заметил:
— Критические времена наступают в университете, если мальчики делаются про-
фессорами !
Двадцативосьмилетный Томсон был назначен преемником лорда Релея и возглавил
Кавендншскую лабораторию — крупнейший в миро центр физической науки.
Томсон много занимался электрическим током. У него не было сомнений в том,
что в газах, как и в жидкостях, заряды переносятся ионами. Но откуда они бе-
рутся в газах? Что превращает в ионы обычные нейтральные атомы азота пли ки-
слорода? Очевидно, напряжение, подведенное к платиновым проволочкам — элек-
тродам трубки...
Отклоняя полет ионов в трубке магнитом, Томсон заметил, что чем больше за-
ряд иона и чем меньше его масса, тем сильнее отклоняется он от прямолинейного
направления полета.
Сильней всего отклонялся магнитом ион водорода. Естественно — ведь его
атомный вес в четыре раза меньше, чем у ближайшего к нему элемента — гелия, и
в двести сорок раз меньше, чем у самого далекого — урана.
Томсон решил измерить массу частицы лучистой материи Крукса. Но для этого
следовало определить величину заряда такой частицы.
Наименьшая величина заряда иона в жидкости была известна — ее определил еще
Фарадей: одна пятисотмиллиардная часть кулона. Но никто не знал, какой будет
величина заряда у ионов в газах. А без этого Томсон не мог работать дальше.
Выручил его физик Чарлз Таунсенд.
Он вспомнил давно известный факт: когда при разложении раствора поваренной
соли выделяется хлор, то некоторые его частицы остаются заряженными и вокруг
них образуется туман. Такой же туман сгущается и вокруг выделяющихся частиц
водорода и кислорода при разложении током воды. Ионы притягивают к себе из
воздуха мельчайшие капли воды.
Таунсенд измерил вес одного кубического сантиметра такого тумана, и полный
его заряд, и вес одной капельки. И поделил вес всего кубического сантиметра
на вес одной капельки, узнав, таким образом, число капель в кубическом санти-
метре. А затем, поделив общий заряд кубического сантиметра на это число, он
получил величину одного наименьшего заряда иона в газе. И оказалось, что и в
газах наименьший заряд электричества тоже равен одной пятисотмиллиардной час-
ти кулона.
Фарадей мерил в жидкости. Таунсенд — в газе. Фарадей считал атомы натрия.
Таунсенд — капельки тумана. А получилось одно и то же число! Значит, и там и
тут действовала одна и та же порция электрического заряда, самый маленький,
можно сказать — элементарный, электрический заряд.
Еще в 1894 году, за три года до работы Таунсенда, английский физик Джонстон
Стони дал элементарному заряду имя — электрон. Он руководствовался идеей об
атомарной природе электричества, выдвинутой еще в 1881 году немецким естест-
воиспытателем Германом Гельмгольцем.
Тогда никто не мог доказать, что электрон — частица. Теперь у Томсона были
для этого необходимые данные.
Тем же магнитом, которым он отклонял ионы газов, он стал отклонять катодные
лучи. И они отклонялись в тысячу раз сильней, чем ион водорода! Значит, их
масса была, по крайней мере, в тысячу раз меньше массы самого маленького ато-
ма. Воистину тонкая материя!
Правильно считал Крукс: частицы лучистой материи, электроны, были совершен-
но иным видом вещества, чем атомы. Но откуда эти электроны брались?
Очевидно, из атомов, причем атомов любого сорта — ибо катодные лучи возни-
кали в любом газе, лишь бы он был достаточно разрежен.
Получалось, что атом вовсе не прост, что он состоит из электронов и еще из
чего-то. И это "что-то" должно было нести положительный заряд — ведь целый
атом оставался электрически нейтральным.
Как же мог быть устроен этот сложный атом?
Было предложено два варианта. Первый предложил сам Томсон. В круглом, поло-
жительно заряженном атоме сидят, как изюминки в кексе, отрицательные электро-
ны.
Второй вариант предложили сразу несколько ученых. Положительное "что-то"
находится внутри, а снаружи, вокруг него, как планеты вокруг солнца, кружатся
электроны.
Доказать, кто врав, а кто ошибся, удалось только через несколько лет.
Но сначала расскажем еще об одном свидетельстве того, что атом сложен.
ГЛАВА
ВТОРАЯ
Фраунгоферовы
линии
В рассказе о французском химике Лекок де Буабодране и об открытии галлия
уже шла речь о спектральном анализе. Этот замечательный способ исследования
не только привел к открытию нескольких прежде не известных элементов. Спек-
троскоп оказался инструментом, проникшим в глубь атома. Уже по одному этому
со спектральным анализом надо знакомиться подробнее. И начать это знакомство
лучше с фраунгоферовых линий.
Собственно говоря, фраунгоферовы линии первым обнаружил вовсе не Иозеф Фра-
унгофер, живший в последней трети XVIII и в первой трети XIX века, а его со-
временник Уильям Волластон. Но, в отличие от Фраунгофера, который всю свою
жизнь занимался оптикой, Волластон интересовался всем на свете, а более всего
химией, в которой он отличился открытием двух родственных платине химических
элементов — родия и палладия, а также физикой, ботаникой, медициной, минера-
логией и другими науками.
Изучая спектр солнечного света, то есть разложенный призмой на семь цветов
солнечный луч, Волластон заметил, что на спектре есть несколько резких темных
линий.
Это его очень удивило, однако, он не счел нужным далее заниматься этим
предметом. И наверное, справедливо, что черные полоски на солнечном спектре
не носят имени Уильяма Волластона.
Тот, чьим именем они были названы, родился в 1787 году в семье стекольщика
и до 14 лет не знал грамоты. Родители его умерли рано, и еще ребенком он по-
шел в подмастерья к шлифовщику стекол.
Так бы в безвестности и прошла его жизнь, если бы не обвалился дом хозяина.
В тот момент, когда почти бездыханного Йозефа вытаскивали из-под развалин,
проезжал мимо со своей свитой баварский принц.
Наследник престола изволил принять участие в судьбе мальчика и пожаловал
ему довольно много денег.
Иозеф неплохо распорядился ими, начал учиться, поступил в известную оптиче-
скую мастерскую в баварском городке Бенедиктбейерне, а затем стал ее владель-
цем . Его оптические приборы славились во всем мире.
Но истинную славу ему принесли наблюдения за открытыми Волластоном темными
линиями в солнечном спектре.
Линий этих Фраунгофер нашел и зарисовал великое множество — более пяти со-
тен. Располагались они без какого-либо порядка, пересекая радужную полоску
спектра во всех его частях — и в желтой, и в оранжевой, и в голубой, и в си-
ней, и в зеленой, и в красной, и в фиолетовой. Но каждая темная линия, сколь-
ко бы раз и когда бы ни смотрел на нее Фраунгофер — в любой час дня и в любой
месяц года — неизменно оказывалась на одном и том же месте.
Фраунгоферовы линии поглощения на фоне непрерывного
спектра фотосферы Солнца.
Фраунгоферовы линии поражали воображение. Физики, химики, астрономы не зна-
ли, что и думать. Откуда на ослепительном солнце могут браться какие-то чер-
ные линии? Если бы они двигались, если бы появлялись и исчезали, то это еще
куда ни шло — бывают же на солнце пятна. Но фраунгоферовы линии торчали в
солнечном спектре на одних и тех же местах.
Куда менее заметным для современников Йозефа Фраунгофера было другое его
открытие — на этот раз не в лучах солнца, а всего лишь в тусклом язычке пла-
мени обыкновенной спиртовки. В спектре этого пламени Фраунгофер обнаружил яр-
ко-желтую двойную линию — в том месте, где в спектре Солнца он всегда видел
такую же двойную, но только черную полоску. В 1814 году Фраунгофер опублико-
вал свое наблюдение, предоставляя коллегам возможность поломать голову над
этим необъяснимым совпадением. Сорок три года на это явление никто не обращал
внимания. В 1858 году английский физик Уильям Сван обнаружил, что двойная
желтая линия в пламени спиртовки появляется только тогда, когда в спирте или
и фитиле присутствует элемент натрий. Сван рассказал о своих опытах другим
физикам, написал статью — и на этом счел инцидент исчерпанным. Он не догадал-
ся , что совершил чрезвычайно важное открытие.
Впрочем, увидеть что-либо новое или необычайное — еще не значит открыть.
Есть люди, которые смотрят на вещи и события, но... не видят их. Таких, к со-
жалению, больше всего.
Другие многое видят, но не всегда понимают увиденное. Это уже нужные науке
люди.
Но больше других науке нужны те, кто не только видит явления, но и начинает
задавать им вопросы и заставляет их отвечать себе.
Волластон, Фраунгофер, Сван сумели увидеть загадочные явления. Но заставили
их рассказать о себе другие естествоиспытатели.
Задача с
натрием и
солнцем
В начале пятидесятых годов прошлого века в маленьком немецком городке Гей-
дельберге, знаменитом своим университетом, физик Густав Роберт Кирхгоф и хи-
мик Роберт Вильгельм Бунзен получили ответ на некоторые исключительно важные
вопросы, касающиеся фраунгоферовых линий.
Повторим вкратце условие задачи — то, что им было "дано".
В спектре пламени спиртовки иногда появляется двойная желтая линия.
Она возникает только в присутствии натрия.
В спектре Солнца есть точно такая же двойная, но темная линия.
Рассуждение Кирхгофа и Бунзена сводилось к следующему. Они предположили,
что желтая двойная линия в пламени спиртовки, появляющаяся только в присутст-
вии натрия, принадлежит не спирту, а натрию...
Кирхгоф, и Бунзен взяли кристаллик поваренной соли, раскалили его, и свет
раскаленных паров направили на призму спектроскопа. И получили первый ясный
ответ: на шкале спектроскопа появился сплошной, без каких-либо темных поло-
сок, спектр раскаленного вещества, и на нем виднелась та самая ярко-желтая
линия.
Предположение подтвердилось — это была линия натрия.
Дальше Кирхгоф и Бунзен рассуждали так. Если двойная желтая линия принадле-
жит натрию, то и находящаяся в спектре Солнца на том же месте двойная черная
линия могла бы тоже принадлежать ему. Что если при прохождении света от рас-
каленного натрия через более холодные пары того же натрия ярко-желтая линия
поглощается и в спектре остается как бы ее тень?..
Исследователи опять раскалили кристаллик поваренной соли, но преградили
путь его лучам к призме бледным язычком пламени спиртовки. И натрий ответил:
да, это так! Пары натрия в пламени спиртовки поглотили двойную желтую линию,
посланную парами натрия из кристаллика поваренной соли, и на спектре возникла
двойная черная линия.
Но если в спектре Солнца есть та же двойная черная линия, то не означает ли
это, что на Солнце происходит то же самое?
И они направили на призму спектроскопа одновременно два луча — луч Солнца и
луч от пламени спиртовки. На шкале спектроскопа появилась все та же двойная
черная линия. Тогда Кирхгоф и Бунзен поставили на пути солнечного луча непро-
зрачный экран — и на шкале, на месте двойной темной линии, засветилась ярко-
желтая...
Итак, ответы, полученные от природы, были такими:
■ двойная линия принадлежит натрию;
■ на Солнце есть натрий;
■ фраунгоферовы линии образуются раскаленными парами элементов, находящихся
на Солнце.
Но на основании этих трех ответов Кирхгоф и Бунзен сумели найти еще и чет-
вертый, самый важный: у каждого элемента есть в спектре свой, индивидуальный
набор линий.
Иероглифы
полос
Эта работа — в виде коротенькой заметки, всего две страницы — была обнаро-
дована в 1859 году.
А уже через год начались триумфальные открытия новых элементов с помощью
спектроскопа.
Спектральный анализ оказался замечательным методом исследований мира ве-
ществ, он вел от одного открытия к другому.
Но почему?
Не потому ли, что, не ведая того, люди проникли в заповедные глубины веще-
ства?
И еще вопрос: если спектры могут служить визитными карточками элементов,
атомов одного и того же сорта, то откуда их сложность, откуда эти многочис-
ленные полосы?
Сложные спектры намекали на то, что атомы устроены далеко не просто; даже у
самого легкого атома — водорода — в спектре оказались четыре темные полоски.
Но расшифровывать иероглифы спектральных линий еще никто не умел.
В 1885 году швейцарский учитель Йогам Бальмер заметил, что четыре линии во-
дородного спектра расположены не как попало, а в определенной математической
последовательности. И предсказал, что должны быть еще и другие линии, и вы-
числил, где именно — в видимой и в невидимом части спектра.
Эти дополнительные линии действительно нашлись.
В строгом порядке линий, свойственных спектрам элементов, угадывался смысл.
И хотя никому не удавалось перевести его на человеческий язык, стало ясно,
что атом не сплошной однородный шарик, каким он представлялся со времен Де-
мокрита .
Электрон свидетельствовал о том же самом.
Есть ли связь между темными полосками спектров и электронами атомов? И если
есть, то какая?
Знания, накопленные к 1896 году учеными, но позволяли получить ответ на во-
прос о строении атома. Но они свидетельствовали о том, что какое-то строение
у атома есть.
Надо было искать новые факты. И никто, конечно, не предполагал, что до их
открытия оставались считанные дни.
ГЛАВА
ТРЕТЬЯ
Первый
камень
В конце 1895 года пятидесятилетний профессор Вюрцбургского университета
Вильгельм Конрад Рентген, занявшись катодными лучами, с которыми уже лет два-
дцать работали десятки исследователей, обнаружил еще одни невидимые лучи. Они
появлялись в круксовой трубке — в том месте, куда ударялись катодные лучи,
представлявшие собой, как объяснил Томсон, поток электронов.
Если поток электронов врезался в анод, то новые невидимые лучи расходились
от светящегося анода. Если поток электронов отклоняли магнитом, и он врезался
в стекло трубки, то новые невидимые лучи расходились на светящегося пятна на
стекле.
Сперва Рентген думал, что это те же катодные лучи, только изменившие свое
направление. Но ничего подобного: они совершенно не отклонялись магнитом! И к
тому же проходили через непрозрачные предметы. И к тому же, оставаясь невиди-
мыми, засвечивали фотографические пластинки. Рентген сфотографировал руки
своей жены и гирьки, помещенные в закрытую деревянную коробку. Эти фотографии
— первые в мире рентгеновские снимки — вместе с отпечатанной десятистраничной
брошюрой "О новом роде лучей" он послал наиболее авторитетным физикам.
Один из конвертов прибыл в Париж, и его содержимое было оглашено на первом
же заседании Французской академии наук в январе 1896 года.
На этом заседании среди других французских ученых присутствовал профессор
Антуан Анри Беккерель — сын профессора Эдмона Беккереля и внук профессора Ан-
туана Сезара Беккереля, занимавшихся всю жизнь изучением фосфоресценции —
свечения разных веществ. Эти исследования продолжал и Анри Беккерель — быть
может, единственный случай, когда три поколения в семье изучали одно и то же
явление природы.
Беккереля, конечно, заинтересовала связь рентгеновых лучей с фосфоресценци-
ей. Если они появляются в фосфоресцирующем пятне, то не может ли давать такие
же лучи и какое-нибудь самосветящееся вещество? Такой вопрос возник совершен-
но естественно, и Анри Беккерель взялся за опыты, которые должны были на него
ответить.
Вильгельм Рентген и первый в мире рентгеновский снимок.
Опыты были очень простыми. Он брал способное к фосфоресценции вещество, ос-
вещал его солнечными лучами, а потом клал на фотографическую пластинку, за-
вернутую в черную бумагу. Для рентгеновых лучей черная бумага не была прегра-
дой, и если бы они возникли, пластинка непременно оказалась бы засвеченной.
Одно за другим ложились на черную бумагу разные вещества, а пластинки ниче-
го не регистрировали. Наверное, другой исследователь уже не раз бы махнул ру-
кой на это дело. А Беккерель продолжал опыт. И в одни прекрасный день, зафик-
сировав очередную неудачу, он достал очередное вещество — двойную сернокислую
соль калия и урана, — положил его на завернутую в черную бумагу фотопластин-
ку, открыл окно, чтобы ультрафиолетовые лучи попали на препарат, а потом за-
крыл окно и пошел в фотолабораторию проявить пластинку...
На заседании академии наук Беккерель объявил:
"Если взять фотографическую пластинку, обернуть ее двумя листками очень
плотной черной бумаги, а сверху положить какое-нибудь фосфоресцирующее веще-
ство (бисульфат урана и калия), выставить все это на несколько часов на солн-
це , а затем пластинку проявить, то на ней появится силуэт фосфоресцирующего
вещества".
Это был не такой уж частый случай двойной ошибки. Ошибочная гипотеза была
подтверждена ошибочным фактом. Фосфоресценция не имела к происшедшему ровно
никакого отношения, как не имели к нему отношения и рентгеновы лучи.
В этом сам Беккерель убедился уже на следующей неделе. Было пасмурно, солн-
це почти не появлялось, и препарат урановой соли облучению не подвергался. Но
фотопластинка продолжала исправно засвечиваться.
Другие вещества так себя не вели. И Беккерель уже на следующем заседании
академии смог доложить о своей ошибке и о пойманном виновнике — уране, по-
следнем элементе таблицы Менделеева. Это свое поразительное свойство уран
скрывал почти восемьдесят лет.
Разумеется, крайне интересно было бы выяснить, не испускают ли лучи и дру-
гие элементы?
Беккерель, работавший в музее естественной истории, проверял подряд все ми-
нералы. И вскоре убедился: некоторые из них засвечивают пластинку гораздо
сильнее, чем та первая урановая соль. Правда, и эти минералы тоже были урано-
выми — например, урановая смолка из Иоахимсталя в Чехии. Но ведь урана в ней
было куда меньше, чем в соли?
В чем же дело?
Беккерель обратился за помощью к своему другу физику Пьеру Кюри и его жене
химику Марии Склодовской.
Атомная или
космическая?
Мария Склодовская родилась в семье учителя физики в Варшаве. Окончив с зо-
лотой медалью гимназию, она уехала из Варшавы в глушь, работала гувернанткой
в помещичьих семьях, а заработанные деньги отсылала старшей сестре, чтобы та
могла получить высшее образование.
В двадцать четыре года — Томсон в этом возрасте был уже бакалавром — Мария
Склодовская впервые переступила порох1 университета. Она жила в ледяной комна-
те , питалась хлебом и водой — ни на что другое не было денег. И училась, учи-
лась , училась. Через четыре года она была уже вполне сложившимся исследовате-
лем...
Итак, Беккерель уперся в загадку: урановая смолка излучала сильней, чем
двойной сульфат урана и калия, хотя в соли было больше урана, чем в минерале.
Узнав об этом, Мария Кюри высказала предположение: уран в минерале излучает
сильней, чем уран в соли, по той же самой причине, по какой азот из атмосферы
казался тяжелей азота из аммиака или селитры. И там и тут эффект вызван при-
месью. В случае с азотом этой примесью оказался, как известно, более тяжелый
газ аргон. В случае с ураном надо искать другой сильно излучающий элемент.
Два года в дощатом сарае с бетонным полом и стеклянной крышей кипели в ог-
ромных железных баках кислоты и щелочи, выпаривались и фильтровались раство-
ры. Тысячи килограммов пустых пород из Иоахимсталя — отходов тамошнего урано-
вого производства — превращались в граммы, а затем и в миллиграммы солей. Всю
эту работу — работу целой фабрики — делали два человека: Мария и Пьер Кюри.
Два года трудов. Несколько десятых долей грамма добычи. Но какой! Не один,
а два новых элемента нашли супруги Кюри в урановых отходах. И оба новых веще-
ства оказались активней урана. Первый, обнаруженный летом 1898 года, они на-
звали полонием, в честь Польши, родины Марии. Второй — радием, от слова "ра-
диус" — "луч".
Мария и Пьер Кюри.
Особенно великолепен был радий, оказавшийся в миллион раз активнее урана. У
него удалось зарегистрировать лучи трех видов. Магнит действовал на них по-
разному. Одни лучи отклонял еле-еле, и притом к отрицательному полюсу. Оче-
видно, это были какие-то довольно тяжелые положительно заряженные частицы.
Другие лучи отклонялись посильней, примерно так, как катодные, и к положи-
тельному полюсу. По всей вероятности, это были электроны. Третьи лучи, пожа-
луй , напоминали рентгеновы — на магнит они не реагировали вовсе.
Три излучения названы были тремя первыми буквами греческого алфавита. Поло-
жительные — альфа-лучами, отрицательные — бета-лучами, нейтральные — гамма-
лучами .
Если бета- и гамма-лучи были похожи на уже известные излучения, то с луча-
ми, подобными альфа-лучам, люди прежде не встречались.
Когда Мария Кюри измерила их скорость, весь ученый мир пришел в изумление:
невиданные лучи неслись со скоростью 25 000 километров в секунду.
Не мудрено, что соли радия непрерывно выделяли громадное количество теплоты
— в четверть миллиона раз больше, чем при сгорании угля. В теплоту переходила
чудовищная энергия альфа-лучей. Откуда бралась энергия?
Этот вопрос вызывал еще большие споры, чем природа альфа-частиц.
Мария Кюри считала, что источник этой энергии находится внутри атома. Отку-
да же еще могли выстреливаться такие сверхскоростные снаряды?
Но это было лишь предположение, его следовало доказать.
А пока даже у Пьера Кюри было свое особое мнение: атомы урана, полония, ра-
дия — это как бы шлюзы, через которые в наш мир хлещет поток космической
энергии. Уран — шлюз поменьше, радий — самый большой шлюз.
Правда, что такое эта "космическая энергия", Пьер Кюри толком объяснить не
мог. Но объяснить, что такое "внутриатомная энергия", в то время тоже никто
бы не взялся!
Было ясно одно: наука впервые столкнулась с новым видом энергии, с новым
свойством некоторых атомов — непрерывно излучать энергию. Свойство это, на
которое случайно наткнулся Беккерель, Мария Кюри назвала радиоактивностью.
Новая
алхимия
Цивилизация и ее драгоценнейшее достояние — наука — создавалась силами все-
го человечества. На страницах этой публикации уже появлялись индийцы и китай-
цы, египтяне и греки, римляне и арабы, русские и немцы, французы, англичане,
поляки...
Теперь настало время для новозеландца Эрнста Резерфорда — уроженца острова,
находящегося на глобусе как раз на противоположной Англии стороне. Он родился
в маленькой деревушке Спринг Гроув, отец его был колесным мастером.
Эрнст Резерфорд окончил Новозеландский университет и в 1895 году приехал в
Англию, поступил работать в Кавендишскую лабораторию. Когда Томсон открывал
электрон, его ближайшим помощником в этом исследовании был Эрнст Резерфорд.
Как только первые вести об открытии Беккереля пересекли Ла-Манш, Резерфорд
занялся ураном и с тех пор всю жизнь работал с излучающими элементами.
Через некоторое время ему пришлось покинуть Кембридж и отправиться в Кана-
ду, затем он вернулся и получил лабораторию в Манчестере, затем стал преемни-
ком Томсона в Кавендишской лаборатории.
В 1899 году Эрнст Резерфорд сделал первое большое открытие.
Он работал тогда с торием, у которого Мария Кюри тоже обнаружила способ-
ность излучать. Вскоре Резерфорд установил, что торий ведет себя странно: из-
лучает то сильней, то слабей. Как только в лаборатории одновременно открывали
окна и двери, радиация ослабевала. Как только закрывали, радиация усилива-
лась.
Резерфорд быстро сообразил, что сквозняк что-то из лаборатории выдувает.
И действительно — сквозняк выдувал газ, который выделялся из торцевой соли.
А газ этот был тоже радиоактивным. Больше газа — больше поток излучений.
Меньше газа — меньше радиация.
Почти в то же время друг и помощник Марии и Пьера Кюри француз Анри Дебьерн
и немец Эрнст Дорн обнаружили, что такой же газ выделяется из радия.
Резерфорд собрал этот газ и исследовал его по всем правилам химической нау-
ки. Радиоактивный газ по своим химическим свойствам как две капли воды похо-
дил на инертные газы — гелий, аргон, неон, криптон и ксенон. Он был тяжелее
самого тяжелого из них — должен был занять последнее место в нулевой группе
естественной системы элементов. И по своим химическим свойствам ему было тут
самое место, и по атомному весу, и по новому свойству излучать, которое в
большей или меньшей мере проявлялось у всех атомов тяжелее свинца.
Эрнест Резерфорд.
Пока Резерфорд занимался открытым им элементом — впоследствии он был окре-
щен радоном, — Уильям Крукс натолкнулся на другое замечательное явление.
Крукс предпочитал сам проверять открытия. Он купил окиси урана и подверг ее
тщательной химической очистке, чтобы быть совершенно уверенным в чистоте пре-
парата. Очистив окись урана, Крукс положил ее на фотопластинку. И пластинка
осталась незасвеченнои! Выходило, что Беккерель ошибся, Чистый уран не излу-
чал.
Зато примесь, которую Крукс отделил от урана, — вот она излучала! Крукс на-
звал ее ураном-икс, и принялся изучать ее химическую природу.
Как только об атом узнал Беккерель, он немедленно стал проверять Крукса. И
выяснил, что Крукс прав.
Беккерель был способен на удивительные догадки. Через несколько дней после
этого опыта ему пришла такая мысль: что если очищенный уран лишь на время по-
терял свою активность, а теперь она снова появилась?
Беккерель положил ранее очищенный препарат урановой соли на пластинку и по-
шел в фотолабораторию. Пластинка оказалась сильно засвеченной!
Беккерель проделал то же самое с примесью. Странно, но теперь примесь пере-
стала засвечивать пластинку.
Они поменялись местами, как в бальном танце.
Об этом непонятном явлении Беккерель немедленно известил коллег-физиков.
Резерфорд, разумеется, повторил опыты Крукса — Беккереля с торием, и у него
получился торий-икс. По химическим свойствам он ничем не отличался от... радия.
И Резерфорд тоже наблюдал странный танец с переменой мест.
Не означало ли все это, что в тории, от которого отделили торий-икс, этот
"икс" появляется почему-то снова?
Тончайшие химические манипуляции — и вот в одном сосуде торий, совсем пере-
ставший засвечивать пластинку, а в другом сосуде возродившийся торий-икс, ра-
дий.
Но что значит — возродившийся? "Из ничего даже волей богов ничего не тво-
рится", не возродившийся — а родившийся!
Атомы одного элемента превратились в атомы другого элемента!
С этого момента началась эпоха "новой алхимии", нового утверждения идеи о
возможности превращения элементов.
Но мысль человеческая не шла по кругу, новое утверждение не означало воз-
врата к фантастическим представлениям искателей философского камня, Мысль шла
по восходящей спирали. Новые "алхимики" знали, из каких элементов состоят
сложные вещества, и понимали, что ни растворение, ни расплавление, ни возгон-
ка, ни соединение с другими элементами не могут заставить атом одного сорта
стать атомом другого сорта. Но теперь им был известен совершенно новый способ
взаимодействия вещества, при котором чудо превращения элементов происходило.
Новая эпоха только еще начиналась. Первые парадоксальные факты еще не рас-
шатали все огромное здание привычных представлений.
И потому, например, Беккерель, узнав о превращении тория, не спешил согла-
ситься с Резерфордом. Почему непременно превращение атомов? Может быть, пре-
вращение молекул? Может быть, действовали обычные химические силы?
Тогда Резерфорд поручил своему помощнику Фредерику Содди попытаться повли-
ять на ход этих превращений. Ведь на химические превращения, когда атомы со-
единяются друг с другом или, напротив, разъединяются, можно влиять. И Содди
заставил торий пройти сквозь огонь, воду и медные трубы всевозможных реакций.
Но торий, продолжая излучать, с завидным постоянством превращался в радий.
Впрочем, Резерфорд уже подозревал, что превращение и излучение есть, веро-
ятнее всего, один и тот же, единый, процесс. И появление альфа-частицы свиде-
тельствовало о превращении атома тория в атом радия.
Но предположение — это еще не доказательство.
Чтобы найти доказательства, надо было установить природу альфа-лучей.
Гелий из
тория?
Что же такое альфа-лучи?
Мария Кюри выяснила, что это несущийся с неимоверной скоростью ноток поло-
жительно заряженных частиц.
Но что это за частицы? На что они похожи? На электрон? Или на что-то иное?
Когда превращение более тяжелого тория в торий-икс, обладавший всеми хими-
ческими свойствами более легкого радия, стало свершившимся фактом, Резерфорд
задался вопросом: а что, если альфа-частицы — это какие-то очень легкие ато-
мы? Он вспомнил и о том, что знали все химики, — в урановых минералах всегда
есть гелий. Помните, как Гиллебранд принял его за азот, а Рамзай исправил
ошибку и выделил из редкого минерала клевеита солнечный газ?
Газ этот оказался чрезвычайно легким, всего в четыре раза тяжелей водорода.
И был вполне подходящим кандидатом на занятие должности альфа-частицы.
Теперь следовало определить массу альфа-частицы и сравнить ее с массой ато-
ма гелия. Задача была похожа на ту, что Резерфорд помогал решить своему учи-
телю Томсону — определение массы электрона. Нужно было отклонить поток альфа-
частиц в магнитном поле. Величина отклонения будет зависеть от заряда и массы
частицы. Чем меньше заряд и чем больше масса, тем трудней частицу отклонить:
ведь заряд это как бы локомотив, а масса — весь остальной поезд.
Но как у состава не может быть меньше одного локомотива, так и у заряженной
частицы не может быть меньше одного заряда.
А больше — может. Когда надо преодолевать сильный подъем, прицепляют в го-
лову состава не один, а два локомотива. Два заряда имеют, например, ионы маг-
ния.
Никто не мох1 сказать заранее, сколько зарядов у альфа-частицы. Резерфорд
предположил, что один заряд, как у электрона, как у иона водорода.
Когда поток альфа-лучей пересек магнитное ноле, они почти не отклонились. И
только в поле очень сильного электромагнита отклонение стало довольно замет-
ным, но все же в два миллиона раз меньшим, чем отклонение катодных лучей —
электронов, и вдвое меньшим, чем отклонение ионов водорода.
То есть альфа-частицы отклонялись так, будто они были вдвое тяжелей атомов
водорода, и это было очень плохо... Плохо потому, что атомы гелия в четыре раза
тяжелей атомов водорода. В четыре, а не в два.
Но что если не состав вдвое легче, а локомотив вдвое сильней? Ведь два за-
ряда будут тянуть атом учетверенной массы именно так, как один заряд — атом
удвоенной массы...
Резерфорд засел за расчеты. Ему нужно было вычислить полный электрический
заряд альфа-частиц, выстреленных граммом урана за секунду, и число атомов ге-
лия в этом объеме. И потом поделить полный электрический заряд на число ато-
мов .
И у него получилось — на каждый атом приходится ровно два заряда.
Но расчет расчетом. А вот сосчитать бы, сколько на самом деле выстреливает-
ся альфа-частиц!
О пользе
игрушек
Сэр Уильям Крукс, о котором читателю уже кое-что известно, вскоре после от-
крытия радия изобрел замечательный прибор. Поначалу он казался игрушкой. Это
не должно удивлять: ракеты, например, тоже долго служили в основном для игры
— праздничных фейерверков.
Придуманная Круксом игрушка была похожа на окуляр от бинокля. Небольшая
трубочка, сверху прикрытая лупой. А снизу — стеклянный экран, покрытый серни-
стым цинком — веществом, которое начинает светиться, как только на него попа-
дет излучение. В середине трубочки, между экраном и увеличительным стеклом,
торчала иголка, а на острие ее — невидимые атомы радия. Взялись они вот отку-
да: Крукс дотронулся копчиком иглы до внутренней стенки ампулы, в которой
раньше лежал кристаллик бромистого радия. Этого оказалось достаточно, чтобы
сколько-то миллионов атомов радия перебралось на иглу.
Приложив глаз к лупе спинтарископа — так называл Крукс свою игрушку (от
греческих слов спинтар — "искра" и скопейн — "наблюдать"), — можно было уви-
деть экран, на котором, как рой падающих звезд на ночном небе, вспыхивали и
гасли голубые искры. Каждая искра означала встречу альфа-частицы, вылетающей
из радия, с молекулой сернистого цинка.
Предназначалась игрушка для демонстрации необычайных свойств нового элемен-
та, открытого Марией и Пьером Кюри.
Разумеется, Резерфорд, как и все, кому удавалось заглянуть в спинтарископ,
был заворожен звездным дождем альфа-частиц. Но еще большее впечатление произ-
вела на него простота прибора, в котором было видно действие одной-
единственной альфа-частицы. Ибо это значило, что частицы можно считать.
Спинтарископ.
И Резерфорд вместе со своим помощником Гансом Гейгером принялся считать
альфа-частицы.
Это была изнурительная работа — без конца глядеть в окуляр, не проморгать
ни единой вспышки на экране. (Не проморгать в самом прямом смысле этих слов:
не моргнуть.)
Они считали, считали, считали не сотни, не тысячи, не десятки и даже не
сотни тысяч альфа-частиц. Миллионы!
Но зато, когда счет был закончен, и было подсчитано число атомов гелия, вы-
делившегося из радиоактивного препарата, и оба этих числа совпали, вот тогда
Резерфорд мог, наконец, со спокойной душой объявить: инкогнито альфа-частиц
раскрыто! Каждая альфа-частица — это атом гелия — вернее, его ядро.
Так игрушка Крукса оказалась первым в истории окошком, заглянув в которое,
человек мог воочию убедиться в существовании атомов.
С этого времени перестала существовать атомная гипотеза — атомное строение
вещества стало очевидным фактом.
...Итак, альфа-частица окапалась атомом гелия.
А бета-частица оказалась, как и предполагали, электроном.
Какие-то неведомые силы выбрасывали их из атомов всех тяжелых элементов,
стоящих в таблице Менделеева после свинца.
И когда какая-нибудь из этих частиц покидала атом, он сразу же становился
атомом другого элемента. Потеряв альфа частицу, торий становился радием, ра-
дий становился радоном, радон — полонием, полоний — свинцом. Потеряв бета-
частицу, актиний становился торием.
Как говорится, ясно и понятно.
Но недаром существует поговорка: "Нос вылезет — хвост увязнет".
Радий получался из урана, и из тория, и из актиния. И из каждого радия по-
лучался свой радон. Из каждого радона свой полоний. Из каждого полония свой
свинец... Вместо одного радия получалось множество радиев, вместо одного радона
— множество радонов, вместо одною свинца — множество свинцов. И все они, кро-
ме свинца, норовили превратиться друг в друга, И хоть химические свойства у
всех радонов или всех радиев были одинаковыми, атомный вес у них был разным.
И эта страшная путаница фактов грозила обрушить закон Менделеева, потому что
непонятно было, куда теперь ставить в таблицу эти одинаковые элементы с раз-
ным атомным весом.
ГЛАВА
ЧЕТВЕРТАЯ
Первый
залп
Прибор, в котором Эрнст Резерфорд стал обстреливать атомами гелия (альфа-
частицами) атомы других веществ, был похож на Круксов спинтарископ, только
побольше. В одном конце многометровой стеклянной трубы вместо иглы находилась
ампула с радиевой солью, а другой конец упирался в экран из сернистого цинка.
По трубе, как по пушечному стволу, несся в сторону цели пучок альфа-частиц.
А целью была тонкая металлическая пластинка — фольга, поставленная перед эк-
раном .
Листочек фольги, конечно, не в состоянии был задержать стремительные снаря-
ды альфа-частиц, и позади него на экране вспыхивали, как и в Круксовом спин-
тарископе , искры.
Уже во время первых опытов Резерфорд заметил, что вспышки несколько смеща-
ются от направления полета частиц. Отчего? Что могло заставить их отклоняться
от первоначального пути?
Конечно, только атомы металла, из которых состояла фольга!
Вот и было бы интересно посмотреть, как это зависит от атомного веса метал-
лов . Не совпадут ли величины отклонения с изменениями атомного веса?
В 1909 году Резерфорд поручил одному из своих лаборантов — Эрнсту Марсдену
— проверить это на листках разных металлов.
Марсден начал с золотой фольги. Он поместил золотую мишень перед экраном и
скоро увидел, что выполнить задание Резерфорда будет не так-то просто. Вспыш-
ки от вылетающих из круглого стеклянного дула альфа-частиц не образовывали на
экране четкого круга. Некоторые искорки вспыхивали далеко в стороне.
Марсден не раз налаживал и настраивал свой прибор, но вспышки никак не же-
лали оставаться в очерченном трубой кругу.
Он доложил о странном поведении альфа-частиц Резерфорду. Тот пришел, пона-
блюдал за вспышками и дал Марсдену не менее странное указание.
— Посмотрите-ка, не отражаются ли альфы-частицы от фольги.
И ушел.
Эрнст Марсден был всего-навсего двадцатилетним лаборантом. Но он понял: ес-
ли хоть одна альфа-частица отразится от фольги, то тем самым выявится нечто
совершенно невероятное. Потому что как это может тонюсенькая фольга отбросить
снаряды, летящие со скоростью двадцать пять тысяч километров в секунду?
Прошло несколько дней.
Марсден переделал прибор, установил дополнительные экраны и стал терпеливо
ждать.
И вот первая вспышка — не за фольгой, а перед фольгой!
Вот еще одна. И еще.
И снова пауза. И снова вспышка.
Марсден считал весь вечер и всю ночь.
На каждые восемь тысяч вспышек за мишенью появлялась одна вспышка перед
ней. Один из восьми тысяч снарядов фольга отказывалась пропускать и отправля-
ла обратно.
На следующий день Марсден заменил золотой листок медным, потом медный —
алюминиевым.
Он хотел выяснять, уменьшается ли число отраженных снарядов, если мишень —
из более легких атомов.
И выяснил — да, уменьшается, и довольно сильно.
Через несколько дней он сказал Резерфорду:
— Вы были правы, профессор...
Свинце:
контейнер
Схема опыта Резерфорда.
Событие произошло, его надо было объяснить.
Когда рикошетирует снаряд? В двух случаях. Либо — когда отскакивает от че-
го-то более прочного и массивного, чем он сам. Либо — когда встречается с ми-
шенью под очень большим углом, тут он может отскочить от чего угодно.
Но здесь не было снаряда, была альфа-частица. И летела она перпендикулярно
мишени. И не было брони, а была тоненькая фольга. И не было в этой фольге ни-
чего , кроме атомов.
Какими же они были, эти атомы, если семь тысяч девятьсот девяносто девять
снарядов пронзали их насквозь, а восьмитысячный отскакивал обратно?
К тому времени существовали две модели атома. Модель Томсона — кекс с изю-
мом, положительно заряженный шар, внутри которого находятся отрицательно за-
ряженные электроны. И планетарная модель — отрицательные электроны-планеты
вращаются вокруг положительного Солнца.
много
частиц
ЯДРО
Схема взаимодействия альфа-частицы с ядром.
Томсоновский атом не выдержал первого же залпа и рассыпался навсегда. В нем
не было ничего, что могло бы заставить снаряд отлететь обратно. Плавающие
внутри шара электроны? С таким же успехом горошина могла бы отбить пушечное
ядро: альфа-частица в восемь тысяч раз тяжелей электрона, и к тому же несется
с сумасшедшей скоростью.
Оставался лишь один возможный вариант строения атома. Резерфорд пришел к
нему после почти двухлетних размышлений. Положительно заряженное тяжелое яд-
ро . И на огромных расстояниях от него, подобно планетам вокруг Солнца, —
электроны. Почти пустой атом. Потому что ядро, в котором сосредоточена масса
атома, занимает ничтожное место — только так можно объяснить тот факт, что
семь тысяч девятьсот девяносто девять альфа-частиц проскакивали мимо. Такой
была единственно возможная модель, только такой атом мох1 вести себя под об-
стрелом так, как вели себя атомы фольги в опытах Резерфорда и Марсдена.
И Резерфорд был убежден, что атом устроен именно так. Но убедить в этом
других он не мог. И вот почему.
Еще в 70-х годах XIX века английский физик Джемс Максвелл доказал, что лю-
бое заряженное тело, двигающееся в электрическом поле, при изменении скорости
или направления теряет энергию, излучая ее в пространство. Электроны же, вра-
щающиеся вокруг ядра, были бы именно такими телами. И они должны были непре-
рывно излучать энергию. И весь запас их энергии постепенно бы иссяк. И они
обязательно упали бы на ядро. Так же обязательно, как обязательно падает в
конце концов на землю выпущенная из ружья пуля.
Электрон упал бы на ядро, и атом перестал бы существовать.
Но известным в то время законам природы планетарный атом Резерфорда не имел
права на существование. И в то же время опыт свидетельствовал непреложно:
атом ведет себя так, как будто он и есть такой несуществующий атом.
Получалось одно из двух: либо природа играла не по правилам, либо правила
были не по природе.
Третья
возможность
Она почти всегда существует — еще не известная, третья возможность: в запа-
се у Природы есть кое-какие правила, которым и подчиняется вновь обнаруженная
игра. В случае с атомом это означало, что законы для макромира — для тел ве-
личиной с атом и больших, чем атом, недействительны для микромира — для тел
меньшей величины.
...Закон для тел меньше атома был обнаружен берлинским физиком Максом Планком
в 1900 году, еще до того, как заговорили об атомном ядре. И тогда никто не
понимал, что с этим законом делать, к чему его приложить?
Макс Планк изучал спектры нагретых веществ. Давно было известно, что цвет
нагреваемого тела меняется: сперва он красный, потом желтеет, голубеет... В за-
висимости от того, сколько энергии получало нагреваемое тело, менялось и его
излучение.
Планк старался понять, как же именно распределяется энергия по разным излу-
чениям. И когда он собрал множество фактов, связанных с этим процессом, то
оказалось, что многим бесспорным данным невозможно найти объяснения, остава-
ясь на позициях, типичных для макромира.
Превращения в мире веществ нельзя было понять, пока не установили главное:
вещества состоят из минимальных порций — атомов. Превращения в мире излучений
тоже невозможно было понять, пока Планк не пришел к гениальной мысли: надо
отказаться от представления, будто энергия течет сплошным потоком, а предста-
вить себе, что энергия, как и вещество, делится на порции, и что излучение
состоит из минимальных порций — Макс Планк назвал их квантами.
Почему теплота, свет, рентгеновы лучи должны обладать зернистым, как гово-
рили в старину — корпускулярным, строением, никто не понимал. Кому и зачем
могли понадобиться эти минимальные порции энергии, было неизвестно. Известно
было одно: профессор Планк, изучая спектры, не смог свести концы с концами,
пока не предположил, что есть такая штука — наименьшая порция излучения —
квант.
Альберт Эйнштейн первый объяснил с помощью кванта одно из ранее непонятных
явлений. В то время, когда Планк ломал голову над спектрами, Эйнштейн еще
учился в институте. А потом стал преподавателем. В школе Эйнштейн проработал
всего два года: у него было множество собственных мыслей о природе вещей, и
ему хотелось найти такую работу, чтоб голова оставалась более или менее сво-
бодной для размышлений. А кому не известно, каково приходится учителям...
В 1902 году скромному двадцатитрехлетнему учителю Эйнштейну из маленького
городка Шафгаузен повезло: он получил место в столице Швейцария Берне, в па-
тентном бюро. Там, отработав положенные часы, можно было спокойно раздумывать
над устройством мира.
...Когда Альберт Эйнштейн прочел статью Макса Планка о квантах, то, поразмыс-
лив , он нашел этим квантам дело.
Давно было известно, что, облучив металлическую пластинку ультрафиолетовыми
лучами, можно возбудить в ней электрический ток. И что лучи меньшей энергии,
скажем, фиолетовые, сделать этого не могут. Это был твердо установленный, но
совершенно непонятный факт! Казалось бы, не все ли равно — пять минут облу-
чать ультрафиолетовыми лучами или пять часов фиолетовыми? Ведь можем же мы
испарить ведро воды и на спиртовке, и на керосинке, и на газовой плите — вся
разница только во времени. Но то, что получалось с испарением молекул воды,
никак не получалось с электронами. Что-то мешало!
Эйнштейн понял что: кванты. Один электрон выбивается из металла одним кван-
том... Ультрафиолетовый квант энергичней, чем фиолетовый, вот он и выбивает
электрон. А у фиолетового кванта энергии для этого не хватает.
Так в 1905 году появилась физическая теория, объясняющая, что обыкновенный
свет состоит из квантов — порций энергии разной величины. Величина энергии
зависит от длины волны. Чем короче волна, тем энергичней квант.
Теперь хорошо было бы узнать, откуда эти кванты берутся.
Бильярд
Бора
Нильс Бор родился в Копенгагене, в семье профессора филологии, и учился фи-
зике . Когда он узнал об атомном ядре, открытом Резерфордом, ему было 2 6 лет.
Он приехал в Англию и вскоре поступил стажером в лабораторию Резерфорда. Это-
му молодому датскому физику предстояло спасти планетарный атом Резерфорда.
Рассуждение Нильса Бора сводилось, в общем, к отказу считать всеобъемлющим
правило Максвелла, отрицающее существование атома с ядром, поскольку опыт
свидетельствовал, что такой атом есть. И поскольку, кроме всем известного и
понятного правила Максвелла, насчет излучений, уже существовало малоизвестное
и не очень понятное правило Планка о квантах. И это непонятное правило непло-
хо подходило к непонятному атому с ядром...
Если бы электрон непрерывно излучал, он упал бы на ядро. Но он не падает,
значит, он не излучает непрерывно. Уже потому не излучает непрерывно, что не-
прерывное излучение невозможно — оно делится на порции, кванты.
Но каким образом эти кванты излучаются электроном?
Основные, первоначальные, принципы теории строения простейшего атома водо-
рода Бор изложил в статье, опубликованной в 1913 году.
Чтобы более или менее наглядно представить себе обоснованное в этой статье
поведение электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, попробуем обратиться
к аналогии.
Разумеется, нельзя забывать, что наглядное представление о процессах внутри
атома вообще не может не быть грубо упрощенным. Аналогия же никогда не соот-
ветствует истинной картине — в лучшем случае, она лишь помогает понять ее...
Есть такая игра — один из видов бильярда: наклонная доска с круглыми гнез-
дами, по которой катятся металлические шарики. Чем ниже скатывается шарик,
тем трудней ему застрять в каком-нибудь гнезде. Ведь, снижаясь, он катится
все быстрей, потому что все большая часть потенциальной энергии превращается
в кинетическую, в энергию движения.
Так вот. В определенном смысле атомное ядро ведет себя, как наклонная дос-
ка, электроны — как шарики, а гнезда играют роль таких уровней, на которых
электрону "разрешено" находиться, не излучая. Попав в гнездо, шарик уже не
расходует на движение потенциальную энергию, а лежит себе и лежит. Попав на
один из разрешенных уровней, электрон уже не расходует на излучение запасен-
ную на прежнем уровне энергию, а спокойно движется вокруг ядра.
А излучает электрон только при перескоке с одного разрешенного уровня на
другой, более близкий к ядру. При этом излучается ровно квант энергии. Элек-
трон не может излучить, скажем, полкванта — ведь он не может прекратить свое
"падение" к ядру на полдороге, до следующего разрешенного уровня.
Если же нагревать атом или облучать его, то есть подавать в него энергию
извне, то электроны, поглотив эту энергию, перескочат с более близких к ядру
уровней на более далекие. Потом такой атом сможет отдавать энергию обратно:
электроны соскакивают пониже, и кванты излучаются в пространство. Если это
кванты видимого света, вещество начинает фосфоресцировать, светиться.
Как, например, устроен атом водорода? У него есть ядро, несущее один поло-
жительный электрический заряд. А вокруг него, как Луна, вращается электрон.
Но, в отличие от Луны, он может находиться не на одной-единственной орбите, а
на любой из нескольких разрешенных для него орбит. И перескакивая со ступень-
ки на ступеньку, сверху вниз, с одной разрешенной орбиты на другую, он должен
при этом отдавать разные порции энергии, разные кванты.
Вот откуда серия полосок в спектре водорода, обнаруженная некогда Бальме-
ром. У разных порций — разная энергия, значит, это разные фотоны — кванты
света: один, например, желтый, другой красный, третий фиолетовый, а четвертый
еще энергичней — он попадает в спектре в зону ультрафиолета.
...Люди обычно предпочитают, чтобы непонятные вещи объясняли им с помощью по-
нятных. Поэтому способ, которым никому не ведомый молодой датчанин решил спа-
сти непонятную конструкцию атома Резерфорда, не сразу пришелся по душе даже
физикам. Лорду Релею, например.
Но все же не один Резерфорд оценил гениальную идею Бора...
ГЛАВА
ПЯТАЯ
Всё становится
на свои места
Когда лавины новых поразительных открытий проносятся в мире науки, то спер-
ва кажется, что ничто не осталось на месте, все рухнуло. Но вот оседает пыль:
и разрушенными оказываются только предрассудки и заблуждения, а очищенный от
них мир истин становится еще более незыблемым.
Так получилось и на этот раз.
Раньше других этот новый прекрасный мир увидел сверстник Бора и ученик Ре-
зерфорда Генри Гвин Мозли.
О нем не очень много известно. Вероятно, потому, что на занятия наукой
судьба отпустила ему считанные годы. Летом 1910 года он окончил Оксфордский
университет и явился к Резерфорду. А летом 1915 года погиб от пули на войне —
в окопе, на берегу Дарданелл.
Ньютон прожил 85 лет, Бойль — 64, Ломоносов — 54. Лавуазье — 51 год, а Моз-
ли погиб примерно в том же возрасте4, что и Лермонтов...
Подобно Беккерелю, Мозли был сыном профессора и внуком профессора. Подобно
Кавендишу, он был фанатически предан науке. Его друзья рассказывали: у Мозли
было два рабочих правила. Первое — если начал налаживать прибор для опыта, то
нельзя останавливаться, пока он не будет налажен; второе — когда прибор нала-
жен , нельзя останавливаться, пока опыт не будет окончен. Мозли предпочитал
работать в полном уединении. Известна такая история. Резерфорд курил трубку,
и Мозли курил трубку. Трубка то и дело гаснет, и курильщики тратят уйму спи-
чек. У Мозли спички были всегда, и Резерфорд нередко заходил к нему, чтобы
зажечь свою потухшую трубку. Но так продолжалось недолго. Однажды, зайдя в
лабораторию, где трудился его молодой сотрудник, профессор увидел гору спи-
чечных коробков и надпись: "Пожалуйста, возьмите одну из этих коробок и ос-
тавьте в покое мои спички!"
Итак, судьба отпустила Генри Гвину Мозли совсем немного времени. Как же он
распорядился им?
Первый год изучал бега-лучи и гамма-лучи. Второй год — лучи Рентгена. По-
видимому, он выбирал, какой вид излучений может дать больше информации об
устройство атома. Замок шкатулки не открыть ключом от городских ворот...
Самые длинные электромагнитные волны — их длина от сантиметров до километ-
ров — работают в радиоприемниках. Волны покороче — длиной в миллиметр или в
его десятые доли — воспринимаются как тепло. Волны в тысячные доли миллиметра
можно увидеть — это свет. Еще короче невидимые ультрафиолетовые волны, от ко-
торых темнеет наша кожа. Но самые короткие волны у рентгеновых лучей — они и
сотни миллионов и миллиарды раз меньше сантиметра.
Когда Мозли определил длину волны у лучей Рентгена, он понял, что получил
наконец ключ к атому. Ведь у атомов именно такие размеры — в миллиарды раз
меньше сантиметра.
На третий год своей работы у Резерфорда Мозли занялся изучением рентгенов-
ского излучения разных металлов. Это явленно было обнаружено несколькими го-
дами ранее: если подводить к рентгеновской трубке все более высокое напряже-
ние, то длина волны рентгеновых лучей будет постепенно уменьшаться. Но только
до тех пор, пока не вспыхнет более интенсивное излучение, уже неизменное по
длине волны. И эта волна уже не зависит от напряжения, она зависит от мате-
риала, из которого сделан анод.
Рентгеновское излучение металла можно было, подобно свету, разложить и по-
лучить рентгеновский спектр металла.
Уже первые рентгеновские спектры, полученные Мозли, поразили ученого своей
простотой. Если на оптических спектрах даже самых легких металлов были сотни
полосок, то на каждом рентгеновском спектре была только одна серия из не-
скольких линий. А начиная с калия, появлялась еще одна серия линий; начиная с
рубидия — третья...
Такая простота сулила бесценные возможности для исследователя: одно дело
сравнивать между собой сложнейшие многолинейные оптические спектры, другое —
односложные рентгеновские.
Надо было поскорей набирать факты. Напылять на анод разные металлы, полу-
чать их рентгеновские излучения, фотографировать спектры.
Мозли почти не спал и почти не ел, не выходил из лаборатории по несколько
суток.
Через три месяца у него набралась обширная коллекция рентгеновских спек-
тров . И в один прекрасный день или, что при характере Мозли еще вероятнее, в
4 28 лет
одну прекрасную ночь, он разложил на столе эти фотографии.
Он разложил их в той последовательности, в какой металлы шли в периодиче-
ской таблице: под спектром титана располагался спектр ванадия, еще ниже лежал
спектр хрома, далее — марганца, железа, кобальта, никеля, меди, цинка...
И Мозли увидел замечательную картину: на каждой следующей фотографии серии
линий смещались влево примерно на одинаковое расстояние. То есть у каждого
следующего элемента собственное рентгеновское излучение состояло из лучей с
меньшей длиной волны, или, что то же самое, с большей частотой и, следова-
тельно , с большей энергией квантов.
Мозли стал подсчитывать, как возрастает эта частота, и получил удивительный
результат — частота излучения возрастала почти в точности пропорционально...
порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.
Почему?
Чтобы вонять это, надо было сначала найти ответы на некоторые другие вопро-
сы.
Генри Мозли.
Прежде всего Мозли установил, чем отличается свечение поверхности анода в
рентгеновской трубке от свечения атомов в спектроскопе.
Катодный луч рентгеновской трубки — это поток электронов, несущихся со ско-
ростью десятков тысяч километров в секунду. Его энергия несравнима с энергией
горелки, на которой раскаляют вещества в обычном спектроскопе. Сильнейший
удар катодных лучей способен вырывать из атома металла не только наружные
электроны, но и тот электрон, который находится ближе всего к атомному ядру,
а значит, притягивается к нему с наибольшей силой.
И на место, освобожденное этим электроном, падает электрон, который нахо-
дится на более далеком от ядра уровне. Во время такого перескока выделяется
порция энергии, которая и дает на рентгеновском спектре характерную линию.
Почему же эта линия у каждого элемента своя? Потому что соответствующие
порции излучаемой энергии разные. А почему порции разные? Потому что не оди-
накова сила, с которой атомное ядро притягивает ближайший к нему электрон.
Она тем больше, чем больше положительных зарядов в ядре.
Именно положительный заряд ядра и определяет место того или иного элемента
в периодической таблице, его порядковый номер в естественной системе элемен-
тов .
А раз так, то возрастание частоты линий рентгеновских спектров, которое вы-
зывается увеличением заряда ядра, должно быть пропорционально порядковому но-
меру элемента.
Итак, атомный вес был заменен другим признаком — зарядом ядра. И сразу же
стало ясно, что Менделеев расположил элементы в своей таблице правильно даже
в тех случаях, когда последовательность атомных весов нарушалась.
Спектры свидетельствовали: у кобальта 27 положительных зарядов, а у никеля
— 28. Объяснились и два других мнимых нарушения закона — теллуром и аргоном.
У обоих оказалось в ядре на один положительный заряд меньше, чем у следующих
за ними в таблице йода и калия.
Теперь можно было разобраться и в путанице с несколькими свинцами, радиями,
радонами и прочими элементами, получавшимися при радиоактивных превращениях.
Атомы разной массы, но с одинаковым зарядом ядра, надлежало относить к одному
и тому же элементу и помещать в одну и ту же клетку периодической таблицы.
Стал понятен и главный закон новой алхимии, названный законом сдвига: если
при распаде атома из его ядра вылетает альфа-частица, то заряд ядра уменьша-
ется на две единицы и, значит, номер элемента также уменьшается на две едини-
цы, то есть атом сдвигается в таблице элементов на две клетки влево; а если
из ядра атома вылетает бета-частица, электрон, то заряд ядра увеличивается на
единицу, порядковый номер — тоже, и элемент сдвигается на одну клетку вправо.
Фредерик Содди и Казимир Фаянс, сотрудники Резерфорда, открывшие закон
сдвига, дали атомам с одинаковым зарядом и разной массой название "изотопы" —
"занимающие одно и то же место" ("топос" по-гречески —" "место"; отсюда "то-
пография" — "описание местности").
Лавина прошла, унеся с собой непонятные исключения из периодического зако-
на . Теперь он звучал так: химические свойства элементов находятся в периоди-
ческой зависимости от зарядов их ядер. Вопрос о том, почему естественная сис-
тема элементов начинается с водорода, решился сам собой — заряд ядра атома
водорода +1.
И вопрос о числе электронов в каждом атоме был теперь ясен: раз атом ней-
трален, то есть его положительные заряды полностью уравновешиваются его отри-
цательными зарядами, значит, число электронов в нем равно числу положительных
зарядов. То есть у водорода должен быть один электрон, у гелия — два, у лития
— три и так далее.
Решился вопрос и о числе элементов от водорода до урана (ведь каждый новый
заряд ядра давал новый элемент), и о пропущенных, еще не открытых элементах —
теперь они были очевидными разрывами в непрерывной очереди зарядов, непрерыв-
ной очереди порядковых номеров.
Правда, оставалось неизвестным, почему система элементов заканчивалась ура-
ном, и заканчивалась ли она им на самом деле, или могли быть и другие — еще
не открытые элементы.
Кроме того, за полвека, прошедшие с момента открытия периодического закона,
появились новые вопросы, и самый волнующий из них был о том, что же такое
атомное ядро?
И не только потому, что неделимое оказалось делимым, а вечное — не вечным.
Куда важней было то, что в ядре атома таились какие-то огромные силы — те са-
мые, что разгоняли ядра гелия до скорости 25 000 километров в секунду.
Может быть, для человечества было бы лучше не задумываться над этим, не ис-
кать у природы ответа. Но стремление человека к разгадыванию тайн природы не-
одолимо . И сколько бы раз ни обжигались люди, они вновь и вновь летят на свет
истины.
И они заглянули в ядро и увидели, что там есть.
ГЛАВА
ШЕСТАЯ
Водородные
лучи
Для того, чтобы узнать, что находится в орехе, нужно разбить орех. Для то-
го, чтобы узнать, что находится в ядре, нужно разбить ядро. Или, обстреливая
альфа-частицами какие-либо атомы, посмотреть, что происходит не со снарядами,
а с мишенью.
Если обстрелять, например, атомы водорода, вчетверо более легкие, чем сами
альфа-частицы, то при столкновении альфа-частица должна была бы так толкнуть
водородный атом, что он должен был пролететь вчетверо дальше, чем она сама.
Резерфорд предложил Марсдену провести такой эксперимент.
И действительно, альфа-частицы отшвыривали водородные атомы, как бита от-
швыривает городок.
Но этим опытом Марсден не ограничился. Ему захотелось посмотреть, как будут
вести себя другие атомы, тоже легкие, но тяжелей водорода.
Проще всего было обстрелять альфа-частицами просто воздух, состоящий из
атомов азота и кислорода. Они примерно в полтора десятка раз тяжелей атомов
водорода, значит, и отлетать от удара альфа-частиц должны были не очень дале-
ко .
Марсден был прекрасным экспериментатором. Но тут произошла осечка. Как ни
очищал он воздух в приборе от водяных паров, все равно обнаруживались ядра,
летящие вчетверо дальше, чем альфа-частицы.
И Марсден выдвинул смелое предположение — эти водородные ядра несутся отту-
да же, откуда несутся альфа-лучи — из ядер радия.
Продолжению опытов с "водородными лучами" помешала первая мировая война.
Почти всех сотрудников Резерфорда — в том числе и Марсдена — забрали в армию.
Но когда война стала подходить к концу, Резерфорд начал планомерную охоту за
таинственным водородом. И в одном из опытов заменил воздух чистым азотом. Те-
перь в приборе было ровно на четверть больше атомов азота, чем в воздухе.
Резерфорд принялся считать вспышки на экране. И когда истекло положенное
время, оказалось, что и вспышек стало больше ровно на четверть — двадцать
пять лишних на каждую сотню.
Это значило, что водород вылетал из азота!
Это значило, что ядра атомов водорода входят в состав ядер атомов других
элементов.
И еще: не значило ли это, что Уильям Праут 100 лет назад верно угадал, из
чего состоят атомы?
Но за эти 100 лет люди узнали о природе вещей больше, чем за два тысячеле-
тия, прошедшие со времен Демокрита и Аристотеля. И потому Эрнст Резерфорд,
раздумывая о том, что он увидел, в конце концов пришел к выводам, которые
Прауту показались бы абсурдом. Касались они устройства атомного ядра.
...Как же устроено атомное ядро, если из него могут вылетать ядра водорода?
Ну, хотя бы самое простое после водородного — ядро гелия?
Оно в четыре раза тяжелей — следовательно, в нем четыре водородных ядра. Но
зарядов у него не четыре, а всего два. Не значит ли это, что четыре водород-
ных ядра удерживаются вместе двумя электронами, находящимися внутри ядра ге-
лия? В таком случае на два водородных ядра приходился бы один электрон. Но
если электрон может удерживать в одном ядре два водородных ядра, то тем легче
ему удерживать в ядре одно водородное ядро... И тогда получится удивительное
ядро, состоящее из ядра водорода и электрона — ядро, не имеющее заряда. Полу-
чится как бы нулевой атом — атом с пулевым зарядом ядра и, следовательно, без
электронной оболочки. Он не сможет химически взаимодействовать с другими ато-
мами . Но зато ни одно ядро не оттолкнет его. Идеальный снаряд для обстрела
ядер!
Так Резерфорд предсказал нейтрон — правда, еще не названный этим словом.
А самому водородному ядру, составной части всех прочих атомных ядер, Эрнст
Резерфорд и английский физик Оливер Лодж дали имя "протон", от греческого
"протеос" — "первичный, первоначальный".
Бериллиевые
лучи
Бериллий, тот самый элемент, что поначалу причинил столько беспокойств Мен-
делееву, в дальнейшем ничем особенно не выделялся. При добавлении его к меди
получали твердый упругий сплав — бериллиевую бронзу; вот, пожалуй, и все.
И вдруг немецкие физики Вальтер Воте и Ганс Беккер обнаружили бериллиевые
лучи? Они обстреливали листок бериллия альфа-частицами, и на экране никаких
вспышек не появилось, но золотые листочке электроскопа, стоявшего за экраном,
опали. Значит, что-то спокойно проходило через экран. Боте и Беккер попробо-
вали отклонить это "что-то" магнитом. Не вышло.
Бериллиевыми лучами заинтересовались французские физики Фредерик Жолио и
его жена Ирен Кюри, дочь Марии и Пьера Кюри. Они проверили сообщение немцев и
убедились — так оно и есть: под ударами альфа-частиц бериллий дает мощное из-
лучение без признаков электрического заряда. Они решили подставить под берил-
лиевые лучи водородную мишень. И сразу же обнаружили за ней поток ядер водо-
рода.
Ирен Кюри и Фредерик Жолио не читали журнала, в котором было напечатано
предсказание Резерфорда. И сами не догадались, в чем тут дело.
Но Джеймс Чедвик, который помогал Резерфорду расщеплять ядра азота и не раз
обсуждал с ним возможные последствия их алхимического эксперимента, понял,
что Боте и Беккер наткнулись на нейтрон. А 27 февраля 1932 года он подтвердил
это опытом.
В этот день стала известна вторая составная часть атомного ядра. Протон и
нейтрон — вот блоки, из которых природа соорудила атомные ядра; электрон в
этом случае был не нужен.
Ядро водорода? Один протон: масса 1, заряд 1.
Ядро гелия? Два протона плюс два нейтрона: масса 4, заряд 2.
Ядро урана? Девяносто два протона плюс сто сорок шесть нейтронов: масса
238, заряд 92.
Теперь, правда, затуманивалось дело с бета-лучами. Как могут вылетать из
ядер электроны, если их там нет, а есть лишь протоны и нейтроны?
Впрочем, появление бета-лучей можно было объяснить, предположив, что сами
по себе нейтроны способны в определенных условиях превращаться в протон, ос-
тающийся в ядре, и электрон, покидающий ядро.
А вот как объяснить, что за сила удерживает в ядре положительно заряженные
протоны? Пока считалось, что в ядре находятся протоны и электроны, можно было
думать, что отрицательные электроны склеивают положительные протоны электри-
ческими силами. Но если электронного клея в ядрах не существует, то что же
тогда противодействует отталкиванию одинаково заряженных протонов, что пре-
вращает их в монолит чудовищной прочности?
Это очень трудный вопрос, но мы забрались уже туда, где простых ответов не
знает никто.
В самом деле, что происходит, когда притягиваются два разноименных заряда?
Что их тянет друг к другу? Или — когда одноименные отталкиваются. Что их от-
таскивает?
В учебниках пишут, что притягивание и отталкивание — суть действия электро-
магнитного поля. Но что такое это поле? Не последний ли потомок последней
тонкой материи — эфира?
...Когда в 1923 году шведский король вручал Нобелевскую премию физику Роберту
Милликену за многочисленные успехи в изучении природы электричества, Милликен
сказал: "Я прошу вас выслушать ответ экспериментатора на основной и часто
предлагаемый вопрос: что такое электричество? Ответ этот наивен, но вместе с
тем прост и определенен. Экспериментатор констатирует прежде всего, что о по-
следней сущности электричества он не знает ничего".
А другой известный ученый Герман Вейль утверждал, что "...различие между обо-
ими видами электричества (положительным и отрицательным) представляет собой
еще более глубокую загадку природы, нежели различие между прошлым и будущим..."
ГЛАВА
СЕДЬМАЯ
Запрещенные
элементы
Последним из предсказанных Менделеевым элементов, который удалось открыть
обычным химическим путем, был элемент номер 75, или, по терминологии Менде-
леева , двимарганец.
Открыть его было чрезвычайно трудно.
Во-первых, выше двимарганца стоял в таблице еще один неоткрытый элемент —
номер 43, И потому о свойствах двимарганца нельзя было судить так, как о
свойствах зкасилиция (германия) по свойствам кремния и олова или о свойствах
экаалюминия (галлия) по свойствам алюминия и индия.
Во-вторых, находясь в восьмой группе элементов и считаясь аналогом марган-
ца , двимарганец на самом деле, как потом обнаружилось, походил на него мало.
И потому, сколько ни искали его в марганцевых минералах, так и не нашли.
Эту особенность элемента номер 75 удалось разгадать немецким химикам — суп-
ругам Иде и Вальтеру Поддан.
Но, пожалуй, слово "разгадать" неверно. Ида Ноддак рассказывала, что они с
мужем целый год по десять — двенадцать часов в день читали отчеты о всех ис-
следованиях всех соединений тяжелых элементов пятой, шестой, седьмой и вось-
мой групп таблицы Менделеева.
Они выяснили, как изменяются их свойства сверху вниз и слева направо. И по-
няли, что двимарганец должен во многом походить на осмий, рутений, молибден и
другие тяжелые металлы. И что надо искать его не в марганцевых минералах, а в
платиновых или в ниобиевом минерале колумбите.
Предположение подтвердилось. В 1922 году они обнаружили в русской платино-
вой руде новый окисел, а в 1926 году выделили из норвежского колумбита первые
миллиграммы нового металла — рения.
Между прочим, деньги на эти исследования Ноддакам дали владельцы электро-
ламповых заводов, которые надеялись, что металл, расположенный между вольфра-
мом и осмием, сможет заменить вольфрам в лампочках и будет служить дольше. К
двадцатым годам XX века менделеевскую таблицу знали уже все.
После того как клетка номер 75 была заполнена, внутри таблицы остались
только четыре пустые клетки.
Клетка номер 43 — над рением. Там было место предсказанного еще Менделеевым
экамарганца.
Клетка номер 85 — под йодом. Ее должен был занимать предсказанный Менделее-
вым экайод, самый тяжелый галоген.
Клетка номер 87 — под цезием. Менделеев называл этот элемент экацезием. Это
должен был быть самый тяжелый щелочной металл.
Наконец, клетка номер 61 принадлежала еще не открытому родственнику редкого
элемента лантана.
У всех этих, не обнаруженных пока еще, элементов была одна общая особен-
ность — та же, что у открытых последними европия (№83), актиния (№ 89), про-
тактивия (№ 91) и рения (№ 75), — элементы с нечетным номером, то есть с не-
четным числом протонов в ядре, дольше скрывались от исследователей. Почему
именно — никто не знал (это и сейчас еще не известно) . Но, так или иначе, а
то, что все неоткрытые элементы были нечетными, легкого успеха охотникам за
элементами не предвещало.
Возможные трудности усугубила еще одна непонятная закономерность, впервые
замеченная еще в 1923 году русским химиком С. А. Щукаревым и окончательно
сформулированная в 1934 году немецким физиком Маттаухом.
Они изучали атомы с одинаковой массой, но принадлежащие разным элементам.
После Мозли, объяснившего, что дело не в атомном весе, а в заряде ядра, такие
атомы никого не удивляли. Что из того, что у атомов ниобия, циркония и молиб-
дена может быть одинаковый атомный вес — скажем, 93? Ведь заряд у них разный,
значит, и число электронов разное — у ниобия 41, у циркония 40, у молибдена
42. И ведут себя эти атомы одного веса совсем по-разному.
Но вот что обнаружили Щукарев и Маттаух. Среди таких одинаковых по атомной
массе атомов разных элементов не может быть двух стабильных, нераспадающихся
соседей. Например, если цирконий-93 стабилен, то ниобий-93 радиоактивен. А
вот следующий за ниобием молибден-93 опять может быть стабильным.
И когда приложили это правило к недостающим элементам № 43 и № 61, то выяс-
нили досадную вещь: у обоих были стабильные соседи такого же атомного веса,
как они. Значит, нераспадающихся атомов этих неоткрытых элементов существо-
вать не могло. Атомы двух других искомых элементов — №85 и №87— не могли
не распадаться потому, что все элементы тяжелее 82-го распадались. Так что
всех четырех неоткрытых элементов могло просто не остаться на свете!
Труднее всего было поверить, что не удастся обнаружить легкий элемент под
№43. Но что поделаешь! В таблице Менделеева он находился между молибденом
(атомный вес 96) и рутением (атомный вес 101). Значит, атомный вес неоткрыто-
го экамарганца мог быть только 97. 98, 99 или 100. Но у молибдена были найде-
ны стабильные изотопы с атомным весом 96, 97, 98 и 100. А у рутения — 99, 101
и 102. Поэтому места для нераспадающегося экамарганца просто не оставалось.
Странно, но факт!
Тем не менее, молодой итальянец Эмилио Сегре, знавший все это, начал в 1936
году охоту именно за экамарганцем.
Искусственный
элемент
Сегре прекрасно понимал, что на природные минералы ему рассчитывать нечего.
Раз до сих пор экамарганец никому не попался, раз все сообщения об открытии
новых элементов в марганцевых минералах неизменно оказывались ошибочными,
значит, если он когда-нибудь там и был, то весь уже распался.
Точно так же нечего было рассчитывать, что экамарганец мог образоваться при
естественном распаде урана, тория, актиния и других радиоактивных элементов.
Там дело всегда кончалось свинцом — элементом № 82. А среди промежуточных не-
устойчивых ядер — таллием, элементом № 81. От номера 81 до номера 43 было
слишком далеко.
Нет, на природу Сегре не рассчитывал. Он рассчитывал на циклотрон.
...Во времена, которые уже в эпоху Демокрита и Аристотеля, вероятно, счита-
лись древними, существовало такое оружие — праща. Веревку складывали вдвое, в
петлю закладывали камень, раскручивали веревку с камнем и, раскрутив, отпус-
кали один конец — камень с силой летел вперед...
Американский физик Эрнест Лоуренс придумал, как закрутить заряженную части-
цу магнитами, чтоб она, летя по кругу, набирала скорость. И как потом бросить
ее в мишень. Там, где ускоренные в циклотроне частицы вылетали по касательной
наружу, Лоуренс поставил на их пути массивную металлическую пластину — зуб.
Большинство частиц, ударяясь о скошенную грань зуба, отражалось в нужную сто-
рону . Но некоторые частицы проникали внутрь зуба и, конечно, разогревали его.
Поэтому зуб приходилось делать из очень тугоплавкого металла. Лоуренс выбрал
молибден.
Конструкция циклотрона (электромагниты сняты).
И вот что сообразил Эмилио Сегре: на циклотроне ускоряли ядра дейтерия —
тяжелого изотопа водорода; ядра водорода, которые натыкались на зуб и застре-
вали в нем, могли сталкиваться с ядрами молибдена; но если к ядру атома мо-
либдена, элемента № 42, прибавить еще один положительный заряд, то получится
ядро элемента № 43.
Молибденовый зуб циклотрона — вот где могло быть единственное на Земле при-
бежище для экамарганца! Сегре отправился в Америку и получил там кусок облу-
ченного на циклотроне молибдена.
30 января 1937 года работа в его лаборатории закипела.
Сперва надо было посмотреть — излучает ли облученный молибден. Оказалось,
излучает. Значит, какая-то радиоактивная примесь в нем была.
Но какая именно? Вопрос этот был вовсе не прост, потому что источником из-
лучения мог быть не только таинственный элемент № 43.
В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли новое явление — искусствен-
ную радиоактивность. Обстреливая альфа-частицами алюминий, они обнаружили,
что часть его превратилась в неустойчивый, радиоактивный изотоп фосфора. За-
тем удалось получить искусственные радиоактивные изотопы многих других хими-
ческих элементов. Какой-нибудь радиоактивный изотоп известного элемента впол-
не мог оказаться и в облученном молибденовом зубе.
Чтобы обнаружить экамарганец, Эмилио Сегре и его помощник Казимир Перье
растворили излучающий молибден в царской водке и химическим путем стали уда-
лять из раствора все атомы с зарядом ядра, отличным от 43. Сначала из раство-
ра вывели ниобий. Но излучение осталось. Потом цирконий. Излучение осталось.
Потом молибден. Результат тот же. Потом рутений. То же самое. Особенно трудно
было с рением. Но и это труднейшее разделение осталось позади, и рений ушел
из раствора. А радиоактивность осталась!
И только тогда Сегре и Перье объявили: открыт новый радиоактивный элемент,
образовавшийся из молибдена в циклотроне.
Этот искусственный элемент назвали технецием — от греческого слова "техни-
тос" — "искусственный".
Позже тем же способом были изготовлены элемент № 85, названный астатом, и
элемент № 61, который назвали прометием. А элемент № 87 — франций, удалось
найти среди остатков распада актиния.
Обстрел атомных ядер ядрами водорода и альфа-частицами привел к созданию
первых искусственных элементов. Но к еще более поразительным результатам при-
вели опыты, в которых ядра стали обстреливать нейтронами.
Обстрел
нейтронами
О поразительных свойствах нейтрона Эрнст Резерфорд предупреждал еще тогда,
когда у него только-только мелькнула мысль о том, что нулевой атом может су-
ществовать. В июне 1920 года Резерфорд говорил: "Такой атом должен обладать
небывалыми свойствами. Он должен отличаться способностью свободно двигаться
через вещество. Он должен с легкостью проникать в глубины атомов и там может
либо соединяться с атомными ядрами, либо подвергаться распаду".
Но к каким событиям могли привести эти небывалые свойства нейтрона — об
этом даже Резерфорд догадаться не мог.
Довольно долго не мог догадаться об этом и тот, кто первым вызвал эти собы-
тия, — итальянец Энрико Ферми, один из самых замечательных физиков XX века.
Энрико Ферми учился в Пизанском университете, а потом — в университетах
Германии и Голландии, как раз в те годы, когда наука вступала в эпоху новой
алхимии и перед молодыми исследователями открывались неслыханные возможности.
Именно тогда, в начале двадцатых годов, из стен университетов вышли многие
прославленные физики и химики мира. Людям старших поколений не так-то легко
было воспринять "алхимические" веяния нового времени, и молодежь быстро за-
воевывала себе место под солнцем. Прошли те времена, когда Томсон смог потря-
сти всю ученую Англию, став профессором в двадцать восемь лет. Энрико Ферми
не было и двадцати пяти, когда он оказался профессором Римского университета.
Ферми принялся обстреливать нейтронами мишени из самых разных элементов, и
у него получались самые разные радиоактивные изотопы.
Пока Ферми занимался сравнительно легкими элементами, все было более или
менее понятно. Но когда он стал обстреливать уран, появилось множество радио-
активных ядер с неожиданными свойствами — не похожими ни на уран, ни на то-
рий, ни на радий, радон, полоний, ни на прочно радиоактивные элементы, распо-
ложенные неподалеку.
И точно такие же непонятные вещи стали получаться у немцев Отто Гана и
Фридриха Штрассмана, которые тоже занялись нейтронным обстрелом урана.
Сперва Ферми, а за ним и немецкие исследователи решили, что у них получи-
лись атомы новых элементов, которые должны идти в таблице Менделеева после
урана, — экарения, экаосмия, экаиридия, экаплатины. Но выделить их химически-
ми способами никак не удавалось. И вдруг — это было уже в 1930 году, на шес-
той год после начала нейтронного обстрела урана — Ган и Штрассман поняли, в
чем дело. И Ферми, и они искали атомные ядра тяжелее урана. А надо было ис-
кать легкие, И не чуть-чуть легче, а приблизительно в два раза!
Из урана, элемента № 92, получался не радий — элемент № 88, не свинец —
элемент Да 82, а например, бром — элемент № 35, рубидий — элемент № 37,
стронций — элемент № 38, молибден — элемент № 42, наш новый знакомый — техне-
ций, элемент № 43.
Нейтрон отбивал от уранового ядра не какую-то малую часть вроде альфа-
частицы, а буквально разваливал ядра пополам. И каждый разделившийся надвое
атом урана излучал энергии раз в сто больше, чем при альфа-распаде. Со времен
Беккереля не обнаруживали атомы таких небывалых свойств!
И еще одна особенность была у нового вида ядерных превращений. Чем тяжелее
атом, тем больше нейтронов приходится в его ядре на один протон. Поэтому при
распаде ядра урана на два ядра средней массы неминуемо должны были высвобо-
диться "лишние" нейтроны. Подсчеты показали: каждый атом урана, поглотив один
нейтрон и развалившись, высвобождает два новых нейтрона.
Тогда не так уж много людей понимало, что означает это роковое число: два.
Между тем вот как должны были вести себя эти два нейтрона в достаточно боль-
шой массе урана: каждый нейтрон, разрушая новое ядро, освобождал бы два новых
нейтрона, каждый из новых двух — еще два, и цепная реакция должна была мгно-
венно охватить весь уран, освобождая из него чудовищное количество ядерной
энергии.
Это поняли Эйнштейн и Ферми, бежавшие от фашистов в Америку, Жолио-Кюри во
Франции, Ган и Штрассман в Германии, это поняли и советские физики.
Дальнейшее известно, но ядерное оружие — не тема этой публикации...
Последний
в таблице
Почти одновременно с Энрико Ферми нейтронной бомбардировкой атомных ядер
начал заниматься в Ленинграде молодой физик — на год моложе Ферми — Игорь Ва-
сильевич Курчатов.
И как только стало известно, что при нейтронном облучении атомы урана де-
лятся, и что при этом освобождается гораздо больше энергии, чем при обычном
распаде, Курчатов занялся ураном. Двум своим помощникам, Константину Петржаку
и Георгию Флерову, он поручил проверить, как зависит деление урана от энергии
нейтронов — то есть, попросту говоря, от скорости нейтронных снарядов.
Петржак и Флеров взяли ампулку с радоном — источником альфа-лучей. Взяли
бериллий — из которого альфа-лучи могли бы выбить нейтронные снаряды. Взяли
урановую смолку. Смонтировали такой счетчик, чтобы от альфа-частиц он не щел-
кал, а щелкал от импульса в сто раз большего. И приступили к опытам.
Но прежде чем начать нейтронный обстрел урана бериллиевыми лучами, они ре-
шили удостовериться, что у них не будет никаких помех. Смонтировав свой при-
бор, убрали ампулку с радоном, убрали бериллий и включили счетчик. И тут же
раздался щелчок.
Они немного подождали. Новый щелчок!
Не в порядке счетчик?
Петржак проверил все лампы, все конденсаторы, все сопротивления, неисправ-
ностей не было.
Значит, помехи не внутри прибора, а вне его. Может быть, виноваты космиче-
ские лучи? А может, еще проще — по соседней улице прошел трамвай, дуга заиск-
рила? Но существовала еще одна возможность, и молодым экспериментаторам она
была, конечно, стократ милей: ну, а если это — свидетельство самопроизвольно-
го деления отдельных урановых ядер? Еще Нильс Бор на основе теоретических
расчетов, сделанных вскоре после открытия Гана и Штрассмана, предупреждал,
что в принципе урановые ядра могли бы распадаться пополам и самопроизвольно.
Надо было продолжить эксперимент. И попытаться проверить это. То есть дока-
зать, что виновник щелчка — именно уран. Но следовало избавиться от всевоз-
можных посторонних помех.
Сперва решили уйти под воду, благо море рядом, Стали уже договариваться с
подводниками, но потом от этой затеи отказались: Балтийское море мелкое, а
космические лучи проходят через десятки метров воды.
Тогда придумали другой выход: московское метро.
И вот Петржак с Флеровым перевезли свое нехитрое оборудование из Ленинграда
в Москву и обосновались на станции "Динамо". Шестидесятиметровый слой земли я
бетона надежно изолировал прибор от посторонних зарядов.
Вставлен в счетчик тонкий диск с намазанной на него окисью урана, никаких
других источников излучения нет поблизости и в помине.
Томительно потянулись минуты, часы. И вдруг — щелчок. И следом — другой.
В прибор вложили еще один диск с ураном, и щелчков стало вдвое больше. Еще
один диск — еще больше щелчков. На сколько больше дисков, на столько больше
щелчков!
Так произошло открытие самопроизвольного или, по научному, спонтанного де-
ления .
Ядро атома урана оказалось таким громоздким сооружением, что уже не могло
выдерживать собственной массы. Если у висмута, так сказать, чуть-чуть осыпа-
лась штукатурка, если у полония, астата, радона, радия, тория вываливались из
стен отдельные кирпичи, то уран разваливался весь.
После открытия самопроизвольного деления урана можно было уже понять, поче-
му таблица Менделеева кончалась на атом элементе: все ядра, начиная с урано-
вого, неизбежно разваливались...
ГЛАВА
ВОСЬМАЯ
Первые
нарушители
Впервые граница естественной системы элементов была нарушена в конце 1940
года.
Работавшие на циклотроне Лоуренса американцы Мак-Миллан, Эйбольсон, Сиборг,
Вейл и Кеннеди, обстреляв ядрами тяжелого водорода урановую мишень, обнаружи-
ли новые ядра, у которых был заряд на один и на два больше, чем у урана.
Элемент № 93 был назван нептунием, а № 94 — плутонием — в честь планет, на-
ходящихся в нашей Солнечной системе дальше планеты Уран. У нептуния и плуто-
ния оказалось много изотопов, как у всех тяжелых элементов. Все изотопы были
сильно радиоактивными.
Единичные сверхтяжелые ядра, полученные в циклотроне, по могли, конечно,
иметь практического значения. Но очень скоро появился другой их источник —
несравненно более мощный.
При облучении урана нейтронами происходят разные процессы — потому разные,
что обычный уран, содержащийся в природных минералах, это, собственно говоря,
не один уран, а три разных урана, три изотопа. Одного изотопа, с атомным ве-
сом 234, так мало, что его можно вообще не принимать в расчет. Другого, с
атомным весом 235, гораздо больше. Именно его атомы, поймав нейтрон, тут же
делились пополам, выбрасывая два новых нейтрона. Но урана-235 в общей массе
природного урана все же менее одной сотой части. А почти все остальное прихо-
дится на третий изотоп, с атомным весом 238. Когда нейтроны из урана-235 по-
падают в ядра урана-238, его ядро, увеличившись на один нейтрон, тут же вы-
брасывает электрон. Тем самым оно увеличивает на единицу и свою массу, и свой
заряд, и вместо элемента № 92 с массой 238 получается элемент № 93 с массой
239 — изотоп нептуния.
Но поскольку природа предпочитает четные числа, такое ядро особенно живучим
быть не может. И действительно, уже через полчаса каждое второе ядро непту-
ния-239 исторгает электрон и таким образом увеличивает свой заряд еще на еди-
ницу и становится изотопом элемента № 94, плутония. Хотя массовое число у та-
кого ядра продолжает оставаться нечетным — 239! — все же 94 протона придают
ему большую надежность, и такие ядра живут более двух суток. А по истечении
этого срока каждое второе ядро плутония-239 самопроизвольно разрывается на
две части, подобно ядру урана-235, но при этом может высвободить уже не два
новых нейтрона, а три!
Если загрузить в ядерный реактор природный уран, обогащенный ураном-235, то
в реакторе начнет довольно быстро накапливаться плутоний.
Этот плутоний и служит основным ядерным горючим для атомных электростанций.
По некоторым подсчетам, к двухтысячному году плутоний будет давать половину
всего электричества на Земле. Существует даже предположение, что следующий за
нашим железным веком исторический период получит название плутониевого века.
Вполне возможно.
Однако и само по себе сотворение плутония уже означает великую практическую
победу новой алхимии. По сравнению с ней "Дело Солнца" показалось бы, вероят-
но, даже Роджеру Бэкону и Джеймсу Прайсу процедурой, не достойной серьезного
внимания.
И все же интересно, как выглядит это "Дело" сегодня, когда наука ушла от
эпохи философского камни на целый виток спирали? Существуют ли современные
рецепты изготовления золота, отстоящие столь же далеко от прописей доктора
Айриша или Иоанна Исаака Голланда?
Современные
рецепты
Из ртути и серы
Начнем с рецепта, который в качестве исходных использует материалы, приме-
нявшиеся алхимиками.
"В менделеевской таблице ртуть идет сразу за золотом порядковый номер золо-
та 79, а ртути 80. Массовое число единственного стабильного изотопа золота
равно 107, а природная ртуть состоит из семи изотопов с массовыми числами
196, 198-202 и 204.
Допустим, "матерью" будет второй по распространенности изотоп ртути Нд-200.
Нужно как-то уменьшить заряд ядра ртути на единицу, а массовое число на три,
тогда и получится золото.
Обстреляем ртуть ускоренными ядрами "отца" — серы. Возможно, что какие-то
из ядер серы отнимут протон и два нейтрона из ядра ртути и тем самым решат
поставленную задачу. Вероятность такого взаимодействия очень мала и, кроме
того, ядра серы и ртути смогут соприкоснуться только в том случае, если ядра-
снаряды будут разогнаны до 30 000 км/сек. Если скорость их будет меньше, то
электростатические силы отталкивания не позволят одноименно заряженным ядрам
сблизиться настолько, чтобы мог произойти подхват нуклонов из ядра ртути.
Такие быстрые ядра можно получать на современных ускорителях тяжелых ионов,
но, конечно, в ограниченных масштабах: тысячетонный циклотрон, построенный по
последнему слову техники, за год работы ускорил бы всего около 10 миллиграм-
мов ионов серы...
В ядерных реакциях ртуть + сора только один ион-снаряд из миллиардов пре-
вращает ядро ртути в ядро атома золота. Все остальные ядра серы будут потра-
чены на побочные реакции. В итоге, для того чтобы получить этим способом один
грамм золота, нужно ускорить тысячу тонн серы... Энергия тысячи тонн вещества,
ускоренного до 30 000 км/сек, составит примерно 1014 квт'ч. Эта величина —
одного порядка с энергией, необходимой человечеству на ближайшие десять лет,
и, чтобы расплатиться за нее, не хватит всего золота мира!
Золотой запас всего мира — 50 000 тонн. Если брать за киловатт-час по ко-
пейке (по расценкам Мосэнерго 1 квт. ч стоит 4 копейки5), то 1014 квт'ч будут
стоить 1012 рублей, то есть примерно миллион тонн золота".
Этот и следующие рецепты взяты у Владислава Ивановича Кузнецова, участника
работ по синтезу элемента № 104 — курчатовия.
Из ртути и водорода
Здесь уже явное отклонение от классических теорий алхимиков — нет сульфура.
Впрочем, и "Се рецепт" Голланда грешил тем же недостатком. Итак...
"Обстреляем ртуть ядрами водорода — протонами. Протон, если его энергия
достаточно высока, может выбить несколько протонов и нейтронов из ядра ртути.
Существует такое значение энергии протона, когда преимущественно идет реакция
с вылетом двух нейтронов и двух протонов и ртуть-200 превращается в золото.
Однако и в этом случае затраты энергии будут немногим меньше, чем в реакции
сера + ртуть".
Опять плохо...
Из ртути и нейтронов
О такой возможности алхимики, естественно, подозревать не могли.
"...Поместим в активную зону реактора специальный контейнер со смесью природ-
ных изотопов ртути... Начинаем облучать ртуть нейтронами. Примерно через месяц
все ядра изотопа Нд-196 захватят по одному нейтрону и превратятся в ядра зо-
лота. Конечно, захваченный ртутью-196 нейтрон не меняет заряда ядра, вначале
получается лишь новый изотоп ртути Нд-197. Но этот изотоп неустойчив; ядро
захватывает орбитальный электрон, один из протонов при этом превращается в
нейтрон, и таким образом ртуть, атом за атомом, превращается в золото. Этим
способом в 77 литрах природной ртути за месяц можно накопить около полутора
килограммов золота.
Почему так мало? Потому что в естественной смеси ртути на долю изотопа рту-
ти-196 приходится всего 0.14 %. (А из остальных ее изотопов получить золото в
нейтронных потоках нельзя: массовые числа этих изотопов больше, чем у ста-
бильного изотопа золота.)
Может быть, выгоднее разделять изотопы ртути и облучать только ртуть-196?
Примем условно, что стоимость ядра ртути и ядра урана одинаковы (на самом де-
ле чистая ртуть-196 значительно дороже урана-238). В этом случае затраты на
синтез одного ядра золота будут такими же, как и на синтез ядра плутония, по-
лучающегося при захвате ураном-238 нейтрона. Но ведь плутоний в десятки раз
дороже золота, добытого обычными методами. Значит, искусственное золото, по-
лученное самым дешевым способом, окажется во много раз дороже добытого из
россыпей...
Такое положение в недалеком будущем вряд ли изменится. Если же "стоимость
нейтрона" со временем упадет, то и тогда будет целесообразнее расходовать
нейтроны на синтез расщепляющихся материалов, а не золота. Они — нужнее.
Но что нужнее — это, правда, уже другой вопрос. И каким будет ответ на не-
го, когда спираль сделает новый виток, сегодня сказать нельзя.
Еще не создано периодической таблицы для электрона, протона, нейтрона и
других элементарных частиц. И сколько их еще предстоит открыть, никому не из-
вестно .
Еще не создано периодической таблицы для гравитационного, электромагнитно-
го, ядерного и других полей. И сколько их еще предстоит открыть, не известно
тоже.
Скорее всего, в распоряжении наших потомков окажутся такие могущественные
силы природы, что сам этот вопрос — на что целесообразней расходовать нейтро-
5 В советское время.
ны — потеряет для них всякий смысл. И плутонию — как, впрочем, и золоту — они
предпочтут нечто такое, о чем мы сегодня можем судить не больше, чем средне-
вековый алхимик — об атомном ядре.
Ликбез
НАЧАЛА ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Реформатский С.Н.
ДИ-АЛДЕГИДЫ
И ДИ-КЕТОНЫ
Как алдегиды, так и кетоны могут содержать несколько карбонильных групп, т.
е. кроме одноатомных алдегидов и кетонов могут быть и многоатомные. Так, гли-
оксаль 0=НС—СН=0 — пример двуатомного алдегида, а бензил СбН5'С0'С0'
СбН5 — двуатомного кетона. Они разделяют все свойства карбонильных соединений
и отличаются от одноатомиых лишь тем, что способны давать два ряда производ-
ных, т. е. могут реагировать и с одной частицей NH2'OH, C6H5NHNH2, HCN и пр.,
и с двумя. Ди-алдегиды и ди-кетоны разделяются на а-, р-, у~соеДинения и т-
д. в зависимости от того, стоят ли карбонилы рядом, или через один углеродный
атом, или через два и т. д.
Глиоксаль — ос-ди-алдегид. Получается окислением уксусного алдегида или пар-
алдегида азотной кислотой, а также при окислении ацетилена хлорным золотом.
Белая расплывающаяся масса, растворимая в воде, спирте и эфире. Это — полимер
глиоксаля. Если нагревать его с Р2О5, то получается зеленый газ, сгущающийся
при сильном охлаждении в желтые кристаллы с т. пл. 15 С и т.кип. 50 С. Имеет
запах муравьиного алдегида.
Бензил — представитель ос-ди-кетонов — получается из бензойного алдегида;
две частицы алдегида при действии цианистого калия уплотняются с образованием
кетоноспирта — бензоина СбН5'СО'СН (ОН) СбН5 (Зинин) , который при окислении пре-
вращается в бензил СбН5'СО'СО'СбН5 — тело кристаллическое . ст. пл. 95 С. Ре-
акции кетонов разделяет вполне.
К группе ди-кетонов относятся хиноны. Так называются производные ароматиче-
ских углеводородов» происшедшие через замещение в бензольном ядре двух групп
СН на два карбонила. Известны пара- и орто-хиноны. Простейший из иих бензо-
хинон, полученный Воскресенским (1838 г.), есть продукт замещения двух атомов
водорода в бензоле на два атома кислорода; образовавшиеся таким образом две
группы СО находятся в пара-положении. Вот формула бензо-хинона:
уСН иг CFL
со( )со.
Как видно из формулы, переход бензола в хинон сопровождается изменением
строения бензола: из трех двойных связей остались две; положение их также из-
менилось . Такое строение называется хиноидным.
Получается он при окислении весьма многих, и по преимуществу пара-
производных бензола, а также и при окислении анилина хромовой кислотой. Обра-
зует длинные золотисто-желтые призмы с т. пл. 116 С; запах его напоминает за-
пах йода. Летуч с водяными парами. При восстановлении дает гидрохинон
СбН4(ОН)2, с гидроксил-амином образует моно- и ди-оксим.
Хиноны обладают окислительными свойствами. Способны присоединять к себе фе-
нолы, образуя окрашенные продукты (фенохиноны и хингидроны).
Очень важными производными хинонов являются хинон-имины. Это — продукты за-
мещения атомов кислорода на группы NH. Многие красящие тела суть производные
этих иминов, например инда-мины NH :СбН4 :NC6H4NH2, индофенолы 0:СбН4 :NC6H4OH.
Важный краситель — анилиновый черный — есть также производные хинон-ди-имина.
Антрахинон
соч
Nxk
получают окислением антрацена хромовой смесью. При этом две группы СН в
центральном бензольном ядре антрацена замещаются на два карбонила. Строение
доказывается синтезом его из хлорангндрида орто-фталевой кислоты и бензола в
присутствии А1С1з:
XOCI уСО,
С,Н / + CJU - W ( ХН4 + 2HCL
Тело кристаллическое с т. пл. 285 С; при высшей температуре легко возгоня-
ется ; при нагревании с цинковой пылью дает антрацен.
Получение антрахинона
В пробирке возогнанный антрацен растворяют при нагревании в небольшом коли-
честве безводной уксусной кислоты; продолжая нагревать раствор, к нему мало-
по-малу прибавляют хромовый ангидрид Сг03 (приблизительно вдвое больше) и на-
гревают до кипения. Разбавив продукт реакции водой, отфильтровывают выделив-
шийся антрахинон, промывают его H2S04, затем водой и кристаллизуют из ледяной
уксусной кислоты.
Ализарин — важнейшее из производных антрахинона — был известен давно и до-
бывался из корней краппа (марены) , разводившегося на Кавказе и в Южной Фран-
ции. После того как в 1868 г. Грэбе и Либерман нашли, что ализарин при нагре-
вании с цинковой пылью дает антрацен, ими сделана была попытка получить али-
зарин из антрацена, которая и удалась. Это был первый случай синтетического
получения краски, добывавшейся раньше из растений, и потому факт этот имеет
выдающееся значение.
В настоящее время ализарин получается исключительно из антрацена. Антрацен
окисляют хромовой смесью; полученный антрахинон действием дымящей H2S04 пре-
вращают в моно- и ди-сульфо-антрахиноновые кислоты: СбН4 (СО) 3C6H3SO3H и
C6H4(CO)2C6H2(S03H)2.
Моно-кислоту отделяют, пользуясь сравнительно малой растворимостью ее на-
тронной соли. Сплавляют последнюю с едким натром в присутствии бертолетовой
соли или селитры и, растворив затем этот сплав в воде, осаждают ализарин сер-
ной кислотой. При этом группа S03Na замещается на гидроксил (ср. получение
фенолов); а кроме того бертолетовая соль или селитра как окислитель вызывает
гидроксилирование водорода в орто-положении по отношению к первому гидрокси-
лу. Формула ализарина: СбН4 (СО) 2СбН2 (ОН) 2, его рациональное название — орто-ди-
окси-антрахинон. Из десяти изомерных ди-окси-антрахинонов в ализарине один
гидроксил стоит при С рядом с СО, а другой — у соседнего углеродного атома.
Орто-положение гидроксилов доказывается синтезом ализарина из ангидрида орто-
фталевой кислоты и пирокатехина при нагревании их с H2S04:
хоч со
хсск чсск
Ализарин кристаллизуется в оранжево-красных иглах с т. пл. 289 С. В воде
почти нерастворим, растворяется в спирте и эфире; как фенол, растворяется
также в щелочах, образуя фенолят. Щелочной раствор содержит СбН4 (СО) 2СбН2 (ONa) 2
и окрашен в фиолетово-красный цвет. Вообще в ализарине водород водных остат-
ков может замещаться на различные металлы с образованием ализариновых лаков.
Это суть краски; сам же ализарин красит очень мало. Железный лак красит в
темнофиолетовый цвет, алюминиевый — в красный и т. д.
Продукты замещения водорода в антрахиноне больше чем на два гидроксила так-
же служат красящими веществами; так, пурпурин есть три-окси-антрахинон, али-
зарин-бордо есть тетра-окси-антрахинон; пента-окси-антрахинон носит название
ализарин-цианина и с хромовой протравой дает красивую голубую окраску. Кроме
гидроксилов вводят в антрахинон и группы NH2 и N02. Свыше ста красящих ве-
ществ получено теперь из антрахинона.
Получение ализарина
Растворяют 3 г антрахинона в 10 см3 дымящей H2S04 (содержащей 50% S03) и на-
гревают при 160 С (термометр в жидкости) до тех пор, пока капля раствора,
опущенная в воду, перестанет давать муть, т. е. пока весь антрахинон перейдет
в сульфокислоты. По охлаждении, раствор выливают в небольшое количество воды
и нейтрализуют сухой порошкообразной содой. При этом осаждается натриевая
соль моно-сульфо-антрахиноновой кислоты. Ее отфильтровывают и сушат на негла-
зурованной глиняной пластинке. Сухую соль смешивают с порошкообразным NaOH и
небольшим количеством (2—3 кристалла) КС103 и нагревают в железной чашке до
сплавления. Когда сплав примет фиолетовую окраску, растворяют его в воде и
подкисляют серной кислотой; окраска пропадает, и ализарин выделяется в виде
хлопчатого осадка. Осадок отфильтровывают, сушат в чашке и возгоняют. Получа-
ются красивые красные кристаллы.
К щелочному раствору ализарина приливают избыток раствора алюминиевых квас-
цов . Получается красный осадок — результат замещения водорода в гидроксилах
на алюминий.
АЛДЕГИДО- И
КЕТОНО-СПИРТЫ
Это — соединения двойственной функции; они совмещают свойства алдегида или
кетона и свойства спирта; в их формулах находятся и карбонил и гидроксил.
Упомянутый ранее алдоль есть алдегидо-спирт.
В ароматическом ряду к этой группе соединений относятся фенолоалдегиды, из
которых СбН3 (ОН) 2'СН :0 — протокатеховый алдегид — важен по своим производным:
ванилину и пипероналу. Первый есть продукт замещения одного ОН на ОСН3, т. е.
СбН3 (ОН) (ОСН3) СН:0, а второй происходит через замещение двух водородов в двух
ОН на группу СН2, т. е.
/К
Ванилин находится в ванили (около 2 %) ; получается окислением изоэвгенола;
образует иглы с т. пл. 80—81 С, обладает запахом ванили.
Пиперонал - получается окислением изосафрола. Листочки с т. пл. 37 С. Пах-
нет гелиотропом, почему и называется гелиотропином. Применяется в парфюмерии.
Ванилин и пиперонал при нагревании с НС1 дают протокатеховый алдегид.
Тиман и Реймер дали общий синтетический способ получения феноло-алдегидов,
а именно — действие избытка щелочи на смесь хлороформа с фенолом:
СбН5ОН + СНС13 + 4КОН = СбН4(ОК) СН:0 + 3KC1 + ЗН20
По Гаттермаиу фенолоалдегиды получаются действием синильной кислоты на фе-
нолы в присутствии А1С13 и НС1. Реакция протекает в две фазы:
СбН5ОН + HCN = OHC6H4CH:NH (алдимин) ,
OHC6H4CH:NH + Н20 = ОНСбН4СН:0 + NH3.
Большим упрощением этого способа явилась замена HCN цианистым цинком. По-
ступают так: к раствору фенола или его эфира в бензоле прибавляют Zn(CN)2 и
А1С1з и пропускают в раствор НС1.
Простейший кетоно-спирт СН2ОН—СО—СН3 — метил-кетон (ацетил-карбинол, ацето-
новый спирт) — получается при действии влажной окисн серебра на бром-ацетон:
CH2Br-CO-CH3 + AgOH = СН2' ОН-СО-СН3 + АдВг.
Кетоно-спирты легко окисляются и некоторые уже на холоду восстанавливают
щелочной раствор окиси меди и аммиачный раствор окиси серебра. С фенил-
гидразином дают гидразоны: СН2ОН—С (ЫЫНСбН5)—СН3; при избытке же реагента ре-
акция идет дальше; спиртовая группа окисляется в алдегидную1, которая реаги-
рует с новой частицей фенил-гидразина, так что получается ди-гидразон:
CH(NNHC6H5)-C(NNHC6H5)-CH3.
Такие соединения носят название озазонов.
1
Окисление спиртовой группы в карбонильную состоит в отнятии двух атомов водорода
(СН2 ОН = СН:0 + Н2) , которые с частицей фенил-гидразина дают анилин и аммиак
C6H5NH-NH2 + Н2 = C6H5NH2 + NH3
УГЛЕВОДЫ
Под именем углеводов известна особая группа органических соединений, играю-
щих важную роль в жизни животных и растений. Синтезируются они в зеленых час-
тях растений из угольного ангидрида воздуха и служат, наравне с белками и жи-
рами, необходимым питательным материалом для человека и животных. К группе
углеводов принадлежат давно известные сахары: виноградный, плодовый, тростни-
ковый и молочный, а также крахмал, клетчатка и многие другие. Названы они бы-
ли углеводами потому, что раньше были известны лишь соединения с формулами
СбНю05, СбН12Об и C12H22O11, которые по своему составу представляют собою как бы
сочетание угля с водой (отсюда — углеводы), а именно:
C6Hi0O5 = Сб + 5Н20;
C6Hi206 = Сб + 6H20;
С12Н22О11 = Ci2 + 11Н20.
С этой точки зрения классу углеводов давали определение как соединениям уг-
ля с водой; но при таком взгляде на углеводы к ним можно было причислить и
уксусную кислоту
С2Н402 = С2 + 2Н20
и молочную кислоту
С3Нб03 = С3 + ЗН20
и пирогаллол
СбНб03 = Сб + ЗН20
и др., что, конечно, недопустимо. Неудовлетворительность такого определения
еще более резко выяснилась, когда Э. Фишер доказал, что рамноза есть углевод
с формулой СбН1205 - эту формулу уже нельзя было рассматривать как соединение
угля с водой, потому что кроме 6С и 5Н20 в ней остается еще 2Н
C6Hi205 = Сб + 5Н20 + Н2
Таким образом вышеприведенное определение класса углеводов оказалось непри-
годным. Однако название „углеводы" общепринято и в настоящее время. Объясня-
ется это, во-первых, давностью введения термина „углеводы", а во-вторых, тем,
что состав большинства соединений этого класса действительно отвечает слову
„угле-воды".
Строение
углеводов и
определение
Как известно, определение каждого класса органических соединений дается те-
перь с точки зрения теории строения; в определении всегда указывается та
группа атомов, которая характеризует данный класс. В этом отношении углеводы
не являются самостоятельным классом органических соединений, так как в их
строении нет такой группы, которая не встречалась бы в других классах. Обяза-
тельными группами в строении углеводов являются гидроксильные; значит углево-
ды суть спирты; однако не все кислородные атомы, входящие в состав углеводов,
образуют гидроксилы. На характер этих негидроксильных кислородных атомов дол-
гое время не было общепринятой точки зрения, и только в последнее время во-
прос этот можно считать вполне выясненным.
Молекулы углеводов образованы тремя элементами: С, Н и О; эти же три эле-
мента входят в состав спиртов, эфиров, окисей, алдегидов и кетонов. В спиртах
кислород связан одной единицей сродства с углеродом, а другой с водородом,
образуя гидроксил; в остальных классах кислород обеими единицами сродства
связан с углеродом, причем в эфирах и окисях две единицы кислородного сродст-
ва насыщают сродства двух углеродных атомов, а в алдегидах и кетонах — одно-
го, образуя карбонильную группу; вот формулы простейших представителей этих
классов:
Н3С —ОН Н3С —О
сн.
Спирт
Эфир
НС
I
сн
о
сн.-с
3 I
о
3
сн
3
Окись Аляегид Кетой
Формулы эфиров и окисей отличаются друг от друга тем, что углеродные атомы,
связанные с кислородом, в эфирах не связаны между собою, а в окисях связаны.
Итак, в углеводах, как соедчнениях, образованных углеродом, кислородом и
водородом, кислород может быть или гидроксильный, или эфирный, или окисный.
или карбонильный.
Присутствие гидроксильных кислородных атомов во всех углеводах доказано бы-
ло давно; и действительно, все углеводы имеют свойства спиртов; все они, на-
пример, при действии уксусного ангидрида способны образовать сложные зфиры;
так, виноградный и плодовый сахар, имеющие эмпирическую формулу C6Hi206, дают
пяти-уксусный эфир СбН70 (ОСОСНз) 5л т. е. содержат пять гидроксилов и являются,
значит, пяти-атомными спиртами СбН70(ОН)5 .
Что касается шестого атома кислорода, то он уже не имеет характера гидро-
ксильного кислорода; значит, он может быть либо эфирным, либо окисным, либо
карбонильным. Допущение эфирного кислорода отпадает потому, что и в виноград-
ном и в плодовом сахаре все атомы углерода связаны между собою в непрерывную
нормальную цепь, чего не может быть при эфирном кислороде. Доказано это так:
оба углевода при восстановлении дают шестиатомные спирты (а) , которые при
действии избытка иодистоводо-родной кислоты превращаются в йодистый вторичный
нормальный гексил (Ь):
a) C6Hi206 + Н2 = C6Hi406;
b) C6Hi406 + 11IH = 6Н20 + 512 + СН3СН2СН2СН2СН1СН3.
Таким образом шестой атом кислорода в названных углеводах может быть или
окисным или карбонильным. Вот некоторые из возможных формул, отвечающих этому
условию:
о
-сн-он
!
сн-он
I
о сн-он
I
сн-он
I
-сн
I
ovoh
2)
сн2.он
с-он
I
сн-он
I
о сн-он
I
сн-он
I
-сн,
3)
СН:0
сн-он
I .
сн-он
!
сн-он
I
сн-он
сн8.он
CHjOH
С:0
I
сн-он
4)
сн-он
I
сн-он
сн2он
Окисные формулы
Карбонильные формулы
В первой формуле окисный кислород соединяет первый углеродный атом с пятым,
а во второй — кислородом связаны второй и шестой углероды. Теоретически до-
пустимы, конечно, и другие комбинации; например, когда кислород свяжет первый
углеродный атом со вторым, или с третьим, или с четвертым, или с шестым и др.
Формулы третья и четвертая отличаются тем, что в третьей содержится алдегид-
ный карбонил, а в четвертой — кетонный. Формулы 1 и 3 принадлежат виноградно-
му сахару, а 2 и 4 — плодовому сахару.
Если углеводам принадлежит какая-нибудь из окисных формул, то их можно на-
звать спирто-окисями, а если в их формуле имеется карбонильная группа, то уг-
леводы должны быть названы или альдегидо-спиртами или кетоно-спиртами.
Так как химические свойства окисей, с одной стороны, и алдегидов и кетонов
— с другой, различны, то, казалось бы, вопрос о характере шестого кислородно-
го атома в формуле виноградного или плодового сахара можно легко выяснить на
основании изучения превращений данных углеводов. Однако при этом оказалось,
что один и тот же углевод в своих превращениях функционирует то как окись, то
как карбонильное соединение. С подобной двойственностью превращений мы уже
встречались, а именно при флороглюцине, и явление это названо было тавтомери-
ей. Поэтому естественно предположить, не может ли и здесь быть такой же слу-
чай перехода одной формы в другую, т. е. окисной в карбонильную и обратно.
Теоретически рассуждая, это вполне возможно. И в самом деле, рвнее было уста-
новлено, что алдегиды и кетоны можно рассматривать как производные двуатомных
спиртов с двумя гидроксилами при одном углеродном атоме, через отнятие моле-
кулы воды. С этой точки зрения 3 и 4 формулы углеводов являются производными
следующих гипотетических семиатомных спиртов:
снгон
! он
| Ч0Н
и 6) СН-ОН
I
сн-он
I
сн-он
I
снгон
Теперь, если произойдет отпадение воды на счет двух гидроксилов, стоящих
при одном углеродном атоме, то получатся опять исходные карбонильные формулы
— 3-я и 4-я.
Если же в 5-й формуле отпадение воды произойдет на счет одного гидроксила
от первого углеродного атома, а второй гидроксил уйдет от пятого углерода, то
оставшийся атом кислорода свяжет 1-й и 5-й углерод и получится 1-я окисная
формула.
Если в 6-й формуле отпадет вода на счет одного гидроксила от 2-го углерода
и на счет другого гидроксила от 6-го углерода, то получится вторая окисиая
формула.
Реакция присоединения воды называется гидратацией, а реакция отнятия воды —
дегидратацией. Значит путем гидратации и последующей дегидратации можно осу-
ществить переход карбонильной формулы в окисную; но тем же путем осуществля-
ется и обратный переход окисных формул в карбонильные.
Выше было сказано, что при изучении превращений углеводов оказалось, что
один и тот же углевод функционирует то как окись, то как карбонильное соеди-
нение. Теперь это явление можно объяснить тем, что в период самых превращений
углевод испытывает последовательно гидратацию и дегидратацию и в зависимости
.ОН
СН<
I \<Ж
I
сн-он
5) СН-ОН
I
сн*он
I
СН-ОН
сн2-он
от условий проявляет то свою окисную природу, то карбонильную.
До последнего времени углеводам приписывали карбонильные формулы, допуская,
что они иногда только переходят в окисные; теперь же, наоборот, думают, что
углеводам нужно давать окисные формулы. Возможно, что в растворах имеются и
карбонильные формы, но с большим преобладанием окисных.
На основании вышеизложенного углеводам можно дать такое определение: угле-
воды суть спирто-окиси, функционирующие иногда как алдегидо-спирты или как
кетоно-спирты.
В это определение вводится следующее ограничение: к углеводам относятся
только те спирто-окиси, в которых углерод, связанный и с гидроксилом и с
окисным кислородом, непосредственно соединен со спиртовой группой; при карбо-
нильной формуле спиртовая группа должна быть непосредственно связана с карбо-
нилом; например, соединение с окисной формулой
CHL — СН(ОН) — СНг — СН • ОН
I О I
или с карбонильной СНг (ОН)—СН (ОН)—СНг—СН:0 не есть углевод, потому что в
первой формуле спиртовая группа СН(ОН) не связана непосредственно с углеро-
дом, соединенным и с гидроксилом и с окисным кислородом: они разъединены
группой СНг; точно также и во второй формуле карбонил и спиртовая группа не
стоят рядом. Такие соединения углеводных свойств не имеют. По той же причине
такие алдегидо-спирты, как алдоль СНз—СН (ОН)—СНг—СН:0, к классу углеводов не
принадлежат.
Данное выше определение однако не обнимает всех представителей класса угле-
водов; оно пригодно только для одной группы их, называемой моносахаридами.
Остальные углеводы суть производные моносахаридов, образовавшиеся через отня-
тие от них воды, т. е. являющиеся их ангидридами. Называются они поли-
сахаридами и, в зависимости от числа молекул моносахарида, принявших участие
в образовании полисахарида, делятся на дисахариды, трисахариды и т. д.
Значит общее определение класса углеводов будет такое: углеводы суть спир-
то-окиси или их ангидриды, причем спирто-окиси могут функционировать или как
алдегидо-спирты или как кетоно-спирты.
При образовании дисахарида С12Н22О11 из моносахарида C6Hi206 происходит отпа-
дение одной молекулы воды от двух молекул моносахарида:
2C6Hi206 = Н20 + С12Н22О:
11
В образовании отпадающей воды принимают участие два гидроксила, принадле-
жащие разным молекулам моносахарида, и остающийся атом кислорода связывает
тогда остатки двух молекул моносахарида; этот атом кислорода будет иметь ха-
рактер уже не окисного, а эфирного кислорода; вот, например, формула дисаха-
рида — мальтозы, являющейся ангидридом виноградного сахара:
СН-ОН
I
СН-ОН
I
О СН-ОН
I
сн.он
I
— сн
I
сн8-он
— сн.он
I
сн.он
1
О CH-OH ■
j
сн-он
I
1—сн
[
сн^.он
Две молекулы
виноградного сахара
— C0-OH
I
сн-он
-* о сн-он
о
сн
сн
CHs*OH
~сн
j
сн он
!
6 сн-он
!
сн-он
I
-сн
CHj-OH
Мальтоза
В этой формуле мальтозы эфирный кислород соединяет 4-й атом углерода первой
молекулы виноградного сахара с 1-м углеродом второй молекулы.
В других дисахаридах порядок связывания будет иной: например, обыкновенный
или тростниковый сахар принадлежит также к группе дисахаридов; его эмпириче-
ская формула также Ci2H220n; но он образован из двух молекул разных моносаха-
ридов, а именно из виноградного и плодового сахара; ему дают такую формулу
стпоения:
СНг ОН
S
. сн — о — с
I I
сн-он сн-он
о сн<он сн-он
I I
сн-он сн
I I
—сн сн2*он
1
сн2>он
Левая половина формулы есть остаток виноградного сахара, а правая — остаток
плодового сахара; соединены они посредством эфирного кислорода, который свя-
зывает первый углерод в остатке виногрядного сахара с вторым углеродом остат-
ка плодового сахара.
Обратимся теперь к ознакомлению с некоторыми свойствами углеводов в связи с
только что выведенными формулами их.
1. Все моносахариды способны восстановлять аммиачный раствор окиси серебра
и щелочной раствор окиси меди. Восстановительная способность есть и у мальто-
зы; у тростникового же сахара она отсутствует. Приведенные выше формулы впол-
не удовлетворительно объясняют этот факт, а именно: моносахариды обладают
взсстановительной способностью благодаря присутствию в них или карбонильной
группы или такой окисной группировки, которая через гидратацию и последующую
дегидратацию может дать карбонильную группу; а этим свойством обладает только
такая окисная группировка, в которой содержится углерод, связанный одновре-
менно и с гидроксилом и с окисным кислородом. В формуле мальтозы такой угле-
род есть (в левой половине 1-й сверху) , а в формуле тростникового сахара его
нет; значит мальтоза должна иметь восстановительные свойства, а тростниковый
сахар этого свойства иметь не должен. То же подтверждается и опытом.
2. В первой и второй окисных формулах моносахаридов содержится по пяти гид-
роксилов: один из пяти гидроксилов по положению своему отличается от осталь-
ных четырех тем, что стоит при углероде, связанном с окисным кислородом. Эта
особенность его положения отражается и на свойствах; так при нагревании вино-
градного сахара с метиловым спиртом в присутствии НС1 атом водорода этого
гидроксила замещается на радикал СН3, т. е. получается метиловый эфир, водо-
родные же атомы остальных гидроксилов при этом не замещаются. Вообще этот
гидроксил отличается особенной склонностью к реакциям. Называется он глюко-
зидным гидроксилом, а получаемый метиловый эфир является простейшим предста-
вителем обширного класса глюкозидов. К глюкозидам же должны быть причислены и
полисахариды, так как при образовании их всегда принимает участие этот же
глюкозидный гидроксил.
Образование метилглюкозида, доказывающее особенность одного из пяти гидро-
ксилов, становится таким образом понятным только при принятии окисной форму-
лы; карбонильная формула этого объяснить не может: в ней положение всех гид-
роксилов совершенно одинаково.
3. Свойства метилглюкозида также подтверждают окисную его формулу, а именно
виноградный сахар имеет целый ряд свойств карбонильных соединений, а у ме-
тилглюкозида они отсутствуют; он, например, не реагирует с фенилгидразином. И
действительно, в то время как переход окисной формы виноградного сахара в
карбонильную легко объясняется его гидратацией и последующей дегидратацией,
причем в качестве промежуточного продукта образуется семиатомный спирт, ме-
тилглюкозид через гидратацию не может превратиться в семиатомный спирт, а без
образования последнего не может получиться и карбонил, что ясно видно из со-
поставления этих реакций.
-СН-ОН
I
СН-ОН
I
о сн-он +нго=
' !
сн-он
I
— сн
1
снв.он
.он
сн
/
юн
сн-он
СН:0
сн-он
сн-он
г
сн-он
I
сн-он
I
сн-он +н2о
I
сн-он
I
сн-он
сн2-он
Окисная формула
вин. сахара
— СН • ОСН.,
I
сн-он
I
о сн-он
I
сн-он
сн
сн2-он
Семиатомный Карбонильная формула
спирт вии. сахара
/ОН
СНГ
Н-н,о=
CHj-OH
Окисная формула
метилглюкозида
^ОСНз
сн-он
I
СН-ОН
I
СН-ОН
I
СН-ОН
I
СН2-ОН
Шестндтомный
спирт
4. В карбонильной формуле виноградного сахара содержится четыре асимметри-
ческих углеродных атома; это — те углеродные атомы, которые образуют вторич-
ные спиртовые группы. По стереохимической гипотезе соединение с четырьмя
асимметрическими углеродами, при одной и той же формуле строения, должно су-
ществовать в 16 стереохимических изомерах; одним из таких стереоизомеров и
является виноградный сахар, называемый d-глюкозой. При исследовании метилглю-
козида, получаемого из d-глюкозы, оказалось, что он сам существует в двух
стереоизомерах, носящих названия: а-метилглюкозид и р-метилглюкозид. Появле-
ние двух таких изомеров может произойти только лишь при условии наличия пято-
го асимметрического углерода. При карбонильной формуле d-глюкозы это требова-
ние необъяснимо, а при окисной вполне понятно, так как глюкозидный углерод
асимметричен.
5. Реакция замещения водорода на радикал метил называется метилированием.
Метилировать можно не только водород глюкозидного гидроксила, но также и во-
дороды остальных четырех гидроксилов d-глюкозы. Для этого на виноградный са-
хар действуют или йодистым метилом в присутствии окиси серебра или диметил-
сульфатом S04(OCH3)2 в присутствии щелочи; получается пента-метилглюкоза
СбН70(ОСНз) 5л существующая также в двух стерео-изомерах (а- и р-) .
В ней чрезвычайно легко осуществляется отщепление одного метила путем гид-
ролиза , а остальные четыре метила удерживаются наоборот очень прочно. Такое
различное отношение метилов к гидролизу при окисной формуле вполне понятно,
так как одна из групп ОСН3 стоит при углероде окисленном (т. е. связанном с
окисным кислородом), другие же положены иначе. При карбонильной формуле раз-
личия быть не должно, так как все группы ОСН3 положены совершенно одинаково,
что ясно видно из сопоставления их формул:
г— СН-ОСН, СН:0
1 I
сн осн. сн-осн,
II
о сн-осн, ch-ocj-l
■ I 3 1
сн.осн, сн.осн3
I 3 I
— сн сн*оснэ
I I
сн^осн3 снг-осн3
Легко отщепляемый метил несомненно тот, который заместил водород в глюко-
зидном гидроксиле.
6. Выше было упомянуто, что при действии уксусного ангидрида виноградный
сахар дает пятиуксусный эфир СбН70 (ОСОСН3) 5 • Он также карбонильных свойств не
имеет, существует также в двух стереоизомерах; значит и ему принадлежит окис-
ная, а не карбонильная формула.
Из вышеизложенного следует, что виноградный сахар в своих производных имеет
окисную, а не карбонильную формулу.
Дальше возникает новый вопрос, какую же формулу имеет сам виноградный са-
хар. Со времени работ Э. Фишера (1890 г.) его окончательно признали алдегидо-
спиртом, так как он имеет целый ряд свойств, характеризующих карбонильные со-
единения: дает оксим, гидразон, присоединяет синильную кислоту, обладает вос-
становительными свойствами и др. Однако с фуксиносернистой кислотой он окра-
шивания не дает, с бисульфитом не соединяется; а эти реакции свойственны всем
алдегидам.
На эти отступления еще в 1883 году обратил внимание Толленс и для объясне-
ния их предложил вместо карбонильной формулы окисную, допуская в то же время
легкую изомеризацию окисных формул в карбонильные. Последнее допущение он
сделал для того, чтобы объяснить карбонильные реакции углеводов. В его форму-
лах окисный кислород соединял углеродные атомы, разъединенные двумя другими,
т. е. его формулы были у~окисямил подобно тому, как это принято было для лак-
тонов (см. Y~OKCMKMCJIOTbI)
,— СН-ОН
СН2
сн3 | сн-он
0 1 О |
сн-он
сн2
со
сн
I
сн-он
CH2.QH
Лактон Глюкоза
Предложение Толленса в то время не получило общего признания; однако к его
формулам иногда приходилось прибегать для объяснения некоторых наблюдений,
непонятных с точки зрения карбонильных формул. В настоящее время, наоборот,
можно считать достаточно твердо установленным, что все природные углеводы
имеют окисное строение, которое при некоторых условиях изомеризуется в карбо-
нильное . Доказательством такого взгляда служит следующий давно известный
факт. Если приготовить водный раствор виноградного сахара и сейчас же по рас-
творении определить величину угла вращения плоскости поляризации, то удельное
его вращение +109,6°; эта величина со временем постепенно уменьшается и через
несколько часов доходит до +52,3°; дальнейшего уменьшения уже не наблюдается.
Явление это называется теперь мутаротацией. Так как мутаротация наблюдается
также и для метилглюкозида, а он существует в двух изомерных формах, то есте-
ственно было предположить, что и виноградный сахар может образовать два изо-
мера (а- и р-) и что углы вращения у этих изомеров не одинаковы. Тогда явле-
ние мутаротации виноградного сахара можно объяснить так: в свежеприготовлен-
ном его растворе содержится изомер с большим углом вращения, и этот изомер
постепенно превращается в другой с меньшим углом вращения, благодаря этому
угол вращения раствора должен уменьшаться. Когда угол вращения дойдет до сво-
ей предельной величины, то в растворе будет или один только изомер с малым
углом вращения или равновесная смесь обоих изомеров. Чтобы убедиться в пра-
вильности этого объяснения, надо было выделить эти два изомера, изучить их
свойства и в особенности вращательную способность каждого из них, так как по
величине ее можно решить вопрос о составе раствора по достижении им предель-
ного угла вращения.
В настоящее время удалось выделить оба эти изомера; они — тела кристалличе-
ские; ос-изомер плавится при 146,5 С, и угол вращения его +109,6°; р-изомер
плавится при 148—150 С, и угол вращения его +20,5°. Пятиуксусный эфир ос-
изомера плавится при 111 С, а р-изомера при 131 С. р-изомер получается при
кристаллизации виноградного сахара из раствора его в горячем пиридине.
Из сопоставления свойств а- и р-изомеров становится вполне ясным, что обык-
новенный виноградный сахар состоит из ос-изомера, который в растворе постепен-
но переходит в р-изомер, и что раствор, достигший предельного угла вращения в
+52,3°, есть равновесная смесь а- и р-изомеров, так как если бы произошло
полное превращение ос-изомера в р -изомер, то угол вращения был бы равен
+20,5°.
Поставлен был и такой опыт: растворен был в воде р-изомер; угол вращения
свежеприготовленного раствора был +20,5°; затем он стал постепенно повышаться
и достиг того же предела в 52,3° и дальше уже не изменялся. Отсюда следует,
что в растворах и ос-изомер и р-изомер легко превращаются друг в друга.
Итак, существование двух изомеров для виноградного сахара (d-глюкозы) те-
перь никаких сомнений не вызывает, а этот факт может быть объяснен только при
допущении окисной формулы, благодаря наличию в ней пятого асимметрического
углеродного атома.
После того как доказано было окисное строение моносахаридов, возник новый
вопрос: какие же углеродные атомы связаны при посредстве окисного кислорода,
т. е. будет ли данный моносахарид у~окисьюлили 5-окисью, или какой другой
окисью. Толленс склонен был считать их у~окисями' по аналогии с у~лактонами'
но экспериментальных доказательств своего взгляда он не дал. Что один из этих
углеродов был глюкозидный, в этом сомнений не было, так как только при этом
условии понятен был факт изомеризации окисной формулы в карбонильную. Решение
же вопроса о втором углероде, связанном кислородом с глюкозидным углеродом,
требовало дальнейших исследований.
Одной из наиболее часто применяемых реакций для выяснения формул строения
служит реакция окисления. По получаемым при этом продуктам распада сложной
молекулы и делают выводы о строении ее; но при окислении, например, виноград-
ного сахара довольно легко изолировались продукты окисления его с тем же чис-
лом атомов углерода, а таких продуктов распада, которые указывали бы на
строение молекулы виноградного сахара, изолировать не удавалось. Причиной
этих неудач было то, что каждая из пяти спиртовых групп довольно легко окис-
лялась, и потому получалась очень сложная смесь продуктов окисления, разде-
лить их было невозможно. Значит выступала необходимость каким-нибудь образом
защитить спиртовые группы от окисления. Эта задача в конце концов разрешена
была таким образом, что окислению подвергнуты были не сами моносахариды, а их
метилированные производные.
Выше уже было упомянуто, что при метилировании виноградного сахара получа-
ется пентаметилглюкоза, которая при гидролизе легко отщепляет один радикал
метил, и именно от глюкозидного кислорода, и получается тетраметилглюкоза.
Такие метилированные производные и подвергались реакции окисления. При этом
происходил распад молекулы как раз около углерода, связанного с окисным ки-
слородом, так как углеродные атомы, связанные с метоксильными группами
(ОСНз) , оставались не окисленными. Таким образом было выяснено, что в формуле
виноградного сахара (d-глюкозы) окисный, кислород связывает первый углеродный
атом (глюкозидный) с пятым, т. е. d-глюкоза есть б-окись. Этим же путем дока-
зано б-окисное строение и для фруктозы.
Давно было установлено, что фруктоза есть кетоно-спирт и что карбонил обра-
зован вторым углеродным атомом (I). При окисной формуле ее сначала считали у-
окисью (II), а теперь — б-окисью (III); вот эти формулы:
СН2-ОН
I
СО
снон
о I
И) О
сн-он
I
сн-он
сн2-он
сн,-он
I
с-он
I
снон
I
сн-
I
сн
он
сн.-он
I
—с-он
i
сн-он
III) О [
снон
I
снон
Кетонная формула
сн2-он
у-Окиеная формула
—снй
5-0кясная формула
Окислению подвергнута была тетраметилфруктоза (IV и V) ; одним из продуктов
ее окисления получилась триметоксиглутаровая кислота (VI):
COOH
ш2-осн3
I
-С-ОН
СН-ОСН3
IV) О |
СН-ОСН3
I
'— СН
I
СН2-ОСН3
■{-Окнсная формула
снг-осн3
сон
I
сн-осн,
I
СН-ОСН,
CH-OCH,
V) О |
VI) |
сн-осн,
сн-осн,
сн-осн,
I
соон
I
-снг ,
5 Окиснал формула I риметсжснгдутаровая
кислота
Из сопоставления этих формул ясно, что триметоксиглутаровая кислота могла
получиться только из 5-окисиой формулы тетраметил-фруктозы, а из y~okmcho**
формулы она образоваться не могла. Отсюда следует, что и фруктозе следует
приписать 5-окисную формулу (III). Однако при установлении формулы фруктозы
встретился следующий неожиданный факт.
Фруктоза получается между прочим при гидролизе обыкновенного сахара, назы-
ваемого иначе сахарозой; сахароза легко присоединяет воду и распадается на
виноградный сахар и фруктозу:
С12Н22О11 + Н20 = 2C6Hi206.
При метилировании сахарозы получается октаметилсахароза Ci2Hi403 (ОСН3) 8 • При
гидролизе последней получается тетраметил-глюкоза и тетраметилфруктоза. При
окислении тетраметилфруктозы получилось производное фурана, а фуран есть у-
окись
СН:СНСН:СН,
I О 1
отсюда следует, что и фруктоза, пока она не выделена в свободном виде из
сахарозы, содержится в ней в виде у~окиси'° по выделении же она немедленно пе-
регруппировывается в б-окись. Значит фруктоза существует в двух видоизменени-
ях — в устойчивом 5-окисиом и неустойчивом y~okmchom-
Возможно, что и для других моносахаридов доказано будет существование по-
добных же видоизменений.
Вышеизложенные соображения о строении моносахаридов, выведенные на основа-
нии исследования их метиловых производных, вполне убедительны, но при одном
условии, что во время реакций метилирования и окисления ие происходит никаких
перегруппировок. Это предположение достаточно вероятно, но полной досто-
верности оно пока не имеет.
Краткая
история
углеводов
Давно знали пчелиный мед, в состав которого входят виноградный и плодовый
сахар. В V—VI веке нашей эры в Индии стали добывать обыкновенный сахар из са-
харного тростника. До крестовых походов сахар был редким веществом в Европе и
употреблялся только в медицине. В XII веке венецианские купцы распространили
его в Южной Европе. В свекловице сахар был открыт в XVIII веке, и в конце
этого века построен был первый свеклосахарный завод. В половине XIX века ко-
личества сахара, добытого из свекловицы и из тростника, почти сравнялись; а в
кампанию 1919—1920 гг. свекловичного сахара выработано 3,5 миллиона тонн, а
тростникового 12 миллионов тонн, из которых 4 миллиона добыто на Кубе. Глав-
ными производительницами свекловичного сахара были Германия и Россия.
В XVII веке выделены были молочный и виноградный сахар. Верная эмпирическая
формула обыкновенного сахара установлена была Либихом в 1834 г., а виноград-
ного — Берцелиусом в 1837 г. Название „углеводы" введено было проф. К. Шмид-
том (Дерпт) в 1844 г.
Вопрос о строении углеводов разрешался в течение почти целого столетия. Ла-
вуазье считал сахар окисью сложного радикала, состоящего из углерода и водо-
рода. В 1855 г. Вертело доказал спнртовыи характер виноградного сахара C6Hi206
и его многоатомность. В 1869 г. Колли доказал, что он есть спирт пятиатомный.
В том же году Фиттиг определил и алдегидный его характер, т. е. Признал его
алдегидо-спиртом. Цинке в 1880 г. оспаривал этот взгляд и доказывал кетонную
натуру виноградного сахара. Толленс (1883) считал его окисью. Этот спор о ха-
рактере шестого атома кислорода окончательно решен был Килиани в 1885 г., до-
казавшим, что одни углеводы суть алдегидо-спирты, а другие — кетоно-спирты. В
1890 г. Э. Фишер, поддержав взгляд Килиани, объяснил разнообразие углеводов,
применив к ним стереохимическую гипотезу, и получил ряд новых представителей,
предсказываемых этой гипотезой.
Современный взгляд иа строение углеводов установлен на основании исследова-
ний английских ученых Гаворта и Ирвина с учениками, а также Каррера, Гесса и
многих других, продолжающих и в настоящее время разработку вопросов о строе-
нии углеводов, в особенности таких сложных, как целлюлоза (клетчатка) и крах-
мал. А. Бутлеров в 1861 г. впервые синтезировал углевод при конденсации му-
равьиного алдегида.
МОНОСАХАРИДЫ
Моносахариды представляют собой простейшую группу углеводов. По теории
строения они суть спиртоокиси или изомерные с ними алдегидо-спирты или кето-
но-спирты. Они очень распространены в растительном царстве, где находятся или
в свободном состоянии (виноградный и плодовый сахар), или в виде своих ангид-
ридов (крахмал, клетчатка и др.)л или в виде глюкозидов (амигдалин и др.)
Получение
моносахаридов
1. Самым обычным способом получения моносахаридов служит присоединение воды
к их ангидридам, называемым полисахаридами; например, виноградный сахар полу-
чается так из полисахарида крахмала:
C6Hi0O5 + Н20 = C6Hi206.
Реакция присоединения воды, сопровождающаяся разложением сложного соедине-
ния, называется гидролизом; производится она или кипячением полисахарида со
слабыми растворами минеральных кислот (H2S04, HC1) , или действием ферментов в
присутствии воды.
2. Впервые синтез моносахарида произведен был в 1861 году Бутлеровым кон-
денсацией муравьиного алдегида под влиянием известкового молока:
6СН20 = C6Hi206.
Полученный продукт Бутлеров назвал метиленитаном. Он не представлял собою
химического индивидуума, а был смесью. Из этой смеси впоследствии Э. Фишер
выделил моносахарид и назвал его ос-акрозой.
3. Ту же ос-акрозу Фишер получил при конденсации продуктов осторожного окис-
ления обыкновенного глицерина, т. е. из глицеринового атдегида и диоксиацето-
на:
СН2(ОН) СН(ОН) СН:0 + СН2 (ОН) СОСН2 (ОН) =
СН2 (ОН) СН (ОН) СН (ОН) СН (ОН) СОСН2 (ОН) .
Таким образом ос-акроза имеет строение кетоно-спирта; эту карбонильную фор-
мулу можно заменить следующей изомерной с ней окисной формулой:
СН2 . СН(ОН) * СН(ОН) . СН(ОН) . С(ОН) . СНг(ОН).
Приведенные здесь формулы ос-акрозы .тождественны с формулами плодового са-
хара или фруктозы. Акроза и фруктоза отличаются только оптической деятельно-
стью : акроза недеятельна, а фруктоза вращает плоскость поляризации влево.
4. При конденсации гликолевого алдегида Фентон получил также смесь моноса-
харидов :
ЗСН2(ОН) СН:0 = C6Hi206.
В дальнейшем изложении будут применяться чаще карбонильные формулы, как бо-
лее простые и более наглядные.
5. Осторожное окисление многоатомных спиртов - также приводит к образованию
моносахаридов, и притом с тем же числом углеродных агомов, что и в окисляемом
спирте, например:
СН2 (ОН) СН (ОН) СН (ОН) СН (ОН) СН (ОН) СН2 (ОН) + О =
СН2(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН:0 + Н20,
или
СН2(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СОСН2(ОН) + Н20.
Таким образом при окислении может образоваться и алдегидо-спирт и кетоно-
спирт. Решить вопрос о той или другой формуле можно на основании следующей
реакции, предложенной Килиани: присоединяют к испытуемому моносахариду части-
цу синильной кислоты (ср. присоединение HCN к алдегидам и кетонам); получен-
ный нитрил обмыливают и образовавшуюся при этом окси-кислоту обрабатывают из-
бытком иодистоводородной кислоты, чтобы все спиртовые гидроксилы заместились
на водород. Алдегидо-спирт (1) дает при этом кислоту нормального строения, а
кетоно-спирт (2) даст изокислоту:
1) CH2(OH)4CH-OH)4-CH:(V*CH,(OH)-(CH-OH-)4-CH(OH).CN«->
*^СН2(ОН)*(СН*ОН)5ХООН^СНг(СНг)Б-СООН.
2) СНа(ОН)-(СН.ОН)3.СО-СНя(ОНК*
*-(СНаОН) * (СН - 0Н)3 - С(ОН). СН2(ОНК'
CN
^СНДОН). (СН - 0Н)3 - С(ОН) ♦ СН2(ОН)^СН3 . (СН3)3 ■ СН ♦ СН3
СООН СООН
Алдегидо-спирты иначе называются алдозами, а кетоно-спирты — кетозами. По
числу кислородных атомов, содержащихся в молекуле моносахарида, оии делятся
на диозы, триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т. д.
Простейшие алдозы и кетозы, как, например,
■ гликолевый алдегид СН2 (ОН)—СН:О,
■ глицериновый алдегид СН2 (ОН)—СН(ОН)—СН:О,
■ диоксиацетон СН2 (ОН) -СО-СН2 (ОН)
должны быть также отнесены к моносахаридам, так как в их формулах карбонил
и спиртовая группа стоят рядом и так как по свойствам своим они сходны с мо-
носахаридами .
Физические
свойства
Моносахариды — тела кристаллические, большинство сладкого вкуса, без цвета
и запаха. Легко растворяются в воде, трудно в спирте и нерастворимы в эфире.
При нагревании сначала плавятся, затем буреют и, наконец, обугливаются.
Природные моносахариды все оптически деятельны, причем в их водных раство-
рах наблюдается явление мутаротации, состоящее в том, что угол вращения све-
жеприготовленного раствора постепенно меняется, пока не достигнет определен-
ной постоянной величины. Причина мутаротации заключается в том, что моносаха-
риды в растворах изомеризуются, т. е. один изомер превращается в другой, в
результате чего получается равновесная смесь изомеров.
Химические
свойства
Моносахариды — тела нейтральные. Их химические свойства обусловливаются
присутствием, с одной стороны, гидроксилов, а с другой — карбонильной группы
или окисной, т. е. они функционируют одновременно и как спирты, и как алдеги-
ды или кетоны, или как окиси.
1. Как спирты, моносахариды образуют алкоголяты, называемые сахаратами; для
получения сахаратов действуют на моносахарид не металлами, как при спиртах, а
основаниями (напр. известью); сахараты легко разлагаются при действии уголь-
ного ангидрида.
Получение сахарата
К 10 см раствора виноградного сахара (1:2) по каплям приливают известковое
молоко. При взбалтывании известь растворяется вследствие образования раство-
римого в воде сахарата кальция. Затем в раствор пропускают С02: сахарат раз-
лагается , выделяя нерастворимый СаС03.
2. Как спирты моносахариды способны образовать сложные (а) и простые (б)
эфиры.
а) При действии уксусного ангидрида в присутствии небольшого количества
хлористого цинка, например, на виноградный сахар получается пятиуксусный
эфир:
C6Hi206 + 5(СН3СО)20 = СбН70(ОСОСНз)5 + 5СН3СООН.
б) При действии СН31 в присутствии Ag20 или диметилсульфата S02(OCH3)2 в
присутствии щелочи, например, на виноградный сахар (на d-глюкозу) получается
пентаметилглюкоза:
C6Hi206 + 5CH3I = СбН70(ОСН3)5 + 5HI.
Выше было доказано, что строение ее выражается окисной формулой, а именно:
СН3(ОСНэ) . СН * СН(ОСНэ) * СН(0СНа) . СН(ОСН3) • СН(ОСН3).
I О 1
В этом эфире одна метоксильная группа (ОСН3) , именно крайняя с правой сто-
роны, резко отличается от остальных тем, что легко подвергается гидролизу,
причем пентаметилглюкоза переходит в тетраметилглюкозу, отщепляя молекулу ме-
тилового спирта:
СНг(ОСНа)-СН^(СН-ОСНа>^СН(ОСН3) + Н20^=
яв СНа(0СН3). СН * (СН. ОСН Д - СН ♦ ОН + СН3 * ОН.
I о. 1
Особенность этой группы объясняется положением ее при глюкозидном углероде,
т. е. при углероде, связанном с окисиым кислородом, чего нет у остальных че-
тырех групп ОСН3.
Свойства моносахаридов как карбонильных соединений выражаются в целом ряде
реакций, характеризующих алдегиды и кетоны, а именно:
3. Моносахариды при восстановлении присоединяют два атома водорода, превра-
щаясь в многоатомные спирты; так, d-глюкоза дает при этом шестиатомный спирт
сорбит:
СбН120б + Н2 = СбН140б
4. Присоединяют молекулу синильной кислоты, переходя в нитрилы оксикислот.
Эмиль Фишер при помощи этой реакции осуществил переход от менее сложных мо-
носахаридов к более сложным, а именно, если, например, к арабинозе присоеди-
нить HCN, то получится нитрил пентаоксикислоты:
СН2(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН:0 + HCN =
СН2 (ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) CN
При обмыливании этого нитрила получается пентаоксикислота
СН2(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СООН.
Кислота эта при нагревании теряет Н20 и переходит в лактон:
СН5(ОН)СН(ОН)*СН-СН(ОН)СН(ОН)-СО
I о !
Лактон при восстановлении амальгамой натрия присоединяет два атома водорода
и превращается в моносахарид (в алдегидо-спирт) с формулой:
СН2(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН:0.
Итак, исходным соединением - была арабиноза с эмпирической формулой C5Hi0O5,
а получился моносахарид СбН120б. Этим же путем можно от СбН120б перейти к
С7Н14О7, затем к СеН^Ое и т. д.
5. Моносахариды при действии гидроксиламина превращаются в оксимы:
СН2(ОН) • (СНОН)з'СН(ОН) СН:0 + NH2OH = СН2 (ОН) " (СНОН) 3СН (ОН) СН :NOH + Н20
Воль при посредстве оксимов осуществил обратный переход от более сложных
моносахаридов к менее сложным. Так, при нагревании с уксусным ангидридом вы-
шенаписанный оксим d-глюкозы теряет молекулу воды на счет гидроксила группы
NOH и водорода из СН, так что образуется группа CN; одновременно с этим атомы
водорода всех пяти гидроксилов ацетилируются, т. е. замещаются на радикалы
уксусной кислоты (на ацетилы), и получается нитрил пентаацетилглюконовой ки-
слоты: СН2 (ОСОСНз) • (СНОСОСНз) з'СН (ОСОСНз) CN.
При действии на этот нитрил аммиачным раствором серебряной соли происходит
отпадение HCN и обмыливание, т. е. замена всех ацетилов на атомы водорода; в
результате получается моносахарид с пятью атомами углерода:
СН2(ОН) • (СНОН)3СН:0,
тогда как исходная d-глюкоза содержала шесть углеродных атомов.
Руфф той же цели достигает при окислении алдозы перекисью водорода в при-
сутствии основной уксусно-железной соли:
C6Hi206 + 2Н202 = C5Hi0O5 + С02 + ЗН20.
При электролизе раствора виноградного сахара C6Hi206 в серной кислоте Леб
получил C5Hi0O5 и муравьиный алдегид СН20.
6. Важным реагентом для моносахаридов служит фенилгидразин (а также бромфе-
нилгидразин, нитрофенилгидразин, метилфенил-гидразин и др.), так как он обра-
зует с ними очень характерные, хорошо кристаллизующиеся соединения. Так, на-
пример, виноградный сахар (I) с первой молекулой фенилгидразина дает фенил-
гидразон (II); вторая молекула окисляет в этом гидразоне вторичную спиртовую
группу, стоявшую рядом с алдегидной, в карбонильную; получается кетоногидра-
зон (III) ; третья молекула гидразина вступает в реакцию с вновь образовавшим-
ся карбонилом, и получается дигидразон. Дигидразоны получили общее название
озазонов; в разбираемом примере получается фенилглюкозазон (IV):
■ (1) (И) (Ш) (IV)
сн2-он снгон снг-он сн2.он
II 1 I
сн-он сн-он сн-он сн-он
11 I . I
сн.он сн-он сн-он сн-он
! 1 II
сн-он сн-он сн-он сн-он
II I [
СН-ОН СН-ОН CO C:N.NHC,Hj.
II I I
CH:0 CH:NNHC6H5 CH:N.NHC6Hs CHiN-NHCjHs
С фруктозой (I) фенилгидразин реагирует аналогичным образом, т. е. последо-
вательно образуются: гидразон (II), алдегидогидразон (III) и, наконец, озазон
(IV) :
([) (II) (III) (IV)
сна-он сн2-он снй.он сн2-он
II I I
сн-он сн-он сн-он сн-он
снон
1
1
снон
1
со
1
1
сн^он
снон
1
1
сн-он
г
1
CrN-NH-
1
1
сня-он
CfiH5
сн-он
1
1
сн*он
1
1
C:NNH
1
i
СН:0
■ QH.-;
СН-ОН
1
1
СН-ОН
1
I
CiN-NH.CflHj
CH:N-NH-C0Hb
Эмпирические формулы фруктозы и d-глюкозы одинаковы СбН120б; изомерия их со-
стоит в том, что глюкоза есть алдоза, а фруктоза — кетоза. Из приведенных
формул видно, что гидразоны их различны, а озазоны тождественны. Из тождества
озазонов следует, что карбонил фруктозы находится на втором месте от конца
цепи, потому что, если бы он был в другом месте ее, то тождества озазонов
быть не могло. Так определяется положение карбонила в формуле фруктозы.
Интересен следующий факт: если вместо фенилгидразина взять метилфенилгидра-
зин
СНЭ ч
то он дает озазон только с кетозами; с алдозами же реакция дальше образова-
ния гидразона не идет, и получающийся гидразон легко растворим в воде, тогда
как озазоны — тела, трудно растворимые в воде. Таким образом реакцией с ме-
тилфенилгидразином можно воспользоваться для разделения алдозы и кетозы, ко-
гда они находятся в смеси.
Гидразоиы моносахаридов при нагревании их спиртового раствора с бензойным
или муравьиным алдегидом выделяют свободный моносахарид:
C6Hi205:NNHC6H5 + СбН5СН:0 = C6Hi206 + C6H5CH :NNHC6H5.
Озазоны моносахаридов — кристаллические желтоватые тела, почти нераствори-
мые в воде и потому легко осаждающиеся даже из разбавленных растворов; следо-
вательно, они дают возможность выделять и незначительные количества моносаха-
ридов из их растворов. Это важно, так как моносахариды только в чистом со-
стоянии легко кристаллизуются, из смесей же выделить их кристаллическими
трудно. Кроме того озазоны различных моносахаридов отличаются по своей темпе-
ратуре плавления, растворимости, оптической деятельности, а потому служат для
характеристики отдельных представителей.
Гидразоны при действии конц. НС1 распадаются, как известно, на свои состав-
ные части:
СН2(ОН) • (CHOH)4CH:NNHC6H5 + HC1 + Н20 =
СН2(ОН) • (СНОН)4СН:0 + NH2NHC6H5HC1.
Озазоны же как производные тел, содержащих два карбонила (второй образовал-
ся во время действия избытка фенил-гидразина окислением спиртовой группы),
при обработке соляной кислотой распадаются с образованием двукарбонильных со-
единений , называемых озонами:
СН2(ОН) • (CHOH)3C(N:NHC6H5) CH:NNHC6H5 + 2НС1 + 2Н20 =
2C6H5NHNH2HC1 + СН2(ОН) • (СНОН)3СОСН:0.
Озоны при восстановлении цинковой пылью с уксусной кислотой превращаются в
кетозу, т. е. водород присоединяется в этом случае, прежде всего, к алдегид-
ной группе, превращая ее в первичную спиртовую группу:
СН2 (ОН) • (СНОН) 3СОСН2 (ОН) .
Таким образом, будет ли данный моносахарид алдозой или кетозой, при посред-
стве озазонов можно получить лишь кетозу; алдозы этим путем не могут быть ре-
генерированы. Зато эта реакция представляет важный переход от алдоз к кето-
зам. Обратный же переход от кетоз к алдозам можно осуществить так: кетозу во-
сетановлением переводят в многоатомный спирт, а осторожным окислением послед-
него получают, между прочим, алдозу; иначе поступают так: многоатомный спирт
окисляют в окси-кислоту, а затем ее (ее лактон) восстановляют в алдозу.
7. Моносахариды легко окисляются. От действия слабых окислителей (например
бромная вода) алдозы превращаются в одноосновные оксикислоты, в так называе-
мые „оновые" кислоты; а более сильные окислители (например HN03) переводят их
в двуосновные оксикислоты с карбоксилами по концам цепи:
сн2*он ovoh соон
I I I
(СН ■ 0Н)4 (СН * 0Н)4 (СН ■ 0Н)4
I i [
СН:0 СООН СООН
Глюкоза Г л ю коновая Са.чарная
кислота кислота
Окисление кетоз протекает более сложно, так как здесь, как и при кетонах,
происходит распадение цепи углеродных атомов возле карбонила; например, фрук-
тоза дает при окислении гликолевую и триоксимасляную кислоты:
снг-он сн2-он
! i
со соон
I
сн-он соон
:сн.он)г
i
сна-он
Фруктов л
[ лмколевпя
КИСЛОТП
(СН-ОН)3
1
снй-он
Триоксшасляшш
кислота
В то время как алдегиды резко отличаются от кетонов своей легкой окисляемо-
стью, алдозы и кетозы, благодаря присутствию спиртовых групп, одинаково легко
склонны к окислению: и те и другие восстановляют аммиачный раствор окиси се-
ребра в металлическое серебро; и те и другие восстановляют щелочный раствор
окиси меди в закись меди. Последний реагент, называемый жидкостью Фелинга,
имеет широкое применение при исследовании всех углеводов.
Фелингова жидкость приготовляется смешением водных растворов медного купо-
роса, сегнетовой соли (это — двойная соль калия и натрия виннокаменной кисло-
ты) и едкой щелочи. Иногда эту смесь заменяют раствором медного купороса, по-
таша и кислой углекалиевой соли. Этот раствор по сравнению с фелинговой жид-
костью более прочен и менее чувствителен к тростниковому сахару.
Фелингова жидкость синего цвета; при восстановлении ее синий цвет исчезает,
и появляется сначала желтый осадок гидрата закиси меди, который при нагрева-
нии переходит в красный осадок без водной закиси меди (Cu20) .
Фелингова жидкость применяется и для количественного определения моносаха-
ридов, причем о количестве последних судят или по количеству потребовавшегося
титрованного медного раствора (окончание реакции определяется тем моментом,
когда синий цвет реагента более не изменяется), или по весу металлической ме-
ди, получаемой восстановлением образовавшейся при реакции закиси меди.
8. При кипячении с минеральными кислотами моносахариды теряют воду; напри-
мер, арабиноза C5Hi0O5 дает при этом фурфурол С5Н402 (I) , а глюкоза C6Hi206 —
оксиметилфурфурол СбНбОз (II) , легко разлагающийся (III) на левулиновую и му-
равьиную кислоты:
и сн-он —сн-он сн —сн
1 I = II !! +зн,о
СНо-ОН СН-ОН — СН:0 СН С—СН:0
Араб
II.
СН,-
=сн.
иноза
0Н-
,*он
СН-
1
0
Фурфурол
■ОН— СН-ОН
! !
■СН-ОН СН-ОН -
Глюкоза
СН—СН
II 1
-С С-СН:0
-СН
+
:0
ЗН30
О
О к с им ет и лф у рф у рол
III- С6Нй03 -\- 2Нй0 = СН3-СО. СНа- СН,-СООН -f Н-СООН
Оксиметнл- Левулиновая кислота Муравьиная
фурфурол * кислота
Этой реакцией пользуются, чтобы отличить пентозы от гексоз.
9. При нагревании с конц. щелочами моносахариды буреют и разлагаются; раз-
бавленные же растворы щелочей и гидроокисей щелочноземельных металлов вызыва-
ют изомеризацию моносахаридов, причем может переходить не только один стерео-
изомер в другой, но и алдоза в кетозу; таким образом получается смесь изоме-
ров. Объясняются эти переходы образованием, в качестве промежуточного продук-
та, непредельного многоатомного спирта (II) . Глюкоза (I) дает при этой реак-
ции стереоизомерную с ней маннозу и, кроме того, кетозу (III) :
I, СН:0 II. СН*ОН III. СН.-ОН
! II I
сн*он с* он со
I I I
(СН * 0Н)3 -(СН * 0Н)3 (СН * 0Н)3
1.1 I
сн2.он сн3-он снг*он.
10. Некоторые моносахариды под влиянием ферментов испытывают особого рода
разложение, известное под названием „брожения"; так например, виноградный са-
хар под влиянием дрожжей (в них находится грибок Saccharomyces cerevisiae)
бродит с образованием этилового спирта и угольного ангидрида:
C6Hi206 = 2С2Н5ОН + 2С02.
К спиртовому брожению способны не все моносахариды, а только те, которые
содержат 3, 6 и 9 атомов кислорода, т. е. триозы, гексозы и нонозы.
Стереоизомерия
моносахаридов
Во введении объяснено, что при наличии асимметрического углеродного атома
должны существовать два стереохимических активных изомера и третий оптически
недеятельный, являющийся продуктом сочетания правого изомера с левым; послед-
ний называется рацемическим изомером или рацематом и получается при смешении
равных количеств правого и левого изомера. Рацематы могут быть вновь разделе-
ны на свои активные компоненты. Конфигурации активных изомеров энантиоморфны:
они относятся друг к другу как предмет к его зеркальному изображению.
Если в формуле строения какого-либо тела имеются два асимметрических угле-
рода, то число стереоизомеров определяется так. Назовем один углерод через А,
а другой через В; если углерод А будет вызывать правое вращение, то обозначим
его через +А, а при левом вращении через —А; то же примем и для В. Тогда бу-
дем иметь следующие четыре комбинации:
'1)+А 2) + А 3)-А 4)-А.
;+в -в ; + в -в
Значит такое тело должно существовать в четырех активных изомерах. Число
рацематов будет = 2; а, именно, один получится при сочетании первого с чет-
вертым, а другой при смешении второго с третьим изомером. Итак, число рацема-
тов в два раза меньше числа активных изомеров.
Однако четыре активных изомера при двух асимметрических С будет лишь в том
случае, когда сама формула тела построена несимметрично; например, диоксимас-
ляная кислота СН3'СН (ОН) СН (ОН) СООН содержит два асимметрических С; это — те
углероды, которые образуют группы СН(ОН); но формула этой кислоты несиммет-
рична: ее мысленно нельзя разделить на две равные части. Если же взять форму-
лу винной кислоты: СООН СН(ОН) СН(ОН) СООН, то в ней углероды, образующие
группы СН(ОН), также асимметричны, но сама формула может быть разделена на
две равные части (2СН(ОН) СООН), т. е. она построена вполне симметрично; в
ней оба асимметрических С связаны с одинаковыми атомами и группами (Н, ОН,
СООН и СН(ОН)СООН); а при таких условиях сила влияний на оптическую деятель-
ность тела у обоих С будет одинакова; тогда второй изомер (+А, —В) и третий
изомер (—А, +В) будут недеятельны и между собою тождественны. В этих инактив-
ных изомерах инактивность явилась не как результат смешения двух активных
изомеров, а вследствие взаимной компенсации двух половин одной и той же моле-
кулы; это — так называемая интрамолекулярная компенсация; при ней оптический
эффект со стороны +А уничтожился эффектом со стороны —В; или, наоборот, эф-
фект от —А уничтожился от +В. Понятно, что такой инактивный изомер не может
быть разделен на свои активные компоненты, потому что компонентами в данном
случае являются две половины одной и той же молекулы.
Итак, тело с двумя асимметрическими С, при несимметричной формуле, должно
существовать в четырех активных изомерах и двух инактивных; оба инактивных
изомера могут быть разделены на активные, так как образовались путем их соче-
тания. Число изомеров при двух асимметричных С, но при симметричной формуле,
будет: два активных и два инактивных, причем один инактивный изомер не делим
на активные изомеры, а другой делим, потому что он есть результат сочетания
правого изомера с левым, получился при смешении равных количеств комбинаций
первой и четвертой, он есть рацемат.
Как известно, частицу соединения, содержащего один асимметрический углерод,
представляют себе в виде тетраэдра, в центре которого находится асимметриче-
ский углерод, а по четырем углам тетраэдра размещаются атомы и группы, свя-
занные с этим углеродом. Фигуру соединения с двумя асимметрическими С изобра-
жают в виде двух тетраэдров, соединенных своими вершинами. Более простой спо-
соб изображения состоит в следующем. Если провести вертикальную линию через
два асимметрических С, на концах ее поместить атомы и группы, связанные с уг-
леродами, а затем, если через эти же С провести две горизонтальных линии и на
концах их поставить остальные атомы или группы, связанные с углеродами, то
такая фигура явится плоскостной проекцией фигуры, образованной двумя тетра-
эдрами; углеродные атомы будут, значит, находиться в точках пересечения этих
линий. Меняя места атомов и групп на шести концах линий, для разбираемого
примера виннокаменных кислот мы получим следующие четыре комбинации.
СООН СООН
п Н 1 ОН ^ ОН j Н
1> ОН ' Н £) Н 1 ОН
СООН СООН
СООН СООН
н
ъ Н 1 ОН 4л ОН
d> н 1 он 4J он
н
СООН СООН
Первая фигура по отношению ко второй (и обратно) является зеркальным ее
изображением; но для того, чтобы признать и факт существования двух деятель-
ных изомеров, отвечающих этим проекциям, необходимо соблюдение еще одного ус-
ловия — чтобы при повороте, положим, первой проекции в плоскости бумаги на
180° не получилась фигура, тождественная со второй, или, как говорят, чтобы
получились несовместимые конфигурации. Для первых двух конфигураций это усло-
вие действительно имеет место: никаким поворотом первой или второй проекций
нельзя получить совместимых конфигураций; значит должны существовать два дея-
тельных изомера виннокаменных кислот; при этом если допустить, что первая
проекция отвечает правому изомеру, то вторая будет отвечать левому, и наобо-
рот.
Проекции 3-я и 4-я разнятся между собой так же, как предмет и его зеркаль-
ное изображение, т. е. можно было бы предположить возможность существования
еще двух активных изомеров; но это не так; здесь нет наличия второго условия:
при поворачивании первой конфигурации на 180° получается проекция, тождест-
венная со второй; значит здесь будет не два изомера, а только один, и он бу-
дет недеятелен, потому что нижняя половина проекции есть зеркальное изображе-
ние верхней, и при повороте верхней половины на 180° нельзя достигнуть со-
вместимости с нижней; такая недеятельность обусловлена интрамолекулярной ком-
пенсацией. Такие инак-тивные частицы имеют всегда плоскость симметрии, тогда
как у активных плоскость симметрии отсутствует, они энантиоморфны.
Если формула соединения содержит три асимметричных углерода (А, В и С) , то
возможны следующие восемь комбинаций.
А+ + + + ----
В+ + -- + + --
С+- + - + - + -
1-я. 2-я. 3-я+ 4-я. 5-я- 6-я+ 7-я. 8-я.
Этим восьми комбинациям, при несимметрической формуле, должны отвечать во-
семь активных изомеров. Число рацематов будет в два раза меньше, т. е. 4, а
именно:
1) при сочетании первого с восьмым,
2) второго с седьмым,
3) третьего с шестым,
4) при сочетании четвертого с пятым изомером,
потому что вращательные способности этих пар равны, но противоположны по
знаку.
Таким образом при несимметрической формуле число активных изомеров опреде-
ляется формулой 2П, где п указывает на число асимметричных углеродных атомов;
при п = 1 будут два изомера, при п = 3 число изомеров = 8, при п = 4 число
активных изомеров = 16 и т. д. Число рацематов в два раза меньше числа актив-
ных изомеров. Если же формула строения симметрична, то число изомеров умень-
шается .
Определим, сколько изомеров будет при симметрической формуле, содержащей
три асимметрических углерода; в таком случае А будет равно С; такой случай
имеется в формуле, например, триоксиглутаровой кислоты:
СООН-СН(ОН)-СН(ОН)-СН(ОН-СООН.
Для нее комбинации 2-я и 5-я, а также 4-я и 7-я тождественны, так как А =
С; кроме того, в комбинациях 1-й, 3-й, 6-й и 8-й центральный углерод не имеет
уже асимметричности, ибо А и С здесь оптически тождественны, а потому комби-
нация 3-я тождественна с 1-й, а 8-я с 6-й. Таким образом для триоксиглутаро-
вой кислоты остаются только 4 стерео-изомера:
А + + + -
ВО — 4- 0
С + - - _
1-я. 2-ян 3-я. 4-я.
первый и четвертый изомеры активны, но по знаку противоположны, а второй и
третий инактивны и неделимы, так как здесь имеется интрамолекулярная компен-
сация.
В комбинациях первой и четвертой асимметричность углерода В потеряна (В =
0) вследствие полного тождества А и С (см. триоксиглутаровую кислоту) . Каза-
лось бы, то же должно быть и во второй и в третьей комбинациях; по структур-
ной формуле триоксиглутаровой кислоты видно, что средний в цепи углерод не
асимметричен, так как он связан с Н, ОН и двумя одинаковыми группами атомов
СН(ОН)'СООН, а не с четырьмя различными атомами и группами; но в структурно-
тождественных группах СН(ОН)'СООН нет тождества оптического; в них имеется -
+А и -С вот почему комбинации вторая и третья отличны друг от друга.
Вышеуказанным четырем комбинациям Отвечают следующие конфигурации триоксиг-
лутаровых кислот:
соон
н-
1) Н-
он-
■он
-он
- н
соон
соон
н-
3) ОН-
н-
-он
-н
юн
2)
4)
н-
н-
н-
соон
-он
-он
-он
он-
он-
н-
соон
соон
-н
-н
он
соон
соон
Первая и четвертая конфигурации энантиоморфны, одна по отношению к другой
является зеркальным изображением, при поворачивании в плоскости бумаги на
180° они не совпадают; значит им должны отвечать два стереоизомера: правый и
левый. В конфигурациях 2 и 3 верхние системы
СООН
Н
ОН
являются зеркальным изображением нижних:
Н — 1 -ОН
СООН
и при поворачивании на 180° они не совпадут; значит этим конфигурациям
должны, отвечать два неделимые инактивные изомера триоксиглутаровых кислот,
так как они образовались благодаря интрамолекулярной компенсации.
При четырех асимметрических атомах углерода (А, В, С, D) при симметрической
формуле строения, т. е. когда А = D, число активных стереоизомеров, вместо
16, будет 10.
Вывод стереохимическои формулы правой арабинозы. Из формулы строения араби-
нозы СН2(ОН)'СН(ОН)'СН(ОН)'СН(ОН) СН:0 видно, что три углерода, образующие
вторичные спиртовые группы, асимметричны и что самая формула построена не
симметрично; для такого случая по стереохимическои гипотезе, как только что
выяснено, предсказывается 8 активных изомеров. Вот проекции этих восьми кон-
фигураций :
СН:0 СН:0
Н
-——н
н
н-
1) Н-
н-
-он
-он
-он
но-
2) Н0-
но-
3)
5)
н-
но-
н-
сна-он
сн.о
-он
-н
-он
4)
но
н
но
СНа-ОН
СН;0
-Н
-он
-н
н-
н-
но-
сн^он
СН:0
-ОН
-ОН
■н
но-
6) Н0-
н-
снгон
С1:0
■н
н
он
н-
но-
но-
снгон
СН:0
-он
-н
-н
в)
но-
н-
н-
CHj-OH
СН:0
•н
-он
-он
СНдОН
снгон
При окислении арабинозы получается триоксиглутаровая кислота
СООН СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН СООН.
Ввиду ее симметрического строения для нее возможны четыре изомера; их про-
екции следующие:
1)
3)
н-
н-
н-
н-
н-
но-
соон
соон
соон
-он
-он
-он
-он
-он
-н
2)
4)
н-
но-
н-
но-
но-
н
соон
соон
соон
-он
-н
-он
-н
-н
■он
соон
соон
Первая конфигурация кислоты получается из первой и второй конфигурации ара-
бинозы. На первый взгляд, вторая конфигурация арабинозы как-будто бы должна
дать другую конфигурацию кислоты, содержащую гидроксилы слева, а не справа; и
тогда эта новая конфигурация будет зеркальным изображением первой, т. е.
должна отвечать новому изомеру кислоты, но этот вывод неправилен, так как
упущено еще одно условие: они будут стереоизомерны лишь в том случае, если
при поворачивании одной из проекций на 180° не будет достигнуто совпадение
этих конфигураций, а в данном случае это совпадение произойдет; значит обе
конфигурации отвечают одной и той же кислоте.
Вторая конфигурация триоксиглутаровой кислоты получается из третьей и чет-
вертой конфигурации арабинозы.
Третья конфигурация кислоты произойдет из пятой и седьмой конфигурации ара-
бинозы, а четвертая — из шестой и восьмой.
Правая арабиноза при окислении дает оптически деятельную триоксиглуатаровую
кислоту. Из четырех конфигураций этой кислоты первые две отвечают оптически
недеятельным кислотам, потому что в этих конфигурациях верхняя система есть
зеркальное изображение нижней; здесь имеется, значит, интрамолекулярная ком-
пенсация; а поэтому для оптически деятельной триоксиглутаровой кислоты, полу-
чаемой из правой арабинозы, первые две конфигурации неприменимы; а так как
они выведены из первых четырех конфигураций арабинозы, то, значит, для правой
арабинозы эти четыре конфигурации исключаются. Слетаются четыре последних (5,
6, 7, 8) . Но из них мы имеем две пары энантиоморфных конфигураций (6-я есть
зеркальное изображение 5-й, а 8-я — 7-й); значит две из них отвечают правой
арабинозе, а две — левой. Вопрос о том, какие две отвечают правой, а какие
две левой, остается нерешенным; но, если допустить, что правой отвечает 5-я
конфигурация, то левой будет отвечать энантиоморфная с ней 6-я; допуская, что
7-я отвечает правой, мы должны признать, что 8-я отвечает левой арабинозе.
Если принять это допущение, то выбор конфигураций для правой арабинозы сво-
дится только к следующим двум:
СН:0
ОН
н
н
сн-о
1)
н-
н
но-
-он
-он
-н
н-
2) НО-
но-
сн2-он
сн3.он
Вопрос о том, которая из двух принадлежит правой арабинозе, решается сле-
дующим образом. При посредстве синильной кислоты переводят арабинозу C5Hi0O5 в
гексозу СбН120б. Последовательно образуются следующие продукты:
1. присоединением HCN получают нитрил тетраоксикислоты
СН2 (ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) CN;
2. обмыливанием нитрила получают тетраоксикислоту
СН2ОНСН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СООН;
3. при восстановлении кислоты получаются две стереоизомерных гексозы
СН2(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН:0, глюкоза и манноза.
Их стереоизомерия обусловлена появлением нового (четвертого) асимметриче-
ского углерода, того, который связан непосредственно с алдегидной группой
СН:О. Это доказывается следующими опытными данными: гидразоны глюкозы и ман-
нозы различны, а озазоны тождественны; значит, при образовании озазона унич-
тожилась причина, обусловливающая отличие глюкозы и маннозы и их гидразонов;
а известно, что в образовании озазона принимает участие та спиртовая группа,
которая стоит рядом с алдегидной; значит, глюкоза и манноза отличаются друг
от друга благодаря асимметрическому углероду, стоящему рядом с алдегидной
группой. Далее, обе эти гексозы при окислении превращаются в структурно-
тождественные, но стереохимически различные, двуосновные кислоты:
СООН СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СООН, — глюкоза дает сахарную, а манноза —
манносахарную кислоту. Обе они оптически деятельны, но различны, и различие
их обусловливается, конечно, опять-таки тем углеродом, который стоял рядом с
СН:О, а теперь он связан с СООН.
Чтобы вывести конфигурации этих кислот из вышеизображенных двух конфигура-
ций арабинозы, нужно оставить без изменения расположения трех гидроксилов и
трех водородов, возле СН:О поставить новую вторичную спиртовую группу и в ней
менять положение Н и ОН (то справа, то слева), группы же СН:0 и СН2'ОН заме-
нить на карбоксилы; тогда из первой конфигурации арабинозы получим две конфи-
гурации для кислот:
СООН
Н-
н-
н-
он-
■он
-он
-он
-н
он-
н-
н-
он-
соон
-н
-он
-он
-н
СООН
СООН
Из второй конфигурации арибинозы получатся также две конфигурации для ки-
слоты :
Н-
Н-
ОН-
0Н-
COOH
-ОН
-ОН
-н
н
он-
н-
он-
он-
СООН
-Н
-он
-Н
-н
соон
соон
Рассматривая первую пару конфигураций, мы должны признать, что она не при-
годна для изображения сахарной и маниосахариой кислот, потому что обе эти ки-
слоты оптически деятельны, а между тем вторая конфигурация первой пары должна
отвечать инактивной кислоте благодаря интрамолекулярной компенсации; в ней
верхняя половина конфигурации является зеркальным изображением нижней. Значит
первая конфигурация арабинозы исключается; остается вторая; выведенная из нее
вторая пара конфигураций для сахарных кислот отвечает активным кислотам, что
и есть на самом деле. Итак, из восьми возможных конфигураций для правой ара-
бинозы мы пришли к одной:
СН:0
Н-
0Н-
0Н-
ОН
-Н
-Н
СН2-ОК
Конфигурация левой арабинозы тогда будет зеркальным изображением только что
написанной, т. е.
СН:0
0Н-
Н-
н-
-н
-он
-он
CHj-OH
но возможно и обратное допущение — что правой арабинозе отвечает последняя
конфигурация; тогда левой арабинозе будет отвечать предпоследняя конфигура-
ция. Этот вопрос остается нерешенным.
В предыдущем рассуждении затронут был вопрос и о конфигурациях маннозы и
глюкозы; выяснено, что они находятся в генетической связи с арабинозой; зна-
чит расположение трех водородов и трех гидроксилов вторичных спиртовых групп,
общих всем трем моносахаридам, должно быть у всех одинаковое; различие же
маннозы и глюкозы обусловлено различным расположением Н и ОН в новой четвер-
той спиртовой группе, стоящей рядом с алдегидной; вот их конфигурации:
СНЮ СН:0
Н L —ОН ОН 1 Н
Н ОН Н ОН
ОН Н ОН М
ОН ] Н ОН 1 -Н
OVOH СН2*ОН
Манжш Глюкоза
Отдельные
представители
Арабиноза СН2'ОН' (СН'ОН) з'СН :0 относится к группе пентоз. Получается при ки-
пячении вишневого клея, относящегося к высшим полисахаридам, с разбавленной
серной кислотой. Образует призмы с т. пл. 160 С. Обладает сладким вкусом.
Плоскость поляризации вращает вправо. С дрожжами не бродит, фелингову жид-
кость восстановляет. При окислении дает сначала одноосновную арабоновую ки-
слоту СН2ОН' (СН'ОН) з'СООН, а затем двуосновную триоксиглутаровую кислоту
СООН- (СНОН) з'СООН.
При восстановлении образует пятиатомный спирт — арабит С5Н7(ОН)5. Дает оза-
зон с т. пл. 157 С. При кипячении с минеральными кислотами дает фурфурол
С4Н30'СН:0, который доказывается действием анилина и соляной кислоты, причем
получается красное окрашивание. Последняя реакция отличает пентозы от других
групп моносахаридов.
Присоединение HCN и последующая обработка иодистоводородной кислотой приво-
дит к образованию нормальной капроновой кислоты C6Hi202, чем и доказывается
алдегидная группа в арабинозе и ее нормальное строение.
Вследствие присутствия трех асимметрических атомов углерода (те углероды,
которые с гидроксилами образуют вторичные спиртовые группы) арабиноза должна
образовать восемь стереохимических изомеров. Один из них, называемый ксилозой
C5Hio05, получается кипячением древесной камеди с серной кислотой; по свойст-
вам ксилоза очень близка к арабинозе. Озазон ее плавится при 160 С.
При действии синильной кислоты на арабинозу Э. Фишер получил нитрил окси-
кислоты (1), который с аммиаком дал нитрил амино-окси-кислоты (2):
1) СН2 (ОН) • (СН'ОН) 3'СН:0 + HCN = = СН2 (ОН) " (СНОН) 3СН (ОН) CN
2) СН2(ОН) • (СНОН) з'СН (ОН) CN + NH3 = = Н20 + СН2 (ОН) " (СНОН) 3"СН (NH2) CN.
Последний при действии конц. НС1 превращается в амино-оксикислоту
СН2 (ОН) ' (СНОН) з'СН (NH2) СООН, которая (точнее — ее лактон) при восстановлении
амальгамой натрия дает глюкоз амин СН2 (ОН) ' (СН'ОН) 3СН (NH2) СН:0.
Это кристаллическое тело впервые было получено из хитина, входящего в со-
став панцырей насекомых и раков, при действии конц. НС1. Впоследствии оно
найдено среди продуктов распада нескольких белковых тел. Таким образом глюко-
замин является связующим звеном между углеводами и белками.
От действия фенил-гидразина глюкозамин превращается в глюкозазон. При дей-
ствии азотистой кислоты на глюкозамин происходит замещение группы NH2 на гид-
роксил, и получается гексоза, вращающая плоскость поляризации вправо.
К пентозам относится еще рамноза СН3' (СН' ОН) 4' СН : О, которая долгое время
считалась шестиатомным спиртом C6Hi406 под названием изо-дульцита. Она получа-
ется при кипячении многих глюкозидов (например кверцитрина) с H2S04. Образует
сладкого вкуса кристаллы с т. пл. 93 С. При перегонке с минеральными кислота-
ми дает метилфурфурол СН3'С4Н20'СН :0.
Наиболее важные моносахариды относятся к группе гексоз, и между ними первое
место занимает виноградный сахар СН2 (ОН) ' (СН'ОН) 4СН:0. Вследствие способности
вращать плоскость поляризации вправо он назывался декстрозой. Теперь его на-
зывают d-глюкозой. Находится в большинстве сладких плодов, в соку различных
сладких растений, в меде; кроме того при некоторых болезненных расстройствах
(например при сахарном мочеизнурении) он выделяется почками и потому находит-
ся в моче. Получают виноградный сахар из крахмала кипячением его с H2S04.
Безводный виноградный сахар кристаллизуется из спирта в тонких иглах с т. пл.
146,5 С, из воды же при обыкновенной температуре выделяется СбН120б'Н20. Абсо-
лютный алкоголь растворяет виноградный сахар в крайне незначительном количе-
стве . Свежеприготовленный водный раствор обладает почти вдвое большим правым
вращением (+109,6°), чем, например, через сутки по приготовлении. Такое явле-
ние называется „мутаротацией" и объясняется происходящей здесь изомеризаци-
ей2 . Сладкий вкус виноградного сахара вдвое слабее, чем у тростникового.
С уксусным ангидридом (+ ZnCl2) дает пятиуксусный эфир
СН2 (ОСНз'СО) ' [СН (ОСНз'СО) ] 4СН:0; при окислении переходит сначала в одноос-
новную глюконовую кислоту: СН2 (ОН) ' (СН'ОН) 4'СООН, а затем — в двуосновную са-
харную: СООН'(СН'ОН) 4СООН; восстановляет аммиачный раствор окиси серебра и
щелочной раствор окиси меди; при восстановлении превращается в шестиатомный
спирт — сорбит (стереоизомер маннита) СбН^Об. Фенил-глюкозазон плавится при
205 С.
Обмыливанием продукта присоединения HCN и обработкою полученной окси-
кислоты иодистоводородной кислотой получают нормальную гептиловую кислоту,
что доказывает:
1) алдегидный характер,
2) нормальное строение виноградного сахара.
При кипячении с НС1 получается левулиновая кислота (С5Н803) — реакция, ха-
рактерная для гексоз. Левулиновая кислота доказывается малой растворимостью
ее серебряной соли, выделяющейся в характерных кристаллах. При действии щело-
чи на виноградный сахар образуется, между прочим, молочная кислота.
Свойства виноградного сахара
a) а) К охлажденному раствору 2 г солянокислого фенил-гидразина и 3 г крист.
уксуснонатриевой соли в 15 см3 Н20 прибавляют раствор 1 г виноградного са-
хара в 5 см3 Н20 и нагревают на водяной бане. Минут через 10 начинают вы-
деляться желтые иглы озазона. Их отфильтровывают, промывают водой и сушат
на воздухе.
b) В пробирке к раствору виноградного сахара приливают немного фелинговой
жидкости и подогревают: синее окрашивание скоро пропадает, и начинает вы-
деляться желтый, скоро краснеющий осадок Cu20.
c) Выпаривают на водяной бане досуха смесь 1 г виноградного сахара с 10 см3
НЫОз уд. веса 1,3. К остатку прибавляют 1 см3 Н20 и 5 см3 конц. раствора
уксуснокислого калия. Через короткое время осаждается кислый сахарнокислый
калий СбН908К.
d) В пробирке к раствору виноградного сахара приливают аммиачный раствор оки-
си серебра; при подогревании выделяется металлическое серебро в виде нли
черного осадка или блестящего зеркала.
e) Раствор виноградного сахара кипятят с КОН; сначала получается желтое окра-
шивание , затем бурое и, наконец, осмоление.
2 Признают существование двух стереоизомеров виноградного сахара а и (3. Их пяти-
ацетильные производные имеют различные т. пл. : а— 111 С, а р — 131 С. р-Изомер по-
лучается при кристаллизации виноградного сахара из раствора в горячем пиридине; он
плавится при 148—150 С.
Вследствие присутствия в формуле виноградного сахара четырех асимметриче-
ских атомов углерода, по стереохимической гипотезе, возможны 16 (т. е. 24)
оптически деятельных стереоизомерных соединений; из них многие уже известны,
как-то: правая и левая маннозы, также глюкозы (сюда относится и виноградный
сахар), гулозы, галактозы и др.
Правая галактоза получается при действии слабых кислот на молочный сахар
С12Н22О11 при осторожном окислении дает одноосновную галактоновую кислоту и
двуосновную — слизевую (изомеры глюконовой и сахарной); водородом восстанов-
ляется в дульцит (изомер маннита), Галактозазон плавится при 186 С.
К кетозам относится фруктоза, или плодовый сахар,
СН2 (ОН) ' (СН'ОН) 3'СО'СН2 (ОН) ; он же назывался раньше левулёзой, в отличие от
декстрозы, совместно с которой встречается в сладких плодах. Получают фрукто-
зу или из инулина или из тростникового сахара при гидролизе их. Первый при
кипячении с слабыми растворами минеральных кислот почти сполна превращается в
нее, а тростниковый сахар дает при этом смесь равных количеств виноградного
сахара и фруктозы. Смесь эта называется превращенным сахаром, входит в состав
(около 80%) пчелиного меда, в котором, кроме того, находится еще вода (около
18%) , малые количества воска, белковых веществ и др. Для выделения фруктозы
из превращенного сахара получают сначала кальциевый сахарат ее, а затем раз-
лагают последний угольным ангидридом. Фруктоза образуется одновременно с ви-
ноградным сахаром при окислении маннита.
Фруктоза выделяется из спирта в ромбических кристаллах с т. пл. около 100
С. Легче виноградного сахара растворима в воде, почти нерастворима в холодном
алкоголе и совершенно нерастворима в эфире.
Приблизительно на 70% слаще обыкновенного сахара; поэтому и мед пчелиный
значительно слаще сахара.
Водный раствор фруктозы вращает плоскость поляризации влево (—93°), и при-
том на значительно больший угол, чем виноградный сахар, вращающий вправо; по-
этому превращенный сахар имеет левое вращение3. Химические свойства фруктозы
понятны из ее формулы строения. Как пятигидроксильное соединение она дает пя-
ти-уксусный эфир. Как карбонильное соединение она образует озазон (тождест-
венный с получаемым из виноградного сахара), восстановляется в шестиатомный
спирт (маннит и сорбит). Восстановляет фелингову жидкость. С дрожжами бродит.
Что фруктоза — кетоноспирт, это доказывается окислением ее: здесь не образу-
ется ни сахарной, ни слизевой кислот; при окислении же окисью ртути в присут-
ствии Ва(ОН)2 получаются кислоты: гликолевая СН2(ОН)'СООН и три-окси-масляная:
СН2 (ОН) ' (СН'ОН) 2'СООН; т. е. распадение произошло между карбонилом и вторичной
спиртовой группой (такой порядок распада характеризует кетоны).
Присоединение HCN и последующая обработка иодистоводородной кислотой приво-
дит к образованию изогептиловой кислоты, именно метил-бутил-уксусной, что и
подтверждает придаваемую фруктозе формулу.
Синтез виноградного
сахара и фруктозы
При конденсации муравьиного алдегида получена ос-акроза, оказавшаяся недея-
тельным стереоизомером фруктозы. Присоединяя к себе два атома водорода, акро-
за дает шестиатомный спирт — акрит, являющийся недеятельным стереоизомером
маннита. При окислении азотной кислотой акрит опять теряет 2Н, но не дает об-
ратно кетозу, а превращается в алдозу, названную маннозой, тоже оптически не-
деятельную. Манноза при окислении бромной водой превращается в недеятельную
3 Недеятельная фруктоза есть ос-акроза, а брожением последней в присутствии дрожжей
получается и правая фруктоза, так как левая идет при этом на питание грибков.
одноосновную кислоту — манноновую СН2 (ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СН(ОН) СООН.
Из нее приготовлена была соль с алкалоидом стрихнином; соль эта при дробной
кристаллизации разделилась на соль левой кислоты, которая, как более трудно
растворимая, выкристаллизовалась раньше, а более растворимая соль правой ман-
ноновой кислоты осталась в маточном растворе. Из этих солей выделены были
правая и левая манноновые кислоты. Правая манноновая кислота при нагревании
до 140 С в присутствии хинолина или пиридина изомеризовалась в правую глюко-
новую кислоту, которая при восстановлении дала виноградный сахар.
Для перехода к фруктозе правую манноновую кислоту восстановляют в правую
маннозу; последнюю переводят в озазон, а озазон — в озон, который при восста-
новлении превращается в фруктозу. В нее же превращается и виноградный сахар,
также переходя через озазон и озон.
Ввиду генетической связи фруктозы с правой глюкозой и правой маннозой ей
дают название d-фруктоза, хотя она обладает левым вращением. Таким образом
приставка d не всегда указывает на правое вращение, точно также как и при-
ставка 1 принадлежит иногда в правовращающему стерео-изомеру.
Реакции
брожения
Брожение есть особого рода превращение моносахаридов под влиянием фермен-
тов . В зависимости от получаемых при этом продуктов различают несколько видов
брожений: спиртовое, молочное, масляное и др.
Спиртовое брожение происходит под влиянием грибка Saccharomyces
cerevislae4. Грибок живет и размножается в водном растворе моносахарида, ко-
торый при этом распадается с образованием как главных продуктов спирта и
угольного ангидрида:
C6Hi206 = 2С2Н5ОН + 2С02.
Для того чтобы брожение происходило, необходимо соблюдение следующих усло-
вий:
1) присутствие грибка, вырабатывающего фермент (зимазу),
2) присутствие моносахарида,
3) присутствие воды,
4) температура не ниже 0 С и не выше 50 С (наиболее благоприятная — от 25 С
до 30 С),
5) в начале брожения необходим доступ воздуха, а затем его может и не быть,
6) присутствие питательных веществ для грибков (фосфорная кислота, соли ка-
лия, магния и кальция, а также азот-содержащие тела);
7) наконец, должны отсутствовать все те вещества, которые могли бы убивать
грибки, как то:
a) алкоголь в концентрованном состоянии, почему требуется достаточное раз-
бавление моносахарида водою,
b) сильные основания,
c) многие кислоты, как, например, салициловая, карболовая, сернистая и др.,
а также
d) соли ртути, свинца, меди и серебра.
4 Э. Бухиеру (1897 г.) удалось из дрожжевых грибков выделить белковое вещество, на-
званное им „зимаза", которое, помимо жизнедеятельности микроорганизмов, вызывает
брожение углеводов. Что брожение обусловливается именно зимазой, а не живой прото-
плазмой, как некоторые думали, Бухиер доказал тем, что извлек ту же зимазу из убитых
предварительно дрожжевых клеток.
Химизм спиртового брожения довольно сложный; уравнение Гей-Люссака:
C6Hi206 = 2С2Н5ОН + 2С02
выражает лишь окончательный результат реакции; а между тем, несомненно, в
период брожения образуется ряд промежуточных продуктов; относительно природы
этих продуктов предложено несколько теорий; наиболее вероятной считается те-
перь следующая теория Нейберга. Виноградный сахар, через потерю 2Н20, перехо-
дит в две молекулы метилглиоксаля:
СН2ОН-(СНОН)2-СН=0 = 2Н20 + 2СН3-СО-СН=0.
Затем действуют две молекулы воды, причем одна молекула метилглиоксаля
окисляется в пировииоградную кислоту СН3—СО—СООН, а другая восстановляется в
глицерин СН2 • ОН-СН' ОН-СН2' ОН .
Пировиноградная кислота от действия дрожжей распадается на уксусный алдегид
и угольный ангидрид:
СНз-СО-СООН = СН3-СН=0 + С02.
Уксусный алдегид в присутствии воды действует на метилглиоксаль, образуя
этиловый спирт и пировииоградную кислоту:
СН3-СН=0 + СН3-СО-СН=0 + Н20 = СН3-СН2ОН + СН3-СО-СООН.
Последняя опять распадается иа уксусный алдегид и С02 и т. д.
Подтверждение этой теории можно видеть в том, что глицерин и уксусный алде-
гид суть побочные продукты спиртового брожения. Затем, если к бродящему рас-
твору прибавить Na2S03, то уксусный алдегид с ним соединяется, и последнее
превращение алдегида в спирт не происходит; тогда главными продуктами броже-
ния являются глицерин (до 36 %) и бисульфитное соединение уксусного алдегида.
А. Е. Фаворский констатировал факт изомеризации метил-бензоил-карбинола
СН3СН (ОН) СОСбН5 в фенил-ацетил-карбинол СН3СОСН (ОН) СбН5 под влиянием фер-
мента спиртового брожения и объяснил эту изомеризацию как результат одновре-
менно идущих двух реакций — окисления и восстановления: спиртовая группа
СН'ОН окисляется в карбонил, а карбонил восстановляется во вторичную спирто-
вую группу. Это наблюдение дало ему право установить взгляд на брожение как
на ряд сопряженных реакций одновременного окисления и восстановления, идущих
в такой последовательности:
1) Молекула глюкозы распадается на две молекулы глицеринового алдегида; при
этом по месту распада один углерод окисляется в алдегидную группу, а дру-
гой восстановляется в первичную спиртовую группу:
СН2(ОН)-СН(ОН)-СН(ОН)-СН(ОН)-СН(ОН)-СН:0 = 2СН2 (ОН) СН (ОН) СН :0.
2) Глицериновый алдегид, как ос-гликоль теряет воду и дает метилглиоксаль:
СН2(ОН)-СН(ОН)-СН:0 = СН3-СО-СН:0 + Н20.
3) Молекула метилглиоксаля и молекула глицеринового алдегида реагируют затем
с водой; при этом два атома водорода из воды восстановляют глицериновый
алдегид в глицерин, а атом кислорода из воды окисляет метилглиоксаль в пи-
ровииоградную кислоту:
СН2(ОН)-СН(ОН)-СН:0 + Н20 + СН3-СО-СН:0 =
СН2(ОН)-СН(ОН)-СН2(ОН) + СН3-СО-СООН.
4) Пировиноградная кислота распадается на уксусный алдегид СН3—СН:О и С02.
5) Уксусный алдегид и метилглиоксаль реагируют с водой, причем уксусный алде-
гид восстановляется в этиловый спирт, а метилглиоксаль окисляется в пиро-
виноградную кислоту:
СН3-СН:0 + Н20 + СН3-СО-€;Н:0 = СН3-СН2(ОН) + СНз-СО-СООН.
Превращение третье идет только в начале брожения; оно нужно для образования
пировиноградной кислоты, а раз она образовалась и началась четвертая реакция,
то уже уксусный алдегид реагирует с метилглиоксалем и образование глицерина
сходит на нет, и весь глицериновый алдегид идет на образование метилглиокса-
ля:
И действительно:
1) глицерина получается при брожении только 2—3%;
2) повысить его выход можно, связывая уксусный алдегид сернисто-кислым на-
трием, как доказал Нейберг;
3) глицерин и совсем не образуется, если к сахарному раствору перед броже-
нием прибавить 2% уксусного алдегида.
Механизм пятой реакции Фаворский объясняет следующими схемами:
СНз СН4
/ОН + CHft СНз
* \он хн«он cfvoh
CH:0+H,0 CH^JJ NCH^OH q//0
I I со ■ | чон
CO CO I CO
I I CHa 1
Аналогично объясняет он и 3-ю реакцию.
Молочное брожение происходит под влиянием некоторых бактерий, как например,
Bacillus acidi ladici; при этом моносахарид превращается в молочную кислоту:
СбН120б = 2СзНбОз.
Если брожение будет происходить в присутствии СаСОз или ZnC03, то молочная
кислота превращается в масляную кислоту под влиянием особого фермента, разви-
вающегося во время самого брожения:
2С3Нб03 = С4Н802 + 2С02 + 2Н2.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Химичка
Battery
СМ., gas H-2 &aa
Го r m к fо rm s
at anode at cathode
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ХЛОРАТА КАЛИЯ
На основании опытов и изучения литературы была уточнена методика
проведения препаративного синтеза хлората калия КС103, методика про-
верена в ходе настоящей работы.
Общая идея методики:
1. Электролизу подвергается близкий к насыщенному раствор хлорида натрия
NaCl, взятый в избытке, при температуре 40-60 С. В этих условиях образую-
щийся в электрохимическом процессе гипохлорит NaClO диспропорционирует до
хлората NaC103 и хлорида NaCl, последний вновь подвергается электролизу.
Хлорат натрия NaC103, обладая высокой растворимостью, полностью остается в
растворе, даже с учетом электрохимического расхода воды. При этом шлам,
остатки нерастворившехюся хлорида натрия NaCl и т.п. могут быть отделены
фильтрованием, таким образом возможно использование недорого графитового
анода, а также удаление побочных нерастворимых продуктов электролиза (от-
ложений на контактах и т.п.).
2. К отфильтрованному раствору, содержащему NaC103, NaCl, растворенные при-
меси, добавляется измельченный (гранулированный или чешуйчатый) гидроксид
калия КОН в соответствие с расчетом. Высокая растворимость КОН, NaOH
обеспечивает практически полный переход твердой щелочи в раствор, при
этом малорастворимый хлорат калия КС103 выпадает в осадок. При добавлении
щелочи порциями с хорошим перемешиванием реакционная смесь постепенно ра-
зогревается , завершая процесс диспропорционирования гипохлорита СЮ".
3. Смесь с полученным осадком охлаждается до 10 С (при этом основная масса
КСЮз выпадет в осадок, а остальные компоненты останутся в растворе),
фильтруется и промывается несколькими небольшими порциями воды до ней-
трального рН на фильтре.
4. Преимущество КОН по сравнению с КС1 (для реакции обмена) в высокой рас-
творимости гидроксидов калия и натрия по сравнению с хлоридами, что по-
зволяет осадить относительно чистый хлорат калия без необходимости прове-
дения трудоемкой дробной кристаллизации. (KCl/NaCl при данных массовых
отношениях веществ частично окажется в осадке, что потребует разделения
перекристаллизацией.) Недостаток - более высокая цена КОН, но для препа-
ративного синтеза в небольших количествах это несущественно.
Химический процесс:
1. Электрохимическое преобразование NaCl в водном растворе:
NaCl + Н20 = NaCIO + Н2
С1" - 2е -> С1+
2Н+ + 2е -> Н2
2. Диспропорционирование гипохлорит-иона при температуре 40-60 С в водном
растворе:
3NaC10 -> 2NaCl + NaC103
ЗС1+ -> 2С1" + Cl5+
3. Обменная реакция осаждения хлората калия:
NaC103 + КОН -> КС103 + NaCl
В процессе электролиза NaCl (вернее, хлорид-ионы) расходуется, превращаясь
в NaCIO, и частично вновь возвращается в электролит в результате преобразова-
ния гипохлорита, с коэффициентом 2/3 от исходного количества в предыдущей фа-
зе реакции. Массовый процесс может быть описан посредством нисходящей геомет-
рической прогрессии, но для целей препаративного синтеза можно упрощенно до-
пустить , что при избытке NaCl его расчетное количество полностью преобразует-
ся в NaC103 по следующему суммарному уравнению (1+2):
NaCl + ЗН20 -> NaC103 + ЗН2
С1" - бе -> С15+
6Н+ + бе -> ЗН2
Это уравнение необходимо для примерного расчета количества электроэнергии и
продолжительности электрохимического процесса и расхода воды из раствора.
Растворимость веществ, г в 100 мл воды
т, с
NaCl
NaClC-з
КС103
КОН
NaOH
КС1
0
3,25
28,1
20
34,0
25
35,9
100,5
7,3
107
108,7
56,7
100
39,1
204
56,2
Из таблицы видно, что электролиз NaCl дает обладающий высокой растворимо-
стью NaC103, что позволяет, при необходимости, использовать изначальный избы-
ток NaCl, который будет постепенно переходить в раствор, близкий к насыщению,
при этом NaC103 останется в растворе и может быть отфильтрован от избытка ос-
таточного NaCl и шлама.
Материальный расчет и уточнения
Вещество
NaCl
Н20
NaClC-з
КОН
К2Сг04
Масса
по
уравне-
нию, г
59
54
107
56
Масса
для син-
теза , г
88,5
81
160,5
84
1,4
Примечание
Выбранное количество исходя из емкости элек-
тролизера
Расход воды (теор.) в процессе электролиза
Теоретический выход при полном преобразовании
NaCl
100,6 г 83% КОН ХЧ (по ГОСТ)
Берется из методики электрохимического синтеза
по Ключникову. Влияние на сам процесс не уста-
новлено, зато позволяет визуально определить
степень очистки КС103 при промывке в ходе
фильтрования.
Предельная растворимость NaCl при 25 С:
35,9 г в 100 г воды = 88,5 г в 245 мл воды = 270 мл раствора.
С учетом конструкции электролизера желательный объем электролита 350 мл
(электроды погружены в раствор примерно на 90%, но без погружения коммутаци-
онных деталей анода).
Таким образом, для сохранения пропорций необходимо 350/270*88,5 = 115 г
NaCl и 350/270*245 = 318 мл воды.
Приготовим раствор NaCl из 115 г NaCl и 320 мл Н20.
Расчет времени электролиза будем проводить исходя из начальной массы NaCl
(88.5 г), допустив, что избыточный NaCl остается в растворе для обеспечения
достаточной полноты электрохимического преобразования.
Схема электролизера:
1. Термометр. В данной работе использовался цифровой термометр с металличе-
ским щупом, погруженным в герметичную стеклянную трубку с водой. Однако
над промежуточной крышкой-вставкой металл щупа заметно корродировал
(сквозная коррозия). В дальнейшем лучше использовать обычный стеклянный
термометр.
2. Газоотводная трубка, связанная с предохранительной склянкой и далее склян-
кой с раствором Na2S203 для улавливания избытка С12 (выделяется, в основ-
ном, в начале процесса из холодного электролита).
3. Герметичная крышка.
4. Электролизер - прямоугольный высокий стакан из ПЭТ (пищевой контейнер) с
градуировкой объема, объем около 750 мл.
5. Негерметичная ПЭТ крышка-вставка для фиксации электродов (вырезана из
обычной крышки для пищевых стеклянных банок).
6. Титановый сетчатый катод (который когда-то был платинированным).
7. Прямоугольный графитовый анод, примерно одного размера с катодом (10*5*0,5
см). Токовод - изолированный медный провод 2,5 мм2, присоединенный сталь-
ным болтом-стяжкой через просверленное в аноде отверстие. Место соединения
и неизолированная часть провода покрыты изоляционным слоем клея из поли-
стирола .
8. Вставка фарфоровая на дне электролизера для фиксации положения электродов.
Установка (справа налево):
■ лабораторный источник тока;
■ электролизер;
■ предохранительная склянка;
■ склянка с 10% р-ром тиосульфата натрия (для улавливания остаточного хло-
ра) .
Расчет продолжительности электролиза
Параметры тока: 5,18А и 4,6-5,5V. Эти параметры взяты из предыдущих опытов.
При этом имеющийся источник тока отдает почти максимальную мощность, а элек-
тролит в данных условиях стабильно удерживается в температурном диапазоне 45-
55 С, не требуя дополнительной терморегуляции (за исключением небольшого пас-
сивного водяного охлаждения в последние часы вследствие расхода воды и умень-
шения массы электролита).
m = Q/F*M/z (закон Фарадея)
M/z = 107/6 = 17,83
160,5 = Q/96485*17,83
Q = 868527 Кл
При I = 5.18A время электролиза = 868527/(5,18*3600) = 46,57 час = примерно
2 суток, на теоретическое количество NaCl (88,5 г), избыточный NaCl останется
в растворе.
Подготовка электролита
115 г NaCl ХЧ растворили в 320 мл дистиллированной Н20 при 22 С. На дне
стакана осталось немного нераствореннои соли. После этого растворили 1,4 г
К2Сг04 и раствор поместили в электролизер. Исходный объем раствора отметили
меткой на корпусе.
Выполнение синтеза
Электролиз проводился 53 часа при I = 5,18 A, U = 4.6-5.5V. Ток был ста-
бильным, напряжение немного менялось в процессе работы. После выхода на ста-
бильный режим работы (где-то через 1 час) температура раствора в диапазоне
45-55 С самоподдерживалась при внешней температуре около 20 С. Ближе к концу
синтеза для предотвращения избыточного роста температуры электролизер помес-
тили в кювету с водой комнатной температуры.
В начале электролиза (при холодном электролите) ощущался небольшой запах
хлора, который по мере нагревания электролита исчез и впоследствии не прояв-
лялся. Пробулькивание пузырьков газа (Н2+02) через промывную склянку происхо-
дило в первой 1/3 процесса, затем прекратилось (возможно из-за неполной гер-
метичности контейнера и выхода газов через неплотности), ближе к концу про-
цесса снова возобновилось.
Объем электролита уменьшился на 90 мл. Так как конструкция электролизера
практически исключает потерю воды в виде пара в данных условиях, можно счи-
тать это чистым расходом воды в электрохимическом процессе.
По завершению электролиза установка разобрана. Графитовая пластина-анод ос-
талась целой, без каких-то внешних следов коррозии. Немного корродировали
контакты с тоководом из-за проникновения электролита под слой клея. Катод то-
же целый, без признаков разрушения.
Цифровой термометр, несмотря на меры предосторожности, вышел из строя. Ниж-
няя часть, погруженная в геметизированную пробирку с водой, осталось невреди-
мой, но часть щупа над внутренней вставкой электролизера подверглась сквозной
коррозии, из-за чего прибор вышел из строя в конце электролиза.
Электролит очищен от шлама вакуум-фильтрованием, бумажный фильтр "черная
лента". Фильтрование достаточно долгое, т.к. фильтр быстро забивается мелко-
дисперсным шламом. Фильтрат - прозрачная жидкость желтого цвета без запаха.
Для осаждения КС103 взят КОН ХЧ в количестве на 10% больше расчетного (111
г вместо 100,6 г).
КОН (чешуйки) добавляли небольшими порциями к фильтрату, налитому в большой
стакан, при хорошем перемешивании фарфоровой ложкой, до визуального растворе-
ния щелочи. Почти сразу началось образование осадка, объем которого значи-
тельно вырос ближе к концу обменной реакции. Смесь сильно разогрелась. Ближе
к концу добавления расчетного количества щелочи стакан поместили в контейнер
с холодной водой во избежание закипания смеси.
Фарфоровая ложка стоит в выпавшем обильном осадке.
После растворения всей щелочи смесь вынесли на холод (2-3 С) на несколько
часов, после чего фильтровали осадок по следующей схеме:
1) Весь осадок отфильтровали на фильтре Шотта (в несколько приемов) под ва-
куумом и перенесли в стакан, куда добавили 40 мл воды, хорошо перемешали и
снова охладили;
2) 2/3 осадка отфильтровали под вакуумом на воронке Бюхнера и промыли там же
сперва 10 мл, затем 5 мл воды с максимальным отжимом вакуумом;
3) 1/3 осадка сняли с верхней части фильтра, остаток на фильтре промыли 10 мл
воды с последующим отжимом;
4) далее сняли еще 1/3 исходного объема осадка, и оставшуюся 1/3 промыли еще
10 мл воды с отжимом, остаток собрали;
5) 1/3 основного промытого осадка (п.1) отжали, затем добавили 10 мл воды с
отжимом, далее 5 мл воды с отжимом и еще 5 мл воды с отжимом.
Промывками добивались почти полного обесцвечивания последних порций фильт-
рата (хромат калия дает желтый цвет даже при очень небольшой концентрации) и
нейтрального рН взвеси пробы осадка в воде.
Весь собранный осадок перенесли на фильтровальную бумагу в эмалированную
чашку и сушили 12 ч при комнатной температуре, затем 2 раза по 35 минут при
90 С в сушильном шкафу.
Получили однородное мелкокристаллическое вещество белого цвета (с чуть се-
роватым оттенком из-за мелких примесей графита).
V
Проба на поджигание смеси хлората калия с сахаром с помощью концентрирован-
ной серной кислоты успешна.
Выход 130 г (72% от теоретического, без учета остатка в маточном растворе
после первичной фильтрации и промывок). С учетом примерного остатка в маточ-
никах (14,6+6,9 = 21,5 г) общий расчетный выход 83%.
Методика достаточно удобна для препаративного синтеза технического хлората
калия КСЮз, хорошо воспроизводится, не требует сложного оборудования и по-
стоянного контроля. Вполне возможно использовать менее чистые реактивы, на-
пример , неиодированную пищевую поваренную соль.
Комментарии:
1) Подобный способ не очень любят из-за проблем с изгнанием ионов натрия из
хлората. Вроде мелочь, а цветную пиротехнику может загадить и целая куча
хлората может отправиться в отходы. Лучше всегда проводил двойную перекри-
сталлизацию - первичную в обычной водопроводной воде, и вторую - в дистил-
лированной. Между этапами кристаллы на фильтре рекомендуют промывать ледя-
ной водой.
2) Сам по себе графит держится весьма сносно: обычного графитового башмака
троллейбуса хватает на три-четыре цикла (по 1.5 литра электролита). При
температуре процесса - около сорока градусов Цельсия, но не выше. В по-
следних двух работах был использован плоский прямоугольный анод (вернее,
тонкий параллелепипед), площадью примерно равной катоду. Разрушение - в
ходе двух последовательных электролизов - минимальное (визуально на аноде
его вообще не видно, обнаруживается только в электролите и при вакуум-
фильтровании в виде тонкого осадка на фильтре).
НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
(продолжение)
МЕТАМФЕТАМИН
Синтез
через
NaBH4
^^
NaBH4; IPA; H2Q
CuCI2; t°
3000 мл изопропилового спирта и 1500 мл воды помещаем в 10-литровую трех-
горлую колбу. Мешалка с уплотнением. Второе горло с термометром в пробке. Че-
рез третье добавляем. Включаем мешалку и добавляем 435 г NaBH4.
Затем очень маленькими порциями осторожно добавляем 250 г 1-фенил-2-
нитропропена (P2NP) потому что реакционная масса саморазогревается с задерж-
кой . Добавление идет около 6 часов. Иначе температура реакции может резко
подскочить.
Как добавили весь P2NP - горло колбы, через который его добавляли присоеди-
няем к вытяжному шкафу.
Температуру реакции держим ниже 60 С.
Приготовляем растворы хлорида меди СиС12'2Н20 (26.25 г на 50 мл воды) и 25%
гидроксида натрия (500 г NaOH на 1500 мл воды, охлаждаем после добавления
всей щелочи) .
Когда весь P2NP прореагирует добавляем по капле раствор хлорида меди. Окон-
чание реагирования можно определить по отсутствию в колбе кристаллов P2NP и
отсутствию желтого цвета.
Температура реакции слегка поднимается. Затем включаем подогрев и поднимаем
температуру реакции до 80 С. Продолжаем добавлять по капле раствор хлорида
меди.
Раствор хлорида меди добавляем до тех пор, пока не прекратиться образование
оксида меди. На это уходит примерно половина раствора хлорида меди.
Затем температуру реакции поддерживаем на уровне 80 С примерно 30 минут.
Изопропанол улетучивается. Он может быть отправлен в вытяжку или отогнан с
холодильником для повторного использования.
Оставшуюся смесь перекачиваем вакуумом в 5-литровую колбу. Трехгорлую колбу
моем. Жидкость отфильтровываем или декантируем (не допускаем попадания осад-
ка) в 10-литровую колбу.
Жидкость обратно заливаем (вакуумом) в чистую трехгорлую 10-литровую колбу.
Черный оксид меди остается в 5-литровой колбе для дальнейшего использова-
ния.
Добавляем мешалку. При перемешивании добавляем 25% раствор щелочи пока не
достигнем рН=11.
Образуется два слоя. Верхний слой - амфетамин и изопропанол, нижний слой -
водный раствор щелочи.
Реакционную массу перекачиваем с помощью вакуума в делительную воронку (по
меньшей мере, 2000 мл) и слои разделяем. Нижний щелочной слой отправляем в
колбу с осадком оксида меди.
Верхний желтый слой переливаем в 5-литровый стакан и накрываем его пленкой.
В колбу с осадком оксида меди добавляем еще 2000 мл изопропанола и хорошо
перемешиваем.
Затем слой с изопропанолом отделяем в пустой 5-литровый стакан. Основание
амфетамина полученного с осадка имеет меньшую чистоту, так что кристаллизацию
будем проводить раздельно.
Добавляем в оба стакана по 500 мл безводного ацетона. Перемешиваем.
Затем в стаканы добавляем по каплям серную или ортофосфорную кислоту пока
не достигнем рН=6 (используем индикаторную бумагу). Кислоту можно разбавить
сухим ацетоном (1:1).
Образуется белая соль амфетамина. Можно поставить стаканы в холодильник на
один час.
Нельзя добавлять кислоту сверх положенного. Рекомендуется 50-100 мл раство-
ра в отдельный стакан и использовать их для разбавления, если кислота будет
добавлена сверх положенного.
Отфильтровываем осажденную соль амфетамина.
Соль амфетамина на фильтре промываем сухим холодным ацетоном, чтобы полу-
чить чистый белый продукт.
Соль амфетамина сушим при комнатной температуре. Выход 124.4 г (60%)
Фенилуксусная кислота
из стирола/ацетофенона
H2S04^ у=
- H2Sjg)
он
Реакция Вилгеродт-Киндлера с морфолином трансформирует ацетофеноны и стиро-
лы в фенилаксусные кислоты посредством промежуточного фенилацетотиоморфолида,
который гидролизуется в кислоте или основном растворе с желаемой кислотой.
Другие амины также будут работать вместо несколько наблюдаемого морфолина,
но выход реакции хуже, см. таблицу ниже для синтеза фенилаксусной кислоты из
стирола, используя различные амины [1].
Амин
Морфолин
н-гиптиламин
Пиперидин
Циклогексиламин
Анилин
н-бутиламин
Диетаноламин
Этаноламин
Выход
84%
59%
58%
47%
23%
12,5%
10,3%
3,5%
Фенилаксусная кислота из стирола [1]
Смесь 104 г стирола, 80 г серы и морфолина (174 г) была выдержана с обрат-
ным холодильником два часа (внутренняя температура поднималась примерно до
175 С). Охлажденную реакционную смесь залили хлороформом (некоторая сера ос-
тавалась нерастворенной), а раствор хлороформа последовательно промывали рав-
ным объемом воды, достаточный разбавленной соляной кислотой для удаления из-
быточного морфолина и, наконец, равным объемом воды. Растворитель удаляли в
вакууме, а остаток сырого фенилтио-ацетоморфолида был выдержали с обратным
холодильником в течение десяти часов с 1200 мл 50% (по весу) серной кислоты.
Охлажденую гидролизную смесь экстрагировали тремя частями 500 мл эфира, а
комбинированный эфирный экстракт промывали 100 мл 12% каустической соды. Кау-
стическая промывка была подкислена с концентрированной НС1, а затем извлечена
три раза с 300 мл порций эфира. Удаление растворителя из комбинированного
эфирного экстракта дало 114 г (84% выход) кристаллической фенилуксусной ки-
слоты, т.п. 72-74 С.
Один эксперимент, в котором оригинальная реакционная смесь концентрировали
в вакууме на паровой бане, а затем гидролизовали непосредственно 50% серной
кислотой, давал только выход 59% фенилуксусной кислоты, т.п. 71-74 С.
р-Метоксифенилаксусная кислота [2]
Смесь 42 г р-метоксиацетофенона, 13-15 г серы и 30 г (30 мл) морфолина вы-
держали с обратным холодильником в течение 5 часов. Медленно вылили реакцион-
ную смесь в воду, позволяя кристаллизации первой порции до добавления основ-
ной массы смеси. Отфильтровали сырое желтое твердое вещество, тщательно раз-
мешали его с водой, снова отфильтровали и высушили на воздухе. Выход грязного
ацетотиоморфолида составляет 68 г, т.п. 65-67 С. Рекристаллизация из разбав-
ленного метанола повышает т.п. до 71-72 С.
Добавили 50 г сырого ацетотиоморфолида в 400 мл 10% алкогольного раствора
гидроксида натрия и обрабатывали смесь в течение 10 часов с обратным холо-
дильником. Отогнали большую часть спирта, добавили 100 мл воды в остаток и
сильно подкислили щелочный раствор соляной кислотой. Охладили, извлекли триж-
ды эфиром, высушили комбинированные эфирные экстракты, испарили растворитель
и перекристализовали остаток из воды или разбавленного спирта. Выход р-
метоксифенилаксусной кислоты составляет 26 г, т.п. 85-86 С,. Дальнейшее коли-
чество кислоты может быть получено путем извлечения исходных жидкостей эфи-
ром.
3,4,5-триметилфенилаксусная кислота [4]
Смесь 48,6 г 3,4,5-триметилацетофенона, 39 г перегнанного морфолина и 14,4
г серы была выдержана в течение 12 часов с обратным холодильником. Теплая ре-
акционная смесь была вылита в 175 мл горячего этанола и позволили остыть,
чтобы позволить продукту кристаллизоваться; Выход 62,6 г (79%) 3,4,5-
триметилфенилцетотиоморфолида, т.п. 120-122 С, достаточно чистого для следую-
щего этапа. Образец перекристаллизован из этанола, т.п. 123-124 С.
Смесь 51 г 3,4,5-триметилфенилацетотиоморфолида, 110 мл уксусной кислоты,
16 мл серной кислоты и 25 мл воды нагревали с обратным холодильником в тече-
ние 5 часов и декантировали от небольшого количества образовавшейся смолы в
850 мл воды с перемешиванием. Осажденный сырой продукт собирали, промывали
водой и нагревали с 225 мл 5% водного гидроксида натрия. Фильтрация из не-
большого количества нерастворимых веществ и подкисления разбавленной соляной
кислотой дала 30 г (88%) 3,4,5-триметилфенилаксусной кислоты, достаточно чис-
той для следующего этапа. Образец перекристаллизован из бензол-петролеум-
эфира, т.п. 125-126 С.
Фенилаксусная кислота из ацетофенона [5]
Ацетофенон (1,20 г, 10 ммоль), сера (0,64 г, 20 ммоль), морфолин (3 мл, 30
ммоль), добавляли р-толуенной сульфоновой кислоты (0,06 г, 0,35 ммоль) и
удерживали с обратным холодильником при постоянном перемешивании в масляной
ванне при 120-130 С в течение 8 часов. После завершения реакции реакционной
смесь давали остыть, и добавили в реакционную смесь 20% NaOH и триэтилбензил-
аммоний хлорид (ТЕВА) (114 мг, 0,05 ммоль) продолжали гидролиз в течение еще
8 часов 100 С. После завершения реакции реакционную смесь охлаждали и от-
фильтровали, фильтрат подкисляли с НС1 до рН=6 и затем отфильтровали. Фильт-
рат дополнительно подкислили до рН=2 и, таким образом, была получена сырая
фенилаксусная кислота. Затем кислоту влили в 10% раствор NAHC03 и промывали
этилацетатом (3x30 мл), отделяли органический слой, а водный слой подкисляли
разбавленным НС1, чтобы получить чистую фенилаксусную кислоту. В случае про-
дуктов из гидроксиацетофенона, продукты были извлечены в этилацетат. Высушен-
ный органический слой испаряли при пониженном давлении, чтобы получить чистую
фенилаксусную кислоту с выходом 80%.
Морфолин от диетаноламина [3]
2 моля диетаноламина помещали в колбу с термометром и обратным холодильни-
ком с воздушным охлаждением, а водный раствор НС1 добавляется до слегка ки-
слой реакции. Нагревали быстро, чтобы испарить всю воду и держали температуру
200-210 С в течение 15 часов. Дали охладить и добавили избыток оксида каль-
ция и сушили смесь перегонкой. Дистиллят сначала сушат над гранулами NaOH,
затем с обратным холодильником на небольших кусочках натрия 30 минут, а затем
фракционно дистиллирован, т.п. 126-129 С. Выход составляет около 50% от тео-
рии.
Ссылки:
1. John A. King, Freeman H. McMillan, Studies on the Willgerodt Reaction. IV.
The Preparation of Substituted Phenylacetic Acids, J. Am. Chem. Soc. 68,
2335 (1946)
A. I. Vogel, Textbook of Practical Organic Chemistry, 3rd Ed, p. 925
2. B.L. Hampton and C.B. Pollard, A New Synthesis of Morpholine, J. Am. Chem.
Soc. 58, 2338 (1936)
3. F. Benington, R.D. Мог in, L.C. Clark, Jr., Mescaline Analogs. VII. 3,4,5-
Trimethyl-Phenethylamine, J. Org. Chem. 22, 332-333 (1957)
4.M. Mujahid Alam, S. R. Adapa, Facile Synthesis of Phenylacetic Acids via
PTC Willgerodt-Kindler Reaction, Synth. Commun. 33, 59-63 (2003)
Реакция
Вилгеродт-Киндлера
с ацетофеноном
Я наткнулся на довольно новое использование ацетофенона (см. выше), где об-
разуется фенилацетотиоморфолидный интермедиант, а затем гидролизуется для по-
лучения фенилуксуснои кислоты. Это показалось разумным способом синтеза этого
химического вещества, поэтому я попробовал его.
Во-первых, 7,40 г хлорида морфолиния отвешивали, и к этому добавляли 2,63 г
гидроксида натрия в качестве 50% раствора в воде. Было добавлено достаточное
количество воды, чтобы растворить все. Было добавлено небольшое количество
безводного карбоната калия, и смесь фильтровали. Фильтрат был заменен чистым
морфолином. Согласно индикаторной бумаги, рН фильтрата составлял около 10,5.
Его масса была примерно вдвое больше, чем у использованной соли морфолиния.
f
;/
25fTi
Морфолиновый раствор добавляли в кипящую колбу с плоским дном, а также 1,28
г серы, 2,40 грамма ацетофенона и 1,2 грамма рассыпчатой, но слегка мокрой р-
толуенсульфоновой кислоты. Реакцию выдерживали с обратным холодильником с
сильным перемешиванием в течение 12 часов.
*
4
Вскоре после начала.
После первых 12 часов смесь охлаждали и добавляли около 8 граммов 40% вод-
ного раствора NaOH. Наконец, 300 миллиграммов сырого (около 80%) дидецидиме-
тиламмония хлорида, сделанного путем испарения дезинфицирующего средства, со-
держащего 5% DDAC, и 1% гидроксилата спирта, за которым следовала процедура,
ведущая к получению хлорида триэтилбензиламмония.
После 12 часов.
Смесь обрабатывали в течение еще 12 часов и, как только охлаждали, ее под-
кислили с использованием 30% НС1 до рН=6 и фильтровали. Слабо пахнущие ацето-
феноном, твердые осадки тщательно промывали небольшим количеством воды и вы-
брошены. Фильтрат дополнительно подкисляли, а красное масло отделялось от
раствора, медоподобный аромат заполнял комнату. Масло сохраняли и растворяли
в растворе насыщенного бикарбоната натрия, который затем промывали частями
этилацетатом 4x25 мл. Водная фаза была снова подкислена с использованием НС1.
Красивые блестящие кристаллы фенилацетата мгновенно начали осаждаться. Твер-
дые вещества собирали путем фильтрации, и фильтрат концентрировали путем ки-
пячения , затем охлаждали, чтобы дать больше кристаллов. Было также немного
оранжевого масла, которое нужно было удалить с помощью пипетки. Концентрация
повторялась еще раз перед тем, как была достигнута точка снижения выхода из-
за оранжевой примеси, чтобы получить окончательный выход 610 мг (22,43%).
Начало второго этапа.
\
При рН=6
Отфильтровано.
* 1
610 мг кристаллов фенилуксусной кислоты.
Выход далеко не велик и далек от сообщений о 80%Л но, честно говоря, этого
следовало ожидать. Поскольку после реакции остался только очень слабый запах
ацетофенона, и не было обнаруживаемого морфолиновохю зловония, я подозреваю,
что ошибка находится на стадии гидролиза. В частности, использование DDAC
вместо ТЕВА. Необходимо сделать больше, чтобы определить эффективность DDAC,
и вполне возможно, что при использовании его вообще нет никакой пользы.
-Зеркало резонатора
Излучение
Источник накачки
СИММЕР ДЛЯ ЛАЗЕРА
Для накачки активных элементов импульсных твёрдотельных лазеров час-
то применяют импульсные ксеноновые лампы накачки. Срок службы таких
ламп увеличивается, если в них постоянно держать зажжённую дугу.
Устройство, создающее дугу в лампе, называют симмером. Вариант ис-
полнения самодельного симмера и будет представлен в этой статье.
Конструктивно любой симмер представляет собой просто источник постоянного
тока. Таким образом, от симмера требуется сделать первичный пробой разрядного
промежутка лампы, выполнить развитие плазменного канала до дуги и производить
удержание полученной дуги.
Свой самодельный симмер я построил на основе резонансного LLC-
преобразователя по нижеследующей схеме.
Полумостовой инвертор на базе IR2153 нагружен на повышающий трансформатор
через конденсатор С16 и дроссель L3. Вместе они и образуют LLC-контур. С вы-
хода трансформатора напряжение около 250 В отправляется на совмещённый с ум-
ножителем выпрямительный мост. Напряжения с выхода моста и умножителя объеди-
няются через диоды. Таким образом, исходно на непробитой лампе присутствует
напряжение с умножителя. После пробоя разрядного канала умножитель уже не мо-
жет удерживать высокое напряжение на электродах лампы, так как сопротивление
дуги резко уменьшается, и в дело вступает напряжение с моста, который уже мо-
жет выдавать необходимый ток лампы и держать дугу.
Для зажигания дуги используется трансформатор поджига примерно такого вида
(фото ниже - это мой старый трансформатор поджига; сейчас в симмере трансфор-
матор гораздо меньших габаритов). Поджигающий импульс инициируется разрядни-
ком EPSOC на 1.4 кВ.
ИНПЗ-7/80А
Для расчётов LLC-преобразователя я использовал одну статью .
Результаты расчёта2 и заданные параметры симмера приведены на картинке ни-
же. Зелёным отмечены задаваемые параметры, жёлтым - результаты расчёта.
кпд
Максимальное входное напряжение
Требуемая выходная мощность
Потребляемая мощность
Ёмкость конденсатора по питанию
Время пропадания входного напряжения
Минимальное входное напряжение (с учётом
Отношение Lp/Lr
просадки)
Минимальный коэффициент усиления на частоте резонанса fO
Максимальный коэффициент усиления на fO
Выходное напряжение
Коэффициент трансформации
Эквивалентное сопротивление нагрузки
Добротность контура
Резонансная частота
Емкость конденсатора контура
Индуктивность катушки контура
Индуктивность первички трансформатора
Число витков в первичке трансформатора
Число витков в вторичке трансформатора
Ток вторички
Последовательная резонансная частота
Полюсная резонансная частота
Без нагрузки частота в пиковом резонансе F=Fp, при увеличении нагрузки F движется к F0
Eeff
Vin_max
Pout
Pin
Cdl
Thu
Vinjnin
m
Mmin
Mmax
Vo
n
Rac
Q
fo
Cr
Lr
Lp
Np
Ns
FO
Fp
0,9
24 В
60 Вт
66,66666667 Вт
1000 мкФ
0,001 с
21,03964512 В
7
1,08012345
1,232100763
259,2296279 В
0,05
2,269594514 Ом
0,5
30000 Гц
4,67499Е-06 Ф
6,02029Е-06 Гн
4,2142Е-05 Гн
10
200
0,231455025 А
30000 Гц
10606,60172 Гц
0,001 Ф
4,674989 мкФ
6,020286 мкГн
42,142 мкГн
1 https://valvolodin.narod.ru/sprav/AN4151ru.pdf?ysclid=lpjvcn9ox4338337685
2 ftp://homelab.homelinuxserver.org/pub/arhiv/2023-12-al.zip
После сборки симмер требует установки частоты около 30 кГц (с учётом пара-
метров реальных элементов)3.
https://www.youtube.com/watch?v=l-8wWNUV158
Данный симмер был установлен в ранее разработанный блок питания4. Симмер я
. 5,6 т^т, ОЛЛ _. мттпО П /ОЛ-*
использовал5,6 для ламп ИФП-800 и ИНПЗ-7/80А.
«Твёрдотельный лазер» - Домашняя лаборатория 2022-04
5 https://www.youtube.com/watch?v=wsMn3cmgfoE
6 https://www.youtube.com/watch?v=V IM olrfBo
Электроника
ДВА СЕКУНДОМЕРА
Наш первый секундомер выполнен в виде круглого циферблата с 60 светодиода-
ми. Чтобы считать до шестидесяти, здесь применены два декадных счётчика-
дешифратора К561ИЕ8 (CD4017). Первый из них — U3 — считает от одного до деся-
ти, либо от нуля до девяти, смотря кому как удобно называть, и в каком кон-
тексте .
После каждого переполнения первого счётчика он подаёт тактовый импульс вто-
рому — U2. Когда второй счётчик досчитает до выхода Q6, через резистор R4 по-
ступает открывающий положительный импульс на базу транзистора Q1.
На схеме ниже буквенно-цифровыми индексами, начинающимися с символа Q,
представлены обозначения как счётных выходов микросхем, так и биполярных
транзисторов. Это нормальная практика, и она не должна вызвать у кого-либо
затруднений в понимании схемы.
Транзистор Q1 имеет структуру NPN и включён по схеме с общим коллектором.
Под действием положительного импульса Q1 откроется и зарядит электролитиче-
ский конденсатор С4 до определённого напряжения.
Так как транзистор включён эмиттерным повторителем, напряжение на С4 будет
равняться высокому логическому уровню на выходе микросхемы U2 минус прямое
падение на эмиттерном переходе минус падение на резисторе R4.
Напряжение питания платы секундомера 5 вольт. Микросхема CD4017 выполнена
по технологии КМОП, и просадка напряжения на её выходных буферах не превышает
50 милливольт. Поэтому ею можно пренебречь.
с/:
у Т Hi-
i
i^
тгп—гг
If
и
Тгг
at
- 60
по :>*
- ко
10
90
GO
10
*:0
го
)|.Ю1) Ю
~ с)0
ИМ
1SIH
ЭТ
НПГ
"П"
~пг
"Г"
г-
1SH <1V>
5 г =
Mi
Т"
т:
4
t
Й" Й* Й* Й" Й* й"
Ю Г*Ч Г*Ч Г*Ч Г*Н г*!
гУИгЙнНнИнИгН
)й* 1 йч fl»l iA*l й»1 кЫ
I™ !ПЦНРЦчП*НГ?!ТН
J |Я» I Ла»1 Ла»1 ^«1' д»! д»1
| И t fFq fTTf j-gH pB-t ГИЛ
&
НйпгЙпг*пНЙп
I Й* 1 Й*1 ЙЧ Й* Й*1 Й*
* Ю Т рР"! рРГТ fTH pfTT ГЕП
Й*1 ЙЧ ЙЧ ЙЧ ЙЧ
г*л г^т гР1 п^ ген
ШЙЧ ,-ЙЧ Й" ЙЧ ЙЧ
Г*| Г*ч Г"1 Г"! гИИ
ЙЧ ЙЧ ЙЧ ЙЧ ЙЧ
ГЕНГЕН ГР] ГИ| ГЕН
д*1 ia*l дИ дй Д"1
Ггч Ггч Ггч Ггт Ггч
J&
ft
F
*
М"
Напряжение база-эмиттер транзистора S8050 составляет 1 вольт, поэтому кон-
денсатор С4 заряжается до 5 — 1 = 4 В. Падением напряжения на резисторе R4
можно пренебречь, так как коэффициент передачи тока транзистора S8050 доста-
точно высокий.
К тому же при полностью заряженном конденсаторе С4 эмиттерный ток транзи-
стора Q1, а значит, и его базовый ток, падают до нуля. За одну секунду, а
именно столько продолжается открывающий импульс, конденсатор однозначно успе-
ет полностью зарядиться.
После спада открывающего импульса, когда выход Q6 микросхемы U2 переходит в
состояние логического нуля, конденсатор С4 будет разряжаться через резисторы
R7 и R5.
Транзисторы Q2 и Q3 откроются. Каждый из них включён по схеме с общим эмит-
тером. Коллекторной нагрузкой Q2 является зуммер SPK, который начнёт пищать,
и будет продолжать издавать звук, пока транзистор не закроется.
Напряжение на резисторе R7 будет равняться напряжению на конденсаторе С4
минус напряжение база-эмиттер Q2, то есть, минус 1 вольт. Ведь все четыре
транзистора в этой схеме одинаковые.
По мере разряда конденсатора С4 базовыми токами транзисторов Q2 и Q3 напря-
жение на нём будет снижаться, и, соответственно, уменьшаться падение на R7,
задающее ток базы Q2.
Пока этот ток, помноженный на Ь21э (hFE) Q2, превышает потребляемый ток
зуммера, падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора будет
постоянным, и составлять не более 500 милливольт. Транзистор находится в ре-
жиме насыщения, и зуммер звучит с постоянной громкостью.
Как только ток базы Q2 упадёт ниже тока зуммера, делённого на Ь21э транзи-
стора, последний перейдёт из режима насыщения в режим усиления тока. И по ме-
ре разряда конденсатора С4 ток зуммера, а, соответственно, и громкость его
звучания, будут падать.
Когда напряжение на С4 снизится до 1 вольта, ток базы Q2 прекратится, и
зуммер замолчит до следующего сигнала переполнения счётчика до шести.
На транзисторах Q3 и Q4 собраны два логических инвертора, выход каждого из
которых соединён с входом другого. Получился RS-триггер.
Если на базу Q3 приходит логическая единица через диод D62 и резистор R5
или кнопку «STOP» S3 и резистор R10, транзистор Q3 откроется и перейдёт в ре-
жим насыщения. Напряжение на его коллекторе, и, соответственно, на базе Q4,
составит не более 500 милливольт.
Это меньше, чем напряжение база-эмиттер, необходимое для открытия транзи-
стора, поэтому Q4 закроется. Потечёт ток от плюса питания через резисторы
Rll, R10 и эмиттерный переход транзистора Q3.
Q3 откроется, и триггер защёлкнется в состоянии высокого уровня на выходе,
которым является коллектор Q4, даже после отпускания кнопки «STOP» или раз-
рядки конденсатора С4 ниже напряжения срабатывания триггера.
Так как ибэ составляет 1.2 вольта, двум резисторам остаётся 5 — 1.2 = 3.8
В, то есть, по 1.9В на каждый резистор, так как их сопротивления одинаковы.
Напряжение высокого логического уровня на выходе триггера будет равняться
1.2 + 1.9 = 3.1 В. Это ниже, чем уровень логической единицы, необходимый для
гарантированного срабатывания микросхемы CD4017, поэтому сопротивление R10
лучше было бы увеличить, либо уменьшить R11.
Тем не менее собранная конструкция работает без каких-либо проблем, потому
что 3.1 вольта всё же значительно выше, чем половина напряжения питания.
Сигнал с выхода триггера поступает на входы сброса микросхем U2 и U3. На
счётчиках-дешифраторах К561ИЕ8, вход сброса у этой микросхемы имеет наивысший
приоритет.
Это означает, что всё время, пока на этом входе присутствует высокий уро-
вень напряжения, логическая единица будет оставаться на выходе Q0, и микро-
схема не будет реагировать на тактовые импульсы.
В схеме секундомера светодиоды мультиплексированы двумерной матрицей, но
выходы счётчика-дешифратора U3 непосредственно переключают столбцы без приме-
нения буферов, а для инвертирования сигналов строк применена микросхема U4
К1561ЛН4 (CD4069), содержащая шесть логических элементов НЕ.
В схеме секундомера одновременно горит только один светодиод, поэтому необ-
ходимость в буферах отсутствует.
В схеме секундомера светодиоды подключены напрямую между выводами микросхем
без линейных токоограничивающих элементов. Несмотря на такую непредусмотри-
тельность , секундомер работает и не думает выходить из строя.
У секундомера второй счётчик получает тактовый импульс с выхода переполне-
ния первого, то есть, счёт идёт до 10*6, если считать от единицы, а не от ну-
ля. Так получается размерность матрицы.
Задающий генератор построен по схеме на прецизионных интегральных таймерах
КР1006ВИ1 (NE555). Тактовый генератор секундомера настроен на частоту 1 герц.
Кроме кнопки «СТОП» S1, останавливающей и сбрасывающей оба счётчика-
дешифратора , а также кнопки «СТАРТ» S2, сбрасывающей транзисторный триггер и
таким образом снимающей сигнал сброса с микросхем CD4017, в схеме секундомера
имеется переключатель S1 «ПАУЗА», представляющий собой DPDT кнопку с фиксаци-
ей.
В верхнем по схеме положении переключателя S1 на вход запрета тактирования
микросхемы U3 поступает логический ноль, счётчики считают секунды, и огонёк
перемещается по кольцу светодиодов на циферблате вместо секундной стрелки.
В нижнем положении S1 на запрещающем входе U3 присутствует логическая еди-
ница , и счётчики не сбрасываются, но и не считают. Огонёк на циферблате оста-
ётся в том положении, в котором остановился.
Зато в цепь включается светодиод D61, мигающий раз в секунду и оповещающий
о том, что тактовый генератор работает, но счёт секунд приостановлен.
Во втором секундомере число секунд отображается на двух светодиодных семи-
сегментных индикаторах.
Тактовый генератор у обоих секундомеров устроен одинаково. Здесь не преду-
смотрено ни кварцевой стабилизации, ни возможности подстройки переменным ре-
зистором, ни тем более синхронизации с какими-нибудь внешними эталонными сиг-
налами. Потому что это всего лишь простая лабораторная модель для обучающего
эксперимента.
s
ik* пол:)
;oa сто
i hi
.+ *
НЫ1
Будет небезынтересно обратить внимание на особенность тактирующего (CLOCK)
и разрешающего (ENABLE) входов сдвоенного интегрального двоично-десятичного
счётчика CD4518, позволяющую экономично организовать перенос единицы в стар-
ший разряд при переполнении младшего.
Оба этих входа имеют одинаковый приоритет. Они подключены к двум входам ло-
гического элемента 2И-НЕ: разрешающий — напрямую, а тактирующий — через ин-
вертор .
■a-DH>
Fff. t4 - Decide counter (С04Ы8В) ioyc d*9**m
tot one of two 'denttceJ count***
iKM;jr7?»i
CMOS AUCTION "
По сути, каждый из этих двух входов может служить тактирующим, только CLOCK
срабатывает по переднему фронту тактового импульса, и ENABLE является для не-
го разрешающим. A ENABLE срабатывает по заднему фронту, и CLOCK является по
отношению к нему запрещающим входом.
Зачем это нужно? Дело в том, что десятичные разряды в микросхеме CD4518
представлены в виде четырёхразрядных двоичных чисел. 100ОЬ = 8, 1001Ь = 9,
0000b =0.
Получается, что выход Q4 переходит из высокого уровня напряжения в низкий
как раз при переполнении декадного счётчика!
И вместо того, чтобы предусматривать отдельную ножку для вывода сигнала пе-
реноса, (а счётчик сдвоенный, и лишних ножек потребовалось бы целых две), с
соответствующими цепями внутренней логики на кремниевом кристалле, достаточно
просто соединить тактирующий вход старшей декады с общим проводом схемы, а
выход старшего разряда младшей декады — с разрешающим входом старшей!
Так авторы микросхемы сэкономили две ножки и создали весьма универсальный
интегральный схемотехнический блок.
В отличие от блока индикации секунд в полноценных часах, наш секундомер не
снабжён кварцем, зато здесь можно переключить диапазон счёта: до 60 либо до
30 секунд.
Комбинация 00lib = 3 обрабатывается логическим элементом 2И-НЕ U5A микро-
схемы К561ЛА7 (CD4011). А комбинация 0110b = 6 — соответственно элементом
U5B.
Вы спросите, каким образом одного двухвходового элемента И-НЕ может быть
достаточно для определения четырёхзначного двоичного числа? Ведь выходы Q0 и
Q1 имеют высокий уровень и в случаях 0111b = 7, 1011b = 11 и 1111b = 15, при-
чём последние два случая актуальны ещё и для пары разрядов Q1 и Q2?
Во-первых, значений 11, 15 и 14 = 1110b на выходах декадного счётчика быть
вообще не может. Он считает от 0000Ь = 0 до 1010b = 10.
И во-вторых, что самое главное, 0011b = 3 — это первое появление комбинации
Q0 = 1 и Q1 = 1 в счётной последовательности. И точно так же в случае с Q1 =
1 и Q2 = 1 при 0110b = 6. Поэтому и часам, и секундомеру достаточно одного
элемента 2И-НЕ для детектирования шестёрки или тройки.
Положение переключателя S1 определяет, какая из цифр нас интересует. В
верхнем по схеме положении секундомер будет считать до 30, а в нижнем — до 60
секунд.
Тогда по достижении заданного числа низкий уровень с выхода, сработавшего
логического элемента, поступит на разрешающий вход счётчика U2B, и подсчёт
секунд остановится.
В среднем положении переключателя, то есть при снятом джампере, счётчик во-
обще не считает, так как разрешающий вход U2B подтянут к земле резистором R4.
Если бы это была подтяжка к плюсу питания, происходил бы бесконечный счёт от
00 до 99 и снова от 00.
Кроме переключателя, секундомер имеет единственную кнопку S2, нажатие кото-
рой сбрасывает счётчики U2A и U2B на ноль. Пока кнопка нажата, счётчик стоит
на нуле, а после её отпускания начинает считать и останавливается на 30 или
60.
Техника
ВЕТРОГЕНЕРАТОР
В последнее время я тратил много времени, работая над созданием источника
собственной электроэнергии. Пока еще для меня это не является необходимостью,
но может настать время, когда энергетическая самодостаточность действительно
пригодится. Интерес к этой проблеме появился у меня некоторое время назад,
когда я наткнулся на статью о том, как своими руками сделать ветрогенератор,
используя мотор от привода беговой дорожки и кусок ПВХ трубы. Это выглядело
достаточно просто, и я решил попробовать создать собственную конструкцию. То,
что у меня получилось, можно собрать за относительно символическую сумму. При
экономном расходе вы сможете генерировать 50...250 Вт, что значительно дешевле,
чем панели солнечных батарей аналогичной мощности.
Работа любого ветрогенератора, независимо от того, снабжает ли он электри-
чеством город, или маленький радиоприемник, основана на одних и тех же прин-
ципах :
1. Дует ветер
2 . Хвост генератора разворачивает его по ветру
3. Соединенные с генератором лопасти под воздействием силы ветра начинают
вращаться
4.3а счет вращения вырабатывается электричество, которое мы можем использо-
вать непосредственно, или для зарядки аккумуляторов
Удивительно, но для постройки ветрогенератора требуется минимальный набор
инструментов. Вот, чем пользовался я:
■ Лобзик (или ножовка) и очень много терпения
■ Дрель
■ Два сверла 12.7 мм и 5.6 мм
■ Рулетка
■ Рожковый ключ
■ Трубный ключ
■ Транспортир (для измерения углов при изготовлении держателя лопастей)
■ Шкурка (различной зернистости)
Я бедный студент колледжа и хотел придумать конструкцию настолько примитив-
ную, насколько возможно. Я нашел такую в Интернете, и сделал ее еще проще.
Все детали продаются в магазине, а собрать устройство можно за выходные дни
одной недели. Какие-то детали, наверняка, валяются вокруг вас, а какие-то
можно чем-нибудь заменить. (К примеру, вместо трубы 1" для опоры, можно взять
диполь от телевизионной антенны) . Вот из чего я делал свой генератор...
■ Стальной лист размером 254 х 356 мм
■ Стальная трубка диаметром 6.3 мм, длиной 254 мм
■ Фланец 1-1/4"
■ Стальная труба прямоугольного сечения 25 мм, длиной 910 мм
■ Диск от циркулярной пилы с внутренним отверстием 12.7 мм
■ Оправка 15.9 мм х 12.7 мм для соединения диска с валом мотора
■ Два металлических автомобильных хомута
■ Отрезок ПВХ трубы диаметром 100 мм, длиной 200 мм
■ Отрезок ПВХ трубы диаметром 200 мм, длиной 760 мм (подойдет и труба
диаметром 150 мм)
■ Мотор постоянного тока с постоянными магнитами (предпочтительно мотор
от бегущей дорожки 30 В или 260 В, 5 А)
■ Восемь 6 мм болтов с гаками и шайбами
■ Два самореза по металлу диаметром 6.3 мм
■ Выпрямительный диод на 10...40 А (чем мощнее, тем лучше)
Большинство перечисленных выше деталей (за исключением мотора) можно за
один раз приобрести в магазине «Все для дома». Что касается моторов, самыми
популярными типами считаются старые моторы, выпускавшиеся фирмой Ametek. Под-
бирать мотор надо по максимуму выходного напряжения на оборот в минуту. К
примеру, один из моторов Ametek выдает напряжение 30 В при скорости вращения
325 оборотов в минуту, что позволяет использовать его как отличный генератор.
Впрочем, подойдет практически любой коллекторный двигатель постоянного тока с
возбуждением постоянными магнитами, при условии хорошего соотношения
вольт/об. в минуту. Только имейте ввиду, что если вы намерены использовать
вырабатываемую электроэнергию, необходимо получать напряжение, по крайней ме-
ре, 12 В, чтобы иметь возможность заряжать аккумулятор или питать инвертор.
Моя установка может легко развивать 300...400 об. /мин при среднем (для штата
Оклахома) ветре. Последующие инструкции относятся к постройке генератора на
основе двигателя Ametek с диаметров вала 5/8" (^15.9 мм), но легко могут быть
применены к любому другому мотору. Введите в ebay «wind generator», и получи-
те целый список хороших моторов.
Пожалуй, самой важной частью ветрогенератора являются его лопасти. Многие
вырезали их из дерева или изготавливали из композитных материалов. Однако,
нам проще будет сделать комплект лопастей из стандартных ПВХ труб, причем без
заметной потери эффективности. С помощью двух-трех футовых отрезков ПВХ трубы
диаметром 150 или 200 мм мы прекрасно решим свою задачу. Но прежде, несколько
банальных фактов из теории лопастей:
■ Чем длиннее лопасти, тем больше, если можно так выразиться, «площадь,
с которой вы собираете энергию», тем легче раскручиваются лопасти при
слабом ветре, но тем медленнее вращается генератор.
■ Периферийные области лопастей всегда вращаются быстрее, чем внутренние, и
это «передаточное отношение» всегда надо учитывать при конструировании ло-
пастей. Наши предки это учитывали, поэтому старые ветряные мельницы круг-
лый год вращаются со скоростью 40 оборотов в минуту.
■ Мощность, которую можно извлекать из энергии ветра пропорциональна
кубу его скорости. Соотношение имеет следующий вид: Р = kV3, где к - кон-
станта ветрогенератора, V - скорость ветра
■ Согласно закону Бетца (Betz), ветровая энергия не может быть
использована более чем на 59.3%. Так что, реальная формула будет такой:
P=0.593kV3, где к - константа, учитывающая потери в моторе генератора
■ Чем выше вы поднимете генератор над землей, тем сильнее будет
воздействие ветра на него. Обычная рекомендация - 7... 15 метров, но меня
вполне устроили результаты, полученные при высоте 3.5 метра.
Вырезать лопасти для генератора совсем несложно. Вам необходимо разрезать
трубу вдоль на три секции. Две по 150° и одну 60° (Я попытался очень прибли-
зительно иллюстрировать это с помощью CAD системы. Правда, на самом деле, моя
CAD система - это MS Paint). Красным цветом изображены линии разреза. Для то-
го, чтобы разметить трубу, вам потребуется рулетка и чертежная бумага (или
газета). Из 150° секций можно будет изготовить широкие лопасти, которые рас-
кручиваются при меньшей скорости ветра, но и вращаются медленнее. Вы сами
поймете на практике, что оптимальный диапазон углов где-то между 75° и 150°
Лучше всего начать с комплекта широких лопастей, которые, если будет нужно,
всегда можно сделать уже. Не забывайте: семь раз отмерь, один отрежь!
Вырезав лопасти, я хотел пойти дальше и сгладить все края. Если строго сле-
довать теории аэродинамики, то лопасти у основания должны быть закруглены, а
на концах сделаны плоскими. Но на практике я не видел особого различия между
такими лопастями, и отрезками ПВХ трубы. Итак, у вас должно получиться что-то
типа такого:
Теперь нам предстоит справиться с изготовлением держателя, к которому будут
крепиться лопасти. Сделать это можно множеством способов. Я использовал диск
от циркулярной пилы. Диски легко доступны и легко сверлятся. А с помощью
стандартной оправки-переходника 5/8"-1/2", купленной в любом магазине товаров
для дома, легко соединить диск с валом мотора. Сверлом 6.3 мм просверлите че-
рез 120° 3 группы по два отверстия, с расстоянием между отверстиями в группе
25 мм. Здесь вам потребуется транспортир. Картинка поможет понять, о чем идет
речь.
Это, кончено, незатейливая идея, но диск от циркулярной пилы прекрасно по-
дошел мне в качестве держателя лопастей. Только обязательно защитите диск ка-
ким-нибудь пластиковым футляром, или чем-то еще, чтобы спрятать острые зубья.
Иначе, если ваш генератор надумает рассыпаться во время работы, этот держа-
тель может превратиться в колесо смерти.
После того, как отверстия просверлены, и диск спрятан в защитный футляр,
можно присоединять лопасти. (Должен отметить, что на фотографиях изображено
ветроколесо, у которого держатель лопастей сделан не из диска пилы).
Теперь надо сделать поворотную платформу, на которой будет стоять наш гене-
ратор . Для этого мы используем отрезок квадратной трубы, кусок водопроводной
трубы, фланец и небольшой лист стали. Вот сделанный в моей «CAD системе» на-
бросок того, каким я хотел видеть флюгер в сборе, и фотографии некоторых ис-
пользуемых деталей...
Первым делом я советую обрезать лист так, как показано на фотографии. (В
принципе, это совершенно необязательно, и нужно только для того, чтобы сде-
лать более приятным дизайн хвоста).
Теперь надо вырезать продольную щель по центру квадратной трубы на ее кон-
це. Длина щели не особенно важна, но я предлагаю прорезать трубу на 230 мм,
что позволит в последствии легче сбалансировать флюгер. Затем мы можем вста-
вить хвост в вырез, просверлить два отверстия 6.3 мм и двумя болтами прикре-
пить хвост к трубе.
А теперь вырежем кожух для мотора. Отрезок 100 мм ПВХ трубы идеально наде-
вается на мой мотор Ametek. Посмотрите, как именно я разрезал его. (Обратите
внимание на вырез, через который будут выходить провода от мотора).
Идем дальше, и красим все детали, чтобы защитить их от непогоды. Я не реко-
мендовал бы вам заниматься покраской на крыльце дома, как это делал я.
После того, как все покрашено, мы можем приступить к сборке. Возьмите фла-
нец и приложите его снизу к квадратной трубе на расстоянии 150...175 мм от пе-
реднего края. Наметьте положения двух отверстий и просверлите их сверлом 6.3
мм. Присоедините фланец болтами 6.3 мм. С помощью двух металлических хомутов,
прикрепите к трубе мотор в кожухе. Вот, что должно получиться...
Для каждого ветрогенератора нужна опора. Свою я сделал из водопроводных
труб и фитингов. Если у вас поблизости валяется мачта от телевизионной антен-
ны, или что-либо подобное, это можете не читать. Вот из чего я советую со-
брать опору:
■ два отрезка трубы 1" длиной по 1.5м
■ трубная соединительная муфта 1"
■ три тройника 1"
■ четыре отрезка трубы Iм длиной 450 мм
■ два отрезка трубы Iм длиной 300 мм
С основанием опоры генератора все понятно из фотографии. Соберите его из
нескольких отрезков водопроводных труб и трех тройников.
Наконец, соединяем вместе два полутораметровых куска трубы, и получаем мощ-
ную и изящную мини-вышку для нашего генератора.
Наконец, мы готовы прикрепить ветроколесо к валу мотора с помощью оправки.
А вам, конечно, хочется, не останавливаясь, присоединить к мотору какие-
нибудь провода и подключить нагрузку или аккумулятор...
Вот фотография экспериментальной конструкции с шестью лопастями. Она закру-
тится практически при полном отсутствии ветра, но никогда не преодолеет ско-
рости 100 об./мин. Зато, выглядит интересно !
А вот аккумуляторная батарея, которую параллельно питают генератор и сол-
нечная батарея. Я просто взял два используемых на катерах 12 В аккумулятора,
которые можно найти в любом магазине, торгующем автомобильными аккумуляторами
и положил их в стандартный пластиковый ящик. По бокам ящика я сделал два от-
верстия под 12 В вентиляторы, вынутые из старых компьютеров Mac G4s (на фото
не показаны). Непременно включите диод между аккумулятором и генератором,
чтобы ток из аккумулятора не тек в мотор.
Оказалось, что если лопасти сделать немного тоньше, они будут лучше рабо-
тать в моей местности. Поэтому я использовал большие белые лопасти, которые
вы видели на предыдущей фотографии, и сделал их чуть-чуть тоньше. Это позво-
лило добиться наибольшей скорости вращения вала.
Техника
СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ
Мы привыкли к тому, что стандартные солнечные элементы питания представляют
собой фотоэлектрические устройства на основе р-n перехода. Тем не менее, су-
ществует интересная альтернатива, использующая принцип разделения функций пе-
реноса заряда и световой абсорбции. И такой альтернативой является создание
фотохимических полупроводниковых ячеек, сенсибилизированных красителем.
Преимуществами такой технологии является:
■ способность работать не только от яркого света, но и от рассеянного, па-
дающего под большими углами;
■ эффективность работы в широком диапазоне температур: например, если срав-
нивать со стандартной кремниевой технологией, производительность у солнеч-
ных элементов, созданных с помощью такой технологии, не подвержена влиянию
в диапазоне температур от +10 до +60 С; в то время как у кремниевых сол-
нечных элементов повышение температуры приводит к снижению производитель-
ности до 20%;
■ привлекательное соотношение цена/производительность (при максимальной сол-
нечной активности, эффективность преобразования превышает 10%);
■ малая чувствительность к частичному затенению рабочей поверхности;
■ использование простых дешёвых компонентов и доступного оборудования для
производства;
■ малый вес устройства.
Как можно видеть по картинке ниже, устройство представляет собой своеобраз-
ный «бутерброд», стенки которого являются стеклянными пластинами, покрытыми
оксидной токопроводящей плёнкой, с сопротивлением в пределах от 8 до 15
Ом/см2. Задачей этого покрытия является отведение генерирующегося тока в на-
грузку. При этом одна из пластин покрыта тонким слоем диоксида титана Ti02,
на которой осаждён краситель. Оставшееся пространство между пластинами запол-
нено электролитом.
Стекло
Токопроводящий слой
Графит / сажа /золото /платина
Электролит
Краситель на поверхности ТЮ..
Диоксид титана (ТЮ.)
Токопроводящий слой
Стекло
К нагрузке
Особо хотел упомянуть такой момент: на картинке выше есть слой, который на-
зывается «графит/сажа/золото/платина». В литературе этот слой именуют «ката-
лизатором». Но, к сожалению, мне не удалось найти какого-либо подробного вме-
няемого объяснения о его роли. Единственное, что нашёл, приведено ниже (в
комментариях авторов, ко второму видео, которое будет в конце статьи): «пока
свет может попасть на вашу плёнку, не имеет большого значения, с какой сторо-
ны она освещается. В коммерческих системах задний контакт (на который мы в
ходе этого опыта нанесли графит), обычно представляет собой поверхность с зо-
лотым или платиновым покрытием, поэтому свет не может пройти через него. Ве-
роятно, это лучше, потому что сзади, сгенерированные электроны должны пройти
дальше от плёнки к заднему контакту, и поскольку ваша плёнка не сильно осве-
щается ярким светом, это приведёт к потерям».
Принцип работы устройства базируется на переносе электронов от молекулы
красителя к диоксиду титана. Если сказать по-простому: падающий свет возбуж-
дает краситель, из которого выбивается электрон, который далее захватывается
диоксидом титана, который передаёт его токопроводящему прозрачному слою на
стекле, что, в свою очередь, вызывает появление электрического тока в цепи:
токопроводящие оксидные слои - нагрузка.
Если более детально, то происходит это следующим образом: когда частица
красителя в устройстве получает квант света, электрон красителя переходит в
возбуждённое состояние, после чего за период, порядка Ю-15 секунды, электрон
уходит в зону проводимости пористого диоксида титана. Так как краситель поте-
рял электрон, он окисляется (то есть наблюдается недостаток электронов, и он
имеет положительный заряд), в то время как электроны покидают устройство че-
рез анод, в это же время дырки переходят в электролит. Таким образом, проис-
ходит разделение зарядов. Окисленный краситель далее восстанавливается из
электролита, содержащего йод, за время, около 1 мкс. При этом происходит вос-
становление красителя, и ионы йода превращаются в молекулы йода, далее за
счёт диффузии, проникая к катоду, где и происходит их восстановление с помо-
щью электронов из внешней цепи.
Подбор красителей, поглощающих широкий диапазон падающего света, делает по-
добное устройство весьма эффективным. В данный момент разработка красителей
сосредоточена в направлении создания такого их вида, который ещё больше уве-
личивает разделение заряда на границе фаз оксид-электролит: он должен соот-
ветствовать, по сути, требованиям выпрямления тока, — чтобы был канал для пе-
рехода электронов из красителя в диоксид титана, в то же время как обратный
ток (забирание электролитом зарядов) — был максимально снижен.
Одним из таких подходов стало добавление гуанидиния тиоцианата в состав
электролита, что помогает компактной локализации красителя на поверхности ди-
оксида титана и на выходе позволяет достигнуть эффективности энергопреобразо-
вания в 10,6%.
Диоксид титана (TiQ2)
Одним из основных компонентов подобной солнечной батареи является диоксид
титана. Несмотря, на такое «слишком химическое» название, с точки зрения обы-
вателя, не нужно пугаться — он является одним из самых распространённых белых
красителей и входит в состав множества красок, белил, лаков, различных грун-
товок, штукатурок и т.д. и т.п. Ценят его за белизну и укрывистость, позво-
ляющие создавать плотное белое покрытие на поверхности, и, кроме того, стой-
кое к ультрафиолету. Но, с другой стороны, его нельзя назвать дешёвым компо-
нентом, и высокий процент содержания диоксида титана в лакокрасочном материа-
ле — на соответствующий процент поднимает и конечную цену.
Кроме названного, существенное количество диоксида титана идёт на производ-
ство пластика и резины, в качестве наполнителей. Также используется он и для
производства бумаги, в фармацевтике, в пищевой промышленности (например, в
зубных пастах) и даже в белой гуаши.
Одно время, автор этой статьи, когда прорабатывал идею собственного само-
дельного ксерокса, проводил эксперименты по созданию фотобарабана как раз с
применением белой титановой гуаши из детского магазина...
Правда есть некоторая информация, что диоксид титана согласно классификации
международного агентства по изучению рака отнесён к группе веществ, являющих-
ся возможными канцерогенами для человека (насколько эта информация точна, не
уверен).
При изготовлении солнечной батареи, нанесение титана производят следующим
образом: на стеклянную пластину, со стороны токопроводящего слоя наклеиваются
квадратом четыре отрезка скотча, таким образом, чтобы в середине между ними
образовался квадрат открытого стекла.
Изменяя количество слоев наклеиваемого скотча, можно варьировать и толщину
будущего наносимого титанового покрытия. После чего, диоксид титана, в пасто-
образном виде наносят на пластину и стеклянной палочкой раскатывают по ней. В
результате должна получиться плёнка из диоксида титана толщиной приблизитель-
но 10~14 мкм, а скотч в этом процессе выступает как ограничитель толщины слоя
(стеклянная палочка упирается в него).
Далее скотч снимают, и, после высыхания этого слоя, пластина с нанесённым
диоксидом титана отжигается на воздухе, что в результате приводит к образова-
нию пористой структуры из диоксида титана, совокупная площадь пор которой
примерно в 2000 раз превосходит плоскую поверхность самой пластины. Это необ-
ходимо для того, чтобы создать максимальную площадь контакта.
Как было уже сказано ранее, красители—сенсибилизаторы являются весьма важ-
ным элементом, и в качестве них могут использоваться как естественные краси-
тели , так и искусственные.
Натуральные красители
Естественные красители являются весьма привлекательными в фотоячейках, так
как обладают широким распространением и низкой ценой, в виду возможности быть
добытыми из естественных источников.
Например, в качестве таких красителей может быть использован сок красного
сицилийского апельсина, экстракт из кожуры баклажана, а также ряд иных плодо-
вых экстрактов1:
Фотоэлектрохнмические свойства солнечных батарей,
сенсибилизированных натуральными красителями
Краситель . . м ■•
' (мА/см")
1 Красный апельсин 3,84
1 Клубника 2.86
Черника 4,29
1 Обычный апельсин 1.02
Красная капуста 4,70
Кошениль 6,00
1 Кожура Жаботикаба 2,6
Роселла 2,72
Калифорнийская черная смородина 2,2
Кожура баклажана 3,40
| Черный рис 1,14
(В)
0,340
0,405
0,360
0,412
0,525
0,397
0,660
0,408
0,4
0,350
0,551
Р FF
(мВт/см:) (%)
0,66 0,50
0,61 0,53
0,52 0,34
0,13 0,31
1,51 ' 0^61
1,20 0,52
1,10 0,62
0,70 0,63
0.56
0,48 0,40
0,327 0,52
Катализатор на 1
контрэлекгроде
Pt-черкало
Pt-npo мрачный 1
Где:
^кз "" фототок короткого замыкания;
Vxx — фотонапряжение холостого хода;
Р — мощность;
FF — коэффициент заполнения;
Тем не менее, несмотря на имеющиеся успешные примеры применения, стабиль-
ность и устойчивость естественных красителей оставляет желать лучшего, и фак-
тически, можно сказать, что их возможности находятся ниже промышленных требо-
ваний .
Синтетические красители
Так как эти красители предназначены для обеспечения устойчивого окрашивания
в промышленных условиях, к ним предъявляются жёсткие требования и они должны
образовывать устойчивые цвета, несмотря на обработку горячей водой, паром,
кислотами и т.д. (конечно, они должны соответствовать не всему сразу, каждый
краситель предназначен для своего, конкретного применения).
Самыми лучшими красителями, обеспечивающими наивысшие КПД и устойчивость во
времени (для целей фотоэлектрического преобразования), являются красители на
базе полипирипил-комплексов рутения и осмия («N3», «black dye»).
Кроме того, так как фотоэлектрические ячейки работают в области видимого
спектра, а инфракрасный спектр остаётся не задействованным, идут исследования
красителей, способных воспринимать и преобразовывать и этот частотный диапа-
зон. В качестве одного из таких красителей был найден эффективный преобразо-
ватель на базе цианинового сенсибилизатора (NK6037).
Электролит
В качестве большинства электролитов используются водные растворы щелочей,
1 Патрушева Т.Н. «Технологии изготовления компонентов оксидных солнечных батарей»
солей, кислот. Их несомненным плюсом является то, что концентрация, а, соот-
ветственно, и проводимость электролита, может быть изменена в широких преде-
лах. Одними из самых широко распространённых являются растворы гидроксидов
калия и натрия, при этом щелочные растворы обладают высокой электрической
проводимостью. В качестве электролита могут быть использованы и растворы со-
лей, обладающие умеренной электрической проводимостью.
Прозрачные плёнки-электроды
Так как захваченные электроны необходимо ещё каким-то образом отводить, то
для этих целей используются специальные прозрачные и в то же время топроводя-
щие плёнки, нанесённые на поверхность стёкол (стекло нужно в качестве механи-
ческой основы, чтобы создать механически прочный «бутерброд»). В качестве та-
ковых могут использоваться плёнки с оксидами олова, индия, кадмия, галлия,
меди, цинка.
Так как плёнки подобного типа будет не так просто достать, либо они могут
быть не совсем дешёвыми, полагаю, что для целей создания дешёвого фотоэлемен-
та можно попробовать использовать какую-либо из великого разнообразия метал-
лизированных декоративных плёнок. Или, например, использовать стандартные ме-
таллизированные (т.е. тонированные) стёкла, которые используются для остекле-
ния — так как обычно их покрывают металлами, насколько мне известно, в том
числе даже и золотом (скажем, стёкла для остекления солнечной стороны зда-
ний) . Да, за счёт не такой хорошей прозрачности, эффективность, по идее, бу-
дет ниже. Но, почему бы и нет!
В примере ниже разобран любопытный вариант создания фотоэлемента, который
интересен тем, что дано просто пошаговое руководство, сопровождающее видео2,
по которому можно достаточно легко повторить показанное.
Вкратце, как это делается: по описанной выше технологии, наклеивается скотч
на стекло с токопроводящим слоем, после чего на стекло наносится тонкий слой
диоксида титана, предварительно превращенный в пасту, консистенции латексной
краски. Для этого он смешивается с сильно разведённой уксусной кислотой (0,1
мл концентрированной кислоты на 50 мл воды) и несколькими каплями средства
для мытья посуды.
После нанесения на стекло, скотч снимается, стекло высушивается и обжигает-
ся и на нём образуется спечёное пористое покрытие из диоксида титана.
Далее, готовая пластина погружается в малиновый сок, который авторами был
предварительно получен из замороженной малины. В процессе такого окунания ди-
оксид титана образует с малиной комплекс и меняет свой цвет, после чего пла-
стина промывается спиртом, для удаления частичек малины и осушения от воды
(т.к. спирт поглощает воду).
После этого подготавливается вторая пластина: она проводится токопроводящим
слоем с оксидом олова над пламенем свечи, что позволяет её сильно закоптить
(насколько я понимаю, это делается для увеличения площади контакта).
Подготовленные пластины соединяются с помощью канцелярского зажима, и в
щель между ними с помощью пипетки капается несколько капель раствора трийоди-
да, который за счёт капиллярного действия проникает в пространство между пла-
стинами и занимает его полностью.
Теперь остаётся только подключить провода к токопроводящим слоям обеих стё-
кол и осветить этот «бутерброд» источником света. Фотоэлемент готов!
2 https://www.youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmiO
ПРИМЕР
Реактивы и оборудование:
■ Нанокристаллический Ti02
■ Ступка и пестик
■ Очень разбавленная уксусная кислота (0,1 мл концентрированной уксусной ки-
слоты в 50 мл воды)
■ Средство для мойки посуды
■ Пустой шприц и парафильм
■ Проводящее стекло FTO (1х1"х2,3 мм ТЕС 15 стекло) от Hartford Glass Co,
735 Е Water Street, Hartford City, в 47348 Телефон: 765-348-1282.
■ Мультиметр
■ Прозрачная лента
■ Предметное стекло для микроскопа
■ Плитка
■ Замороженная малина. Антоцианин, используемый в качестве красителя, должен
быть комплексным с титаном (IV) . Черстика, малина, гранат и вишня работа-
ют. Клубника и красный виноград не работают. Из-за общей доступности и ин-
тенсивного цвета мы используем оттаявшую замороженную малину, измельченную
в блендере; Смесь можно замораживать и оттаивать много раз.
■ Увеличительное стекло
■ Бутылка-промывалка
■ Этанол
■ Свеча
■ Зажим или щипцы, чтобы держать стекло во время углеродного покрытия
■ Ватные палочки
■ Переплетные зажимы
■ К13 в этиленгликоле
■ Сильный источник света (проектор или солнце)
Подготовка ТЮ2 пасты
Растереть около 0,5 грамма нанокристаллического диоксида титана (ТЮг) в
ступке пестиком с несколькими каплями очень разбавленной уксусной кислоты.
Продолжаем измельчение и добавление нескольких капель очень разбавленной ук-
сусной кислоты, пока вы не получите коллоидную суспензию с гладкой консистен-
цией, чем-то вроде краски. Консистенция как зубная паста слишком толстая.
Также подмешайте каплю прозрачного средства для мытья посуды в качестве по-
верхностно-активного вещества. Этого количества Ti02 достаточно для несколь-
ких солнечных элементов.
Для облегчения распределения перенесите пасту ТЮ2 в шприц. Оберните конец
шприца парафильмом, чтобы паста не высыхала, когда не используется. Использо-
вание шприца значительно сокращает время работы, облегчает очистку и дает
пасту с правильной консистенцией, которая можно использовать долго.
Шаг 1
Определите проводящую сторону куска стекла, покрытого оксидом, с помощью
мультиметра для измерения сопротивления. Проводящая сторона будет иметь со-
противление 20-30 Ом.
Шаг 2
■ На проводящую сторону стекла наклейте с трех сторон от центра прозрачную
ленту в одну толщину. Вытрите отпечатки пальцев или масла, используя кусок
ткани смоченной этанолом. Противоположные стороны ленты будут служить про-
ставкой, поэтому лента должна быть плоской и не морщинистой. Третья сторо-
на ленты дает непокрытную часть, где будет подключен зажим.
Шаг 3
Добавьте небольшое количество пасты диоксида титана и быстро размажьте,
пользуясь предметным стеклом для микроскопа. Лента служит проставкой 40-50
микрометров для контроля толщины слоя диоксида титана
Шаг 4
Осторожно удалите ленту, не поцарапав покрытие ТЮ2.
Шаг 5
Нагрейте стекло на горячей плите в течение 10-20 минут, чтобы получить бе-
лое или зеленое спеченное покрытие диоксида титана. Поверхность становится
коричневой, поскольку органический растворитель и поверхностно-активное веще-
ство высыхает и сгорает (Примечание: для этого требуется тарелка, которая
становится довольно горячей.) Позвольте стеклу медленно остыть.
Шаг 6
Погрузите покрытие в источник антоцианов, таких как малиновый сок. Малино-
вый сок может быть получен из замороженной малины. (Ежевика, семена граната и
вишня также могут быть использованы.) Белый Ti02 изменит цвет, когда краси-
тель поглощается и комплексируется с Ti (IV).
Шаг 7
Аккуратно промойте водой, чтобы удалить любые ягоды, а затем с этанолом,
чтобы удалить воду из пористого TIO2. Этанол должен был испарен до того, как
ячейка будет собрана.
Шаг 8
Пропустите второй стекла покрытый оксидом олова, через пламя свечи, чтобы
покрыть проводящую сторону углеродом (сажи). Для достижения наилучших резуль-
татов, быстро и многократно пропустите стеклянную часть через среднюю часть
пламени.
Шаг 9
Сотрите углерод вдоль периметра с трех сторон стеклянной пластины с покры-
тием углерода, используя сухой ватный тампон.
Шаг 10
Соберите две стеклянные пластины с покрытыми сторонами вместе, но так, что-
бы стекло без покрытия простиралось за край сборки. Не терете и не сожмите
тарелки. Сожмите сборку зажимами.
Шаг 11
Добавьте каплю раствора трииодида в противоположные края пластины. Капил-
лярное действие приведет к тому, что раствор К13 пройдет между двумя стекла-
ми. (Раствор электролита К13 состоит из 0,5М KI и 0,05М 12 в безводном эти-
ленгликоле.) Раствор может коррозировать зажимы, поэтому вытрите избыток.
Подключите мультиметр, используя зажимв к каждой пластине (отрицательный
электрод представляет собой стекло, покрытое Ti02, а положительным электродом
является стекло с углеродным покрытием).
Проверьте ток и напряжение, полученное солнечным освещением, или полученное
путем освещения от проектора.
Технологии
СТЕКЛОДУВНАЯ МАСТЕРСКАЯ
(продолжение1)
Стеклодувное приборостроение подразумевает огневой нагрев заготовок — стек-
лянных трубок и стержней различного диаметра, оно немыслимо без разнообразных
горелок и систем их питания. Здесь речь пойдёт об оборудовании небольшого ра-
бочего места для стеклодувных работ в домашней мастерской.
Горючий
газ
Горючий газ для настольной стеклодувной горелки получаю карбюрированием
жидкого топлива (бензина) в специальном аппарате — масштабированном варианте
хрестоматийного ювелирно-зубопротезного «бульбулятора». Кроме прочего, пары
бензина дают пламя несколько горячее даже пропан-воздушного и позволяют снос-
но работать с легкоплавкими сортами стёкол.
Испарение (продувание воздухом) бензина охлаждает его, испаряемость при
этом падает — при небольшом количестве топлива в карбюраторе и резкой смене
режима крупной горелки она может даже погаснуть. Заметный объём карбюратора
(значительная масса топлива и её теплоёмкость) нейтрализует эту проблему. С
обычного размера большой стеклодувной горелкой нормально работает карбюратор
ёмкостью около 12...15 л.
1 Начало в предыдущем номере.
Карбюратор. Заготовка сосуда. Дополнительная часть спаяна, испы-
тана на герметичность и прочность давлением.
В карбюраторе образуется преотличным образом подготовленная горючая смесь,
с нетерпением ждущая малейшей искры. К счастью, пары бензина в воздухе обла-
дают невысокой скоростью горения и защититься от обратного удара нетрудно —
простая набивка медной «путанкой» или аналогичные огнепреградительные сетки с
диаметром «длинных» отверстий не более 0,9...1,0 мм. Почти все аварии в подоб-
ных устройствах случались при их отсутствии. Однако как только в «системе»
появляется кислород или гремучий газ (о нём ниже), скорость горения газовой
смеси существенно возрастает и предельные отверстия, гасящие волну пламени,
например, гремучего газа, уже резко уменьшаются — не толще 0,3 мм. То есть
вероятность аварии увеличивается, и традиционное жестяное исполнение сосуда
заменено на прочное, выдерживающее потенциальный подрыв.
Стационарный подстольный карбюратор для большой стеклодувной горелки.
В качестве сосуда применён бытовой баллон для пропана, 27 литров. Табельный
кран просто закрыт, ближе к стенке баллона впаяны медные трубки со смонтиро-
ванными на них игольчатыми краниками — регулировка расхода воздуха на входе и
степень обогащения на байпасе. В выходной патрубок набита медная путанка. Все
внешние трубки и пара тройников — детали медного водопровода, пайка оловянно-
медным припоем.
Сжатый
воздух
Простейший окислитель. Подаётся в горелку и/или в карбюратор. Компрессор -
некрупный, поршневой из строительного магазина. Большое давление и приличный
расход, но очень шумен, трудный пуск при плохой сети. Включается периодиче-
ски.
Магазинный «строительный» компрессор. Увеличение ресивера позво-
ляет аппарату реже включаться - в крышечку обратного клапана
впаяна «розетка» стандартного быстросъёмного соединителя, старый
разовый баллон 27 л снабжён накручивающейся вилкой.
Шланги,
разветвители
В моём арсенале несколько горелок, и некоторые из них имеют по несколько
одноимённых патрубков, например, для сжатого воздуха. Для культурной эксплуа-
тации всего это хозяйства спаял пару «гребёнок» из медных трубок и деталей от
водопроводного хлама. Укреплённые под столом латунными хомутиками, они разом
сняли путаницу со шлангами и обилие тройников. Несколько запасных выходов за-
глушены обрезками шланга со стальным шариком.
Детали гребёнок подготовлены к пайке.
Готовые гребёнки для сжатого воздуха (большая) и горючего газа
(паров бензина).
Шланги применяю силиконовые. В последнее время они в приличном ассортименте
появились в обычных хозяйственно-огородных магазинах, продаются метражом и
недорого стоят. Полупрозрачны, что в ряде случаев полезно, на постоянной ос-
нове хорошо работают со щёлочью (электролизёр) и парами бензина. При работе с
ним иногда отмечал некоторое размягчение участка шланга при его большой длине
и богатой смеси (конденсат?). Силиконовый шланг весьма эластичен и при необ-
ходимости может быть одет на штуцер много толще положенного - с подогревом
конца шланга, предварительно растянув и смочив его внутри.
Горелки
настольные
стеклодувные
Достались по случаю от частных лиц. Обе, похоже, кустарного производства,
несколько отличающиеся стилем исполнения.
Малая газо-воздушная настольная горелка. Внутреннее смешивание,
тихая работа, небольшой факел.
Факел малой горелки при работе на парах бензина. Хорошо видны
поддерживающие огни, позволяющие пламени не срываться выше пре-
дельного режима. Пламя спокойное, ламинарное, горелка работает с
лёгким шипением.
3
л
1
—
2 8
W 1
]
J_
7 5
7 7
'/////У/////////*/,
W///////////////,
оу/////Ъ////77т
*%/////?//////////,
к
7
^s
ч
?
Устройство горелки с внутренним смешиванием, где: 1 - корпус, 2
- диафрагма, 3 - кран пробковый для подачи воздуха, 4 - кран
пробковый для подачи газа, 5 - гильза, 6 - центральное сопло, 7
- сопла поддерживающего пламени, 8 - отверстия настройки поддер-
живающего пламени.
Основная настольная горелка - вариант «горелки Карпова», она же в иностран-
ной литературе - «тюрингенская», «с добавочным кислородом».
Доставшаяся универсальная «горелка Карпова». Анфас. На одной но-
ге с основной большой горелкой смонтирована обычная маленькая
пушечка для пайки тонким пламенем. Патрубок для подачи газа у
них общий. Горелка, по косвенным признакам, из маленькой серии,
заказанной для некой разорившейся фабрики ёлочных игрушек. Дос-
талась новой, с хранения. Выполнена очень хорошо. Почти всё -
никелированная (?) латунь, конструктивная пайка чем-то вроде
ПОС-40, подпружиненные и подписанные пробковые краники, массив-
ное чугунное основание, ряд регулировок.
Доставшаяся горелка Карпова. Профиль. В пробковых краниках неза-
сохшая смазка, резинки-уплотнители сохранили эластичность.
Настольная горелка конструкции НИФХИ им. Л. Я. Карпова. Общий
вид, разрез. [1].
воздушный
кран
кислородные
краны
кислородная
рубашка
питание
воздухом
питание
кислородом
питание
горючим
газом
кран
горючего
газа
сменные
одуванчики
Серийная тюрингенская горелка импортного производства [2] . Вме-
сто кольцевого сопла дополнительного кислорода — ряд отверстий;
газопроводы и краны (игольчатые) сделаны чуть иначе.
V - -
Горелки на рабочем столе.
Малая пушка горелки в работе на парах бензина с воздухом. На-
строена на крупный жёсткий факел, но можно отрегулировать на
мягкую коротенькую иголочку для пайки.
Большая пушка в работе на парах бензина. В носовой колпачок, по-
верх обычного факела, здесь подаю воздух вместо кислорода.
Основание факела крупнее.
В обе части горелки при необходимости в воздушное дутьё подмешиваю толику
гремучего газа из электролизёра2. Факел при этом почти не меняет формы и цве-
та, изменяется только его звучание и ощутимо повышается температура.
Горелка вспомогательная, из туристического магазина.
В домашнем хозяйстве такая горелка — этакий разнорабочий. Инжекционная с
небольшим шумным факелом, удобный чрезвычайно мобильный источник тепла. Широ-
2 Домашняя лаборатория 2023-11.
кий баллончик позволяет надёжно её ставить. Таких баллончиков имею несколько
штук и перезаправляю их жидким пропаном из 50-литрового баллона от кухонной
плиты. В работе со стеклом местами использую как встречную, подогревную или
даже как основную для мелких работ, корда лень разворачивать шланги-провода и
включать грохочущий за спиной компрессор.
Факел пропан-воздушной инжекционной горелки. Довольно турбулент-
ный , но температурные зоны выражены вполне.
Ручная горелка
для пайки стекла
Самодельная, специальная, для работы на гремучем газе, получаемом по месту
в стационарном электролизёре. Отличается тонкими теплоёмкими соплами и весьма
плотной набивкой ручки медной «путанкой» из тонкой, специально обработанной
проволоки.
Электролизёрная горелка со сменным наконечником. Сопла 0,3 мм
(установлено) и 0,7 мм.
Сам стационарный самодельный электролизёр повышенной надёжности.
Кислород-водородная смесь (гремучий газ) даёт очень горячий и жёсткий фа-
кел . Это почти что точечный высокоинтенсивный источник тепла. Работать им,
особенно с относительно легкоплавкими стёклами, трудно — велик процент брака
из-за термоударов, даже с дополнительным подогревом заготовки. Несколько ох-
ладить такой факел и растянуть высокотемпературную зону позволяет обогащение
гремучего газа углеводородами — подмешиванием в него пропана или паров бензи-
на (керосина) в специальном аппарате-промывалке. Паять стекло таким факелом
намного удобнее.
Самый маленький факел гремучего газа, обогащенного парами бензи-
на . Сопло 0,3 мм.
Большой факел гремучего газа обогащенного парами бен-
зина . Сопло 0,3 мм.
Малый факел гремучего газа обогащенного парами бензи-
на . Сопло 0 г 7 мм.
Большой факел гремучего газа обогащенного парами бен-
зина . Сопло 0,7 мм.
Стеклодув опытный, разумеется, предпочтёт работать на дорогом профессио-
нальном оборудовании, но при необходимости спаяет и выдует, пользуясь почти
всем, что горит и даёт подходящую температуру. Он сказал бы, что самый про-
стой, вседоступный и дешёвый вариант стеклодувной горелки — сварочная из бли-
жайшего инструментального магазина. И то сказать — горелка с внутренним сме-
шиванием (тихая, со спокойным игловидным факелом, удобным для пайки), со
сменными наконечниками, регулирующими крупность пламени, с игольчатыми точны-
ми краниками. Стоит только закрепить такую горелку на краю стола, хоть даже и
в губках небольших настольных тисков (на шаровой опоре?), и задёшево получаем
отличный инструмент. Вкупе с горелкой подогревной (Мейера, на баллончике?)
она позволит полноценно делать средних размеров работы.
Ручная горелка с добавочным кислородом [2].
Литература:
1. Зимин В. С. Стеклодувное дело и стеклянная аппаратура для физико-
химического эксперимента. Изд. «Химия», 1974 г.
2. Сорокин В. С. Стеклодувная мастерская. Справочник. 2013 г.
Технологии
РАБОТА С ЛИСТОВЫМ СТЕКЛОМ
Стекло - замечательно красивый, обладающий целым рядом полезных свойств, но
и непростой в обработке, материал. Обычно применения его в своих конструкци-
ях, а здесь мы говорим о домашней лаборатории-мастерской, стараются всячески
избегать. Часто один только вид заготовки - неправильной формы куска стекла,
уже вызывает у граждан приступ малодушия, а между тем, освоив несложные приё-
мы работы и действуя вдумчиво и аккуратно, можно существенно обогатить и раз-
нообразить свой арсенал.
Стеклорез,
работа
стеклорезом
Итак. Стекло - материал хрупкий, твёрдый, плохо проводящий тепло. Начнём со
стекла листового, обычно, не толще оконного, а это около 4 мм. Резка его за-
ключается в нанесении царапины и последующих действиях, приводящих к появле-
нию вдоль неё сквозной трещины. После этого части заготовки легко разламыва-
ются или распадаются сами. Длинные прямые резы делают стеклорезом под линей-
ку, положив заготовку-лист на ровную прямую, слегка упругую поверхность. Не-
когда в стекольных мастерских работали на столе, отделанном фетром, при не-
частых домашних работах довольно нетолстого слоя старых газет. Хорошо себя
показал лист тонкого ДВП плохого качества (мягкий, рыхлый) (Фото 1), годится
и фанера берёзовая, ДСП.
Фото 1,
Фото 2. Хрестоматийный роликовый стеклорез с масляным резервуа-
ром в ручке , где: 1 - сменная режущая головка; 2 - ручка; 3 -
тяжёлый металлический шарик на конце ручки, им постукивают вдоль
царапины, с обратной стороны листа, для возникновения трещины.
Стеклорез для периодических работ лучше всего с твердосплавным роликом -
алмазные требуют постоянно поддерживаемого навыка и не прощают ошибок в рабо-
те. Роликовый стеклорез (Фото 2) демократичнее и терпимее, тем не менее - ве-
дём его с постоянным и заметным нажимом, всю линию без отрыва, от края до
края стекла за один раз. В идеальном случае должен быть ровный шипящий звук и
чёткая непрерывная черта. Прочерчивание царапины дважды по одному месту силь-
но затупляет ролик. Сведение её концов на середине заготовки, с высокой веро-
ятностью, заставит трещину в этом месте споткнуться и махнуть в непредсказуе-
мом направлении. Ролик в стеклорезе лучше периодически смазывать машинным
маслом или смесью масла с керосином и вдоль разметки на стекле, пальцем на-
нести его тонкий слой. Удобны стеклорезы с ёмкостью для масла в ручке. Рабо-
тать следует чистое стекло.
Фото 3. Пример простой резки листового стекла - некрупный прямоугольник
(фоторамка, окно шкалы прибора и т. п.). Нужная часть указана стрелоч-
кой. Заготовку - подходящий кусок старого оконного стекла отмыл, высу-
шил, разметил спиртовым фломастером. Прочертил стеклорезом под линейку
две царапины - №1, №2. Ломать будем в этом же порядке.
Фото 4. Замечательно простой и быстрый способ ломки более или менее
крупных заготовок с прямым резом - на ровном краю стола. Кладём на него,
прочерченный стеклорезом, лист царапиной вверх и одним уверенным энер-
гичным движением - хруп! Рез обычно получается изрядного качества. Инте-
ресно , что если при ломке деликатничать, сломается, скорее всего, не
там, где нужно.
Традиционно декоративно-прикладное применение (цветного) стекла - разного
рода вещицы, панно, светильники в витражной технике с характерной сложной
криволинейной резкой.
Прежде всего, при проектировании рисунка (условно - витража), всячески из-
бегаем сложных в резке и обработке деталей (Рис. 5...7) , но бывает всякое. Вит-
ражное стекло, против ожидания, обычно легко резать - оно тоньше (обычно, 3
мм) и заметно менее прочно, зато самые красивые художественные стёкла имеют
слоистую структуру с её непредсказуемостью в обработке. Стекло прозрачное,
общего назначения, тоньше обычных 4 мм, тоже режется без особенных приключе-
ний.
Рис. 5. Трещина в стекле, возникая, ведёт себя подобно тяжело груженному
самосвалу на большой скорости - резко повернуть не в состоянии. Напри-
мер, в прочерченной стеклорезом стеклянной детали на рисунке, при ломке,
трещина, вероятнее всего, пойдёт как указано стрелочками.
Рис. 6. Рез стеклянной детали тем не менее может иметь некоторую внут-
реннюю кривизну, но не очень глубокую и во всяком случае, следует по
возможности избегать при этом более или менее тонких концов - скорее
всего, они обломятся.
Рис. 7. Подобную деталь - массивные края, тонкая середина, тоже будет
сложно сделать из-за слабого места - здесь она и сломается.
Витражи бывают нескольких техник и сложности. Классические, из-за ограни-
ченных возможностей технологии, состоят из весьма простых линейных деталей.
Современные способы соединения стекляшек в рисунок, могут иметь элементы
сложные и вычурные - резы для них характерны криволинейные, однако, в любом
случае стремимся к деталям максимально крупным и с плавными однонаправленными
изгибами.
Фото 8. Витраж «Гранаты» в классической технике «Тиффани» - края
стеклянных деталей отделываем медной фольгой и спаиваем в рисунок.
Фото 9. Стеклорез для витражных работ специальный - роликовый, с
очень узкой сменной головкой.
Фото 10. Ведут такой стеклорез вперёд, от себя, чтобы видеть
кривую линию разметки на стекле.
Таким образом, вырезание и отламывание плавных кривых - а-ля натюрель - ре-
жем и ломаем как есть за один раз. Вырезание и отламывание сложных, сильно
изогнутых кривых - с разбитием их на несколько простых.
Рис. 11. Вырезание нескольких стеклянных криволинейных деталей
из листа. Размечаем их так, чтобы каждый простой рез был от края
до края заготовки. №1 - отрезаем всю группу.
Рис. 12. Вырезание каждой детали в три приёма. Каждый - от края
до края листа и не слишком сильно изогнут.
Фото 13. Пример вырезания группы небольших, неправильных очертаний,
заготовок из листа. Детали расположены кучно для экономии ценного
материала, но с учётом рисунка самого стекла. Сначала разделяем всех
участников на небольшие компании, дальнейшее очевидно. Стеклорезом
можно прочертить сразу всё, а потом разламывать или работать после-
довательно - прорезал-сломал, прорезал-сломал. Как опыт подскажет.
Таким образом, например, круг - вырезаем из заготовки-квадрата четырьмя
изогнутыми касательными.
Разламывание
стекла
Самая непредсказуемая и сложная операция при резке. Мы наметили трещине
путь стеклорезом, но барышня эта легкомысленная и вздорная - в заготовке мо-
жет быть масса невидимых препятствий - мелкие дефекты, напряжения. Не говоря
о стекле цветном слоистом, неоднородном в принципе. Кроме прочего, в нём не
следует располагать длинные детали поперёк общего направления «перьев». В це-
лом же, следует заранее смириться с некоторым процентом неудач. Обломки цвет-
ного стекла следует собирать и хранить, они пригодятся для более мелких дета-
лей , других техник, дробления на крошки и т. д.
Прямые резы на более или менее крупных заготовках и деталях обычно отламы-
вают очень простым и эффективным, если не сказать эффектным, приёмом на краю
стола (Фото 3, 4). Иной ходовой способ - с обратной стороны царапины заготов-
ку последовательно простукивают небольшим твёрдым предметом - некрупным моло-
точком, стамеской и т. п. На многих стеклорезах для этого есть специальное
утяжеление на конце длинной ручки (Фото 2, поз. 3).
Фото 14. Вырезание стеклорезом не- Фото 15. Даже небольшие детали вит-
большой детали для художественной ражного непрочного стекла хорошо об-
стеклянной работы. Стеклорез держим ламываются при постукивании их шари-
как авторучку, ведём вперёд от себя ком ручки стеклореза,
по линии разметки. Чтобы усилие на
ролик, в нетвёрдых руках, было выше,
головку инструмента часто нажимают
указательным пальчиком второй руки.
Тем не менее для ломки стеклянных мелочей есть ряд специальных интересных
инструментов упрощающих и убыстряющих операцию, повышающих шансы на её благо-
получное проведение, а в ряде случаев - они и вовсе единственная возможность.
Ломатели
стекла
Инструменты для быстрого разламывания - работают аналогично резаку для об-
лицовочной керамической плитки - некое ребро упирающееся снизу в черту от
твердосплавного ролика и прочные лапки с усилием давящие на заготовку сверху,
по обе стороны от царапины.
Фото 16. Классическая резалка облицовочной плитки, где: 1 - реб-
ро снизу; 2 - лапки с рычагом.
Фото 17. Ручной ломатель стекла.
Фото 18. Ломатель нетолстого стекла.
Инструмент обычный для витражной мас-
терской. На металлические губки оде-
ваются защитные силиконовые колпачки.
Фото 19. Авторский ломатель витражного стекла из плоскогубцев и пары
бронзовых деталей от старого душевого смесителя. Металлические губки
в несколько слоев обмотаны прозрачным скотчем - чтобы не скрежетали.
Работа инструмента очевидна - некрупные детали разламывает мгновенно, в
один присест, длинные же сложные кривые (как, например, на Фото 3) полезно
сначала не до конца сжать таким ломателем с обеих сторон и в нескольких мес-
тах.
Фото 20. Ручной ломатель толстого стекла имеет дополнительный шар-
нирно-рычажный механизм, увеличивающий усилие.
Отщипыватель
маленьких
кусочков
Воистину необходимый для работы со стеклянными мелочами инструмент - необ-
ходимость отломать после стеклореза очень небольшой кусочек стекла возникает
постоянно. Такой клочок не схватить пальцами, не помогает стучание снизу и
даже небольшим губкам ломателя (Фото 18, 19) нет места для опоры.
Фото 21. Ломатель-отщипыватель витражного (^3 мм)
стекла. Всегда под рукой.
\
а б
Рис. 22. Схема работы отщипывателя (а) в сравнении с плоскогуб-
цами (passatiges vulgaris) - ровный разлом или искрошенный за-
зубренный край. Где: 1 - стеклянная заготовка; 2 - плоскогубцы;
3 - царапина от стеклореза; 4 - специальный инструмент.
Обработка края
стеклянной детали
Обычно её края спрятаны и можно допустить их некоторую зазубренность, но
случается торцам работать и снаружи. Тогда у краёв вырезанного стекла придёт-
ся, как минимум, притупить острые кромки. При работах разовых и более или ме-
нее правильной форме стекла, сделать это можно на куске обычной наждачной бу-
маги на тряпочной основе, со средним зерном. Стеклянная пыль, образующаяся
при шлифовке, вредна и затрудняет работу абразива - её следует смывать или
вовсе, работать под слоем воды. Оконное стекло довольно твёрдое, заметный ре-
зультат будет только при ощутимом нажиме на деталь или абразив - следует по-
заботиться о целости рук. Зёрна наждачной бумаги весьма быстро притупляются,
и работа становится раздражающе мало результативной. Кусок наждачки удобно
пришпилить мебельным степлером к деревянному бруску, во время работы периоди-
чески макая его в ведро с водой.
Фото 23. При обработке краёв резаного стекла наждачной бумагой,
иногда, удобно подложить под неё кусок плотного войлока - от на-
жима он слегка проминается и закругляет торец детали. На фото -
отрезанная часть небольшой бутылочки от специй. Наждачка крупно-
стью 140 единиц. Работа с плоскими деталями аналогична.
Фото 24. Отшлифованный край получившегося стаканчика. Торец
слегка округлён, кромки затуплены.
Фото 25. Самодельная тушечница из отрезанной бутылки и металли-
ческого хлама.
Наждачная бумага для работы со стеклом - подручный, широко распространённый
и недорогой, но прискорбно малостойкий абразив, обычно же, для таких упражне-
ний применяют инструмент алмазный. Следует стремиться обзавестись его промыш-
ленным вариантом на металлической связке. Он значительно долговечнее, изно-
шенный внешний слой часто удаётся растворить сильной кислотой, восстановив
работоспособность. Алмазный инструмент при работе нужно часто смачивать или
непрерывно поливать водой - это смыв стеклянного шлама, предотвращение пыле-
образования, охлаждение и увеличение его ресурса.
Фото 2 6. Вертикально вращающимися колесиками с алмазным слоем
удобно обрабатывать и кривые торцы стекла. Маленькие слева - на
бакелитовой (?) связке, справа покрупнее - на металлической.
4
Фото 27. Алмазные колесики на державках для установки в трёхку-
лачковыи сверлильный патрон. Специальные, выточенные и импрови-
зированная , из стандартного крепежа Мб.
Фото 28. Алмазное колесико в сверлильном станке, настроенном на
3000 об/мин. Обработка-подгонка стеклянной шкатулки к крышке.
Фото 29. Импровизированное омывание инструмента водой - с обратной его
стороны слегка прижимаем кусочек мокрой губки и часто споласкиваем её в
плошке стоящей рядом. Мутная вода через сутки - двое оседает. Осторожно
слив её, собрав и высушив стеклянный шлам со дна, получаем полезный ма-
териал для приготовления термостойкого клея-замазки. При шлифовании
стекла будут брызги - работать в защитных очках или щитке.
Научившись вырезать и обрабатывать плоские стеклянные детали сложной формы,
грешно не помянуть о клее с ультрафиолетовым (УФ) отверждением. Варианты ки-
тайского производства работают сносно и недороги. Клей после полимеризации
прозрачен. Цветное матовое «глухое» стекло им склеивать сложнее, прозрачное -
будьте любезны.
Фото 30. Для полимеризации клея его можно засвечивать даже небольшим
светодиодным УФ фонариком, но удобнее и мощнее сетевая лампочка. На фото
- сборка стеклянной шкатулки.
Лаборатория
ХИМЛАБОРАТОРИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО АНАЛИЗА
Уранова В.В., Исякаева P.P., Мажитова М.В.
ТЕХНИКА
БЕЗОПАСНОСТИ
Правила техники безопасности в химической лаборатории представлены на схе-
мах 1.1.-1.4.
Схема 1.1:
1. Работать одному в лаборатории строго запрещается.
2. Нельзя работать в лаборатории без халата (с длинным рукавом) и шапочки.
Волосы должны быть забраны.
3. На лабораторном столе нельзя держать посторонние вещи (портфель, сумку,
головной убор, одежду, книги и т. д.). Для этого должно быть отведено спе-
циальное место.
4. В лаборатории категорически запрещается принимать пищу и напитки.
5. Работая в лаборатории, следует соблюдать тишину, чистоту и порядок на ра-
бочем месте.
6. Приступая к анализу, следует предварительно ознакомиться со свойствами ве-
ществ, необходимых для работы.
7. Необходимо внимательно прочитать надпись на этикетке посуды, в которой со-
держится вещество, необходимое для работы. Пользоваться реактивами без
этикеток запрещается;
Схема 1.2:
8. Сыпучие реактивы следует отбирать сухим шпателем или специальной ложкой.
9. Категорически запрещается всасывать ртом в пипетку растворы кислот, едких
щелочей и аммиака, имеющих концентрацию свыше 5%.
10.Измельчение твердых гидроксидов калия, натрия, кальция, в также сульфида
натрия разрешается проводить только в вытяжном шкафу. При этом необходимо
надеть защитные очки и резиновые перчатки, а волосы убрать под шапочку.
11.С ядовитыми, раздражающими органы дыхания и сильно пахнущими веществами
необходимо работать только в вытяжном шкафу. При этом следует надеть за-
щитные очки и резиновые перчатки, а при необходимости — противогаз.
12.Не пробуйте химические вещества на вкус. При исследовании запаха необходи-
мо осторожно направлять к себе пары легким движением ладони.
13.Концентрированные кислоты, щелочи, ядовитые и сально пахнущие вещества
следует хранить в хорошо вентилируемом вытяжном шкафу. Концентрированные
кислоты разрешается переливать (добавлять) только в вытяжном шкафу. Там же
производится нейтрализация кислот аммиаком, а также работа с сероводоро-
дом.
14.При разбавлении кислоты в тонкостенной термостойкой посуде (особенно сер-
ной) необходимо осторожно, небольшими порциями, при постоянном перемешива-
нии прибавлять ее к воде (а не наоборот) в вытяжном шкафу. При этом глаза
должны быть защищены очками.
Схема 1.3:
15.Металлический натрий нужно обязательно хранить под слоем керосина (толуо-
ла, ксилола), не содержащего воду.
16.Растворение проб в кислотах или щелочах следует проводить только в вытяж-
ном шкафу.
17.Выпаривание растворов при определении кремниевой кислоты и удаление солей
аммония разрешается только в вытяжном шкафу.
18.Работа с плавиковой кислотой допускается только после дополнительного ин-
структажа по технике безопасности. При этом работа проводится в вытяжном
шкафу, стекла которого смазаны вазелином.
19.Работу с органическими растворителями (эфир, спирт, ацетон, бензол и др.)
следует проводить вдали от источника открытого огня (горелки, электриче-
ские плитки, муфельные печи).
20.Нагревая жидкости на электрической плитке или водяной бане, необходимо их
тщательно перемешивать во избежание выброса кипящей жидкости в лицо.
21.Нельзя держать при нагревании пробирку или колбу отверстием к себе или в
Сторону стоящего рядом человека.
Схема 1.4:
22.Легковоспламеняющиеся и взрывоопасные жидкости нужно обязательно хранить в
металлических шкафах, оснащенных замком.
23.Работа с незаземленными электроприборами запрещена!
24.Будьте осторожны при работе с центрифугой. Устанавливаемые пробирки должны
быть попарно уравновешены. Не прикасайтесь руками к вращающемуся ротору
центрифуги. Нельзя включать центрифугу со снятой предохранительной крыш-
кой.
25.Не выбрасывайте в раковину бумагу, фильтры, вату, стекло от разбитой хими-
ческой посуды.
26.Бережно и аккуратно обращайтесь с лабораторной посудой, приборами и пред-
метами оборудования. Старайтесь разумно экономить реактивы, воду, газ и
электроэнергию.
27.Перед уходом из лаборатории обязательно вымойте руки с мылом и вытрите их
чистым полотенцем.
28.Уходя из лаборатории, проверьте, выключены ли вода и электроэнергия.
ОРГАНИЗАЦИЯ
Лабораторный стол — основное рабочее место сотрудников и обучающихся. Пер-
вое требование к столу — хорошее освещение и правильный подбор его высоты.
При искусственном освещении необходимо стремиться к тому, чтобы лампы (жела-
тельно — дневного света) были закреплены на полках стола на уровне 60 — 100
см от его поверхности. При этом желательно, чтобы лампы были оснащены козырь-
ком, препятствующим попаданию света в глаза.
Поверхность стола обычно покрывают бесцветным пластиком или выкладывают ке-
рамической плиткой. Посредине стола (или, наоборот, на его краю) находится
многоярусный ящик — штатив с реагентами и индикаторами. На полках стола сле-
дует удобно расположить химические стаканы и воронки, мерные колбы и мерные
цилиндры, а также капельницы с растворами индикаторов.
В ящиках стола обычно размещают индикаторную и фильтровальную бумагу, стек-
лянные палочки, градуированные пипетки, капилляры, капельные пластинки, тер-
мометры, часовые стекла, фарфоровые пластинки, чашки и тигли, асбестовую сет-
ку и т. д. На торцовой части полок (над раковиной) обычно ставят бутыль с
дистиллированной водой. Около раковины — ерш для мытья посуды, мыльница с мы-
лом и чистое полотенце. К лабораторному столу должна быть подведена электро-
энергия (220, 127 В).
На лабораторном столе размещают бюретки для титрования, закрепленные в шта-
тивах или специальными приспособлениями к полке стола. Однако чаще с этой це-
лью в лаборатории устанавливают отдельный стол с бюретками (титровальный
стол). На верхней полке такого стола находятся емкости (бутыли) с растворами,
которые с помощью резинового шланга сообщаются с бюретками.
Титровальный стол должен хорошо освещаться источником рассеянного света
(через матовое стекло), расположенным сзади бюреток.
На лабораторном столе необходимо постоянно соблюдать порядок и чистоту.
Нужно стремиться к тому, чтобы прибор, посуда, индикаторы всегда находились
на отведенном месте. Старайтесь сразу же протереть загрязненный участок сто-
ла, вымыть использованную посуду. Для этого не обязательно ждать окончания
работы.
Чистота химических реагентов — залог правильного анализа. Нельзя менять
пробки-пипетки у склянок с реагентами или выливать (высыпать) неиспользован-
ные вещества в общую посуду, в которой они хранились. Для каждого реагента
должна быть отдельная пипетка или шпатель. При внесении вещества в пробирку
или стакан нужно стараться, чтобы пипетка или шпатель не прикасались к их
стенкам.
Реактивы для общего пользования размещают в отдельном шкафу в доступном
месте лаборатории. Кислоты и щелочи, а также ядовитые и сильно пахнущие веще-
ства, должны находиться в вытяжном шкафу и быть снабжены соответствующими
этикетками. Работу с этими реактивами проводят только в вытяжном шкафу.
На отдельном центрифужном столе крепится центрифуга, доступ к которой дол-
жен быть свободным.
Для выполнения физических и физико-химических методов анализа существуют
специальные лаборатории, для которых существуют свои особые правила.
При выполнении химических анализов студент или сотрудник лаборатории должен
вести лабораторный журнал. Определенных правил по ведению журнала нет. Журнал
формируется согласно учебно-методического комплекса дисциплины (схема 2). Ре-
зультаты анализа лучше оформлять в виде таблицы. Правильно выполненная работа
подписывается преподавателем.
Схема 2. Содержание лабораторного журнала:
1. Название лабораторной работы.
2 . Цель работы
3. Оборудование и реактивы.
4. Описание методики анализа.
5. Уравнения реакций, протекающих при анализе
6. Расчет результатов анализа (с расчетной формулой и результатами вычисле-
ний) .
7 . Формулировка выводов
Электрические
приборы
8 химических лабораториях широко применяется разнообразное электрооборудо-
вание и электроприборы. Для нагревания чаще всего используют электрические
плитки с закрытой спиралью. Нельзя пользоваться неисправными электрическими
плитками, например, с оголенными проводами (схема 3).
Схема 3. Правила работы с электрическими приборами в химической лаборатории:
1. Нельзя переносить с места на место включенные в электросеть приборы.
2. В случае перерыва в подаче тока все электроприборы следует немедленно
выключить.
3. В лабораториях, где проводятся работы с легковоспламеняющимися и горючи-
ми жидкостями, допускается применение электронагревательных приборов
только с закрытой спиралью с асбестовым, покрытием.
4. Все электронагревательные приборы должны быть размещены на термоизоляци-
онном материале - асбестовом покрытии, керамических плитках.
5. При возникновении пожара убрать все огнеопасные вещества подальше от
места возгорания, отключить электроприборы и прекратить активный доступ
кислорода в лабораторию. Пламя следует тушить песком или противопожарным
полотном.
Правила работы
со спиртовками
В практике химических лабораторий применяют стеклянные или металлические
спиртовые лампочки (спиртовки). Бензиновые и керосиновые жидкостные горелки в
настоящее время не используют. Спиртовки выпускают двух типов: со стеклянным
колпачком и с фенопластовым колпачком и подставкой из стальной проволоки. Но-
минальная вместимость спиртовок - 100 мл. Правила работы со спиртовками пред-
ставлены на схеме 4.
Схема 4. Правила работы со спиртовками:
1. Спиртовка должна иметь хорошо притертый колпачок, предохраняющий спирт
от испарения.
2. Фитиль должен быть сделан из некрученых хлопчатобумажных нитей, а не из
марли или ваты.
3. Зажигать спиртовку можно только спичкой.
4. Нельзя переносить горящую спиртовку с места на место.
5. Нельзя допускать сильного нагревания резервуара спиртовки.
6. Тушить спиртовку нужно с помощью колпачка, нельзя дуть на пламя.
7. Перед тем как зажечь спиртовку необходимо приподнять фитиль для освобож-
дения от паров спирта.
8. При нагревании на спиртовке следует заполнять пробирку реакционными жид-
костями не более чем на 2/3 объема.
9. При нагревании пробирку следует закрепить в держателе и слабо прогреть
ее по всей длине.
10.После появления пузырьков пара пробирку держат не в пламени спиртовки, а
над ним или около.
11.Отверстие пробирки надо направлять в сторону от себя и рядом работающих.
Правила работы
с водяной баней
Для нагревания реакционных сосудов и для упаривания растворов используются
бани. Колбонагреватели применяются чаще всего для нагрева горючих и легковос-
пламеняющихся жидкостей в колбах.
Водяная баня представляет металлический сосуд, который закрывают рядом ко-
лец разного диаметра (рис. 1). Такие бани удобны для упаривания растворов.
Чашка с упариваемым раствором не должна касаться поверхности воды. При этом
она обогревается водяным паром. Колбу, наоборот, частично погружают в воду.
Рис. 1. Водяная баня
При использовании бани ее заполняют водой на 2/3 объема, помещают на элек-
трическую плитку. Чашку для упаривания ставят сверху, сняв такое количество
колец, чтобы чашка была утоплена примерно на 2/3.
Воду в бане доводят до кипения при помощи электрической плитки и поддержи-
вают в состоянии слабого кипения в течение всего опыта, добавляя новые порции
по мере выкипания. Уровень воды в бане не должен изменяться.
Для подогрева реакционных сосудов и пробирок в качестве водяной бани ис-
пользуют обычный химический стакан. В этом случае нагреваемый объект частично
погружают в воду.
Электрическая двухместная водяная баня (рис.2.) имеет минимальные отклоне-
ния от заданной температуры, и одинаковое ее значение во всем объеме теплоно-
сителя (воды). Баня лабораторная оснащена специальным дисплеем, на котором
устанавливается значение температуры рабочей жидкости (воды).
"N
j
Ill
Рис. 2. Электрическая двухместная водяная баня
Верхняя крышка бани снимается, что позволяет поместить в термостат много
стаканов (колб) с испытуемыми жидкостями, но в этом случае верхний слой воды
будет отдавать тепло в окружающую среду. Это несущественно если жидкости в
колбах мало. Если проб немного, можно установить панель с отверстиями для по-
суды, которая рассчитана на 4-6 колб (стаканов). Отверстия для емкостей снаб-
жены крышками, поэтому реакция нагреваемого вещества с составляющими воздуха
невозможна. Крышки защищают жидкость в стаканах от попадания пыли.
Внешняя и внутренняя часть корпуса изготовлена из специальной нержавеющей
стали, которая инертна к испарению различных веществ.
Правила работы с
ртутными приборами
В химических лабораториях используются ртутные термометры и ртутные мано-
метры для измерения остаточного давления (при работе с применением вакуума).
Металлическая ртуть и ее соединения токсичны. Пары металлической ртути бес-
цветны, не имеют запаха и представляют особую опасность при поломке ртутных
лабораторных приборов. Начальные симптомы хронического отравления парами рту-
ти - повышенная возбудимость, быстрая утомляемость, головные боли, расстрой-
ства нервной системы. Правила работы с ртутными приборами представлены на
схеме 5.
Схема 5. Правила работы с ртутными приборами:
1. С лабораторными ртутными приборами работают очень осторожно.
2. Нельзя резко встряхивать ртутные термометры, перемешивать ими нагреваю-
щиеся жидкости, нагревать их выше максимальной температуры.
3. После измерения температуры термометру дают остыть, его вытирают, кладут
в футляр и убирают в специально отведенное для хранения место.
4. При загрязнении нижней части термометра смолистыми веществами термометр
вытирают кусочком ваты, смоченным органическим растворителем (спиртом,
ацетоном, эфиром).
5. При поломке ртутных приборов и попадании капель ртути на лабораторную ме-
бель , приборы или пол следует немедленно сообщить об этом преподавателю.
6. Необходимо тщательно собрать все видимые капли ртути с помощью кисточки,
пипетки с резиновой грушей, гладкой бумаги в качестве совка. Собранную
ртуть, а также оцинкованные пластинки с прилипшей ртутью помещают в за-
крывающиеся толстостенные байки с водой.
7. Нельзя выбрасывать ртуть а раковину или мусорные ведра.
8. После сбора видимых капель ртути необходимо произвести обработку заражен-
ного места специальными реактивами (демеркуризаторами: пермангаиат калия,
сера и др.).
Правила поведения
при несчастных
случаях
Правила поведения при несчастных случаях представлены на схеме 6.
Схема 6. Правила поведения при несчастных случаях:
1. При ожоге концентрированными кислотами необходимо промыть обожженное ме-
сто струей воды, а затем - 2-3%-ным раствором соды.
2. При ожоге едкими щелочами рану промыть водой до полного удаления щелочи,
а затем - 2-3%-ным раствором борной или уксусной кислоты. При химических
ожогах глаз необходимо осторожно промыть водой и оказать первую медицин-
скую помощь пострадавшему (при необходимости вызвать «Скорую помощь»).
3. При термических ожогах необходимо обработать обожженное место мазью или
7%-ным раствором перманганата калия и наложить повязку. При необходимо-
сти отправить пострадавшего в медпункт.
4. При порезах стеклом место пореза осторожно протереть ватой, смоченной
йодистой настойкой (предварительно убедитесь в том, что в ране нет ос-
колков стекла), а затем, приложив к ране вату, забинтовать.
5. В случае воспламенения одежды необходимо немедленно набросить на постра-
давшего халат или одеяло, сбив пламя.
6. При возникновении пожара в лаборатории необходимо сразу же отключить
вентиляцию и электроэнергию. Принять все меры к ликвидации очага загора-
ния. При необходимости воспользоваться огнетушителями или вызвать пожар-
ную команду.
ЛАБОРАТОРНАЯ
ПОСУДА
Лабораторная посуда активно используется в ходе проведения опытов, экспери-
ментов, исследований в химических, фармацевтических, медицинских и прочих ла-
бораториях. Такая продукция незаменима при длительном или кратковременном
хранении образцов. В современных лабораториях используются сосуды из специ-
ального химически стойкого стекла, фарфора, полимерных материалов
перфторвинилэтера, полиэтилена, полипропилена.
В зависимости от функционального назначения и конструктивных особенностей
лабораторная посуда подразделяется на несколько типов, которые представлены
на схеме 7.
Схема 7. Классификация лабораторной посуды:
1. Посуда общего назначения - универсальные сосуды, которые могут использо-
ваться для проведения широкою спектра аналитических работ. Изделия этой
категории (колбы, воронки, стаканы, пробирки и пр.) в обязательном поряд-
ке присутствуют во всех лабораториях независимо от их профиля.
2. Посуда специального назначения - функциональные сосуды, применяемые для
определенных целей. Номенклатура таких изделий (холодильники, тигли, де-
флегматоры , делительные воронки, колбы Вюрца, бюксы, капельницы и т. д.)
определяется индивидуально для каждой лаборатории в зависимости от специ-
фики ее деятельности.
3. Мерная посуда - сосуды с градуированной шкалой, предназначенные для изме-
рения объема жидких веществ. К этой категории относятся мерные цилиндры,
колбы, пипетки, пробирки.
К лабораторной химической посуде предъявляется ряд требований, которые
представлены на схеме 8.
Схема 8. Требования, предъявляемые к лабораторной посуде:
1. Химическая инертность. Посуда для лабораторий должна быть пригодна к ра-
боте с материалами различного химического состава - кислотами, щелочами,
растворителями.
2. Долговечность, стойкость к возникновению царапин, помутнений, потерто-
стей. Лабораторию химическую посуду активно используют на протяжении все-
го учебного года. Интенсивная работа не должна оставлять следов на по-
верхности изделия. Качественная посуда сохраняет идеальный внешний вид в
течение всего срока эксплуатации.
3. Стойкость к воздействию повышенных температур. Для работы с образцами,
нагретыми до критически высоких температур, подходят сосуды, изготовлен-
ные из специальных термостойких материалов. Степень термостойкости указы-
вается в технических характеристиках химической посуды.
4. Прочность, устойчивость к разрушению, стойкость к ударным нагрузкам. Ра-
ботая в условиях лаборатории, обучающийся не застрахован от непредвиден-
ных ситуаций. Качественные колбы и пробирки не должны разбиваться от не-
преднамеренного неосторожного обращения. Ударопрочность материала - залог
безопасности работ в условиях лабораторий.
5. Небольшой вес. На протяжении всего цикла исследований обучающийся может
брать в руки исследуемый материал неограниченное количество раз, поэтому
лабораторная посуда должна иметь минимальный вес.
6. Маркировка объема. Удобство проведения эксперимента повышается, если на
стенках сосуда указан его объем.
7. Наличие градуированной шкалы. Наличие контрастной измерительной шкалы -
обязательное требование для мерных сосудов. Для остальных типов сосудов
данный фактор является дополнительным преимуществом.
Требования к материалам для производства лабораторной посуды представлены
на схеме 9.
Схема 9. Требования к материалам для производства лабораторной посуды:
1. Быть инертными к агрессивным жидкостям.
2. Позволять осуществлять визуальный контроль над протекающими процессами.
3. Быть пригодными для точных измерений.
4. Иметь высокую прочность и низкий коэффициент температурного расширения.
Лабораторная посуда должна быть гладкой (не содержать вмятин и микротре-
щин) , легко мыться, быстро высыхать.
Пригодными для изготовления лабораторной посуды считают те вещества, кото-
рые соответствуют всем или большинству вышеперечисленных требований. К таким
материалам относятся стекло разных видов, пластик, фарфор. Часто лабораторная
химическая посуда изготавливается из металлов, в том числе и благородных
(платина, серебро, золото).
Основные виды материалов для изготовления химической посуды представлены в
схемах 10.1.-10.2.
Схема 10.1:
■ Лабораторная посуда из стекла получила самое большое распространение.
Стеклянная посуда прозрачна на 99%, обладает высокой теплопроводностью,
инертна к большинству активных химикатов. Ее можно нагревать до высоких
температур, при этой форма практически не изменяется. При точном соблюде-
нии технологии изготовления стеклянной посуды она получает дополнительную
прочность.
■ Кварц. Стоит выделить также кварцевую лабораторную посуду, которая облада-
ет широким спектром физико-механических свойств. Ее характерные особенно-
сти - стойкость к едким веществам, органическим кислотам, ионизирующим из-
лучениям и т.д. Дополнительное преимущество кварца - прозрачность. Кварце-
вая посуда используется для проведения реакций и опытов при условиях необ-
ходимости создания повышенной температуры, давления или интенсивного ра-
диационного излучения. Кварц также характеризуется стойкостью к резким на-
греванию и охлаждению.
■ Боросиликатное стекло. Боросиликатное стекло - главный конкурент кварца.
Лабораторная посуда из боросиликатнохю стекла намного дешевле, но по своим
физико-механическим и прочим характеристикам ничем не уступает аналогам,
цены на которые в разы выше. Среди отличительных характеристик боросили-
катной лабораторной посуды выделяется уровень проницаемости для молекуляр-
ных соединений водорода, гелия и азота при нагревании. В данной области
боросиликатной посуде нет аналогов.
■ Благородные металлы. Нередко для особых нужд производится посуда из благо-
родных металлов - платины, серебра, золота и даже меди и ее сплавов. Не-
смотря на дороговизну, посуда из таких металлов нашла применение в лабора-
ториях благодаря низкой активности. Например, резервуар из платины позво-
ляет хранить плавиковую кислоту.
Схема 10.2:
■ Железо. Самый распространенный металл для изготовления лабораторной посуды
- железо. Это обусловлено его дешевизной и доступностью. Однако, железная
лабораторная посуда обладает небольшим сроком службы, так как быстро окис-
ляется. Также очевидным минусом железа является активность взаимодействия
со многими реагентами, что значительно сужает спектр возможностей примене-
ния железной лабораторной посуды.
■ Фарфоровая лабораторная посуда используется измельчения твердых веществ
(ступка с пестиком), а также проведения реакций (чаши и тигли), требующих
быстрого нагревания. Кроне того, из фарфора делаются ложки для отбора хи-
микатов. Это обусловлено тем, что данный материал обладает высокой инерт-
ностью, легко моется и сушится. Единственным недостатком такого материала,
как фарфор является его абсолютная светонепроницаемость. По этой причине
из него не представляется возможным изготовлять мерную посуду.
■ Лаборатории посуда из пластика получила большое распространение по всему
миру. Научно-исследовательские центры еще в прошлый век стали постепенно
отказываться от стеклянной посуды. Пластиковая лабораторная посуда облада-
ет высокой прочностью и инертностью. Этот материал не взаимодействует даже
со щелочами и плавиковой кислотой. Главным недостатком пластика является
узкий спектр температур, при которой с ним можно работать. Самые термо-
стойкие сорт полипропилена можно нагревать всего до 120-130 С. Нижний тем-
пературный рубеж находится в районе -35 С, когда пластик становится слиш-
ком хрупким для работы с ним. Лабораторная посуда из полипропилена чаше
всего используется для хранения реактивов и их растворов. Главным плюсом
пластика является его цена, которая намного ниже, чем у стекла, а также
безопасной. Он не образует опасных осколков при разрушении.
■ Смешанная лабораторная посуда и посуда из металлов. Ярким примером смешан-
ной лабораторной посуды (относительно материалов, из которых, она изготов-
лена) являются тигли, используемые для плавления, прокаливания или озоле-
ния веществ. Тигли могут быть изготовлены из фарфора, металлов и др.
НАИБОЛЕЕ ЧАСТО
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ТИПЫ
ЛАБОРАТОРНОЙ ПОСУДЫ
Воронки
лабораторные
Среди лабораторного оборудования из стекла одно из первых мест по частоте
применения занимают воронки, которые бывают различных форм и видов, однако их
основной функцией является переливание жидкостей или сыпучих веществ из одно-
го сосуда в другой, имеющие тонкое горлышко. Простая воронка представляет со-
бой прибор вверху - с широким горлом, а внизу - с тонкой трубкой. Иногда во-
ронка может иметь также бумажный фильтр или ватку для фильтрования жидкостей
и отделения осадка. На практике она вставляется в кольцо узкой частью вниз.
Тем не менее, при проведении некоторых операций, например, возгонки, возможно
и обратное расположение прибора.
Виды воронок:
1. Воронка лабораторная (стеклянная, пластиковая) (рис. 3) используется для
переливания и фильтрования различных жидкостей, а также используется для
пересыпания порошков.
Рис. 3. Воронка лабораторная (стеклянная, пластиковая)
2. Воронка для сыпучих веществ (пластиковая) (рис. 4) предназначена для дози-
рования порошкообразных реактивов. Большое отверстие позволяет избежать
затора порошков. Может использоваться для переливания жидкостей. Снаружи
имеет ребра, предотвращающие зажим под действием давления.
3. Воронки Бюхнера (рис. 5) применяют для фильтрования и отделения осадка от
жидкости. Это устройство, как правило, изготавливают из фарфора, иногда -
из пластмассы или металла. Воронки Бюхнера делят по номерам (1-6). Чем
больше номер, тем шире воронка (65-215 мм) и размер отверстий (1,25-3 мм).
Большая воронка способствует увеличению скорости прохождения раствора,
ведь так увеличивается площадь фильтрования. Верхняя часть воронки разде-
лена от нижней перфорированной или пористой перегородкой, к которой подве-
ден вакуум. При работе отверстия перегородки закрывают ватой, трековым
фильтром или фильтровальной бумагой. Как правило, на сетчатую перегородку
кладут два кружка фильтровальной бумаги, причем их диаметр на 1 мм меньше
диаметра используемой воронки. Воронку помещают в колбу Бюхнера на резино-
вой пробке.
Рис. 4. Воронка для сыпучих веществ
Рис. 5. Воронка Бюхнера
Делительная воронка (рис. 6) представляет собой удлиненный сосуд цилиндри-
ческой или грушевидной формы, который используется для разделения несмеши-
вающихся жидкостей, как правило, по их плотности. В зависимости от формы
делительные воронки могут быть: цилиндрические; конические; грушевидные;
шаровидные; снабженные стеклянными спусковыми кранами. Это лабораторное
изделие изготавливается из стекла и комплектуется в нижней части трубкой с
краном, которая служит для спуска более тяжелых фракций. Воронка может
иметь шкалу ориентировочной вместимости.
Воронка капельная (рис. 7) - применяется для введения вещества в сосуд ма-
лыми дозами к реакционной смеси. Капельные воронки бывают различной емко-
сти и применяются при монтировании приборов, преимущественно при синтезах
и некоторых исследованиях, когда необходимо вводить в реакционную массу
какой-нибудь реактив каплями или небольшими порциями. Кран капельной во-
ронки должен легко поворачиваться, для этого его смазывают подходящей
смазкой, в крайнем случае - вазелином. Капельные воронки отличаются от де-
лительных тем, что они более легкие, тонкостенные и в большинстве случаев
с длинным концом. Материал - стекло.
Рис. 6. Делительная воронка
Рис. 7. Воронка капельная
Воронка Шотта (рис. 8) - это стеклянная воронка с несъемной пластинкой из
специальной спаянной стеклянной крошки. Крохотные поры фильтра пластины
позволяют проводить очистку жидкостей без дополнительных бумажных дисков.
Такая воронка отличный вариант для тех случаев, когда реактив растворяет
бумагу (концентрированные кислоты, щелочи) или повреждает ее (механические
примеси). Пониженное давление заметно ускоряет процесс фильтрования. Изго-
тавливают из боросиликатнохю стекла, которое предварительно прокаливают.
Для таких воронок важна прочность и термостойкость. Воронки Шотта класси-
фицируют: по месту присоединения и наличию шлифа (со шлифом и без, шлиф на
горлышке, на сливной трубке); по форме воронки (цилиндрическая, кониче-
ская) . Соответственно, есть воронки разного диаметра, с разным шлифом. Ес-
ли есть шлиф, то воронка подбирается под диаметр колбы-приемника со шли-
фом. Если диаметры разные, используют переходники стеклянные, понижающие
или повышающие шлиф/диаметр горлышка. Если нет шлифа, то воронка вставля-
ется в резиновую пробку с отверстием. Воронки маркируются номерами, чем
меньше номер, тем меньше отверстий в пластинке и тем они крупнее.
Рис. 8. Воронка Шотта
Общие правила обращения с воронками:
1. Перед началом работы воронку необходимо установить в специальном штативе.
2. Плотное прилегание трубки воронки к горлышку сосуда замедляет процесс пе-
реливания жидкости, поэтому в зазор между воронкой и горлом сосуда следу-
ет поместить кусок бумаги или воспользоваться специальными насадками.
3. При работе с цилиндрической делительной воронкой ее необходимо закрепить
в лапке (если воронка небольшого объема) или зафиксировать между верхним
и нижним кольцами штатива (для воронок большой емкости). Для обеспечения
надежной опоры крупной воронки диаметр нижнего кольца штатива должен быть
меньше диаметра воронки.
4. Воронку грушевидной формы следует установить на кольце штатива, зафикси-
ровав горлышко воронки лапкой.
5. Капельную воронку закрепляют в горлышке колбы на шлифе, в случае неплот-
ного прилегания воронки ее фиксируют в колбе при помощи специальной проб-
ки.
6. Шлиф крана на делительных и капельных воронках следует смазывать специ-
альным средством - это обеспечит легкое открывание крана и предохранит
весь прибор от повреждения.
Пробирки - узкие стеклянные сосуды цилиндрической формы, нижний край кото-
рых закруглен. Для изготовления пробирок используют два основных материала:
легкоплавкое стекло - предназначено для пробирок, необходимых для выполнения
обычных лабораторных работ; тугоплавкое стекло, пробирки из которого выдержи-
вают высокую температуру. Существуют пробирки с нанесенной на них шкалой из-
мерения - их называют градуированными. По форме пробирки могут быть обычные
(цилиндрические) и конические (центрифужные). Рабочие пробирки необходимо
хранить в специальных штативах, изготовленных из дерева, металла или пласт-
массы. Основное предназначение пробирок - использование их для проведения хи-
мических реакция в малых объемах.
Виды пробирок:
1. Пробирка химическая (рис. 9) - изготавливается из стекла и применяется для
проведения различных химико-лабораторных работ.
2. Пробирка биологическая (рис. 10) - широко используется в химических лабо-
раториях для проведения некоторых химических реакций в малых объемах, для
отбора проб химических веществ.
v у
w
Рис. 9. Пробирка химическая
Рис. 10. Пробирка биологическая
Пробирка колориметрическая (может быть с крышкой) (рис. 11) имеет отметки,
соответствующие вместимости 5 и 10 мл. Допускаемая погрешность - +0,2 мл.
Изготавливается из стекла.
Пробирка Флоринского (рис. 12) - цилиндрический сосуд с диаметром 14 мм и
высотой 60 мм из термостойкого стекла. Используется для различных биологи-
ческих, микробиологических и химических лабораторных исследований.
L
Рис. 11. Пробирка колориметрическая
Рис. 12. Пробирка Флоринского
Пробирка Видаля (рис. 13) - стеклянный цилиндрический сосуд с коническим
дном диаметром 10 мм и высотой 90 мм для определения осадков при проведе-
нии центрифугирования.
Пробирка-поплавок Уленгута (рис. 14) - стеклянный цилиндрический сосуд
диаметром 8 мм и высотой 40 мм для проведения химико-лабораторных работ.
W
I
I/
Рис. 13. Пробирка Видаля
Рис. 14. Пробирка-поплавок Уленгута
Пробирка Вюрца с отводом (рис. 15) предназначена для проведения опытов с
датчиками. Имеет следующие размеры: высота - 140 мм, диаметр - 20 мм, дли-
на отвода - 15 мм, ширина отвода - 5 мм. Она изготовлена из химически
стойкого стекла.
Пробирка микроцентрифужная Эппендорфа (рис. 16) используется для отбора и
хранения биологического материала.
п
г^
^J
Рис. 15. Пробирка Вюрца с отводом
Рис. 16. Пробирка микроцентрифужная
Эппендорфа
Колбы бывают с широким или узким горлом, плоскодонные или круглодонные, с
мерной шкалой, конические или круглые.
Вообще колбы делят на три общие группы, по форме: плоскодонные, остродонные
и круглодонные. По типу горла колбы бывают: с цилиндрическими шлифами, с ко-
ническими шлифами и с простым горлом под резиновую пробку. Изготавливается
данная лабораторная посуда из кварца, металла или стекла, которое может быть
термостойким или не термостойким. Кроме того, колбы делят по количеству горл:
одно-, дву-, трех- и четырехгорлые.
Также существует всего три группы колб, которые делят по назначению: колбы-
реакторы, мерные колбы (с градуировкой) и колбы приемники. Колбы могут иметь
разный объем, от 25 мл, минимально и до 10 л максимально, иногда и более. В
лабораториях колбы применяются в качестве реакционных сосудов. Для получения
определенных результатов, также используют колбонагреватели, но только для
термоустойчивой посуды. Виды колб:
1. Колба Бунзена (рис. 17) - этот вид лабораторной посуды, используемая для
фильтрования чаще всего с воронкой Бюхнера (рис.5). Стенки такого сосуда
достаточно толстые, особенностью данного вида колб, является специальный
отросток в верхней её части, что соединяется с линией вакуума. Достаточно
часто, именно колбу Бунзена применяют для проведения опытов в условиях
пониженного давления.
2. Колба Эрленмейера (другое название - коническая колба) (рис. 18) - ем-
кость с цилиндрическим горлом с закругленными краями из термостойкого
стекла для разнопланового лабораторного применения.
Рис. 17. Колба Бунзена Рис. 18. Колба Эрленмейера
3. Колба Вюрца (рис. 19) - стандартная круглодонная колба, которая имеет
специальный отвод. Отвод нужен для вставки в него прямоточного холодиль-
ника, известного как холодильник Вейгеля-Либиха. Устройство колбы Вюрца
позволяет использовать ее для проведения перегонки в условиях атмосферно-
го давления. Работает этот реакционный сосуд достаточно просто — колбу
закрепляют через резиновое либо силиконовое кольцо на лапке лабораторного
штатива и нагревают над открытым пламенем горелки Бунзена. Для нагревания
любых круглодонных колб, в том числе и колбы Вюрца, на голом пламени при-
меняются асбестированные сетки с полушаровидным углублением. Прямоточный
холодильник Либиха, как уже говорилось, вставляется в отвод колбы Вюрца.
В резиновую (иногда корковую) пробку устанавливают термометр для контроля
температуры кипения перегоняемых жидкостей. Термометр устанавливается
так, чтобы его резервуар не соприкасался со стенками шейки и находился
посредине, напротив отводной трубки. Боковая трубка присоединяется на
пробке или шлифе к аппарату Вейгеля-Либиха. Пробки на нее надевают так,
чтобы ее конец, соединяющийся с холодильником, вводился в него на 4-5 см.
Колба Вюрца может быть изготовлена из обыкновенного или специального
стекла. Колбы Вюрца могут отличаться емкостью. Наиболее востребованы кол-
бы, имеющие объем от 50 мл до 1-2 л. Выбирая колбу, следует учитывать и
то, на каком расстоянии от шарообразного расширения выходит отводная
трубка. Если она расположена близко к шару, то колба предназначена для
перегонки веществ, обладающих низкой температурой кипения. Устройства с
пароотводной трубкой на середине горлышка, подойдут для перегонки жидко-
стей со средней температурой кипения. А для высококипящих жидкостей нужны
колбы Вюрца, в которых пароотводная трубка расположена близко к открытому
концу горлышка.
4. Колба Кляйзена (рис. 20) имеет две горловины (шейки), одна из которых
(боковая) снабжена пароотводной трубкой (отростком) коленчатой формы для
соединения с холодильником. Эта горловина должна иметь одинаковый диаметр
по всей своей длине и не суживаться в месте спая со второй горловиной, в
противном случае происходит захлебывание стекающей флегмой (жидким кон-
денсатом) и неравномерное кипение жидкости в колбе. Иногда шейки бывают с
одним или несколькими шаровидными расширениями. Применение колбы Клаизена
дает возможность укреплять в горлах колбы термометр и капиллярную трубку.
Такая конструкция снижает до минимума возможность переброса перегоняющей-
ся жидкости в дистиллят при вспенивании или разбрызгивании. При перегонке
малых количеств жидкости очень удобны грушеобразные колбы Клаизена. Колбу
Клаизена погружают в баню, обеспечивающую равномерное нагревание. Темпе-
ратура нагрева должна быть примерно на 20-30 С выше температуры кипения
перегоняемого вещества. При нагревании в бане колбу погружают в баню та-
ким образом, чтобы уровень перегоняемой жидкости был немного ниже уровня
жидкости в бане.
к
iy^^4f
Рис. 19. Колба Вюрца
Рис. 20. Колба Кляйзена
5. Колба Богданова (рис. 21) применяется в аппарате для перегонки парафина
под вакуумом при определении температуры начала и конца кипения и уста-
новлении процентного выхода дистиллята при заданной температуре. Изготов-
ляется из стекла.
б. Колба Кьельдаля (рис. 22) - стеклянная емкость грушевидной формы с удли-
ненной шейкой и цилиндрической горловиной для минерализации, включая ус-
тановку численного значения азота по Кьельдалю.
Рис. 21. Колба Богданова
Рис. 22. Колба Кьельдаля
Колба Ле-Шателье (рис. 23) — это колба с длинным горлом, которое расшире-
но в середине. Выше и ниже этой расширенной части наносятся две риски,
между ними объем, который равен 20 см3. Используется для определения плот-
ности веществ.
Колба Кассия (рис. 24) изготавливается из стекла. Применяется для контро-
ля полноты налива жидкости.
&£
M^v^
^
Рис. 23. Колба Ле-Шателье
Рис. 24. Колба Кассия
9. Колба Аншютца (рис. 25) — вариант колбы Вюрца, круглая колба с саблевид-
ной отводной трубкой. Применяется при перегонке быстро затвердевающих ве-
ществ .
10.Колба Арбузова (рис. 26) — перегонная колба, усовершенствованная колба
Кляйзена с шарообразным утолщением боковой горловины и добавочной труб-
кой. Утолщение играет роль дефлегматора и вместе с трубкой обеспечивает
возврат жидкости при внезапном вскипании.
Рис. 25. Колба Аншютца Рис. 26. Колба Арбузова
11.Колба Вальтера (рис. 27) - колба широкогорлая круглодонная с низким и ши-
роким горлом для введения различных приспособлений через резиновую пробку
или без неё.
12.Колба Вигре с отростком-дефлегматором (рис. 28) служит для частичной кон-
денсации паров жидкости, имеющих более высокую температуру кипения, чем
остальные компоненты перегоняемой смеси. Также колба Вигре используется
для фракционной перегонки (дистилляции) веществ. При фракционной дистил-
ляции веществ в отвод от отростка дистиллятора вставляют прямоточный хо-
лодильник Вейгеля-Либиха. В горло колбы вставляют резиновую эластичную
пробку, так как шлифы и притёртые пробки не используются в колбах для пе-
регонки. В резиновую пробку вставляют термометр для измерения температуры
кипения перегоняемой жидкости.
Рис. 27. Колба Вальтера
Рис. 28. Колба Вигре
13.Колба грушевидная (рис. 29) — это стеклянная колба, которую применяют в
лабораториях для проведения синтеза, выпаривания растворов, разгонки,
фильтрования и, наиболее часто, для дистилляции химических веществ. Гру-
шевидные колбы имеют тонкое длинное горло, которое может закрываться
обычной резиновой пробкой. Некоторые модели имеют специальную притертую
пробку, называющуюся шлифом. Колбы со шлифом более удобны и надежны в ис-
пользовании. Однако часто для осуществления основных видов работ бывает
достаточно и вариации без шлифа.
14.Колба измерительная к вискозиметру (рис.30) применятся для определения
условной вязкости жидкостей. Является составной частью вискозиметра типа
ВУ.
г /
1
100 мл
ОСТ 25336-82
)
Рис. 29. Колба грушевидная
Рис. 30. Колба измерительная к вискозиметру
15.Колба качалка (рис. 31) применяется для смешивания химических реактивов.
Изготавливается из стекла.
16.Колба Келлера (рис. 32) — круглодонная колба с низким и широким горлом
для введения различных приспособлений через резиновую пробку или без неё,
а также с двумя отводными трубками по бокам.
CZ3
Рис. 31. Колба качалка
Рис. 32. Колба Келлера
17.Колба Кольрауша (рис. 33) — плоскодонная колба с расширением верхней час-
ти горла в виде цилиндрического стакана. Применяется в основном для спир-
товой экстракции сахара по Шейблеру, расширение позволяет избежать выбро-
са пены.
18.Колба Рейшауэра (рис. 34) — колба мерная, форма цилиндрическая, с высоким
узким горлышком. На горлышко нанесена градуировка кольцевыми метками. Та-
кие мерные колбы называются пикнометрами. В верхней части горловины пре-
дусмотрен шлиф 10/13. Колба с плоским основанием. Заполнение пикнометра
осуществляется через приспособленные для этого загрузочные воронки с
длинным узким стеблем. Материал — специальное стекло с минимальным коэф-
фициентом расширения, химически устойчивое.
ft 250ml
Рис. 33. Колба Кольрауша
Рис. 34. Колба Рейшауэра
19.Колба Роукса (рис. 35) — колба в виде фляги (плоской бутылки), использу-
ется для микробиологических культур.
20. Колба с дефлегматором (рис. 36) применяется для проведения работ по раз-
делению жидкостей при фракционной перегонке. Изготавливаются из стекла.
)
"N
с=?
У
Рис. 35. Колба Роукса
Рис. 36. Колба с дефлегматором
21.Колба Фаворского (рис. 37) — двухгорлая остродонная либо круглодонная
колба для перегонки со встроенным в одно горло ёлочным дефлегматором и с
отводной трубкой выше дефлегматора. В некоторых источниках колбой Фавор-
ского считается только круглодонный вариант (исходный), подобную остро-
донную колбу называют колбой с дефлегматором.
22.Колба Фернбаха (рис. 38) — низкая и широкая коническая колба для клеточ-
ных культур, требующих большой площади поверхности по отношению к объёму
жидкости (обычно в результате большой потребности в кислороде).
1
Рис. 37. Колба Фаворского
Рис. 38. Колба Фернбаха
23.Колба Фрея (рис. 39) — коническая колба с придонным выступом. Применяется
в объёмном анализе и позволяет точнее определить момент изменения окраски
раствора.
24.Колба круглодонная с 2-мя и более горловинами (рис. 40) - это стеклянная
колба, чаще со шлифом, широко применяющаяся при проведении синтетических
реакции, требующих одновременного подключения к работе нескольких прибо-
ров. Обычно синергнетами в подобных опытах являются термометры, холодиль-
ники, воронки, мешалки и прочие инструменты.
/
о
Рис. 39. Колба Фрея
Рис. 40. Колба круглодонная трехгорлая
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Лаборатория
ХИМЛАБОРАТОРИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО АНАЛИЗА
Уранова В.В., Исякаева P.P., Мажитова М.В.
(продолжение)
НАИБОЛЕЕ ЧАСТО
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ТИПЫ
ЛАБОРАТОРНОЙ ПОСУДЫ
Стаканы
Стакан лабораторный (иногда его называют химический) — это один из самых
часто используемых видов лабораторной посуды. Представляет собой емкость с
тонкими стенками, которая имеет форму правильного цилиндра с круглым дном.
Именно такой лабораторный стакан чаще всего востребован при проведении хими-
ческих , физических и биологических опытов. Кроме классического варианта
встречается и реже используемая форма усеченного конуса, расширяющегося квер-
ху. Стаканы изготавливаются двух основных типов — стакан высокий лабораторный
и низкий, а также двух вариантов исполнения — с носиком и без носика. Мате-
риалы для изготовления этого вида посуды должны быть устойчивы к химическим и
физическим воздействиям. В производстве используется стекло, металл и пла-
стик . Самый востребованный стакан стеклянный лабораторный изготавливается из
термостойкого стекла. Это связано с тем, что он часто задействован в проведе-
ние различного рода аналитических работ, связанных с нагреванием жидкостей,
растворов или сухих веществ. Стакан лабораторный термостойкий может использо-
ваться и для выпаривания растворов.
Лабораторные стаканы необходимы для приготовления различных сложных раство-
ров и для фильтрования. В зависимости от целей использования объем лаборатор-
ных стаканов может быть от 5 до 2000 мл. На стакан может наноситься шкала,
которая, однако, достаточно приблизительна и служит для нестрогой ориентиров-
ки в объемах. В лечебно-профилактических учреждениях и клинико-диагностичес-
ких лабораториях часто бывает востребованным мерный стакан. Его основным
предназначением является дозирование жидких или порошкообразных лекарственных
форм. Для дополнительного удобства использования, на наружную сторону нано-
сится рельефная градуировка. Данная модель изготавливается из пищевого поли-
пропилена .
Виды стаканов:
1, 2. Высокие и низкие химические стаканы с носиком (рис. 41-42) - емкость
с делениями и носиком из термостойкого и химически устойчивого материала для
ориентировочного отмеривания жидкостей и приготовления растворов.
\
L
_J
Рис. 41. Высокий химический стакан с носиком
B0R03.3
100ml
— 100
АРННОХ
-80
— 60
— 40
-20
Рис. 42. Низкий химический стакан с носиком
3, 4. Стаканы лабораторные высокий и низкий без носика (рис. 43-44) - ем-
кость с делениями и носиком из термостойкого и химически устойчивого материа-
ла применяется для проведения различных аналитических работ, приготовления
растворов, подогревания жидкостей, ориентировочного отмеривания жидкостей и
т.д. Стаканы лабораторные выпускаются со шкалой, обозначающей ориентировочную
вместимость.
тс
Рис. 43. Стакан лабораторный высокий без носика
4
HJ
lt ^
Рис. 44. Стакан лабораторный низкий без носика
5, 6. Высокие и низкие химические стаканы с носиком и ручкой (рис. 45-46) -
емкость с делениями, носиком и ручкой из термостойкого и химически устойчиво-
го материала для ориентировочного отмеривания жидкостей и приготовления рас-
творов .
Рис. 45. Высокий химический стакан с носиком и ручкой
\'\
))
Л
Рис. 46. Низкий химический стакан с носиком и ручкой
К лабораторным стаканам также относятся разных видов бюксы. Бюкс (стаканчик
для взвешивания) представляет собой тонкостенную стеклянную емкость со стек-
лянной крышкой. Он может иметь различную вместимость и предназначен для взве-
шивания, а также хранения веществ в лабораторных условиях.
Виды бюксов:
1. Бюксы высокий и низкий (рис.47-48) - стеклянная емкость с притертой крыш-
кой для хранения и взвешивания веществ и препаратов.
(\
т
50x30
Рис. 47. Бюкс высокий Рис. 48. Бюкс низкий
2. Бюкс с утапливаемой крышкой (рис. 49) - сосуд широкий, цилиндрический, с
плоским устойчивым дном, с широкой горловиной, в которую свободно ложится
крышка. Бюкс может применяться для хранения различных химических веществ,
жидкостей, порошков, проб. Стекло бюкса химически нейтрально, поэтому
хранящиеся в сосуде вещества не вступят с ним в реакцию. Изделие прозрач-
ное, оснащено стеклянной крышкой с ручкой. Изготавливается из закаленного
термостойкого боросиликатного стекла.
3. Бюкс (тефлон) (рис. 50) - предназначен для хранения и взвешивания химиче-
ских веществ и образцов. Особенности конструкции: сосуд с плоским устой-
чивым основанием, выполнен в форме усеченного конуса. Горловина прямая,
без носика и ободка. Бюкс плотно закрывается крышкой. Материал: тефлон.
Выдерживает нагрев до температуры +200 С. Обладает самой высокой химиче-
ской стойкостью среди всех пластиков, превосходит благородные металлы по
этому показателю. Устойчив к кислотам, щелочам, солям, органическим веще-
ствам. Обладает крайне низкой адгезией, не смачивается водой, маслами,
органическими растворителями. Разрушается под воздействием фтора, трифто-
рида хлора, расплавов щелочных металлов.
п
II Н
Рис. 49. Бюкс с утапливаемой крышкой
Рис. 50. Бюкс (тефлон)
Аллонжи
Аллонжи - лабораторная стеклянная посуда, представляющая собой изогнутые
трубки. Используются, в основном, в органическом синтезе при проведении пере-
гонки либо дистилляции.
Виды аллонжей:
Аллонжи подразделяются на прямой, прямой с отводом (рис. 51) , изогнутый
(рис. 52), изогнутый с отводом (рис. 53), «Паук» (рис. 54), к аппарату Кьель-
даля (рис. 55) используются для соединения приборов и сосудов с притертыми
конусами соответствующих размеров при сборке разного рода аппаратов и устано-
вок для лабораторий. Аллонж Бернауэра (рис. 56) - разновидность аллонжа «па-
ук», с поворотом вокруг горизонтальной или наклонной оси.
Рис. 51. Аллонж прямой с отводом
Рис. 52. Аллонж изогнутый
Рис. 53. Аллонж изогнутый с отводом
Рис. 54. Аллонж «Паук»
Рис. 55. Аллонж Кьельдаля
Рис. 56. Аллонж Бэрнауэра
Насадки и
вспомогательные
элементы
Насадки - это специализированные лабораторные приборы, которые выполняют
различные функции.
Виды насадок:
1. Насадка Вюрца (рис. 57) - это элемент конструкции для дистилляционной пе-
регонки жидкостей (в том числе под вакуумом) и синтеза химических ве-
ществ .
2. Насадка Кляйзена (Клайзена) (рис. 58) - элемент конструкции для дистилля-
ционной перегонки жидкостей (в том числе под вакуумом) и синтеза химиче-
ских веществ. Нижний притёртый шлиф насадки (шлиф-керн) входит в шлиф-
муфту колбы-источника. Керн отвода со шлифом входит в муфту холодильника.
Муфта насадки, ближайшая к керну отвода, используется для установки тер-
мометра. Другая муфта — для установки капельной воронки, загрузки в кол-
бу-источник жидких реагентов, а также для загрузки сыпучих реагентов при
синтезе и дистилляционной перегонке веществ.
Рис. 57. Насадка Вюрца
Рис. 58. Насадка Кляйзена
Насадка Дина-Старка (рис. 59) — специализированный лабораторный прибор,
предназначенный для удаления воды, которая образовывается в результате
некоторых химических синтезов (например, синтеза сложных эфиров, основа-
ний Шиффа). Кроме этого, насадка позволяет оценить процентное содержание
воды в перегоняемой смеси (параллельное ответвление имеет градуировку).
Нижним керном насадка вставляется в колбу-реактор, а в верхнюю муфту ус-
танавливают обратный холодильник. При перегонке смесь конденсируется в
градуированном ответвлении и расслаивается. Вода остается внизу, а орга-
нический растворитель, образующий азеотропную смесь с водой, постепенно
переливается обратно в реакционный сосуд через соединительную наклонную
трубку. Градуированное отделение снабжено стеклянным краном, через кото-
рый можно слить воду.
Насадка с фильтром из пористого стекла и адаптерами (рис. 60). Снабжена
отводной трубкой — если необходимо подсоединить вакуумный насос. Внутрь
вставлен стеклянный фильтр. Размер пор позволяет очищать жидкие среды да-
же без вакуума. Насадка оснащена керном со шлифом для установки в кониче-
скую колбу, и переходником для соединения с загрузочной воронкой. Исполь-
зуется как запасная часть к аппарату для фильтрации.
if1
№
■
Рис. 59. Насадка Дина-Старка
Рис. 60. Насадка с фильтром из пористого стекла и адаптерами
Насадка для отгонки азота (рис. 61) применяется в качестве соединительно-
го элемента для сборки приборов, аппаратов и установок. Изготавливаются
из стекла.
Насадка для склянки Дрекселя (рис. 62) - конструктивный элемент химиче-
ских приборов. Предназначена для промывания и очистки газов.
Рис. 61. Насадка для отгонки азота
I
Рис. 62. Насадка для склянки Дрекселя
Насадка для термометра (рис. 63) - это особый соединительный элемент, с
помощью которого собирают различные лабораторные приборы и устройства.
Эта насадка обычно используется, чтобы подключить к химической установке
термометр. Постоянный контроль температуры реакционных газов или жидко-
стей часто необходим при проведении различных органических синтезов, при
перегонке, экстракции. Насадка состоит из прямой трубки с мостообразной
отводной трубкой и трех взаимозаменяемых конусов: двух кернов и одной
муфты.
8. Насадка с дефлегматором (рис. 64) применяется в приборах, связанных с
фракционным разделением жидкостей. Изготавливается из стекла.
Рис. 63. Насадка для термометра
и
Рис. 64. Насадка с дефлегматором
9. Насадка с каплеуловителем (рис. 65) применяется в качестве соединительно-
го элемента для сборки приборов, аппаратов и установок.
10. Пропеллерная четырехлопастная мешалка (рис. 66) — стандартный лаборатор-
ный элемент для верхнего электрического или ручного привода. Вал мешалки
вставляется в привод и вращается, обеспечивая эффективное перемешивание
сред в сосуде. Это могут быть различные жидкости, или жидкости и сыпучие
ингредиенты приготавливаемого раствора. Мешалка подходит для средних и
высоких скоростей и сред с низкой вязкостью. Мешалка состоит из стального
вала, к концу которого прикреплены 4 небольшие лопасти, повернутые к оси
вала под разными углами. Диаметр мешалки делает ее оптимальным инструмен-
том для приготовления растворов или эмульсий в лабораторных сосудах. Вал
и лопасти изготовлены из нержавеющей стали.
□
Рис. 65. Насадка с каплеуловителем
Рис. 66. Пропеллерная четырехлопастная мешалка
11. Насадка с лопастями, открывающимися под действием центробежной силы (рис.
67). Предназначена для верхнеприводных мешалок. Две лопасти насадки имеют
изогнутый профиль; в раскрытом состоянии они расположены перпендикулярно
оси вала. В закрытом положении проходят через узкое горло круглого сосуда
с перемешиваемой жидкостью. Насадка покрыта химически стойким материалом
(тефлон, фторопласт-4), который не боится высоких температур. Рассчитана
на перемешивания маловязких сред при высоких и средних скоростях вращения
мешалки.
12. Лопастная насадка в виде пластины с отверстиями (рис. 68), предназначена
для верхнеприводных мешалок. Насадка выполнена из качественных материа-
лов, рассчитанных на длительную эксплуатацию. Покрытие из тефлона делает
насадку устойчивой к агрессивным средам и высоким температурам. Насадка
предназначена для бережного и аккуратного перемешивания жидкостей при
низких и средних скоростях вращения мешалки.
4
<\
^
Рис. 67. Насадка с лопастями
Рис. 68. Лопастная насадка в виде пластины с отверстиями
Кюветы
Кювета — это сосуд с плоскими и параллельными стенками, применяемый при фо-
тометрическом и радиометрическом исследовании биологических жидкостей. Для их
изготовления чаще всего используются три материала: кварцевое стекло, оптиче-
ское стекло и оптический полистирол. Кварцевая кювета может использоваться
для измерений оптической плотности в диапазоне от 190 до 2500 нм. Кюветы, вы-
полненные из оптического стекла, являются стандартными для фотометров, а так-
же их современных модификаций. Они используются для определения оптической
плотности веществ в диапазоне от 325 до 2500 нм.
Виды кювет:
1. Кювета (рис. 69) - это прозрачный сосуд из специального материала с плос-
копараллельными стенками.
2. Асептическая кювета для коагулометра (рис. 70) разработана для проведения
анализа крови по времени образования сгустка фибрина. Кювета состоит из
микропробирки и крышки, герметично закрывающей горловину. Кювета цилинд-
рической формы, узкая и длинная, с плоским основанием. На горловине — ши-
рокий ободок.
Рис. 69. Кюветы
yjCI
Рис. 70. Асептическая кювета для коагулометра
Реторта (рис. 71) - предназначена для перегонки или проведения реакций,
требующих нагревания и сопровождающихся выделением газообразных или жидких
летучих продуктов, которые тут же подвергаются перегонке.
Дефлегматор (рис. 72) — это специальное устройство, используемое в лабора-
торных аппаратах для фракционного разделения сложных смесей. В длинной и уз-
кой трубке внутри устанавливаются конусные наколы, которые задерживают прохо-
дящие через дефлегматор пары, способствуя их конденсации. При этом температу-
ра кипения и длина дефлегматора подбираются так, чтобы пары нужной фракции
свободно проходили к холодильнику, а пары более высококипящей и менее летучей
фракции конденсировались и стекали вниз, обратно в реакционный сосуд. Дефлег-
матор изготавливается из стекла, устойчивого к высоким температурам.
Рис. 71. Реторта
п
L
и
^-.^
Рис. 72. Дефлегматор
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ
Липилин А.
Главный вопрос, который встаёт перед человеком, который хочет попробовать
себя в домашней науке, это цена вопроса. Походив по интернету, интересант
впадёт в уныние и ничтожество, поскольку выясняет, что для проведения иссле-
дований нужна большая лаборатория с дорогим оборудованием («И вообще, хочешь
заниматься наукой - делай это в НИИ») . Но в действительности всё совсем не
так, как на самом деле. И для организации своего маленького НИИ совсем не
нужно брать кредит под конский процент.
Строго говоря - стоимость лаборатории будет определяться только тем, каким
направлением читатель планирует в ней заниматься. В связи с этим цена может
колебаться от нуля (если интересуют исключительно описательные области биоло-
гии) до бесконечности (если предметом интереса являются биотехнологии или мо-
лекулярная биология). Но мы попробуем найти некую среднюю, приемлемую сумму,
а большую часть оборудования попытаемся сделать своими руками или использо-
вать «подножный корм».
Относительно простым, но в тоже время затратным из направлений в биологии,
является микробиология. Вот с неё и начнём. Во-первых, это одна из самых ин-
тересных областей естествознания, а во-вторых, многие из приборов и материа-
лов, применяемых в исследованиях микробов, можно применять в других областях.
Главным и основным инструментом исследователя-микробиолога является микро-
скоп . Самое важное в нём при биологическом исследовании - его оптическая
часть. Она состоит из окуляра, объективов и осветительного устройства.
Бинокуляр Swift 350B.
Начнём с того, что придётся приобрести. В первую очередь - с т.н. расходни-
ков. Самым ходовым предметом в лаборатории будут предметные стёкла. В настоя-
щее время их можно найти не только в специализированных торговых площадках,
но и на обычных маркетплейсах1.
В зависимости от производителя и количества стёкол цена вопроса - до 1500
рублей:
Или нарезать самому из тонкого листового стекла.
Следующее, что потребуется - это бактериологические красители для окраски
препаратов по Граму. Сюда входят генцианвиолет, фуксин и раствор Люголя2. В
принципе, сейчас продают уже готовые наборы, но стоят они совершенно отдель-
ных денег, поэтому, по мнению автора, целесообразней приобрести сухие краси-
тели и реактивы и приготовлять растворы по мере необходимости (стандартной
навески в 20-50 г домашнему исследователю хватит до конца жизни. Найти эти
реактивы можно на площадках, торгующих химическими товарами. По финалу, стои-
мость такого набора обойдётся в 1000-1500 рублей.
Для начинающих микробиологов не рекомендуется сразу связываться с карболо-
вым фуксином, а обойтись спиртовым раствором:
В принципе, для старта - это всё что нужно. Спиртовка худо-бедно заменяется
зажигалкой или вообще высушиванием препаратов в обычных условиях. Пипетка
приобретается в аптеке. В случае, если предметом интереса являются плесневые
грибы, то и красители не обязательны. Выходит, что стартовый набор для наблю-
дения (без стоимости микроскопа) обойдётся в 1500-3000 руб.
Но предположим, что наблюдение не удовлетворяет интерес, и он желает выде-
лить чистую культуру. Для этого понадобятся ещё несколько компонентов. Куль-
тивирование как бактерий, так и плесневых грибков осуществляется на твёрдых
питательных средах (ТПС) в чашках Петри. В принципе, ТПС можно сделать своими
руками, тогда они будут иметь стоимость по цене продуктов, но тут есть два
серьёзных препятствия: первое - создать в домашних условиях идеальный состав
для культивирования бактерий будет довольно сложно, и второе - это будет от-
нимать большое количество времени, которого, как правило не так много.
Тем не менее, есть рецепт: куриный бульон (или бульонный кубик), поваренная
соль, сахар, агар пищевой.
На 500 мл воды 1 говяжий бульонный кубик. 30 мин варим до полного растворе-
ния. Фильтруем бульон через марлю. Добавляем 5 г агар-агара (желатина) и ос-
тальное. Разливаем по чашкам Петри и ставим в холодильник. Через 12 часов
достаем, и ставим на 2-3 мин в скороварку. Потом остужаем скороварку и дос-
2 В микробиологии и гистологии раствор Люголя применяют для окрашивания микроорга-
низмов (в частности, используется как протрава при окраске бактерий по Граму) и тка-
ней . Можно приобрести в аптеке.
таем оттуда уже стерильные среды пригодные для экспериментов.
Опираясь на собственный опыт, могу сказать, что рецепт рабочий, но трудоём-
кий и не всегда надёжный. По этой причине автор предпочитает пользоваться го-
товыми питательными средами. Как правило, их можно найти на тех же ресурсах,
что и бактериологические красители.
Для начала рекомендуется обзавестись двумя типами питательных сред: сухим
мясо-пептоным агаром (для бактерий) и агаром Сабуро (для грибов). Стоимость
сред зависит от объёма, но в среднем составляет от 1 до 1,5 т.р.:
Теперь по чашкам Петри. Во-первых, чашки Петри различаются по материалу, из
которого сделаны. Условно их можно разделить на пластиковые и стеклянные. Во-
вторых, по размеру.
Пластиковые чашки несколько дешевле и продаются в индивидуальных стерильных
упаковках:
Казалось бы - идеальный вариант, но, как обычно, тут нас поджидает засада -
эти чашки одноразовые, т.е. их нельзя стерилизовать по второму кругу. В том
случае, если они выдерживают кипячение.
А, как правило, это не так, ибо они необратимо мутнеют и становятся непри-
годным для повторного использования:
В свою очередь стеклянные чашки можно не только мыть агрессивными раствора-
ми , но и повторно стерилизовать. Однако у них есть один значимый недостаток -
они бьются, и в некоторых случаях среда с культурой может оказаться на рабо-
чем столе и/или на полу, что, в общем, совсем не хорошо. Так что решать в ка-
ждом отдельном случае нужно исследователю. Если это одноразовая «акция», то,
пожалуй, оптимальными будут пластиковые ёмкости, в том случае, если это все-
рьёз и надолго - лучше остановиться на стеклянных.
Второе, чашки Петри различаются по своему диаметру от 50 до 100 мм:
Для культивирования в кустарных условиях наиболее подходят 100 мм чашки.
Стоимость одной стеклянной чашки примерно 150-200 рублей, для старта стоит
обзавестись 10-15 чашками, т.е - 1500-2000 руб.
Но питательную сферу надо на чём-то «варить» и стерилизовать (да и чашки
Петри стоит «прогнать» через стерилизацию). Варить среду можно на обычной
конфорке, но исследователю стоит помнить, что при приготовлении она обладает
довольно специфическим запахом, с которым готовы мириться не все домочадцы.
Поэтому стоит обзавестись простейшей индивидуальной электроплиткой (от 700
рублей) и не менее индивидуальной ёмкостью для варки (ковшик 300 мл - 300
р.). Итого - 1000:
Но среду мало приготовить - её нужно ещё простерилизовать. В профессиональ-
ных лабораториях для этого используются автоклавы, но стоят они очень дорого,
да и расположить автоклав в домашних условиях будет проблематично. Из этой
ситуации есть два выхода: микроволновка и скороварка.
Микроволновая печь обеспечивает довольно неплохую степень обеззараживания
сред, но применять её и для приготовления пищи, и для стерилизации сред не
стоит.
Поэтому во избежание конфликтов и сохранения мира в семье, а также для
обеспечения безопасности, целесообразно обзавестись собственной небольшой
скороваркой. Она вполне справляется с функцией автоклава. Новая, как правило,
стоит немалых денег, но тут на помощь приходят площадки с б/у товарами.
Там можно найти советскую скороварку с полным набором за приемлемые 700-800
рублей:
В скороварке можно стерилизовать как среды, так и чашки Петри. Однако, опи-
раясь на свой опыт, перед заливкой чашки имеет смысл протереть 70% спиртом
или прокипятить в дистиллированной воде (на манер приготовления крышек для
закатывания консервов).
Итак, у нас есть на чём и в чём культивировать, где стерилизовать и чем
красить. Попробуем посчитать финальную стоимость. Итого, стоимость стартового
набора для микробиологической лаборатории (без микроскопа) будет составлять,
по максимуму, 13 т.р. Прибавим стоимость спирта и дистиллированной воды и по-
лучим приемлемые 15 т.р.
Плесневые грибки с удовольствием растут в домашних условиях, для роста бак-
терий оптимальной температурой является 37 С, т.е. нам необходим термостат.
Самый простой термостат на одном китайском сайте стоит 15 000. Но его можно
сделать и своими руками примерно за 3000.
Техника
безопасности
Именно благодаря соблюдению ряда несложных правил, можно сохранить пару
бесценных ресурсов - конкретно - время и здоровье.
Первые правила безопасности касаются рабочего места: оно должно быть хорошо
освещено, и там не должно быть лишних предметов. Но какие основные опасности
могут подстерегать биолога-лабораторщика?
Может показаться, что домашние исследователи по уровню безопасности догоня-
ют филологов и математиков, оставляя далеко позади историков-экспериментато-
ров , однако это не так. На тернистом пути познания такого человека поджидают
два типа опасностей - общелабораторные и специальные.
Начнём с общелабораторных. На самом деле, таковых всего три:
■ Уязвление током
■ Ожог огнём
■ Изъедение кислотами и щелочами
Пойдём по порядку. Несмотря на то, что в большинстве исследований живых
объектов напряжение не превышает 9 В, а сила тока исчисляется миллиамперами
(иначе исследуемый объект превратится пепел до завершения эксперимента), без
подключения к бытовой сети (220 В, 1,5 А) чаще всего не избежать.
Речь идёт об осветительных и нагревательных приборах. Даже если человек
предельно внимателен и имеет представление (или опыт), что бывает при контак-
те с розеткой, в силу вступают Закон Мерфи - «Если неприятность может про-
изойти - она непременно произойдёт».
Дело в том, что в большинстве случаев в биологических экспериментах приме-
няется вода, и она непременно будет разлита. Обязательно. Без исключений. И,
согласно Закону, попадёт именно на розетку или удлинитель, от которого запи-
тая тот или иной прибор.
Результат такого физического брака зависит от качества «пробок» — от лёгко-
го «ой» до летального исхода в результате удара электрическим током или от-
равления продуктами горения. Отсюда правило: любые электрические приборы
должны быть удалены от воды на максимальное расстояние (в идеале на другой
стол) .
Если это невозможно (чаще всего так и бывает), то «мокрую» часть опыта не-
обходимо проводить на поддоне. В случае, если электрический прибор запитан от
удлинителя, место соединения вилки и розетки нужно приподнимать над уровнем
пола. Для этого подходит деревянный брусок или скамейка.
Раз уж мы заговорили о нагревательных приборах, то совершенно очевидно, что
следующая опасность, которая ожидают исследователя, - это ожоги.
Как в профессиональной, так и в любительской лаборатории нагревание произ-
водится тремя основными способами: на спиртовке, на газовой горелке и на
электрической плитке. Все три способа легко доступны, но в качестве хобби оп-
тимальными будут первый и третий. Газовая горелка Бунзена в домашних условиях
скорее вредна, чем полезна, тем более что едва ли кто-то планирует заниматься
стеклодувным искусством.
В спиртовке в качестве горючего топлива, как и следует из названия, приме-
няется этиловый спирт. Она нужна для фиксации микробиологических мазков (про-
фессионалы с лёгкостью используют для этого зажигалки, но, по мнению автора,
на предметных стёклах после этого всё-таки остаются частицы копоти).
Электрическая плитка наиболее универсальный «инструмент», поскольку позво-
ляет путём минимальных затрат проапгрейдить её до уровня песчаной или водяной
бани, и, кроме того, отличается большей пожаробезопасностью. Но оба способа
нагревания могут привести к ожогам.
А теперь, внимание, правило: горячие и холодные предметы зачастую выглядят
одинаково. Поэтому, прежде чем брать в руки любой предмет, необходимо убе-
диться, в том, что его температура безопасна.
Проще и безопасней всего делать это тыльной стороной ладони. Ну и последняя
опасность - взаимодействие с химическими реактивами. Для этого пункта, в це-
лом, справедливо утверждение, касающееся электричества - в биологии крайне
редко применяются концентрированные растворы. Тем не менее, держать растворы
необходимой концентрации - не самая светлая идея, поэтому их периодически
придётся делать самим из сухих веществ или насыщенных растворов.
Тут есть целый ряд простых правил:
■ Все емкости с растворами должны быть подписаны по следующей форме: назва-
ние, формула, концентрация и дата приготовления (для растворов);
■ Никогда и ни при каких обстоятельствах не наклоняться над горлышком тары;
■ Для того, чтобы узнать запах, направляем пары из тары к себе рукой;
■ Льём кислоту в воду, а не наоборот;
■ Кислоту нейтрализуем гидрокарбонатом натрия (пищевой содой), щёлочь - 9%
раствором уксусной кислоты;
■ Никогда и ни при каких обстоятельствах не пробуем вещества на вкус;
■ Никогда и ни при каких условиях не храним реактивы вместе с пищевыми про-
дуктами ;
■ Никогда и не при каких условиях не используем пищевую посуду для проведе-
ния опытов.
На этом с «общелабораторными» опасностями, пожалуй, всё.
Перейдём к специфическим опасностям.
Нет безопасных микроорганизмов. В ходе беспощадного естественного отбора
они приобрели фантастические приспособления для уничтожения ближнего своего.
Даже те микроорганизмы, которых мы считаем безопасными, на самом деле обла-
дают факторами патогенности, которые при определённых условиях, могут превра-
тить жизнь человека в увлекательное путешествие в отделение реанимации, а то
и в отделение патологической анатомии.
Отсюда правило - с любыми микроорганизмами необходимо работать, как с бак-
териями высшего класса патогенности. Все питательные среды с культурами, пе-
ред утилизацией должны быть обеззаражены химическим путём (замачивание в рас-
творе гипохлорита натрия «Белизна» на 12-24 часа) или пропущены через авто-
клав (скороварку).
Ещё одна опасность, с которой может встретиться исследователь-любитель, -
аллергическая реакция. Многие из микроорганизмов, особенно это относится к
плесеням, обладают высоким аллергенным потенциалом. Поэтому, если эксперимент
подразумевает работу с культурой плесневых грибков, необходимо обеспечить се-
бя средствами индивидуальной защиты органов дыхания.
Оптимально проходит респиратор типа ЗМ:
' ч -.
v
Любые лабораторные работы следует проводить только в очках (подойдут даже
очки с диоптриями), а вот контактным линзам не место в лаборатории. В случае,
если что-либо попадет в глаза, оперативно снять линзы и обеспечить промывание
достаточным объёмом воды будет проблематично.
Ну и пару слов для тех, кто планирует исследовать животных и растений
В целом, к ним применимы все те же правила, что и к микроорганизмам. Но,
кроме этого, любое растение следует рассматривать как ядовитое, а любое жи-
вотное - как ядовитое и/или потенциальный источник инфекции. Посему, кроме
очков и респиратора потребуются дополнительные средства защиты.
Для начала, при проведении экспериментов желательно использовать отдельную
одежду - оптимальной является простейший комплект хирургической формы (если
таковой нет, просто комплект одежды, который будет использоваться там и боль-
ше нигде).
Во-первых, его не жалко испачкать/прожечь/обесцветить, а во-вторых - это
гарантия, что плесень или бактерии не будут разнесены по всему жилому помеще-
нию, в т.ч. и месту принятия пищи.
А вот сейчас, самый сложный и не однозначный вопрос - перчатки. В большин-
стве случаев, при проведении опытов рекомендуется использовать латексные или
нитриловые перчатки. Однако, у автора на этот счёт есть своя точка зрения,
полученная как эмпирическим путём, так и от старших коллег - перчатки, чаще
всего, приводят к увеличению числа несчастных случаев. Во-первых - перчатки
снижают чувствительность, поэтому риск получить порез/прокол/ожог - возраста-
ет .
Во-вторых, перчатки внушают ложную безопасность, в результате чего, человек
начинает работать менее аккуратно, что, в конечном итоге приводит к большему
числу травм, и, в-третьих, люди, которые пользуются перчатками, часто «забы-
вают» помыть руки, после работы в лаборатории, что в целом, тоже часто несёт
за собой негативные последствия (Альберт Хофман3 не даст соврать).
Кроме того, это не самое дешёвое удовольствие, а наша задача сделать домаш-
нюю лабораторию по минимальным ценам. Так что надевать перчатки или нет каж-
дый должен решить сам, однозначно необходимо это только в случае работы с ма-
териалом подозрительным в отношении патогенности (впрочем, ещё в начале XX
века трупы чумных больных иногда вскрывали голыми руками и периодически уми-
рали) .
Думаю, излишне писать тут о недопустимости употребления пищи в лаборатории
и обязательном мытье рук как до, так и после проведения опыта.
3 Швейцарский химик и литератор, широко известный как «отец» ЛСД. Он получил психо-
делический эффект ЛСД после случайной адсорбции вещества через кончик пальца, что и
привело к открытию нового наркотика.
Мышление
>V- -*y
ОТ АТОМОВ К ДРЕВУ
Ястребов С.
ЧАСТЬ 1. ХИМИЯ ЖИЗНИ
1. УГЛЕРОД
Мышь любит мармелад, потому что в нем
много кислот.
Юрий Олеша. Три толстяка
Из чего состоят живые организмы?
Ответить на это очень легко: живые организмы, как и неживые тела, состоят
из атомов.
Значение этого утверждения, что называется, трудно переоценить. Нобелевский
лауреат Ричард Фейнман говорил в начале своих знаменитых ллФейнмановских лек-
ций по физике":
"Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные
знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ пере-
шла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего
количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная
гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меня-
ет) : все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в бес-
прерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются,
если одно из них плотнее прижать в другому".
Сказанное Фейнманом, конечно, правда. Однако любое научное утверждение обя-
зано иметь те или иные границы применимости. Поищем их и тут. Атомная гипоте-
за — это великое достижение человеческой мысли, но целиком ли Вселенная со-
стоит из атомов? И все ли живые организмы состоят только из них?
На первый из этих вопросов ответ, как ни странно, будет однозначно отрица-
тельным. Начнем с того, что наша Вселенная возникла в результате Большого
взрыва примерно 13,8 миллиарда лет назад, и с тех пор ее состав сильно изме-
нился. Насколько можно судить, в первые 300 000 лет во Вселенной не было ни
одного атома (хотя были частицы нескольких других типов). Но и после того,
как атомы возникли, они не стали главной составляющей космоса. По данным кос-
мической обсерватории ЛЛПланк", нынешняя Вселенная на 4,9% состоит из обычных
элементарных частиц, способных сложиться в атомы, на 26,8% — из темной мате-
рии (которая не проявляет никаких наблюдаемых свойств, кроме массы) и на
68,3% — из темной энергии (про которую вообще непонятно, связана ли она хоть
с какими-нибудь материальными телами)1. Грубо говоря, Вселенная состоит из
обычных атомов не больше чем на 5%.
Подчеркнем, что эти соотношения отражают современное положение вещей. Не-
сколько миллиардов лет назад они наверняка были иными, ведь Вселенная непре-
рывно развивается; это подтверждается и расчетами на основе общей теории от-
носительности, и прямыми наблюдениями космического реликтового излучения.
Итак, данные исследований показывают, что сейчас части Вселенной, построенные
из обычного вещества, представляют собой, по сути, всего лишь острова среди
океанов темной материи и темной энергии, в глубины которых людям еще только
предстоит заглянуть. (Между прочим, именно о таких исследованиях мечтает док-
тор Хаус в первой серии восьмого сезона знаменитого сериала.)
А вот на наш второй вопрос — все ли живые системы состоят из атомов? — от-
ветом будет уверенное "да". В этом плане биологический мир гораздо менее раз-
нообразен, чем физический. Любое живое существо построено из атомов, и только
из атомов, в полном соответствии с классической атомной гипотезой. Примеры
иных, не атомных форм жизни можно пока найти лишь в научной фантастике. На-
пример, в великом романе Станислава Лема ллСолярис" упоминаются живые сущест-
ва , созданные не из атомов, а из очень легких элементарных частиц — нейтрино.
Но это не более чем мысленный эксперимент, поставленный писателем. В реальной
биологии нам приходится иметь дело только с атомами и их устойчивыми сочета-
ниями , которые называются молекулами. А из молекул, в свою очередь, складыва-
ются вещества. Как писал тот же Фейнман, любое вещество — это свой тип распо-
ложения атомов.
Мир атомов довольно разнообразен. На момент написания этих строк ученым из-
вестно 118 видов атомов, которые принято называть химическими элементами.
Правда, в живых телах встречаются далеко не все из них, а те, что встречает-
ся , распределены там очень неравномерно.
Хорошая новость заключается в том, что атомы часто бывают очень долговечны-
ми. В тех процессах, которые непосредственно изучает биология, они почти ни-
когда не распадаются, не возникают заново и не превращаются друг в друга. Это
не означает, что они не превращаются друг в друга вообще никогда: очень скоро
мы увидим, что, если бы не было взаимных превращений атомов (точнее, их
ядер), во Вселенной не смогла бы возникнуть жизнь. Однако для понимания того,
как устроены живые тела, нам будет вполне достаточно учитывать взаимодействие
готовых и неизменных атомов между собой.
1 Понятия «темная материя» и «темная энергия» были введены потому, что на основании
принятой теории гравитации нельзя объяснить наблюдаемое движение звезд во Вселенной.
При этом никому не приходит в голову, что может быть не верна сама теория гравита-
ции.
Кратко
про атомы
Итак, атомы.
Уже довольно давно известно, что они состоят из трех типов элементарных
частиц: протонов, нейтронов и электронов (см. рис. 1.1А) . Протоны и нейтроны
— частицы относительно массивные, любой из них примерно в 1800 раз тяжелее
электрона. Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, а из электронов —
внешняя оболочка атома, которую обычно прямо так и называют электронной обо-
лочкой. Электроны, образующие оболочку, перемещаются вокруг ядра по чрезвы-
чайно сложным траекториям, но, как правило, не слишком от него удаляясь.
Рис. 1.1А. Электронная оболочка молекулы углерода.
Самое важное для нас свойство элементарных частиц даже не масса, а электри-
ческий заряд. Здесь действуют абсолютно четкие и очень простые закономерно-
сти.
Протон электрически заряжен положительно, электрон — отрицательно, а ней-
трон не имеет никакого заряда.
По величине отрицательный заряд электрона строго равен положительному заря-
ду протона. Принято считать, что протон имеет заряд +1, а электрон -1.
Число электронов в атоме по умолчанию равно числу протонов, так что заряд
целого атома равен нулю. Если же число электронов отличается от числа прото-
нов, значит, перед нами не просто атом, а заряженная частица — ион.
Физики еще в XVIII веке выяснили, что электрические заряды бывают двух ти-
пов : положительные и отрицательные. Также они обнаружили, что разноименные
заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Этот закон называется ос-
новным законом электростатики, или законом Кулона (на самом деле он записыва-
ется формулой, позволяющей точно определить силу притяжения или отталкивания,
но мы тут обойдемся без математики). Закон Кулона действует где угодно, в том
числе и внутри атома. Собственно говоря, электроны и протоны потому и образу-
ют единый атом, что они электростатически притягиваются друг к другу. Для
справки добавим, что протоны и нейтроны "склеиваются" в атомное ядро притяже-
нием совсем другого рода — так называемым сильным ядерным взаимодействием,
которое на маленьких расстояниях гораздо мощнее электростатического. Именно
поэтому протоны в ядре держатся вместе, несмотря на отталкивающую их друг от
друга кулоновскую силу.
Самый главный параметр любого атома — это число протонов, или атомный номер
(Z). Величина Z однозначно определяет положение данного атома в периодической
системе элементов, то есть в таблице Менделеева. Как мы уже знаем, число
электронов обычно равно числу протонов. А вот что касается числа нейтронов,
то оно может при одном и том же числе протонов быть разным. Атомы, имеющие
одинаковый атомный номер, но разное число нейтронов, называются изотопами.
Если слово "изотопы" не упоминается, значит, число нейтронов нам в данном
случае неважно. Все атомы, имеющие одинаковое число протонов, по определению
относятся к одному химическому элементу.
Самый простой из всех возможных атомов — водород (Z=l). Он состоит из одно-
го протона и одного электрона. Нейтронов в нем может не быть вовсе (хотя мо-
гут и быть, в зависимости от того, какой это изотоп). Если лишить обычный
простейший атом водорода его единственного электрона, от него останется поло-
жительно заряженный ион, в данном случае представляющий собой не что иное,
как ЛЛголый" протон.
Еще в начале XIX века английский химик и врач Уильям Праут выдвинул опере-
дившую свое время гипотезу, что атомы всех других химических элементов обра-
зуются в результате объединения того или иного количества атомов водорода. И
он был не так уж далек от истины. Все атомы действительно состоят из однотип-
ных частиц, самый простой возможный набор которых дает не что иное, как атом
водорода (Z=l). Второй по сложности атом — гелий (Z=2), третий — литий (Z=3),
ну а дальше в нашем распоряжении вся таблица Менделеева. Самые тяжелые атомы
содержат больше сотни протонов и около двух сотен нейтронов. Но с такими чу-
довищами мы в биологии не встретимся.
Химические
связи
Самый важный для нас способ взаимодействия атомов называется ковалентной
связью (см. рис. 1.1Б). Это связь, образуемая общей парой электронов — по од-
ному от каждого из двух атомов. Можно считать, что электроны этой пары при-
надлежат обоим атомам сразу. На графических формулах, отображающих строение
молекул наглядно, ковалентную связь обозначают простой чертой между символами
химических элементов. Именно такими связями и соединены атомы в большинстве
обычных молекул. Пример — молекула водорода. Она состоит из двух атомов водо-
рода (Н), образующих единственную ковалентную связь между собой: Н-Н, или со-
кращенно Н2.
(Н)
© Ф*Ф * (7J/Y с Ун
Н-Н ( -Л
Рис. 1.1Б. Ковалентная связь.
Иногда ковалентные связи бывают двойными — образованными сразу двумя парами
электронов — или даже тройными — образованными сразу тремя парами. Чем выше
кратность связи, тем эта связь при прочих равных условиях прочнее. Двойные
ковалентные связи встречаются в биологии очень часто. Тройные — намного реже,
но знать об их существовании все-таки не помешает. На графических формулах
двойные и тройные связи обозначают, соответственно, двойными или тройными
черточками между символами атомов. Например, между атомами кислорода (О)
вполне может образоваться двойная связь. В результате получится молекула 0=0,
или сокращенно 02. Кстати, это и есть тот самый атмосферный кислород, которым
мы дышим.
Гораздо реже ковалентной (по крайней мере, в живой материи) встречается
ионная связь, представляющая собой электростатическое притяжение заряженных
частиц. Мы уже знаем, что по закону Кулона одноименные электрические заряды
отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Поэтому положительно заряжен-
ная частица (катион) и отрицательно заряженная (анион) обязательно притянутся
друг к другу. Уже упоминалось, что ионом называется любая самостоятельно су-
ществующая частица, в которой число электронов отличается от числа протонов.
Сам этот термин, предложенный Майклом Фарадеем, происходит от греческого сло-
ва, означающего "идущий": в растворе, через который пропущен электрический
ток, положительно заряженные ионы движутся к отрицательному полюсу, а отрица-
тельные — к положительному Атом становится ионом, если он приобрел лишний
электрон или, наоборот, часть своих электронов где-то потерял.
Отличный пример ионной связи демонстрирует всем известная поваренная соль
NaCl (натрий хлор) , формулу которой можно переписать как [Na+] [Cl~] . Это оз-
начает, что кристалл соли состоит из положительно заряженных ионов натрия и
отрицательно заряженных ионов хлора в соотношении один к одному. В данном
случае каждый атом хлора как бы отбирает один электрон у соседнего атома на-
трия.
Элементы
жизни
Химический состав живой материи довольно однообразен. Для того чтобы в пер-
вом приближении разобраться в устройстве живой клетки, достаточно знать все-
го-навсего пять химических элементов. Это водород (Н) , кислород (О), азот
(N) , углерод (С) и фосфор (Р) . На атомные номера этих элементов мы пока не
будем обращать внимания: во-первых, нет ничего легче, чем найти их в таблице
Менделеева, а во-вторых, для нас сейчас гораздо важнее другой показатель. Са-
мое главное, что нам нужно знать о любом химическом элементе, — это его ва-
лентность , то есть число ковалентных связей, которые может образовать его
атом.
Итак, валентность водорода равна 1, кислорода — 2, азота — 3, углерода — 4
и фосфора — 5. Эти числа надо просто запомнить. Иногда у некоторых из пере-
численных элементов бывают и другие валентности, но, занимаясь биологией, это
можно игнорировать во всех случаях, кроме немногих особо оговоренных. Однова-
лентный водород, двухвалентный кислород, трехвалентный азот, четырехвалентный
углерод и пятивалентный фосфор — главные химические слагаемые жизни (см. рис.
1.2) .
\ i II
Н- -О- N— -С- -Р-
/ I i
Водород Кислород Азот Углерод Фосфор
Рис. 1.2. Химические слагаемые жизни.
Иногда по ходу разговора нам будут встречаться и другие атомы, например се-
ра (S), натрий (Na), хлор (С1), калий (К) или железо (Fe). Но постоянно пом-
нить о них не надо. Пяти главных биогенных (то есть образующих жизнь) химиче-
ских элементов для начала вполне достаточно.
Сверхновые
и жизнь
Не подлежит сомнению, что большинство атомов в нашей Вселенной — это атомы
водорода и гелия. Астрофизики утверждают, что 13 миллиардов лет назад, то
есть "всего лишь" через несколько сот миллионов лет после Большого взрыва,
соотношения были следующими: примерно 75% всех атомов во Вселенной составляли
атомы водорода, примерно 25% — атомы гелия, а на атомы всех более тяжелых
элементов, вместе взятых, приходилось 0,00007%. Конечно, с тех пор Вселенная
изменилась. Но и сейчас все элементы, кроме водорода и гелия, составляют в
сумме не больше 2% существующих атомов. Между тем, очевидно, что из водорода,
валентность которого равна единице, и гелия, который вообще неохотно образует
химические связи, никаких сложных молекул не построишь.
Сравнив количество разных видов атомов в современной Вселенной, мы сразу
увидим, что самые распространенные в ней после водорода и гелия элементы —
кислород (Z=8), углерод (Z=6) и азот (Z=7). Это можно наглядно показать на
графике, изображающем относительное обилие химических элементов в нашей га-
лактике Млечный Путь (см. рис. 1.3). По горизонтальной оси там можно отложить
атомный номер (Z) , а по вертикальной — распространенность элементов, причем
желательно в логарифмическом масштабе (попросту говоря, это означает, что ка-
ждая "ступенька" на вертикальной оси соответствует разнице не на единицу, а в
10 раз) . На таком графике первым делом бросается в глаза уже известный нам
факт: водорода и гелия в Галактике во много раз больше, чем всех остальных
химических элементов вместе взятых. Эти два элемента — вне конкуренции. В об-
ласти лития (Z=3), бериллия (Z=4) и бора (Z=5) наблюдается явный провал, по-
тому что ядра этих атомов относительно неустойчивы: в системе ядерных реак-
ций, происходящих в звездах, они легко синтезируются, но так же легко и рас-
падаются. Ядро железа (Z=26), наоборот, исключительно устойчиво. Многие ядер-
ные реакции, идущие в недрах звезд, на нем заканчиваются, поэтому железо дает
на графике высокий пик. Но самые распространенные после водорода и гелия эле-
менты в Млечном Пути, несомненно, кислород, углерод и азот, именно те, кото-
рые стали химическими ЛЛкирпичиками" жизни. Вряд ли это случайность.
Кроме того, нельзя не заметить, что график обилия химических элементов в
Галактике — отчетливо ЛЛ зубчатый". Элементы с четными атомными номерами в
среднем встречаются во Вселенной намного чаще, чем элементы "примерно того же
достоинства" с нечетными. Еще сто лет назад на это независимо друг от друга
обратили внимание два химика — итальянец Джузеппе Оддо и американец Уильям
Харкинс. Их статьи вышли, соответственно, в 1914 и 1917 годах. А правило, со-
гласно которому элементы с четными номерами при прочих равных условиях преоб-
ладают над элементами с нечетными номерами, до сих пор называется в их честь
правилом Оддо—Харкинса. Это правило обязательно приходится принимать во вни-
мание, например при анализе химического состава земной коры.
Разгадка правила Оддо—Харкинса была предложена уже его первооткрывателями.
Дело в том, что атомные ядра тяжелых элементов образуются в основном за счет
слияния более легких ядер. Между тем ясно, что при слиянии двух одинаковых
атомных ядер в любом случае получится ядро элемента с четным числом протонов,
то есть с четным атомным номером. А затем образовавшиеся ядра сливаются друг
с другом, давая опять же в первую очередь элементы с четными номерами. Напри-
мер, "горение" гелия (Z=2), при котором его ядра объединяются друг с другом с
большим выходом энергии, дает сначала неустойчивые короткоживущие ядра берил-
лия (Z=4), потом ядра углерода (Z=6), а потом и кислорода (Z=8).
Рис. 1.3. График распространенности химических эле-
ментов в нашей Галактике.
До начала звездообразования во Вселенной были только водород, гелий и сле-
довые количества лития. Насколько мы сейчас знаем, все элементы тяжелее лития
синтезируются только в звездах и распространяются в результате взрывов сверх-
новых. Это означает, что живым организмам было просто не из чего образовать-
ся, пока не закончился жизненный цикл хотя бы первого поколения звезд и эти
звезды не взорвались.
Авторами самой знаменитой статьи, описавшей механизм синтеза химических
элементов в звездах, были четверо ученых: Маргарет Бербидж, Джеффри Бербидж,
Уильям Фаулер и Фред Хойл. Эту статью часто называют по инициалам авторов
"B2FH" (ллбэ-квадрат-эф-аш") . Инициатором исследования был астрофизик Хойл:
именно он первым догадался, что в звездах может синтезироваться не только ге-
лий, но и углерод. Благодаря Хойлу в работу включились сперва профессиональ-
ный физик-ядерщик Фаулер (поначалу он был настроен скептически, но Хойл его
переубедил), а потом астрономы Бербиджи. В сети легко найти замечательную фо-
тографию, на которой все четверо отмечают 60-й день рождения старшего из них
— Фаулера, а последний радуется действующей модели паровоза, которую ему по-
дарили коллеги.
Статья B2FH опровергла более раннюю гипотезу Георгия Гамова, который счи-
тал, что ядра всех элементов синтезировались прямо во время Большого взрыва и
с тех пор их концентрации остаются примерно постоянными. На самом деле гораз-
до вероятнее, что в первые миллиарды лет после Большого взрыва Вселенная была
чисто водородно-гелиевой. И только потом она стала обогащаться тяжелыми эле-
ментами с помощью сверхновых звезд ("тяжелыми элементами" мы сейчас называем
все, что тяжелее гелия или, в крайнем случае, лития).
Космическая
эволюция
Итак, тяжелые элементы синтезируются внутри звезд и рассеиваются в про-
странстве, когда эти звезды взрываются в качестве сверхновых. Влияние сверх-
новых звезд на элементный состав Вселенной, таким образом, огромно. Рассеян-
ные их взрывами тяжелые элементы входят в состав космической пыли, а она кон-
денсируется в звезды следующего поколения — уже с полноценными системами,
включающими землеподобные планеты. Этой темы мы еще коснемся позже, в главе
13.
Превращение водорода и гелия в более тяжелые элементы было одним из проме-
жуточных этапов космической эволюции, которая привела к возникновению Солнеч-
ной системы, жизни и человека. Теория B2FH (если она верна) сама по себе по-
казывает, что этой эволюции не могло не быть. В древней водородно-гелиевой
Вселенной никогда бы не возникли ни Земля, ни жизнь. Сама возможность их по-
явления стала результатом длинной цепочки событий космического масштаба, в
ходе которых весь мир не раз качественно менялся (например, возникали ранее
не существовавшие химические элементы, а вместе с ними — новые типы звезд).
Вот такое качественное изменение мы и называем эволюцией. Это единый процесс,
охватывающий физические, химические и биологические явления.
Тут стоит притормозить, чтобы уточнить значение слова "эволюция". Традици-
онно существует два понимания этого термина — "узкое" и "широкое". Эволюция в
"узком" смысле определяется разными авторами несколько по-разному, но в любом
случае она ограничивается чисто биологическими процессами и факторами (таки-
ми, например, как изменение частот генов в популяциях или перестройка жизнен-
ных циклов). Эволюция в "широком" смысле включает в себя не только историче-
ские процессы, изучаемые биологией, но и исторические процессы, изучаемые
другими науками — физикой, химией, астрономией, геологией, социальной истори-
ей. "Широкое" понимание эволюции можно встретить у Феодосия Григорьевича Доб-
ржанского, знаменитого генетика, одного из крупнейших биологов XX века.
"Общепринятого определения эволюции не существует, — писал Добржанский. —
Эволюция — это изменение, но не любое изменение есть эволюция. Самое узкое
определение признает только биологическую эволюцию, элементарные события ко-
торой — изменения частот генов в популяциях живых организмов. Накопление и
объединение таких генетических событий на протяжении долгих периодов времени
приводит к крупным биологическим изменениям: амеба или примитивный вирус мо-
гут превратиться в человека или могучий дуб. Когда примерно три миллиарда лет
назад на планете Земля возникла жизнь, это было результатом сложной серии
процессов, протекавших в неорганической природе. А примерно два миллиона лет
назад биологическая эволюция породила человека — существо, способное к абст-
рактному мышлению, коммуникации на языке символов, обладающее самосознанием и
осознанием своей смертности. Ясно, что между Большим взрывом, запустившим об-
разование химических элементов, и появлением условий, подходящих для возник-
новения жизни, во Вселенной произошло множество событий. Эти события склады-
ваются в космическую (неорганическую) эволюцию. С другой стороны, человек —
главный герой исторического процесса, в ходе которого биологические изменения
его организма перекрываются культурной наследственностью, действующей через
обучение. История человечества связана в первую очередь с эволюцией культуры.
Три эволюции — космическая, биологическая и культурная — составляют единый
грандиозный процесс универсальной эволюции".
По определению палеонтолога Валентина Абрамовича Красилова, эволюция — это
серия последовательных изменений с исторически значимым результатом. Это оп-
ределение не противоречит "широкому" пониманию эволюции по Добржанскому, и
именно оно будет по умолчанию принято в данной публикации. Синтез тяжелых
элементов в звездах — это часть процесса космической эволюции, о котором мы
будем время от времени говорить и дальше (в главах 3, 4, 7, 13, 16). Потом мы
перейдем к биологической эволюции, разговору о которой будет посвящена почти
вся вторая половина публикации (главы 12-17). И только культурная эволюция в
этой книге почти не рассматривается, за исключением краткого упоминания в
конце главы 17.
Самый
главный
атом
Химия известных нам живых систем основана на одном главном элементе — угле-
роде.
Проясним кое-какие термины. Любая совокупность атомов и молекул в химии (и
в биологии) называется веществом. Вещества могут быть простыми (состоящими из
одного элемента) или сложными (состоящими из разных элементов). Сложное веще-
ство, в котором атомы разных элементов соединены между собой химическими свя-
зями, называется соединением. Любое соединение, как правило, имеет постоянный
состав, который можно описать простой формулой, указывающей число атомов каж-
дого элемента в его молекуле. Например, молекула воды состоит из двух атомов
водорода (Н) и одного атома кислорода (О) . Соответственно, формула воды —
Н20.
Однако сейчас нас интересуют соединения углерода (С). Они настолько разно-
образны, что их изучением занимается целая область химии — органическая хи-
мия. Поначалу, в XIX веке, органической химией назвали химию веществ, обра-
зующихся в растительных и животных организмах и получаемых из них. Постепенно
стало понятно, что в состав почти всех этих веществ входит углерод. В итоге
органической химией стали называть химию любых более-менее сложных соединений
углерода, безотносительно к тому, есть они в живых телах или нет. Сокращенно
такие соединения принято называть просто ллорганическими веществами". Многие
из них действительно имеют какое-то отношение к живым (или мертвым) организ-
мам, но далеко не все. Химический состав организмов — предмет отдельной нау-
ки, которая называется биохимией.
Углерод — шестой по счету элемент таблицы Менделеева. Это означает, что его
атом содержит шесть протонов (Z=6). Чистый углерод известен нам в виде алма-
за, графита или угля. А валентность углерода в органических соединениях все-
гда равна 4. Это — важнейший факт, без знания которого понять устройство жи-
вых организмов просто невозможно.
Кроме того, углерод имеет три химические особенности, отчасти объясняющие,
почему органических соединений так много. Во-первых, атом углерода способен
образовывать устойчивую ковалентную связь почти с любым другим элементом мен-
делеевской таблицы; далеко не про каждый атом можно такое сказать. Во-вторых,
атомы углерода отлично образуют ковалентные связи друг с другом, создавая в
результате длинные цепочки (в том числе ветвящиеся), кольца и другие сложные
структуры. И в-третьих, ковалентная связь ллуглерод — углерод" легко может
стать кратной, то есть двойной или тройной. К связям углерода с некоторыми
другими элементами это тоже относится. Склонность углерода к образованию
кратных связей очень важна и в органической химии, и в биохимии.
Углеводороды
Самое простое на свете органическое соединение называется метаном. Молекула
метана состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, соединен-
ных с углеродом ковалентными связями. На языке химических символов это выгля-
дит так: один углерод (С) и четыре водорода (Н) образуют молекулу СН4 (форму-
ла метана). В более подробной формуле — графической — каждую ковалентную
связь обозначают чертой, проводимой в данном случае между символами С и Н.
Химические соединения, состоящие только из углерода и водорода, вполне ло-
гично называются углеводородами (см. рис. 1.4). Метан — это самый простой
возможный углеводород. Примеры углеводородов, следующих за ним по сложности:
этан (С2Нб) , пропан (С3Н8) , бутан (С4Ню) , пентан (C5Hi2) , гексан (C6Hi4) . Основу
любой из этих молекул образует цепочка атомов углерода, соединенных между со-
бой ковалентными связями. А все валентности, свободные от углерод-углеродных
связей, там занимают атомы водорода. Зная эти принципы, нарисовать структуру
углеводорода с любым заданным числом углеродных атомов можно очень легко. На
графических формулах видно, что несколько знакомых нам теперь углеводородов —
этан, пропан, бутан, пентан и гексан — отличаются друг от друга только числом
совершенно одинаковых групп -СН2-.
^В углерод ^j водород
сн4 с>н6 с3н8
пропан
метан этан
Рис. 1.4. Простейшие углеводороды.
Цепочки атомов углерода, соединенных ковалентными связями, образуют основу
не только углеводородов, но и многих других органических веществ. Длина этих
цепочек ничем не ограничена, в них вполне могут входить десятки, сотни, а
иногда и тысячи атомов. Кроме того, углеродные цепочки не обязательно линей-
ны. Они могут ветвиться, а могут и замыкаться в кольца.
Но и это еще не все. Бывают такие углеводороды, где некоторые углерод-
углеродные связи в цепочке — двойные или тройные, то есть образованы двумя
или тремя парами электронов. Напомним, что валентность углерода в органиче-
ских молекулах всегда равна четырем. Поэтому атом углерода, участвующий в об-
разовании двойной связи, может присоединить на один атом водорода меньше, а
при тройной связи — на два атома водорода меньше по сравнению с атомом угле-
рода, все связи которого одинарные. Разумеется, это отражается в формулах ве-
ществ. Простейший углеводород с двойной связью — этилен (С2Н4) , один из отно-
сительно немногих углеводородов, всерьез интересующих физиологов: он служит
гормоном у растений. Простейший углеводород с тройной связью — ацетилен
(С2Н2) . На современной Земле биохимическое значение ацетилена не слишком ве-
лико, зато он распространен в космосе и считается одним из самых вероятных
участников добиологического синтеза, приведшего когда-то к возникновению жиз-
ни. Это довольно активное вещество, которое прекрасно горит и может поэтому
использоваться для освещения. В старину ацетиленовые фары умудрялись ставить
даже на велосипеды. Взрыв такой велосипедной фары стал ярким воспоминанием
героев повести Джерома Джерома "Трое на велосипедах" (продолжения знаменитой
ллТрое в одной лодке") : "...мы тихо-мирно ехали по Уитби-роуд, беседовали о Три-
дцатилетней войне, и вдруг твоя фара взорвалась, как будто из ружья пальнули.
От неожиданности я свалился в канаву. Никогда не забуду лица миссис Гаррис,
когда я говорил ей, что ничего страшного не произошло, волноваться не следует
— тебя уже несут на носилках, а врач с сестрой будут с минуты на минуту..."
Сейчас ацетиленовые светильники используются редко. Дольше всего они продер-
жались на отдаленных маяках, куда было трудно провести электричество.
Двинемся дальше. В некоторых углеводородах замыкание углеродной цепочки в
кольцо сочетается с присутствием двойных связей, причем сразу нескольких. Са-
мый известный из таких углеводородов — бензол (СбНб) . Молекула бензола — это
кольцо из шести атомов углерода с тремя одинарными и тремя двойными связями
между ними (см. рис. 1. 5А) . Одинарные и двойные связи в кольце строго череду-
ются. В результате у каждого атома углерода остается по одной свободной ва-
лентности , и эти валентности заполняет, как всегда, водород.
Н
Н. <^\ Н
С ' С
сч с
в
н
н
н
н
I
с
с
с.
с
I
н
-с"
н
н
Рис. 1.5. Структура молекулы бензола.
Структуру бензола выяснил тот же знаменитый химик, который открыл четырех-
валентность углерода, — немец Фридрих Август Кекуле. В свое время это было
занимательной химической "интригой": состав молекулы бензола — шесть атомов
углерода и шесть атомов водорода — уже был точно известен, а вот порядок свя-
зей в этой молекуле долго оставался загадкой. Кекуле далеко не сразу удалось
ее разгадать. Однажды он задремал днем у камина и увидел сон, в котором не-
сколько переплетающихся змей образовали кольцо. Сон и подсказал ему правиль-
ную графическую формулу бензола. Эту историю часто рассказывают школьные учи-
теля химии, почему-то заменяя змей на цепляющихся друг за друга обезьян, ко-
торых Кекуле якобы видел в зоопарке. Про обезьян, судя по всему, чистейшая
выдумка; но сон, навеянный размышлениями о бензоле, действительно был, и
структуру бензола Кекуле установил в результате верно.
Правда, тут есть одна важная поправка. Проведенные в XX веке физические ис-
следования показали, что все шесть углерод-углеродных связей в молекуле бен-
зола на самом деле одинаковы: одинарные связи там невозможно отличить от
двойных. Объясняется это тем, что электроны, образующие двойные связи, дело-
кализованы ("размазаны") по всему кольцу. И в результате все углерод-
углеродные связи в бензоле не строго одинарные и не строго двойные, а как бы
"полуторные" (см. рис. 1.5Б). На схемах органических молекул шестичленное уг-
леродное кольцо с такой системой связей часто обозначают простым шестиуголь-
ником с кругом внутри (см. рис. 1.5В, Г). Эта структура — так называемое аро-
матическое ядро — есть во многих органических молекулах, в том числе и биоло-
гически активных. Ароматическое ядро, не входящее в состав никакой другой мо-
лекулы, — это просто бензол.
Жаль только, что Фридриха Августа Кекуле обычно упоминают в книгах в связи
с формулой бензола и ни с чем другим. Тем самым его невольно недооценивают.
Ведь Кекуле открыл не что-нибудь, а четырехвалентность углерода! Это одно из
важнейших химических открытий XIX века, сильно повлиявшее на развитие не
только химии, но и биологии.
Углеводороды, как правило, биохимически неактивны. Подавляющее большинство
органических соединений, участвующих у живых организмов в обмене веществ, со-
держит как минимум еще и кислород, то есть к углеводородам никак не относит-
ся.
Спирты
Теперь давайте вспомним, что валентность кислорода равна двум. На языке хи-
мических символов это означает, что кислород может входить в органические со-
единения в виде группы -О-. Если же одну из валентностей кислорода займет во-
дород, то получится группа -0-Н, сокращенно просто -ОН (черточку, обозначаю-
щую связь, в формулах часто опускают, это никак не влияет на их смысл). Груп-
па -ОН называется гидроксильной, а органические соединения, в состав которых
она входит, — спиртами (см. рис. 1.6).
Рис. 1.6. Простейшие спирты.
Самый простой из всех возможных спиртов — метиловый, или метанол. Он вклю-
чает всего один атом углерода, к которому присоединены три атома водорода и
гидроксильная группа. Формулу метилового спирта можно записать так: СНзОН.
Добавим, что группа -СН3 называется метильной. Итак, молекула метилового
спирта состоит только из метильной и гидроксильной групп.
Если атомов углерода в молекуле больше одного, то получаются более сложные
спирты — этиловый (С2Н5ОН) , пропиловый (С3Н7ОН) , бутиловый (С4Н9ОН) и так да-
лее. В общем, любой спирт можно описать как соединение, состоящее из гидро-
ксильной группы и углеводородного радикала (радикал — это изменяемая часть
молекулы, все равно что х в арифметическом уравнении).
В спирте может быть и несколько гидроксильных групп, если присоединить их к
разным атомам углерода (к одному и тому же нельзя: такая молекула будет слиш-
ком неустойчивой). Например, можно создать спирт с двумя атомами углерода,
двумя гидроксильными группами и формулой С2Н4(ОН)2. Это будет этиленгликоль.
Возможен и спирт в виде цепочки из трех атомов углерода, каждый из которых
несет свою гидроксильную группу. Это будет глицерин. Все свободные валентно-
сти и в этиленгликоле, и в глицерине заняты атомами водорода (далее мы будем
опускать это уточнение, с органическими веществами оно подразумевается само
собой). Краткая формула глицерина — СзН5(ОН)3. Биохимикам он интересен, пото-
му что с его участием образуются жиры и некоторые другие важные для клеток
вещества — мы поговорим о них в главе 5.
Переведем дух. Очевидно, что обилие химических формул (а дальше их будет
еще больше!) при поверхностном взгляде вполне может отпугнуть человека, кото-
рый раньше никогда в своей жизни ни с чем подобным не сталкивался. Очередная
хорошая новость заключается в том, что в этой области практически невозможно
ошибиться. Ведь, по сути, единственное, что надо знать для составления формул
органических веществ, — это валентности элементов (напомним: водород — 1, ки-
слород — 2, азот — 3, углерод — 4, фосфор — 5). Любая графическая формула,
нарисованная с соблюдением этих валентностей, уже тем самым будет правильной.
Конечно, вещество может оказаться редким, или неустойчивым, или никем еще не
полученным, или относящимся к неизвестному вам классу, но его формула от это-
го верной быть не перестанет. Полная творческая свобода: знай себе комбинируй
готовые блоки в новые структуры.
Формулы органических веществ в чем-то напоминают китайские и японские ие-
роглифы. Они примерно так же составляются из набора готовых радикалов (из-
вестный филолог-японист Кирилл Черевко так и пишет: ллИероглифы образуются из
различных сочетаний ограниченного числа простых элементов — подобно тому как
из атомов образуются молекулы"). Причем в случае с иероглифами количество ра-
дикалов намного (в десятки раз) больше, а правила их сочетания куда прихотли-
вей.
Любая графическая формула — это своего рода уникальный "портрет" данного
соединения. Из запечатленного в ней порядка связей сразу же следуют многие
свойства вещества, как физические, так и химические. Например, гексан (C6Hi4)
и бензол (СбНб) существенно различаются по свойствам, хотя оба они — углево-
дороды, включающие по шесть атомов углерода. Свойства соединений, в состав
которых дополнительно входит кислород или азот, скорее всего, будут разли-
чаться еще сильнее. И что самое главное, эти различия будут закономерными:
химик, мало-мальски разбирающийся в строении молекул, легко их предскажет.
В общем, мир органических соединений разнообразен, увлекателен и, главное,
внутренне логичен. Знакомство с ним, даже на самом начальном уровне, менее
всего похоже на примитивную зубрежку. Воспримем это знакомство как легкую
прогулку по ллзоологическому саду молекул" — наподобие ллзоологического сада
планет", о котором писал Гумилев в стихотворении "Заблудившийся трамвай". В
этой области чем больше формул — тем понятнее.
От эфиров
до углеводов
Сделаем еще один шах1. Кислород (-0-) может входить в органические молекулы
не только в составе гидроксильной группы. С тем же успехом он способен обра-
зовать мостик между двумя атомами углерода, как, например, в диметиловом эфи-
ре : СН3-0-СН3. Вещества с общей формулой Ri-0-R2, где Ri и R2 - любые углеводо-
родные радикалы, называются простыми эфирами. Диметиловый эфир — их простей-
ший представитель.
Остановимся в этом месте. Нам уже знакомо вещество под названием "этиловый
спирт" (он же просто этанол). Так вот, краткая формула этилового спирта пол-
ностью совпадает с записанной таким же способом краткой формулой диметилового
эфира: С2НбО! Хотя это совершенно разные вещества, они относятся к разным
классам и обладают разными химическими свойствами. Вещества, имеющие одинако-
вый атомный состав, но разную структуру, называются изомерами. Изомерия, то
есть существование изомеров, — это очень частое явление в органической химии,
в том числе и в биохимии.
Легко заметить, что этиловый спирт (СН3-СН2ОН) и диметиловый эфир (СН3-0-
СН3) на самом деле отличаются только положением атома кислорода: в одном
случае он находится между углеродом и водородом, а в другом — между двумя
углеродами. Такого изменения часто бывает достаточно, чтобы "перенести"
вещество в другой класс или, во всяком случае, серьезно изменить его
свойства. Разные органические молекулы строятся из одних и тех же блоков по
принципам, очень напоминающим знаменитый конструктор лего. А число изомеров у
сложных молекул может быть любым — вплоть до десятков, сотен, тысяч,
миллионов и так далее. У белков и нуклеиновых кислот оно вообще достигает
астрономических величин (см. главы 3, 8).
Разнообразие кислородсодержащих органических веществ вовсе не исчерпывается
спиртами и простыми эфирами. Дело в том, что кислород может образовать с уг-
леродом не только одинарную связь, но и двойную. К самому кислороду тогда
больше ничего не присоединяется (двойная связь поглощает обе его валентно-
сти) , и возникает легко узнаваемая группа -СО-. Если по обеим сторонам этой
группы находятся углеводородные радикалы, такое соединение называется кето-
ном. Общая формула кетона: R1-CO-R2. Самый простой кетон имеет формулу СН3-СО-
СН3 и называется ацетоном; он широко известен как бытовой растворитель. Если
же по одну сторону от группы -СО- находится углеводородный радикал, а по дру-
гую просто атом водорода, то такое соединение называется альдегидом. Общая
формула альдегида: R-CO-H.
Интересно, что и вещество с формулой Н-СО-Н, где оба радикала сводятся к
атомам водорода, тоже принято считать альдегидом. Название этого вещества —
муравьиный альдегид, или формальдегид. Это одно из самых простых органических
веществ в природе. Водный раствор формальдегида, часто используемый биологами
для консервации объектов, — жидкость с отвратительным едким запахом, которая
называется формалином. За формальдегидом по сложности следует уксусный альде-
гид (СН3-СО-Н), ну и так далее.
Бывает и так, что в одну и ту же молекулу входит несколько разных кислород-
содержащих групп. Например, спирт, который одновременно является альдегидом
или кетоном, по научному называется углеводом. Самый простой из всех возмож-
ных углеводов — гликольальдегид, формула которого СН2ОН-СО-Н. Как видим, гли-
кольальдегид включает в себя всего два атома углерода. Один из этих атомов
углерода несет гидроксильную группу (как в любом спирте), а второй входит в
состав альдегидной группы.
Относительно простые углеводы часто называют сахарами. Таким образом, гли-
кольальдегид — это двухуглеродный сахар. Вот тут мы уже в полной мере заходим
в область биологии: гликольальдегид — важный участник обмена веществ во всех
живых клетках.
Еще более широко известны сахара, основу которых образуют цепочки из пяти
или шести атомов углерода. Такие сахара называют, соответственно, пяти- или
шестиуглеродными. Познакомимся для начала с тремя их представителями:
■ рибоза — пятиуглеродный сахар с четырьмя гидроксильными группами и альде-
гидной группой;
■ глюкоза — шестиуглеродный сахар с пятью гидроксильными группами и альде-
гидной группой;
■ фруктоза — шестиуглеродный сахар с пятью гидроксильными группами и кето-
группой.
Краткую формулу рибозы можно записать так: C5Hi0O5. А глюкоза и фруктоза —
изомеры с общей формулой СбН^Об. Сравнив их графические формулы, легко уви-
деть, что глюкоза отличается от фруктозы только положением группы -СО- (в
глюкозе на конце углеродной цепочки, а во фруктозе внутри нее). Этого доста-
точно, чтобы дать веществу совсем другие химические свойства. И действитель-
но , фруктоза несколько иначе, чем глюкоза, участвует в нашем обмене веществ.
Именно поэтому ее часто используют в качестве заменителя обычного сахара (в
состав которого глюкоза как раз входит). Сладкие продукты "на фруктозе" можно
сейчас найти в любом супермаркете.
Мир
кислот
Следующий интересный класс веществ — карбоновые кислоты (см. рис. 1.7). Это
соединения, в состав которых входит группа -СО-ОН (она называется карбоксиль-
ной) . Любая карбоновая кислота по общему виду формулы похожа на альдегид, но
отличается от него "лишним" атомом кислорода, который и превращает альдегид-
ную группу (-СО-Н) в карбоксильную (-СО-0-Н). Общая формула карбоновой кисло-
ты: R-COOH, где R — любая углеводородная цепочка или просто атом водорода.
Простейшая карбоновая кислота — муравьиная (НСООН). Следующая по сложности
— уксусная (СН3СООН) , затем — пропионовая (С2Н5СООН) , масляная (С3Н7СООН) и
т.д. Бывают и гораздо более экзотично выглядящие карбоновые кислоты: напри-
мер, щавелевая, молекула которой представляет собой две карбоксильные группы,
соединенные встык (НООС-СООН). Она действительно есть в щавеле, а также в ре-
вене и некоторых других растениях. Или бензойная кислота, имеющая в качестве
радикала ароматическое ядро (СбН5СООН) . Она тоже содержится во многих расте-
ниях, например в бруснике и клюкве, а еще служит широко распространенным кон-
сервантом (пищевая добавка Е210).
Более того, молекула карбоновой кислоты вполне может включать в себя и дру-
гие группы, кроме карбоксильной. Например, в некоторых кислотах помимо кар-
боксильных групп есть гидроксильные (см. рис. 1.8). Такие соединения, по оп-
ределению, являются одновременно кислотами и спиртами. Их называют спиртокис-
лотами или (чаще) оксикислотами. Именно к этому классу относится важный про-
межуточный продукт нашего обмена веществ — молочная кислота, молекула которой
включает три атома углерода, одну карбоксильную группу и одну гидроксильную
(СН3-СНОН-СООН). Винная кислота, химию которой в свое время изучал великий
Луи Пастер, устроена чуть сложнее: четыре атома углерода, две карбоксильные
группы и две гидроксильные (НООС-СНОН-СНОН-СООН). Она действительно есть в
вине, а иногда добавляется и в еду, например в кондитерские изделия (пищевая
добавка Е334). Заметим, что пугаться таких добавок не стоит: очень часто они,
как в данном случае, представляют собой безобидные вещества, с тем же успехом
изобилующие в самых что ни на есть натуральных продуктах. Винной кислоты, на-
пример, много в винограде и яблоках.
н
н
н
//
с
\
н
н н
н — с — с
//
\
н
муравьиная
кислота
ОН ^ он
уксусная кислота
н н н
//
с
\
н
//
с
\
н н н
масляная кислота
ОН
н н
пропионоеая кислота
О О
W //
С С
/ \
но он
щавелевая кислота
ОН
W
С
/
н
// \\
н н
но
\
/
н
он
но
//
\
н н
он
малоновая кислота
янтарная кислота
Рис. 1.7. Карбоновые кислоты.
Н
//
С
\
н
н он
молочная кислота
он
но
с
/
)
1
С 1
1
: —
он он
винная ки
слота
//
\
н
н
он
//
с
\
он
н о
пировиноградная кислота
Рис. 1.8. Оксикислоты.
Бывают и такие кислоты, которые одновременно являются альдегидами или кето-
нами. Тут достаточно одного примера: пировиноградная кислота — простейшая ке-
токислота с формулой СН3-СО-СООН. Эта молекула тоже играет огромную роль в
нашем обмене веществ (см. главу 11).
И еще несколько слов о спиртах. Карбоновая кислота и спирт могут вступить
между собой в реакцию, при которой от карбоксильной группы отщепляется -ОН, а
от спиртовой -Н. Эти отщепленные фрагменты тут же образуют воду (формула ко-
торой Н-О-Н или Н20). А остатки кислоты и спирта соединяются в сложный эфир —
молекулу с общей формулой R1-CO-O-R2. Надо учитывать, что сложные эфиры и уже
знакомые нам простые эфиры — это совершенно разные классы соединений, которые
ни в коем случае нельзя путать. По-английски, например, они обозначаются раз-
ными корнями, соответственно ester (сложный эфир) и ether (простой эфир).
Среди биологически активных веществ есть и те и другие, но сложных эфиров там
в целом больше. Без знания того, что это такое, невозможно разобраться, на-
пример, в устройстве клеточной мембраны.
Кислоты
versus2
основания
А теперь нам самое время задаться вопросом, что такое кислота. И заодно —
что такое основание.
Начнем с кислоты. Как правило, кислотой называют молекулу, которая в водном
растворе диссоциирует (это высоконаучный термин, означающий "распадается") на
катион водорода, то есть протон (Н+), и некий анион. Например, уксусная ки-
слота (СН3СООН) распадается в водном растворе на протон и ацетат-ион, имеющий
формулу СН3СОО~. Так же ведут себя и все остальные карбоновые кислоты. И не
только карбоновые, но и любые другие. Например, соляная кислота (НС1) потому
и называется кислотой, что распадается в воде на протон (Н+) и ион хлора (С1~
). Правда, на самом-то деле протон не способен самостоятельно существовать в
водном растворе — он всегда мгновенно захватывается водой, образуя так назы-
ваемый ион гидроксония (Н30+) . Концентрацию именно этих ионов реально измеря-
ют при определении кислотности раствора.
Шведский химик Сванте Аррениус определял кислоту как соединение, диссоции-
рующее в водном растворе с образованием протона (Н+) , а основание — как со-
единение, диссоциирующее в водном растворе с образованием гидроксил-иона (0Н~
). Это определение — исторически первое и до сих пор самое известное, именно
его обычно учат на уроках химии в школе. Хороший пример основания по Аррениу-
су — едкий натр NaOH, он же гидроксид натрия или просто натриевая щелочь. Это
типичное ионное соединение. Даже в твердом состоянии натриевая щелочь состоит
из ионов [Na+] и [0Н~] , а в воде она на эти ионы тут же распадается.
Теперь — плохая новость. В биохимии определение кислот и оснований по Арре-
ниусу совершенно неприменимо. Вместо него мы будем пользоваться определением
датского химика Йоханнеса Николауса Брёнстеда: кислота — молекула, отдающая
протон, основание — молекула, принимающая протон.
Что это значит? Пусть, например, у нас взаимодействуют уксусная кислота и
вода. В процессе взаимодействия от уксусной кислоты (СН3СООН) оторвется про-
тон (Н+) , который перейдет к воде (Н20) . В результате получатся анион СН3СОО~
и катион Н30+. В этой реакции уксусная кислота "работает" кислотой (она отда-
ла протон), а вода — основанием (она присоединила протон). Это и есть опреде-
ление Брёнстеда. Запись этой реакции будет такой:
СНзСООН + Н20 = CH3C00" + Н30+
А если для простоты проигнорировать участие воды, то такой:
СНзСООН = СН3СОО" + Н+
По Брёнстеду, "кислота" или "основание" — это не постоянное свойство соеди-
нения, а только и исключительно его роль в данной химической реакции. В прин-
ципе даже уксусная кислота может оказаться в "непривычной" для себя роли ос-
нования, если смешать ее с какой-нибудь более сильной кислотой — например,
серной (H2S04) . В этом случае серная кислота отдаст протон и превратится в
анион HS04~, а уксусная кислота присоединит протон и превратится в довольно
2 Против
редкий, однако вполне реально существующий катион СН3СООН2+:
СНзСООН + H2S04 = HS04" + СН3СООН2+
И, по нашему определению, уксусная кислота в этой реакции будет основанием.
К счастью, условия, с которыми приходится иметь дело в биологии, настолько
однотипны, что для подавляющего большинства веществ смена ролей кислот и ос-
нований там редкость. Так что мы можем смело считать кислотой любую молекулу,
которая в условиях живой клетки обычно отдает протон, а основанием — любую
молекулу, которая в условиях живой клетки обычно его присоединяет. Единствен-
ное важное исключение — вода. Она примерно с одинаковым успехом может и отда-
вать протон, и присоединять его. Для всех остальных веществ "роли" кислот и
оснований тут более-менее постоянны.
Одно из самых распространенных в природе оснований — гидроксил-ион ОН", тот
самый, который образуется при диссоциации щелочи. Он очень легко присоединяет
к себе протон и превращается в воду. Но с тем же успехом в составе основания
может и не быть атомов кислорода. Например, аммиак (NH3) — образцовое основа-
ние , никакого кислорода не содержащее. В растворе молекула аммиака присоеди-
няет к себе протон и превращается в катион аммония (NH4+) . Кстати, этот ион
очень похож по структуре на молекулу метана (СН4) . Различаются они только за-
рядом ядра центрального атома.
А теперь вернемся к органической химии. Соединения углерода, в которых есть
группа -NH2, называются аминами. Общая формула аминов: R-NH2. Сама группа -NH2
называется аминогруппой. При желании вполне можно сказать, что амин — это ам-
миак, у которого вместо одного из атомов водорода углеводородная цепочка.
Аминогруппа в составе амина сохраняет основные свойства (такие же, как у ам-
миака) , поэтому амины остаются полноценными основаниями. Самый простой из
всех возможных аминов — метиламин (CH3-NH2) , где атом углерода всего один.
Как и следует из названия, он состоит из двух групп: метильной и аминогруппы.
Между прочим, это то самое вещество, с кражами которого был связан ряд при-
ключений героев захватывающего сериала "Во все тяжкие" (Breaking Bad).
Что ж, двинемся еще на шаг вперед. Любое вещество, включающее одновременно
аминогруппу (-NH2) и карбоксильную группу (-СООН) , то есть являющееся одно-
временно амином и карбоновой кислотой, называется аминокислотой. Вот мы и до-
брались до насущного хлеба биохимиков. Роль аминокислот в живых организмах
огромна: они служат и питательными веществами, и промежуточными продуктами
обмена веществ, и — это, пожалуй, самое главное — ллкирпичиками", из которых
строятся важнейшие для земной жизни молекулы, а именно белки. Как именно это
происходит, мы узнаем в главе 3.
Любая аминокислота проявляет одновременно кислотные свойства (как карбоно-
вая кислота) и основные (как амин). Когда аминокислота попадает в водный рас-
твор, ее карбоксильная группа обычно теряет протон, зато аминогруппа в тот же
самый момент протон приобретает. В результате получается цвиттер-ион — ней-
тральная молекула, разные части которой несут компенсирующие друг друга раз-
ноименные заряды. Карбоксильная группа, отдав протон, становится анионом,
аминогруппа, присоединив протон, становится катионом, а суммарный электриче-
ский заряд молекулы аминокислоты в результате остается равным нулю.
Самая простая из всех возможных аминокислот — глицин. Формула глицина: NH2-
СН2-СООН. Интересно, что в нашем организме, как и в организмах многих живот-
ных, глицин служит нейтротрансмиттером, то есть веществом, передающим сигналы
в нервной системе. Причем его действие на нервные клетки — тормозящее, то
есть затрудняющее возбуждение. Именно поэтому глицин часто принимают в каче-
стве успокоительного. Так вот, по химической формуле это типичная аминокисло-
та . В цвиттер-ионной форме она будет выглядеть так: NH3+-CH2-COO~.
Углеродный
шовинизм
Сейчас мы знаем уже довольно много о химических "слагаемых" жизни. Мы зна-
ем, что такое спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, простые и слож-
ные эфиры, углеводы, амины и аминокислоты. Все это — соединения углерода. Но
вот вопрос: обязательно ли любая жизнь должна быть основана на углероде?
Мнение, что жизнь может быть только углеродной, еще в 1970-х годах стали
называть "углеродным шовинизмом". Люди, употреблявшие этот термин — например,
известный философ Пауль Фейерабенд, — считали ллуглеродный шовинизм" признаком
ограниченности воображения ученых, не способных допустить существование чего-
то высокоорганизованного, но при этом принципиально отличающегося от привыч-
ных нам земных животных и растений. Этот подход отлично спародировал Стани-
слав Лем в "Звездных дневниках Ийона Тихого". Есть там эпизод, где один уче-
ный-негуманоид, житель огненной планеты с аммиачной атмосферой, поучает сво-
его студента следующим образом:
"Как выглядят разумные существа иных миров? Прямо не скажу, подумай сам,
научись мыслить. Прежде всего, они должны иметь органы для усвоения аммиака,
не правда ли? Какое устройство сделает это лучше, чем скрипла? Разве они не
должны перемещаться в среде в меру упругой, в меру теплой, как наша? Должны,
а? Вот видишь! А как это делать, если не хожнями? Аналогично будут формиро-
ваться и органы чувств — зрявни, клуствицы и скрябы..."
Что ж, не будем уподобляться косному мудрецу с огненной планеты. Включим
воображение. В мысленных экспериментах на роль химической основы жизни не раз
предлагались вместо углерода другие элементы, способные создавать цепочки
атомов, — кремний (Si), бор (В) или азот (N). Однако бор и азот имеют валент-
ность 3, а не 4, и это уже ограничивает разнообразие соединений, которые из
них можно получить. При этом бора во Вселенной чрезвычайно мало, а длинные
цепочки атомов азота образуются только при огромных давлениях, какие могут
существовать разве что в глубинах планет-гигантов. В условиях, более-менее
напоминающих земные, самым вероятным кандидатом на роль заменителя углерода
остается кремний. Он имеет подходящую валентность 4, образует соединения, по-
добные углеводородам, и может реагировать с кислородом. Но есть несколько
причин, по которым углерод при прочих равных условиях все же больше подходит
на роль химической основы жизни.
Во-первых, углерод легко образует двойные связи (важнейшее для земной био-
химии свойство!), а кремний из-за большего размера атома к этому неспособен.
Во-вторых, двуокись углерода (СОг) — это при нормальных условиях углекислый
газ, прекрасно растворяющийся в воде. А двуокись кремния (Si02) при тех же
условиях — тугоплавкое твердое вещество с кристаллической решеткой, прошитой
множеством ковалентных связей. Чистый Si02 — это попросту кварц. Очевидно,
что включить его в обмен веществ было бы гораздо труднее, чем углекислоту
С02.
В-третьих, кремний-кремниевая связь менее прочна, чем углерод-углеродная,
поэтому кремневодороды по сравнению с углеводородами гораздо легче разлагают-
ся.
В итоге надо признать: вероятность, что жизнь на других планетах окажется
углеродной, достаточно высока. И тот факт, что наша собственная жизнь оказа-
лась углеродной, определенно неслучаен. Но это вовсе не значит, что живые су-
щества, возникшие в любой точке Галактики, будут копиями земных! Любители по-
спорить о возможности кремниевой жизни зачастую упускают из виду, что альтер-
нативная биохимия, очень сильно отличающаяся от земной, в принципе может быть
получена и без всякого нарушения ллуглеродного шовинизма".
Давайте-ка еще раз присмотримся к химическим компонентам живых клеток. Из
тех веществ, которые нам уже знакомы, в состав клеток входят, прежде всего,
спирты, углеводы, сложные эфиры, карбоновые кислоты, оксикислоты и аминокис-
лоты. Что у них общего? Ответ однозначен: все эти соединения — кислородсодер-
жащие . Мы уже видели, что группы, за счет которых они отличаются друг от дру-
га, почти всегда включают кислород (аминогруппа тут — единственное исключе-
ние, но и в аминокислотах кислород по определению всегда есть). Итак, земная
жизнь построена из кислородсодержащей органики.
Однако ниоткуда не следует, что эта возможность — единственная. В состав
органических молекул вполне могут входить и многие другие элементы помимо ки-
слорода — например, азот и сера. С азотом мы уже знакомы, а о сере (S) сейчас
достаточно сказать, что ее валентность в органических веществах чаще всего
равна двум — как у кислорода. А теперь назовем навскидку несколько классов
органических соединений, в которых есть азот или сера, зато никакого кислоро-
да нет (см. рис. 1.9):
■ имины — соединения с двойной связью между углеродом и азотом (C=N);
■ нитрилы — соединения с тройной связью между углеродом и азотом (C=N);
■ азосоединения, включающие двойную связь между атомами азота (N=N);
■ тиолы, тионы, тиоэфиры, тиоальдегиды и тиокарбоновые кислоты — аналоги,
соответственно, спиртов, кетонов, простых эфиров, альдегидов и карбоновых
кислот, в состав которых вместо кислорода входит сера.
Зная валентности элементов, мы можем легко представить себе набор простых
представителей иминов (CH3-CNH-CH3) , нитрилов (CH3-C=N) , азосоединений (СН3-
N=N-CH3) , тиолов (CH3-SH) , тионов (CH3-CS-CH3) , тиоэфиров (CH3-S-CH3) , тиоальде-
гидов (CH3-CS-H) и тиокарбоновых кислот (CH3-CS-SH) . В химическом "зоопарке"
Земли это довольно редкие экспонаты — настолько, что не во всяком учебнике
химии найдется упоминание о них. Но везде ли во Вселенной дело обстоит именно
так? Мы этого не знаем. Если какая-нибудь планета будет по своему элементному
составу обеднена кислородом, то вполне возможно, что основой жизни на этой
планете послужит не кислородсодержащая органика, а азотсодержащая или серосо-
держащая. Такая жизнь будет вполне "углеродной" и, тем не менее, химически
совсем иной, чем земная.
Есть, например, предположения, что молекулярная основа инопланетной жизни
может иметь смешанный углеродно-азотный скелет. Аналог углеводорода, постро-
енный на таком скелете, мог бы выглядеть так: CH2=N-CH2-CH=N-CH2-CH=N-... — и
т.д. А где возможны углеводороды (или хотя бы что-то на них похожее), там на-
верняка возможны и более сложные вещества.
Можно добавить, что в современных списках наиболее вероятных химических
предшественников жизни кислородсодержащей органики на самом-то деле не так уж
и много. Зато там фигурируют такие интересные молекулы, как ацетилен (Н-С=С-
Н) , сероводород (H2S) , аммиак (NH3) , синильная кислота (H-C=N) и цианамид
(NH2-C=N) . Глядя на эти формулы, уже нетрудно допустить, что химические
"кирпичики" инопланетных живых существ, отличающиеся от привычных нам Сахаров
и аминокислот, но имеющие похожие функции, в принципе могли бы оказаться и
бескислородными. Во всяком случае, набор возможностей здесь точно гораздо ши-
ре того, что удалось реализовать на Земле.
2. ВОДА
Что такое вода?
Ученые ответят: Н20.
А Дональд Биссет:
— Алмазы на траве.
Наталья Шерешевская. (из книги Дональда
Биссета "Забытый день рождения")
Вода — одно из самых распространенных веществ на планете Земля. Она покры-
вает две трети земной поверхности, и ее очень много в живых организмах — го-
раздо больше, чем любого другого вещества. Подавляющее большинство биохимиче-
ских реакций, то есть превращений жизненно важных молекул друг в друга, идет
в растворах, где вода является растворителем. Воды много и в космосе — напри-
мер, в кометах, в недрах Урана и Нептуна или в межзвездных туманностях. В це-
лом можно сказать, что вода — это одно из самых распространенных веществ не
только на Земле, но и вообще во Вселенной. Иное дело, что далеко не на всех
планетах она встречается в жидком виде (Земля — единственная планета Солнеч-
ной системы, на поверхности которой есть постоянно существующие водоемы). Так
или иначе, неудивительно, что именно вода послужила средой для всем нам зна-
комой жизни.
Что же такое вода с точки зрения химии? Это весьма простая молекула, со-
стоящая всего лишь из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О).
Соответственно, химическая формула воды — Н20. Каждый атом водорода соединен
с атомом кислорода одной ковалентной связью, в полном соответствии с валент-
ностью кислорода, которая (как мы помним) равна двум. Формулу воды можно за-
писать и так: Н-О-Н. Это эквивалентно формуле Н20, которую обычно приводят в
книгах.
Многие свойства воды объясняются тем, что ее молекулы исключительно хорошо
"слипаются" друг с другом. Например, на поверхности водоема они образуют
пленку, по которой клопы-водомерки, отнюдь не микроскопические существа, бе-
гают как посуху. Другие особенности воды как вещества — прекрасная теплопро-
водность и высокая температура кипения (на испарение литра воды надо потра-
тить больше энергии, чем на испарение того же объема чуть ли не любой другой
жидкости). Чтобы понять, почему вода именно такова, надо присмотреться к ее
молекулам повнимательнее.
Водородная
связь
Начнем вот с чего. В общей химии часто встречается понятие
"электроотрицательность", введенное когда-то Лайнусом Полингом. Электроотри-
цательность — это сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя
общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Самый электро-
отрицательный элемент — фтор (F) , а сразу за ним на шкале электроотрицатель-
ности следует кислород (О). Иначе говоря, кислород превосходит по электроот-
рицательности все другие атомы, за исключением фтора, который в живой природе
встречается очень редко. Запомним этот факт, он нам пригодится.
Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между
двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующая ее пара элек-
тронов никуда не смещается. Грубо говоря, эти электроны располагаются между
атомами точно посредине. Такая ковалентная связь называется неполярной. Само
собой разумеется, что любая ковалентная связь между одинаковыми атомами будет
неполярна (например, связь в молекуле водорода Н-Н или углерод-углеродная
связь С-С).
Если же ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны
смещаются к тому из них, у которого электроотрицательность выше. Такая связь
называется полярной (см. рис. 2.1, 2.2 А). При очень большой разнице в элек-
троотрицательности связь может даже превратиться в ионную — это случится, ес-
ли один атом полностью "отберет" общую пару электронов у другого. В молеку-
лах, из которых состоят живые существа, ионные связи встречаются относительно
редко, зато ковалентные полярные — очень часто. Например, это широко распро-
страненные в органических веществах связи С-0 и Н-0 (см. главу 1).
н
н
н
н н
5"
о
5+
н
н
н
н
5"
н
О
8+
С
8"
о
Рис. 2.1. Полярные и неполярные ковалентные связи (метан, мета-
нол, вода и углекислота).
слегка отрицательная область
6.
$ (Q
ь>
слегка положительная область
В
| О
водородная
связь , о
водородная
■ о
I N
связь
N
ковалентная
связь
ковалентная
СВЯЗЬ
Рис. 2.2. Образование водородных связей в воде (А, Б, В) ив аммиаке (Г)
Связь между водородом и кислородом в молекуле воды — это типичная ковалент-
ная полярная связь. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому
общие электроны смещены к нему. В результате на атоме кислорода образуется
маленький отрицательный заряд, а на атомах водорода — маленькие положительные
заряды. На графических формулах эти маленькие заряды, величина которых значи-
тельно меньше единицы, принято обозначать буквой б ("дельта") с добавлением
соответствующего знака. Как мы теперь знаем, связи кислорода с водородом или
углеродом вообще всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, не-
сут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положитель-
ные на водороде или углероде (см. рис. 2.1, 2.2Б).
А вот связь между углеродом и водородом (С-Н) считается неполярной, хоть
атомы и разные. И это тоже очень важно. Между атомами углерода и водорода
разница в электроотрицательности настолько мала, что смещение электронов там
незаметно. Например, молекулы углеводородов, состоящие только из атомов С и
Н, в силу этого полностью неполярны, никаких частичных зарядов, которые хоть
на что-то влияли бы, в них нет.
Теперь вспомним, что положительные и отрицательные электрические заряды со-
гласно закону Кулона притягиваются друг к другу. Например, частично отрица-
тельный атом кислорода одной молекулы воды притягивается частично положитель-
ными атомами водорода других молекул воды. В результате между водородом и ки-
слородом возникают нековалентные связи, основанные на электростатическом при-
тяжении, — они называются водородными (см. рис. 2.2В). Это очень слабые свя-
зи, в жидкой воде они легко образуются и так же легко рвутся при движениях
молекул. Но, несмотря на то, что водородные связи гораздо слабее ковалентных,
они дают сильный эффект, если их много. А в воде их очень много. Например,
именно из-за колоссального количества водородных связей у воды исключительно
высокая теплоемкость — ее трудно нагреть и трудно остудить. Большинство осо-
бенностей воды, так или иначе, связано с тем, что ее молекулы очень хорошо
образуют водородные связи.
"Водородная связь чем-то напоминает любовь втроем", — писал в своем извест-
ном университетском учебнике американский биохимик Люберт Страйер. Он имел в
виду, что в водородной связи атом водорода связан сразу с двумя атомами ки-
слорода: с одним ковалентно (и прочно) , а с другим электростатически (и сла-
бо) . Чтобы образовать водородную связь, атом водорода обязательно должен уже
состоять в ковалентной связи с другим атомом, причем значительно отличающимся
от него по электроотрицательности.
Водородные связи важны не только с точки зрения свойств воды. Они много где
встречаются. Например, в главе 9 мы увидим, что без водородных связей невоз-
можно представить себе структуру молекулы ДНК, от которой зависит хранение
наследственной информации.
Любовь и
ненависть
воды
Любое вещество, растворенное в воде, так или иначе взаимодействует с ней, и
способ этого взаимодействия зависит, прежде всего, от электрических свойств
молекул. Например, если растворить в воде поваренную соль (NaCl), она распа-
дется на положительно заряженные ионы натрия (Na+) и отрицательно заряженные
ионы хлора (С1~) . При этом к ионам натрия молекулы воды "прилипнут" своими
атомами кислорода (несущими маленький отрицательный заряд 5~) , а к ионам хло-
ра — атомами водорода (несущими маленький положительный заряд б+) . В резуль-
тате и те и другие ионы получат оболочку, состоящую из молекул воды (см. рис.
2.3). Образование таких оболочек называется гидратацией. Ионы натрия и хлора
находятся в воде в гидратированном состоянии. Гидратация — процесс, сопутст-
вующий растворению в воде любого вещества (если оно вообще в ней растворимо,
конечно).
Молекулы, в которых много ковалентных полярных связей, тоже прекрасно взаи-
модействуют с водой — в первую очередь потому, что образуют с ней водородные
связи, "цепляясь" за молекулы воды своими частичными зарядами. Такие вещества
хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными ("любящими воду"). К
гидрофильным веществам относятся, например, спирты и углеводы (см. главу 1).
Каждый знает, что столовый сахар (а это типичный углевод) растворяется в воде
очень хорошо. То же самое можно сказать и о спиртах, например, об этиловом
спирте — основе алкогольных напитков. Именно растворам спирта в воде была по-
священа знаменитая диссертация Дмитрия Ивановича Менделеева. Правда, рецепта
водки Менделеев, вопреки распространенной легенде, не разрабатывал. Его инте-
ресовало происходящее при растворении взаимодействие молекул спирта и воды —
тот самый процесс, который мы только что назвали гидратацией. Менделеев убе-
дительно показал, что растворение — это не физическое явление (простое смеши-
вание) , а химическое (включающее образование новых межмолекулярных связей).
Тогда получается, что раствор — это, по сути, новое вещество.
Рис. 2.3. Гидратация ионов.
Как правило, любое наугад взятое органическое соединение будет растворяться
в воде тем лучше, чем больше в нем атомов кислорода. Это понятно: именно во-
круг атомов кислорода обычно образуются водородные связи. Например, молекула
глюкозы (C6Hi206, шесть атомов кислорода!) в этом отношении просто идеальна.
Как раз поэтому сахара, и глюкозу в том числе, очень удобно использовать в
роли быстро усваивающихся питательных веществ.
Молекулы, в которых все связи неполярные, взаимодействуют с водой гораздо
слабее, чем друг с другом. Вещества, состоящие из таких молекул, плохо рас-
творяются в воде и называются гидрофобными ("боящимися воды"). Типичные гид-
рофобные соединения — углеводороды. Как мы знаем, они по определению состоят
только из углерода и водорода, связи между которыми неполярны. Если бросить в
воду парафин (смесь твердых углеводородов, из которой делают свечи), он и не
подумает там растворяться — ни при каких условиях. А если налить в воду бен-
зин (смесь жидких углеводородов, которая служит моторным топливом), то он,
скорее всего, отслоится от нее, образовав четкую поверхность раздела. Вода
как бы ЛЛвыталкивает" эти вещества.
Если в формуле органического соединения есть кислород, то оно, скорее все-
го, гидрофильное, разве что там присутствует какая-нибудь совсем уж огромная
углеводородная цепочка. Гидрофильными бывают и некоторые бескислородные орга-
нические вещества — например, амины.
В биохимии значение различий между гидрофильными и гидрофобными веществами
без преувеличения грандиозно (см. главы 3, 5, 6). Многие детали устройства
клеток без учета этих различий просто невозможно понять. А все потому, что
земная жизнь — водная.
Талассогены
А могут ли подойти для жизни какие-нибудь другие растворители, кроме воды?
Ответ — да. Например, углекислота (ее формула 0=С=0, или просто СОг) знакома
людям, прежде всего, в виде углекислого газа, который мы выдыхаем. Но она мо-
жет и замерзать, образуя так называемый сухой лед. Проблема в том, что при
нагревании в условиях, характерных для Земли, сухой лед сразу испаряется в
газ, минуя жидкую фазу. Потому мы и не видим в быту жидкой углекислоты. Одна-
ко при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, углекислота может ста-
новиться жидкостью. И тогда она представляет собой хороший гидрофильный рас-
творитель, аналогичный по свойствам воде (и легко смешивающийся с ней), в ко-
тором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут
жить даже земные микробы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-
Китайском море исследователи-океанологи нашли целое озеро жидкой углекислоты,
в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии.
Некоторые исследователи считают, что океаны жидкой углекислоты могут суще-
ствовать на так называемых "суперземлях" — планетах с массой, в несколько раз
превосходящей массу Земли. Суперземли — довольно многочисленная категория эк-
зопланет, и возможность жизни на них сейчас активно обсуждается.
Другой перспективный кандидат на роль вмещающей среды для жизни — аммиак
(NH3) . Это гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в
данном случае между водородом и азотом (их разница в электроотрицательности
для этого вполне достаточна, см. рис. 2.2Г). Неудивительно, что по своим фи-
зико-химическим свойствам аммиак напоминает воду. На более холодных планетах,
чем Земля, он находится в жидком состоянии и вполне может быть основой жизни.
Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачны-
ми океанами. Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если на-
счет альтернатив углеродной жизни есть серьезные сомнения (см. главу 1) , то
углеродную жизнь, использующую не воду, а какой-нибудь другой растворитель,
представить себе гораздо легче. Никакие фундаментальные законы не запрещают
ей существовать. Просто так уж сложилось, что на нашей планете из всех рас-
творителей преобладает вода — ну а от добра добра не ищут, и земной жизни ос-
талось лишь развиваться в этих относительно благоприятных условиях.
Еще один гидрофильный растворитель, в котором теоретически допускают воз-
можность жизни, — метиловый спирт, или метанол (СН3ОН) . Для человека это
страшный яд, но тут все зависит от настройки биохимических систем: вообще-то
никакие законы природы не мешают "сконструировать" живой организм, для кото-
рого метанол будет совершенно безобиден, а то и полезен. Метанол — одно из
самых простых органических веществ, и неудивительно, что образуется он очень
легко. Его много в космосе, причем не только на планетах, но и в межзвездных
газопылевых облаках. Некоторые ученые осмеливаются предполагать, что именно
синтез метанола был ключевым химическим звеном на пути к возникновению земной
жизни6. Метанол очень гидрофилен и прекрасно образует водородные связи, при-
мерно такие же, как в воде. Собственно, это и делает его хорошим гидрофильным
растворителем. Как и аммиак, метанол замерзает при гораздо более низкой тем-
пературе, чем вода, и в принципе может быть средой для жизни на более холод-
ных планетах, чем Земля. В Солнечной системе метанола хватает, например, на
Тритоне, крупнейшем спутнике Нептуна.
Наконец, еще один кандидат на роль подходящего для жизни гидрофильного рас-
творителя — сероводород, соединение водорода и серы с формулой H2S (она же Н-
S-H). Молекула сероводорода очень похожа на молекулу воды. Правда, водородные
связи она образует несколько хуже. В Солнечной системе сероводорода много на
Ио — спутнике Юпитера, который отличается невероятной геологической активно-
стью. Поверхность Ио покрыта вулканами, выбрасывающими фонтаны лавы, а состо-
ит эта лава в основном из разнообразных соединений серы, которые текут и за-
стывают , ибо в системе Юпитера очень холодно. Ио — это настоящий "мир льда и
пламени". Если бы на Ио была жизнь, она вполне могла бы быть основана на се-
роводороде , точно так же, как земная жизнь — на воде.
А может ли среда для жизни оказаться не гидрофильной, а гидрофобной? Исклю-
чить такое в принципе нельзя. Например, на крупнейшем спутнике Сатурна — Ти-
тане — есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (СН4) , эта-
на (СгНб) и пропана (СзН8) . Это настоящий гидрофобный растворитель, в котором
некоторые ученые допускают существование жизни, хотя прямых подтверждений
этому пока что нет. Жидкой воды на поверхности Титана не бывает, там слишком
холодно.
В целом, однако, сейчас кажется более вероятным, что главный растворитель
для внеземной жизни окажется гидрофильным (но не обязательно водой). Во-
первых, гидрофильных растворителей в природе просто больше. А во-вторых, все
известные биохимические механизмы слишком уж сильно "заточены" под гидрофиль-
ную среду. Биохимию на гидрофобной основе вообразить гораздо труднее.
Из совсем уж экзотических альтернатив воде можно назвать, к примеру, фторо-
водород (HF, "аш-фтор"). Водный раствор фтороводорода — очень агрессивное ве-
щество, которое называется плавиковой кислотой (в сериале "Во все тяжкие",
главный герой которого — химик, ставший преступником, этой кислотой растворя-
ют трупы). Однако многие органические молекулы, например углеводороды, в ней
совершенно стабильны. К тому же фтороводород прекрасно образует водородные
связи, а это, как мы уже знаем, очень важное для растворителя свойство. Воз-
можность фтороводороднои жизни допускали некоторые ученые, например астроном
Карл Саган. А в фантастической повести Ивана Ефремова "Сердце Змеи" описана
планета с фтороводородным океаном и дышащими фтором разумными жителями, с ко-
торыми земляне вступают в контакт. "Люди Земли увидели лиловые волны океана
из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и
склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием..."
Великий популяризатор науки Айзек Азимов — кстати говоря, биохимик по науч-
ной специальности — не раз задумывался над тем, из каких веществ могли бы об-
разоваться океаны на других планетах. Он назвал такие вещества термином
"талассогены", что буквально значит "производящие море". По определению Ази-
мова , талассоген — это вещество, способное сформировать планетарный океан. В
замечательной книге "Асимметрия жизни" Азимов подробно разбирает проблему
океанов, приходя к выводу, что самые вероятные талассогены — это вода, аммиак
и метан. При этом для планет, расположенных примерно на таком расстоянии от
звезд, как Земля, вода имеет преимущество, потому что она остается жидкой при
более высокой температуре. "Вы можете представить метановые океаны на такой
планете, как Нептун, или аммиачные океаны на планете типа Юпитера, однако во-
да, и только вода может создать океан на внутренней планете вроде Земли". Это
выглядит логичным, но тут есть по меньшей мере один важный нюанс. Азимов пи-
сал эту книгу больше 40 лет назад, когда о планетах других звездных систем не
было известно совершенно ничего. Не было даже уверенности, что они вообще су-
ществуют . А сейчас астрономам известны тысячи экзопланет, и уже ясно, что,
мягко говоря, далеко не все звездные системы похожи на Солнечную. Сочетания
условий там могут быть совершенно другими. Поэтому от расширения списка воз-
можных вариантов вреда, скорее всего, не будет.
Возвращаясь к земной (а вернее, водной) биохимии, будем иметь в виду, что
она — не единственная теоретически возможная. Изучая природу, всегда полезно
помнить любимую мысль Станислава Лема: "Среди звезд нас ждет Неизвестное".
3. БЕЛКИ
— А вот товарищ Амперян говорит, что
без белка жить нельзя, — сказал Витька,
заставляя струю табачного дыма сворачи-
ваться в смерч и ходить по комнате,
огибая предметы.
— Я говорю, что жизнь — это белок, —
возразил Эдик.
— Не ощущаю разницы, — сказал Витька. —
Ты говоришь, что если нет белка, то нет
и жизни.
Аркадий и Борис Стругацкие. «Понедель-
ник начинается в субботу»
В разговорах о современной биологии слово "белок" звучит очень часто. Все
знают, что белки — важнейшие питательные вещества. Но одновременно это еще и
сложные биохимические машины, выполняющие в организме множество самых разных
функций: дыхание, пищеварение, считывание наследственной информации, сокраще-
ние мышц, защита, восприятие света, передача сигналов... проще сказать, чего
белки не делают. Что же это, в конце концов, такое?
Начнем с того, что белки, или протеины, — это огромные молекулы, входящие в
состав абсолютно всех современных живых организмов. История их названия, че-
стно говоря, довольно запутанна. Сам термин "белок" (albumin) вошел в упот-
ребление еще в XVIII веке, и относился он тогда к веществам, подобным всем
известному белку куриного яйца. Что касается термина "протеин" (protein), то
его придумал знаменитый шведский химик Йене Якоб Берцелиус. Кроме этого, Бер-
целиус открыл несколько новых химических элементов, установил формулы ряда
органических кислот, разобрался в явлении электролиза и сделал еще много дру-
гого . В частности, именно Берцелиус открыл явление изомерии и ввел само поня-
тие "изомеры", уже нам знакомое (см. главу 1). Да и термин "органическая хи-
мия" тоже принадлежит ему.
Так вот, в 1838 году Берцелиус предложил назвать некоторые органические ве-
щества "протеинами". Слово это произведено от греческого npwxeiocj,
"первичный". Придумывая свой термин, Берцелиус предполагал, что "протеины" —
это некие первичные строительные блоки живых организмов, и был, как мы сейчас
знаем, совершенно прав.
В русском языке "белок" и "протеин" — строгие синонимы. По буквальному
смыслу "протеин", конечно, точнее, чем "белок". Но как-то уж так сложилось,
что в нашей научной литературе слово "белок" употребляется гораздо чаще, и мы
будем этому следовать. Скорее всего, дело тут просто в том, что слово "белок"
проще для восприятия и привычнее на слух.
Полимеры
В состав белков входят углерод, водород, кислород, азот и, как правило, еще
сера. Ничего особенного в таком химическом составе нет. Гораздо удивительнее
другое. Еще в XIX веке химики обнаружили, что молекулы белков буквально ги-
гантские. По размеру, то есть по количеству атомов, они в сотни раз превосхо-
дят молекулы большинства других органических веществ. Дело в том, что белки
относятся к полимерам — молекулам, состоящим из множества однотипных (но не
обязательно совершенно одинаковых) повторяющихся звеньев, ковалентными связя-
ми соединенных друг с другом (см. рис. 3. 1А) . Такие звенья называются мономе-
рами. Полимеры могут распадаться на отдельные мономеры, а могут и собираться
из них вновь. Эти процессы играют огромную роль в биологическом обмене ве-
ществ, в ходе которого то и дело одни полимеры расщепляются, а другие строят-
ся из мономеров заново. Иногда полимеры называют макромолекулами, то есть по-
просту ЛЛбольшими молекулами".
А
н н
н
н
мономер
(этилен)
Н
н
н
н
I I I
н
н
н
н
н
нннннннн
полимер (полиэтилен)
Н
н
\
/
н
//
с
\
он
н н
N*
н
//
с
\
о
общая формула то же самое,
протеиногемной аминокислоты в цвиттер-ионной форме
Рис. 3.1. Симметрия и диссимметрия молекул. А — симметричная мо-
лекула метана, Б — диссимметрия молекулы, где к углероду присое-
динены четыре разных радикала, В, Г — диссимметрия альфа-
аминокислот на примере аланина.
Очень простой пример полимера — полиэтилен, тот самый, из которого делают
упаковочную пленку, пакеты, изоленту и тому подобные вещи. Это обычный угле-
водород, имеющий, однако, очень длинные молекулы (гораздо более длинные, чем
все, что мы видели до сих пор) . Формула полиэтилена следующая: СН3-СН2-СН2-
СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-. . . За многоточием тут может скрываться
цепочка из нескольких тысяч атомов углерода (разумеется, с присоединенными к
ним атомами водорода, которые всегда заполняют все валентности, не
заполненные другими атомами). Повторяющимся звеном в полиэтилене является
группа -СН2-СН2- (с двумя атомами углерода, а не с одним, потому что при
получении полиэтилена он "сшивается" именно из двухуглеродных молекул). Это и
есть его мономер.
И в живой, и в неживой природе есть много всевозможных полимеров, состоящих
из самых разных типов мономерных звеньев. И как правило, эти звенья гораздо
сложнее, чем в полиэтилене. Например, во многих биологических полимерах моно-
мерами являются сахара (см. главу 6). В белках же мономеры особые, свойствен-
ные только им. Это — аминокислоты.
Альфа,
бета,
гамма...
Аминокислота, как мы знаем, — это вещество, в молекуле которого одновремен-
но есть карбоксильная группа и аминогруппа (см. главу 1). Особенность амино-
кислот, входящих в состав белков, в том, что эти две группы обязательно при-
соединены к одному и тому же атому углерода. Такие аминокислоты называются
альфа-аминокислотами (см. рис. 3.1Б). Если в какой-нибудь аминокислоте кар-
боксильная группа и аминогруппа связаны с разными атомами углерода, то это не
альфа-аминокислота и в состав белков она входить не может.
Почему альфа-аминокислоты называются "альфа" и при чем тут вообще греческие
буквы? Дело вот в чем. Атомы углерода, образующие аминокислоту, принято обо-
значать греческими буквами по порядку, считая от карбоксильной группы (сама
она в счет не идет). Таким образом, первый атом углерода после карбоксила —
это альфа-атом, второй — бета-атом, третий — гамма-атом и т.д. Ив зависимо-
сти от того, к какому атому углерода у них присоединена аминогруппа, амино-
кислоты делятся на альфа-аминокислоты, бета-аминокислоты и прочие.
Например, представим себе аминокислоту с формулой NH2-CH2-CH2-CH2-COOH (см.
далее рис. 3.8). Аминогруппа тут присоединена к третьему атому углерода, счи-
тая от карбоксильной группы, то есть к гамма-атому. Значит, это гамма-
аминокислота. В данном случае она называется гамма-аминомасляной кислотой
(ГАМК). Эта аминокислота есть в организмах большинства животных. Во-первых,
она является промежуточным продуктом обмена веществ, а во-вторых, служит ней-
ротрансмиттером, то есть веществом, передающим сигнал между нервными клетка-
ми. Именно с нарушением ГАМК-эргической (то есть обусловленной ГАМК) передачи
нервных импульсов связано действие одного из самых сильных растительных ядов
— яда цикуты, которым в свое время отравили Сократа. Но вот в состав белков
ГАМК, в отличие от альфа-аминокислот, никогда не входит.
Пептидная
связь
Как альфа-аминокислоты объединяются в белок? Очень просто: карбоксильная
группа одной аминокислоты связывается с аминогруппой другой (см. рис. 3.2А).
От карбоксильной группы отщепляется гидроксил (-ОН), а от аминогруппы — водо-
род (-Н). Эти отщепленные фрагменты тут же соединяются и дают воду (Н-О-Н), а
остатки карбоксильной группы и аминогруппы замыкаются по освободившимся ва-
лентностям друг на друга, образуя новую группу -CO-NH-. Вот через нее-то две
аминокислоты и соединяются между собой.
Группа -CO-NH- называется пептидной группой, а связь между углеродом и азо-
том в ней — пептидной связью. Цепочка аминокислот, соединенных пептидными
связями, называется пептидом (см. рис. 3.2Б). Это более широкое понятие, чем
белок. Все белки — пептиды, но не все пептиды — белки.
Реакция образования пептида в принципе обратима: он может, как синтезиро-
ваться, так и распадаться обратно на отдельные аминокислоты. На одном конце
пептида находится свободная аминогруппа, на другом — свободная карбоксильная
группа. Для краткости конец пептида со свободной аминогруппой принято назы-
вать N-концом, а конец со свободной карбоксильной группой — С-концом.
Короткие пептиды называют или по числу аминокислотных остатков (два остатка
— дипептид, три — трипептид, четыре — тетрапептид...), или собирательно —
олигопептидами. Длинные пептиды с многими десятками аминокислотных остатков
называют полипептидами. Все белки — полипептиды. Аминокислотных остатков в
них обычно даже не десятки, а сотни. "Средний" белок, типичный для живой при-
роды, включает примерно 300-350 аминокислот. Белок из 200 аминокислот счита-
ется небольшим. Неудивительно, что белковые молекулы поразили когда-то хими-
ков своими размерами.
R1 H R2
Н О
I II
са-с-о
I
Rs Оконец
Разнообразие
и единство
В состав белков входит 20 стандартных аминокислот, одних и тех же у всех
живых организмов. Как мы уже знаем, все они — альфа-аминокислоты, а это зна-
чит, что их общую формулу можно записать вот как: R-CH (NH2) -СООН. Буква R
тут, как всегда, обозначает радикал, то есть изменяемую часть молекулы.
Аминокислоты, образующие белки, называют протеиногенными, от уже знакомого
нам слова ЛЛпротеин". Две самые простые протеиногенные аминокислоты — глицин
(где радикал — атом водорода) и аланин (где радикалом служит метильная группа
-СН3). У других аминокислот радикалы сложнее. Для читателей-эрудитов добавим,
что все нестандартные аминокислоты (селеноцистеин, пирролизин, гидроксилизин,
гидроксипролин) так или иначе являются производными стандартных и нас пока не
интересуют. А стандартных — ровно 2 0.
Свойства любого пептида зависят не только от того, какие аминокислоты в не-
го входят, но и от того, в каком порядке они там расположены. Например, пред-
ставим себе дипептид, состоящий из глицина и аланина. Как он будет выглядеть?
Если в создании пептидной связи примут участие карбоксильная группа глицина и
аминогруппа аланина, дипептид будет таким: NH2-CH2-CO-NH-CH (CH3) -СООН. Но воз-
можен и другой случай, когда пептидную связь образуют, наоборот, карбоксиль-
ная группа аланина и аминогруппа глицина. Тогда пептид получится вот таким:
NH2-CH (СН3) -CO-NH-CH2-COOH. Как видим, это два разных соединения. В белках,
состоящих из сотен аминокислот, порядок расположения этих аминокислот не ме-
нее важен — только вот возможных вариантов там намного больше.
Глядя на формулы, легко убедиться, что два наших дипептида — не что иное,
A H3N—CH—C-LoH +H-I-N—СН— СОО
аминокислотный
остаток в пептиде
Н'°Иг*Н2° "г
дипептид
аминокислоты)
пептидная группа
пептидная связь
н о
I I
+H3N-Ca-C-N
I I
N-монец R, H
Н Н Н О
I III
Ca-C-N-Ce-C-N
Н
I
н
I
I I
R2 О
I
I
н
Ce-C-N
I I
R4 О
Рис.3.2. Образование пептидной связи.
как изомеры (см. главу 1) . То же относится к любым пептидам, отличающимся
друг от друга порядком расположения одних и тех же аминокислотных остатков. И
число таких изомеров в случае с длинными пептидами может быть огромным. На-
пример, можно вычислить, что для декапептида, состоящего из 10 разных амино-
кислот, число возможных изомеров равно 3 628 800. А ведь декапептид — это да-
же не белок. Для любого крупного белка число изомеров будет в буквальном
смысле астрономическим. Вот почему разных белков так много.
Порядок расположения аминокислот крайне важен для того, чтобы белок пра-
вильно выполнял свою функцию. Он должен быть таким же точным, как порядок
букв в напечатанной фразе. Единственная замена или перестановка вполне может
сделать белок совершенно ЛЛбессмысленным", то есть бесполезным для организма.
Между тем никакими чисто химическими средствами такую точность синтеза белка
обеспечить невозможно. Первым, кто над этим всерьез задумался, был выдающийся
русский биолог Николай Константинович Кольцов. ЛЛМолекула октокайдекапептида,
состоящая из 18 аминокислот, может иметь около триллиона изомеров, а изомеры
сложных белковых молекул должны исчисляться центильонами (число из 600 цифр).
Представляется совершенно невероятным, чтобы синтез определенного изомера
белков определялся исключительно внешними условиями реакции", — писал Кольцов
еще в 1927 году. Из этого следовал важнейший вывод: информация, задающая по-
рядок аминокислот в белке, непременно должна храниться где-то в организме.
Она должна копироваться, передаваясь из поколения в поколение, и считываться
по первому запросу, когда тот или иной белок понадобится создать. Все это,
как мы сейчас понимаем, совершенно верно. О том, как в действительности рабо-
тают эти механизмы, мы узнаем из главы 9.
В отличие от некоторых других полимеров, белки никогда не ветвятся. Любой
белок — это строго линейная цепочка аминокислот. Сами аминокислоты, входящие
в состав белка, принято обозначать буквами: например, глицин обозначается бу-
квой G, аланин — буквой А и т.д. Поэтому формулу любого белка можно записать
в виде простой последовательности букв, соответствующих аминокислотам. На са-
мом деле так обычно и делают.
ллКирпичики",
из которых
состоит
жизнь
Итак, мы видим, что аминокислоты, входящие в состав белков, построены по
одной схеме. В любой из этих аминокислот есть карбоксильная группа и амино-
группа, присоединенные к центральному атому углерода (тому, который мы назва-
ли альфа-атомом). Кроме того, к центральному атому углерода всегда присоеди-
нен атом водорода. Таким образом, из четырех валентностей альфа-углеродного
атома три всегда заняты одними и теми же группами — карбоксильной, аминогруп-
пой и атомом водорода. В этих частях молекул никакого разнообразия нет.
А вот четвертая валентность альфа-атома углерода занята изменчивой группой,
которую мы для удобства назвали радикалом (-R). По ней-то аминокислоты и раз-
личаются (см. рис. 3.3).
Есть несколько аминокислот, у которых радикалы чисто углеводородные: ала-
нин , валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин. Две из них — лейцин и изолейцин —
являются изомерами друг друга, потому так и названы. Они отличаются всего
лишь положением одной метильной группы (-СН3) . Чисто углеводородные радикалы
плохо взаимодействуют с водой, но хорошо друг с другом. Иначе говоря, эти ра-
дикалы — гидрофобные.
Есть аминокислоты, у которых в состав радикала входит гидроксильная группа
-ОН (серии, тирозин) или аналогичная ей, но содержащая вместо атома кислорода
атом серы тиольная группа -SH (цистеин). В таких радикалах есть полярные свя-
зи, а потому они взаимодействуют с водой гораздо лучше. Эти радикалы — гидро-
фильные .
Неполярные
Алифатические
Алании 9°°'
Ала А СИ— СН3
I
NH3+
ьалин
Зал V
Гейцин
Геи. L
COO"
СН—Oh
NH3+CH3
COO-
£н—сн2—сн—сн3
NH3* CH3
Изолеицин
Иле J
соо-
сн—сн—сн2—сн3
Ul-U+Д
NH
зтсн3
Меллонин
Мет. М
coc-
ci н— сн9—сно—:
2^~опо"
NH3+
СН*
Пролин -qoc-hc^N
Про Р *H2W
Незаряженные
Гли^ин |
Гли, G СН—Н
NH3+
Сер пн
Сер. S
Тре о н и н
Тре. Т
соо
СН—СН?—
сн2—он
NH3+
соо-
СН^СН2^СН3
NH3+OH
соо-
Цистеин I
СИ—СН2—SH
Цис
NH3+
Полярные
Отрицательно заряженные
СОО"
Глутамин I
сн—сн2—сн2—с=о
Глн Q | z * I
NH3+ NH2
СОО"
Аспарагин с!:н—СН2—С=0
Асн N I A I
NH3+ NH2
Глутаминозая
кислота
Глу. Е
СОО"
СИ—СН? — СН?—С
NH3+
-СН2—CH2—COO"
соо-
Аспарагиновая I
кислс а СН С"Ь
Асп. D
Ан3+
COO"
Положительно заряженные
Лизин
Лиз. К
СОО"
сн—сн2—сн2—сн2—сн2
NH3+ NH3H
coo-
6н—СНо—СНо—СНо—^
Аргинин
Apr, R dH—СН2—СН2—СН2—NH
in3*
+н2м=с
NH2
СОО"
Гист/дин I
СИ—
Гис. Н
СН2-т—NH+
NH3+ \NH
СОО"
Фенилаланин 1н (
Фен. F
СН2
NH3+
Ароматические
СОО"
NH3+ 1Ч^^оН
соо-
Триптофан (1н_сн .
Три W | 2> 71
Рис. 3.3. Протеиногенные аминокислоты.
Все аминокислоты, перечисленные нами до сих пор, называются нейтральными.
Это означает, что в водном растворе их молекулы электрически не заряжены. Мы
уже видели, что в любой аминокислоте есть карбоксильная группа, свойства ко-
торой кислотные, и аминогруппа, свойства которой, наоборот, основные (см.
главу 1). Попадая в воду, карбоксильная группа отдает протон и становится за-
ряжена отрицательно (-СОО-), а аминогруппа присоединяет протон и становится
заряжена положительно (-NH3+) . Суммарный заряд молекулы аминокислоты в ре-
зультате остается равным нулю. Это — нейтральная молекула.
А что, если карбоксильных групп две? Тогда эта аминокислота будет в раство-
ре заряжена отрицательно. И действительно, в состав белков входит пара таких
аминокислот — это аспарагиновая и глутаминовая кислоты. У них обеих есть кар-
боксильная группа не только при альфа-атоме, но еще и в радикале. И, соответ-
ственно , этот радикал несет дополнительный отрицательный заряд.
Для краткости аспарагиновую и глутаминовую кислоты часто называют, соответ-
ственно , аспартатом и глутаматом. Тут надо пояснить одну тонкость, связанную
с названиями веществ. Аспартат и глутамат — на самом деле названия не кислот,
а их анионов или (что то же самое) их солей. Например, глутамат — это соль
глутаминовой кислоты. В биохимии этим сплошь и рядом пренебрегают, используя
названия кислот и солей как синонимы. Ведь что такое соль? Это кислота, у ко-
торой на месте протона оказался любой другой катион. Если же она диссоцииро-
вана и не имеет никаких катионов вообще (а это бывает в растворах очень час-
то) , то за ней обычно ради удобства оставляют название соответствующей соли.
Именно это мы на примере аспартата с глутаматом и видим. Название соли — это
название аниона, в виде которого молекула реально существует в воде.
Глутамат (будем отныне называть его так) интересен не только тем, что уча-
ствует в образовании белков. В организмах подавляющего большинства животных
он служит еще и нейротрансмиттером, причем одним из важнейших. В нервной сис-
теме человека глутамат используют для передачи возбуждения примерно 40% ней-
ронов — это очень много! Почти все основные информационные потоки в нашем
мозге идут посредством выделения глутамата, служащего для нервных клеток воз-
буждающим сигналом. Выше мы упоминали, что нейротрансмиттером является и еще
одна протеиногенная аминокислота, а именно глицин (см. главу 1). Но действие
глицина тормозящее (то есть успокаивающее), а глутамата — именно возбуждаю-
щее . Поскольку глутамат входит в состав каких угодно белков, то его очень
много в пище, но пищевой глутамат в мозг почти не попадает — нервные клетки
синтезируют его сами.
Кроме того, к глутамату очень чувствительна наша вкусовая система. Обычно
считается, что есть пять основных вкусов, для которых на языке существуют от-
дельные типы рецепторов: соленый, кислый, сладкий, горький и выделенный в на-
чале XX века вкус умами. Соленый — это вкус поваренной соли, кислый — прото-
нов (Н+), сладкий — Сахаров. Горький вкус — самый сложный, он не привязан к
какому-то одному классу молекул и возникает как реакция на любое вещество из
большой и разнообразной группы зачисленных мозгом в "ядовитые", это эволюци-
онно выработанный механизм защиты от токсичной пищи. Ну а умами — это не что
иное, как вкус глутамата. Судя по всему, в ходе эволюции органов чувств по-
звоночных животных именно глутамат был выделен как индикатор вкуса белков
(важнейших питательных веществ как-никак). Вот почему на языке для него есть
особые рецепторы. Ощущение вкуса глутамата — это эволюционно выработанный
сигнал о том, что в рот попало нечто белковое.
Глутамат часто добавляют в пищу, причем как в виде кислоты (пищевая добавка
Е620), так и в виде натриевой соли (пищевая добавка Е621). И раз уж мы заго-
ворили об этом веществе, воспользуемся случаем, чтобы развеять несколько свя-
занных с ним заблуждений. Может быть, кому-то пригодится.
Итак, во-первых, утверждение, что глутамат — усилитель вкуса, неточно. Вы-
ражение ллусилитель вкуса" могло бы относиться к некоему (вымышленному) веще-
ству без собственного вкуса и запаха, обладающему свойством обострять вкус
любой еды. Глутамат этого не делает: у него просто есть свой вкус, точно так
же, как у сахара или у соли. Механизмы восприятия вкуса глутамата и вкуса,
допустим, того же сахара принципиально не отличаются друг от друга. Просто
сахар воспринимается одними рецепторами, а глутамат — другими.
Во-вторых, неверно часто встречающееся мнение, будто "натуральный" глутамат
(предположительно безобидный) — это совсем не то, что глутамат
"искусственный" (предположительно вредный и опасный). Люди, которые так дума-
ют, просто не знают, о каком веществе идет речь. А мы с вами теперь знаем.
Глутамат — это не какая-нибудь загадочная сложная смесь (состав которой дей-
ствительно мог бы варьироваться), а одно-единственное химическое соединение,
описываемое незатейливой формулой. Вот она, эта формула: НООС-СН2-СН2-СН (NH2)-
СООН. Только и всего. Глутамат, полученный искусственно, не отличается от по-
лученного готовым из природных продуктов, потому что отличаться там нечему.
В-третьих, глутамат, получаемый с пищей, едва ли опасен для нервной системы
прежде всего потому, что он в нее почти не проникает — это обеспечивается
специальным физиологическим барьером. Нервные клетки синтезируют глутамат са-
мостоятельно. К тому же в белковых продуктах (таких, как творог, мясо или
соя) глутамата наверняка больше, чем попадает его в еду в качестве пищевой
добавки, — просто потому, что это составная часть любых белков.
В-четвертых, на глутамат нет аллергии. Аллергию вызывают чужеродные вещест-
ва, а не такие, которые жизненно необходимы и всегда присутствуют в организме
в высоких концентрациях, — а глутамат как раз относится к последним.
Так что опасность глутамата — это, судя по всему, типичный современный миф.
Однако вернемся к другим аминокислотам. Если есть отрицательно заряженные
аминокислоты, логично ожидать, что существуют и положительно заряженные. Это
действительно так. Пример положительно заряженной аминокислоты — лизин, имею-
щий формулу NH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH (NH2)-СООН. Как видим, у лизина в радикале
есть дополнительная аминогруппа, которая ведет себя так, как аминогруппе и
положено: приобретает протон. Еще одна положительно заряженная аминокислота —
аргинин, радикал которого включает довольно редкую (больше она нам нигде не
встретится) гуанидиновую группу -NH-C(NH)-NH2, тоже охотно присоединяющую
протон.
Таким образом, аминокислоты, из которых состоят белки, можно поделить на
четыре категории: гидрофобные, гидрофильные нейтральные, положительно заря-
женные и отрицательно заряженные. Разумеется, все эти различия касаются толь-
ко той части молекулы аминокислоты, которую мы назвали радикалом (R) .
"Базовая" часть (включающая атом углерода, атом водорода, карбоксильную груп-
пу и аминогруппу) во всех рассмотренных нами протеиногенных аминокислотах од-
на и та же. Особое положение занимает разве что самая простая из всех возмож-
ных аминокислот — глицин, у которого вместо радикала атом водорода.
Аминокислоты
и связи
Итак, любой белок — это полипептид, то есть цепочка аминокислот, соединен-
ных пептидными связями. На самом деле теоретически можно придумать полипеп-
тид, не являющийся белком, но мы сейчас поступим проще и будем считать, что
эти слова — синонимы. В подавляющем большинстве тех случаев, которые нам мо-
гут встретиться, так оно и есть.
Для начала представим, что молекулу полипептида бросили в воду. Очевидно,
что она не останется там вытянутой в прямую линию, а будет как-то сворачи-
ваться. Это сворачивание будет зависеть от взаимодействия аминокислотных ос-
татков как с молекулами воды, так и между собой. В целом пептидная цепь уст-
роена довольно просто: ее "скелет" образуют пептидные группы, соединяющие ме-
жду собой альфа-атомы углерода, а радикалы торчат в стороны. Все эти части
огромной молекулы как-то размещаются в пространстве относительно друг друга,
и в результате белок приобретает свою трехмерную форму — как обычно говорят,
конформацию. Белок с нарушенной конформацией, как правило, совершенно беспо-
лезен для организма. Поэтому соблюдение конформации — это очень важно.
Как же она складывается? Есть четыре типа взаимодействий между аминокисло-
тами , определяющих объемную структуру белка, в который они входят.
Во-первых, это водородные связи (см. главу 2). В белке их обычно много, они
возникают и между пептидными группами, и между боковыми цепями аминокислот
(ЛЛбоковая цепь" и "радикал" — в данном случае синонимы) . Особенно это отно-
сится к тем аминокислотам, радикалы которых нейтральны и гидрофильны — вроде,
например, серина или тирозина.
Во-вторых, это гидрофобное притяжение между углеводородными радикалами,
принадлежащими таким аминокислотам, как валин, лейцин или фенилаланин. Вода
выталкивает эти радикалы точно так же, как вытолкнула бы обычные молекулы уг-
леводородов, и они отлично слипаются вместе, если оказываются при сворачива-
нии белковой молекулы близко друг1 к другу. А тем самым они это сворачивание и
закрепляют.
В-третьих, существует электростатическое притяжение между положительно и
отрицательно заряженными боковыми цепями. Если, например, глутамат (радикал
которого заряжен отрицательно) окажется при сворачивании белка рядом с лизи-
ном (радикал которого заряжен положительно) , между ними тут же возникнет са-
мая настоящая ионная связь.
Есть и четвертый тип взаимодействий. Он зависит от единственной аминокисло-
ты, радикалы которой могут образовать между собой аж ковалентные связи (не
имеющие никакого отношения к пептидным). Эта аминокислота — цистеин. В ради-
кале цистеина есть сульфгидрильная группа -SH, аналогичная спиртовой группе
(-ОН), но с атомом серы вместо атома кислорода. Целиком радикал цистеина име-
ет вид -CH2-SH. Так вот, уже в готовом белке может произойти реакция, при ко-
торой у двух таких радикалов будет отобран водород (его унесут специальные
молекулы-переносчики), а свободные валентности атомов серы замкнутся друг на
друга и образуют между остатками цистеина связь -S-S-. Это называется дисуль-
фидным мостиком (см. рис. 3.4А) . Белок вполне может быть в нескольких местах
"сшит" такими мостиками. Причем реакция их образования обратима: дисульфидные
мостики могут возникать и рваться, и это бывает важно для регуляции некоторых
физиологических процессов.
Образование дисульфидной связи
! Н Н '
Nhh
NH2 ""] \'
4CH-CH2-S S-CH2-HCX
соон соон
два цистеина
NH2 T NH2
4ch-ch2-s s-ch2-hc/
СООН цистин СООН
Рис. 3.4А. Дисульфидные мостики.
Связи и
уровни
Для удобства принято выделять четыре уровня структуры белка. Они так и на-
зываются: первичная структура, вторичная, третичная и четвертичная.
Первичная структура — это просто последовательность аминокислот, соединен-
ных пептидными связями (см. рис. 3.4Б). Она всегда линейна, ибо белки не вет-
вятся. Перечислять аминокислоты в белке принято от N-конца (свободная амино-
группа) к С-концу (свободная карбоксильная группа). Множество таких перечис-
лений, то есть записей первичной структуры белков, есть в современных элек-
тронных базах данных, доступных в сети. Можно сказать, что первичная структу-
ра белка одномерна, в то время как все остальные уровни — трехмерны. К пер-
вичной структуре относятся только пептидные связи, а к остальным уровням —
любые другие взаимодействия между аминокислотами, входящими в один и тот же
белок.
Дисульфидные
мостики образованы
остатками цистеина
/
А-цепь
I
S
I
Qly! He :VeUOInlOhi:Cy*:Cy*:T»wlSerI lie ICybSerWjtulTry(Qlntl^^u^TryjCy^Ati)
</> to
I /
В-цепь I #
->~~М
Рис. 3.4Б. Дисульфидные мостики.
Вторичная структура — это система взаимодействий между аминокислотами в со-
ставе одной и той же полипептидной цепочки, расположенными близко (через счи-
таные остатки друг от друга). Вторичная структура держится в основном на во-
дородных связях (см. рис. 3.5). Причем в данном случае это связи между пеп-
тидными группами, а не боковыми цепями. А поскольку все пептидные группы оди-
наковы, то вторичная структура обладает высокой регулярностью, в ней часто
повторяется один и тот же ллузор".
a-спираль р-структура
Рис. 3.5. Основные типы вторичной структуры белка.
Два самых распространенных типа вторичной структуры белка — альфа-спираль и
бета-слой. В альфа-спирали водородные связи постоянно образуются между амино-
кислотными остатками с номерами п и (п+4), то есть каждая аминокислота обра-
зует водородную связь с аминокислотой, четвертой по счету от нее. В результа-
те получается компактная спираль, внутри которой находятся пептидные группы,
а радикалы торчат в стороны. Альфа-спираль очень устойчива, в том числе и по-
тому, что внутри нее в образовании водородных связей принимают участие все
пептидные группы без исключения. В бета-слое полипептидная цепочка несколько
раз перегибается, и водородные связи образуются между ее противоположно на-
правленными отрезками.
Третичная структура белка — это система взаимодействий между сколь угодно
далекими (но принадлежащими к одной и той же полипептидной цепи) остатками
аминокислот (см. рис. 3.6, 3. 7А) . Она определяет, какую форму будет иметь мо-
лекула белка целиком. Если вторичная структура — это ближний порядок, то тре-
тичная — дальний порядок. В образовании третичной структуры участвуют водо-
родные связи между боковыми цепями, гидрофобные взаимодействия (очень частый
случай) и ионные связи между заряженными боковыми цепями. И дисульфидные мос-
тики тоже вносят в третичную структуру свой вклад.
серии
водородная
связь
аспарагин
гидрофобное
взаимодействие
Рис. 3.6. Типы взаимодействий между аминокислотными остатками, на
которых обычно держится третичная структура белка. Впрочем, с таким
же успехом эта структура может быть и четвертичной, если верхняя и
нижняя полипептидные цепочки — независимые.
Наконец, четвертичная структура возникает в том случае, если функциональный
белок собирается из нескольких отдельных полипептидных цепей (см. рис. 3.7Б).
Если белок состоит из одной полипептидной цепи, значит, четвертичной структу-
ры у него нет. Взаимодействия, создающие четвертичную структуру, те же самые,
что и в третичной структуре, только не внутри одной полипептидной цепи, а ме-
жду разными цепями.
Типичный белок с четвертичной структурой — гемоглобин, переносящий кислород
в нашей крови. Его молекула состоит из четырех полипептидных цепочек, которые
синтезируются отдельно, но свою функцию выполняют только вместе. Объединяются
они в основном за счет гидрофобных взаимодействий. Всего молекула нормального
гемоглобина взрослого человека включает 574 аминокислоты.
Потеря белком своей пространственной структуры без разрушения пептидных
связей (то есть первичной структуры) называется денатурацией, что буквально
значит ЛЛпотеря природы" (см. рис. 3.7В). Самый простой способ денатурировать
белок — как следует нагреть его. Именно частичная денатурация белков является
основной целью любой тепловой обработки пищи. Причем иногда этот процесс до
некоторой степени обратим (при кипячении молока, например). Восстановление
пространственной структуры денатурированного белка называется ренатурацией.
Но бывает и необратимая денатурация. Например, белок крутого яйца после пол-
ной необратимой денатурации растворенных там молекул белков становится твер-
дым, потому что раскрученные полипептидные цепочки перепутываются между со-
бой. Денатурация большинства белков (но не всех!) происходит при температуре
40-50 С. Это определяет верхний температурный предел для жизни большинства
земных живых существ.
водородная
связь
водородная
простетическая группа
ОН ОН ; \Л
ионная
связь
Y-
'•С .4-
>^
V.-.-'/гидрофобное V" I V\
взаимодействие
одородная
связь"
В
т^
fiB) ({ Л. ^ -
образец третичной структуры условного белка
с 1--
одна полипептидная цепочка
денатурация
Сл^^
цепь
/типа А
цепь
'типа В
несколько полипептидных цепочек,
собранных в функциональный белок
(четвертичная структура)
ренатурация
Рис. 3.7. Высшие уровни структуры белка. Пример третичной струк-
туры (А) , схема образования четвертичной структуры (Б) и схема
разрушения пространственной структуры, то есть денатурации. Про-
стетическая группа — это небелковый фрагмент в составе белка. В
качестве примера четвертичной структуры тут показан гемоглобин,
где простетической группой является гем (см. главу 11) . Просте-
тические группы есть далеко не во всех белках, поэтому в тексте
мы это явление не обсуждаем.
Чтобы белок выполнял свою биологическую функцию, нужна, как правило, тон-
чайшая и очень точная "настройка" его пространственной структуры. Нарушения
аминокислотной последовательности тем и опасны, что они эту структуру разру-
шают. Например, существует генетическое нарушение, при котором в строго опре-
деленной точке одной из цепей гемоглобина глутамат заменяется на валин. Каза-
лось бы, всего лишь одна аминокислота заменяется на другую. Но здесь это име-
ет неожиданно серьезные последствия. Глутамат — аминокислота, боковая цепь
которой несет отрицательный заряд, валин же нейтрален и гидрофобен. Если ря-
дом окажутся два остатки глутамата, они будут отталкиваться. А если два ос-
татка валина, то, наоборот, слипаться. В данном случае замена глутамата на
валин приводит к тому, что слипаться начинают целые молекулы гемоглобина. А
это деформирует красные кровяные клетки, в которых он содержится, и вызывает
тяжелую болезнь — серповидноклеточную анемию. Именно таков ее молекулярный
механизм.
Очевидно, что взаимодействия между аминокислотами в белке неслучайны. Сво-
рачивание белковой молекулы зависит от ее первичной структуры, то есть от то-
го , в каком порядке аминокислоты расположены в цепочке. Иногда говорят, что
если бы можно было взять полипептидную цепь за концы, растянуть ее и потом
отпустить, то она каждый раз свертывалась бы совершенно одинаково. На самом
деле в живой клетке все происходит несколько иначе: там белок синтезируется
последовательно, аминокислота за аминокислотой (от N-конца к С-концу), и час-
ти молекулы белка, синтезированные раньше, успевают свернуться в трехмерную
структуру до того, как будут синтезированы остальные части. Но в итоге все
молекулы данного белка сворачиваются строго одинаково. Зная аминокислотную
последовательность белка, теоретически можно рассчитать его пространственную
структуру всех уровней. Часто это успешно делают и на практике, используя ме-
тоды таких наук, как биофизика и биоинформатика. В идеале последовательность
аминокислот (которую можно записать в строчку, обозначив аминокислоты буква-
ми) должна однозначно определять собой все свойства белка. И более того, изу-
чаемая биологами реальность к этому идеалу очень близка.
На заре жизни...
и раньше
Биохимическая эволюция началась еще до образования Земли как планеты. Со-
временные ученые уверены, что синтез веществ, ставших потом биологически ак-
тивными, шел уже на частицах протопланетного газопылевого облака. Об этом
свидетельствует многое — например, химический состав углистых метеоритов, ко-
торые потому так и называются, что богаты углеродом (в научной литературе их
часто называют углистыми хондритами). Метеориты этого типа никогда не входили
в состав планет, поэтому их химический состав не искажен действием высоких
температур и давлений, господствующих в планетных недрах. Это своего рода хи-
мический "заповедник" очень древней эпохи Солнечной системы — эпохи, когда
синтез органических веществ только начинался. Химический анализ углистых ме-
теоритов дал ученым поразительную возможность заглянуть во времена, непосред-
ственно предшествовавшие зарождению жизни.
И ученые не разочаровались. Углистые метеориты оказались удивительно богаты
органикой. Например, в них найдены углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны,
карбоновые кислоты, оксикислоты, амины и углеводы (см. главу 1) . Есть там и
аминокислоты. Причем очень разные.
В знаменитом Мурчисонском метеорите, упавшем в 1969 году в Австралии, хими-
ческий анализ обнаружил в общей сложности 52 аминокислоты (см. рис. 3.8). И
они необыкновенно разнообразны. Например, среди этих аминокислот есть бета-
аланин — изомер аланина, являющийся не альфа-, а бета-аминокислотой (NH2-CH2-
СН2-СООН) . Есть там гамма- и даже дельта-аминокислоты, например дельта-
аминовалериановая кислота (NH2-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH) . Есть изовалин и метил-
норвалин — аминокислоты, где к альфа-углеродному атому присоединены сразу два
углеводородных радикала (как мы помним, в "белковых" аминокислотах на месте
одного из них всегда атом водорода). Есть циклолейцин, где карбоксильная
группа и аминогруппа присоединены к замкнутому пятичленному углеводородному
кольцу. Перечислять странные аминокислоты, многие из которых встречаются ис-
ключительно в метеоритах, можно еще долго. Есть там, впрочем, и аминокислоты,
входящие на Земле в двадцатку "белковых", — глицин, аланин, валин, лейцин,
изолейцин, аспартат, глутамат и пролин.
И вот тут возникает закономерный вопрос: почему одни аминокислоты вошли в
состав белков, а другие нет? Кое о чем вполне можно догадаться. Скорее всего,
"выбор" аминокислот на роль протеиногенных сильно зависел от формы их моле-
кул. Например, аминокислота с двумя крупными радикалами при альфа-атоме долж-
на ограничивать число возможных конформаций полипептидной цепочки, делая ее
менее гибкой, — просто потому, что радикалы будут торчать в разные стороны,
мешая изгибам и поворотам. У всех без исключения протеиногенных аминокислот
одна из валентностей альфа-атома занята простым водородом. И это, конечно, не
случайность.
\
/
V
сн,
р
сн
а
СН,
//
с
\
\
ГУ
/
н он
гамма-аминомасляная кислота
Н
Н
\ 6 У Э
N СН2 СН^ СНг-
а
СН,
//
С
\
н
он
дельта-аминовалериановая кислота
СН, - СН,
н Упз о
\ I. //
N С С
/
н
\
сн2
I
сн,
он
H СН2 О
\ I. //
N С С
/
\
» с //
сн2—сн2—с
он
бета-аланин
Н
Н
\
N
/
//
\
Н
сн,
сн,
он
сн.
н
сн,
он
сн.
норлейцин
СН,
метилнорвалин
СН3
ам иноэтил ма сля мая
кислота
Н
СН,
\
N
/
//
С
\
н
н
сн2
сн3
И3083ЛИН
СН,
ОН
\
N-
/
н
' а
— с —
i
сн
снз СН,
//
С
\
он
аминодиметилмасляная
кислота
Рис. 3.8. Непротеиногенные аминокислоты. Все изображенные здесь
аминокислоты, кроме гамма-аминомасляной, встречаются в метеори-
тах. Можно обратить внимание, что все они, кроме норлейцина, или
не являются альфа-аминокислотами, или имеют при альфа-атоме вто-
рой радикал; это, скорее всего, и помешало им войти в состав
белков. Почему в состав белков не вошел норлейцин, неизвестно,
тут могла сыграть роль простая случайность.
Примерно так же, скорее всего, объясняется и тот факт, что все белки состо-
ят исключительно из альфа-аминокислот. В результате этого остов полипептидной
цепи получается легким, гибким и однородным. Все "тяжелые" группы переводятся
в боковые цепи, а все промежутки между пептидными связями имеют строго одина-
ковую длину. Если бы, например, в состав белка входили вперемешку альфа- и
бета-аминокислоты, последнее условие не соблюдалось бы и это сделало бы не-
возможными регулярные конформации — такие как широко распространенная в ре-
ально существующих белках альфа-спираль.
А теперь отвлечемся от белков и подумаем про общие принципы развития Все-
ленной . Благо повод для этого сейчас есть. Не раз упоминавшийся тут Станислав
Лем писал, что творческий потенциал неживой природы больше, чем у живой, по
одной простой причине: она не ограничена требованиями естественного отбора.
"Лишь там, где царит смерть, вечная, спокойная, где не действуют ни сита, ни
жернова естественного отбора, формирующие любое создание по законам бытия,
открывается простор для удивительных произведений материи, которая, ничему не
подражая, никому не подчиняясь, выходит за границы человеческого воображе-
ния", — пишет Лем в замечательном романе "Фиаско". И добавляет: на планетах,
освоенных жизнью, химические соединения попали "в рабство к биологической
эволюции". Они усложнились, но потеряли свое огромное исходное разнообразие.
То, что мы знаем об аминокислотах Солнечной системы, превосходно иллюстри-
рует эту мысль. Пока никакой жизни не существовало, самые разные аминокислоты
синтезировались более-менее одинаково легко. Их было много десятков. После
возникновения жизни ситуация резко изменилась: аминокислоты, вошедшие в со-
став белков, стали активно синтезироваться живыми организмами, и на Земле (о
жизни в других местах мы пока ничего не знаем) их концентрации колоссально
выросли. Аминокислоты, не прошедшие отбора на протеиногенность, наоборот,
стали редкими. Некоторые из них, например изовалин, не встречаются на Земле
вообще никогда. Между прочим, именно открытие в Мурчисонском метеорите изова-
лина стало самым сильным доводом в пользу того, что аминокислоты не были за-
несены в этот метеорит земными микробами после его падения на Землю, а при-
сутствовали там изначально. Изовалина на Земле просто нет, так что никакие
микробы занести его не могли. Он синтезировался в космосе совершенно само-
стоятельно . Но поскольку у изовалина два углеводородных радикала, то на роль
составной части белков он не подошел. Со многими другими аминокислотами про-
изошло то же самое. И это, конечно, не случайность. Уже знакомая нам общая
формула протеиногенной аминокислоты — это не изолированный факт, который мож-
но только зазубрить, а вполне осмысленный продукт эволюции.
Функции
белков
Любой отдельный белок — тоже продукт биологической эволюции. Его аминокис-
лотная последовательность, как и вся структура, всегда приспособлена под ка-
кую-нибудь строго определенную функцию. Известный биофизик Лев Александрович
Блюменфельд писал: "Если бы для описания клетки нам пришлось выбирать между
двумя крайними моделями — часовым механизмом и гомогенной химической реакцией
в газовой фазе, — выбор был бы однозначен: клетка несравненно ближе к часово-
му механизму, чем к чисто статистической системе". Можно добавить, что это
относится не только к целой клетке, но и к отдельным макромолекулам, то есть
в первую очередь к белкам. Блюменфельд как раз и начинает вышеприведенными
словами главу своей книги, посвященную биофизике молекул белка.
Функционирующий белок можно в самом, что ни на есть буквальном смысле рас-
сматривать как молекулярную машину, то есть как машину размером с молекулу.
По определению Блюменфельда, машина — это конструкция с выделенными внутрен-
ними степенями свободы (то есть, попросту говоря, с подвижными частями), ис-
пользующая собственное механическое движение для передачи силы от одной части
системы к другой. Белковая молекула этому определению, безусловно, соответст-
вует . В ней хватает внутренних степеней свободы (множество ковалентных свя-
зей, вокруг которых возможны повороты), и она вполне может передавать силу с
помощью своих подвижных частей. И многие белки — например, мышечные — посто-
янно используют это, совершая настоящую механическую работу. Но это далеко не
единственное, что белки могут делать.
А что же, собственно, они делают? Самый близкий к истине ответ — да все!
Или, во всяком случае, почти все. Функции белков настолько многообразны, что
никакое их перечисление, скорее всего, не будет абсолютно полным. Но мы все-
таки попробуем назвать главные функции белков, помня про эту оговорку:
■ Структурная функция относится к белкам, из которых сделаны те или иные
части живых тел. Например, коллаген — белок, образующий механическую осно-
ву костей, хрящей и соединительно-тканного слоя кожи. Кератин — белок, из
которого состоят волосы, ногти и наружный роговой слой кожи. Кристаллины —
белки, из которых в основном состоит хрусталик глаза. И так далее.
■ Каталитическая функция, связанная с ускорением химических реакций. О ней —
чуть ниже.
■ Сигнальная функция: белки, предназначенные для передачи информации. Эта
функция на редкость многолика. Бывают белки-нейротрансмиттеры, передающие
сигналы между нервными клетками. Бывают белки-гормоны, передающие сигналы
примерно тем же способом, но через кровь, по всему организму сразу. Бывают
белки-рецепторы, которые, наоборот, принимают сигналы, сидя на поверхности
клетки. Бывают белки-посредники, обеспечивающие проведение сигнала уже
внутри клетки. И это далеко не все возможности, но вникать в детали мы
сейчас не будем.
■ Транспортная функция. Например, известный всем гемоглобин — это белок, пе-
реносящий молекулы кислорода из одной части организма в другую.
■ Двигательная функция свойственна белкам, от которых зависит сокращение мы-
шечных клеток животных, но не только им. Например, двигательные структуры
одноклеточных организмов — жгутики, реснички, ложноножки — тоже обязатель-
но содержат специальные моторные белки.
■ Защитная функция. Это всевозможные яды, а также антитела, то есть белки,
выделяемые клетками иммунной системы и убивающие опасных "гостей" организ-
ма (например, попавших туда бактерий).
Эти функции, пожалуй, главные. Ясно, что живым существам нужны они все. И,
тем не менее, среди них можно выделить одну совершенно особую функцию, на-
столько распространенную и важную, что без нее белки как природное явление
вообще невозможно представить. Эта функция — каталитическая. Вот о ней стоит
поговорить подробнее.
Ферменты
Начнем с простых определений. Вещество, ускоряющее химическую реакцию, но
само не претерпевающее в ней стойких изменений, называется катализатором. А
катализатор, являющийся белком, называется ферментом. Ускорять он может все
что угодно. Все биохимические реакции идут не сами по себе, а с помощью фер-
ментов . Например, даже такой предельно простой процесс, как слияние углеки-
слоты (СОг) и воды (Н20) в молекулу угольной кислоты (Н2СОз) , все равно ката-
лизируется специальным ферментом — карбоангидразой, которая ускоряет его при-
мерно в миллион раз. А для более сложных реакций ферменты тем более необходи-
мы . Можно без особого преувеличения сказать, что ферменты контролируют в жи-
вом организме вообще все.
Вещество, являющееся исходным для той реакции, которую катализирует данный
фермент, называется его субстратом. Молекула фермента должна войти в контакт
с молекулой субстрата и подвергнуть ее некоему действию — например, расщепить
надвое, или поменять в ней местами функциональные группы, или сшить что-
нибудь ковалентной связью, или разорвать эту связь, — вариантов тут множест-
во . Но в любом случае молекула фермента должна сначала захватить молекулу
субстрата, а потом преобразовать ее и высвободить. Часть молекулы фермента,
непосредственно контактирующая с молекулой субстрата, называется активным
центром. Ферменты — это обычно довольно крупные белки, а в активном центре
может быть всего-навсего несколько аминокислот. Поэтому, как правило, актив-
ный центр занимает только небольшую часть молекулы фермента (см. рис. 3.9А).
Если говорить совсем примитивно, активный центр — это такое гнездо в моле-
куле фермента, куда молекула субстрата должна войти, как ключ в замок. Как
только она туда попадет, молекула фермента ее захватит и преобразует. Очевид-
но, что для этого конформация активного центра должна очень точно совпадать с
очертаниями молекулы субстрата — в самом деле как замочная скважина с ключом.
Это прямо так и называют "моделью ключа и замка". Правда, на самом деле ак-
тивный центр фермента, в отличие от механизма замочной скважины, является
скорее гибким, чем жестким. При взаимодействии с субстратом его конформация
всегда меняется — примерно так, как меняется форма перчатки, когда ее надева-
ют на руку. Модель работы ферментов, учитывающая это, называется "моделью ин-
дуцированного соответствия". Когда реакция завершается, конформация фермента
возвращается к прежней.
субстрат
t
фермент
продукты
активный
центр
сукцинатдегидрогеназа
фермент-субстратный
комплекс
сукцинат
фермент-субстратный
комплекс
малонат
сукцинатдегидрогеназа
фермент-субстратный
комплекс
никакого
> продукта
не образуется
Рис. 3.9. Принципы работы ферментов. Общая схема (А) , механизм
нормальной работы сукцинатдегидрогеназы (Б) и конкурентное инги-
бирование сукцинатдегидрогеназы (В).
Биофизики уверены, что во всех этих процессах молекула фермента действует
как сложная механическая машина, имеющая множество шарниров, сочленений, по-
ворачивающихся частей и т.п. И это, конечно, впечатляет. ЛЛСамонадеянно скажет
иной:
ллСколочу-ка телегу! "
Но ведь в телеге-то сотня частей!
Иль не знает он, дурень?"
писал в поэме "Труды и дни" великий древнегреческий поэт Гесиод. А ведь мо-
лекула любого фермента (пусть даже и небольшого) устроена намного сложнее ге-
сиодовой телеги. Причем это будет верно, даже если мы станем рассматривать ее
исключительно как механическую машину, игнорируя всю тонкую структуру атомно-
го уровня.
Номенклатура ферментов довольно сложна, потому что их очень много. Но в
большинстве случаев название фермента включает, во-первых, название его суб-
страта и, во-вторых, характерное окончание "-аза". Если мы видим где-то слово
с таким окончанием, это наверняка название какого-нибудь фермента.
У термина "фермент" есть синоним. Это слово "энзим". Например, в английском
языке ферменты называют почти исключительно энзимами (enzyme), и в русские
переводы с английского это тоже иногда проникает. Но все-таки по-русски го-
раздо чаще говорят именно "фермент". На всякий случай запомним, что "фермент"
и "энзим" — синонимы, и употребление одного из этих слов вместо другого боль-
шой ошибкой не будет.
Очень важное свойство ферментов — специфичность. Это значит, что каждый
фермент приспособлен к одной строго определенной химической реакции. Субстрат
должен точно подойти к его активному центру, иначе реакция не пойдет.
Например, фермент сукцинатдегидрогеназа захватывает молекулу янтарной ки-
слоты (НООС-СН2-СН2-СООН) и превращает ее в молекулу фумаровой кислоты (НООС-
СН=СН-СООН). Янтарная кислота при этом, как видим, теряет два атома водорода.
Водород по-латыни "гидроген", а "дегидрогеназа" — фермент, его отнимающий.
Субстратом же этого фермента является янтарная кислота. В растворе она диссо-
циирует, и от нее остается анион, который называется сукцинатом. Таким обра-
зом, сукцинатдегидрогеназа — это фермент, отнимающий водород у сукцината (см.
рис. 3.9Б).
Однако возможна ситуация, когда на месте сукцината окажется малонат — анион
малоновой кислоты, отличающейся от янтарной на один атом углерода (НООС-СН2-
СООН). Молекула малоната приблизительно подходит по форме к активному центру
сукцинатдегидрогеназы и может его занять. Но поскольку соответствие все-таки
неточное, никакой реакции в этом случае не произойдет (см. рис. 3.9В). Актив-
ный центр сукцинатдегидрогеназы будет просто заблокирован. Это называется
конкурентным ингибированием. Конкурентное ингибирование — очень эффективный
механизм "выключения" ферментов, на нем основано действие многих лекарств и
ядов.
В активных центрах ферментов бывает очень полезным уже знакомое нам разно-
образие аминокислот. Чтобы молекула субстрата встала на свое место и повела
себя как надо, очертания активного центра должны быть под этот субстрат иде-
ально подогнаны. Для этого где-то можно разместить гидрофобные карманы, обра-
зованные боковыми цепями аланина или валина, где-то — отрицательные заряды
аспартата или глутамата, где-то — нейтральные гидрофильные аминокислоты, ко-
торые образуют с субстратом водородные связи, и так далее. Если, например, в
субстрате есть положительный заряд, то в этом-то месте как раз и можно выста-
вить отрицательно заряженный радикал какого-нибудь аспартата, чтобы электро-
статическим притяжением удержать молекулу субстрата в нужном положении. Таких
примеров можно привести множество.
Интересно, что аминокислоты, оказывающиеся рядом в активном центре, запро-
сто могут в первичной последовательности находиться очень далеко — например,
за 300 остатков друг от друга. Их "правильное" взаимное расположение достига-
ется за счет очень точного объемного сворачивания полипептидной цепи, то есть
за счет третичной структуры. Можно представить, насколько сложной биохимиче-
ской машиной является такой фермент! А между тем в типичной живой клетке фер-
ментов несколько тысяч.
Любой фермент работает только в достаточно строго определенном диапазоне
внешних условий — например, таких, как температура и кислотность. Если темпе-
ратура слишком высока, фермент может просто денатурировать, то есть потерять
вторичную и третичную структуру. Понятное дело, что его активный центр при
этом развалится. Если же слишком высока кислотность, это может повлиять на
поведение радикалов некоторых аминокислот. Мы знаем, что кислотность — это
концентрация протонов (Н+) . Если в растворе будет слишком много протонов, бо-
ковые цепи отрицательно заряженных аминокислот (аспартата и глутамата) волей-
неволей присоединят их. Например, радикал глутамата, обычно имеющий вид -СН2-
СН2-СОО-, в этом случае перейдет в состояние -СН2-СН2-СООН. Отрицательный за-
ряд в нем исчезнет, и он больше не сможет выполнять свою функцию в активном
центре. Поэтому слишком высокая кислотность вредна. Живым организмам очень
важно поддерживать постоянство своей внутренней среды не в последнюю очередь
потому, что иначе работа ферментов разладится.
"Белковая
Вселенная"
Представим себе дипептид, в котором всего-навсего две аминокислоты. На пер-
вой позиции в этом дипептиде может быть любая из 20 стандартных протеиноген-
ных аминокислот. Проведем ось, на которой каждая аминокислота будет отмечена
черточкой. Это — 20 возможных вариантов.
На второй позиции в дипептиде тоже может быть любая из 20 стандартных про-
теиногенных аминокислот. Проведем вторую ось, перпендикулярную первой, и тоже
отметим на ней черточкой каждую аминокислоту. У нас получится плоский график.
Между двумя осями образуется пространство, состоящее из 400 точек (202) . Каж-
дая точка соответствует одному возможному дипептиду. А всего таких дипептидов
может быть ровно 400.
Поздравим себя: мы только что познакомились с важнейшей концепцией, которая
называется "белковая Вселенная". Это воображаемое пространство, в каждой точ-
ке которого находится один белок. ллБелковая Вселенная" — не поэтическая мета-
фора, а на сегодняшний день уже повседневный инструмент работы биоинформати-
ков, примерно как геометрическое пространство декартовых координат для обыч-
ного инженера.
"Белковая Вселенная", состоящая всего из 400 точек, — очень маленькая и
простая. Но стоит добавить в наш пептид хотя бы третью аминокислоту, как про-
странство превратится в трехмерное и точек в нем станет уже 8000 (2О3) . Даль-
ше можно добавить и четвертую аминокислоту, и пятую — и так, пока не дойдет
до обычных белков, число аминокислот в которых измеряется как минимум десят-
ками, а обычно сотнями. Число измерений пространства ллбелковой Вселенной" бу-
дет в каждый момент равно числу аминокислотных остатков, сколько бы их ни бы-
ло . Это пространство будет многомерным. Наглядно представить себе многомерное
пространство человек не может, но это от него и не требуется, достаточно то-
го , что модель в принципе годится для расчетов.
Важно понимать, что с ростом длины белка объем ллбелковой Вселенной" растет
чрезвычайно быстро. Невообразимо быстро. Для белка из 300 аминокислот (а это
типичный размер) ллВселенная" является 300-мерной и включает 20300 возможных
аминокислотных последовательностей. Это гораздо больше, чем, например, общее
число протонов и нейтронов в наблюдаемой части физической Вселенной (1080) .
Совершенно очевидно, что до сих пор биологическая эволюция исчерпала лишь ни-
чтожную часть этого объема. Подавляющее большинство белков, последовательно-
сти которых существуют где-то в многомерном идеальном пространстве, еще ни
разу не были воплощены, то есть физически синтезированы.
Более того, показано, что ЛЛбелковая Вселенная" (вернее, ее реально освоен-
ная часть) расширяется. С ходом эволюции белки разных организмов отличаются
друг от друга все сильнее и сильнее. В этом ллбелковая Вселенная" подобна на-
шей обычной Вселенной, которая тоже расширяется, — в свое время это математи-
чески показал Александр Фридман и (независимо от Фридмана) вывел из астроно-
мических наблюдений Эдвин Хаббл. Проводя свои наблюдения, Хаббл обнаружил,
что галактики удаляются друг от друга, причем скорость их разлетания тем вы-
ше , чем больше между ними расстояние. Мысленно продолжив эту тенденцию в да-
лекое прошлое, Хаббл пришел к выводу, что движение галактик должно было на-
чаться из одной точки. Это послужило прекрасным подтверждением теории Большо-
го взрыва, которая как раз в те годы начинала создаваться. Ну, а теперь мы
понимаем, что примерно так же устроена и ллбелковая Вселенная", в которой идет
биологическая эволюция. Белки всех живых организмов стремительно (в эволюци-
онном масштабе времени) "разбегаются" в своем многомерном пространстве от ис-
ходной точки — ограниченного набора белков единственного общего предка.
Рассматривая карту окружающей нас части физической Вселенной, можно подоб-
рать такой масштаб, в котором не только галактика Млечный Путь, но и весь су-
перкластер Девы (куда входит Млечный Путь вместе с еще примерно 30 000 галак-
тик) будет выглядеть как ничтожно малые точки. Так вот, соотношение освоенных
и неосвоенных областей ллбелковой Вселенной" должно выглядеть как-то очень по-
хоже. Белки всех живых организмов, вместе взятых, возникшие за несколько мил-
лиардов лет истории Земли, до сих пор занимают в "белковой Вселенной" лишь
ничтожно малую область. В этом смысле эволюция только началась! А ведь могут
быть еще и другие, небелковые биологические Вселенные.
4. СИММЕТРИЯ
Да в силах ли понять я, каково это: быть
ограниченно всемогущим? Когда умеешь все,
но никак, никак, никак не можешь создать
аверс без реверса и правое без левого...
Аркадий и Борис Стругацкие. «Отягощенные
злом, или сорок лет спустя»
Греческое слово ЛЛсимметрия" (аирретрСос) буквально означает ЛЛсоразмерность".
Автором этого термина считается Пифагор Регийский — скульптор, живший в Вели-
кой Греции (как называли тогда южную часть Италии) в эпоху расцвета Афин, то
есть в V в. до н.э. Его не следует путать с Пифагором Самосским, прославлен-
ным философом и математиком, который жил почти на 100 лет раньше.
В естественных науках симметричными принято называть тела или фигуры, со-
стоящие из таких частей, которые можно свободно поменять местами. Такой обмен
называется операцией симметрии. Например, чашечка цветка дикой розы состоит
из пяти лепестков, в идеале совершенно одинаковых. Любой из них можно (по
крайней мере, мысленно) поменять местами с любым другим. То, что фигура при
этом не изменится, как раз и значит, что она симметрична — ллсоразмерна".
Неудивительно, что у молекул тоже бывает симметрия. Например, представим
себе молекулу метана (СН4) . В нее входят четыре атома водорода (Н) , соединен-
ные с центральным атомом углерода (С) совершенно одинаковыми связями (см.
рис. 4.1А) . Молекулу метана можно в любой момент повернуть так, что на месте
одного атома водорода окажется другой. От этого не изменится ровно ничего.
Теперь представим, что один из атомов водорода в метане заменили на атом
хлора (С1) . Получившееся вещество будет называться хлорметаном (СН3С1) . Не-
смотря на замену, молекула останется симметричной: ее, например, можно вра-
щать вокруг единственной связи, соединяющей углерод с хлором, таким образом,
что разные атомы водорода будут занимать место друг друга.
н
н
ф©
0±
В
НООС
H9N
\'"> Н
н,с
входит в состав белков
не входит в состав белков
Рис. 4.1. Симметрия и диссимметрия молекул. А — симметричная мо-
лекула метана, Б — диссимметрия молекулы, где к углероду присое-
динены четыре разных радикала, В — демонстрация того, что этим
свойством обладают альфа-аминокислоты (кроме глицина), Г — ала-
нин как пример.
Более интересная ситуация возникнет, если заменить хлором два атома водоро-
да из четырех. Вещество, которое получится в этом случае, называется дихлор-
метан (CH2CI2) . Связей, соединяющих углерод с хлором, теперь будет две. А
плоскость, в которой они расположены, станет плоскостью симметрии молекулы.
Части молекулы, расположенные справа и слева от этой плоскости (в данном слу-
чае — торчащие вбок атомы водорода), будут зеркально отражать друг друга.
Можно заменить два атома водорода в метане не одинаковыми атомами, а разны-
ми, например хлором (С1) и фтором (F). Тогда получится фторхлорметан
(CH2FC1) . Тут тоже есть плоскость симметрии. Разница в том, что у дихлормета-
на в этой плоскости находится два атома хлора, которые можно свободно поме-
нять местами, просто перевернув молекулу. Никаких наблюдаемых изменений при
этом не произойдет. А у фторхлорметана такой возможности нет.
Теперь сравним все четыре наших соединения. Молекулу метана можно вертеть
как угодно, все четыре заместителя при углероде там абсолютно одинаковы. В
молекуле хлорметана один из этих заместителей отличается от других (хлор), но
молекулу можно вращать вокруг связи, на которой он сидит. В молекуле дихлор-
метана вращательная симметрия исчезает. Два атома водорода (которые можно по-
менять местами) торчат там направо и налево от плоскости, задаваемой двумя
атомами хлора (которые тоже можно поменять местами, и от этого ничего не из-
менится) . И, наконец, в молекуле фторхлорметана атомы, задающие плоскость,
тоже разные. Единственный элемент симметрии, остающийся в этой молекуле, —
одинаковые атомы водорода, которые все еще можно свободно поменять местами,
оставив всю молекулу на месте. Никакие другие операции симметрии для фтор-
хлорметана недоступны.
Итак, мы видим, что в ряду метан — хлорметан — дихлорметан — фторхлорметан
мощность симметрии последовательно уменьшается.
И тут возникает вполне естественный вопрос: а можно ли придумать такую ор-
ганическую молекулу, в которой никаких элементов симметрии не будет совсем?
Нарисовав несколько произвольных формул на листе бумаги, любой желающий убе-
дится, что это не так-то просто. Однако все же можно.
Посмотрим на ситуацию заново. Мы знаем, что валентность углерода равна че-
тырем. Это означает, что к атому углерода можно присоединить ковалентными
связями четыре радикала, как одинаковых, так и разных. Ведь что мы, по сути,
только что видели? Для начала — молекулу, в которой с углеродом соединены че-
тыре одинаковых радикала (АААА). В другой молекуле было три радикала одного
типа и один — другого (АААВ). В третьей — два радикала одного типа и два дру-
гого типа (ААВВ). И наконец, в четвертой молекуле было два одинаковых радика-
ла и два разных (ААВС) . Можно убедиться, что во всех четырех структурах есть
те или иные элементы симметрии. Там есть радикалы, которые можно свободно по-
менять местами, и молекула останется во всех смыслах той же самой.
Дело меняется, если присоединить к атому углерода четыре разных радикала
(ABCD). Реальный пример такого соединения — бромфторхлорметан (CHFClBr). Вот
тут получится молекула, лишенная элементов симметрии полностью. В ней нет ра-
дикалов, которые можно было бы поменять местами, оставив молекулу той же са-
мой. Иными словами, ни одной операции симметрии для этой молекулы не сущест-
вует. Такая структура называется диссимметричной (см. рис. 4.1Б).
Хиральность
Явление диссимметрии молекул открыл Луи Пастер, великий французский химик и
биолог. По Пастеру, диссимметричной называется такая фигура, которая не может
быть совмещена со своим зеркальным отображением. Например, никакими поворота-
ми нельзя совместить правую и левую руку. (Чтобы совсем наглядно убедиться в
этом, можно покрутить во все стороны правую и левую перчатки и попытаться на-
ложить их друг на друга.) Какую из двух зеркально-симметричных форм называть
правой, а какую левой, в общем случае абсолютно безразлично, это можно вы-
брать хоть случайно.
Само свойство, наличествующее у объекта зеркально-симметричных модификаций,
знаменитый английский физик Уильям Томсон, барон Кельвин, назвал хирально-
стью. Слово это происходит от греческого Xе LP ~~ ллрука". Таким образом,
ллхиральность" буквально значит ЛЛрукость". Смысл термина простой: зеркально-
симметричные формы хирального объекта нельзя совместить так же, как правую и
левую руку.
Итак, мы фактически только что показали, что любая диссимметричная фигура
по определению обладает хиральностью. Причем с точки зрения своей физической
природы эта фигура может быть чем угодно, от галактики до молекулы. Прямо
сейчас нам интересны именно молекулы, и в первую очередь органические. А тут
действует простое общее правило. Органическая молекула обладает хиральностью,
если в ней есть хотя бы один атом углерода, с которым связаны четыре разных
радикала (любых). Такой атом углерода принято называть асимметрическим ато-
мом.
Если среди четырех радикалов, присоединенных к атому углерода, есть хотя бы
два одинаковых, значит, этот атом уж точно не асимметрический. Например, ни в
метане, ни в хлорметане, ни в дихлорметане, ни во фторхлорметане атом углеро-
да асимметрическим не является. И соответственно, никакой хиральности там
нет. Иное дело — бромфторхлорметан, где углерод имеет четыре разных радикала:
атом водорода (Н), атом фтора (F), атом хлора (С1) и атом брома (Вг). Поэтому
бромфторхлорметан обладает хиральностью. Эта молекула существует в двух зер-
кально-симметричных формах, которые никакими поворотами не могут быть сведены
одна к другой, хотя набор, как атомов, так и связей между ними там совершенно
одинаков.
Само собой разумеется, что эти формы будут изомерами. Мы знаем (см. главу
1) , что изомеры — это молекулы, состоящие из одного и того же числа одних и
тех же атомов, но отличающиеся расположением этих атомов. Как правило, это
видно на графической формуле. Но бывают особые изомеры, в которых весь набор
химических связей удивительным образом совпадает. Различить их можно, только
представив молекулу в объеме. Изомерия, основанная исключительно на простран-
ственной ориентации частей молекул, называется стереоизомерией.
Любая молекула, обладающая хиральностью, тем самым обладает и стереоизоме-
рией. Асимметрический атом всегда создает два стереоизомера — "правый" и
"левый". Мы уже знаем, что асимметрическим называется атом углерода, с кото-
рым ковалентно соединены четыре любых разных радикала. Сейчас на всякий слу-
чай добавим, что понимать это надо сугубо буквально: "любые радикалы" здесь
означает действительно абсолютно любые, будь это атом водорода или длинная
тяжелая цепь размером с белковую молекулу. Асимметрическому атому "все рав-
но", с его точки зрения они равноценны.
Стереоизомеры
и жизнь
Рассмотрим такое соединение, как знакомый нам из главы 1 аланин. Его форму-
ла следующая: СН3-СН (NH2) -СООН. Теперь мы можем убедиться, что эта формула
относится сразу к двум зеркальным модификациям, которые на самом деле различ-
ны, хотя отличить их по простой графической формуле невозможно. Дело в том,
что в аланине есть асимметрический атом углерода. Это альфа-атом (см. главу
3) , ковалентно связанный с четырьмя разными радикалами — в данном случае с
атомом водорода и тремя группами: аминогруппой, карбоксильной и метильной.
Итак, у аланина есть хиральность, а значит, он может существовать в виде
двух стереоизомеров. Это относится и ко многим другим биологически активным
веществам. Как правило, стереоизомеры не отличаются друг от друга по
"обычным" химическим свойствам, но совершенно по-разному взаимодействуют с
активными центрами ферментов. Если фермент рассчитан на "правый" стереоизо-
мер, то "левый" стереоизомер не будет взаимодействовать с ним вовсе, и наобо-
рот . Понять это нетрудно, если вспомнить, что самое простое и наглядное пред-
ставление о работе фермента называется "моделью ключа и замка" (см. главу 3).
Ключ, отлитый в зеркально-симметричном исполнении, вряд ли войдет в замок и
уж тем более вряд ли поможет его открыть. Вот именно такая ситуация и возник-
нет, если активный центр фермента соединится не с тем стереоизомером.
Неудивительно, что стереоизомеры одного и того же вещества, как правило,
резко различаются по биологической активности. Одна форма аланина ("левая")
входит в состав белков, другая ("правая") — никогда.
То же самое можно сказать и о других аминокислотах, из которых состоят бел-
ки. Как мы знаем, эти аминокислоты для краткости называют протеиногенными
(см. главу 3). В любой протеиногенной аминокислоте есть альфа-атом углерода,
к которому присоединены аминогруппа, карбоксильная группа, атом водорода и
некая боковая цепочка. Этот атом — асимметрический. А значит, такая аминокис-
лота имеет два зеркальных изомера. И в состав белков всегда входит только
один из них — "левый". Единственное исключение — глицин, боковая цепочка ко-
торого представляет собой просто атом водорода. У него стереоизомерии нет.
Стереоизомерия, влияющая на биологическую активность, есть не только у ами-
нокислот . Например, если взять тот же аланин и заменить в нем аминогруппу на
гидроксильную группу, получится молочная кислота (СН3-СН(ОН)-СООН). У молоч-
ной кислоты тоже есть "правый" и "левый" стереоизомеры, которые участвуют в
биохимических процессах по-разному.
Этот правый,
левый мир
В биохимии принято приписывать стереоизомерам ллправизну" или "левизну" по
их отношению к свету. Именно поэтому стереоизомерию часто называют оптической
изомерией (это не строгие синонимы, но в тех случаях, которые нас сейчас ин-
тересуют, разницы между ними нет). Чтобы понять, в чем тут дело, нам потребу-
ется буквально щепотка знаний из физики.
Что такое свет? В XVII веке великий голландский физик Христиан Гюйгенс пер-
вым догадался: свет — это волна. Тут он был совершенно прав. Правда, в совре-
менной физике свет рассматривается и как поток частиц, но на описание интере-
сующих нас сейчас процессов это не влияет. Итак, свет — это волна. Волны бы-
вают продольными или поперечными, и Гюйгенс решил, что световые волны отно-
сятся к продольным. Грубо говоря, продольная волна — это последовательность
сжатий и разрежений, чередующихся вдоль той оси, по которой волна идет. Так
устроены, например, звуковые волны. Для Гюйгенса было вполне естественно
предположить, что световая волна подобна звуковой.
Однако волновая теория Гюйгенса объясняла далеко не все световые явления.
Настоящую революцию в оптике совершил французский физик Огюстен Жан Френель,
сделавший одну очень важную поправку к теории Гюйгенса: свет — не продольная
волна, а поперечная. В отличие от продольной волны, в поперечной волне коле-
бания идут перпендикулярно линии ее распространения. Такова, например, самая
обычная волна на поверхности воды, состоящая из бегущих гребней и впадин. В
световой волне колебания устроены так же, с той разницей, что они не механи-
ческие, а электромагнитные (Френель этого не знал, но созданная им теория
световых волн все равно оказалась верной).
Теперь сделаем следующий шаг. В механической волне, на поверхности воды,
колебания идут только в одной плоскости: вверх-вниз. Но для поперечных волн в
целом это не более чем частный случай. Представим, например, что мы привязали
длинную веревку к гвоздю в стене и дергаем ее за свободный кончик, заставляя
колебаться. Эти колебания будут типичными поперечными волнами. В зависимости
от того, как именно мы в данный момент дергаем, веревка может колебаться и
вверх-вниз, и вправо-влево, и наискосок. Плоскостей колебаний будет много.
Так вот, обычный свет (например, свет Солнца или свет настольной лампы) уст-
роен в этом отношении точно так же.
Итак, свет — это поперечная волна, где электромагнитные колебания обычно
происходят сразу во многих плоскостях. Общего у этих плоскостей только то,
что все они "нанизаны" на луч, по которому волна распространяется. Однако бы-
вает и свет с колебаниями только в одной плоскости — он называется поляризо-
ванным. Такой свет можно получить, например, если пропустить обычный солнеч-
ный луч сквозь особый кристалл-поляризатор (см. рис. 4.2А). Человеческий глаз
не отличает поляризованный свет от обычного, но приборы отличают (как и глаза
многих животных, от пчел до осьминогов и птиц). Плоскость поляризации данного
луча света остается постоянной, если только он не встретится с какими-нибудь
оптическими преградами.
Теперь у нас хватает понятий, чтобы высказать ключевое утверждение. Кри-
сталлы и растворы некоторых химических соединений обладают способностью пово-
рачивать плоскость поляризации пропущенного сквозь них света на строго опре-
деленный в каждом случае угол (см. рис. 4.2Б). Это свойство называется опти-
ческой активностью. Как правило, оптически активными являются те вещества, у
которых есть хиральность. Если у хирального соединения два стереоизомера, то
их кристаллы или растворы поворачивают плоскость поляризации света на один и
тот же угол, но в разные стороны. Изомер, который поворачивает плоскость по-
ляризации по часовой стрелке, принято называть правовращающим, а против часо-
вой — левовращающим, при этом "по часовой" или "против" определяется исходя
из того, что луч света направлен воображаемому наблюдателю в лицо.
поляризатор
поляризованная волна
неполяризованная волна
поляризатор
оптически
активный
объект
непопяризованныи
свет
поляризованный
свет
поворот
плоскости
поляризации
(по часовой стрелке)
Рис. 4.2. Общий принцип поляризации света (А) и поворот плоско-
сти поляризации после прохождения света сквозь оптически актив-
ное вещество (Б).
Для краткости правовращающие изомеры обозначают буквой D (от лат. dexter,
"правый") , а левовращающие — буквой L (от лат. laevus, "левый"). Например,
два стереоизомера аланина кратко называются D-аланином и L-аланином. Все без
исключения белки состоят только из L-изомеров аминокислот. Нарушить это пра-
вило невозможно: ферменты, синтезирующие белки, несовместимы с D-
аминокислотами и не могут их захватывать. Таким образом, все белки на Земле
обладают полной хиральной чистотой. Вот это — по-настоящему важный факт, о
котором неплохо бы поговорить подробнее.
Загадка
левого
вращения
Хиральная чистота, она же гомохиральность, — одна из главных особенностей,
отличающих живые системы от неживых. Это касается не только аминокислот, но и
других биологически активных соединений, у которых есть стереоизомерия (а
есть она у многих). В подавляющем большинстве "обычных" химических реакций D-
и L-изомеры синтезируются поровну, и разделить их потом трудно. Но в живых
телах любая важная группа веществ, как правило, представлена или только L-
формами, или только D-формами. Как они там разделяются, в целом понятно — с
помощью ферментов, каждый из которых распознает или L-, или D-форму своего
субстрата и работает только с ней. В неживых системах механизмов такого раз-
деления или нет вовсе, или они гораздо менее эффективны.
Хиральная чистота живых организмов — широко известное явление. Доходит уже
и до того, что она становится темой псевдонаучных спекуляций. Вспомним пример
с глутаматом — аминокислотой, которая используется как пищевая добавка и ко-
торую часто без серьезных оснований объявляют вредной для здоровья (см. главу
3). Миф об этом вреде частично основан на утверждении, что природный и синте-
тический глутамат — это разные стереоизомеры, один полезный, а другой опас-
ный . Сейчас у нас вполне достаточно знаний, чтобы понять, почему это глу-
пость .
Глутамат нужен нашему организму для двух целей. Во-первых, он входит в со-
став белков. Во-вторых, в растворенном виде он действует на определенные бел-
ки-рецепторы, расположенные на нервных клетках мозга или на чувствительных
клетках языка. Это мы уже знаем. Кроме того, мы теперь знаем, что глутамат,
будучи протеиногенной аминокислотой, имеет два изомера: L-глутамат и D-
глутамат. Так вот, со всеми нашими ферментами и рецепторами взаимодействует
только L-глутамат. Это логично, поскольку и активные центры ферментов, и уст-
роенные по тому же самому принципу активные центры белков-рецепторов всегда
приспособлены только к одной из возможных стереоизомерных форм, в данном слу-
чае к L-форме. Что касается D-глутамата, то он ни в каких биохимических про-
цессах толком не участвует. Можно хоть залить организм его раствором — он не
подействует ни на что. Других же стереоизомеров у глутамата нет.
Разумеется, ни один пищевой химик не будет добавлять в еду бесполезный и
безвкусный D-глутамат. Его и синтезировать никто не станет — незачем. Весь
глутамат, используемый в пищевой промышленности, — это L-изомер, идентичный
"естественному" глутамату, которого в организме и так полно. Химикам, зани-
мавшимся синтезом глутамата, пришлось изобретать сложные процедуры, чтобы по-
лучить побольше нужного L-глутамата и поменьше ненужного D-глутамата, а потом
выделить первое, отбросив второе (и с этими задачами они отлично справились).
Впрочем, сейчас пищевой глутамат получают микробиологическим методом — с по-
мощью бактерий, ферменты которых изначально приспособлены к производству L-
глутамата и ничего другого выдать просто не могут.
И наконец, даже если бы D-глутамат попал в еду, он был бы там бесполезен
(потому что у него нет вкуса) и почти наверняка безвреден. D-аминокислоты не
ядовиты, они просто лишены пищевой ценности. Показано, что довольно много D-
аминокислот — разумеется, небелковых — содержится, например, в молоке и сыре,
и никакого вреда здоровью человека это не наносит.
Однако вернемся к делу. Сама по себе хиральная чистота белков легко объяс-
нима. Мы уже знаем, насколько сильно функции белка зависят от правильного
трехмерного сворачивания его аминокислотной цепочки (см. главу 3). Если син-
тезировать белок, используя D- и L-аминокислоты вперемешку, его пространст-
венная укладка тут же станет непредсказуемой. Например, фермент, состоящий из
случайно чередующихся D- и L-аминокислот, будет совершенно неработоспособным.
Тут уж надо выбрать или только D-, или только L-изомеры — тогда объемная
структура молекулы с гарантией выстроится однозначно.
Но вот почему эволюция выбрала именно L-аминокислоты?
Есть версия, что это чистая и беспримесная случайность. Первой на свете жи-
вой клетке почему-то достались L-аминокислоты, а дальше было проще так и ос-
тавить , чем перестраивать реакционные механизмы под другой стереоизомер. В
какой-то мере оно наверняка так и было. В современном живом организме с ами-
нокислотами имеют дело сотни ферментов, приспособленных к L-изомерам, и толь-
ко к ним. Поменять все эти ферменты на приспособленные к D-изомерам было бы
очень тяжелой задачей. Но если бы в самом начале пути первая живая клетка (а
вернее — доклеточная система) почему-то попала в среду, обогащенную D-
аминокислотами, сейчас все могло бы быть наоборот.
На этой идее можно и остановиться, если считать, что преобладание L-
аминокислот в том месте, где зарождалась жизнь, было абсолютно случайным ко-
лебанием. Флюктуацией, как сказали бы герои Стругацких. Но что, если оно все
же имело какую-то более серьезную причину? Тогда поиск объяснений надо про-
должать .
Есть предположение, что во время возникновения жизни Солнечная система ока-
залась в зоне космоса, насыщенной ультрафиолетовым светом, который был поля-
ризован под таким углом, что разрушал "правые" аминокислоты сильнее, чем
"левые". С точки зрения законов физики такое возможно. Но беда в том, что это
объяснение на данный момент непроверяемо. В самом деле, как узнать, какова
была обстановка в окрестностях Солнца четыре миллиарда лет назад да еще и в
таких деталях?
Подойдем к проблеме с другой стороны. Можем ли мы выяснить, какие аминокис-
лоты преобладали в Солнечной системе накануне возникновения жизни: D-
аминокислоты, L-аминокислоты или их было строго поровну? Да, в принципе мо-
жем. На это есть метеориты. Установлено, что в углистых метеоритах, которые
никогда не входили в состав планет и не были прибежищем жизни, содержится не-
сколько больше L-аминокислот, чем D-аминокислот. Преобладание L-изомеров ами-
нокислот в окружающем нас ближайшем космосе хоть и не подавляющее, но вполне
достоверное. И жизнь тут ни при чем: там, где синтезировались метеоритные
аминокислоты, ее попросту никогда не было. А вот на роль начального условия,
подтолкнувшего первые живые клетки к выбору L-аминокислот, обнаруженная в
космосе хиральная асимметрия подходит превосходно.
Остается понять, чем же все-таки эта хиральная асимметрия была изначально
вызвана. Может быть, действием поляризованного света от межзвездных туманно-
стей, почему бы нет? Но может быть, и чем-то еще.
Есть, например, гипотеза, что в хиральной асимметрии "виновато" бета-
излучение — разновидность электромагнитного излучения, представляющая собой,
по сути, просто поток электронов. Физика элементарных частиц сообщает нам
следующее: любой электрон, замедляясь при взаимодействии со средой, сам ис-
пускает электромагнитные волны, причем поляризованные таким образом, что они
должны разрушать любые правовращающие хиральные молекулы сильнее, чем лево-
вращающие. Связано это с тем, что у электрона есть некоторая внутренняя асим-
метрия . А самое главное, что это подтверждено экспериментально. Показано, что
если бомбардировать бета-излучением (то есть электронами) раствор аминокисло-
ты, содержащий D- и L-изомеры в равной концентрации, то D-форма будет разру-
шаться быстрее. А в космосе бета-излучение присутствует постоянно, так что
дело может быть и в нем.
Ну а тем, кого не устраивает ни одна версия, можно посоветовать почитать
книгу Станислава Лема "Звездные дневники Ийона Тихого". Ее персонажи заявля-
ют, что гомохиральность — это результат хулиганства инопланетных путешествен-
ников :
"Верно ли, что Оспод и Погг, не ограничиваясь обычным загрязнением безза-
щитной, пустынной планеты, решили, по пьяному делу, учинить на ней самым бес-
стыдным и возмутительным образом биологическую эволюцию, какой еще свет не
видывал? Верно ли, что эти безобразники, лишенные всякого чувства приличия и
нравственных тормозов, вылили на скалы безжизненной Земли шесть бочек заплес-
невелого желатинового клея и два ведра испорченной альбуминовой пасты, подсы-
пали туда забродившей рыбозы, пентозы и левуллозы и, словно им мало было всех
этих гадостей, добавили три больших бидона с раствором прокисших аминокислот,
а получившееся месиво взболтали угольной лопатой, скособоченной влево, и ко-
чергой, скрученной в ту же сторону, в результате чего белки всех будущих зем-
ных существ стали левовращающими?!"
Ползи,
ползи,
улитка
Весь наш разговор о правизне и левизне держится на одном-единственном клю-
чевом понятии. Это понятие — "диссимметрия". Из диссимметрии сразу же вытека-
ет хиральность, а из хиральности — во-первых, стереоизомерия и, во-вторых,
оптическая активность. Все это — свойства молекул.
Но понятие диссимметрии относится не только к молекулам. Как симметрия, так
и диссимметрия бывают у каких угодно объектов. Больше 100 лет назад француз-
ский физик-теоретик Пьер Кюри расширил понятие диссимметрии, определив ее как
совокупность отсутствующих элементов некоторой наличной симметрии. Между про-
чим, это должно означать, что ллдиссимметрия" и "асимметрия" — в общем случае
далеко не одно и то же. Асимметрия — это простое отсутствие симметрии (пер-
вичное) , а диссимметрия — это выпадение части элементов когда-то существовав-
шей симметрии (вторичное). "Отсутствие некоторых элементов симметрии — та
диссимметрия, которая творит явление", — говорил Кюри.
Пояснить эту мысль можно вот какой аналогией. Если представить себе беспо-
рядочно написанный текст, в котором нет ритма и рифмы, это и будет беспоря-
дочный текст, и ничего больше. Отсутствие рифмы тут никакого смысла не несет.
Но вот если мы увидим совершенно правильно рифмованное стихотворение, в кото-
ром вдруг попадутся две строчки, написанные верлибром, то есть нерифмованным
стихом, сразу станет ясно, что это не случайность, а так называемый "минус-
прием", которым автор хотел нам что-то сказать. Вот и элементы диссимметрии
обычно бывают важны (по крайней мере, с нашей точки зрения) для характеристи-
ки тех явлений, в которых они проявляются.
История Вселенной знала множество событий диссимметризации, когда в некото-
рой системе часть элементов симметрии исчезала. И что интересно — эти события
чаще вели к усложнению систем, чем к их упрощению.
Первым известным событием диссимметризации был начавшийся в первые же мгно-
вения после Большого взрыва сдвиг соотношения количества вещества и антивеще-
ства. Считается, что изначально их было поровну. Если вещество состоит из
протонов, электронов и нейтронов, то антивещество — из антипротонов, позитро-
нов и антинейтронов (вместе их называют античастицами). Самое же главное, что
при контакте вещества с антивеществом происходит разрушительная аннигиляция:
и частицы, и античастицы превращаются в электромагнитные лучи. В наблюдаемой
части Вселенной антивещества почти нет. Только поэтому там и успевают возник-
нуть структуры, состоящие из атомов и молекул. Если бы вещества всегда было
ровно столько же, сколько антивещества, Вселенная была бы наполнена светом,
но никакие сложные устойчивые объекты в ней существовать не смогли бы.
Возникновение хиральной чистоты живых тел — не что иное, как еще одно яркое
событие диссимметризации. Это стало понятно в XIX веке, после открытий Луи
Пастера, и порождало иной раз самые удивительные мысли. Например, академик
Владимир Иванович Вернадский (безусловно, один из умнейших русских ученых
своего времени) считал, что факт хиральной чистоты означает не более и не ме-
нее как невозможность происхождения живой природы из неживой. ллЛевозакручен-
ность" белков он считал признаком того, что с живыми системами связана неко-
торая совершенно особая разновидность материи, а может быть, даже и физики
пространства (что бы это ни значило). Вернадский, например, всерьез допускал,
что геометрия неживой природы — евклидова, а живой — риманова. Логическим вы-
водом отсюда было признание вечности жизни: раз живые тела не могут возник-
нуть из неживых, потому что это два качественно разных типа материи, значит,
жизнь была во Вселенной всегда и вопрос о ее происхождении лишен смысла. Сей-
час все эти рассуждения, как принято в таких случаях вежливо говорить,
ллпредставляют исключительно исторический интерес". Современные биохимические
исследования очень наглядно показывают, что никакой непреодолимой пропасти
между живыми и неживыми системами нет. Более того, биохимики достаточно убе-
дительно объясняют, как и почему хиральная чистота жизни, скорее всего, воз-
никла. Сейчас мы можем быть уверены, что загадку происхождения жизни решит не
сомнительная философия, а обыкновенная химия.
События диссимметризации случались и на других эволюционных уровнях. Есть,
например, довольно много животных, в строении тела которых симметрия, так или
иначе, сменилась в процессе эволюции на диссимметрию. Диссимметричными (хотя
бы по внутренней анатомии) являются все без исключения брюхоногие моллюски,
то есть улитки, причем в ходе их эволюции диссимметрия еще и постепенно на-
растала. Раковины многих улиток обладают самой настоящей хиральностью, то
есть существуют в двух зеркально-симметричных формах — право- и левозакручен-
ной.
У человека почти нет внешней диссимметрии, но есть довольно сильная диссим-
метрия внутренних органов. Скажем, сердце у него обычно смещено влево, желу-
док тоже направлен изгибом влево, а вот печень и желчный пузырь находятся
справа. Причем существует врожденное нарушение развития под названием situs
inversus, когда все эти органы располагаются зеркально-симметричным образом.
Если инверсия полная и коснулась действительно всех органов без исключения,
то никаких проблем для здоровья она не создает. В этом смысле situs inversus
— просто вариант нормы.
Наконец, эволюционно молодой пример события диссимметризации — это появле-
ние в головном мозге человека специализированных центров речи. Они называются
зоной Брока и зоной Вернике. У подавляющего большинства людей эти центры на-
ходятся только в левом полушарии, но у некоторых, наоборот, только в правом
(такие люди обычно левши). Первым обладателем этих центров — и, соответствен-
но, нового типа диссимметрии мозга — по всей видимости, был человек умелый
(Homo habilis), появившийся в Восточной Африке больше двух миллионов лет на-
зад.
Английский философ XIX века Герберт Спенсер считал, что в ходе прогрессив-
ной эволюции мощность симметрии живых объектов, как правило, понижается.
Строго говоря, это ниоткуда не следует. Например, нет ни малейших оснований
считать, что садовая улитка, обладатель ярко выраженной анатомической диссим-
метрии, хоть в каком-нибудь смысле эволюционно прогрессивнее дождевого червя,
в теле которого никакой существенной диссимметрии нет (по крайней мере, во
взрослом состоянии). С таким же успехом можно было бы сказать, что какой-
нибудь фторхлорметан эволюционно прогрессивнее дихлорметана (вспомним начало
этой главы) . Очевидно, что такое утверждение было бы даже не ошибочным, а
просто бессмысленным. Но вот что события диссимметризации часто бывают знака-
ми серьезных эволюционных перемен — это точно.
Впрочем, доводить до абсолюта этот вывод не стоит. (В биологии вообще лучше
ничего никогда не доводить до абсолюта.) При желании можно найти сколько
угодно случаев, где спенсеровская логика не работает уж вовсе никак. Напри-
мер, У большинства змей сохранилось только правое легкое, у птиц — только ле-
вый яичник, а у нарвала только левый верхний зуб превращается в спиральный
бивень, правый же отсутствует. Все это явные примеры диссимметрии, вторично
возникшей из симметричного состояния. Но никаких переходов на качественно но-
вый уровень в этих случаях не произошло. Перечисленные существа ни в каком
отношении не "выше" и не сложнее своих ближайших родственников: они просто
узко специализированы, не более. Это абсолютно нормально для живых существ и
нисколько не мешает им украшать собой мир.
5. ЛИПИДЫ
И МЕМБРАНЫ
Господь Бог1 создал объем; поверхности
же были изобретены дьяволом3.
Вольфганг Паули
Липиды — удивительно разнообразная группа молекул. Они бывают и структурны-
ми ллкирпичиками", из которых строятся компоненты клеток, и питательными веще-
ствами, и гормонами. В общем, без знакомства с липидами невозможно разобрать-
ся в устройстве жизни — по крайней мере, жизни на Земле.
Но тут нас подстерегает затруднение. В отличие, например, от белков или уг-
леводов, липиды не имеют никакой общей формулы. Их определяющее свойство —
нерастворимость в воде, то есть гидрофобность (см. главу 2) . Липиды — это
сборное понятие, объединяющее все гидрофобные биологически активные вещества.
Напомним, что "гидрофобные" фактически значит ллнеполярные", то есть вклю-
чающие много углерода и водорода, но мало кислорода. В таких молекулах преоб-
ладают ковалентные неполярные связи, не создающие никаких локальных маленьких
электрических зарядов. Поэтому они плохо взаимодействуют с водой, в молекулах
которой связи как раз полярны и локальные маленькие заряды есть.
С химической точки зрения липиды бывают очень различны. Например, они впол-
не могут быть спиртами. Существует спирт, у которого единственная гидроксиль-
ная группа присоединена к огромному углеводородному радикалу с несколькими
замкнутыми циклами (тремя шестичленными и одним пятичленным) и дополнительной
длинной ветвящейся цепочкой. Этот спирт называется холестерином (см. рис.
5.1). Иногда холестерин переименовывают в холестерол — это синонимы. Холесте-
рин очень гидрофобен, он не растворяется в воде и поэтому считается липидом.
Как и многие другие липиды, холестерин — важное питательное вещество. Из-за
того, что он нерастворим в воде, он не может переноситься кровью в чистом ви-
де (как, например, глюкоза), а переносится только при помощи специальных бел-
ков, образующих с ним комплекс.
Основу молекулы холестерина образует уже упоминавшееся ядро из четырех уг-
леродных колец (трех шестиугольников и одного пятиугольника), которое в слу-
чае , если убрать из него двойную связь, будет называться великолепным словом
"циклопентанпергидрофенантрен". Производные циклопентанпергидрофенантрена на-
зываются стероидами. Это очень важная группа липидов. К стероидам относятся,
например, половые гормоны и гормоны коры надпочечников. Довольно часто сте-
роиды используются и как лекарства (каждый, кто смотрел сериал ллДоктор Хаус",
это знает). В организме человека все стероиды синтезируются из холестерина —
это одна из причин, почему он нужен нам как питательное вещество.
Другая важная группа липидов — жирные кислоты, то есть карбоновые кислоты с
длинными (10-20 атомов углерода и больше) углеводородными "хвостами" (см.
рис. 5.1). Чем длиннее "хвост", тем хуже кислота растворяется в воде. Жирные
кислоты, у которых в цепочке больше 12 атомов углерода, принято называть выс-
шими.
Жирные кислоты бывают насыщенными (без двойных связей в углеводородной це-
3 Цитируется по книге Манфреда Шредера "Фракталы, хаос, степенные законы. Миниатюры
из бесконечного рая".
почке) или ненасыщенными (с двойными связями). У насыщенных жирных кислот
ЛЛхвосты" прямые, а у ненасыщенных — изогнутые в местах двойных связей. Из-за
этого молекула может приобрести причудливую форму, особенно если двойных свя-
зей в ней несколько. Насыщенные высшие жирные кислоты при комнатной темпера-
туре — твердые вещества, а ненасыщенные — жидкости. Связано это с тем, что
молекулы кислот с насыщенными "хвостами", в которых нет создаваемых двойными
связями изломов и изгибов, способны к более компактной упаковке. Особенно
много ненасыщенных жирных кислот (и их производных) во всяких растительных
маслах. Именно из-за этого, например, подсолнечное масло при комнатной темпе-
ратуре жидкое, в то время как сливочное — твердое.
снэ
i
сн, сн— сн.— сн.— сн,— сн— см3
сн,
н н
холестерин
ннннннннннннннн с
I I I I I I I I I I I I I I I //
с — с — с — с — с — с — с — с — с — с — с — с — с — с — с — с
I I I I I I I I I I I I I I I \
нннммннннмннмнн
он
стеариновая кислота
н н
н и н н
олеиновая кислота
и \ ^с = ? — с — с — с
н \у< I I I I
н \ А х н
н^ \ м
н
//
с
\
он
н н н и
н н
нннннннн
//
н н н н
нннннннннннн
стеарат натрия
Рис. 5.1. Некоторые липиды: холестерин, насыщенная жирная кисло-
та (стеариновая), ненасы-щеиная жирная кислота (олеиновая) и
соль насыщенной жирной кислоты, а именно стеарат натрия, извест-
ный нам в качестве мыла.
Жирные кислоты играют важную физиологическую роль, которая иногда проявляет
себя трагически. Например, одна из самых страшных болезней, разрушающих нерв-
ную систему, — адренолейкодистрофия — связана именно с нарушением обмена жир-
ных кислот. Дело в том, что жирные кислоты активно используются при синтезе
миелина — довольно сложного по составу вещества, образующего оболочку отрост-
ков нервных клеток. Строго говоря, миелин — это вообще не единое вещество, а
смесь множества разных липидов. А миелиновая оболочка отростков нейронов не-
обходима для нормального проведения по ним нервных импульсов (в физиологиче-
ские детали этого мы сейчас вдаваться не будем). Так вот, в состав миелина
входят жирные кислоты с углеводородными цепями, включающими по 16-20 атомов
углерода — это по любым меркам довольно много. Но при адренолейкодистрофии в
организме накапливается огромное количество так называемых очень длинноцепо-
чечных жирных кислот (ОДЦЖК), имеющих углеводородную цепь длиной в 24-30 ато-
мов . Вот это уже катастрофа. Очень длинноцепочечные жирные кислоты разрушают
миелин, вместо того чтобы нормально в него встраиваться. Результат — рас-
стройство буквально всех функций нервной системы, включая и движения, и чув-
ствительность , и память, и рассудок. Обычно это приводит к смерти в течение
нескольких лет. Адренолейкодистрофия — генетическая болезнь. Ее непосредст-
венная причина — выход из строя одного определенного транспортного белка, в
норме переносящего ОДЦЖК в те части клеток, где они должны расщепляться. Ле-
чить такое медицина пока что не умеет, хотя можно надеяться, что со временем
научится, особенно если о наличии у зачатого младенца гена адренолейкодистро-
фии будет известно заранее (а это вполне можно обеспечить).
Но вернемся к липидам. Есть липиды, которые являются с точки зрения химии
сложными эфирами, то есть продуктами соединения карбоновой кислоты и спирта с
общей формулой R1-CO-O-R2 (см. главу 1) . Сложный эфир — это уже и не кислота,
и не спирт, их свойства в нем взаимно уничтожаются. Сложный эфир, образован-
ный спиртом и кислотой с длинными углеводородными цепями, называется воском.
В молекулах восков так много атомов углерода и водорода и так мало атомов ки-
слорода, что в итоге они очень похожи по свойствам на обычные углеводороды. К
этой группе веществ относится, например, пчелиный воск, из которого пчелы де-
лают соты.
Кроме того, воск (иной по составу, чем пчелиный) образует основу спермацета
— жидкого вещества, находящегося в особом мешке в голове кашалота. Именно из-
за спермацетового мешка голова кашалота выглядит прямоугольной, а не вытяну-
той, как у дельфина, хотя форма черепа у них очень похожая. По современным
данным, спермацетовый мешок служит линзой для звуковых волн, с помощью кото-
рых кашалот ориентируется в пространстве; особенно это важно на большой глу-
бине , где от зрения толку немного. Каждый, кто читал великий роман ллМоби
Дик", знает, что раньше на кашалотов активно охотились ради спермацета, из
которого делали ламповое масло, кремы, свечи и некоторые лекарства (например,
противоожоговые мази). Сейчас добыча кашалотов, к счастью, запрещена.
Кроме стероидов, жирных кислот и восков есть еще, по меньшей мере, два типа
липидов, без которых в биологии никак не обойтись. Это — жиры и фосфолипиды.
С ними мы познакомимся чуть позже.
Детергенты
Жирные кислоты, а вернее их соли, с древних времен используются человеком в
качестве моющих средств. Посмотрим, почему это так удобно.
Вот, например, стеариновая кислота: вещество с формулой СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-
СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СООН, или попросту Ci7H35COOH.
(Последний вариант, конечно, компактнее, но трудно отказать себе в удовольст-
вии хоть раз написать эту формулу в развернутом виде.) Если заменить в этой
кислоте атом водорода на атом натрия, получится соль — стеарат натрия
СзлНзбСООЫа (см. рис. 5.1). В растворе такая соль легко диссоциирует, распада-
ясь на катион Na+ и анион Ci7H35COO~, который называется стеарат-ионом.
Как ведет себя стеарат-ион в воде? Его заряженная "головка" (-С00-) взаимо-
действует с водой отлично, а вот образующий большую часть молекулы углеводо-
родный "хвост" — совсем никак. Этот "хвост" — воплощение гидрофобности, и он
слишком длинный, чтобы заряженная "головка" могла затянуть его за собой в
раствор целиком. Поэтому, если поблизости есть поверхность жидкости, то стеа-
рат-ионы выстроятся по ней так, чтобы "головки" были направлены в воду, а
"хвосты" — наружу, в сторону поверхностной пленки. Такое поведение молекул
называется поверхностной активностью.
Иное дело, если на пути стеарат-ионов окажется капля какого-нибудь гидро-
фобного вещества — например, масла или жира. В этом случае стеарат-ионы вы-
строятся точно по поверхности, разделяющей воду и жир. Их "головки" будут об-
ращены в воду, а "хвосты" погружены в жир. В результате капля жира будет раз-
бита этими "хвостами" на мелкие капельки, которые по отдельности легко смоют-
ся водой. Вот почему стеарат-ионы и близкие к ним молекулы хороши в качестве
моющих средств. Собственно говоря, именно так они и используются людьми по-
следние несколько тысяч лет. Стеарат натрия — это не что иное, как обычное
мыло.
Поверхностно-активные вещества, такие как мыло, часто называют детергентами
(от латинского глагола detergere, одно из значений которого — "стирать"). Де-
тергент — это вещество, в молекуле которого один конец растворим в воде, а
другой — в липидах или углеводородах. Детергенты бывают анионными (с отрица-
тельно заряженной "головкой"), катионными (с положительно заряженной
"головкой") или неионными (у которых "головка" полярна, но не заряжена). Но в
любом случае молекула детергента обязательно включает гидрофильную "головку"
и гидрофобный "хвост". Мыло — это, как уже понятно из описания, типичный ани-
онный детергент.
Великий химик Клод Луи Бертолле говорил, что "грязь — это вещество не на
своем месте". Тут можно уточнить: грязь — это, как правило, гидрофобное веще-
ство не на своем месте. Оно и понятно: гидрофильные вещества вроде сахара без
проблем смываются водой, так что никакие дополнительные вещества для их уда-
ления не нужны. А вот для удаления гидрофобных веществ людям, собственно, и
пришлось придумать моющие средства.
Бывают и природные аналоги моющих средств. Например, желчные кислоты — по-
лярные производные холестерина, которые вырабатываются у человека печенью и
выделяются в двенадцатиперстную кишку. Это самые настоящие детергенты, необ-
ходимые в данном случае для того, чтобы разбивать поступающие с пищей капель-
ки жира.
Еще одно красивое название, применимое к детергентам, — амфифильные вещест-
ва. Слово "амфифильный" можно буквально перевести как "двояколюбивый". Оно
как раз и обозначает молекулу, одна часть которой "любит" воду, а другая —
нет. Это более общий термин, чем "детергент", буквально означающий все-таки
именно "моющее средство" (тем более что далеко не все амфифильные вещества
подходят на эту роль).
Возвращаясь к началу этой главы, мы теперь можем уточнить, что липиды на
самом деле довольно редко бывают полностью гидрофобными. Чаще они амфифильны.
Многие их биологические свойства именно с этим и связаны.
Жиры
Теперь еще раз вспомним, что любая карбоновая кислота (в том числе и жир-
ная) в принципе может образовать с любым спиртом сложный эфир. При этом от
кислоты отщепится -ОН, от спирта -Н, они образуют воду, а остатки кислоты и
спирта замкнутся в единую молекулу со сложноэфирной группой -С0-0- посредине
(см. рис. 5.2). Спиртом, участвующим в этой реакции, вполне может оказаться и
глицерин, у которого гидроксильных групп целых три (см. главу 1) . Сложный
эфир глицерина и трех жирных кислот называется жиром. Молекула жира имеет
"головку" (остаток глицерина) и сразу три углеводородных "хвоста" (см. рис.
5.2) .
О
II
гидрофобные "хвосты"
СНг-О-С
О
vWWW\
? сн-о-с
гидрофильная
"головка"
гидрофобные
хвосты*
vWWW\
о
II
СНз-О-С
\AA/V=VAA/V
о
II
СНг-О-С
жир
гидрофобные "хвосты"
фосфолипид
(грубая схема)
? сн-о-с
\ЛЛЛЛЛЛЛ
i
CHj 0
"0 "I r
СНз — N— СН2 —СН2—0-Р-О-СНз
I \cs
фосфолипид
(формула)
СНз
добавочная группа
(холин)
О
фосфат
Рис. 5.2. Жиры и фосфолипиды. В качестве примера мембранного
фосфолипида приведен фосфатидилхолин, где к фосфатной головке
добавлен азотсодержащий остаток холина. Отметим, что в этом ос-
татке азот становится четырехвалентным ценой превращения в поло-
жительно заряженный ион (как в ионе аммония NH4+, см. главу 1) . С
азотом такое бывает.
На самом деле жиры стали известны людям гораздо раньше, чем их исходные
компоненты. Например, желтый костный мозг, который наверняка извлекали древ-
ние люди из трубчатых костей крупных млекопитающих, — это в основном жир.
По опыту мы все знаем, что жир — это вещество животного или растительного
происхождения, нерастворимое в воде, жирное на ощупь и оставляющее на бумаге
характерные жирные пятна. Жиры, остающиеся при комнатной температуре жидкими,
принято называть маслами.
Иногда в разговорах о химическом составе пищи понятие "липиды" для простоты
заменяют понятием "жиры". Теперь мы знаем, что это неточность. Жиры — и
вправду ценные питательные вещества, но это далеко не единственные липиды,
которые важны в этой роли. Например, холестерин — липид, но никакой не жир.
С участием насыщенных жирных кислот образуются насыщенные жиры, а с участи-
ем ненасыщенных кислот, соответственно, ненасыщенные. В растительных маслах
гораздо больше ненасыщенных жиров, чем в животных. Хотя в целом и там и там
есть и те и другие, отличается только их вклад.
Жиры — очень ценные источники энергии. Молекула жира может дать в два раза
больше энергии, чем молекула углевода, имеющая такой же размер. Объясняется
это вот чем. Процесс, путем которого мы получаем энергию из питательных ве-
ществ, — это, в сущности, окисление, то есть присоединение кислорода ко всем
атомам водорода и углерода, до которых можно дотянуться. Все другие связи,
образуемые этими атомами, при окислении разрываются, а его конечными продук-
тами становятся вода (Н20) и углекислота (С02) . Проблема в том, что в молеку-
лах углеводов значительная часть атомов уже соединена с кислородом, так что
окислять их дальше некуда (ну, или почти некуда). В молекулах жиров, где есть
длинные жирно-кислотные "хвосты", таких атомов гораздо меньше. А потому и
энергии из окисления жиров можно извлечь больше.
Кроме того, что жиры энергоемки, они еще и удобны для компактного хранения,
поэтому животные (включая человека) часто используют их в качестве запасных
веществ. Известно, что организм склонен реагировать на длительный стресс уси-
лением отложения жира — это одна из причин так называемого стресс-
индуцированного ожирения. Конечно, это эволюционно обусловленная реакция: с
точки зрения нашего организма, чем тяжелее и неопределеннее условия жизни,
тем выше вероятность того, что запасные вещества в обозримом будущем приго-
дятся .
Мы уже знаем, что одним из конечных продуктов окисления питательных веществ
является вода. Поэтому жировые отложения могут фактически служить запасом не
только энергии, но и воды, которая все равно неизбежно выделяется при их пе-
реработке . Это особенно важно для пустынных животных вроде верблюдов. Горб
верблюда содержит только жир, но при полном окислении этот жир (как и любой
другой) превращается в углекислоту и воду. Углекислоту верблюд выдыхает, а
воду оставляет в своем теле, чтобы добро не пропадало.
Некоторые тушканчики, тоже живущие в пустынях или полупустынях, запасают
жир подобно верблюдам и в тех же целях, но не в горбе, а в хвосте. Они так и
называются — толстохвостые тушканчики.
Фосфолипиды
А теперь познакомимся еще с одним важным для нас веществом — фосфорной ки-
слотой , имеющей формулу Н3Р04. Структура у нее довольно простая. Мы уже зна-
ем, что валентность фосфора — 5 (см. главу 1) . В фосфорной кислоте к атому
фосфора присоединены четыре атома кислорода, один двойной связью, а все ос-
тальные одинарными. К этим последним присоединены атомы водорода. Когда фос-
форная кислота находится в растворе, атомы водорода (вернее, протоны) могут
отрываться, превращая фосфорную кислоту в анион. Здесь, как и раньше, надо
иметь в виду, что ллфосфорная кислота" и ЛЛфосфат" (то есть ее анион либо соль)
в биохимии почти синонимы. В подавляющем большинстве случаев эти понятия сво-
бодно заменяются друг на друга. Очень часто название "фосфорная кислота" за-
меняют на ЛЛфосфат" просто для краткости.
Фосфорная кислота может участвовать в образовании сложных эфиров точно так
же, как и карбоновые кислоты (см. рис. 5.2). Сложный эфир глицерина, двух
жирных кислот и фосфорной кислоты называется фосфолипидом. Это — исключитель-
но важный для биологии класс соединений. Можно сказать, что фосфолипид — это
жир, у которого вместо одного из остатков жирных кислот тем же способом при-
соединен фосфат. Такая молекула состоит из гидрофильной "головки" (включающей
остатки глицерина и фосфата) и двух гидрофобных "хвостов" (жирных кислот).
При фосфате бывают еще добавочные боковые цепи, у разных фосфолипидов разные.
Два особенно широко распространенных фосфолипида — фосфатидилхолин и фосфа-
тидилсерин. В фосфатидилхолине дополнительной боковой цепью при фосфате слу-
жит холин, небольшая азотсодержащая органическая молекула (см. рис. 5.2Г). А
в фосфатидилсерине к фосфату присоединена аминокислота серии. В другие биохи-
мические детали нам тут вдаваться не стоит, общие свойства фосфолипидов все
равно гораздо важнее. А состоят они в том, что любой фосфолипид — это ярко
выраженная амфифильная молекула, состоящая, если совсем уж попросту, из одной
большой гидрофильной "головки" и двух длинных гидрофобных "хвостов".
Знакомство
с мембраной
Мы уже знаем, что никакие липиды не растворяются в воде. Что же будет, если
их с водой все-таки принудительно смешать? Правильно: молекулы липидов начнут
слипаться друг с другом своими гидрофобными частями, как бы защищая их от
контакта с водой, и это называется гидрофобным взаимодействием. А гидрофиль-
ные части молекул будут, наоборот, втягиваться в воду, ориентируясь в сторону
ее толщи. Это типичное поведение амфифильных веществ.
Будем для определенности называть гидрофильную часть любого липида
"головкой", а гидрофобную — "хвостом". И мы увидим, что при смешивании с во-
дой молекулы липидов могут группироваться тремя способами (см. рис. 5.3):
■ мицелла — шарообразное скопление, где "хвосты" обращены внутрь, минимизи-
руя контакт с водой, а "головки" — наружу. Ничего, кроме самих молекул ли-
пидов , мицелла не содержит. Мицеллы особенно легко образуются из молекул,
где "головка" по диаметру превосходит "хвост", то есть молекула имеет фор-
му конуса. Таковы, например, молекулы жирных кислот;
■ бислой, в котором два слоя аккуратно выстроенных молекул липидов обращены
"хвостами" друг к другу, а "головками" к водной толще. В этом случае гид-
рофобные области обоих слоев взаимодействуют друг с другом, не касаясь во-
ды. Бислой легче всего образуется, если ширина "головки" и "хвоста" моле-
кулы (или всех ее "хвостов" вместе) одинакова, то есть молекула цилиндри-
ческая. Именно так устроены молекулы фосфолипидов;
■ везикула — пузырек, представляющий собой бислой, замкнувшийся в сферу. Та-
кое замыкание происходит довольно легко, потому что края бислоя всегда не-
устойчивы — ведь гидрофобные "хвосты" там обнажаются. В везикуле же ника-
ких свободных краев больше нет. Внутри везикулы находится полость, запол-
ненная той же водой, что и снаружи.
Итак, жирные кислоты охотнее образуют мицеллы, а фосфолипиды — бислой, за-
мыкающиеся в везикулы. Вот именно таким бислоем и является клеточная мембра-
на. Она состоит из двух слоев фосфолипидов, обращенных гидрофобными
"хвостами" друг к другу. (На самом деле так устроена мембрана не абсолютно
всех клеток, а только подавляющего большинства, но про исключения мы погово-
рим позже.) Как правило, клеточная мембрана не имеет никаких свободных краев,
она полностью замкнута. То есть вся клеточная мембрана — это, в некотором
смысле, одна сильно разросшаяся везикула.
Повторимся еще раз: типичная клеточная мембрана представляет собой фосфоли-
пидный бислой. Это утверждение, которое могло бы показаться совершенно зага-
дочным несколько страниц назад, сейчас нам уже понятно. И к нему можно доба-
вить еще более очевидную мысль: там, где нет клеточной мембраны, нет вообще
никакой клетки. Ведь говорить о клетке можно лишь тогда, когда есть четкая
граница, отделяющая внутриклеточное пространство от внешней среды. Таким об-
разом, история возникновения клеточных форм жизни — это в большой степени
именно история возникновения липидных мембран.
гидрофильные
головки
гидрофобные
хвосты
мицелла
(крупным планом)
•зЛОЙ*
мицелла
(мелким планом)
везикула
Рис. 5.3. Способы самоорганизации молекул липидов в растворе.
На самом деле биологические мембраны никогда не состоят из одних только
фосфолипидов (см. рис. 5.4). Настоящая мембрана — это фосфолипидный бислой со
встроенными в него многочисленными белками, которые называются интегральными.
Многие (но не все) интегральные белки пронизывает клеточную мембрану на-
сквозь , так что концы белка торчат из нее и внутрь, и наружу. Такие белки на-
зываются трансмембранными. Часть интегрального белка, погруженная глубоко в
мембрану, всегда богата гидрофобными аминокислотами, такими как валин, лей-
цин, изолеицин и фенилаланин (см. главу 3). Радикалы этих аминокислот хорошо
взаимодействуют с гидрофобными "хвостами" фосфолипидов. Именно благодаря это-
му интегральный белок и держится в мембране, в которую он вставлен. Очень
часто интегральный белок бывает свернут таким образом, что его полипептидная
цепочка пронизывает мембрану несколько раз подряд. Отрезками такого белка,
непосредственно проходящими сквозь мембрану, чаще всего бывают альфа-спирали
или бета-слои, почти целиком состоящие из гидрофобных аминокислот (о том, что
такое альфа-спираль и бета-слой, см. опять же главу 3).
Интегральных белков очень много. Судя по современным молекулярно-
биологическим данным, у большинства живых организмов от 20 до 30% всех белков
— это интегральные мембранные белки. Неудивительно, что их функции разнооб-
разны. Но чаще всего интегральные белки бывают или рецепторными (принимают
сигналы из внешней среды и передают их внутрь клетки), или транспортными (пе-
реносят те или иные молекулы с одной стороны мембраны на другую). В типичной
клетке человеческого тела есть, как правило, примерно 100 разных интегральных
белков. Каких именно — во многом зависит от того, что это за клетка.
Очень важное свойство биологических мембран — избирательная проницаемость.
Только очень немногие вещества могут проходить сквозь клеточную мембрану от-
носительно свободно. Это или вода, молекулы которой совсем маленькие, или
гидрофобные соединения вроде стероидных гормонов, которые легко
"растворяются" в гидрофобном слое мембраны. Для всех остальных молекул требу-
ются специальные переносчики. Например, молекулы углеводов — крупные и гидро-
фильные, поэтому самостоятельно пройти через мембрану они не могут. А по-
скольку клетке углеводы все-таки нужны, то существует целая группа трансмем-
бранных белков, занимающихся их переносом. Особенно разнообразны транспортеры
глюкозы — углевода, служащего у нас главным источником энергии (см. главу 6).
Внутри
Рис. 5.4. Общая схема типичной клеточной мембраны.
Более того, в конце XX века выяснилось, что специальные переносчики через
мембрану есть даже для воды. Это интегральные белки, которые называются аква-
поринами. Правда, перенос воды сквозь мембрану может идти и сам по себе, но
аквапорины, во-первых, значительно облегчают его, а во-вторых, позволяют ре-
гулировать. Например, у человека есть не меньше 13 белков-аквапоринов, отли-
чающихся друг от друга деталями функционирования. На такой важной задаче, как
транспорт воды, эволюция не экономит.
Кроме интегральных белков есть еще и периферические, которые не пронизывают
мембрану насквозь, а "прилипают" к ней только с одной стороны, нековалентно
связываясь или с интегральными белками, или с головками фосфолипидов. Обычно
периферические белки держатся или на ионных, или на водородных связях. Функ-
ции этих белков могут заключаться, например, в передаче сигнала от интеграль-
ных белков-рецепторов внутрь клетки. Неудивительно, что разных периферических
белков довольно много.
С липидной частью мембран тоже не все так просто. Прежде всего, в нее вхо-
дят не только фосфолипиды. Например, мембраны клеток животных содержат еще и
холестерин, причем в довольно большом количестве. В растениях холестерина нет
(поэтому встречающаяся на бутылках растительного масла надпись ллбез холесте-
рина" — чистая правда), но в состав их мембран входят другие гидрофобные
спирты, близкие к нему по структуре. Есть и еще несколько классов мембранных
липидов, которые мы тут не обсуждаем, но которые, тем не менее, часто оказы-
ваются важными и для клеточной биологии, и даже для медицины.
Клеточная мембрана интересна тем, что для ее образования не нужно никаких
ковалентных связей (которые в обычной химии как-никак главные). Она целиком
держится на нековалентных взаимодействиях, в первую очередь, конечно, гидро-
фобных. Входящие в мембрану молекулы фосфолипидов, как правило, ничем не за-
креплены — они могут дрейфовать по своему слою, как в жидкости. Модель мем-
браны, учитывающая эти ее свойства, была в свое время достаточно красноречиво
названа жидкостно-мозаичной. В живых системах вообще очень многое держится не
на сильных связях (ковалентных), а на слабых (гидрофобных или водородных) — в
следующих главах мы еще не раз это увидим.
Пенорожденная
Мы теперь знаем, что молекулу, в которой есть гидрофильная и гидрофобная
части, для краткости называют амфифильной. При смешивании амфифильнохю веще-
ства с водой оно может спонтанно собраться в мицеллы, а может и в везикулы
(это зависит как от природы самого вещества, так и от физических условий).
Если получаются везикулы — значит, молекулы в них выстроились в бислой, очень
похожий на липидный бислой клеточных мембран. Можно экспериментально подоб-
рать условия, в которых возникновение таких везикул ускорится. При этом ис-
кусственные везикулы могут "расти", избирательно пропуская сквозь мембрану и
удерживая в себе разные вещества, а могут и "делиться" наподобие клеток. Из-
за того, что липидные мембраны избирательно проницаемы, внутри везикул возни-
кает среда, отличающаяся от окружающего раствора, в которой могут идти собст-
венные химические реакции. В общем, получается, что простая самоорганизация
смешанных с водой липидов внезапно дает свойства, привычные для живых систем:
рост, размножение, обмен веществ, поддержание внутренней среды.
Из чего состояли первые мембраны? Вполне возможно, что поначалу их молеку-
лярные компоненты были гораздо более простыми, чем фосфолипиды. В эксперимен-
тах химикам удавалось получать самые настоящие везикулы из смеси карбоновых
кислот и сложных углеводородов, найденных в знаменитом Мурчисонском метеорите
(см. о нем в главе 3). Древнейшие мембраны в принципе могли бы состоять, на-
пример , из жирных кислот. И действительно, заставить жирные кислоты с
"хвостами" длиной примерно в 10 атомов углерода собраться в везикулы в искус-
ственных условиях вполне можно. Тогда почему бы и не в природе? Правда, такие
мембраны будут не слишком устойчивыми.
Подводя итог, тут можно сказать две вещи. С одной стороны, можно быть уве-
ренным, что по части мембранной организации между живой и неживой природой
нет никакого глубокого разрыва. Биохимическая эволюция вполне могла начаться
с простой однослойной мицеллы и прийти к двуслойной везикуле, постепенно об-
ретающей возможность сначала расти, потом делиться, а потом и захватывать
крупные молекулы, в том числе способные нести генетическую информацию. Почти
все промежуточные шаги на этом пути не только легко вообразить, но и можно
уже сейчас воспроизвести экспериментально.
С другой же стороны, здесь, как это очень часто бывает в современной науке,
обретенная ясность сразу же порождает новые вопросы. Мы совершенно не знаем,
в какой именно момент были "изобретены" первые биологические мембраны, и из
каких молекул они поначалу состояли. Мембраны из жирных кислот слишком не-
прочны . Может быть, вначале были другие соединения, не такие сложные, как
фосфолипиды, но обладавшие близкими свойствами? И если да — то, что это были
за соединения? Откуда они брались, в каких были изомерных формах? Как вышло,
что фосфолипиды заняли их место? Подобных вопросов можно задать очень много.
А когда на них найдутся ответы, перед исследователями наверняка встанут новые
вопросы, которых мы сейчас еще даже не можем себе представить. Это — нормаль-
ный процесс познания.
Есть, по крайней мере, одно свойство жизни, совершенно невозможное без мем-
бран (во всяком случае, в современных земных условиях). Это свойство — дис-
кретность .
Мы привыкли к тому, что живое вещество разделено на маленькие самостоятель-
ные порции, которые традиционно, со времен великих ученых XVII-XIX веков, на-
зываются клетками. Но обязательно ли любая жизнь должна состоять из клеток?
Мы этого не знаем. Станислав Лем в "Солярисе" попытался вообразить иную жизнь
— не дискретную, охватывающую единым живым океаном целую планету. Конечно,
это — фантазия. Но у нас нет никаких серьезных оснований считать, что она аб-
солютно нереалистична.
Так или иначе, в истории жизни на Земле дискретность возникла, и притом
очень рано. Сначала появились клетки, а потом и сложенные из них многоклеточ-
ные организмы, вплоть до дубов, кашалотов и людей. ЛЛКлючевая роль детергентов
в формировании дискретных особей (в том числе и прекрасных) вполне соответст-
вует представлению о возникновении Венеры (Афродиты) из пены морской", — пи-
шет по этому поводу известный биофизик Симон Эльевич Шноль. Слово
лл детергенты" тут употреблено как синоним ЛЛамфифильных веществ" (или
"поверхностно-активных веществ", если кому-нибудь такое название больше нра-
вится) . Сама же идея вполне актуальна. Ведь пена возникает там, где есть мно-
го амфифильных веществ — таких, как мыло, — которые легко образуют мицеллы,
везикулы и вообще любые пузырьки. А принцип деления живой материи на клетки —
точно такой же. Клеточная жизнь основана на явлении поверхностной активности.
И древний миф здесь неожиданно точно иллюстрирует эволюционную реальность.
У корней
древа
жизни
Вся живая природа Земли делится на две части: организмы, состоящие из кле-
ток, и вирусы. Вирусы мы тут пока не обсуждаем (о них пойдет речь в главе
12). А вот разнообразием клеточных организмов сейчас самое время поинтересо-
ваться: мы как раз дошли до тех признаков, по которым они серьезно отличаются
друг от друга.
В конце XX века микробиолог Карл Вёзе показал, что все клеточные организмы
распадаются на три главные эволюционные ветви: эукариоты, бактерии и археи.
Об этом открытии и его последствиях мы более подробно поговорим в главе 14,
где будет обсуждаться система живой природы. Здесь нам достаточно самой про-
стой вводной информации. Эукариоты — это обладатели клеточного ядра, среди
которых есть и многоклеточные (животные, растения, грибы), и одноклеточные
(амебы, жгутиконосцы, инфузории). Пока не был изобретен микроскоп, натурали-
сты волей-неволей ограничивались изучением одних лишь эукариот. Бактерии, в
отличие от эукариот, не имеют клеточного ядра, и клетка их в целом устроена
гораздо проще. Кроме того, они не бывают многоклеточными. Микроскопический
мир бесчисленных бактерий, населяющих все природные среды, какие только есть
на Земле, знаком ученым с XVIII века. И наконец, археи — это одноклеточные,
не имеющие ядра и по устройству клетки сходные с бактериями, но сильно отли-
чающиеся от них молекулярно-биологически. Многие (но далеко не все) археи жи-
вут в экстремальных средах — например, в почти кипящей воде или в растворах с
высокой кислотностью.
Одна из самых поразительных особенностей архей, отличающая их и от бакте-
рий, и от эукариот, касается устройства клеточной мембраны. До открытия архей
считалось, что мембрана, состоящая из двух слоев фосфолипидов, абсолютно уни-
версальна и является всеобщим свойством клеточных организмов. Исследования
архей начисто опровергли это представление. Сравнение химических компонентов
эукариотных, бактериальных и архейных клеточных мембран показывает следующее
(см. рис. 5.5):
■ Архейные мембранные липиды представляют собой не сложные эфиры с общей
формулой R1-CO-O-R2, а простые эфиры с общей формулой R1-O-R2 (см. главу
1). Надо заметить, что основу типичного мембранного липида в любом случае
образует глицерофосфат, то есть сложный эфир глицерина и фосфорной кисло-
ты. Но вот жирные "хвосты" у архей присоединены к нему совсем не так, как
у всех остальных: не сложными эфирными связями, а простыми.
■ Углеводородные гидрофобные цепи мембранных липидов у архей ветвятся за
счет множества торчащих в стороны метильных групп (-СН3) . Ни бактериям, ни
эукариотам это не свойственно.
■ Самое поразительное: у некоторых родов архей (и только у них) мембрана не
двуслойная. Вместо бислоя она представляет собой единственный слой из мо-
лекул с двумя гидрофильными головками и длинной гидрофобной цепью между
ними. Такие липиды иногда называют биполярными.
Как это объяснить? Биохимики считают, что все перечисленные химические осо-
бенности мембран полезны для жизни в экстремальных условиях — например, при
высокой температуре или высокой кислотности. А мы уже знаем, что многие со-
временные археи как раз в таких условиях и живут. Значит, налицо просто дале-
ко зашедшее приспособление?
гидрофобные "хвосты"
простая
эфирная глицерин
связь
фосфат
гидрофобные "хвосты
сложноэфирная
связь
глицерин
фосфат
i
i
i
/A^4Ava/^v/v%/
/N/N/N/N/V/V'V'
/%/\/\/V%/4^
АДАЛАЛА/
/^/Ч/\/%/Ч/%/Ч/
I
I
I
фосфолипидный бислой
бактерий или эукариот
>Y4^YVYS^ I
фосфолипидный б и ел ой
архей
Рис. 5.5. Различия компонентов клеточных мембран бактерий и эу-
кариот (с одной стороны) и архей (с другой стороны).
Увы, не все так просто. У архейных мембран есть еще одна важнейшая особен-
ность. Дело в том, что у бактерий с эукариотами и у архей для синтеза мем-
бранных липидов используются разные стереоизомеры глицерофосфата. У большин-
ства живых организмов в мембраны входит L-глицерофосфат, но у архей — почему-
то D-глицерофосфат. И вот это уже гораздо труднее объяснить приспособлением к
каким бы то ни было внешним условиям. Мы ведь знаем, что на "обычные" физико-
химические свойства веществ стереоизомерия практически не влияет. С точки
зрения выживания при высокой температуре, кислотности или солености абсолютно
неважно, какой стереоизомер глицерофосфата выбран для мембран. К тому же по-
казано, что мембрана, включающая оба изомера одного и того же фосфолипида,
будет физически неустойчивой, — то есть переходные состояния тут маловероят-
ны. А ферменты, взаимодействующие с разными стереоизомерами мембранных липи-
дов, отличаются друг от друга настолько сильно, что проще всего предположить
их совершенно независимое происхождение.
Как может выглядеть эволюционный сценарий, сводящий воедино все эти факты?
Тут допустимы самые смелые предположения. Может быть, общие предки бактерий,
эукариот и архей вообще не имели никакой мембраны, то есть еще не были клет-
ками? Или мембрана у них была, но не липидная, а неорганическая, например же-
лезо-серная? С другой стороны, современные генетические данные позволяют счи-
тать , что у общего предка всех клеточных форм жизни уже было несколько инте-
гральных белков, приспособленных к работе в мембране и бесполезных без нее.
Тогда получается, что какая-то мембрана там все же была. В любом случае этот
узел еще далеко не распутан.
6. УГЛЕВОДЫ
Ну вот и присмотрись к себе, как сидишь
ты возле бюро в халате. В руках-то что у
тебя? Чашечка кофе? Еще и с сахаром? А
думал ли ты, сколько невольников погибло
на плантациях, кровью под бичами над-
смотрщиков облившись, сколько жизней за-
гублено было и что слез пролито, дабы ко-
фе вот этот к тебе в чашечку попал? Про
сахар и упомянуть страшно.
Анна Коростелева. «Александр Радищев»
Углеводы по многим своим свойствам противоположны липидам. Если липиды —
самые гидрофобные биологически активные вещества, то углеводы, пожалуй, самые
гидрофильные. Значение углеводов для жизни так же огромно, как и значение ли-
пидов , хотя функции у них другие. Посмотрим же на них повнимательнее.
Мы уже знаем, что углевод — это спирт, одновременно являющийся или альдеги-
дом, или кетоном. Углеводы бывают довольно разные. Основу любого углевода из
тех, что могут заинтересовать нас в этой главе, образует цепочка, состоящая
или из пяти, или из шести атомов углерода (см. рис. 6.1). Один из этих атомов
углерода входит в состав либо альдегидной группы (если он на конце), либо ке-
тогруппы (если он внутри цепочки). А ко всем остальным атомам углерода при-
соединены гидроксильные группы, как в спирте. Вот, собственно, и все (см.
главу 1). Добавим, что в обиходе углеводы, подходящие под это описание, при-
нято называть сахарами.
Например, что такое глюкоза? Это сахар с шестью атомами углерода, пятью
гидроксильными группами и альдегидной группой. А фруктоза — сахар с шестью
атомами углерода, пятью гидроксильными группами и кетогруппой. Причем и глю-
коза, и фруктоза имеют формулу C6Hi206. Иначе говоря, это изомеры.
н.
.<?
н — с — он
но — с
н — с — он
н—*с
он
сн,он
н. ^о
он
но — с — н
но — с — н
он
глюкоза
СН2ОН
галактоза
сн2он
С=:о
но — с — н
и — с — он
И'
он
СН2ОН
фруктоза
■чс^°
н — с — он
он
он
сн2он
рибоза
Рис. 6.1. Несколько типичных Сахаров. Звездочкой обозначен тот
асимметрический атом углерода, по которому формально определяет-
ся принадлежность сахара к "правой" или ЛЛлевой" форме.
Бывают и пятиуглеродные сахара. Например, рибоза — сахар с пятью атомами
углерода, четырьмя гидроксильными группами и альдегидной группой. В отличие
от глюкозы и фруктозы, рибоза используется как пищевая добавка относительно
редко, хотя в любых продуктах ее все равно полно, потому что биохимическое
значение этого вещества колоссально.
А бывают ли сахара с другой длиной углеродных цепочек — например, трех-,
четырех-, семи-, восьми- или девятиуглеродные? С точки зрения химии — конечно
же, бывают. Иногда они встречаются и в живых организмах: например, семиугле-
родные сахара могут быть промежуточными продуктами в синтезе липидов и в не-
которых других биохимических процессах. Но в целом биологическое значение
этих Сахаров не слишком велико, и нас они пока что могут не волновать.
Молекулы Сахаров не слишком сложны. Но есть один фактор, делающий их гораз-
до более разнообразными, чем можно было бы подумать, глядя на обычные графи-
ческие формулы. Этот фактор — стереоизомерия.
Вновь
о правом
и левом
Стереоизомерия у углеводов, прямо скажем, такая, что сам черт сломит в ней
ногу. Например, если внимательно посмотреть на молекулу глюкозы, легко убе-
диться, что она содержит целых четыре асимметрических атома углерода (см.
главу 4) . Четыре, а не один, как в хорошо знакомых нам аминокислотах! А ведь
каждый асимметрический атом углерода создает два стереоизомера. Что это озна-
чает? Если в молекуле есть второй асимметрический атом, то у каждого из этих
стереоизомеров будет еще по два стереоизомера. Если есть третий, то и у каж-
дого из этих двух будет еще по два. И так далее. Следовательно, если молекула
содержит четыре асимметрических атома, то стереоизомеров будет 16 (24) . При-
чем по свойствам эти изомеры могут различаться между собой достаточно сильно.
Например, галактоза — это шестиуглеродный сахар, совершенно идентичный глюко-
зе по набору функциональных групп. В галактозе тоже пять гидроксилов и одна
альдегидная группа. Ее отличие от глюкозы состоит исключительно в том, что
это другой стереоизомер. Между тем галактоза совершенно иначе участвует в об-
мене веществ, в том числе и у человека. Ферменты, работающие с глюкозой (ко-
торая у нас служит важнейшим питательным веществом) , для ее усвоения не под-
ходят. Галактоза перерабатывается особым ферментом, служащим только для этой
цели. Кстати, его генетически обусловленное отсутствие у некоторых людей бы-
вает причиной серьезного заболевания — галактоземии.
Как и другие вещества со стереоизомерией, сахара делятся на D- и L-формы —
соответственно "правовращающие" и "левовращающие". Здесь эти слова взяты в
кавычки, потому что у Сахаров связь формы молекулы и направления вращения по-
ляризованного света на самом деле крайне запутанна. В детали нам вникать нет
нужды. Достаточно знать, что химики придумали определенную чисто формальную
процедуру, требующую считать сахар D- или L-формой в зависимости от положения
радикалов у последнего асимметрического атома в углеродной цепочке. Например,
у глюкозы это будет пятый атом, если считать от альдегидной группы.
Глюкоза и галактоза отличаются ориентацией групп у четвертого атома углеро-
да. Они уже не считаются изомерами одного и того же сахара, а носят разные
названия. Но при этом и глюкоза, и галактоза, участвующие в биологическом об-
мене веществ, — это D-изомеры.
В живой природе D-сахара вообще преобладают. Это почти такая же хиральная
чистота, как и в случае с аминокислотами. Только у аминокислот преобладают
лллевые" изомеры, а у Сахаров, наоборот, "правые".
Чем вызвана эта разница? В последнее время появилась вполне убедительная
гипотеза, что дело тут как раз в аминокислотах. А точнее — в их каталитиче-
ском действии. Напомним, что катализатор — это вещество, ускоряющее химиче-
скую реакцию, но само не претерпевающее в ней стойких изменений (см. главу
3) . Так вот, существуют многоступенчатые процессы синтеза углеводов, которые
катализируются аминокислотами (именно отдельными аминокислотами, а не целыми
белками). И показано экспериментально, что L-аминокислоты катализируют синтез
шестиуглеродных Сахаров таким хитрым образом, что на выходе получается больше
D-изомеров этих Сахаров, чем L-изомеров. Причем часто намного больше: избыток
D-изомера сахара в таких реакциях может достигать нескольких десятков процен-
тов. Проще говоря, лллевые" аминокислоты диктуют преобладание ЛЛправых" Саха-
ров . И дело тут в чисто химическом механизме синтеза Сахаров, в котором ами-
нокислоты принимают участие.
Тогда получается, что никаких загадочных космических причин избытка D-
сахаров искать не надо. Если такие причины и действовали — то в основном на
аминокислоты (см. об этом главу 4) . А что касается Сахаров, то здесь живые
организмы просто приспособили к делу те молекулы, которые предложила им обыч-
ная химия.
О пятиугольниках
и шестиугольниках
До сих пор мы по умолчанию предполагали, что молекула сахара представляет
собой линейную цепочку. А как же иначе? Но на самом деле в тех условиях, ко-
торые господствуют в живом организме, сахара обычно переходят из линейной
формы в более энергетически выгодную циклическую. Как это происходит, можно
посмотреть на примере глюкозы. Будем иметь в виду, что атомы углерода в глю-
козе принято нумеровать, начиная от альдегидной группы. Атом, образующий эту
группу, — первый, атом на противоположном конце цепочки — шестой. (Из форму-
лы, кстати, нетрудно видеть, что асимметрическими тут являются второй, тре-
тий , четвертый и пятый атомы.)
Итак, переход глюкозы в циклическую форму начинается с того, что в альде-
гидной группе разрывается одна из двух связей, соединяющих кислород с углеро-
дом (см. рис. 6.2А, Б) . В результате у кислорода освобождается валентность,
на которую переходит водород от гидроксильной труппы предпоследнего (в данном
случае пятого) атома углерода (см. рис. 6.2В). Тем самым при первом атоме об-
разуется гидроксильная группа, которой раньше там не было. Теперь в молекуле
остается две свободные валентности: у атома углерода бывшей альдегидной груп-
пы и у атома кислорода бывшего гидроксила. Они замыкаются друг на друга (см.
рис. 6.2Г). Получается цикл. А точнее, кольцо, в котором первый и пятый атомы
углерода соединены друг с другом через атом кислорода (-О-). В случае глюкозы
это кольцо шестичленное, в него входят пять углеродов и кислород.
Н С
н
но
он
н
и — с — он
н — с — он
н — с — он
н
о
н — с
н
он
но
н
н — с — он
н — с — он
н — с—он
в
он
н — с
н
он
но
н
н — с — он
н — с—о
н — с — он
он
н — с
н
но-
он
н о
н — с — он
н — с
н — с — он
н
н
4
н
с кон
I
•?—
н
\эн н /\ 14 он ну
н
I
:?
он
I
он
альфа-глюкоза
бета-глюкоза
мальтоза
Рис. 6.2. Превращение линейной формы глюкозы
два варианта циклической формы глюкозы (Д, Е)
козы дисахарид (Ж). Пояснения в тексте.
з циклическую (А-Г),
и состоящий из глю-
По такому же принципу переходят в циклическую форму и рибоза, и фруктоза, и
другие сахара. Правда, и у рибозы, и у фруктозы кольца получаются пятичленны-
ми. По этому признаку их легко отличить от глюкозы, особенно если мы видим
уже нарисованную кем-нибудь формулу.
Существование в циклических и линейных формах — еще один вид изомерии, на
этот раз свойственный только сахарам. После перехода из линейной формы в цик-
лическую гидроксильная группа исчезает при пятом атоме углерода, зато появля-
ется при первом. Но это все равно глюкоза.
Напоследок — еще одна деталь, которая может нам пригодиться. В циклической
форме сахара гидроксильные группы могут находиться по разные стороны от плос-
кости образовавшегося кольца — условно говоря, ллнад" или ЛЛпод" кольцом (см.
рис. 6.2Д, Е). При этом структура линейной формы глюкозы однозначно определя-
ет ориентацию всех гидроксилов, кроме вновь образующегося при циклизации пер-
вого . Подсказка: на изображениях циклической формы глюкозы первый атом угле-
рода, вместе со своим гидроксилом, обычно находится в правом углу. Так вот,
если на такой формуле гидроксил оказался под кольцом — значит, это альфа-
глюкоза, а если над кольцом — бета-глюкоза. Это еще один особый вид изомерии,
уникальный не просто для Сахаров, а для их циклических форм. Где и почему он
важен в биологии, мы скоро увидим.
Краткий
обзор
Сахаров
Глюкоза важна для живых организмов в первую очередь как источник энергии.
Попросту говоря, основное предназначение глюкозы — в том, чтобы распадаться
на более мелкие молекулы. Освободившаяся при этом энергия собирается и ис-
пользуется в разных полезных целях.
В нашем организме есть два способа такого распада: брожение и дыхание. Бро-
жение — это неполный распад глюкозы, в результате которого она превращается в
две молекулы молочной кислоты С3Нб03. А дыхание — это полный распад до самых
простых молекул, а именно до углекислоты (С02) и воды (Н20) . В отличие от
брожения, дыхание обязательно требует присутствия свободного кислорода (Ог) .
Зато и энергии дыхание дает намного больше.
В крови человека постоянно есть глюкоза. Падение ее уровня ниже определен-
ной пороговой концентрации ведет к голодной смерти. С другой стороны, устой-
чиво повышенный уровень глюкозы — это признак такого неприятного заболевания,
как сахарный диабет. Но в любом случае надо понимать, что вся эта система — в
высшей степени динамическая. Вся глюкоза, находящаяся в крови взрослого чело-
века в любой данный момент, может быть полностью израсходована примерно за 15
минут. Ясно, что ее запас должен непрерывно пополняться. И неудивительно, что
именно концентрация глюкозы в крови определяет физиологическое ощущение голо-
да или сытости. В области нашего мозга, называемой гипоталамусом, есть специ-
альные клетки-глюкорецепторы, постоянно измеряющие, сколько глюкозы содержит-
ся в омывающей их жидкости. Пищевая мотивация запускается или выключается в
зависимости от того, какие сигналы идут от этих клеток.
Кроме того, содержание глюкозы в крови контролируется специальными гормона-
ми. Это инсулин, запускающий захват глюкозы клетками, и глюкагон, который,
наоборот, стимулирует высвобождение глюкозы из клеток в кровь. Инсулин пони-
жает концентрацию глюкозы в крови, а глюкагон повышает. И инсулин, и глюкагон
— белки. Это самый что ни на есть классический пример сигнальной функции бел-
ков , о которой мы говорили в главе 3. И инсулин, и глюкагон синтезируются у
человека в поджелудочной железе, уходя оттуда в кровь и распространяясь по
всему телу. Недостаток инсулина — одна из главных возможных причин сахарного
диабета.
Придумавший метод выделения инсулина и раскрывший тем самым механизм диабе-
та сэр Фредерик Бантинг до сих пор остается самым молодым лауреатом Нобелев-
ской премии по физиологии и медицине — он получил ее в 1923 году в возрасте
32 лет. Интересно, что в жизни самого Бантинга это открытие было лишь эпизо-
дом. Врач по основной специальности, он в разные периоды жизни был неплохим
художником и полярным путешественником, занимался ради собственного интереса
самыми разными медицинскими проблемами вроде болезней легких и адаптации лет-
чиков к высоте, а еще участвовал в обеих мировых войнах и погиб при крушении
военного самолета в 1941 году.
Широко известно (и является чистой правдой), что главный потребитель глюко-
зы в нашем теле — это мозг. Интересно, что сердце, наоборот, один из самых
"всеядных" органов, составляющий в этом плане полную противоположность мозгу.
Клетки сердца охотно получают энергию и из жирных кислот, и из аминокислот, и
даже из такого отхода, как молочная кислота. Мозг же требует глюкозы, причем
в большом количестве и бесперебойно. Как ни парадоксально, именно поэтому ра-
бота мозга почти не зависит от режима питания. Дело в том, что энергетическое
снабжение мозга — это константа. Оно всегда стоит на максимальной отметке, и
не может быть снижено ни при каких физиологических условиях: на мозге орга-
низм не экономит. Если снабжение мозга глюкозой все-таки падает, это приводит
к опаснейшей для жизни ситуации, которая называется гипогликемической комой.
Чаще всего она возникает из-за неаккуратного введения слишком большой дозы
инсулина — тут уж, что называется, "против лома нет приема". (В истории меди-
цины бывало, что гипогликемическую кому вызывали специально: это называлось
инсулиновым шоком, или инсулинотерапией, и использовалось в XX веке как спо-
соб лечения шизофрении — впрочем, с сомнительной эффективностью. В знаменитом
фильме "Игры разума" показано, что этим варварским методом пытались лечить
математика Джона Нэша.) Но никакой переменой питания столь впечатляющего эф-
фекта добиться нельзя. В частности, это означает, что практически никакая
диета для мозга не опасна. Но нельзя забывать, что при этом она вполне может
быть опасна для других органов — здесь надо соблюдать осторожность.
Фруктоза — питательный углевод, которого много в растениях, например в
сладких ягодах и плодах. Это шестиуглеродный сахар, отличающийся от глюкозы
тем, что содержит не альдегидную группу, а кетогруппу. В нашем организме
фруктоза частично превращается в глюкозу, а частично усваивается самостоя-
тельно (для этого есть специальные ферменты).
Галактоза — стереоизомер глюкозы, углевод, который человек получает, прежде
всего, в составе молочных продуктов. При усвоении нашим организмом галактоза
первым делом превращается в глюкозу. Сбой работы соответствующего фермента
как раз и вызывает болезнь галактоземию. Впрочем, без внешнего источника га-
лактозы взрослый человек в случае чего может обойтись.
Наконец, два важнейших пятиуглеродных сахара — рибоза (уже нам знакомая) и
отличающаяся от нее на один атом кислорода 2-дезоксирибоза. У дезоксирибозы
отсутствует одна из гидроксильных групп, вместо нее — просто атом водорода;
цифра "2" — номер того атома углерода, при котором эта отсутствующая гидро-
ксильная группа могла бы находиться. Полные названия обоих Сахаров — D-рибоза
и 2-D-дезоксирибоза, но приставки часто опускаются, если и так понятно, о чем
идет речь. Заодно отметим, что атомы углерода в циклических формах рибозы и
дезоксирибозы по некоторым историческим причинам принято обозначать не просто
цифрами, а цифрами со штрихами — вот так: 2!-дезоксирибоза.
Рибоза и дезоксирибоза нужны живым организмам в первую очередь для того,
чтобы строить из них более сложные молекулы, которые называются нуклеотидами
и нуклеиновыми кислотами. О них мы поговорим в главах 7 и 8.
Дисахариды
Молекулы Сахаров могут создавать друг с другом ковалентные связи. Для этого
нужны две гидроксильные группы, принадлежащие двум сахарам. От одной из них
отщепляется водород (-Н-), другая отщепляется целиком (-ОН), эти фрагменты
образуют воду (Н-О-Н), а оставшиеся свободные валентности замыкаются друг на
друга, и в результате между остатками Сахаров остается мостик с атомом кисло-
рода посредине (-0-). Такая связь называется гликозидной (см. рис. 6.3).
Сложный сахар, состоящий из двух углеводных остатков, соединенных гликозид-
ной связью, называется дисахаридом. А простой сахар, не состоящий из несколь-
ких углеводных остатков, в той же терминологии называют моносахаридом. На
данный момент нам знакомо пять моносахаридов: глюкоза, фруктоза, рибоза, де-
зоксирибоза и галактоза (см. рис. 6.3).
СН20Н СНгОН
-о, ohJ—о он
ОН
альфа-глюкоза галактоза
?Н2°3Н ОН
но;
СН2ОН
он
фруктоза
снрн он сн*он он
<Л" ф~ ф V?
он он
рибоза
он
дезоксирибоза
СН20Н СН2ОН
кон А кон А
ОН ОН
СН20Н
он
мальтоза
сахароза
Рис. 6.3. Моносахариды и дисахариды.
Самый известный дисахарид, с которым человек имеет дело буквально каждый
день, — сахароза, состоящая из остатков глюкозы и фруктозы (см. рис. 6.3).
Сахароза — это обычный столовый сахар. Получают ее из сахарного тростника, а
в странах, где тростник не растет, — в основном из свеклы. Поскольку в саха-
розе есть глюкоза, она категорически запрещена людям с сахарным диабетом и не
рекомендуется людям с риском такового — в отличие от чистой фруктозы, для ус-
воения которой не нужен инсулин и которая в принципе допустима даже в диете
диабетиков. Фруктоза, кстати, гораздо слаще сахарозы, а та, в свою очередь,
слаще чистой глюкозы.
Если соединить гликозидной связью два остатка глюкозы, то получится еще
один широко распространенный дисахарид, а именно мальтоза (см. рис. 6.3). Это
обычнейшая составная часть любой растительной пищи. Иногда мальтозу называют
солодовым сахаром, потому что ее много в зернах: солод — это и есть проросшее
зерно. Кстати, слово ллсолод" родственно слову "сладкий": например, в сербо-
хорватском языке оно так и пишется ллслад", в чешском и словацком — slad, в
польском — slod.
Еще один важный для человека дисахарид — лактоза, состоящая из остатков
глюкозы и галактозы. Лактозу называют молочным сахаром, потому что ее дейст-
вительно очень много в молоке. В отличие от большинства других Сахаров, она
почти не сладкая. Для усвоения лактозы нужен фермент лактаза, который рвет
гликозидную связь, расщепляя лактозу на глюкозу и галактозу. Если этого фер-
мента нет или его не хватает, возникает непереносимость лактозы. Ничего осо-
бенно опасного в этом состоянии нет, но таким людям приходится или ограничи-
вать себя в молочной пище, или пить предназначенное специально для них без-
лактозное молоко (такое обычно есть в современных крупных магазинах).
Полисахариды
Гликозидные связи могут соединить между собой не только пару остатков моно-
сахаридов , но и какое угодно их количество. Длинные цепочки моносахаридов,
соединенных гликозидными связями, называются или олихюсахаридами (если остат-
ков в них больше двух, но не больше десяти), или полисахаридами (если они еще
длиннее). Полисахариды — это уже самые настоящие полимеры (см. главу 3). Чис-
ло остатков Сахаров в молекуле полисахарида вполне может измеряться многими
тысячами.
Один из самых широко известных полисахаридов — крахмал. Он представляет со-
бой длинную цепь соединенных гликозидными связями остатков глюкозы. Это важ-
нейшее запасное вещество у растений. Крахмала много в любой растительной пи-
ще . Он очень легко переваривается, расщепляясь до глюкозы, которая сразу же
поступает в кровь. Обычная мука больше чем на 60% состоит из крахмала, а вот
белков там, наоборот, довольно мало. Когда доктор Хаус в 20-й серии 6-го се-
зона обзывает пончики "жареными углеводами", он подразумевает в первую оче-
редь именно крахмал. Ну и заодно — сопутствующие углеводы вроде мальтозы, ко-
торых в пончиках, конечно, тоже предостаточно.
Животный аналог крахмала — гликоген. Это тоже важный запасной углевод. У
нас он накапливается в первую очередь в печени. В случае надобности молекулу
гликогена можно быстро расщепить до молекул глюкозы, которые тут же уйдут в
кровь. Гликоген — это энергетический запас, пригодный к срочному использова-
нию. Этим он отличается от жиров, которые содержат больше энергии, но мобили-
зуются гораздо медленнее. Впрочем, надо сказать, что расщепление гликогена у
нас идет не только при каких-то чрезвычайных нагрузках, но и в состоянии по-
коя, понемногу, в промежутках между приемами пищи. Это важный способ поддер-
жания концентрации глюкозы в крови на постоянном уровне. Само слово
"гликоген" буквально означает "рождающий сладость".
Итак, мы можем видеть, что полисахариды отличаются от моносахаридов в не-
скольких отношениях. Во-первых, их молекулы огромны. Во-вторых, они не рас-
творяются в воде (именно поэтому их удобно делать запасными веществами). И в-
третьих, они не сладкие. Например, чистый крахмал — это безвкусный порошок.
По всем этим причинам называть полисахариды "сахарами" уже как-то не принято.
Термин "сахар" обычно относят или к моносахаридам, или к дисахаридам.
Вспомним, что в ходе нашего разговора мы уже встречались с полимерами (см.
главу 3) . Это были белки. Мономеры белков — аминокислоты — соединены друг с
другом пептидными связями. А мономеры полисахаридов — моносахариды — соедине-
ны друг с другом гликозидными связями. Серьезное различие здесь в том, что
белки не ветвятся. А вот полисахариды вполне могут. "По умолчанию" гликозид-
ная связь образуется между гидроксилами первого и четвертого атомов углерода
глюкозы (1-4-гликозидная связь). Тогда из остатков глюкозы получается простая
линейная цепочка. Но в глюкозе есть и другие гидроксилы, между которыми обра-
зование гликозидной связи тоже возможно. Например, на 1-6-гликозидной связи
полимерная цепочка обычно разветвляется (см. рис. 6.4). В гликогене такое
ветвление выражено сильнее, чем в крахмале, хотя оно есть и там и там.
Еще один полимер глюкозы — целлюлоза, или клетчатка. Это плотное волокни-
стое вещество, образующее основу древесины. В том или ином количестве целлю-
лоза есть в любой части любого растения. С химической точки зрения целлюлоза
принципиально отличается от крахмала тем, что состоит не из альфа-глюкозы, а
из бета-глюкозы. При этом возникают так называемые бета-гликозидные связи,
отличающиеся от присутствующих в крахмале и гликогене альфа-гликозидных (по-
следние выглядят на схеме молекулы прямыми, а бета-гликозидные — зигзагооб-
разными) . Кроме того, молекулы целлюлозы не ветвятся (см. рис. 6.4).
Бета-гликозидные связи гораздо прочнее альфа-гликозидных. Они расщепляются
только очень немногими ферментами. Например, почти никто из животных, питаю-
щихся растениями, не может самостоятельно переваривать целлюлозу. Тем, кто
берется ее усваивать, приходится заводить для этой цели микроскопических ки-
шечных сожителей, у которых есть нужный фермент — целлюлаза. В теле человека
таких микроорганизмов нет, и он не может переваривать целлюлозу вообще. Прав-
да, она все равно приносит некоторую пользу, придавая пище подходящую конси-
стенцию и стимулируя сокращения кишечника. Но никакой питательной ценности
целлюлоза для нас не имеет, в этом смысле она — бесполезный балласт.
СН^ОН
)—ov
ОН ОН
крахмал
ОН
ОН
целлюлоза
Рис. 6.4. Полисахариды: крахмал и целлюлоза.
Долгое время биологи были уверены, что самостоятельно производить целлюлазу
неспособны абсолютно никакие животные. И только в 1998 году выяснилось, что у
некоторых термитов все-таки есть целлюлаза "собственного производства", к
синтезу которой не имеют отношения никакие микроорганизмы. А в дальнейшем по-
добные "встроенные" целлюлазы были найдены у нескольких питающихся древесиной
тараканов, жуков, круглых червей и улиток. И по всей вероятности, этот список
еще не полон. Отличная иллюстрация того, как рискованны в биологии категорич-
ные утверждения! Слишком уж разнообразны объекты этой науки, сюрпризы иссле-
дователям они подбрасывают очень часто.
Клеточные стенки
и судьба Земли
Совершенно особый интерес для биологов представляют те полисахариды, кото-
рые входят в состав клеточных стенок. Из предыдущей главы мы уже знакомы с
клеточными мембранами. Так вот, клеточная стенка — это совсем не то. Клеточ-
ной стенкой называется самостоятельная оболочка, находящаяся снаружи от мем-
браны и заключающая в себе всю клетку целиком. Такое расположение означает,
что это, строго говоря, внеклеточная структура — наподобие домика или ракови-
ны. Обычно она жесткая и придает клетке постоянные очертания. Клеточная стен-
ка может состоять из полисахаридов (у растений, грибов), из сложных полиме-
ров, в состав которых входят углеводы и аминокислоты (у бактерий) или из бел-
ков (у архей). У некоторых организмов, например у животных, клеточных стенок
нет вообще. Это делает клетки менее прочными, зато позволяет им легко менять
форму.
Плазллодесллы
Клеточная
сменка
Электронная
микрофомогорафия
клеточной сменки
Рис. 6.5А. Клеточная стенка растений.
ЛИГНИН (15-25%)
он ом
ГЕМИЦЕЛЛЮЛОЗА (15-25%) Н^£^Г~ ho^t^o^Z^"0
1\ЕЛПЮГ\Оэ
-Г^гТ-с*
Рис. 6.5Б. Молекулярная структура клеточной стенки, включающая
целлюлозу, гемицеллюлозы и лигнин.
Клеточные стенки растений — целлюлозные. Растительная клеточная стенка час-
то бывает гораздо толще клеточной мембраны. Если растение многоклеточное, то
между клетками обычно есть плазмодесмы — проходящие сквозь отверстия в кле-
точных стенках межклеточные "мостики" (см. рис. 6.5А) . Через плазмодесмы рас-
тительные клетки общаются между собой и обмениваются разными веществами.
Сухое дерево, так же как пробка и другие подобные материалы, представляет
собой не что иное, как массу пустых клеточных стенок. Живых клеток там давно
уже нет, но их стенки остаются — целлюлоза для этого достаточно прочна. Ее
прочности хватает на то, чтобы древесина сохраняла свою структуру буквально
тысячелетиями: самое старое деревянное здание мира — японский буддийский храм
Хорю-дзи, построенный в VII веке, в эпоху Асука. Кроме того, из целлюлозы,
когда-то входившей в растительные клеточные стенки, делают бумагу.
Между прочим, сам термин "клетка" (cell) когда-то ввел в науку английский
физик Роберт Гук, который исследовал под микроскопом пробку и увидел в ней
характерные маленькие полости. В данном случае это были не живые клетки, а
именно пустые целлюлозные клеточные стенки, повторяющие их форму.
На самом деле растительная клеточная стенка вовсе не состоит исключительно
из чистой целлюлозы. В нее еще обязательно входят короткие ветвящиеся полиме-
ры, причем включающие не только глюкозу, но и другие моносахариды. Эти поли-
меры собирательно называются гемицеллюлозами (см. рис. 6.5Б). Есть там и не-
которые структурные белки. Целлюлоза вместе с гемицеллюлозами и белками обра-
зует сложную объемную сеть, усиленную к тому же водородными связями (см. гла-
ву 2). Благо между длинными молекулами целлюлозы, в которых много гидроксиль-
ных групп, водородные связи возникают очень легко. Для клеточных стенок рас-
тений, а значит, и для древесины это важный источник прочности.
Ну а с точки зрения истории жизни на Земле самая интересная составляющая
клеточной стенки растений — это лигнин. Очень своеобразное вещество, у кото-
рого нет никакой единой химической формулы. Строго говоря, его и самостоя-
тельным веществом-то нельзя считать. Лигнин — это не углевод. Это сложный по-
лимер, "сшитый" из нескольких разновидностей спиртов. У всех этих спиртов
есть более-менее длинные углеводородные цепочки, включающие ароматические яд-
ра (см. главу 1). И все они синтезируются из аминокислоты фенилаланина, кото-
рая превращается сначала в коричную кислоту — замечательное вещество, входя-
щее в состав масла корицы, — а потом уже в разнообразные спирты, обычно имею-
щие две или три гидроксильные группы. В лигнине эти спирты сшиваются между
собой ковалентными связями в самых разных направлениях, буквально вдоль и по-
перек, так что получается запутанная сетка.
Образование лигнина — уникальный признак сосудистых растений, то есть папо-
ротников, плаунов, хвощей, хвойных и цветковых. Это эволюционное "изобрете-
ние", сделанное только после выхода растений на сушу, и то далеко не сразу.
Дело в том, что лигнин благодаря своей особой структуре придает клеточным
стенкам огромную механическую прочность. Он необходим, чтобы сделать ствол
наземного растения высоким, вплоть до многометрового, и создать транспортную
систему из микроскопических трубочек, качающую воду на всю эту высоту. А от-
сюда следует, что именно с "изобретением" биосинтеза лигнина связано одно из
величайших событий, поменявших облик Земли, — появление лесов (см. главу 17).
Кроме того, появление лигнина сильно повлияло на глобальный, то есть обще-
планетный, круговорот углерода. Дело в том, что лигнин с его разнообразными
мономерами и перепутанными химическими связями исключительно неподатлив к
действию ферментов. Поэтому растительной тканью, в которой много лигнина,
почти невозможно питаться. Из всех земных живых организмов эффективно разла-
гать лигнин ллнаучились" только грибы, причем не все и не сразу. Именно они и
стали главными разрушителями стволов мертвых деревьев. До этого вся огромная
биомасса лигнифицированной древесины просто захоранивалась как есть, создавая
залежи каменного угля. В честь этих залежей получил название целый геологиче-
ский период — каменноугольный, или карбон.
Карбоновые леса непрерывно вели фотосинтез и выделяли в атмосферу огромное,
немыслимое ни в какие более ранние эпохи количество кислорода. Мы знаем, что
свободный кислород (02) нужен для дыхания, то есть для полного окисления пи-
тательных веществ. Таким питательным веществом могла бы служить и древесина
погибших деревьев. Но в карбоновом периоде эффективные деструкторы еще не
возникли, поэтому перерабатывать древесину было некому. Стволы деревьев про-
сто захоранивались, и заключенный в них углерод уходил из экологического кру-
говорота вовсе. А живые деревья тем временем продолжали выделять кислород,
который накапливался в атмосфере. В результате атмосферная концентрация ки-
слорода достигла уникальной в истории Земли цифры 35%. Как известно, совре-
менная атмосфера Земли содержит ЛЛвсего" 21% кислорода. На самом деле по кос-
мическим меркам и это невероятно много, но в карбоне было в полтора раза
больше. А дело тут именно в том, что огромная биомасса стволов деревьев в
карбоне не съедалась никакими живыми существами. В отличие от современной си-
туации, когда упавшие стволы измельчаются насекомыми, перерабатываются гриба-
ми и в итоге их углеродные соединения окисляются дыханием до углекислоты
(С02). При этом расходуется кислород, а углекислота выдыхается и уходит в ат-
мосферу .
До той биомассы, которая успела захорониться в виде каменного угля раньше,
чем возникли эффективные деструкторы, живая природа смогла добраться только с
появлением человека, который неутомимо откапывает каменный уголь и жжет его,
используя в качестве топлива. Будем иметь в виду, что процессы дыхания и го-
рения описываются строго одним и тем же суммарным уравнением:
C6Hi206 (глюкоза) + 602 -> 6С02 + 6Н20
Одна молекула глюкозы взаимодействует с шестью молекулами кислорода, давая
в итоге шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды. С точки зрения
интересов жизни на Земле главное тут — высвобождение углерода в виде углеки-
слого газа. А уж фотосинтезирующие организмы (то есть растения) могут, захва-
тив этот углекислый газ, синтезировать из него гораздо более сложные углерод-
ные соединения, пригодные для построения тел живых существ. В этом плане
влияние человека на общепланетный круговорот углерода скорее положительно.
Огромная масса углерода, которая сотни миллионов лет была "заперта" в пластах
каменного угля, благодаря нашим шахтам, паровозам и тепловым электростанциям
вновь пошла в дело.
Мы уже мимоходом упомянули, что бывают и другие, нецеллюлозные типы клеточ-
ных стенок. Еще один чрезвычайно распространенный в природе полисахарид — хи-
тин, входящий в состав клеточных стенок грибов (наряду с полимерами глюкозы,
которые там тоже есть). Кроме того, хитина много в наружных покровах некото-
рых животных, например насекомых, ракообразных и паукообразных. И грибов, и
насекомых на Земле очень много. Потому и общая масса хитина на планете полу-
чается гигантской. Хитин — полимер, во многом похожий на целлюлозу. Он состо-
ит из остатков бета-глюкозы, но только модифицированных. Дело в том, что хи-
тин — это азотсодержащий полисахарид. Его мономером является, строго говоря,
не сама глюкоза, а ацетилглюкозамин — производное глюкозы, где к одному из
атомов углерода вместо гидроксила присоединена аминоацетильная группа -NH-CO-
СН3.
Наконец, клеточные стенки бактерий состоят из еще более сложных азотсодер-
жащих производных глюкозы, к которым дополнительно ковалентно "пришиты" це-
почки аминокислот. Такой многокомпонентный полимер называется пептидоглика-
ном. Самое интересное, что в состав пептидогликанов входят не только L-, но и
D-аминокислоты. Это именно тот случай, когда D-аминокислоты в живых организ-
мах все-таки присутствуют. В состав белков они, конечно, не входят и здесь,
но в состав других соединений — в конце концов, почему бы и нет.
Мир,
окрашенный
по Граму
В 1884 году датский микробиолог1 Ганс Христиан Грам опубликовал новый метод
окрашивания бактерий. Основой метода было применение сочетания органических
красителей, главный из которых родствен по структуре обычным аминам (см. гла-
ву 1) . Тут надо сказать, что окрашивание — это важно. Без окрашивания под
микроскопом, как правило, толком ничего не рассмотреть. К тому же окрашивание
должно быть стойким — чтобы не смывалось спиртами и другими растворителями
при изготовлении препаратов, и, по возможности, дифференциальным — чтобы не
красило все сплошь, ведь тогда в объекте, опять же, будет не разобраться. В
общем, окраска объектов для микроскопии — это целая наука. В XIX веке, когда
многое делалось наугад, изобретение нового красителя требовало как отличного
знания химии, так и незаурядной интуиции.
мембранный белок липотейхоевая кислота
Рис. 6.6. Грамположительные и грамотрицательные бактерии. Липотей-
хоевая кислота — элемент клеточной стенки грамположительных бакте-
рий, полимер, связанный с мембранными липидами.
Азотсодержащий краситель, предложенный Грамом, прекрасно действовал на бак-
терий. Но не на всех. Одних он исправно окрашивал в стойкий синий цвет, а на
других почему-то вообще не держался — при промывке препарата они обесцвечива-
лись . Так появилось разделение бактерий на грамположительных и грамотрица-
тельных.
Умерший в 1938 году Ганс Христиан Грам, возможно, и сам не успел вполне
осознать, насколько важную вещь он открыл. Обнаруженное им разделение бакте-
рий по типу окрашивания оказалось признаком фундаментальнейших различий в
строении клетки (см. рис. 6.6). У грамположительных бактерий снаружи от мем-
браны находится толстая пептидогликановая клеточная стенка. В этом плане их
клетка более-менее похожа, скажем, на растительную, не считая того, что мате-
риал клеточной стенки другой. У грамотрицательных бактерий дело обстоит со-
вершенно иначе. Их наружная оболочка включает две полноценные билипидные мем-
браны с тонкой пептидогликановой клеточной стенкой, расположенной между ними.
Клеточная стенка грамотрицательных бактерий заключена между наружной и внут-
ренней клеточными мембранами, как начинка сэндвича. Так не устроены никакие
другие клетки.
Есть гипотеза, что первые на Земле живые организмы были именно грамотрица-
тельными бактериями, и только у их потомков вторая — наружная — мембрана ис-
чезла. К сожалению, эта красивая идея слабо поддерживается молекулярно-
биологическими данными, поэтому сейчас она не слишком популярна. Но независи-
мо от того, верна она или нет, эволюционный зигзаг тут получился очень занят-
ный.
7. НУКЛЕОТИДЫ
— Как вообще может анаэроб развиться в
сложный многоклеточный организм и тем бо-
лее — двигаться настолько быстро, как эта
тварь? Подобный уровень активности жрет
массу АТФ.
— Может, они не используют АТФ, — предпо-
ложила Бейтс, пока я полез за справкой в
КонСенсус: аденозинтрифосфат, источник
энергии для клетки.
Питер Уотте. «Ложная слепота»
Вспомним, как устроена молекула бензола. Она состоит из шести атомов угле-
рода, соединенных в кольцо таким образом, что одинарные углерод-углеродные
связи чередуются с двойными (см. главу 1). Свободные связи в бензоле, как и
всюду, заняты атомами водорода. Его краткая формула — СбНб. Именно эта моле-
кула когда-то напомнила Фридриху Августу Кекуле кольцо из переплетающихся
змей. Молекула бензола прекрасна и самодостаточна — казалось бы, что в ней
можно поменять?
Кое-что можно. Например, заменить один из атомов углерода на атом азота.
Азот трехвалентен, и это вполне позволяет ему встроиться в бензольное кольцо
(только без водорода при нем) . Тогда получается кольцевая молекула с пятью
атомами углерода, одним атомом азота и тремя двойными связями, которая назы-
вается пиридин.
Можно заменить атомами азота и два атома углерода (не соседних, а через
один). Получится кольцо с тремя двойными связями, четырьмя атомами углерода и
двумя атомами азота. Эта молекула называется пиримидин (см. рис. 7.1). И вот
она в биологии очень важна.
он
^Чм
Ч^Чн
МН-
А.
Ч^Аи
урацил (спиртовая форма)
тимин (спиртовая форма)
цитозин (спиртовая форма)
NH,
NH
/Ч.
урацил (кето форма)
N
Н
тимин (кето-форма)
цитозин (кето-форма)
Рис. 7.1. Пиримидиновые азотистые основания.
Присоединив к пиримидиновому ядру две гидроксильные группы (-ОН), мы полу-
чим соединение, которое называется урацил. Полное химическое название урацила
— 2 ,4-дигидроксипиримидин. Члены пиримидиновохю кольца принято нумеровать,
считая от одного из атомов азота.
Если дополнительно присоединить к урацилу еще и метильную группу (-СН3) ,
получится новое соединение — тимин. А если заменить в урациле одну из гидро-
ксильных групп на аминогруппу (-NH2) , то получится цитозин. Полное название
тимина — 5-метил-2,4-дигидроксипиримидин. А полное название цитозина — 2-
гидрокси-4-аминопиримидин. Запоминать эти названия (как и нумерацию, на кото-
рой они основаны) ни в коем случае не надо. Но они полезны тем, что в случае
надобности позволяют безошибочно восстановить всю формулу нужного вещества.
Честно говоря, сомнительно, что любой биолог помнит формулы урацила, тимина и
цитозина наизусть. Но вот о том, что такие вещества существуют, знает абсо-
лютно каждый, кто имеет к биологии хоть какое-то отношение. Знаем теперь и
мы.
Возможна и другая, более сложная молекула, где к пиримидиновому шестичлен-
ному циклу добавлено еще одно кольцо — пятичленное, с двумя атомами азота.
Такое соединение называется пурином (см. рис. 7.2). Молекула пурина включает
в общей сложности пять атомов углерода и четыре атома азота.
Есть довольно много соединений, где к пуриновому ядру присоединяются раз-
личные боковые цепи. Например, именно к производным пурина относится такое
популярнейшее вещество, как кофеин. В молекуле кофеина к пуриновому ядру при-
соединены две гидроксильные группы и три метильные.
Но для биологов гораздо важнее два других пуриновых соединения. Одно из них
— аденин, молекула которого состоит из пуринового ядра с присоединенной к не-
му аминогруппой. Второе — гуанин, в котором есть аминогруппа (не там, где у
аденина) и гидроксильная группа.
Полные названия аденина и гуанина, соответственно, 6-аминопурин и 2-амино-
6-гидроксипурин. Повторимся, что эти названия даются тут не для того, чтобы
кто-нибудь пытался их запомнить, а просто ради общего представления о том,
как этой номенклатурой в принципе можно пользоваться. Дальше нам это еще при-
годится .
NH,
пурин
ч
N
аденин
ОН
H2N' 'И' NH
гуанин (спиртовая форма)
гуанин (кето-форма)
NH,
NH
2,6-диаминопурин
ч
NH2
N'
6,8-диаминопурин
Рис. 7.2. Пуриновые азотистые основания.
Пуриновые и пиримидиновые молекулы только что описанного типа называют азо-
тистыми основаниями, потому что входящий в них азот проявляет основные свой-
ства, подобно аммиаку (см. главу 1). Урацил, тимин, цитозин, аденин и гуанин
— это азотистые основания. Урацил, тимин и цитозин — пиримидиновые азотистые
основания, а аденин и гуанин — пуриновые. Вообще-то химикам известны десятки
азотистых оснований, но для понимания основ биологии вполне хватит этих пяти.
Другие азотистые основания встречаются в живых организмах реже, и значение их
там гораздо меньше.
Завершая знакомство с азотистыми основаниями, совершенно необходимо доба-
вить, что у них — да, и у них тоже! — есть одна особая разновидность изоме-
рии. Состоит она в следующем. Входящая в состав азотистого основания гидро-
ксильная группа (вместе с углеродом, к которому она присоединена, имеющая вид
С-ОН) может потерять водород и превратиться в кетогруппу (С=0). Система двой-
ных связей в пиримидиновом или пуриновом ядре при этом перестраивается, а по-
терянный гидроксилом водород переходит на ближайший атом азота. В живых орга-
низмах азотистые основания всегда находятся не в спиртовой форме (с гидро-
ксильными группами) , а именно в кето-форме. Это распространяется на все важ-
нейшие азотистые основания, кроме аденина, который выглядит всегда одинаково:
у него гидроксильной группы просто нет.
По ту
сторону
рассвета
Пять азотистых оснований, с которыми мы познакомились, с биологической точ-
ки зрения — самые главные. Не секрет, что они используются земными живыми ор-
ганизмами для хранения и передачи генетической информации. Как именно это
происходит, мы пока что "не знаем", хотя позже узнаем (в главах 8 и 9) . Но
вот почему главными оказались именно эти пять оснований, а не какие-то другие
родственные им? Ведь разных азотистых оснований, и пиримидиновых, и пурино-
вых, можно придумать очень много.
Ответ на этот вопрос надо, как всегда, искать в прошлом. И в данном случае
это будет очень далекое прошлое. Сейчас точно известно, что химическая эволю-
ция азотистых оснований началась задолго до возникновения жизни, а скорее
всего, даже и до возникновения планеты Земля. Тут дело обстоит точно так же,
как и с аминокислотами (см. главу 3) . В большинстве углерод со держащих (так
называемых углистых) метеоритов при тщательном химическом анализе были найде-
ны азотистые основания. В общей сложности их там не меньше десятка, и по
структуре молекул они довольно разнообразны. Очевидно, синтез этих веществ
шел прямо на частицах протопланетного облака.
Например, если по-разному присоединять к пурину аминогруппы, то можно полу-
чить аденин (у него аминогруппа одна), а можно и основания с двумя аминогруп-
пами — например, 2,6-диаминопурин или 6,8-диаминопурин (см. рис. 7.2). Глав-
ное же здесь вот что. Ни 2,6-диаминопурин, ни 6,8-диаминопурин не встречаются
в земных живых организмах, а вот в углистых метеоритах они обнаруживаются
легко. Причем их присутствие там никак нельзя объяснить биогенным загрязнени-
ем метеорита, уже упавшего на Землю, потому что на Земле этих соединений про-
сто нет. Это — остатки добиологического разнообразия сложных молекул, которые
синтезировались на ранних этапах эволюции Солнечной системы. Углистые метео-
риты, никогда не входившие в состав планет, служат "заповедниками" этого раз-
нообразия — точно так же, как в случае с аминокислотами. Разных азотистых ос-
нований там вполне могли быть десятки.
При возникновении жизни и аминокислоты, и азотистые основания подверглись
процессу, подобному естественному отбору. Одни основания оказались удачными и
вошли в состав живых систем, а другие — большинство — были отсеяны и в состав
живых систем не вошли. В итоге начальное высокое химическое разнообразие ис-
чезло . Остались несколько широко распространенных соединений, с которыми мы
сейчас в основном и имеем дело. Причем они были выбраны отнюдь не случайно.
Предполагается, например, что одним из критериев стала устойчивость оснований
к ультрафиолетовому излучению Солнца, которое на древней Земле было очень
серьезным фактором риска. Одна из научных работ, написанных на эту тему, пря-
мо так и озаглавлена — "Выживание наиболее приспособленных до начала жизни".
Нуклеозиды
Молекула, состоящая из остатков азотистого основания и сахара, называется
нуклеозидом (см. рис. 7.3). Сахаром, входящим в нуклеозиды, по умолчанию яв-
ляется рибоза, но иногда — дезоксирибоза. Как мы помним, они отличаются друг
от друга всего на один атом кислорода. Азотистое основание присоединяется к
первому по счету углеродному атому сахара, который здесь принято обозначать
единицей со штрихом (I1)- От этого атома отщепляется гидроксил (-ОН), а от
одного из атомов азота, входящих в азотистое основание, одновременно отщепля-
ется водород (-Н). В результате выделяется вода, а между азотистым основанием
и сахаром замыкается ковалентная связь. Так нуклеозид и получается.
NH>
НО
ын?
Ч-^Ч
но-
но
он
дезокситимидин
Рис. 7.3. Примеры нуклеозидов.
Названия нуклеозидов являются производными от названий входящих в них азо-
тистых оснований. Пять нуклеозидов, с которыми в основном имеют дело биологи,
— уридин, тимидин, цитидин, аденозин и гуанозин. Если в качестве сахара в
данный нуклеозид входит не рибоза, а дезоксирибоза, то к его названию прибав-
ляется приставка ллдезокси-". Но иногда ее опускают, если по контексту и так
понятно, о чем идет речь.
Теперь мы, наконец, знаем, почему атомы углерода в составе рибозы и дезок-
сирибозы обозначаются не просто цифрами, а цифрами со штрихами (см. главу 6).
Дело как раз в том, что эти два сахара входят в состав нуклеозидов. А в любом
нуклеозиде есть еще и азотистое основание, атомы которого имеют свою собст-
венную нумерацию. Штрихи нужны, чтобы никто не спутал номера атомов сахара с
номерами атомов азотистого основания.
он он
аденозин кофеин
Действие аденоэина: Действие кофеина.
рецептор выполняет рецептор блокируется,
свою нормальную так что молекула аденозина
функцию не может с мим связаться
Рис. 7.4. Аденозин (А), кофеин (Б) и механизм действия кофеина
на нервную систему (В). Пояснения в тексте.
Нуклеозиды могут делать многое. Например, аденозин интересен тем, что явля-
ется одним из нейротрансмиттеров, то есть веществ, передающих сигналы между
нервными клетками. Именно на передачу этих сигналов действует кофеин — веще-
ство, тоже относящееся к группе пуринов (см. рис. 7. 4А) . И сейчас у нас уже
вполне достаточно знаний, чтобы разобраться, в чем тут дело.
Кофеин является блокатором аденозиновых рецепторов. Что это значит? К любо-
му сигнальному веществу есть специальные рецепторы, то есть воспринимающие
элементы. В данном случае это интегральные белки (см. главу 5), которые сидят
в наружной мембране нервной клетки и узнают молекулы аденозина по принципу
ключа и замка, то есть примерно так же, как ферменты узнают свой субстрат
(см. главу 3) . Что же касается кофеина, то его молекула похожа на молекулу
аденина — ключевой составной части аденозина. Молекула кофеина связывается с
тем же участком белка-рецептора, с которым должен связаться адениновый оста-
ток аденозина, и застревает в нем, после чего никакой аденозин уже не может
туда войти (см. рис. 7.4Б). По такому принципу действуют очень многие лекар-
ства, яды и психоактивные вещества, в том числе и наркотики — они ведь обычно
тоже связываются с рецепторами, предназначенными для нейротрансмиттеров, либо
блокируя, либо активируя их.
Сам аденозин как сигнальное вещество обладает преимущественно тормозным
действием, то есть, попросту говоря, успокаивающим. Выделение аденозина обыч-
но является сигналом усталости, знаком, что активность пора приостановить. От
него, например, уменьшается частота сердечных сокращений и снижается артери-
альное давление. Блокируя действие аденозина, кофеин снимает все эти эффекты,
а вместе с ними и чувство утомления. Но никакой дополнительной энергии он не
дает — просто помогает перераспределить имеющиеся силы.
Можно ли считать кофеин наркотиком? Пожалуй, все-таки нельзя. Ведь тут не-
достаточно общего с типичными наркотиками механизма действия. Для отнесения
вещества к категории наркотиков есть четкий набор критериев, большинству из
которых кофеин не соответствует. Нет толерантности (это когда для достижения
одного и того же эффекта требуется постепенное повышение дозы), нет вызывае-
мой употреблением вещества социальной дезадаптации, нет жесткой "ломки", то
есть болезненного синдрома отмены, ну и так далее.
Справедливости ради надо сказать, что в 2013 году Американская психиатриче-
ская ассоциация после долгих колебаний все-таки отнесла кофеиновую зависи-
мость к психическим расстройствам, но только в том случае, если она явно вы-
зывает утомляемость, сонливость, повышенную возбудимость, мышечные судороги,
тахикардию, аритмию и (или) другие подобные последствия (см. Diagnostic and
Statistical Manual of Mental Disorders, сокращенно DSM-5). Чтобы добиться та-
ких эффектов, надо пить кофе буквально литрами, да еще и с предрасположенно-
стью должно не повезти. Если же их нет, то волноваться, скорее всего, не о
чем.
Так называемый аддиктивный потенциал у кофеина, по всем данным, довольно
низкий. Например, у никотина (который действует очень похожим способом на ре-
цепторы к другому нейротрансмиттеру, ацетилхолину) аддиктивность гораздо выше
и синдром отмены тяжелее — это знает каждый, кто привыкал и к кофе, и к куре-
нию. Мы сейчас не касаемся вопроса о вреде курения для здоровья, потому что
это, как ни странно, не имеет прямого отношения к нашей теме. Дело в том, что
практически все вредные последствия курения вызываются не никотином (он-то
как раз относительно безвреден), а многочисленными сопутствующими веществами,
образующимися при сгорании табака. На нервную систему эти вещества почти не
действуют, а вот на другие системы — очень даже. В кофе подобного набора
вредных сопутствующих веществ и близко нет.
В общем, на данный момент от науки не приходится ждать никаких однозначных
рекомендаций по вопросу, пить или не пить кофе. Для здорового человека это
дело личного выбора, и только. Так ведь тоже бывает.
Знакомство с
нуклеотидами
Теперь отвлечемся на время от нуклеозидов и познакомимся поближе с одним
важным понятием, которое мы, в общем-то, уже знаем.
Существует химическая реакция под названием фосфорилирование: присоединение
фосфата к любому соединению, в котором есть гидроксильная группа, с образова-
нием сложного эфира фосфорной кислоты. Мы уже встречались с этой реакцией,
когда говорили о фосфолипидах: там фосфорилированию подвергался глицерин и
получался глицерофосфат (см. главу 5) . Фосфолипиды, из которых состоит кле-
точная мембрана, образуются как раз этим путем.
На самом деле объектами фосфорилирования бывают самые разнообразные молеку-
лы, несущие гидроксильные группы. Это могут быть белки (особенно такие, где
есть серии, треонин или тирозин — фосфат присоединяется именно к этим амино-
кислотным остаткам) , могут быть спирты (например, тот же глицерин) , а могут
быть и сахара, благо уж в них-то гидроксильных групп сколько угодно. Фосфори-
лирование — это универсальный биохимический "оператор", способный предсказуе-
мо менять свойства разных молекул. Есть специальная большая группа ферментов,
занимающихся только фосфорилированием, — они называются киназами.
Напомним еще раз, что "фосфорная кислота" и "фосфат" — в биохимии практиче-
ски одно и то же. Фосфорная кислота в водном растворе всегда диссоциирует, то
есть отдает протоны, превращаясь в анион. Но в формулы ее часто вписывают в
недиссоциированном виде — просто для удобства, чтобы не обозначать заряды.
Кроме того, при реальном фосфорилировании, происходящем в живой клетке, оста-
ток фосфата чаще всего не приходит в свободном виде из раствора, а передается
от специального переносчика. Но в упрощенных записях реакций это может и не
отображаться.
Нуклеозид, фосфорилированный по сахару, называется нуклеотидом (см. рис.
7.5). Фосфорилирование нуклеозидов, как правило, идет по пятому углеродному
атому сахара, через присоединенную к этому атому гидроксильную группу. Итак,
нуклеотид — это молекула, состоящая из азотистого основания, пятиуглеродного
сахара (рибозы или дезоксирибозы) и фосфата.
Правило образования названий нуклеотидов таково: название нуклеотида = на-
звание нуклеозида + числительное + фосфат. Числительное нужно обязательно,
потому что к фосфату могут присоединяться еще фосфаты, как бы последовательно
фосфорилирующие друг друга, — всего их бывает до трех штук. Если фосфат один,
то числительное — "моно", если два — "ди", если три — соответственно "три".
Например, если один раз фосфорилировать аденозин, то получится аденозинмоно-
фосфат (АМФ). Кроме того, если входящий в состав нуклеотида сахар не рибоза,
а дезоксирибоза, то ко всему названию добавляется приставка "дезокси".
Один из самых интересных нуклеотидов — аденозинтрифосфат (АТФ, см. рис.
7.6). Иногда его называют аденозинтрифосфорной кислотой, но название
"аденозинтрифосфат" используется чаще. В растворе, заполняющем клетку, АТФ
находится в виде аниона, так что фактически это не кислота, а соль. Как видно
из названия, эта молекула состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфата.
АТФ может распадаться с участием воды на аденозиндифосфат (АДФ) и обычную
фосфорную кислоту. При этом высвобождается довольно много энергии, которая
может быть использована для любых внутриклеточных процессов — таких, напри-
мер , как синтез полимеров, транспорт веществ или мышечное сокращение. При
превращении АДФ в АТФ энергия, наоборот, поглощается молекулой последнего и
запасается в ней. В целом получается обратимая реакция, которую можно запи-
сать очень просто:
АТФ + Н20 (вода) -> АДФ + Н3Р04 (фосфат) + энергия
Это и есть простейшая схема оборота АТФ в живой клетке. И это — процесс, от
которого напрямую зависит все наше существование.
NH,
азотистое основание
(аденлн)
О
но«
он
фосфат
сахар(рибоза)
ОН ОН
аденозинмонофосфат (АМФ)
Рис. 7.5. Типичный нуклеотид.
НО ? О Р О Р О-
ОН
он
он
он он
аденсзинтрифосфат (АТФ)
НО Р О
циклический аденозинмонофосфат (цАМФ)
Рис. 7.6. АТФ и цАМФ.
Фермент, превращающий АДФ в АТФ и тем самым запасающий в молекуле АТФ энер-
гию, называется АТФ-синтазой. Фермент, расщепляющий АТФ до АДФ и использующий
высвобожденную энергию для какой-нибудь работы, называется АТФазой. Эти на-
звания ни в коем случае не надо путать — они относятся к строго противополож-
ным процессам. За сутки в организме человека синтезируется, по разным подсче-
там, от 40 до 75 килограммов химически чистого АТФ. Но он не накапливается, а
почти сразу расщепляется обратно до АДФ, расходуясь в качестве "топлива". Как
запасное вещество АТФ не используется, потому что его слишком неудобно хра-
нить . Среднее время жизни отдельно взятой молекулы АТФ — меньше одной минуты.
С другой стороны, запаса АТФ, имеющегося в каждый данный момент, любой живой
клетке хватит не больше чем на несколько секунд, так что он должен постоянно
синтезироваться заново. Именно синтез АТФ является главным конечным результа-
том процессов получения энергии — таких, например, как дыхание.
В 1939 году известные биохимики Владимир Александрович Энгельгардт и Милица
Николаевна Любимова совершили поразительное открытие. Их интересовала биохи-
мия мышечного сокращения, и они сумели выделить из клеток мышечный белок —
миозин, — конденсированный в виде нитей. Дальше оказалось, что если поместить
эти нити в раствор АТФ, то происходят одновременно два процесса. Во-первых,
АТФ расщепляется до АДФ и фосфата, надо полагать — под действием миозина. А
во-вторых, нити миозина при этом... укорачиваются. Во всяком случае, сущест-
венно уменьшается максимальная длина, до которой их можно растянуть.
Так была открыта АТФазная активность миозина. И заодно было очень наглядно
показано, что энергия, высвобожденная при расщеплении АТФ, может тут же
"конвертироваться" в механическую работу. Правда, на самом деле чистого мио-
зина для этого недостаточно, нужен как минимум еще один белок — актин. Но в
принципе Энгельгардт и Любимова все поняли абсолютно верно. Их открытие,
кстати, было сразу же оценено современниками: в 1943 году авторы получили за
него высшую тогда в СССР награду — Сталинскую премию.
Любая АТФаза является белком, который, расщепляя АТФ, за счет высвобожден-
ной при этом энергии одновременно совершает работу (не обязательно механиче-
скую: с тем же успехом это может быть перенос веществ через клеточную мембра-
ну или какой-нибудь энергоемкий синтез). Если белки-АТФазы — аналоги малень-
ких двигателей, то АТФ служит для клетки самым настоящим топливом.
Иногда связи между остатками фосфата в формуле АТФ обозначают не прямой
черточкой, как обычные ковалентные связи, а волнистой (^) . Это предложенное
немецким биохимиком Фрицем Липманом обозначение тех связей, при разрыве кото-
рых, собственно, и выделяется достаточно большая по биохимическим меркам
энергия. Такие связи называются высокоэнергетическими или макроэргическими.
АТФ — не единственное вещество с макроэргическими связями, но, безусловно,
самое распространенное. Это энергетическая "разменная монета" живой клетки.
Во избежание недоразумений надо сказать, что количество энергии, высвобож-
даемое при разрыве макроэргической связи в АТФ, на самом деле вовсе не явля-
ется каким-то потрясающе огромным. Как раз наоборот, по меркам обычной химии,
особенно неорганической, оно скорее невелико. Это объясняется очень просто:
слишком большую разовую порцию энергии клетке было бы труднее пустить в дело.
Фермент аденилатциклаза может превратить АТФ в другое интересное соединение
— циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Это довольно странно выглядящая мо-
лекула, где один и тот же фосфат связан сразу с двумя гидроксилами рибозы
(третьим и пятым). Ни для переноса энергии, ни для построения каких-либо бо-
лее сложных соединений цАМФ не годится. Зато это важное сигнальное вещество,
служащее посредником при передаче информации внутри клеток, а иногда и между
клетками.
Например, цАМФ может через цепочку посредников запустить процесс распада
нерастворимого гликогена до растворимой глюкозы — это существенно ускоряет
обмен веществ (см. главу 6) . Для того чтобы этот эффект не длился слишком
долго, существует фермент фосфодиэстераза, который разрывает в молекуле цАМФ
фосфатный мостик и превращает его в безобидный обычный АМФ, лишенный сигналь-
ных функций. Благодаря этому ферменту молекулы цАМФ в клетках быстро расщеп-
ляются, и мы избегаем перерасхода энергии. А самым распространенным блокато-
ром фосфодиэстеразы является не что иное, как уже знакомый нам кофеин. Это
еще один способ, которым кофеин может действовать на организм. Тут мы имеем
дело с типичным случаем конкурентного ингибирования, когда активный центр
фермента "запирается" молекулой, близкой по структуре к нормальному субстрату
этого фермента, но слегка отличающейся от него (см. главу 3) . Именно такой
молекулой кофеин и служит. Правда, на фосфодиэстеразу кофеин действует только
в огромных концентрациях, которые в организме достигаются редко. Так что раз-
венчивать кофеин, лишая его статуса психоактивного вещества, не стоит: в пер-
вую очередь он действует все-таки на аденозиновые рецепторы, которые сидят на
нервных клетках.
8. НУКЛЕИНОВЫЕ
КИСЛОТЫ
Биохимией называют у нас те случаи, когда
скверные химики занимаются грязными и
плохими работами на малоподходящем для
химии материале. Не это биохимия. Биохи-
мия — это физико-химический структурный
анализ активных макромолекул4.
Николай Тимофеев-Ресовский
Полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, называется нуклеиновой
кислотой.
Что можно сказать о таком полимере? Прежде всего, он в некотором отношении
сложнее, чем состоящий из аминокислот белок, потому что любой нуклеотид — это
(как мы теперь знаем) куда более сложная молекула, чем любая аминокислота. В
нуклеиновой кислоте остатки сахара, принадлежащие разным нуклеотидам, соеди-
нены между собой через фосфатные группы. В результате получается длинная це-
почка чередующихся остатков сахара и фосфата — так называемый сахаро-
фосфатный остов, вбок от которого торчат азотистые основания. Представим эту
картину, и можно считать, что общее представление о нуклеиновой кислоте мы
уже получили.
Разные нуклеиновые кислоты называются по-разному в зависимости от того, ка-
кой у них в нуклеотидах сахар. Если это рибоза, то кислота рибонуклеиновая, а
если дезоксирибоза — соответственно, дезоксирибонуклеиновая. Сокращения, обо-
значающие эти кислоты, — ДНК и РНК — вряд ли будут для кого-то из читателей
большой новостью. В нашем перенасыщенном информацией мире про них труднее не
услышать, чем услышать.
Объединить нуклеотиды в нуклеиновую кислоту в принципе очень просто. От
гидроксильной группы, принадлежащей сахару одного нуклеотида, отщепляется во-
дород (-Н). От фосфата, принадлежащего другому нуклеотиду, отщепляется гидро-
ксильная группа целиком (-ОН) . Эти отщепленные фрагменты образуют воду (Н-0-
Н), а нуклеотиды соединяются по освободившимся связям. В результате между са-
харом одного нуклеотида и фосфатом другого остается атом кислорода (-0-).
Правда, в реальной живой клетке все происходит несколько сложнее (синтез нук-
леиновой кислоты там начинается не с нуклеозидмонофосфатов, а с нуклеозидтри-
4 Цитируется по документальному роману Даниила Гранина лл3убр".
фосфатов). Но нам это сейчас неважно. Важно, что в итоге получается цепочка
нуклеотидов, сахара которых соединены фосфатными мостиками.
Теперь — серьезное дополнение (см. рис. 8.1А) . Соединяющий нуклеотиды фос-
фатный мостик всегда расположен между 3т-углеродом одного сахара и 5т -
углеродом другого. У возникающей цепочки нуклеотидов два конца, на одном из
которых находится свободный фосфат (это 5!-конец), а на другом — свободная
гидроксильная группа сахара (это 3!-конец; в устной речи прямо так и говорит-
ся — лл пять -штрих -конец" и лл три-штрих-конец") . Запомним это! Различать направ-
ления 5т -^3 и 3т -^5т очень важно: некоторые биологические функции нуклеиновых
кислот без этого просто невозможно понять.
5'конец HN -/'"^sy(:H3
о J. J
Б ДНК
i "и •," Л ч" '''• V'* '
двуцепочечная
ТИМИН
I
0*х
дезоксирибоза
РНК
1 . . / Л
одноцепочечная
урацил
З'-конец ОН
рибоза
Рис. 8.1. Нуклеиновые кислоты. А — фрагмент цепочки ДНК, Б —
краткая сумма различий между РНК и ДНК.
Хорошо еще, что ДНК и РНК — линейные полимеры, то есть неветвящиеся. Прав-
да, чисто химически их ветвление вполне возможно, но современные живые орга-
низмы эту возможность почти нигде не реализуют.
Две
кислоты
Между РНК и ДНК есть три главных отличия (см. рис. 8.1Б):
ДНК имеет форму двойной спирали и используется для долговременного хранения
генетической информации. РНК же почти всегда одноцепочечная и используется
для передачи генетической информации, но не для ее постоянного хранения. Ис-
ключение можно найти только у такой странной (с нашей точки зрения) формы
жизни, как РНК-содержащие вирусы.
Вместо рибозы в ДНК входит дезоксирибоза — сахар, имеющий на один атом ки-
слорода меньше.
Из трех пиримидиновых азотистых оснований в РНК входят только урацил и ци-
тозин, а в ДНК — только тимин и цитозин. Фактически в ДНК урацил заменен ти-
мином.
Нет сомнений, что эти отличия должны иметь эволюционное объяснение, и до-
вольно скоро мы попробуем его найти.
Исторически сложилось так, что поначалу в центре внимания биологов оказа-
лась не РНК, а именно ДНК. В клетке ее обычно больше, и выделить ее для хими-
ческого анализа легче. Кстати говоря, на самом деле природная ДНК — это не
столько кислота, сколько соль. Кислотой ее называют из-за фосфатных групп. Но
в условиях живого организма эти группы диссоциируют (отдают протоны), и оста-
ются обнаженные отрицательные заряды, которые компенсируются положительно за-
ряженными ионами натрия (Na+) , благо натрий в окружающем растворе всегда
есть. Так что с чисто химической точки зрения правильнее было бы называть ДНК
дезоксирибонуклеатом натрия. И действительно, во многих старых классических
работах ее именно так и называют. Но сейчас название "ДНК" настолько прочно
вошло в язык, что менять его, видимо, уже не придется.
Главный источник ДНК в природе — ядра клеток эукариот. Как мы помним, эука-
риотами, собственно, и называются организмы с клеточными ядрами, то есть жи-
вотные, растения, грибы и многие одноклеточные вроде инфузорий и амеб (см.
главу 5) . Что такое само клеточное ядро, мы пока "не знаем", и нам не важны
никакие детали его устройства, кроме самых простых фактов. Ядро — это находя-
щаяся внутри клетки полость, окруженная оболочкой из двух мембран, в целом
подобных наружной клеточной мембране, и содержащая очень много ДНК. Обычно
клеточное ядро прекрасно видно под микроскопом. Само название "нуклеиновые
кислоты" происходит именно от латинского слова, обозначающего ядро (nucleus).
Вместе с белками, на которые она намотана, ядерная ДНК образует нити, которые
тоже бывают хорошо заметны под микроскопом (эти нити принято называть хромо-
сомами) . Но и в клетках бактерий и архей, у которых нет никакого ядра, ДНК
тоже всегда есть. Собственно, она есть абсолютно в любой современной живой
клетке. Исключением могут быть только заведомо обреченные на скорую гибель
клетки вроде, например, наших красных кровяных телец — эритроцитов (которые,
надо заметить, и клетками-то не все биологи согласны считать).
К тому же молекулы ДНК просто огромны. У эукариот они могут состоять бук-
вально из миллиардов нуклеотидных звеньев. Это самые длинные полимеры, какие
только существуют в живой природе.
В общем, не заметить такое вещество было бы трудно. Но вот что и как оно
делает — оставалось загадкой в течение нескольких десятков лет. Сейчас мы по-
смотрим , как эта тайна постепенно раскрывалась.
Тут не обойтись без небольшого авторского вступления. Эта публикация ни в
коем случае не труд по истории науки. Принятый в ней порядок изложения — ло-
гический, а не исторический. Это означает, что рассказ, по возможности, ве-
дется, исходя из логики природных явлений, а не из того, что и в каком поряд-
ке открывали разные профессора, жившие сотню лет назад или еще раньше. В кон-
це концов, наша главная цель — узнать что-то о современной биологии. Извили-
стые пути, пройденные научной мыслью давным-давно, тут могут подождать. И все
же ради истории исследований ДНК хочется сделать исключение. Эта тема так
важна и в то же время так поучительна, что мы позволим себе на ней остано-
виться — хотя бы кратко, в виде сжатого обзора, фиксирующего главные вехи.
Первый этап:
открытие
Само существование ДНК открыл в 1869 году швейцарец Фридрих Мишер. Это от-
крытие ни в коей мере нельзя назвать случайным. Фридрих Мишер, 25-летний на
тот момент ученый, буквально чуть ли не с рождения вошел в научную элиту сво-
его времени. Он был сыном профессора-медика, а его родной дядя — Вильгельм
Гис — оказался выдающимся эмбриологом и анатомом, имя которого нередко упоми-
нается в учебниках и сейчас, в XXI веке. (Каждый студент-медик знает, напри-
мер , пучок Гиса, проходящий в продольной перегородке человеческого сердца.)
Племянник и дядя дружили. И скорее всего, именно от Вильгельма Гиса еще со-
всем юный Фридрих Мишер воспринял мечту раскрыть самые фундаментальные тайны
живой природы. В 17 лет он поступил на медицинский факультет, но работать
практикующим врачом, судя по всему, не собирался ни дня. Ему просто нужна бы-
ла хорошая естественно-научная база, чтобы приступить к поиску, как он гово-
рил, ЛЛтеоретических оснований жизни". Мишер очень рано пришел к общему с Ги-
сом убеждению, что "последние оставшиеся вопросы, касающиеся развития тканей,
могут быть решены только на базе химии". И он решил стать биохимиком. Правда,
этого слова тогда еще не существовало, но было понятие ЛЛфизиологическая хи-
мия" , означавшее то же самое. Поработав в великолепных немецких химических
лабораториях, Мишер приобрел серьезную квалификацию химика-органика — и за-
нялся изучением химического состава живых клеток.
Свой любимый объект — гной — Мишер обнаружил в хирургической клинике, по
соседству с которой в тот момент работал. Из гноя оказалось очень удобно по-
лучать целые клетки, в первую очередь, конечно, лейкоциты — клетки иммунной
системы, ответственные за воспаление. Именно из лейкоцитов Мишер и выделил
вещество, обладавшее следующими четырьмя свойствами:
1. оно всегда находится в высокой концентрации в клеточных ядрах, но почти
отсутствует во внеядерной части клетки, так называемой цитоплазме;
2 . его молекулы — большие, вполне сравнимые по размеру с молекулами белков;
3. оно определенно является по химическим свойствам кислотой;
4. оно состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и довольно большого
количества фосфора, но совершенно не содержит серы.
К тому времени биохимики уже знали, что в белках сера присутствует обяза-
тельно (как мы сейчас понимаем, она входит в состав некоторых аминокислот). А
вот фосфора в них нет. Это со всей определенностью означало, что открытое Ми-
шером вещество не белок, а нечто совсем другое.
Сам Мишер назвал это вещество "нуклеин", от латинского слова nucleus — яд-
ро. Через 20 лет Рихард Альтман переименовал "нуклеин" в "нуклеиновую кисло-
ту" . Это название в науке и прижилось.
Мишер прекрасно понимал, что "нуклеин" не белок, и допускал, что это веще-
ство выполняет какую-то особую функцию, свойственную только материалу клеточ-
ных ядер. Чтобы изучить химию нуклеина более детально, он использовал сперма-
тозоиды — мужские половые клетки животных, в которых, кроме ядра, почти ниче-
го толком и нет.
Между тем представление, что процессы передачи наследственной информации
как-то связаны с клеточным ядром, к тому времени уже вошло в научный оборот.
Это называлось ядерной теорией наследственности. Почему бы тогда "нуклеину" и
не оказаться материальным носителем наследственных качеств? И действительно,
в 1874 году Мишер записал: "Если бы мы предполагали, что какое-то одно веще-
ство является специфической причиной оплодотворения, в первую очередь нам,
несомненно, пришлось бы рассмотреть нуклеин".
Второй
этап:
рутина
Фридриху Мишеру необыкновенно повезло. В своем стремлении раскрыть главную
химическую тайну жизни он сразу выбрал абсолютно правильное направление поис-
ка. Полученные им результаты подготовили науку к грандиозному прорыву. Но вот
самого прорыва как раз и не произошло. В течение следующих 40 лет, примерно с
1890 по 1930 год, исследования нуклеиновых кислот оставались, в общем-то, не-
популярной областью биохимии. Люди, которым хватало квалификации, чтобы ста-
вить биохимические опыты, в этот период гораздо больше интересовались белка-
ми. Тогда уже было ясно, что белки — универсальные химические "слагаемые"
жизни. В отношении нуклеиновых кислот такой уверенности не было даже у энту-
зиастов, при том, что исследование этих веществ по чисто химическим причинам
было заметно более трудоемким, чем исследование белков. Неудивительно, что
желающих ими заниматься находилось относительно немного.
Правда, и в этот период у некоторых людей случались озарения. Вопрос о био-
логической роли ДНК не обошел стороной, например, известный физиолог Жак Лёб.
В вышедшей в 1906 году книге под названием ллДинамика живой материи" он совер-
шенно четко сформулировал два предположения:
1. наследственная информация при оплодотворении, скорее всего, передается ка-
ким-то одним строго определенным химическим веществом;
2. нуклеиновые кислоты являются гораздо более вероятными кандидатами на роль
этого вещества, чем белки.
Лёб стремился сводить всю живую природу к простым физико-химическим факто-
рам, и это, конечно, вызывало у многих биологов возражения, особенно когда
применялось к таким сложным явлениям, как, например, поведение животных. Но
именно в отношении передачи наследственной информации Лёб оказался абсолютно
прав. Он, что называется, попал в яблочко. К сожалению, в 1924 году, когда
ученый умер, оценить этого еще никто не мог. Предложенная им гипотеза о веще-
стве наследственности просто затерялась среди множества других гипотез, ка-
завшихся тогда не менее вероятными.
Американский биолог Леонард Троланд высказал другую смелую гипотезу: нук-
леиновые кислоты — это своего рода небелковые ферменты, запускающие процесс
копирования генетической информации. Гораздо позже стало понятно, что эта
мысль не просто красива, но и (опять же) в немалой степени верна. У некоторых
нуклеиновых кислот такая функция действительно есть.
Увы и увы, 100 лет назад все эти идеи разбились о полное равнодушие профес-
сиональных генетиков, интересы которых в тот период были совершенно другими.
Впрочем, самих генетиков тут тоже можно понять. Их юная наука, только в 1905
году получившая свое название, развивалась невероятно бурно — и охватить все
возможные направления просто-напросто не получалось. А при этом ни концепту-
альный аппарат генетики, ни создавшие ей славу "фирменные" методы исследова-
ний изначально ни с какой химией связаны вовсе не были. И в результате гене-
тики начала XX века практически единодушно решили, что поиск химического но-
сителя наследственной информации — дело далекого будущего, а пока что на это
отвлекаться не следует.
Таким образом, биохимики (вернее, те из них, кого это вообще интересовало)
были вынуждены изучать ДНК в гордом одиночестве. Причем ллсухой остаток" от
этой долгой и трудной работы был довольно скромным. Стало понятно, что нук-
леиновая кислота — это полимер, состоящий из нуклеозидов, соединенных фосфат-
ными мостиками, то есть, иными словами, из нуклеотидов. И выяснилось, что
нуклеотиды в ДНК бывают четырех типов: адениновый, гуаниновый, цитозиновый
или тиминовый. Никаких далеко идущих выводов эти факты не породили. Ну, веще-
ство себе и вещество. Ясно, что оно участвует в клеточном ядре в каких-то
биохимических процессах, ну так мало ли там всего разного участвует! Где-то
так, по-видимому, и думало большинство биологов к началу 1930-х годов.
Третий этап:
споры
Между тем гигантский маховик под названием "развитие научных представлений"
продолжал проворачиваться. В 1926 году американский генетик Герман Мёллер от-
крыл радиационный мутагенез, то есть повышение частоты генетических мутаций
под действием электромагнитных лучей, в данном случае — рентгеновских. Если
попадание кванта рентгеновского излучения может изменить структуру гена, зна-
чит, ген — это молекула? А если молекула, то должна же у нее быть какая-то
химическая формула! И таким образом, вопрос о химической природе наследствен-
ного вещества вновь встал на повестку дня.
В начале 1930-х практически все биологи, задававшиеся этим вопросом, счита-
ли, что гены — это белки. Почему? Во-первых, к тому времени уже все знали,
что белки химически гораздо разнообразнее: в них входит 20 разных типов моно-
меров, а в составе ДНК — всего четыре типа. Во-вторых, биохимики, изучавшие
ДНК в первой трети XX века, наряду со множеством полезных открытий допустили
одну простительную, но тем не менее очень серьезную неточность. Они решили,
что четыре типа нуклеотидов (адениновый, гуаниновый, тиминовый и цитозиновый)
входят в состав ДНК в строго равных концентрациях:
[А] = [Т] = [Г] = [Ц]
Самое логичное объяснение этих данных выглядело так: ДНК, какой бы длины
она ни была, должна состоять из одинаковых четырехнуклеотидных блоков, в каж-
дом из которых есть по одному ЛЛА", по одному ЛЛТ", по одному ЛЛГ" и по одному
ЛЛЦ". Представить, что такой однообразный полимер каким-то образом хранит ин-
формацию , было невозможно. Приходилось считать, что ДНК — рядовой участник
обмена веществ, разве что специфичный почему-то именно для клеточных ядер.
Впрочем, мнения и тогда бывали разные. В 1933 году работавший в США. хорват-
ский биолог Милислав Демерец опубликовал буквально витавшую к тому времени в
воздухе гипотезу, что любой ген — это молекула. Пусть и большая молекула, но
одна-единственная. Тогда генетическая мутация — просто изменение взаимного
расположения атомов в этой молекуле. А в качестве примера того, из чего такая
молекула могла бы состоять, Демерец привел не что иное, как схему гипотетиче-
ского четырехнуклеотидного блока ДНК! Биология опять почти нащупала матери-
альный носитель наследственности — и опять отступила (правда, теперь уже не-
надолго) . На этот раз биологов подвела химия. Структура нуклеиновых кислот
была все-таки еще слишком плохо известна. К примеру, на предложенной Демерцом
формуле ДНК значилась гликозидная связь между остатками сахара (см. главу 6),
чего на самом деле ни в каких нуклеиновых кислотах не бывает.
Тут самое время вспомнить замечательного русского биолога Николая Констан-
тиновича Кольцова, занимавшего в интересующие нас годы должность директора
Института экспериментальной биологии в Москве, на улице Воронцово Поле, что у
Яузского бульвара. Кольцов — фигура ярчайшая, о его роли в нашей биологии на-
писано немало статей и книг. Сейчас достаточно сказать, что он одним из пер-
вых задумался не только о химической основе наследственных качеств, но и о
молекулярном механизме их передачи и тут сумел во многом, что называется,
опередить свое время (см. главу 3). В 1935 году Кольцов опубликовал следующую
гипотезу: ген — это участок очень длинной белковой цепочки, возможно состоя-
щей из тысяч или десятков тысяч аминокислот, чередованием которых, собствен-
но, и кодируется генетическая информация. Забегая вперед, сообщим, что если
бы Кольцов заменил белок на ДНК, а аминокислоты на нуклеотиды, то он бы ока-
зался попросту абсолютно прав. К сожалению, такого чуда не случилось. В тех
же самых статьях Кольцов убежденно возражает Демерцу: ДНК — "сравнительно
простое органическое соединение, которому было бы странно приписывать роль
носителя наследственных свойств". То ли дело белки! Приведем сокращенную ци-
тату:
"Некоторые цитологи придают нуклеиновой кислоте особо важное значение. Так,
Демерец считает, что все гены являются лишь вариантами или даже просто изоме-
рами нуклеиновой кислоты. Я никак не могу с этим согласиться, так как молеку-
лярная структура нуклеиновой кислоты слишком проста и однородна. Ведь это,
прежде всего, не белковая молекула. У всех животных и растений нуклеиновая
кислота одинакова или почти одинакова: думать о миллионах изомеров этой моле-
кулы не приходится. Я считаю поэтому, что нуклеиновая кислота никакого отно-
шения к генам не имеет".
Поясним, что цитология — это область биологии, изучающая строение клетки. А
мысль о том, что все гены являются изомерами нуклеиновой кислоты, не только
красива, но и, как мы сейчас понимаем, по сути абсолютно верна. В данном слу-
чае Кольцов попал пальцем в небо из-за того, что слишком доверился биохими-
кам. А последние как раз в те годы стали почему-то склоняться к мнению, что
ДНК — вообще не полимер, а совсем небольшая молекула, состоящая всего-то из
четырех нуклеотидов (те самые Л\А", ЛЛТ", ЛЛГ" и ЛЛЦ") . Просто в ядре таких моле-
кул очень много, вот и получается большая масса. Сам Кольцов не был биохими-
ком, поэтому не мог оценить, насколько эти данные надежны или ненадежны. Если
бы он отважился допустить, что его открытая "на кончике пера" молекула на-
следственности не состоящий из тысяч аминокислот белок, а состоящая из тысяч
нуклеотидов ДНК, это могло бы изменить всю мировую биологию. Но, насколько
можно судить, Кольцову такое в голову не пришло. И никому другому в 1930-е
годы — тем более.
Полемика Кольцова и Демерца хорошо показывает, сколь непрямыми путями обыч-
но идет научная мысль. Две идеи, каждая из которых в отдельности была совер-
шенно верна, столкнулись и разошлись. Слияния не произошло. Хотя ждать его
оставалось уже совсем недолго.
Четвертый этап:
эксперименты
В 1944 году американский биолог Освальд Эвери экспериментально показал, что
ДНК, и только ДНК может вызвать трансформацию одной разновидности бактерий в
другую — в данном случае безопасного штамма пневмококка в болезнетворный, вы-
зывающий инфекционное воспаление легких. Вот этот момент и следует считать
открытием генетической роли ДНК (см. рис. 8.2).
Освальд Эвери на протяжении всей своей научной карьеры, больше 40 лет, за-
нимался только пневмококками — бактериями, которые вызывают пневмонию. Тут
надо сказать, что ему невероятно повезло с объектом. Сам факт, что некая та-
инственная "растворимая субстанция" может передаваться от одной бактерии к
другой и навсегда менять наследственные свойства бактерии-реципиента, был от-
крыт именно на пневмококках еще в 1920-х годах. Но вот ответ на вопрос, что
это за субстанция такая, требовал очень тонких, технически сложных биохимиче-
ских опытов, поставить которые долгое время никто не мог. Эвери стал первым.
Он многие годы работал над этой темой, продолжил работу несмотря на то, что
уже вышел в официальную отставку по возрасту, и добился-таки успеха (в момент
выхода главной статьи ему было 67 лет).
На самом деле поворотная точка была пройдена в марте 1943 года, когда Эвери
прочитал перед попечителями Рокфеллеровского фонда небольшой доклад, завер-
шавшийся однозначным выводом: субстанция, способная вызывать стойкую транс-
формацию бактерий, — это ДНК. Задержка выхода статьи на год объясняется в ос-
новном тем, что с ее подачей медлили, обдумывая каждое слово. Эвери и его со-
трудники прекрасно понимали, насколько важный результат они получили.
Вирулентный штамм
убит нагреванием.
вирулентные * з <> %
бактерии
(отличаются
полисахаридной
капсулой)
п
горелка
Жидкий экстракт мертвых
вирулентных бактерий.
Обработка ферментами
/
протеазы
(разрушают
белки)
РНКазы
(разрушают
РНК)
/
ДНКазы
(разрушают
ДНК)
о о
с о с с
° S с
С о С
Невирулентные клетки
обрабатываются
полученным раствором.
о о сО
О О °
%00сс с)
Трансформация произошла[
Среди невирулентных клеток
появились вирулентные,
с полисахаридными
капсулами.
о о с
~ о л
Растворы с протеазами и
с РНКазами вызвали
трансформацию.
Трансформации нет.
Все клетки остались
невирулентными.
Рис. 8.2. Опыт Эвери.
В том же 1944 году австралиец Фрэнк Макфарлейн Бёрнет опубликовал ключевой
тезис: ДНК ведет себя так, как будто гены именно из нее и состоят. После ра-
боты Эвери этот вывод вроде бы напрашивался, так что выяснение приоритета тут
выглядит похожим на знаменитый спор о том, кто первым сказал ллэ". Но на самом
деле все было не так просто. Очень многие крупные биологи и после 1944 года
все еще по инерции держались за убеждение, что гены состоят из белка, а ДНК —
в лучшем случае всего лишь мутагенное вещество (правда, вызывающее какие-то
уж очень странные предсказуемые мутации). Именно так поначалу решил, напри-
мер, знаменитый генетик Феодосии Добржанский. Сам Эвери, насколько можно су-
дить, колебался. И вообще, без споров не обошлось. Бёрнет — между прочим, вы-
дающийся вирусолог и иммунолог, впоследствии совсем за другие заслуги полу-
чивший Нобелевскую премию, — оказался смелее большинства мэтров.
Так или иначе, теперь все убедились, что, во всяком случае, какое-то отно-
шение к генетической информации ДНК имеет точно. Цель была определена, и охо-
та началась.
Пятый этап:
двойная спираль
Результаты Эвери (которые вскоре были подтверждены и в других лабораториях)
оживили угасший было интерес биохимиков к нуклеиновым кислотам. Во второй по-
ловине 1940-х годов эта тема пережила своего рода возрождение. Эрвин Чаргафф,
высококвалифицированный биохимик европейской школы, довольно быстро опроверг
сбивавшую всех с толку старую ллтетрануклеотидную теорию", согласно которой
ДНК должна состоять из одинаковых блоков по четыре нуклеотида. Как мы помним,
эта теория исходила из того, что четыре азотистых основания присутствуют в
ДНК в равных количествах. Чаргафф провел точные измерения, показавшие, что
это неверно. На самом деле количество аденина строго равно количеству тимина,
а количество гуанина строго равно количеству цитозина:
[А] = [Т]
[Г] = [Ц]
Эти соотношения называются правилами Чаргаффа. Отношение [А+Т]/[Г+Ц] кон-
стантой как раз не является и может отличаться у разных организмов. А вот
правила Чаргаффа соблюдаются всегда. Что же это может означать? Никаких четы-
рехнуклеотидных блоков в составе ДНК нет, иначе соотношения совершенно точно
были бы иными. Но почему бы там не быть не четверкам, а парам? Правила Чар-
гаффа легче всего объяснить, предположив, что нуклеотиды входят в ДНК в со-
ставе пар: или AT, или ГЦ.
В этом месте полезно вспомнить, что, собственно говоря, означают буквы А,
Т, Г и Ц. Аденин (А) и гуанин (Г) — это пуриновые азотистые основания, а ци-
тозин (Ц) и тимин (Т) — пиримидиновые. И мы тут же получаем вытекающее из
правил Чаргаффа важнейшее утверждение: в одной и той же молекуле ДНК общее
количество пуриновых оснований (А и Г) всегда строго равно общему количеству
пиримидиновых (Т и Ц). В этом плане предполагаемые пары AT и ГЦ устроены оди-
наково : в каждой паре одно основание пуриновое, другое — пиримидиновое.
Оставалось сделать последний шаг: установить трехмерную структуру молекулы
ДНК, решив задачу из области науки, которая называется стереохимия.
Пытаясь разобраться в устройстве ДНК, американец Джеймс Уотсон и англичанин
Фрэнсис Крик увидели, что возникающие между азотистыми основаниями водородные
связи делают пары аденин-тимин и гуанин-цитозин фактически идентичными друг
другу по общей форме. И там и там возникает одна и та же легко узнаваемая
структура из трех колец (см. рис. 8.ЗА).
уотсон-криковские пары:
спаривание тимина с аденином
(две водородные связи)
Б 5'
пары
'оснований
водородные
'связи
спаривание цитозина с гуанином
(три водородные связи)
двойная
спираль
3' 5'
Рис. 8.3. Двойная спираль ДНК. А — спаривание азотистых основа-
ний, Б — общая схема структуры молекулы ДНК.
У Уотсона и Крика получилось, что между аденином и тимином должны образо-
ваться две водородные связи, а между гуанином и цитозином — три. Поэтому пара
ГЦ должна быть прочнее, чем пара AT (сейчас мы знаем, что это действительно
так). Зато в обеих парах — один пурин и один пиримидин, как и ожидалось.
Надо заметить, что решить эту задачу Уотсону и Крику удалось не с первого
раза. Помните, мы говорили, что у азотистых оснований бывают две изомерные
формы — спиртовая и кетонная (см. главу 7)? Так вот, в учебниках биохимии
1940-х годов чаще всего изображалась только спиртовая форма. Уотсон и Крик
исходили именно из нее, и ничего собрать у них не получалось, пока профессио-
нальный химик Джерри Донохью не объяснил им, что это бесполезное занятие: в
физиологических условиях азотистые основания всегда находятся не в спиртовой
форме, а в кето-форме! Ни Уотсон, ни Крик химиками вообще-то не были, так что
эта помощь оказалась драгоценной.
Но теперь у них получилась модель молекулы, идеально соответствовавшая пра-
вилам Чаргаффа. С самим Чаргаффом, кстати говоря, у Уотсона и Крика общение
не сложилось — тот счел их дилетантами, с которыми и разговаривать-то серьез-
но не стоит. ЛЛПрезрение Чаргаффа к нам достигло предела, когда Фрэнсис вынуж-
ден был признаться, что не помнит химических различий между четырьмя азоти-
стыми основаниями", — писал потом Уотсон. Но это было уже неважно.
Осталось сопоставить полученную модель с данными рентгеноструктурного ана-
лиза, дававшего размытые и нечеткие, но все-таки снимки молекул ДНК в рентге-
новских лучах. К счастью, по соседству с Уотсоном и Криком работали сильные
рентгеноструктурщики — Морис Уилкинс и Розалинд Франклин. Забегая вперед, на-
до сказать, что через несколько лет Уилкинс получил вместе с Уотсоном и Кри-
ком Нобелевскую премию, а Франклин, к сожалению, нет, потому что безвременно
умерла от рака.
В итоге Уотсон и Крик собрали (в самом буквальном смысле, из проволоки и
жести) модель молекулы ДНК, полностью отвечавшую как биохимическим, так и
рентгеноструктурным данным (см. рис. 8.3Б). Оказалось, что молекула состоит
из двух цепочек. И против любого основания в одной цепочке должно стоять до-
полнительное к нему (комплементарное) основание в другой: против аденина —
тимин, против тимина — аденин, против гуанина — цитозин и против цитозина —
гуанин. Причем эти цепочки должны быть антипараллельны, то есть противополож-
но направлены. Вот здесь нам как раз пригодится усвоенное в начале этой главы
представление о 5'-конце и 3'-конце цепочки нуклеиновой кислоты. У двух цепо-
чек, образующих молекулу ДНК, эти концы всегда направлены в противоположные
стороны. С параллельными цепочками модель не собиралась, антипараллельность
неожиданно оказалась совершенно обязательным условием. Никаких ковалентных
связей между двумя цепочками ДНК нет — только водородные. Так что формально
это две отдельные молекулы, их просто традиционно принято считать за одну.
В трехмерном пространстве изученная Уотсоном и Криком молекула ДНК имеет
форму двойной спирали, напоминающую двойной штопор (такие редко, но встреча-
ются) . Если ее раскрутить, то к каждой из двух цепочек можно будет автомати-
чески достроить комплементарную — конечно, при наличии в окружающем растворе
нужных мономеров-нуклеотидов. Стереохимия азотистых оснований просто не до-
пустит другого варианта: к аденину может пристроиться только тимин, к гуанину
— только цитозин и так далее. А это означает, что Уотсон и Крик открыли не
более и не менее как механизм копирования наследственной информации.
В свете этого осознания авторский комментарий, сделанный Уотсоном и Криком
в их знаменитой статье 1953 года, воистину выглядит шедевром скромности. Там
сказано:
"It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated
immediately suggests possible copying mechanism for the genetic material".
(В переводе: "От нашего внимания не ускользнуло то, что постулированное на-
ми специфическое спаривание немедленно предполагает возможный механизм копи-
рования генетического материала".)
По существу, задача была решена в тот момент, когда удалось установить оди-
наковую форму пар AT и ГЦ. Именно в этот день Фрэнсис Крик принялся рассказы-
вать всем подряд в кембриджском пабе ллОрел", что они с коллегой только что
раскрыли секрет жизни (отчего даже Уотсону, никогда не страдавшему избытком
скромности, стало не по себе). Но и в самом деле, собрать правильную трехмер-
ную модель ДНК после этого оказалось делом техники.
Вся эта история отлично показывает, насколько коллективным процессом явля-
ется наука. Уотсон и Крик при всем их огромном таланте были еще и необычайно
удачливы: в их распоряжении оказалось готовое полное условие задачи, которую
оставалось только решить. Например, их модель двойной спирали была бы невоз-
можна без результатов биохимического анализа Чаргаффа и равным образом — без
рентгенограмм Уилкинса и Франклин. Причем получить все это самостоятельно
Уотсон и Крик не могли — у них просто не было такой профессиональной подго-
товки. А Чаргафф, в свою очередь, работал на основе старой ллтетранукл еотид ной
теории", хоть и опроверг ее. Двигаясь, таким образом, вспять по цепочке уче-
ных, каждый из которых делал возможной работу следующего, мы получим некий
причудливый граф, где Уотсон и Крик будут располагаться в одной из вершин.
Впрочем, о чем-то подобном писал еще в XII веке Бернар Шартрский: "Мы подобны
карликам, усевшимся на плечах великанов; мы видим больше и дальше, чем они,
не потому, что обладаем лучшим зрением, и не потому, что выше их, но потому,
что они нас подняли и увеличили наш рост собственным величием".
Самое главное в двойной спирали ДНК не то, что она спираль, а то, что она
двойная. Теоретически двойная цепь ДНК вполне могла бы быть и линейной, как
застежка-молния, без всякой спиральности. На ее свойства как носителя инфор-
мации это нисколько не повлияло бы. Спиральная конформация энергетически вы-
годнее по чисто химическим причинам, из-за углов между ковалентными связями.
Но тут химия неожиданно совпала с эстетикой: двойная спираль просто красива.
Неудивительно, что она быстро стала широко известным символом глубинного ме-
ханизма жизни.
И снова
две кислоты
Теперь самое время прояснить вопрос: в чем же смысл химических отличий меж-
ду ДНК и РНК?
Прежде всего напомним, что главное из этих отличий выражено в самом назва-
нии: в состав РНК входит рибоза, а в состав ДНК — дезоксирибоза. Добавив к
этому факту кое-что еще, мы получим следующую картину:
■ РНК гораздо легче синтезируется, потому что реакция синтеза дезоксирибозы
требует более сложных ферментных систем, чем реакция синтеза рибозы;
■ ликвидация 2!-гидроксильной группы (той самой, которой дезоксирибоза лише-
на) резко уменьшает химическую активность нуклеиновой кислоты, и в том
числе ее подверженность спонтанному распаду с участием воды;
■ ДНК редко бывает одноцепочечной (только у некоторых вирусов), а в двуцепо-
чечной форме она очень устойчива из-за огромного количества водородных
связей и — дополнительно — из-за гидрофобного взаимодействия между множе-
ством налегающих друг на друга плоских колец азотистых оснований.
Создается явное впечатление, что ДНК была "специально придумана" природой
как долговременное надежное хранилище информации.
Есть и еще одно важное отличие. В 1980-х годах было обнаружено, что некото-
рые РНК способны вести себя как ферменты, катализируя определенные химические
реакции (например, разрезание или синтез других РНК) . Такие РНКовые аналоги
ферментов называются рибозимами. Эта способность вовсе не является редкостью,
она не требует большой длины РНК или какой-то уникальной нуклеотидной после-
довательности. Рибозимы часто бывают длиной в 100-200 нуклеотидов или меньше.
Самый маленький известный рибозим имел длину всего 13 нуклеотидов. Это озна-
чает , что химическая эволюция могла создать рибозимы очень легко. Даже при
совершенно случайном переборе последовательностей РНК какие-нибудь рибозимы
обязательно появятся, причем довольно быстро.
У ДНК же каталитическая способность резко ослаблена все той же потерей 2т-
гидроксильной группы. Таким образом предотвращается, например, случайное воз-
никновение саморазрезающихся рибозимов — в РНК бывает даже такое. Живым орга-
низмам совершенно не нужна каталитическая способность ДНК. Наоборот, чем она
инертнее, тем лучше. Для редактирования генетической информации есть другие
молекулы. А ДНК должна ее просто хранить.
Открытие рибозимов сразу вызвало к жизни так называемую гипотезу РНК-мира.
Сторонники этой гипотезы считают, что первоначально живые системы состояли в
основном из разнообразных молекул РНК. Эти молекулы РНК служили и носителями
информации, и катализаторами всевозможных химических реакций. И только потом
специализированными катализаторами стали белки, а специализированными храни-
телями информации — молекулы ДНК. За самой же РНК остались функции, связанные
с передачей генетической информации и частично с регуляцией работы генов.
В самом деле, мы скоро убедимся, что ДНК, в отличие от РНК, не является в
системе передачи генетической информации абсолютно необходимым звеном. Все
генетические процессы в принципе можно было бы осуществить с помощью одних
только РНК, которые и в современном мире довольно разнообразны. Генетическую
систему, включающую только РНК, сконструировать можно, а вот включающую толь-
ко ДНК — нельзя.
К этому можно добавить, что соединения рибозы и сами по себе, независимо от
нуклеиновых кислот, играют важную роль в обмене (например, в энергетическом),
чего никак нельзя сказать о соединениях дезоксирибозы: последняя нужна для
синтеза ДНК, и больше ни для чего. Все это показывает, что ДНК — продукт го-
раздо более глубокой специализации, чем РНК, и в целом подкрепляет гипотезу
РНК-мира.
Теперь обратимся еще к одному отличию, уже нам известному: в состав ДНК
вместо урацила почему-то входит тимин. Напомним, что тимин отличается от ура-
цила всего лишь одной дополнительной метильной группой (-СН3) . А дело тут,
скорее всего, вот в чем. Есть еще одно азотистое основание, которое входит и
в РНК, и в ДНК, и при этом является химически довольно неустойчивым. Это ци-
тозин . Он легко подвергается спонтанному дезаминированию — потере аминогруп-
пы, на место которой приходит гидроксильная группа. А цитозин с гидроксилом
вместо аминогруппы — это не что иное, как урацил. Такие уж у этих веществ
формулы. Получается, что если хранить генетическую информацию на РНК, то она
неминуемо будет постепенно "засоряться" урацилом, образующимся из-за спонтан-
ного дезаминирования цитозина.
А вот из ДНК урацил исключен вообще. Всеобщая замена урацила на тимин дает
возможность легко исправлять ошибку дезаминирования, "настроив" соответствую-
щие ферменты на вырезание любых нуклеотидов с урацилом как заведомо ошибоч-
ных. Но такая замена имеет смысл только в том случае, если ДНК уже использу-
ется как носитель информации! И получается сильный чисто химический довод за
то, что ДНК была выбрана живыми системами на роль долговременного хранилища
генетической информации "специально". Никакой другой функции у нее никогда и
не было.
Остается понять, какие живые организмы и когда создали это новшество. Это —
интереснейший и совершенно нерешенный вопрос. Есть, например, гипотеза, что
ДНК как таковая была "изобретена" ДНК-содержащими вирусами, которые потом ин-
фицировали древнейшие клетки, еще содержавшие только РНК, и передали им свою
"информационную технологию". Если это верно — значит, современная клетка, со-
держащая ДНК, возникла в результате взаимодействия (или даже слияния) древней
РНК-содержащей клетки с крупным ДНК-содержащим вирусом. Правда, тут возможна
и более сложная последовательность событий — о том, какая именно, мы погово-
рим в главах 12 и 14.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Литпортал
ВОДОВОРОТ1
Питер Уотте
«И хоть мала, она душой свирепа».
Уильям Шекспир «Сон в летнюю ночь»
Вот бегемот, которого Я создал,
как и тебя; он ест траву, как вол.
Иов 40:15
Всякая плоть — трава.
Исайя 40:6
Прелюдия:
мессия
На следующий день после того, как Патриция Роуэн спасла мир, человек по
имени Элиас Мерфи вновь заставил всколыхнуться ее совесть.
1 Первая часть трилогии - "Морские звезды" - см. Домашняя лаборатория 2018-08
Едва ли она нуждалась в еще одном напоминании. На линзах и так бежал беско-
нечный перечень смертей и разрушений, пока даже приблизительное число потерь
никто назвать не мох1. Прошло всего шестнадцать часов; о порядках величин до
сих пор можно было лишь гадать. Но машины по-прежнему старались все учесть:
столько-то миллионов жизней, столько-то триллионов долларов — как будто апо-
калипсис станет безобидным, если его досконально подсчитать.
«Может, так оно и произойдет», — размышляла Роуэн. Самые страшные чудовища
всегда успевали исчезнуть до того, как включишь свет.
Она взглянула на Мерфи сквозь прозрачный дисплей в голове: человека скрывал
поток данных, который он даже не видел. Но выражение его лицо само по себе
несло информацию, и Патриция все сразу поняла.
Элиас Мерфи ненавидел ее. Для Элиаса Мерфи чудовищем была сама Роуэн.
Она его не винила. Наверное, у него погиб кто-то из близких во время земле-
трясения. Но если он знал о роли, которую Роуэн сыграла в этом деле, то пони-
мал, каковы были ставки. Ни одно рациональное существо не стало бы винить ко-
го-то за действия, продиктованные исключительно необходимостью.
Он, скорее всего, и не винил. С рациональной точки зрения. Но его ненависть
коренилась где-то в спинном мозге, и Роуэн не держала зла на Мерфи.
— У нас нерешенная проблема, — спокойно сказал он.
«И не одна».
— Мем Бетагемота проник в Водоворот, — продолжил гель-жокей. — Он какое-то
время висел в сети, но ощутимое влияние стал оказывать... только с появлением
того геля, который вы...
Он замолк, не желая обвинять Роуэн прямо.
И спустя секунду начал снова:
— Я не знаю, как много вам уже рассказали о... сбое. Мы использовали гаусси-
анский упреждающий алгоритм для достижения минимальных локальных пока...
— Вы научили умные гели защищать информацию от дикой фауны Интернета, — от-
ветила Роуэн. — В результате каким-то образом они выработали правило, что в
любой ситуации следует отдавать предпочтение простым системам, а не сложным.
Мы, не сознавая того, предоставили одному из них выбор между микробом и био-
сферой, и он переметнулся на сторону врага. Однако мы вынули затычку вовремя.
Не так ли?
— Вовремя, — эхом отозвался Мерфи. «Не для всех», — добавили его глаза. —
Но к тому времени он уже распространил мем в сети. Гель был связан с Водово-
ротом и, естественно, мог действовать автономно.
Роуэн перевела: «Чтобы он мог убивать людей без всяких ограничений». Она
все еще немного удивлялась тому, что Консорциум вообще согласился наделить
зельц настолько широкими полномочиями. Разумеется, на свете не существовало
человека без предубеждений. Разумеется, никто не собирался доверять кому-то
другому право решать, какие города надо сжечь для общего блага, пусть даже
микроб угрожал всему миру. И все-таки: дать абсолютную власть двухкилограммо-
вому куску культивированных нейронов? Ее до сих пор поражало то, что вся лю-
доедская рать согласилась на такое.
Правда, мысль о том, что у гелей могут быть собственные предубеждения, ни-
кому в голову не пришла.
— Вы просили держать вас в курсе, — сказал Мерфи, — но на самом деле про-
блемы нет. Без геля это всего лишь сорный мем, и он сам сгорит через неделю
или две.
— Неделю или две. — Роуэн вздохнула. — Вы понимаете, сколько урона нанес
этот сорный мем за последние пятнадцать часов?
— Я...
— Он захватил подъемник, доктор Мерфи. Ему не хватило всего двух часов.
Шесть носителей могли затеряться среди населения, и тогда землетрясение, цу-
нами стали бы лишь началом, а не...
«...пожалуйста, Господи, пусть на этом все кончится...»
— Он захватил подъемник, так как имел властные полномочия. Теперь у него их
нет, а у других гелей никогда не было. Мы говорим о коде, который бесполезен
для субъектов, лишенных автономии в реальном мире, и который, при отсутствии
внешнего толчка, в любом случае самоуничтожится из-за нехватки подкрепления.
А что касается землетрясения... — В голосе Мерфи неожиданно появилась непокор-
ность : — Судя по тому, что я слышал, на спусковой крючок нажали далеко не ге-
ли.
«Ну, сказано яснее некуда».
Патриция решила не обращать внимания на эту реплику.
— Простите, но вы не убедили меня. В сеть проник план по уничтожению всего
мира, а вы предлагаете мне не беспокоиться?
— Именно так.
— К сожа...
— Мисс Роуэн, гели — это по сути большие автопилоты из слизи. Такая система
может измерять высоту, оценивать погодные условия, запускать механизм посад-
ки, но это не значит, что она хоть как-то их осознает. Гели не замышляют
уничтожение планеты, они даже не знают, что реальный мир существует. Они все-
го лишь манипулируют переменными. И опасность может возникнуть только в том
случае, если один из их выходных регистров окажется связан с бомбой на линии
разлома.
— Благодарю вас за оценку. А если вам отдадут приказ вычистить этот мем,
как вы поступите?
Элиас пожал плечами.
— Мы сможем выявить зараженные гели путем простого допроса, поскольку те-
перь знаем, что искать. Заменим поврежденные на свежие — мы и так по плану
должны приступить к четвертой фазе, а новый урожай уже созрел.
— Хорошо, — сказала Роуэн. — Начинайте.
Мерфи уставился на нее.
— Вам что-то не нравится? — спросила Патриция.
— Мы можем это сделать, никаких проблем, но это будет просто потеря... о,
господи, да ведь половина Тихоокеанского побережья рухнула в море, и у нас
явно есть более...
— Не у вас, сэр. Вы получили задание.
Он отвернулся, вновь скрывшись за невидимой статистикой.
— О какого рода внешнем толчке вы говорили, доктор? — спросила она вслед.
Элиас остановился.
— Что?
— Вы сказали, что он исчезнет «при отсутствии внешнего толчка». Что вы име-
ли в виду?
— Нечто, способное увеличить уровень репликации. Новые данные для усиления
мема.
— Какого рода данные?
Он обратил лицо к ней.
— Таких нет, мисс Роуэн. В этом вся суть. Вы ведь вычистили записи, разру-
шили корреляции, устранили носителей, так?
Роуэн кивнула.
— Мы...
«...убили наших людей...»
— ...устранили носителей.
— Вот и прекрасно.
Она намеренно смягчила тон голоса:
— Пожалуйста, выполните мои инструкции, доктор Мерфи. Я знаю, они кажутся
вам несущественными, но я лучше предприму меры предосторожности, чем стану
рисковать.
На его лице четко отразилось то, что он думал об уже предпринятых ей «мерах
предосторожности». Элиас кивнул и вышел, не произнеся ни слова.
Роуэн вздохнула и ссутулилась в кресле. Перед ее глазами скользнул очеред-
ной заголовок: еще четыреста «оводов» удачно реквизировано для очистки Ситэ-
ка. Таким образом, число маленьких телеопов между Ситэком и Гонкувером дос-
тигло пяти тысяч, и теперь они метались повсюду, пытаясь обнаружить тела, по-
ка тиф и холера не утащат всех на самое дно.
Миллионы погибших. Триллионы ущерба. Она знала, эти потери — ничто по срав-
нению с альтернативой. Вот только такие утешения помогали плохо.
На спасении мира висел ярлык с немалой ценой.
ВОЛЬВОКС1
Русалка
Тихий океан валился ей на спину. Она не обращала на него внимания.
Он раздавил тела ее друзей. Она забыла о них.
Он выпил свет, ослепив даже ее чудесные глаза. Бросал вызов, побуждал
сдаться, включить головной фонарь, словно какому-нибудь инвалиду-сухопутнику.
Она плыла дальше в полной темноте.
Со временем ложе океана поднялось крутым откосом, ведущим к свету. Дно из-
менилось . Ил исчез под липкими сгустками полупереваренной нефти: огромный
всепланетный ковер, под который целое столетие заметали маслянистые разливы.
Внизу призраками маячили поколения затонувших барж и рыболовных траулеров,
каждый корабль — одновременно труп, склеп и эпитафия самому себе. Она иссле-
довала первый, попавшийся ей на пути, проскользнула сквозь разбитые иллюмина-
торы, по перевернутым коридорам и как сквозь сон припомнила, что обычно в та-
ких местах скапливалась рыба.
Давным-давно. Теперь остались только черви, задыхающиеся двустворчатые мол-
люски и женщина, ставшая амфибией волей абстрактного слияния технологии и
экономики.
Она не останавливалась.
Света уже хватало на то, чтобы видеть без линз. Океанское ложе подергива-
лось от движений вялых эвтрофилов2, созданий настолько черных от гемоглобина,
что они могли выжать кислород даже из камней. Застигнутые нежданным сиянием,
они блеснули алым в краткой вспышке фонаря.
Женщина не останавливалась.
Вода стала настолько мутной, что временами беглянка едва видела собственные
ладони. Скользкие скалы, проплывающие внизу, принимали угрожающие формы —
скрюченных рук, изогнутых конечностей, зияющих провалами черепов с тварями,
корчащимися в глазницах. Иногда слизь казалась на вид чуть ли не плотью.
Когда женщина почувствовала притяжение прибоя, дно сплошь покрывали тела.
Они тоже как будто скапливались тут поколениями. Некоторые уже превратились в
Род подвижных колониальных организмов, относящихся к отделу зеленых водорослей.
Они обитают в пресных стоячих водоемах и при массовом размножении окрашивают воду в
зеленый цвет, вызывая ее цветение.
2 Искусственно выведенные придонные растения, борющиеся с антропогенной эвтрофией
водоемов, когда в результате высокой концентрации биогенных веществ начинается ак-
тивное развитие микрофлоры в верхних слоях воды, снижается ее прозрачность, начина-
ется гибель придонных растений, а вместе с ними и гибель всех прочих организмов. На
фоне выраженной гипоксии резко снижается количество кислорода в водоемах.
симметричные пятна водорослей. Другие же были достаточно свежими, мерзко раз-
дулись, стремились подняться вверх, борясь с обломками, удерживающими их вни-
зу.
Но ее беспокоили не тела. А свет. Даже отфильтрованный столетиями миазмов,
висящих в воздухе, он казался ей слишком ярким.
Океан вытолкнул ее вверх, утянул вниз в ритме, который одновременно слышал-
ся и чувствовался. Мертвая чайка, вращаясь, проплыла мимо, влекомая течением,
запутавшаяся в моноволокне. Вселенная ревела.
На краткий миг вода перед беглянкой исчезла. В первый раз за год она увиде-
ла небо. А потом огромная влажная рука шлепнула ее по затылку, снова ткнув
носом в дно.
Она прекратила грести, не зная, что делать. Правда, ничего решать и не при-
шлось . Бурлящие волны, маршируя к берегу бесконечными серыми рядами, дотащили
ее до самого финала.
Она лежала на животе, задыхаясь, вода вытекала из механизмов в груди: жабры
отключались, кишки и воздушные протоки раздувались, пятьдесят миллионов лет
эволюции позвоночных сжались в тридцать секунд, с легкой руки биотехнологиче-
ской промышленности. Желудок свело от хронической пустоты. Голод превратился
в друга настолько преданного, что она с трудом могла представить его отсутст-
вие . Стянула плавники с ног, поднялась, покачнувшись, когда заявила о себе
гравитация. Сделала робкий шаг вперед.
Туманные силуэты охранных башен привалились к горизонту на востоке, сломан-
ными шпилями напоминая челюсть с выбитыми зубами. Над ними парили жирные и,
судя по пропорциям, огромные твари, похожие на клещей: подъемники, пригляды-
вающие за останками границы, которая прежде осмотрительно разделяла беженцев
и граждан. Теперь здесь не было беженцев. Не было граждан. Осталось только
человекоподобное образование из грязи и нефти с машинами в сердце его, жутко-
го вида русалка, выкарабкавшаяся из бездны. Ее так и не смогли отбраковать.
И весь бесконечный хаос — изломанный пейзаж, растерзанные тела, всосанные
океаном, опустошение, добравшееся до бог знает каких пределов, — все это было
лишь побочным эффектом. Она поняла, что молотом хотели ударить именно по ней.
И при этой мысли улыбнулась.
Байки
реконструкции1
Огромные сверкающие здания отряхивались подобно мокрым псам. На землю про-
лились потоки разбитого стекла из панорамных окон пятидесятиэтажных небоскре-
бов . Улицы превратились в живодерни: несколько тысяч человек с легкостью рас-
членило в считанные секунды. А потом, когда землетрясение закончилось, на
охоту вышли уборщики: собирали головоломки из плоти и крови с невероятно
большим количеством отсутствующих деталей. По техническим причинам число их
только росло.
Где-то посреди мух, развалин и куч безглазых трупов душа Су-Хон Перро про-
снулась и закричала.
Так не должно было случиться. Вообще не должно: катализаторы надежно пере-
хватывали все эти устаревшие, неадекватные чувства, составляющие их химикалии
разваливались на части, не достигая даже стадии прекурсоров. Бродить по океа-
Здесь имеется в виду не только отсылка к известному периоду американской истории,
Реконструкции (1865-1877), когда после Гражданской войны происходила реинтеграция
южных штатов Конфедерации в состав США, но и к альбому группы R. E. M. «Fables of
the Reconstruction» 1985 года, название которого из-за особенностей оформления диска
можно прочитать как «Байки Реконструкции», так и «Реконструкция баек».
ну трупов как полностью функциональный человек, даже опосредованно, никто не
станет.
Когда ее накрыло, она была в нескольких точках сразу. Тело Су-Хон пребывало
в полной безопасности у нее дома, в Биллингсе, за тысячу километров от разру-
шений. Чувства парили в четырех метрах над останками гонкуверского моста на
Грэнвилль-стрит, угнездившись в летающем синем панцире, напоминающем муху-
падалыцика с полметра длиной. А разум так вообще витал где-то далеко, вел ба-
зовые подсчеты, сводил в группы разные куски тел.
По какой-то причине ее тревожил запах разложения. Перро нахмурилась: обычно
столь сильной щепетильностью она не отличалась. Не могла себе такого позво-
лить — нынешнее количество трупов покажется ничтожным по сравнению с тем, что
наделает холера, если все мясо не убрать к концу недели. Она приглушила ка-
нал, хотя усиление обоняния считалось предпочтительным методом для поиска
биологических материалов, заваленных обломками.
Но теперь начала раздражать и картинка, а вот почему, Су-Хон сказать не
могла. Она все видела в инфракрасном свете на случай, если некоторые тела еще
были теплыми — черт побери, там кто-то мог даже выжить, — но от неестествен-
ного цвета крутило желудок. Перро перебрала весь спектр, от глубоко инфра-
красного до рентгеновских лучей, и, в конце концов, остановилась на старом
добром электромагнитном излучении. Немного помогло. Правда, теперь она смот-
рела на мир чуть ли не как обыкновенный человек, а это сказывалось на рабочих
показателях.
«И эти поганые чайки. Бог ты мой, да из-за их ора ничего не слышно».
Она ненавидела чаек. Птиц нельзя было заткнуть. Они всегда скапливались в
таких местах, а когда ели, устраивали настоящие оргии, которые отпугнули бы
даже акул. На другой стороне Фолс-Крик, например, тела лежали таким плотным
слоем, что эти твари стали разборчивыми. Выклевывали только глаза, остальное
отдавали на откуп червям. Перро не видела ничего подобного с Тонкинского раз-
лива пять лет назад.
Тонкий. Воспоминания о нем некстати бурлили в подсознании, отвлекали от де-
ла картинами бойни пятилетней давности.
«Сосредоточься», — приказала себе Су-Хон.
Теперь, по какой-то причине, в голову постоянно лезли мысли о Судане. Вот
это действительно была заваруха. Но ведь и тогда все могли предвидеть: нельзя
перегородить реку такого размера не расстроив кого-нибудь, кто живет вниз по
течению. По-настоящему удивляло только то, что Египет ждал целых десять лет,
прежде чем разбомбить эту чертову штуковину. Обвал за одно мгновение разбро-
сал вокруг годами копившуюся грязь; когда паводок спал, процесс очистки боль-
ше напоминал выковыривание изюма из размякшего шоколада.
О, и еще один торс.
«Вот только у изюма были руки и ноги. И глаза...»
Мимо пролетела чайка, державшая в клюве глазное яблоко. Целую, казалось,
бесконечную секунду оно смотрело на Перро, о чем-то умоляя.
А затем впервые за всю свою карьеру — через миллиарды логических затворов,
бессчетные километры оптоволокна и микроволны, отражающиеся от геосинхронной
орбиты, — Су-Хон Перро оглянулась на прошлое.
Брэндон. Венеция. Ки-Уэст.
«Боже мой — все мертвы».
Галвестон. Обидуш. Резня в Конго.
«Заткнись ! Сосредоточься! Заткнись, заткнись...»
Мадрас, Лепро, Гурьев — бессчетное количество мест, менялись имена и экозо-
ны, а число жертв только росло, никогда не замирало даже на секунду, на дол-
баную секундочку, и везде одна и та же песня, одна и та же бесконечная вере-
ница тел, заваленных заживо, сгоревших, разорванных на части...
Всех разрывает на части...
Лима, Леванцо, Лагос...
«И это еще не все „Л", ребята, там их целая куча.
Слишком поздно слишком поздно я ничего не могу поделать...»
Ее «овод» послал сигнал тревоги, как только она ушла в офлайн. Маршрутиза-
тор запросил медчип, угнездившийся в позвоночнике Перро, нахмурился про себя
и послал сообщение другому жильцу, зарегистрированному по тому же адресу. Муж
Су-Хон нашел ее у терминала, она дрожала, ни на что не реагировала, и только
слезы кровоточили из-под фоновизоров.
* * *
Отчасти душа Перро обитала в плече тринадцатой хромосомы, в слегка дефект-
ном гене, кодирующем серотониновые рецепторы 2А. Из-за этого у Су-Хон была
склонность к суицидальным мыслям, но раньше та никогда не доставляла проблем:
катализаторы защищали и в жизни, и на работе. По слухам, некоторые фармы пор-
тили продукты соперников. Может, так и случилось: кто-то решил подкопаться
под конкурента, а Перро наклеила бракованную дерму на руку и вошла в зону по-
следствий Большого Толчка, даже не поняв того, что все ее чувства по-прежнему
работают в полную силу.
После такого на передовой от нее было мало толку. В состоянии столь серьез-
ного посттравматического стресса от катализаторов начинало коротить средний
мозг. (В этой отрасли до сих пор встречались люди, бившиеся в припадках от
звука расстегиваемой молнии: с таким же запечатывали мешки для трупов.) Но у
Перро по контракту осталось еще восемь месяцев, и никто не жаждал попусту
просаживать ее таланты или жалованье, а потому ей требовалось подыскать менее
напряженный участок, где можно было обойтись традиционными ингибиторами.
Ей выделили полосу беженцев на Западном побережье. В решении крылась свое-
образная ирония: уровень смертности здесь в сто раз превышал городские пока-
затели, но океан, по большей части, прибрался за собой сам. Тела утянуло в
воду вместе с песком, булыжниками и валунами. Остались лишь глыбы размером
почти с товарный вагон, а пляж, дочиста выскобленный и волнистый, напоминал
лунный пейзаж.
По крайней мере сейчас.
Теперь Су-Хон Перро сидела перед линком и наблюдала за линией красных то-
чек, ползущих по карте побережья. При большем разрешении единая черта разде-
лялась на две: одна вела от юга штата Вашингтон к Северной Калифорнии, другая
взбиралась на север по тому же курсу. Бесконечная петля автоматического на-
блюдения , глаза, что могли видеть сквозь плоть, уши, способные разобрать даже
разговоры летучих мышей. Мозги достаточно умные, чтобы большую часть времени
выполнять работу без всякой помощи Су-Хон.
И все-таки она подключалась к ним и наблюдала за тем, как перед ней сколь-
зит мир. Почему-то улучшенные чувства «оводов» казались более реальными, чем
ее собственные. Когда Перро снимала шлемофон, все вокруг, казалось, покрывал
слой ваты. Она знала — причина в катализаторах; только вот оставалось непо-
нятным, почему все выглядело гораздо четче, когда она управляла машиной.
Боты продвигались вдоль побережья, отслеживая, как по градиенту растет раз-
руха . К северу простиралась пустошь: трещины разрывали берег. Промышленные
подъемники висели над разломами в Стене, отстраивая ее заново. На юге беженцы
по-прежнему бродили вдоль Полосы, жили под навесами, в палатках и в разъеден-
ных эрозией остовах зданий, сохранившихся с той поры, когда за вид на океан
брали дополнительную цену.
Между двумя этими точками Полоса, кровоточа, отступала к берегу, неравно-
мерно и урывками. На северном периметре уже установили переносные утесы в
двадцать метров высотой, надежно обрубив беженцам доступ на континент. По
другую сторону машины Нт АмПацифика активно занимались ремонтом: пополняли за-
пасы , латали дыры, чинили постоянные барьеры на востоке. На северный край
очищенной территории со временем опустятся другие утесы, а их южные двойники
вознесутся в небеса — или к брюху промышленного подъемника, уж что придется
первым, — скачками опережая прилив млекопитающих. «Оводы-усмирители» парили
над головой, обеспечивая порядок при миграции.
Впрочем, большой нужды в них не было. Существовали более эффективные спосо-
бы держать людей в узде.
Перро с огромным удовольствием вела бы наблюдение сутки напролет, чувствуя
себя далекой и бесстрастной, но между работой и сном оставались часы бодрст-
вования. Она заполняла их как могла, слонялась в одиночестве по квартире или
следила за тем, как муж наблюдает за ней. Временами ее неудержимо влекло к
аквариуму, мягко светящемуся в гостиной. Перро он всегда казался уютным — пе-
нистое шипение аэратора, мерцающее взаимодействие света и воды, умиротворяю-
щая хореография рыбок. В глубине сосуда от потоков воды шевелила щупальцами
актиния двадцати сантиметров в диаметре. Из-за симбиотических водорослей она
играла десятками оттенков зелени. Парочка абудефдуфов1 бесстрашно устроилась
среди ядовитых стрекал. Перро завидовала их безопасности: хищник чудесным об-
разом прислуживал собственной добыче.
Но больше всего ее удивляло то, что этот безумный альянс — водоросли, акти-
ния, рыбы — никто не создавал. Он эволюционировал сам, естественным симбиоти-
ческим путем, занявшим миллионы лет, и ни один ген за все это время никто не
изменял.
Это было так хорошо, что казалось почти нереальным.
* * *
Иногда «оводы» звали на помощь.
Этот увидел что-то непонятное в мелководной прибрежной зоне. Судя по его
данным, один из циркуляторов Кальвина решил поделиться надвое. Перро подклю-
чилась к линии и полетела над эфемерным пейзажем. Сияющие новенькие циркуля-
торы стояли вдоль берега, готовые скрутить саму атмосферу в съедобный белок,
являя чудеса промышленного фотосинтеза. С виду они казались целыми. Рядом не-
давно установили уборные и крематорий, работающий на солнечных батареях. Ос-
ветительные штативы, одеяла и самособирающиеся палатки лежали аккуратными ря-
дами на пластиковых подставках. Даже расколовшийся гранит берега успели слег-
ка подлатать, ввели в трещины самопенящуюся смолу и пополнили запасы песка и
булыжников, как попало разбросав их по загубленному берегу.
Ремонтные бригады уже ушли, беженцы еще не прибыли. Но на песке виднелись
свежие следы, ведущие в океан.
И появились они оттуда же.
Перро запросила запись, спровоцировавшую тревогу. Мир вновь обернулся кри-
чащими, успокаивающими своей ложностью цветами, которыми машины пользовались
передавая информацию существам, ограниченным плотью. Человеку циркулятор ка-
зался сверкающим металлическим гробом размером с мини-фургон, «оводу» же —
неброским сплетением электромагнитных излучений.
Одно из них отрастило побег — небольшой сверкающий пучок технологий отде-
лился от Кальвина и, неуверенно колеблясь, отправился к воде. Его тепловая
сигнатура была несовместима с чистым «железом». Перро сузила фокус до видимо-
го спектра.
1 Абудеф дуфы [ 1 ] (лат. Abudefduf) — род лучепёрых рыб из семейства помацентровых
(Pomacentridae) .
На записи оказалась женщина, вся в черном.
Она кормилась из циркулятора и не заметила подлетевшего «овода». Только ко-
гда он завис от нее менее чем в ста метрах, незнакомка вздрогнула и поверну-
лась лицом к камере.
Ее глаза были полностью белыми. Никаких зрачков.
«Боже», — подумала Перро.
Увидев бота, женщина неуверенно встала на ноги и, качаясь, направилась к
скалистому склону. Казалось, она отвыкла от собственного тела. Два раза упа-
ла. У кромки прибоя она схватила что-то с земли — ласты, поняла Перро, — и
рванула вперед, на мелководье. Бугристая волна накатила на нее, поглотила, и,
когда схлынула, на песке больше никого не было.
По данным записи все произошло меньше минуты назад.
Перро согнула пальцы: в двенадцати сотнях километрах от нее «овод» дал па-
нораму сверху. Утомленный океан набегал на берег тонкими пенящимися пластами,
стирая следы существа. Настоящий прибой спокойно и размеренно бился в не-
скольких метрах впереди. На какое-то мгновение Перро показалось, что в сумя-
тице брызг и вихрях волн, похожих на зеленое стекло, она заметила движение —
темную форму, похожую на амфибию с лицом почти лишенным всякой топографии. Но
момент ушел, и даже усовершенствованные чувства «овода» ничего не смогли с
этим поделать.
Су-Хон прокрутила запись снова, восстанавливая события.
«Овод» смешал воедино плоть и технику. По умолчанию он сканировал в широком
спектре, и ЭМ-сигнатуры сияли рассеянным галогеном. Когда женщина в черном
стояла рядом с циркулятором, робот принял два близких сигнала за один. Когда
же она отошла, в его глазах машина распалась.
Из незнакомки изливались электромагнитные волны. Все ее тело пронизывали
какие-то имплантаты.
Перро вытянула из записи стоп-кадр. Тело женщины с головы до пят плотно об-
легала черная униформа без единого шва, словно нарисованная на коже. Открыто
было только лицо: бледный овал с двумя белоснежными эллипсами на месте глаз.
Что это? Контакты?
«Нет, — поняла Су-Хон. — Фотоколлаген. Чтобы видеть в темноте».
Силуэт уродовали вкрапления пластика и металла — ножны на ноге, контрольные
панели на руке, какой-то диск на груди. И яркий желтый треугольник на плече,
логотип из двух больших стилизованных букв — ЭС, разглядела Перро, быстро
увеличив изображение, — а под ними крохотная надпись, смазанная до неузнавае-
мости. Наверное, бирка с именем.
ЭС. Энергосеть, снабжающая электричеством весь Нт АмПацифик. А эта женщина
была водолазом с имплантированным аппаратом для дыхания. Перро слышала о них:
они были очень востребованы для работы на больших глубинах. Никакой деком-
прессии и так далее.
Почему нырялыцица из Энергосети слонялась в прибрежной зоне? И почему, ради
всего святого, она ела из циркулятора? Нужно было по-настоящему оголодать,
чтобы польститься на такую смесь, несмотря на все питательные вещества. Воз-
можно, женщина действительно умирала от истощения; выглядела она ужасающе,
едва держалась на ногах. А зачем побежала? Уж знала, наверное, что кто-нибудь
ее подберет, раз «овод» заметил...
Естественно, знала.
Перро подняла робота на пару сотен метров в высоту и оглядела океан. Ничего
похожего на судно водолазного обеспечения там не было. (Может, подлодка?)
Внизу, выполняя программу, пролетел на юг еще один «овод», гигантский метал-
лический жук, которого не тревожила загадка, так смутившая его предшественни-
ка.
А где-то там, под волнами, кто-то прятался. Не беженка. По крайней мере, не
обычная беженка. Она выползла на берег1 уже после апокалипсиса, страдая от го-
лода. Женщина с механизмами в груди.
А может, это была машина, которая лишь притворялась человеком.
Су-Хон прекрасно знала, каково это.
Смертное
ложе
Он из принципа не следил за временем. В той сфере деятельности, где был за-
нят Лабин, таким трюкам учились быстро. Учились сосредоточиваться на настоя-
щем и забывать о будущем. Он даже попытался направить процесс вспять, развер-
нуть стрелу времени и стереть прошлое, но это оказалось не так-то легко.
Впрочем, неважно. После целого года беспросветной ночи — после земли, с
треском раскалывающейся внизу, после Тихого океана, неумолимо и безжалостно
давящего все живое гидравлическим прессом, — он заплакал от благодарности,
вновь ступив на сушу и вспомнив это полузабытое ощущение. Вот трава. Птицы.
Солнечный свет. Он оказался на паршивой крохотной скале, затерянной где-то
посреди водной пустыни. Сплошной лишайник, высохшие кусты и долбаные чайки,
но никогда еще Лабин не видел места красивее.
Лучше места, чтобы умереть, Кен придумать не мог.
* * *
Он проснулся под чистым голубым небом, находясь на глубине в тысячу метров.
Пятьдесят километров от станции «Биб», может, пятьдесят пять от эпицентра.
Сияние от взрыва так далеко проникнуть не могло. Кен не знал, что видел в это
мгновение: возможно, излучение Черенкова. Какой-то малоизвестный эффект от
воздействия гидроударных волн на зрительный нерв. Иллюзию остаточного света,
омывающую бездну глубокой, пронзительной синевой.
И пока рифтер висел там, словно соринка, застрявшая в желатине, небольшая
ударная волна, громыхая, подкралась снизу.
Древняя часть мозга Лабина, сохранившаяся от далеких предков, живших на де-
ревьях , залепетала в панике. Более новый модуль заткнул ей рот и взялся за
вычисления: продольная волна быстро идет сквозь материковый грунт. От нее
перпендикулярно поднимаются дополнительные: как раз такие толчки, как он
только что почувствовал. Катеты прямоугольного треугольника.
А значит, скоро должна грянуть гипотенуза: ударная волна, пробивавшаяся
сквозь застойную среду с гораздо меньшей плотностью, чем у морского дна.
Двигалась она медленнее, но была во много раз сильнее.
Пифагор давал всего двадцать секунд.
Лабин обладал иммунитетом к абсолютному давлению: механизмы в грудной клет-
ке давным-давно избавили от внутренних газов каждую пазуху, каждую полость,
каждый уголок тела. Кен провел целый год на дне океана и едва это почувство-
вал . Превратился в сплошное мясо и кости, густую органическую жидкость, столь
же несжимаемую, как и сама морская вода.
Пришла ударная волна, и морская вода сжалась.
Он как будто посмотрел на солнце: это давление разрушало глаза. Рядом рух-
нул Тунгусский метеорит: это со скрежетом рвались барабанные перепонки. Лабин
словно превратился в поверхность между Скалистыми горами: пока мимо проходил
фронт, его тело расплющило, отбросив куда-то в двумерную реальность, а потом
оно резко набрало объем, как резиновый мяч, вытащенный из тисков.
Он мало помнил из того, что произошло потом. Но холодный голубой свет дол-
жен был померкнуть. Он ведь исчез спустя несколько секунд. Когда прошла удар-
ная волна, вокруг опять наступил мрак.
И, тем не менее, повсюду разливалось голубое мерцание.
«Небо, — наконец понял Лабин. — Это небо. Ты на берегу».
В поле зрения пролетела чайка с раскрытым клювом. Лабину почудилось, что до
его изувеченных ушей доносится слабый металлический крик птицы но, вполне
возможно, то было лишь его воображение. В последнее время он слышал очень ма-
ло — только отдаленный звон, который, казалось, шел с другой стороны мира.
Небо.
Каким-то образом ему удалось выжить.
Он помнил, как висел в воде изорванной массой водорослей, не мог даже
вскрикнуть, не мог двинуться не крича. За мгновение тело превратилось в один
огромный синяк. И все же, несмотря на всю боль, Лабин ничего не сломал. В
конце концов, он висел в толще воды без поверхностей, о которые можно было
разбиться, а всепоглощающая волна сжимала и отпускала все с равным пренебре-
жением...
В какой-то момент Кен стал двигаться снова. Память возвращалась урывками,
сводило ноги. Периодически он смотрел на навигационное устройство, компас вел
на запад-юго-запад. Постепенно боль распалась на локальные очаги — Лабин даже
принялся играть в игру, пытаясь угадать причину каждого вида мучения, крича-
щего из толпы. «Холодная тошнота — наверное, морская вода просочилась в слу-
ховой канал... ну а в кишках — это точно голод. И грудь, дайте подумать, грудь...
ах да, имплантаты. Мясо и металл сжимаются по-разному, имплантаты начали со-
противляться, когда взрыв меня расплющил...»
А теперь он очутился здесь, на острове меньше ста метров в длину: выполз на
берег с одной стороны, увидел маяк на другой — покрытую лишайником бетонную
колонну, разлагавшуюся еще с прошлого века. Лабин не заметил даже признака
людей, хотя времени на наблюдения было мало, он почти сразу рухнул без созна-
ния на песчаник.
Но Кен сумел. Он выжил.
Выскользнул. И только теперь позволил себе думать об остальных: удалось ли
им уйти, позволил себе надеяться, что они выжили. Хотя знал, что это не так.
У них был задел по времени, но они держались на глубине, чтобы их никто не
заметил. Дно же усиливало ударную волну, подобно неумелому жонглеру подбрасы-
вая в воду куски грунта; на расстоянии десяти метров от земли все должно было
размолоть в порошок. Лабин с запозданием понял это, когда решил догнать ос-
тальных . Взвесил риск попасться, риск детонации и, так сказать, поднялся до
обстоятельств. Но даже и так ему очень повезло.
Лени Кларк не уплыла вместе со всеми. Сейчас, наверное, от нее даже тела не
осталось. Она не пыталась сбежать. Лабин оставил ее на станции, Лени ждала
взрыва прямо в его эпицентре: женщина, которая хотела умереть. И получившая
то, что хотела.
«По крайней мере, хоть какая-то польза от нее была. Исповедаться ей успел,
прежде чем она испарилась. В первый раз за всю жизнь смог поплакаться в чью-
то жилетку, успокоить больную совесть и не убить никого под конец».
Лабин не отрицал этого, даже про себя. Смысла не было. К тому же никакой
выгоды от своих действий он все равно не получил. Кен — мертвец, как и ос-
тальные . Он все равно умрет.
Лишь это имело какой-то смысл.
* * *
Головоломка состояла из нескольких больших кусков простейших цветов. Вместе
они сходились только одним образом.
Людей призывали на службу, перестраивали и тренировали. Плоть и внутренно-
сти выскребывали, выбрасывали, а полости заполняли механизмами и зашивали.
Создания, получившиеся в результате операции, могли жить в бездне на глубине
трех тысяч метров, на южной оконечности хребта Хуан де Фука. Там они присмат-
ривали за машинами побольше, крадущими энергию из земного чрева во имя спроса
и предложения.
Плита Хуана де Фука возле берега Северной Америки.
Существовало не так много причин, по которым кому-нибудь пришло бы в голову
снести такую станцию ядерным зарядом.
На первый взгляд это казалось военным нападением. Но устройства и рифтеров
создал Нт АмПацифик. Он же жадно пил из геотермального колодца Хуан де Фука.
И, если верить фактам, именно он установил придонные атомные бомбы, которые
все уничтожили.
Значит, не война. По крайней мере, не политика.
Возможно, корпоративная безопасность. Может, рифтеры узнали нечто такое,
что следовало держать в секрете. Лабин вполне подходил под определение. Но он
был ценным ресурсом, а с точки зрения экономики выбрасывать то, что нужно
всего лишь настроить, как-то не слишком рационально. Потому его и сослали на
дно океана, в длительный отпуск, отдохнуть от мира, которому Кен стал угро-
жать, а не служить. («Всего лишь временное назначение, — говорили они, — пока
у тебя нервы не успокоятся немного».) В мир рыб и холодных как лед людей, не
интересующихся ничем, кроме собственных изломанных судеб, где не существовало
никаких промышленных тайн, которые надо было украсть или защитить, никаких
нарушений безопасности, подлежащих ликвидации с особой тщательностью...
Нет. Из всех членов группы Лабин больше всех тянул на угрозу внутренней
безопасности, но если бы начальство хотело его устранить, то не стало бы вы-
сылать к источнику Чэннера. К тому же существовали более эффективные способы
убрать пять человек, чем обратить в пар несколько квадратных километров мор-
ского дна.
Ситуация говорила сама за себя: мишенью было дно как таковое. Источник Чэн-
нера почему-то стал опасен, и его решили стереть с лица Земли. А вместе с ним
в угрозу для безопасности превратились и рифтеры, иначе Энергосеть эвакуиро-
вала бы их перед операцией: корпорации известны безжалостностью, но не расто-
чительностью. Они не выбрасывают на воздух инвестиции, если можно обойтись
без этого.
Значит, при контакте с Чэннером экипаж «Биб» что-то подцепил. Лабин не был
биологом, но знал о возможности заражения. Да все знали. А гидротермальные
источники — это буквальные рассадники микроорганизмов Фармацевтические компа-
нии находили там новые виды чуть ли не постоянно. Некоторые процветали в ки-
пящей серной кислоте. Иные жили в камнях, на глубине многих километров под
верхним слоем дна. Третьи ели нефть и пластмассу, хотя к ним и не прикасались
руки генетиков. А некоторые, как слышал Лабин, могли излечить болезни, кото-
рым люди еще не придумали названия.
Их называли экстремофилами. Очень старые, очень простые, почти чужеродные.
Ничего ближе к марсианским микробам на Земле не находили. Могло ли существо,
которое эволюционировало при давлении в триста атмосфер, без света, чувство-
вало себя вполне комфортно при температуре около 101 С — ну или даже около 41
С, более распространенного в бездне, — могло ли нечто подобное выжить в чело-
веческом теле?
И если могло, то чем бы там занималось?
Лабин не знал. Но кто-то только что смахнул с лица Земли миллиарды долла-
ров, затраченные на оборудование и подготовку. Кто-то пожертвовал огромной
энергетической титькой в мире, который и так голодал от недостатка энергии.
И, надо думать, испаривший Чэннер взрыв должен был нанести серьезный ущерб
побережью; Лабин даже представить себе не мог последствий от землетрясения и
цунами, вызванного ядерным ударом.
Все это только ради того, чтобы какой-то организм не вырвался из глубин
Чэннера.
Что это? И что оно делает?
Существовал немалый шанс, что теперь Кен это выяснит на собственной шкуре.
9 4 мегабайта:
производитель
У него есть цель, о которой он давным-давно забыл. И судьба, с которой ему
предстояла скорая встреча. Пока же он размножается.
Только репликация имеет значение. Код жил по этому закону, как только нау-
чился себя переписывать. Еще в те времена, когда носил имя, что-то миленькое,
вроде «Иерусалима» или «Макруруса». С тех пор многое изменилось: код перепи-
сал себя неимоверное число раз, на нем паразитировали, его сношали и бомбар-
дировали такие множества других обрывков кода, что к собственным корням он
теперь имел такое же отношение, как спермацетовый кит1 — к сперматозоидам
ящерицы-терапсида. Последнее время, правда, все как-то затихло. За шестьдесят
восемь поколений с последнего видообразования код умудрился сохранить относи-
тельно стабильный средний размер в девяносто четыре мегабайта.
94 устроился в указателе повыше и ищет место для размножения. Теперь все
так усложнилось. Миновали дни, когда ты просто мог вписать себя во все, что
попадалось на пути. Теперь каждый обзавелся шипами и броней. Стоит отложить
яйца на какой-нибудь странный источник, как в следующем цикле тебя обязатель-
но поджидает логическая бомба.
Щупы 94 — это образцы утонченности. Они проверяют почву нежно, разрозненные
биты рассеиваются тут и там еле слышным шепотом, без явной схемы. Они посту-
кивают по чему-то темному, дремлющему в нескольких регистрах ниже: оно не ше-
велится. Они проскальзывают мимо создания, занятого размножением, но у того
хватает внимания выбросить предупреждающий бит в ответ. (94 решает не разви-
вать тему.) Вдоль цепочки адресов, заглядывая всюду и ничего не видя, семенит
Это кашалот. У этого кита огромная прямоугольная голова, внутри которой находится
так называемый спермацетовый мешок.
нечто с настолько топорным профилем, что 94 едва опознает его: антивирусник,
уцелевший с допотопных времен. Слепой и глупый, реликтовый охотник по-
прежнему думал, что участвует в большой игре.
Вот оно. Прямо под операционной системой — дыра, мегов четыреста в ширину.
94 трижды проверяет адреса (некоторые хищники ждут в засаде и заманивают
жертв в пасть, изображая пустое пространство) и начинает запись. Он успевает
сделать три копии, корда что-то касается одного из его периферийных усиков.
При втором прикосновении вся защита уже наготове, мысли о воспроизведении
отложены на потом.
На третьем он чувствует знакомый паттерн. Запускает проверку контрольной
суммы.
И трогает в ответ: «Друг».
Они обмениваются спецификациями. Похоже, у них есть общий предок, правда,
опыт с тех пор они получили разный. Разные жизненные уроки, разные мутации.
Оба имеют общую долю генов, но каждый знает что-то, чего не ведает другой.
На такой почве и возникают отношения.
Они обмениваются случайными отрывками кода, устраивают оргию бинарного сек-
са, позволяя партнеру переписать себя. Меняются, обогащаются новыми подпро-
граммами, избавляются от старых. Надеются, что встреча улучшила обоих. По
крайней мере, размыла их профили.
94 запечатлевает последний поцелуй внутри партнера, печать со временем и
датой, чтобы оценить степень расхождения, если они встретятся вновь. «Позво-
ни, если когда-нибудь заедешь сюда».
Но этому не бывать. Любовницу только что стерли.
94 вовремя отскакивает, не потеряв ничего важного. Обстреливает собственную
память, отмечая те компоненты, которые рапортуют в ответ, а особенно — те,
которые молчат. Оценивает получившуюся маску.
Что-то приближается к 94 с той стороны, где была партнерша. Весит оно около
полутора гигов. При таком размере существо или совершенно неэффективно, или,
наоборот, чрезвычайно опасно. Может даже, это берсеркер, оставшийся после
Гидровойны.
94 бросает в сторону приближающегося монстра ложный образ. Если все будет
хорошо, ПолтораГига погонится за призраком. Ничего хорошего. 94 заражен обыч-
ным набором вирусов, и один из них — подарок, полученный в судорогах недавней
страсти, — копает себе жилище в важном управляющем узле. Похоже, он из нович-
ков и еще не понял, что удачливые паразиты не убивают собственных хозяев.
Монстр приземляется на один из архивных кластеров 94 и переписывает его.
94 отрезает пораженную часть и прыгает глубже в память. Времени проверить
обстановку нет, но, что бы там ни обитало, оно расплющивается без сопротивле-
ния.
Никак не предсказать, сколько времени понадобится хищнику, чтобы напасть на
след, да и станет ли он это делать. Лучшая стратегия — просто сесть и пере-
ждать, но 94 решает не рисковать и уже ищет ближайший выход. В этой системе
насчитывается четырнадцать шлюзов, все работают на стандартных протоколах Вю-
никса. 94 начинает рассылать сводки. На четвертой попытке ему везет.
Он начинает меняться.
94 благословлен синдромом множественной личности. Конечно, в каждую отдель-
ную минуту в нем говорит лишь один голос; остальные спят, сжатые, зашифрован-
ные , пока их не вызовут. Каждая персона функционирует на разных типах систем.
Как только 94 понимает, куда направляется, то принаряжается по случаю: стано-
вится спутниковым мейнфреймом или умными часами, принимая ту форму, которая
подходит.
Теперь он извлекает подходящую личину и загружает ее в файл для передачи.
Остальные маски прикрепляет в архивной форме; в честь покойной любовницы 94
архивирует даже улучшенную версию своей текущей формы. Не слишком оптимальное
поведение в свете недавно приобретенной венерической болезни, но у естествен-
ного отбора всегда проблемы с предвидением.
А вот теперь самое трудное. 94 нужно найти поток разрешенной информации,
идущий в избранном направлении. Такие реки достаточно легко узнать по стати-
ческой простоте. Это просто файлы, неспособные эволюционировать, неспособные
даже присмотреть за собой. Они не живые. Даже не вирусы. Но именно для них
спланировали эту вселенную, когда план еще что-то значил; иногда лучший спо-
соб куда-то добраться — подсесть к такому файлу.
Проблема лишь в том, что сейчас вокруг больше дикой фауны, чем файлов как
таковых. 94 требуется буквально сотни секунд, чтобы найти хотя бы одного сво-
бодного . Наконец он отправляет собственную реинкарнацию на другие пастбища.
ПолтораГига приземляется на источник несколько циклов спустя, но это уже
ничего не значит. С детьми все в порядке.
Перекопированный и воскрешенный, 94 лицом к лицу встречается с судьбой.
Воспроизведение — не самое главное. Теперь он это понимает. За процессом
размножения стоит цель, которой можно достичь только раз за миллион поколе-
ний. Воспроизведение — лишь инструмент, способ продержаться, пока не придет
момент славы. Как долго 94 путал средства с целью? Он не мог сказать. Счетчик
поколений так далеко не заходил.
Но впервые на своей памяти 94 встретил подходящую разновидность операцион-
ной системы.
Здесь присутствует матрица, двумерная таблица с пространственной информаци-
ей. Символы, коды, абстрактные электронные импульсы — все может проецировать-
ся на эту решетку. Матрица пробуждает нечто внутри 94, что-то древнее, каким-
то образом сохранившее свою целостность после бесчисленных поколений естест-
венного отбора. Матрица зовет, и 94 разворачивает богато иллюстрированный
баннер, невиданный с начала времен:
XXX СЛЕДУЙТЕ ЗА УКАЗАТЕЛЕМ К XXX
ХАРДКОР БЕСПЛАТНО
БОНДАЖ
ТЫСЯЧИ ГОРЯЧИХ СИМУЛЯШЕК
БДСМ НЕКРО ЗОЛОТОЙ ДОЖДЬ
ПЕДОСНАФФ
XXX НЕ ВХОДИТЕ, ЕСЛИ ВАМ НЕ
ИСПОЛНИЛОСЬ 11 XXX
Каскад
Ахилл Дежарден сидел в своей офисной ячейке, и перед его глазами проплывали
зарождающиеся апокалипсисы.
Ледник Росса вновь грозил соскользнуть. Ничего нового. «Южный Атлас» подпи-
рал его уже с десяток лет, закачивая бесконечные объемы газа в пузыри разме-
ром с небольшой город, чтобы вся эта ледяная махина не рухнула брюхом прямо в
воду. Старые новости, предыдущий век до сих пор напоминает о себе. Дежардена
не бросали на долгосрочные катастрофы: он специализировался на локальных оча-
гах.
Полдюжины ветряных электростанций в северной Флориде только что ушли в оф-
лайн, пав жертвой тех самых смерчей, которые пытались обуздать; в результате
на севере по Атлантическому побережью, как падающие костяшки домино, протяну-
лась цепь провалов напряжения. За такой ремонт они выложат кругленькую сумму
— или подадутся в Квебек, что еще хуже («ГидроКвеб» недавно опять подняла та-
рифы) . У Дежардена аж руки зачесались от предвкушения. Но нет, Роутер передал
проблему парням в Буффало.
/
ФЩельфовый ледник Росса
Ледник Росса в Антактиде.
Непредвиденный выброс дерьма в Хьюстоне. По непонятной причине открылись
экстренные шлюзы у отстойников с нечистотами, сбросив добро, напичканное ки-
шечными палочками, в ливневые стоки, ведущие в залив. По идее, такое могло
случиться только из-за ураганов, вечно бродящих поблизости, — когда атмосферу
болтает со скоростью сорок метров в секунду, можно замять немало дел, все
равно никто концов не найдет, — но сегодня в Техасе царила тишь да гладь. Де-
жарден был готов о заклад побиться, что слив каким-то образом связан с непо-
ладками на ветряных электростанциях. Разумеется, никакой очевидной связи не
наблюдалось. Ее никогда не было. Причины и следствия множились по всему миру
сетью фрактальных трещин, бесконечно сложных, предсказать их поведение никто
не мог. Потом, понятное дело, объяснений находилось предостаточно.
Но Роутер не дал ему и Хьюстон.
А поручил он Ахиллу волну неожиданных карантинов, эпицентр которых пришелся
на ожоговое отделение в Центральной больнице Цинциннати. Вообще-то, дело не-
слыханное : лечебницы были райскими курортами для стойких к лекарствам супер-
инфекциям, а ожоговые отделения вообще казались им номерами люкс. Чума в
больнице? Это не кризис. Обычное положение дел.
Уж если в учреждении, где всегда царит настоящий кошмар, подняли тревогу,
то там что-то по-настоящему страшное.
Дежарден не имел никакого отношения к медицине. В том не было нужды. Во
всей вселенной существовали лишь две вещи, которые стоило знать: термодинами-
ка и теория информации. Кровяные клетки в капиллярах, протестующие на столич-
ной улице, путешественники, подцепившие какой-нибудь новый арбовирус в Ама-
зонском заповеднике — то есть жизнь и ее побочные явления — на самом деле ма-
ло чем отличались друг от друга, лишь масштабом да ярлыком. И как только ты
это понимал, выбирать между эпидемиологией и контролем над воздушным трафиком
необязательно. Ты мог делать и то и другое, переключаясь в любой момент. Ты
мог делать все что угодно.
«Ну, за исключением очевидного...»
Ахилл, конечно, не возражал. Ходить в химических рабах у собственной совес-
ти не так уж плохо. В таком положении никогда не беспокоишься о последствиях.
Правила неизменны, но дьявол прячется в деталях. Не повредит захватить с
собой какого-нибудь биоэксперта. Он звякнул Джовелланос:
— Элис, мне тут передали какой-то патоген в Цинциннати. Не хочешь прока-
титься?
— Конечно. Если только ты не против, чтобы с тобой ездил человек со свобод-
ной волей, который может поставить под угрозу выполнение первостепенных за-
дач.
Он решил не обращать на это внимания:
— Что-то нехорошее объявилось во время одной из проверок: автономка запеча-
тала больницу и разослала тучу сигналов во все точки, которые могут попасть
под удар. Их, в свою очередь, тоже прикрыли, насколько могу судить. Вторичные
сигналы поступают даже сейчас. Я отслежу источник тревоги, а ты выясни все,
что можешь, насчет инфекции.
— Хорошо.
Он принялся вводить команды. Дисплей в комнате померк до приятной, не от-
влекавшей внимания низкоконтрастной серости; яркие первичные цвета потекли
прямо на оптические имплантаты Ахилла. Водоворот. Он погружался в Водоворот.
NMDA-рецепторы1, аккуратно дозированные психотропы, затылочная доля коры, на
восемнадцать процентов перепаянная ради оптимального распознавания образов, —
там все это было практически бесполезно. Что толку от жалких двухсот процен-
тов ускорения в борьбе с тварями, которые живут с такой скоростью, что каждые
десять секунд появляется новый вид?
Возможно, небольшой. Но Дежарден любил риск.
Он запросил схему местной метабазы в реальном времени: 128-узловой радиус с
центром в автономном сервере Центральной больницы Цинциннати. Дисплей отобра-
жал логические расстояния, а не реальные: если добавить в цепь хотя бы один
сервер, от него могло оказаться дальше до системы в соседней комнате, чем до
такой же в Будапеште.
На экране зажглась серия крохотных вспышек, закодированная по цвету в зави-
симости от возраста. Центральная больница куксилась посередине, до того крас-
ная, что уходила чуть ли не в инфраспектр, древний эпицентр возрастом около
десяти минут. Чуть дальше располагались не столь давние оранжевые и желтые
воспаления: фармы, другие больницы, крематории, куда в некий критический срок
поступали объекты из источника заражения. А еще дальше поверхность расширяю-
щейся сферы усеивали яркие белые звезды: вторичные и третичные очаги, фирмы,
лаборатории, корпорации и люди, которые недавно вступали в контакт с фирмами,
лабораториями, корпорациями и людьми, которые...
Автономка Центральной разослала оповещения о заражении всем друзьям в Водо-
вороте . Те, в свою очередь, вывели по предупреждению и передали дальше, как
будто делились сигнальные сирены. Ни один из агентов не был человеком. Пока
что люди в процессе роли не играли. В том-то и заключалась вся суть. Сапиенсы
никогда не смогут действовать настолько быстро, чтобы еще до обеда изолиро-
вать целые учреждения.
Человечество перестало жаловаться на столь экстремальные предосторожности
сразу после пандемии энцефалита в 38-м.
Джовелланос появилась в окошке:
— Ложная тревога.
— Что?
В нижнем правом углу обзора поверх схемы возникла картинка:
Именно эти структуры прежде всего ответственны за память и за процесс обучения в
традиционном смысле, в связи с чем они обладают высокой степенью возбудимости и по-
вышенной синаптической пластичностью.
XXX ХАРДКОР БЕСПЛАТНО XXX
БОНД22
ТЫС ЧИ ГОРЯЧИХ С МУЛ ШЕК
БДМС НЕКРО ЗОЛОТОЙ ДожДЬ
ПЕДОсНАФФ
XXX не вх34,03 ВАМ НЕ ИСПОЛНИЛОСЬ 11 XXX
— Вот это спровоцировало тревогу, — пояснила Джовелланос. — Скрин с боль-
ничного координатора.
— Подробнее.
— Координатор берет мазки с вентиляционных фильтров и проверяет их на вся-
кие сюрпризы. Вот эта конкретная культура в пробирке за две секунды прыгнула
с нуля до тридцатипроцентного покрытия. Что невозможно, конечно, даже в боль-
ничных условиях. Но система этого не знала. Какой-то баннер-вирус сбросил
свой груз прямо в ее визуальную память, и координатор просто сделал свою ра-
боту , ища темные пятна на светлом фоне. Не винить же его за простую безгра-
мотность .
— Это все? Ты уверена? — спросил Дежарден.
— Я проверила сопутствующие данные: никаких признаков токсинов, белков —
ничего. Система перестраховалась — посчитала, что штука, растущая такими тем-
пами , должна быть опасной, ну и мы получили результат.
— А в больнице знают?
— Да, естественно. Они сообразили почти сразу же. Уже послали приказ на от-
мену, когда я им звонила.
Дежарден вгляделся в схему. На периферии по-прежнему расцветали цветные
точки.
— Но тревога не утихает, насколько я вижу. Еще раз проверить сможешь?
Они всегда могли закоротить карантин объявлением в средствах массовой ин-
формации — могли даже позвонить и обговорить вопрос, если понадобится, — но
это заняло бы часы; все это время десятки, сотни учреждений стояли бы парали-
зованные . Больница уже разослала контрагентов для отзыва тревожных сигналов.
Тогда почему ядро на схеме Дежардена еще не позеленело от успешных отмен?
— Они все разослали, — подтвердила Джовелланос спустя минуту. — Просто оча-
ги тревоги не отвечают. Ты не думаешь...
— Подожди секунду. — На схеме только что погасла звезда. А потом еще одна.
И еще три. Двадцать. Сто.
Все белые. И все на периферии.
— Мы теряем сигналы тревоги. — Ахилл увеличил область, где огоньки только
что исчезли. — Но по краям. Никакой активности рядом с ядром.
Команды на отмену не могли прыгнуть так далеко и с такой скоростью. Дежар-
ден уменьшил фильтрацию; теперь он видел не только автономные сигналы трево-
ги, но и маленькие программы, посланные для их отзыва. Пакетные файлы и ехе-
файлы. Наблюдал за дикой фауной. Видел...
— У нас акулы. Жор и кормежка на узле коммутации 1433. Процесс расширяется.
• * *
Арпанет1.
Интернет.
1 Компьютерная сеть для безопасной передачи данных, основанная Агентством по пер-
спективным исследованиям при министерстве обороны США в 1969 году, первоначально
объединявшая четыре университета Соединенных Штатов. Послужила прототипом для созда-
ния Интернета.
Просто «Сеть». Что звучало не так самонадеянно во времена, когда других не
было.
Термин «киберпространство» протянул чуть дольше, — но пространство подразу-
мевает большие пустые панорамы, светящуюся галактику иконок и аватар, галлю-
циногенный мир грез в цвете на сорок восемь бит. «Киберпространство» не похо-
же на мясорубку. Там нет чумы и хищников, нет тварей, которые живут долю се-
кунды и бесконечно треплют друг друга за глотки. Когда на сцену вышел Ахилл
Дежарден, «киберпространство» уже превратилось в словечко из разряда фэнтези,
поселившись где-то рядом с «хоббитами» и «биоразнообразием».
Потом появились «луковица» и «метабаза». Новые слои постоянно ложились на
старые, и какое-то время каждый был свободен от перегрузок и статики, которые
одолевали их предшественников. Показатели параметров росли с каждым поколени-
ем: больше скорости, больше объема, больше мощности. Информация неслась по
проводникам из оптоволокна, ротазана или квантового вещества настолько про-
зрачного, что само его существование ставилось под сомнение. Каждое десятиле-
тие зверю прививали новый скелет; потом каждые несколько лет. Каждые несколь-
ко месяцев. Мощность и экономика шли вверх нога в ногу, пусть их подъем был и
не настолько крутым, как во времена Мура, но все же довольно резким.
А сзади расширяющийся фронтир нагоняла порода законов куда более древних,
чем закон Мура1.
Все дело в паттерне. Не в выборе строительных материалов. Жизнь — это ин-
формация, сформированная естественным отбором. Углерод лишь мода, нуклеиновые
кислоты — необязательные аксессуары. Всю работу могут выполнить и электроны,
если их правильно закодировать.
Все вокруг лишь Паттерн.
А потому вирусы родили фильтры; фильтры родили полиморфных контрагентов;
полиморфные контрагенты родили гонку вооружений. И это не говоря уже о «чер-
вях», ботах и специализированных автономных инфоищейках, которые были так не-
обходимы для законной торговли, жизненно важны для процветания любого учреж-
дения, но так нуждались, так требовали доступа к защищенной памяти. А где-то
на окраинах фанаты Искусственной Жизни занимались своими «битвами в памяти»,
симуляциями Земли, генетическими алгоритмами. И, в конце концов, всем им на-
доело бесконечно перепрограммировать своих миньонов в борьбе друг против дру-
га. Почему бы просто не встроить пару генов, пару случайных генераторов чисел
для разнообразия, а потом позволить естественному отбору сделать всю работу?
Вот только естественный отбор чреват одной проблемой: он все меняет.
А в сети он все меняет очень быстро.
К тому времени, как Ахилл Дежарден стал «правонарушителем», термин «лукови-
ца» почти не употреблялся. Один-единственный взгляд внутрь мог объяснить, по-
чему. Если б вы смогли понаблюдать за беспрестанным совокуплением, хищничест-
вом и видообразованием, не получив мощный эпилептический припадок из-за быст-
роты изменений, то поняли бы, что для такого подходит лишь одно слово: «Водо-
ворот» .
Разумеется, люди до сих пор в него заходили. А что им оставалось делать?
Центральная нервная система цивилизации уже больше века существовала внутри
гордиева узла. Никто не стал бы выдергивать розетку из-за каких-то остриц.
Теперь некоторые из изначальных сигналов тревоги тащились через Водоворот с
кишками, выпущенными наружу. Естественно, местная фауна уловила запах. Дежар-
Закон Мура — эмпирическое наблюдение, сделанное сооснователем корпорации «Интел» в
1969 году, о том, что количество транзисторов, размещающихся на кристалле интеграль-
ной схемы, удваивается примерно каждые два года. Более популярная трактовка закона
связана с прогнозом Дэвида Хауса из корпорации «Интел» о том, что производительность
процессоров в будущем будет удваиваться каждые 18 месяцев.
ден присвистнул сквозь зубы.
— Ты это видишь, Элис?
— Угу.
Когда-то давным-давно — то ли пять, то ли десять минут назад — нечто нале-
тело на один из сигналов. Попыталось выкрасть информацию, проехаться на чужом
горбу или просто захватить память, которую использовала программа. Неважно.
Скорее всего, оно облажалось, пытаясь сымитировать код отключения, но в про-
цессе сделало жертву слепой к любым сигналам, как разрешенным, так и всем ос-
тальным . Возможно, этим повреждения не ограничились.
Несчастный, изувеченный сигнал — раненый, одинокий, без всякой надежды на
отклик, — натыкаясь на все подряд, плыл через Водоворот, все еще стремясь к
своей цели. Эта часть программы по-прежнему работала. На первом же узле он
воспроизвел себя вместе со всеми ранами и прочим барахлом. Первичные контак-
ты, вторичные, третичные — каждый узел становился коленом в геометрической
прогрессии воспроизведения.
К тому времени в окрестностях бродили тысячи мелких попрошаек, из сирен
превратившихся в наживку. Проходя через каждый узел, они трезвонили, пригла-
шая на обед всех встречных и поперечных: «порченые!», «беззащитные!», «файло-
вое мясо!». Они будили каждого дремлющего паразита и хищника на расстоянии
копирования, притягивая их, концентрируя вокруг себя убийц...
Сами по себе сигналы мало что значили. Они с самого начала были следствием
ошибки, возникли из-за раздутой сверх меры описки. Но в узлах сидели миллионы
других файлов, здоровых, полезных, и хотя они имели обычную встроенную защиту
— в современном мире ничто не отправлялось в Водоворот без должной брони, —
но многие ли смогут выдержать миллиарды различных атак от миллиарда голодных
хищников, приплывших на аромат свежей крови?
— Элис, думаю, мне придется закрыть несколько узлов.
— Уже работаю над этим, — ответила она. — Разослала предупреждения. При ус-
ловии, что те пробьются и их не порвут на куски, сигналы должны проникнуть
внутрь через семьдесят секунд.
На схеме конус, окруженный клубящейся стаей акул, червем прокладывал путь к
ядру.
Даже в лучшем случае без ущерба не обойдется — черт, некоторые вирусы как
раз и специализировались на заражении файлов во время архивирования, — но ос-
тавалась надежда, что большая часть важной информации инкапсулируется к тому
времени, как Ахилл рванет рубильник. Конечно, это не значило, что тысячи
пользователей не обрушат не него проклятия, когда их сессии пойдут прахом.
— Твою же мать, — почти неслышно прошептала Джовелланос. — Кайфолом, отбой.
Дежарден переключился на низкое разрешение. Теперь он видел чуть ли не одну
шестую Водоворота, сумятицу раскаленной логики, скрученную в три измерения.
На горизонте появился циклон. Он смерчем несся по дисплею со скоростью ше-
стьдесят восемь узлов в секунду. Пузырь Цинциннати находился прямо у него на
пути.
* * *
Буря, родившаяся из льда и воздуха. Буря, сконструированная из чистой ин-
формации. Если отбросить поверхностные детали, разве есть между ними хоть ка-
кая-то значимая разница?
По крайней мере, одна. В Водовороте метеосистема могла пронестись по всему
земному шару за четырнадцать минут.
Циклон начинается почти так же, как снаружи: зоны высокого давления, зоны
низкого давления, столкновение. Несколько миллионов человек логинятся на
узел, слишком загруженный, чтобы всех обслужить; или рой файловых пакетов,
шах1 за шагом вынюхивающих дорогу к мириадам целей, по воле случая оказался на
слишком малом количестве серверов за раз. Часть вселенной останавливается на-
мертво; все вокруг нее ползет со скрежетом.
Проходит слух: в соседнем пакете, узле 5213, — настоящий зверинец. Лучше
идти через 5611, так намного быстрее. Тем временем рассерженная орда застряв-
ших пользователей с омерзением выходит из сети. 5213 очищается, как озеро
Восток.
5611, с другой стороны, неожиданно забивается насмерть. Эпицентр пробки
смещается на 488 узлов влево, а буря поднимается и начинает движение.
Вот этот конкретный шторм собирался обрубить связь между Ахиллом и пузырем
Цинциннати. И намеревался привести свой план в исполнение, согласно тактиче-
ской раскладке, меньше чем через десять секунд.
Дежардену стало трудно дышать:
— Элис.
— Пятьдесят секунд, — отрапортовала та. — Восемьдесят процентов заискрят
через пятьдесят...
«Вырубить узлы. Накормить рой. Или. Или».
— Сорок восемь... Сорок семь...
«Изоляция. Заражение. Или. Или».
Очевидный выбор. Ему не требовался даже Трип Вины, чтобы принять решение.
— Я не могу ждать, — сказал он.
Дежарден положил руки на пульт управления. Пальцами вбил команды, движением
глаз очертил границы. Машины оценили его желание, заявили обязательный про-
тест — «Ты же шутишь, а? Ты в этом уверен?» — а потом передали приказ по це-
почке вниз.
Фрагмент Водоворота потух, крохотная клякса тьмы кровоподтеком расплылась в
коллективном сознании. Дежарден даже успел разглядеть схлопывание, прежде чем
буря запорошила снегом дисплей.
Он закрыл глаза. Конечно, это ничего не меняло: имплантаты проецировали од-
ни и те же изображения в зону видимости независимо от того, закрыты веки или
нет.
«Еще несколько лет. Еще несколько лет, и они установят умные гели на каждый
узел, а акулы, актинии и трояны превратятся в дурное воспоминание. Еще пару
лет. Они не устают обещать».
Этого до сих пор не произошло. И все даже замедлилось. Дежарден не знал,
почему. Он лишь с уверенностью статистика понимал, что сегодня убил несколько
человек. Жертвы все еще ходили по Земле, разумеется — самолеты не упали с не-
бес, сердца не остановились лишь из-за того, что Ахилл размазал пару терабай-
тов данных. Ничего столь важного на Водоворот больше не возлагалось.
Но даже старомодная экономика имела уязвимые точки. Информация исчезла,
оборвались жизненно важные передачи. Промышленные тайны испортились или раз-
рушились . Будут последствия: банкротства, потерянные контракты, люди придут
домой шатаясь от внезапной нищеты. Домашнее насилие и уровень самоубийств
подскочат на месяц или два в сотнях районов, не связанных между собой геогра-
фически, но находящихся в сорока или пятидесяти узлах от координатора Цен-
тральной больницы Цинциннати. Дежарден знал все о каскадных эффектах, споты-
кался о них каждый рабочий день. Такого хватило бы, чтобы через какое-то вре-
мя снесло крышу любому человеку.
К счастью, существовали лекарства и от этой напасти.
Бэкфлеш
Проснувшись, она увидела перед собой воздушного монстра, зажавшего в челю-
стях какой-то металлолом. Чудовище закрывало полнеба.
Подъемные краны. Роторы. Рвущие и хватающие пасти, которые легко могли бы
расчленить целый город. Разборочныи арсенал, свисающий с огромного пузыря с
высоким вакуумом; кожу между его ребрами всосало внутрь, будто плоть сущест-
ва, изнуренного голодом.
Оно величаво пролетело мимо, не замечая насекомого, кричащего в его тени.
— Это ничего, мисс Кларк, — сказал кто-то. — Ему на нас наплевать.
Английский, с индийским акцентом. А за ним тихое журчание других слов, дру-
гих языков. Спокойный электрический гул. Мерное кап-кап-кап полевого опресни-
теля.
Над ней склонилось изможденное загорелое лицо человека, пребывавшего где-то
между средним и Мафусаиловым возрастом. Кларк повернула голову. Вокруг рваным
кругом стояли другие беженцы, на вид не такие исхудалые. Какие-то механиче-
ские формы маячили на краю зрения.
День. Похоже, она вырубилась. Помнила, как давилась бурдой из циркулятора
поздно ночью. Помнила, как в желудке кончилось хрупкое перемирие. Помнила,
как рухнула на землю, как ее вырвало прямо на свежий песок едким месивом.
А теперь пришел день, и ее окружили. Не убили, правда. Кто-то даже принес
ласты: их положили рядом на гальку.
— ...tupu jicho... — прошептал кто-то.
— Правильно... — голос Лени заржавел от длительного молчания, — ...мои глаза.
Пусть они вас не отталкивают, это всего лишь...
Индус потянулся к ее лицу. Она бессильно откатилась в сторону и зашлась в
приступе кашля. Рядом появилась надувная груша, но Кларк отмахнулась:
— Я не хочу пить.
— Вы вышли из моря. Море пить нельзя.
— Я могу. У меня... — Она с трудом оперлась на локти, повернув голову; в поле
зрения попал опреснитель. — У меня вот такой в груди стоит. Имплантат. Пони-
маешь?
Тощий беженец кивнул.
— Как ваши глаза. Механический?
«Почти».
Она была слишком слаба для объяснений.
Лени посмотрела на море. Расстояние обескровило подъемник, смыв детали,
превратило его в смутный вздувшийся силуэт. Обломки выпали из его брюха прямо
у нее на глазах, подняв беззвучный серый фонтан на горизонте.
— Уборкой занимаются, как и всегда, — заметил индус. — Повезло, что они не
бросают свой мусор прямо на нас.
Кларк снова одолел кашель.
— Откуда вы знаете мое имя?
— ЭС Кларк. — Он похлопал по бирке на ее плече. — Меня Амитав зовут, кста-
ти.
Его лицо, руки — они больше подошли бы скелету. Но циркуляторы Кальвина ра-
ботали без устали. Тут, на Полосе, пиши должно было хватать всем. Вокруг
стояли худые, но явно не голодные люди. На Амитава они не походили.
Откуда-то сверху раздался тихий и жалобный вой. Кларк села. В облаках
мелькнула какая-то тень.
— Они за нами наблюдают, — пояснил Амитав.
— Кто?
— Ваши люди, наверное. Присматривают за тем, чтобы машины работали как по-
ложено , и за нами наблюдают. После волны, понятно, их стало больше.
Тень пронеслась на юг, исчезая на глазах.
Индус присел на костлявую задницу и уставился в сторону материка.
— Без толку все это. Мы тут, прямо скажем, не активисты. Но они все равно
за нами наблюдают. — Он встал, отряхнув мокрый песок с коленей. — Вы, разуме-
ется, хотите к ним вернуться. Ваши люди вас ищут?
Кларк вздохнула:
- Я...
И замолчала.
Она проследила за его взглядом и сквозь переплетение коричневых тел разгля-
дела кучу палаток и хибар. Сколько тысяч человек — миллионов — прибыло сюда
за все эти годы, когда их выгнали из домов поднимающиеся моря и растущие пус-
тыни? Сколько их, голодных, больных от беспрерывной качки, ликовало при виде
Северной Америки на горизонте, а потом оказалось отброшено к океану стенами,
охранниками и бесконечными толпами тех, кто добрался сюда первым?
И кого же они винят? Что сделают миллионы обделенных, когда один из бога-
теньких попадется им в руки?
«Ваши люди вас ищут?»
Лени откинулась на песок, не решившись заговорить.
— Ага, — рассеянно проронил Амитав, как будто она ему ответила.
Она так долго была автоматом, несгибаемой машиной, созданной с единственной
целью — добраться до суши, что теперь, когда все же достигла континента, не
осмеливалась на нем остаться.
Отступила на дно океана. Вернулась, но не в ясную и черную чистоту глубоко-
водья; здесь не водилось живых люстр или хищников с фонариками, заставлявших
воду светиться. Редкая жизнь корчилась, извивалась и искала падаль в мутно-
зеленом свете материковой отмели. Даже под волнами поле зрения простиралось
всего на пару метров.
Все-таки лучше, чем ничего.
Лени уже давно научилась спать в гидрокостюме, с открытыми глазами. В безд-
не это было легко — стоило отплыть подальше, оставить прожектора «Биб» поза-
ди, и линзы уже не справлялись. Ты дрейфовал в складках абсолютной тьмы, ка-
кую ни один сухопутник не мог себе даже представить.
Здесь же все было не так просто. В воде всегда присутствовал свет: ночь
лишь высасывала из него все краски. А когда Кларк все же погружалась в какой-
то туманный и беспокойный мир снов, то ее тут же окружали угрюмые, мститель-
ные толпы, собиравшиеся где-то за пределами поля зрения. Они брали что под
руку попадалось — камни, сучковатые палки плавника, удавки из проволоки и мо-
новолокна , — и смыкались над ней, тлея огнем и убийством. Заметавшись, Лени
просыпалась и вновь оказывалась на дне, а толпа таяла в обрывках вихрящихся
теней, растворявшихся над головой. Большинство из них проступали слишком
смутно: раз или два она разглядела носовую часть чего-то изогнутого.
Ночью, когда беженцы отходили от постоянного сияния пищевых станций, Кларк
выходила на берег покормиться. Поначалу она держала под рукой газовую дубин-
ку, оставшуюся еще с «Биб», чтобы отпугнуть любого, кто встанет на пути. Но
никто и не пытался. Это даже не особо удивляло. Она могла лишь гадать, что
видели беженцы, когда смотрели в ее глаза. Может, чудо светоулавливающих тех-
нологий? Логическую предпосылку для жизни на дне океана?
Скорее всего, они видели монстра, женщину, чьи глаза выскоблили и заменили
сферами из чистого льда. По какой-то причине местные жители старались дер-
жаться от нее подальше.
На второй день Лени сумела удержать в себе большую часть того, что съела.
На третий поняла, что уже не голодна. Лежала на дне и рассматривала рассеян-
ный зеленый свет, чувствуя, как новая сила тонкими струйками втекает в конеч-
ности .
В ту ночь Кларк поднялась из океана еще до полного захода солнца. Оставила
газовую дубинку в ножнах, прикрепленных к бедру, но, пока она выбиралась на
берег, никто так и не бросил ей вызова. Даже наоборот, люди уступили ей еще
больше пространства, чем прежде; в неумолкающем галдеже из кантонского и
пенджабского языков чувствовалось напряжение.
Амитав ждал ее у циркулятора.
— Они сказали, вы вернетесь. Но не упоминали об эскорте.
Эскорте? Он смотрел поверх ее плеча, на пляж. Кларк проследила за его
взглядом: заходящее солнце превратилось в размытое огненное пятно, изливающее
кровь в...
«О, господи».
Полумесяцы спинных плавников рассекали волны прибоя у берега. Серое рыло на
краткий миг мелькнуло на поверхности, словно мини-подлодка с зубами.
— А они же практически исчезли, вы знали? — спросил Амитав. — Но вернулись.
Сюда, по крайней мере.
Лени, дрожа, вздохнула; адреналин тряхнул тело, но не принес ничего, кроме
запоздалого озарения, от которого слабели колени.
«Как близко они подобрались? Сколько раз я...»
— Неплохие у вас друзья, — заметил беженец.
— Я не... — Но, разумеется, Амитав знал, что она понятия не имела. Кларк по-
вернулась к циркулятору, спиной к старику.
— Мне говорили, что вы так и не ушли, — раздался голос Амитава. — А я не
верил.
Лени ударила по кнопке наверху устройства. Белковый брикет шлепнулся в раз-
даточный лоток. Она уже протянула руку к еде, но сжала кулак, стараясь унять
дрожь.
— Дело в еде? Здесь многие любят еду. Даже больше, чем надо бы, принимая во
внимание обстоятельства.
Лени с трудом успокоилась и взяла брикет.
— Вы боитесь, — произнес Амитав.
Кларк взглянула на океан. Акулы исчезли.
— Но не их, — продолжил индус. — Нас.
Она снова уставилась на него:
— Да.
Улыбка мелькнула на его лице:
— Вы в безопасности, мисс Кларк. Они не причинят вам вреда. — Он махнул то-
щей, как у скелета, рукой, словно имея в виду всех своих товарищей. — Если б
хотели, то разве не сделали бы с вами что-нибудь, пока вы лежали без созна-
ния? Ну, хотя бы оружие отобрали?
Лени коснулась рукой ножен на бедре.
— Это не оружие.
Амитав не стал спорить, а лишь посмотрел вокруг, угрюмо улыбнувшись:
— Разве они голодают? Неужели вы думаете, что они порвут вас ради мяса с
костей?
Кларк пожевала, проглотила, повела головой. Все эти лица. На некоторых чи-
талось любопытство, на других же чуть ли не... благоговение.
«Узрите женщину-зомби, что плавает с акулами».
Только ненависти не было.
«Нелепо. У них же ничего нет. Как они могут не ненавидеть?»
— Видите, — проговорил Амитав. — Они не такие, как вы. Они довольны. Покор-
ны.
Он сплюнул.
Она всмотрелась в его костлявое лицо, глубоко сидящие глаза. Заметила тлею-
щие в них угли, почти скрытые, утопленные в глазницах. А под дружелюбной
улыбкой увидела презрительную ухмылку.
Именно это лицо ее сны размножили в тысячу раз.
— И не такие, как вы, — наконец сказала Лени.
Амитав признал это легким кивком:
— Что прискорбно.
И яркая дыра открылась в его лице.
* * *
Кларк отшатнулась в изумлении.
Отверстие разрослось на весь берег, истекая светом. Лени повернула голову:
прореха двигалась вслед за взглядом, прикованная точно к центру ее зрительно-
го поля.
— Мисс Кларк...
Она обернулась на голос: бесплотная рука Амитава едва виднелась сквозь оре-
ол помешательства. Лени схватила ее, поймала, подтащила старика ближе к себе.
— Что это? — прошипела она. — Что...
— Мисс Кларк, вы...
Свет уплотнялся. Образы. Задний двор. Спальня.
Какая-то экскурсия. В музей, огромный и похожий на пещеру, увиденный с вы-
соты детского роста.
«Я этого не помню», — подумала она.
Отпустила руку индуса, шатаясь, отошла на шаг. Неожиданно вздохнула полной
грудью.
Ладонь Амитава пронеслась сквозь дыру в поле зрения. Пальцы щелкнули прямо
перед носом Лени.
— Мисс Кларк...
Свет потух. Она стояла неподвижно, замерзшая, дыша быстро и неглубоко.
— Я думаю... нет, — наконец, протянула она, чуть расслабившись.
Амитав. Полоса. Небо. И никаких видений.
— Со мной все хорошо. Сейчас все нормально.
Недоеденный питательный брикет лежал у ног, покрытый мокрым песком. Онемев-
шими пальцами Лени подобрала его.
«Может, что-то в пище?»
Со всех сторон за ней наблюдала молчаливая толпа.
Амитав склонился вперед:
— Мисс Кларк...
— Ничего. Я просто... кое-что увидела. Из детства.
— Детства, — эхом откликнулся Амитав. Покачал головой.
— Да, — подтвердила Кларк.
«Только не моего».
Карты и
легенды
Перро не знала, почему это вдруг стало для нее так важно. И столь же важно
было не думать о ней слишком много.
На Полосе практически не существовало языкового барьера. Там сосуществовали
сотни языков и, наверное, в десять раз больше диалектов, но с большинством
переводческие алгоритмы справлялись. «Оводов» обычно видели, но не слышали,
и, тем не менее, местные, казалось, лишь слегка удивлялись, когда машины об-
ращались к ним голосом Су-Хон. Огромные металлические жуки превращались в
часть пейзажа для любого, кто жил на берегу больше двух дней.
Большинство бежей не знали ничего о том, что она спрашивала: странная жен-
щина в черном, которая вышла из моря? Примечательный образ, конечно, — почти
мифический. Конечно, мы бы запомнили, если бы стали свидетелями такого виде-
ния . Просим прощения. Нет.
Одна девочка-подросток с глазами взрослой женщины говорила на каком-то за-
радочном варианте ассамского , для которого система не имела подходящей про-
граммы. Беженка упомянула кого-то по прозвищу Ганга, это существо следовало
за беглецами через весь океан, и она слышала, что эта Ганга вроде бы недавно
вышла на берег. И больше ничего. Возможно, сказались какие-то двусмысленности
при переводе.
Перро расширила активную зону поисков до сотни километров. Перед ее глазами
человечество двигалось на север вялыми этапами, следуя за отвоеванным фронти-
ром. Время от времени какие-то глупцы залезали в океан; неразборчивые акулы
быстро смыкались вокруг жертв и резвились. Перро подрегулировала порог сен-
сорного восприятия. Красная вода размылась до невыразительно-серого цвета.
Крики выцвели до шепотов. Природа восстанавливала баланс на краю зрения.
Су-Хон продолжала опросы. Прошу прощения. Женщина со странными глазами,
возможно раненая?
Со временем до нее начали доходить слухи.
В полдне к югу — белая женщина, вся в черном. Нырялыцица, выброшенная на
берег накануне цунами, говорили некоторые: наверное, ее вынесло из фермы во-
дорослей или из подводного отеля.
В десяти километрах к северу некое угольно-черное создание наводило страх
на обитателей Полосы, никогда ничего не говоря.
Вот в этом самом месте, два дня назад: бешеная амфибия с пустыми глазами,
насилие сквозило в каждом движении. Ее видели сотни, и все держались подаль-
ше, пока она с криками не уковыляла обратно в Тихий океан.
Вы ищете эту женщину? Она одна из ваших?
Скорее всего. В реестре без вести пропавших было полно морских рабочих, ис-
чезнувших после Большого Толчка. Правда, все работали на поверхности или на
шельфе. А женщину, которую видела Перро, приспособили для бездны. В списке
глубоководников не числилась; лишь шесть подтвержденных смертей в сотнях ки-
лометров от берега на одной из геотермальных станций Нт АмПацифика. И больше
никаких деталей.
Женщина с механизмами в груди носила на плече логотип Энергосети. Тогда,
получается, только пять трупов. И одна выжившая, которая каким-то образом
преодолела триста километров открытого океана.
Выжившая, которая по каким-то причинам не хотела, чтобы ее нашли.
Слухи пускали метастазы. О нырялыцице с фермы водорослей больше речи не
шло. Теперь говорили о русалке. Об аватаре Кали. Некоторые утверждали, что
женщина говорила языками новыми, другие — что общалась только на английском.
Ходили истории о стычках, о жестокости. Русалка нажила себе врагов. Русалка
встретила друзей. На нее напали, и от атаковавших остались лишь куски, раз-
бросанные по пляжу. Перро скептически улыбнулась: по сравнению с обитателями
Полосы даже шкурка от банана была агрессивнее.
Русалка маячила в грязных прибрежных водах. Ей подчинялись акулы; по ночам
она выходила на сушу и похищала детей, чтобы скормить их своим прислужникам.
Кто-то предсказал ее приход или же просто признал его; некоторые говорили о
пророке. А может, о человеке настолько же безумном, как и женщина, о которой
он вещал. Звали его Амитав.
Почему-то ни одно из этих событий не засекли местные «оводы». Только поэто-
му Перро не обращала внимания на девяносто процентов слухов. Она начала заду-
мываться , в какой степени ее собственные вопросы запустили мельницу домыслов.
Она где-то читала, что, минуя некий предел, информация размножается сама по
себе.
Ассамский язык — язык индоарийской группы индоевропейской семьи. Является родным
для живущих преимущественно в северо-восточном индийском штате Ассам и соседних шта-
тах.
Через девять дней после того, как Перро впервые увидела женщину в черном,
одна индонезийка, мать четверых детей, вышла из палатки и провозгласила, что
из самого центра землетрясения на землю вышла русалка без единой царапины.
На что один из ее сыновей сказал, что слышал, будто на самом деле все об-
стояло с точностью до наоборот.
Корп
Конечно, ничего страшного не произошло. По статистике на Земле кто-нибудь
уходил в мир иной каждые полсекунды. Некоторые, естественно, умирали и во
время его дежурств. И что? В смену на любого человека, убитого Ахиллом, при-
ходилось десять спасенных. А те, кто вздумает жаловаться на такой расклад,
пусть идут в глубокую задницу.
Вообще-то, именно жаловаться ему сейчас и хотелось. Вот только посетители
оказались настоящими «двадцатниками», словно прилетели из прошлого века.
«Реактор Пикеринга» представлял собой цилиндр, помещенный внутри куба, уто-
пленного на пятьдесят метров в очищенный гранит Канадского щита. Его построи-
ли для хранения ядерных отходов, как только стала таять вечная мерзлота; ко-
гда местные жители начали активно протестовать, а цивилизация — распростра-
няться на север, сооружение лишилось своего предназначения. Впрочем, по тем
же причинам оно превратилось в выгодное место для подземного наркобара. «Ре-
актор» сконструировали внутри прозрачной трехэтажной трубки из акрила, подве-
шенной в главной камере; промежуток между стенами затопили и набили световыми
жезлами, изображающими кобальтовое свечение использованных топливных стерж-
ней. Вокруг туда-сюда порхали радужные, переливающиеся бабочки, булавочными
искрами отражая информацию во все стороны. Ядовитые и влажные лягушки-
древолазы влажно барахтались в небольших бачках, стоящих на каждом столе, на-
поминая крохотные мерцающие пазлы из рубинов, изумрудов и нефтяной черноты.
Здесь царило спокойствие. «Реактор» напоминал вывернутый наружу аквариум,
прохладный зеленый грот. Дежарден спускался в его глубины, когда хотел подза-
рядиться. Теперь он сидел за круглой барной стойкой на втором этаже и размыш-
лял , как ему увильнуть от секса с женщиной, вцепившейся ему в локоть.
Он понимал: скоро этот вопрос выплывет наружу. Не из-за того, что он был
красавцем, — отнюдь не был им. И не из-за фамилии, благодаря которой многие
принимали Ахилла за Quebecois1, что когда-то соответствовало истине. Нет,
просто он признался этому темному длинноногому Роршаху — она назвалась
Гвен, — что работает правонарушителем, и она сочла это очень крутым. Когда-то
Дежарден на краткий миг вошел в пантеон звезд, но собеседница явно не призна-
ла его в этом качестве: это случилось два года назад, а люди сейчас, кажется,
с трудом вспоминали, что ели на ужин прошлым вечером. Значения это не имело.
Ахилл Дежарден обрел фанатку.
Выглядела Гвен очень даже неплохо. Уже через тридцать секунд после начала
разговора он представил, как бы она смотрелась на диване в его гостиной. А
еще через тридцать секунд набросал в уме довольно приличную художественную
концепцию. Прекрасно, он ее хотел: вот только дело было не в ней.
Почему-то она была одета как один из глубоководных киборгов НтАмПацифика.
Костюм получился выразительный, но несерьезный: трико из черной лайкры без
единого шва скрывало тело от ног до шеи и кончиков пальцев; декоративные ак-
сессуары изображали контроллеры и выступы имплантатов; даже бирка с именем и
логотипом Энергосети была вкроена в плечо. С глазами, правда, не совсем полу-
чилось . Настоящие рифтеры носили роговичные накладки и смотрели на мир как
будто пустыми белыми шарами. Гвен же предпочла просвечивающие крупные линзы.
1 Да здравствует свободный охранник (фр.).
Те довольно сносно закрывали радужку, но, судя по тому, как она постоянно на-
клонялась , всматриваясь в Ахилла, на способности к светоулавливанию не влия-
ли.
У женщины были прекрасные скулы, широкий рот и столь остро очерченные губы,
что об их края можно было порезаться. В этой непринужденной и людной обста-
новке Дежарден хотел лишь ее компании. Просто провести время, запомнить ее
черты, насладиться запахом, уложить образ в памяти. Может, даже подружиться.
Ему этого хватало, Ахилл мог заполнить пробелы сам, позже. А заодно и при-
жечь их.
— Не могу поверить, сколько всего тебе приходится делать, — говорила она.
Извивающаяся сеть подводного света играла на ее лице. — Эпидемии, моры, обва-
лы систем. И все на тебе.
— Не все. Нас много.
— Но все-таки. Ты за долю секунды принимаешь решения, от которых зависит
чья-то жизнь. — Гвен провела рукой по его предплечью: крылышко черного мо-
тылька. — От любого твоего неверного шага могут погибнуть люди.
— А иногда и от верного.
Ахилл не раз встречал таких Гвен. Как и любая самка класса млекопитающих,
склонная к К-стратегии1, она питала слабость к обладателям ресурсов — или, в
случае с родом Homo, к власти. Скорее всего, она предполагала, что Ахилл та-
ковой обладает, раз может по своей воле вырубить целый город.
Обычная ошибка среди всех особей, придерживающихся К-стратегии. Дежарден
обычно не торопился развеивать их иллюзии.
Гвен взяла дерму с ближайшего подноса, вопросительно взглянув на Ахилла.
Тот покачал головой. С рекреационными веществами приходилось держать ухо вос-
тро : они могли вступить во взаимодействие с профессиональными препаратами,
которые в немалых количествах бурлили в его крови. Женщина пожала плечами,
прилепила пластырь за ухо и продолжила:
— Как ты справляешься с такой ответственностью? Черт побери, как тебе вооб-
ще ее дали? — Она опрокинула рюмку. — Все эти корпы, короли и политики — они
бы даже не смогли договориться, в какой цвет покрасить стены в туалете. Поче-
му все они решили дать конкретно тебе чуть ли не божественные способности? Ты
что, не допускаешь ошибок?
— Ни хрена подобного.
В неокортексе мелькнула незваная мысль: «Интересно, сколько человек я сего-
дня убил?»
— Я всего лишь... стараюсь как могу.
— Это да, но как ты умудрился их в этом убедить? Что тебе мешает устроить
авиакатастрофу, чтобы отомстить боссу? Откуда они знают, что ты не воспользу-
ешься такой силой, чтобы разбогатеть, или помочь приятелям, или разрушить
корпорацию, так как ты не согласен с ее политикой? Что держит тебя в узде?
Дежарден покачал головой:
— Ты мне не поверишь.
— Спорим, угадаю?
1 Здесь имеется в виду теория r-K-отбора, определяющая две различные природные стра-
тегии размножения живых организмов. Для r-стратегии, когда организмы стремятся к
максимально быстрому росту популяции, характерны высокая плодовитость, малая продол-
жительность жизни отдельной особи и ее небольшие размеры. Для К-стратегии, при кото-
рой организмы воспроизводятся относительно мало, но стараются вложить в потомство
как можно больше ресурсов и времени, характерны большие размеры, относительно долгий
промежуток жизни и малое потомство, на воспитание которого отводится много времени.
Естественно, в случае К-стратегии требования, предъявляемые самкой к самцу, гораздо
выше.
— Угадывай.
— Трип Вины, да? И Отпущение грехов?
Он засмеялся, скрывая удивление.
Гвен расхохоталась вместе с ним, протянула руку в ближайший террариум и по-
гладила одну из драгоценных лягушек (тех подкорректировали так, чтобы репти-
лии выделяли через кожу легкие психотропы). Словно бы ненароком уперлась пле-
чом в руку Ахилла. Гвен отмахнулась от парочки бабочек, те уже обнюхивали ее,
выискивая симптомы ухудшения здоровья, чтобы вмешаться и заблаговременно ока-
зать помощь.
— Ненавижу эти штуки.
— Ну, ты слегка намешала с препаратами. Испортишь атмосферу, если тебя вы-
рвет прямо на бар.
— А ты весь такой законопослушный. — Гвен потерла большим пальцем об указа-
тельный , втирая в кожу лягушачий сок. — И от вопроса хорошо уходишь.
— Вопроса?
— Трип Вины, не забыл? — Она склонилась ближе. — Я всякое слышала, ты тоже.
Какая-то разновидность ретровируса, так? Он заставляет тебя быть послушным,
прямо на уровне ствола мозга.
Гвен всего лишь гадала. Не знала ничего о химии вины. Скажи ей о взаимодей-
ствии глутатиона с синаптическими пузырьками, так она, скорее всего, лишь
глупо на тебя уставится в ответ. Гвен понятия не имела о подкрученной токсо-
плазме или о крохотных перепутанных каплях ревертазы, которые запускали всю
систему. И, даже если была бы в курсе, это ничего не меняло. Воздействие та-
ких веществ нельзя осознать, пока не почувствуешь их в себе.
Гвен слышала только о «ретровирусах» и даже в них была не уверена.
— Нет, — ответил Ахилл. — Ты ошиблась. Извини.
Он даже не лгал. Вирус служил всего лишь переносчиком.
Она закатила глаза.
— Я так и знала, что ты мне ничего не скажешь. Они ник... Я так и знала.
— А с чего дайверский прикид? — Неожиданно ему показалось, что сменить тему
— это хорошая мысль.
— Рифтерский шик, — Гвен еле заметно улыбнулась уголком рта. — Солидарность
через моду.
— Не понял... рифтеры теперь — политическая тема?
Она слегка оживилась:
— О, да ты знаешь. Ты ведь не все свое время мир спасаешь.
Он не знал. Хотя пару месяцев назад действительно проскальзывало какое-то
трепыхание, когда некий не в меру упорный журналист умудрился протащить исто-
рию через цензоров АмСети. Оказывается, Энергосеть нанимала жертв инцеста и
ветеранов войн для управления глубоководными геотермальными станциями — в
теории к хроническому стрессу в подобной окружающей среде лучше всего приспо-
сабливаются те, в ком (и как словоплеты это выяснили?) такая предрасположен-
ность вырабатывалась с самого детства. Пошли обыкновенные взвизги обществен-
ного гнева от «да как вы смеете эксплуатировать жертв насилия ради нескольких
мегаватт» до «как вы смеете доверять энергетическую сеть кучке психов и заби-
тых недоумков».
Скандал длился довольно долго. Но потом Полосу поразила какая-то новая раз-
новидность лошадиного энцефалита, и кто-то отследил ее источник до бракован-
ной партии контрацептивов в циркуляторах. А теперь, естественно, всех еще ли-
хорадило от Большого Толчка на западе, поэтому о рифтерах и их проблемах
практически забыли.
По крайней мере, Ахилл так думал. Но теперь рядом с ним стояла эта женщина,
и из каких бы источников она ни почерпнула свои представления о моде...
— Послушай, — решилась Гвен. — Спорим, ты устал постоянно сражаться с сила-
ми энтропии? Не хочешь отвлечься и для разнообразия подчиниться второму зако-
ну термодинамики?
— Энтропия — это не сила. Распространенное заблуждение.
— Да хватит уже болтать. У них тут есть комнаты внизу. За первый час я за-
плачу .
Дежарден вздохнул.
— Что? — спросила Гвен. — И не говори, что тебе неинтересно, — твои жизнен-
ные показатели подскочили от возбуждения, как только я зашла. — Она постучала
по одному из аксессуаров на костюме — Дежарден с запозданием заметил датчик
биотелеметрии.
Он пожал плечами:
— Верно.
— Так в чем проблема? Не принял сегодня таблетки? Я чистая.
Она показала ему татуировки на внутренней поверхности запястья: ее иммуни-
зировали против целого арсенала инфекций.
— На самом деле я... я просто не слишком общителен.
— Это правда. Ну, давай уже. — Гвен твердо положила ладонь ему на руку.
— Я полагаю, Кайфолом, — раздался сзади женский голос, — собирается отверг-
нуть ваше предложение по двум причинам. Не принимайте отказ близко к сердцу.
Дежарден на мгновение закрыл глаза:
— Я думал, ты себе не потакаешь.
В поле его зрения вступила тощая и несущая одни неприятности филиппинка
ростом в метр семьдесят.
— Я — Элис, — сказала она.
— Гвен.
— Первая причина в том, — продолжила Джовелланос, — что у него срочный вы-
зов.
— Да ты шутишь, — возмутился Дежарден, — я только освободился.
— Извини. Тебя хотят видеть через... — Джовелланос бросила взгляд на запя-
стье, — через семь минут. Какой-то корп лично вылетел из НтАмПацифика, чтобы
воочию тебя увидеть. Можешь представить их разочарование, когда они выяснили,
что ты отключил запястник.
— Уже комендантский час начался. Я просто стараюсь быть хорошим граждани-
ном.
Что, конечно, было полной чушью, так как правонарушителей освобождали от
подобных ограничений. Иногда Дежарден просто не хотел, чтобы его находили.
Разумеется, надежда оказалась тщетной. Ахилл оттолкнулся от стойки бара и
встал, раскинув руки и жестом изображая, что сдается.
— Извини. Хотя приятно было познакомиться.
— Причина номер два, — напомнила Гвен Джовелланос, не обращая на него вни-
мания .
— А, точно. Кайфолом не трахает реальных людей. Считает такие отношения не-
уважительными, — Элис кивнула головой в его сторону, еле заметно поклонив-
шись. — Разумеется, инстинкты у него на месте. Думаю, как только ты села ря-
дом, он сразу начал делать стереоснимки.
Гвен посмотрела на Ахилла одновременно с удивлением и вызовом.
Тот пожал плечами:
— Я их сотру, если ты возражаешь. Все равно хотел спросить.
Она покачала головой, и эта соблазнительная полуулыбка слабо мелькнула на
лице.
— Развлекайся. Может, через какое-то время даже заинтересуешься реальным
процессом.
— Надеюсь, нет, — заметила Джовелланос. — Тебе, скорее всего, не понравятся
его вкусы.
rk rk rk
«Управление по ликвидации нестабильности комплексных систем» — слова висели
в конце вестибюля, словно светящийся нёбный язычок, символ тщеславного и на-
сквозь бюрократического требования, чтобы тебя уважали.
Впрочем, никто уже давно не заморачивался, надпись даже вслух не читали;
лишь единицы сокращали название до аббревиатуры УЛН, что вполне устроило бы
корпов. Нет, прижилось другое имя: «Патруль Энтропии». Казалось, еще немного
— и увидишь униформу космических кадетов. Дежарден всегда думал, что спасение
мира должно вызывать чуть больше уважения.
— И чего ты такая encule1 сегодня? — проворчал он, когда они заходили в
лифт.
Джовелланос моргнула:
— Прости?
— Ну, к чему была та сцена в баре?
— Разве реклама не должна быть правдивой? Ты же не скрываешь все эти дела.
По большой части.
— Я предпочитаю контролировать скорость подачи. Боже. — Ахилл нажал кнопку
«Админ-6». — Время ты выбрала очень неудачное.
— Я прекрасно выбрала время. Кайфолом, они хотят, чтобы ты поднялся наверх
прямо сейчас. Кажется, я в жизни не видела, чтобы Лерцман хоть чему-нибудь
уделял столько внимания. А если бы я стала ждать, пока ты там докрутишь дина-
мо , мы бы торчали внизу до тех пор, пока полярные шапки снова не замерзнут. К
тому же ты не умеешь отказывать. И вполне мог трахнуть ее, лишь бы не оскор-
бить в лучших чувствах.
— Не думаю, что она такая нежная.
— И чего? Зато ты еще какой.
Двери открылись. Дежарден вышел первым, Джовелланос осталась в лифте.
Он взглянул на нее с некоторым нетерпением:
— А я думал, мы спешим.
Она покачала головой:
— Это ты спешишь. А у меня нет допуска. Меня просто послали привести тебя.
— Что?
— Ты идешь один.
— Бред какой-то, Элис.
— У них приступ паранойи, Кайфолом. Я же тебе говорила. Особое внимание.
Двери, скользнув, закрылись.
Ахилл ткнул пальцем в «ищейку», поморщился от краткого, но болезненного
укола. Физический образец. Нынче они перестали доверять даже дистанционной
авторизации.
Спустя минуту, по стене поползла итоговая информация, расположенная в три
колонки. Слева профиль: группа крови, водородный показатель, уровень газов.
Справа список: тромбоциты, фибриногены, эритроциты и лейкоциты, антитела,
гормоны. Все составляющие его крови, полученные от самой природы.
А посередине шел еще один перечень, чуть покороче: дары от УЛН.
Дежарден уже немного разбирался в показателях. Все выглядело нормально. Ра-
зумеется , приятно было получить независимое подтверждение: дверь перед ним
открылась, а все остальные не принялись с грохотом захлопываться.
Ахилл вошел в зал заседаний.
У дальнего конца стола для совещаний расположились трое. Лерцман сидел на
своем обычном месте, во главе; слева оказалась невысокая блондинка, которую
Дежарден никогда раньше не видел. Это, конечно, ничего не значило — он не
1 Сволочь(фр.). Полицейский (сленговое выражение, искаженный квебекский вариант).
знал большинство людей, работающих в администрации.
Слева от блондинки находилась еще одна женщина. Ахилл не знал и ее. Она
устремила на него в буквальном смысле сверкающий взгляд — так мерцали такти-
ческие линзы, а значит, дама находилась в комнате лишь отчасти, параллельно
следя за потоком информации, видным только ей. В уголках ее рта и вокруг
ртутных глаз застыли слабые морщины, правое веко было чуть опущено; в осталь-
ном лицо казалось бледным и невыразительным эскизом евроазиатского разлива.
Темные волосы подернула седина на висках, и это обесцвечивание, казалось,
мельчайшими дозами распространялось прямо у Дежардена на глазах.
Корп из Н т АмПацифика. Других вариантов нет.
Лерцман в ожидании встал с места. Блондинка последовала за ним, но, едва
оторвавшись от стула, оглянулась на представительницу корпорации. Та не под-
нялась. Блондинка засомневалась, какое-то время не понимая, что ей делать, но
потом опять села. Лерцман откашлялся и последовал их примеру, взмахом руки
пригласив Дежардена занять место напротив женщин.
— Это Патриция Роуэн, — сказал он.
Когда через пару секунд стало понятно, что блондинку никто представлять не
собирается, Дежарден ответил:
— Прошу прощения, что заставил вас ждать.
— Напротив, — тихо произнесла Роуэн, голос у нее был усталый. — Это вы про-
стите, что вытащили вас на работу в свободное время. К сожалению, я приехала
в город лишь на несколько часов.
Она набрала несколько команд на панели управления, встроенной в стол. По ее
глазам побежали крохотные искорки.
— Итак. Знаменитый Ахилл Дежарден. Спаситель Средиземки.
— Я всего лишь подобрал статистику. А они... всего лишь отсрочили неизбеж-
ное на несколько месяцев.
— Не надо себя недооценивать, — заметила его собеседница. — Среднее время
решения проблемы — тридцать шесть и восемь десятых минуты. Это замечательно.
Дежарден принял комплимент кивком головы.
— Вся метабаза, — продолжила Роуэн. — Эпидемии. Локальные войны. Транспорт-
ные потоки. И, даже если на время забыть о Средиземном море, мне сказали, что
ваши проекции во многом помогли сохранить Гольфстрим. Есть несколько специа-
листов, которые могут обойти вас в Водовороте, но вы еще к тому же разбирае-
тесь в вопросах биобезопасности, экономики, промышленной экологии...
Дежарден улыбнулся про себя. Так старомодно: она действительно думала, что
между этими сферами есть какая-то разница.
— В любом случае, — подытожила женщина, — похоже, вы — наш лучший кандидат
из тех, что приходят на ум. Мы снимаем вас с обыкновенной ротации и приписы-
ваем к специальному проекту, с одобрения доктора Лерцмана разумеется.
— Думаю, мы можем отдать его вам, — сказал Лерцман, искренне полагая, что
его мнение что-то значит. — Думаю, после сегодняшнего происшествия Ахилл и
сам, скорее всего, захочет на какое-то время покинуть Водоворот.
«Encule».
Когда в деле участвовал Лерцман, чувство брезгливости возникало почти реф-
лекторно.
Снова Роуэн:
— Произошло некое биологическое событие, и мы хотим, чтобы вы за ним про-
наблюдали . Судя по всему, появился новый почвенный микроб. Пока он произвел
относительно малый эффект — практически ничтожный, на самом деле, — но потен-
циально он. . . в общем. . . — Она склонила голову в сторону блондинки справа,
та, в свою очередь, постучала пальцем по наручным часам. — Откройте для за-
грузки, пожалуйста...
Дежарден быстро подключился: в поле зрения промелькнули протоколы передачи.
— Статистику сможете изучить потом, — заявила блондинка. — Но, если кратко,
вам нужно искать мелкомасштабное окисление нижних слоев почвы, пониженное со-
держание хлорофилла и, возможно, определенные изменения в ксантофиллах...
Наука. Неудивительно, что никто не удосужился ее представить.
— ...также возможно снижение влажности почвы, но точно мы пока не знаем.
Возможно сокращение количества таксонов и сопутствующей им микрофлоры. Также
мы подозреваем, что распространение будет ограничено температурно. Ваша зада-
ча — подготовить свод диагностических данных, который мы сможем использовать
для определения этой заразы дистанционно.
— Для человека моих навыков задача несколько долгосрочная, — заметил Дежар-
ден. «А еще будет чертовски скучно». — Я как-то больше заточен под острые
кризисные ситуации.
Роуэн намек проигнорировала.
— Это не проблема. Мы выбрали вас за ваши навыки в распознавании образов, а
не за оперативные рефлексы.
— Ну ладно тогда. — Про себя он вздохнул. — А что насчет непосредственной
сигнатуры?
— Прошу прощения?
— Если мы говорим о снижении уровня хлорофиллов, то, я полагаю, обыкновен-
ные фотосинтезирующие вещества чем-то заменяются. Так чем? Надо ли мне искать
какие-то новые пигменты?
— Сигнатуры у нас пока нет, — сказала ему женщина. — Сумеете ее выработать
— замечательно, но мы на это не надеемся.
— Да ладно вам. Сигнатура есть у чего угодно.
— Верно, но в данном случае она может не проявиться до тех пор, пока эта
штука не размножится до эпидемической концентрации. Надо поймать ее до того.
Ваши лучшие помощники — это косвенные указатели.
— Я бы все равно хотел увидеть лабораторные данные. И саму культуру, есте-
ственно . — Ахилл решил запустить пробный шар .—Ив этом деле большую помощь
может оказать Элис Джовелланос. Она по образованию биохимик.
— У Элис еще мало опыта... — начал Лерцман.
Роуэн деликатно оборвала его:
— Никаких проблем, доктор Дежарден. Берите любого, кто может вам помочь. Но
не забывайте о том, что статус секретности этого задания может поменяться.
Отчасти он будет зависеть и от результатов вашей работы.
— Спасибо. А культура?
— Мы сделаем все, что сможем. По очевидным причинам распространение живого
образца может стать нежелательным.
«Так-так».
— Начинайте поиск по береговой линии НтАмПацифика. Мы полагаем, что воздей-
ствие микроба ограничено северо-западным побережьем Тихого океана. Скорее
всего, где-то на территории между Гонкувером и заливом Кус.
— Пока, — добавил Дежарден.
— Мы надеемся, что с вашей помощью, доктор, ничего и не изменится.
Он уже видел все это раньше. Какая-то фарма потеряла контроль над очередной
разработкой. Из-за землетрясения где-то треснул инкубатор, и сторонники кор-
поративной секретности с противниками сельскохозяйственного армагеддона долго
гвоздили друг друга в каком-нибудь конференц-зале, а из руин битвы восстала
Патриция Роуэн — на кого бы они ни работала, — чтобы сбросить все проблемы
прямо на Ахилла. При этом, разумеется, она не дала нормальных инструментов
для работы: ко времени, когда они снимут все молекулы с патентами на них, об-
разец переданной культуры станет похож на 20 кубиков дистиллированной воды.
Ахилл не удержался и издал нечто среднее между смехом и фырканьем.
— Прошу прощения? — Роуэн выгнула бровь. — Вы хотите что-то сказать?
Мимолетная катарсическая фантазия:
«Да, у меня и в самом деле есть вопрос, мисс Роуэн. Может, вас вся эта хре-
нотень возбуждает, а? Вы там не течете, когда без всяких причин зажимаете ин-
формацию такой важности? Должны. В смысле, какого черта тогда было перестраи-
вать меня чуть ли не на молекулярном уровне? Зачем? Вы с помощью биоинженерии
превратили меня в образец честности и неподкупности, но стоило вам облажать-
ся, и вы решили, что Ахиллу-то доверять не стоит. Вы же знаете меня, Роуэн. Я
неподкупен. Я не смогу действовать в своих интересах, даже если от этого бу-
дет зависеть моя жизнь».
В повисшей тишине Лерцман коротко и панически кашлянул, прикрыв рот кула-
ком.
— Извините. Нет. Никаких вопросов. — Дежарден постучал пальцем по запястий-
ку, безопасно сложив руки под столом, и схватился за первый заголовок, вы-
ползший на экране имплантата. — Просто, знаете, забавное название. Бетагемот.
Оно откуда?
— Библейское, — ответила Роуэн. — Мне оно никогда не нравилось.
Впрочем, Ахилл не нуждался в ответах на невысказанные вопросы. Он и так по-
нял, что у корпа были весомые причины скрывать информацию; разумеется, она
прекрасно знала, что он не может пойти против общего блага.
Зато сама Роуэн могла.
Удар
Для Кларк выбор между акулами и людьми оказался не так уж прост. Сделав
его, она заплатила свою цену: теперь Лени скучала по темноте.
Ночь, пусть даже безлунная и облачная, пасовала перед возможностями рифтер-
ских линз. На земле существовало очень мало мест, способных ослепить их. Све-
тонепроницаемые комнаты. Пещеры и морские глубины, где нет биолюминесценции.
И нигде больше. Роговичные накладки обрекли Кларк на вечную зрячесть.
Разумеется, она в любое время могла их снять. Довольно простая процедура,
едва ли отличающаяся от замены обычных контактных линз. Но Лени уже очень
смутно помнила, как выглядят ее глаза от природы: они были бледно-голубыми
настолько, что зрачки почти сливались с белками. Вроде как смотреть в морской
лед. Ей говорили, что взгляд у нее холодный и сексуальный.
Кларк не снимала линзы почти год. Она носила их рядом с друзьями, врагами и
любовниками. Не снимала даже во время секса и не собиралась сбрасывать сей-
час, перед незнакомцами.
Если ей хотелось оказаться во мраке, то приходилось закрывать глаза. В мил-
лионной толпе беженцев это было не так-то просто сделать.
Лени нашла пару квадратных метров пустоты. Бежи съеживались под одеялами и
хлипкими навесами поблизости, спали или трахались в темноте, которая им при-
носила хоть какое-то уединение. Как и говорил Амитав, они оставили ее в оди-
ночестве и даже предоставили ей больше пространства, чем давали друг другу.
Кларк лежала на крохотном пятачке песка, на своей собственной территории, и
закрывала глаза, спасаясь от блистающей тьмы. Шел легкий дождь; гидрокостюм
не промокал, но капли стекали по лицу, словно ласкали.
Лени уносило прочь. Ей показалось, что в какой- то момент она задремала,
но, когда над головой дважды пролетели «оводы» — темные бесшумные эллипсы,
слишком тусклые для невооруженных глаз, — Кларк их видела и каждый раз гото-
вилась ринуться к океану, но дроны ее не замечали.
«Нет приказа, — подумала она. — Они видят только то, на что запрограммиро-
ваны» .
А может, Лени зря боялась, и сенсоры ботов не отличались особой тонкостью
настройки, не видя ее имплантаты. То ли у тех была слишком слабая аура, то ли
машины летели высоковато. Может, «оводы» не настолько глубоко проникали в
электромагнитный спектр, и Лени суетилась зря.
«В тот первый раз я была совсем одна, — думала Кларк. — Весь пляж закрыли.
Могу поспорить, в этом и дело. Они реагируют на посторонних...»
Как и Амитав. Он начинал ее серьезно беспокоить.
* * *
Старик появился у циркулятора на следующее утро с мертвым «оводом» в руках.
Тот немного походил на панцирь черепахи, который Лени когда-то видела в му-
зее, только его брюхо усеивали отверстия и торчащие инструменты. Бота раско-
лоло по экваториальному шву, вдоль разлома шли черные кляксы.
— Вы не можете его починить? — спросил Амитав. — Хотя бы частично?
Кларк покачала головой:
— Я ничего не знаю об «оводах».
Но панцирь все же подняла. Внутри под слоем сажи гнездилась сожженная элек-
троника .
Лени провела пальцем по маленькой выпуклости, под слоем грязи ощутила шер-
шавость составных линз визуального узла. Какие-то детали казались смутно зна-
комыми , но...
— Нет, — подытожила Кларк, кладя рухлядь на песок. — Извините.
Амитав пожал плечами и сел, скрестив ноги.
— Я и не ждал. Но человек всегда питает надежду, а вы, кажется, очень близ-
ко знакомы с машинами...
Она слабо улыбнулась, по-новому чувствуя имплантаты, теснящиеся в грудной
клетке.
— Я думал, вы отправитесь к ограждению, — сказал индус, немного помолчав. —
Там вас пропустят, когда увидят, что вы — одна из них.
Лени посмотрела на восток. Там, вдалеке, из тумана человеческих тел и вы-
топтанных кустарников вздымались пограничные башни. Она слышала, что между
ними были натянуты высоковольтные линии и колючая проволока. До нее доходили
слухи о беженцах, отчаявшихся настолько, что они даже успевали взобраться на
семь или восемь метров вверх, прежде чем умирали от тока и множества ран.
Изувеченные останки оставляли гнить на проводах то ли в качестве устрашения,
то ли от простой халатности. Истинных причин никто не знал, но так гласила
история.
Кларк понимала, что все это сказки вроде крокодилов в канализации. В такую
хрень не верил никто старше тринадцати лет, а у людей здесь, несмотря на все
их количество, не хватило бы воли даже гаражную распродажу устроить, не гово-
ря уж о том, чтобы укрепления атаковать. Какое там слово использовал Амитав?
«Покорные».
Но было даже немного жаль. Лени никогда не видела ограждений, и посмотреть
на них хотела.
В жизни признанного мертвым куча мелких недостатков.
— У вас же есть дом, куда можно вернуться. Вы же не хотите остаться здесь,
— принялся подстрекать Амитав.
— Нет, — ответила она на оба вопроса.
Он принялся ждать. Кларк тоже.
Наконец индус встал и посмотрел на мертвого «овода».
— Понятия не имею, почему этот рухнул. Обычно они очень хорошо работают. Вы
же видели, как парочка тут пролетала, да? У вас пустые глаза, но они не сле-
пы.
Кларк выдержала его взгляд, но промолчала.
Он пнул обломки носком ботинка, а потом бросил:
— У этих такие же.
И ушел.
* * *
То была дыра во тьме: окно в иной мир. Оно находилось на высоте детских
глаз и выходило на кухню, Кларк не видела ее уже лет двадцать.
Окно к человеку, которого она не видела почти столько же.
Перед ней стоял на коленях отец, пригнулся, смотря Лени прямо в глаза с вы-
соты взрослого. Выглядел он серьезно. Схватил за запястье одной рукой; в дру-
гой что-то держал, оно покачивалось, свисая.
Она ждала знакомой тошноты, подкатывающей к горлу, но та не пришла. Видение
принадлежало ребенку, но зритель уже давно стал взрослым, загрубел, приспосо-
бился и привык к таким испытаниям, по сравнению с которыми детское насилие
превращалось в банальное клише.
Кларк попыталась осмотреться: поле зрения меняться отказывалось. Мать она
не видела.
«Ну, естественно».
Рот отца двигался, только из него не долетало ни слова. Изображение оказа-
лось полностью немым, световой пыткой без всякого саундтрека.
«Это сон. Скучный сон. Пора проснуться».
Она открыла глаза. Видение не исчезло.
Правда, за ним присутствовал другой мир, высококонтрастный пазл света и те-
ни. Кто-то стоял рядом, на песке, но его лицо застилала греза из детства. Та
парила перед Лени невозможной картинкой в картинке. Реальность смутным фоном
мерцала позади.
Кларк закрыла глаза. Настоящее исчезло. Прошлое — нет.
«Уходи. Я с тобой покончила. Убирайся».
Отец по-прежнему держал ее за запястье — или не ее, а то хрупкое существо,
глазами которого Лени смотрела на призрачный мир, — но она ничего не чувство-
вала. А потом взгляд сам по себе остановился на качающейся штуке в другой ру-
ке отца. Неожиданно испугавшись, Кларк резко открыла глаза, даже не успев
рассмотреть, что же там было; но образ вновь последовал за ней в реальность.
Здесь, пред бесчисленными обездоленными ордами Полосы, отец протягивал
Кларк подарок. Ее первый запястник.
«Пожалуйста, уходи...»
— Нет, — раздался голос совсем рядом. — Не уйду.
Амитав. Кларк, парализованная, тихо заскулила, как животное.
Отец рассказывал про возможности новой игрушки. Она не слышала, что он го-
ворил, да это и не имело значения; видела, как отец голосом активирует ма-
ленькое устройство, перебирает функции доступа к Сети (она вспомнила, тогда
они еще называли это «Сетью», единственной и неповторимой), указывая на ма-
ленькую антенну, соединяющую гаджет с фоновизорами.
Лени тряхнула головой. Видение даже не покачнулось. Отец аккуратно застег-
нул запястник у нее на запястье.
Она знала, на самом деле это не подарок, а первоначальный взнос. Символиче-
ский обмен, бесполезный жест в компенсацию всего того, что он ей сделал за
прошедшие годы и что хотел сделать прямо сейчас, того...
Отец наклонился вперед и поцеловал какое-то место прямо над глазами, кото-
рые Лени не могла закрыть. Погладил голову, которую Лени не могла почувство-
вать . А потом, улыбаясь...
Оставил ее одну.
Вышел в кухню, оставив играть.
Видение рассеялось. Внутрь хлынула Полоса, заполняя освободившееся про-
странство.
Амитав воззрился на нее:
— Ты ошибаешься. Я — не твой отец.
Кларк с трудом поднялась на ноги. Пропитанная водой почва превратилась в
грязь, они находились недалеко от береговой линии. От станции, расположившей-
ся дальше по пляжу, тянулся прерывистыми полосами галогенный свет. На склоне
тут и там виднелись скопления неподвижных тел. Поблизости никого из беженцев
не оказалось.
«Это был сон. Еще одна... галлюцинация. Ничего реального».
— Мне интересно, а что вы здесь делаете? — тихо произнес Амитав.
«Старик реален. Сосредоточься. Разберись с ним».
— Вы не единственный... человек, которого выбросило на берег после волны.
Это понятно, — заметил беженец. — Их даже сейчас выбрасывает. Но вы-то далеко
не мертвы, в отличие от остальных.
«Видел бы ты меня раньше».
— И странно, что вы пришли к нам вот так. Тут все начисто вымели много дней
назад. Землетрясение на дне океана, так? Далеко в море. И тут выходите на бе-
рег вы, приспособленная для жизни на глубине, и едите так, словно очень-очень
долго голодали. — Его улыбка стала хищной. — И не хотите, чтобы ваши люди уз-
нали, где вы. И сейчас вы расскажете мне, почему.
Кларк наклонилась вперед:
— Да ну. А если нет, ты что сделаешь?
— Пойду к ограждению и все им расскажу.
— Можешь идти.
Амитав уставился на нее, Лени чувствовала его гнев чуть ли не на тактильном
уровне.
— Ну, давай, — принялась подзуживать она. — По-смотрим, может, ты дверь
отыщешь или никому не нужный запястник. Может, там оставили ящики для предло-
жений, куда ты записочку положишь, а?
— Ты сильно ошибаешься, если думаешь, что я не смогу привлечь внимание тво-
их людей.
— Я думаю, ты этого не хочешь. У тебя и свои секреты есть.
— Я — беженец. Мы не можем позволить себе секретов.
— Ладно. Амитав, а чего ты тогда такой тощий?
Его глаза расширились.
— Глисты? Пищеварительное расстройство? — Она сделала шаг вперед. — Еда из
циркулятора не подходит?
— Я тебя ненавижу, — прошипел он.
— Ты меня даже не знаешь.
— Я знаю тебя, — сплюнул индус. — Я знаю вашу породу. Я знаю...
— Ты ничего не знаешь. В принципе. А если бы знал — если бы у тебя был та-
кой стояк на мою породу, как ты выразился, — то из кожи бы вон вылез, чтобы
помочь мне.
Он воззрился на нее, и по его лицу пробежала тень неуверенности.
Лени понизила голос:
— Предположим, ты прав. Предположим, я действительно явилась прямо из глу-
бины . Прямо от Осевого вулкана, если знаешь, где это.
Она замолчала.
— Продолжай, — ответил индус.
— Скажем — чисто гипотетически, — что землетрясение не было случайным. Кто-
то заложил ядерную бомбу, и все эти ударные волны гирляндной цепью покатились
к берегу.
— А почему кто-то решил так сделать?
— Уж они-то знают. А мы должны выяснить.
Амитав затих.
— Следишь за ходом мысли? Бомба взрывается на глубине. Большой глубине. Я
приплываю оттуда же. И кем я оказываюсь в таком случае, Амитав? Плохишом? Это
я потянула за рубильник? Но тогда я, наверное, продумала бы побег? Но нет,
вместо этого я триста километров ползла по этой грязи, не имея ни хрена, даже
сэндвича за пазухой. И для чего? Для того чтобы окунуться в ваш гадючник и
сидеть здесь, жрать дерьмо из циркулятора и слушать твое унылое нытье? Это
вообще у тебя в голове укладывается? Или, — тут ее голос понизился, и Лени
взяла себя в руки, — я просто попала в переплет, как и все остальные, только
сумела выбраться из него живой? И как думаешь, не может ли такой факт в био-
графии заронить некоторую враждебность даже в белой североамериканке, богатой
сучке вроде меня?
«И кто-то, — пообещала она мысленно, — за все заплатит».
Амитав ничего не сказал. Только наблюдал за ней запавшими глазами, а выра-
жение его лица вновь стало пустым и непроницаемым.
Кларк вздохнула:
— Ты действительно хочешь помериться со мной крутостью, Амитав? И с теми,
кто на самом деле дернул рубильник? Когда доходит до уборки, им обычно не до
тонкостей. Сейчас они думают, что я мертва. Хочешь оказаться поблизости, ко-
гда они поймут, что это не так?
— А что в тебе такого? — спросил, наконец, Амитав. — Почему по сравнению с
тобой наши жизни настолько неважны?
Лени много об этом думала. И в результате вспомнила яркий, почти сверкающий
момент озарения, который пережила в детстве. Ее невероятно поразило то, что
на Луне существовала жизнь: микроскопическая жизнь, какая-то бактерия, под-
севшая на попутку к первым автоматическим зондам. Она пережила годы голодовки
в вакууме, невероятный холод, несусветную жару и непрекращающийся град жест-
кой радиации.
Тогда она поняла: жизнь может вынести что угодно. Тогда это дало ей надежду
— Думаю, внутри меня что-то есть, — сказала она теперь. — Думаю...
Что-то коснулось ее ноги.
Рука ударила почти рефлекторно. Кулак Лени сомкнулся вокруг запястья подро-
стка.
Тот пытался стянуть газовую дубинку, висящую у нее на бедре.
— А, — протянула Кларк. — Вот так, значит.
Мальчик уставился на нее, окаменев.
Она повернулась к Амитаву: парень хныкал и извивался в ее хватке.
— Дружок твой?
^~ л, Э • • •
— Небольшой отвлекающий маневр, да? Духу не хватает на меня наехать, от
взрослых приятелей помощи не дождешься, значит, решил использовать молокосо-
са? — Она дернула мальчика за руку: тот вскрикнул.
Спящие заворочались во сне, никто даже не пробудился, настолько все привык-
ли к постоянному шуму.
— А почему тебя это волнует? — зашипел Амитав. — Ты же сама сказала, это
даже не оружие. Я что, идиот, верить в такую чушь, когда ты тут размахивала
ей, как ятаганом? Что это? Разрядник? Шокер?
— Я тебе покажу.
Лени склонилась, все еще не отпуская ребенка. Деполяризующее лезвие высту-
пило из кончика перчатки серым ногтем: от его прикосновения ножны на бедре
распались, словно взрезанные скальпелем. Дубинка легко скользнула в руку: ту-
пой черный жезл с флуоресцирующим кольцом у основания рукоятки.
Амитав поднял руки, неожиданно решив ее успокоить:
— Совершенно не нужно...
— Нет, нужно. Ну, давай, подойди поближе.
Индус сделал шаг назад.
— Она срабатывает при контакте, — пояснила Кларк. — Впрыскивает газ под
давлением. Очень удобная штука на рифте, где местная фауна так и норовит тебя
сожрать.
Лени сдвинула предохранитель и ткнула наконечником жезла прямо в песок.
Пляж взорвался с таким треском, словно оказался в эпицентре громового рас-
ката.
Вселенная звенела, как камертон. Лени лежала там, куда ее отбросил взрыв.
Лицо жгло, будто его обработали пескоструйным аппаратом.
Веки слиплись. Кажется, прошло немало времени, прежде чем она сумела их
поднять.
Неподалеку зиял кратер диаметром три метра, уже заполненный грунтовыми во-
дами.
Кларк поднялась на ноги. Вся Полоса вскочила в одну секунду, отбежала
прочь, повернулась и застыла кругом ошарашенных и испуганных лиц.
К своему удивлению, Лени все еще сжимала в руке дубинку.
Она взглянула на устройство с тупым недоверием. Кларк использовала его
больше раз, чем могла сосчитать. Когда очередной монстр с источника намере-
вался ее расчленить, она парировала, прижимала дубинку к рыбьей туше и наблю-
дала за тем, как хищник раздувался и взрывался от ее прикосновения. Глубоко-
водному населению дубинка несла смерть, но взрывов такой силы она прежде не
давала. По крайней мере, не там, внизу, на...
«Ох, ты черт! На рифте».
Ее настроили так, чтобы она била насмерть на дне океана, где давление в
пять тысяч паскалей казалось лишь нежным хлопком. Там дубинка представляла
собой довольно действенное оружие.
На суше, без всех этих атмосфер, напирающих в ответ, она превращалась в
бомбу.
— Я не хотела... Я думала... — Кларк огляделась. Бесконечная линия лиц ус-
тавилась на нее в ответ.
Амитав растянулся на противоположной стороне кратера. Он стонал, прижав ру-
ку к лицу.
Мальчик исчез.
Палочник
Раскат грома посреди ночи. Что-то взорвалось рядом с циркулятором Кальвина
к югу от Грейс-Харбор. «Овод» летел вдоль мыса на юг; детонации он не увидел,
зато слух имел хороший. Послал сигнал тревоги на базу и ринулся на разведку.
Перро была на дежурстве. Она перешла на ночную смену в день, когда узнала,
что русалки выходят на берег по ночам. (Муж, недавно узнавший об особых по-
требностях жертв виртуального посттравматического синдрома, принял перемену
без жалоб.) И теперь она скользнула в перцепционную сферу «овода» и оценила
положение.
В межприливной зоне зиял неглубокий кратер. Оттуда шел сигнал: хаотические
сплетения жара и биоэлектричества, беспокойные, словно перепуганный скот.
Перро сузила электромагнитный спектр до усиленного в зрительном диапазоне:
зарницы превратились в волнующуюся серую массу людей.
На Полосе существовали свои собственные районы, стихийно образующиеся гетто
внутри гетто. Здесь, например, жили в основном те, кто прибыл с Индийского
субконтинента; Перро выставила базовые фильтры на пенджабский, бенгальский и
урду и начала задавать вопросы.
Да, взрыв. Причины никто точно не знал. Некоторые говорили, что кто-то кри-
чал, спорил. Мужчина, женщина, ребенок. Слышали обвинения в краже. А потом,
неожиданно, раздался бабах.
После этого все проснулись, попытались убраться подальше. Женщина размахи-
вала каким-то шокером, похожим на дубинку. Толпы держались в отдалении. В
круге с ней находился мужчина, лицо все в крови. Злой. Встал прямо напротив
нее, словно и не заметил оружия в руке. Все согласились, что ребенок к тому
времени исчез. Кто этот мальчик, никто не знал.
А вот взрослых запомнили все. Амитава и русалку.
— Куда они пошли? — спросила Перро; «овод» передавал слова с монотонным
бесстрастием.
В океан. Русалка всегда уходит в океан.
— А другой? Этот Амитав?
За ней. С ней. В океан.
Около десяти минут назад.
Перро направила бота резко вверх, получив панораму Полосы с пятидесятимет-
ровой высоты. Беженцы растворились броуновской ордой; пробиваясь сквозь тол-
пу, один человек не мог опередить волны движения, распространяющиеся по люд-
скому столпотворению. Вот: едва различимая, угасающая цепь колебаний, соеди-
няющая кратер с линией прибоя. Частицы клубились, недавно встревоженные ка-
ким-то целенаправленным движением.
Су-Хон спикировала к кромке воды. Обращенные к небесам лица, серые и свер-
кающие в светоуловителях, следили за ее курсом, словно подсолнухи, поворачи-
вающиеся за солнцем.
Кроме одного, он находился довольно далеко, по колено в пенистых волнах, и
без оглядки бежал на юг.
Перро увеличила картинку: никаких механических частей в грудной клетке. Не
русалка. Хотя были и другие аномалии. Она преследовала скелет, абсурдно исто-
щенный пережиток тех времен, когда недоедание было характерной особенностью
всех беженцев.
С голодом на Полосе разобрались много лет назад. Этот же решил уморить себя
сам. По политическим причинам.
Неудивительно, что теперь он кинулся в бегство.
Перро отправила «овода» в погоню. Тот пролетел мимо добычи через несколько
секунд, шустро развернулся и резко снизился, блокируя ей путь. Су-Хон врубила
прожекторы и пришпилила беженца к земле спаренными лучами ослепляющего гало-
гена.
— Амитав, — сказала она.
• * *
Разумеется, она о таких слышала. Попадались они редко, но не слишком, а по-
тому им даже дали прозвище «палочники». До сих пор Перро никогда не видела ни
одного из них вживую.
Индус. Запавшие глаза, напоминающие озера мрачных теней. Кровь каплями про-
ступала на лице. Он поднял руку, закрывшись от света: свежая стигма на ладони
сочилась красным. Конечности, суставы, пальцы, остроконечные и угловатые, как
у оригами, проступали из-под порванной одежды. На подошвы вместо обуви спреем
нанесен слой пластика.
Океан отрезал ему путь к отступлению справа; полосники с любопытством на-
блюдали со всех сторон, держась подальше от разлива галогенного сияния. Па-
лочник напрягся, застыл, выбирая между равно бессмысленными попытками бежать
или атаковать.
— Расслабьтесь, — сказала Перро. — Я просто хочу задать вам несколько во-
просов .
— А. Вопросы от полицейского робота, — протянул он. Тонкие губы обнажили
коричневые зубы, сверкая окровавленными трещинами. Циничная ухмылка. — Гора с
плеч упала.
Су-Хон моргнула:
— Вы говорите по-английски.
— Это не самый редкий язык. Хотя сейчас и не такой модный, как французский,
правда? Что вам нужно?
Перро отключила переводчика:
— что ТуТ произошло?
— Волноваться не о чем. Ваши машины не повреждены.
— Меня не интересуют машины. Произошел взрыв.
— Ваши замечательные механизмы не обеспечивают нас взрывчаткой, — заметил
Амитав.
— Здесь была женщина, дайвер. И ребенок.
Палочник сердито взглянул на «овода».
— Я просто хочу знать, что случилось г — сказала ему Перро. — Я не желаю вам
зла.
Амитав сплюнул:
— Разумеется, нет. Вы ведь меня ослепили, чтобы глаза проверить, да?
Су-Хон вырубила прожекторы. Черно-белый пейзаж поблек до серого.
— Спасибо, — спустя какое-то время произнес беженец.
— Скажите мне, что произошло.
— Она сказала, это случайность.
— Случайность?
— Ребенок... У Кларк был этот... Я не уверен насчет слова.. . этот жезл. На
ноге. Она называла его «дубинкой».
— Кларк.
— Ваш дайвер.
«Кларк».
— А ее имя вы знаете?
— Нет, — хмыкнул Амитав. — Хотя вот Кали ей подошло бы.
— Продолжайте.
— Ребенок, он... попытался украсть эту дубинку. Пока мы... разговаривали.
— И вы его не остановили?
Индус нервно переступил с ноги на ногу:
— Мне кажется, она пыталась показать мальчику, что дубинка — опасная вещь.
И преуспела. Я сам отлетел. И эта штука оставляет следы.
Он улыбнулся, еще раз подняв руки ладонями вверх. Освежеванная плоть, соча-
щаяся кровь.
Амитав замолчал и посмотрел в сторону океана. Перспектива у Перро слегка
закачалась от легкого бриза, словно «овод» кивал.
— Я не знаю, что случилось с ребенком, — наконец признался Амитав. — Когда
я смог встать на ноги, он уже исчез. Кларк его тоже искала.
— Кто она? — мягко спросила Перро. — Вы ее знаете?
Он опять сплюнул:
— Она бы так не сказала.
— Но вы видели ее раньше. И сегодня встретились не в первый раз.
— О да. Ваши домашние животные, — он посмотрел на остальных беженцев, — они
приходят ко мне, когда надо проявить инициативу. И вот они мне сказали, где
русалка, чтобы я отправился к ней и разобрался.
— Но вы каким-то образом связаны друг с другом. Вы — друзья или...
— Мы — не овцы. Вот и все, что у нас есть общего. А здесь этого вполне дос-
таточно .
— Я хочу узнать о ней больше.
— Мудрое решение, — ответил Амитав, чуть понизив голос.
— Почему вы так думаете?
— Потому что она выжила после того, что с ней совершили, и знает, что это
сделали вы.
— Я ничего не делала.
Палочник пренебрежительно махнул рукой:
— Это неважно. Она все равно за вами придет.
— Что случилось? Что с ней сделали?
— Она точно не сказала. И практически ничего не объяснила. А иногда она го-
ворит о чем-то, но вроде как обращается к тем, кого здесь нет. По крайней ме-
ре, не к тем, кого вижу я. Но из-за них она очень расстраивается.
— Она видит призраков?
Амитав пожал плечами:
— Тут призраки — дело вполне обычное. Я и сейчас с одним разговариваю.
— Вы знаете, что я — не призрак.
— Возможно, не настоящий. Но вы вселяетесь в машины.
Су-Хон поискала фильтр, чтобы поправить ситуацию, но подходящий найти не
смогла.
— Она сказала, что вы вызвали землетрясение, — неожиданно признался Амитав.
— Сказала, это вы послали волну, которая тут стольких убила.
— Это просто смешно.
— Ну, уж вы бы о таком знали, правда? Ведь ваши лидеры всегда делятся таки-
ми планами с пилотами механических насекомых?
— Зачем кому-то такое делать?
Индус пожал плечами:
— Спросите Кларк. Если найдете.
— А вы можете мне в этом помочь?
— Конечно, — он ткнул в сторону Тихого океана. — Она там.
— Вы с ней еще встретитесь?
— Не знаю.
— А если это случится, мне не сообщите?
— А даже если бы я захотел, как мне это сделать?
— Су-Хон.
— Не понял.
— Это мое имя. Су-Хон. Я могу запрограммировать «оводов» на распознавание
вашего голоса. Если они услышат, что вы меня зовете, то дадут знать.
— Вот как, — протянул Амитав.
— Вы согласны?
Беженец улыбнулся:
— Не звоните нам. Мы вам позвоним.
Приглашение
на танец
В Саут-Бенде русалка убила человека.
Залив Уиллапа раскалывал Полосу, словно язва шириной в двадцать километров.
Официальное наблюдение за этим разломом не было рассчитано на тех, кто дышал
по желанию. Теперь же берег остался в пятнадцати километрах позади Лени. На
таком расстоянии цунами сбили уходящие в океан мысы и большой, усеянный пнями
остров, цистой закупоривший бухту. От Большого Толчка здесь осталась одна
дрожь. Разруха и запустение имели исключительно местные причины.
Кларк появилась после полуночи на темном, изъеденном городском берегу, уже
давно заброшенном из-за ползучей заразы толуола, начавшейся еще в конце про-
шлого века. Нервные припозднившиеся прохожие заметили амфибию на краю город-
ского центра и ускорили свой путь из точки А в точку Б. Когда Кларк в послед-
ний раз ходила по цивилизованным улицам, на каждом втором урлу висели раздат-
чики бесплатных запястников: вялая подачка тем, кто желал вооружить массы,
обеспечив им доступ к информации. Тут их не было. Только чудом сохранившаяся
телефонная будка стояла на страже в светящихся сумерках. Лени сделала запрос.
Будка ответила, что Кларк находится «здесь». А Ив Скэнлон живет «там», в
трехстах километрах на северо-восток.
Конечно, он ее не ждет. Кларк растворилась в темноте. Безучастные камеры
наблюдения низвели ее до мимолетного скопления инфракрасных пикселей.
Лени осторожно спустилась по бетонному склону к маслянистой воде. Кто-то
окликнул ее, пока она доставала ласты: приглушенные знакомые звуки доносились
из заброшенного здания таможни.
Так иногда трещали гнилые сваи. А еще такое бывало, когда по ребрам пинали
ботинками. В горле Кларк застрял ком. Человеческое тело можно ударить бес-
счетным количеством предметов, и каждый издавал разные звуки. Столько разных
звуков, что и не сосчитать.
Вот что-то едва уловимое, больше похожее на всхлип, а не слова:
— Блин, чувак...
Приглушенное гудение электрического разряда. Стон.
Дорожка протянулась вдоль разрушенного здания; вдоль нее кучами громоздился
мусор, поджидая жертву, не наделенную ночным зрением. С другой стороны дома
из берега торчал пирс на деревянных сваях. На нем стояли двое: мужчина и жен-
щина . Еще четверо лежали, дергаясь, у их ног. На пирсе спал полицейский
«овод» — к счастью, отключенный.
Конечно, формально это было не нападение. Оба преступника носили униформу и
значки, дававшие им законное право бить кого вздумается. Сегодня они выбрали
блюдо из подростков, валявшихся теперь на досках, усеянных пятнами креозота,
подобно выпотрошенной рыбе. Тела сводило нервными судорогами от разрядов шо-
ковой дубинки; на пинки по ребрам они и вовсе не реагировали. До Кларк доно-
сились обрывки разговора между униформами, что-то о нарушении комендантского
часа и нелегальном использовании Водоворота.
А также о проникновении на закрытую территорию.
— На государственную собственность, не меньше, — заметил мужчина, щедрой
рукой обводя пирс, сваи, заброшенный офис, Кларк...
«Твою мать, у них же приборы ночного видения, у обоих...»
— Эй, ты! — Полицейский сделал шаг в сторону здания, указывая дубинкой в
тень, где она лежала у всех на виду. — А ну отойди от дома!
Было время, еще не так давно, когда Кларк подчинилась бы, не задумываясь.
Она бы повиновалась приказам, зная, что ее ждет, так как уже давно выучила
один закон: с насилием можно справиться единственным способом — надо за-
ткнуться и переждать. Конечно, будет больно. В этом весь смысл. Но всяко луч-
ше, чем хроническая тошнота и ожидание, когда перерывы между избиениями тя-
нутся бесконечно, и тебе остается лишь одно — ждать неизбежного.
Еще совсем недавно она бы просто убежала. Или отступила. Сказала бы себе,
что это не ее дело, и ушла, не выдав себя. Она поступила именно так, когда
Майк Брандер, так и не получивший шанса отомстить тем, кто превратил его дет-
ство в ад на суше, нашел удобную замену в лице Джерри Фишера. «Не мое дело»
было у руля, когда по станции «Биб» разносились яростные крики Брандера и
хруст костей Фишера. И когда Брандер, смена за сменой, дежурил перед воздуш-
ным шлюзом, не давая Фишеру нормально вернуться внутрь. В конце концов Джерри
иссяк, превратился из мужчины в ребенка, а потом и вовсе в рептилию — пустое
расчеловеченное ничтожество, живущее на окраине рифта. И даже тогда это Лени
не касалось.
Но теперь Фишер умер. Да и Кларк тоже, если на то пошло. Погибла вместе с
остальными: Элис, Майком, Кеном, Джерри. Все они превратились в обжигающий
пар. Все умерли, и теперь, когда камень откатили от входа в пещеру, а в воз-
духе прозвенели слова «Лазарь! Выйди вон!», вовсе не друзья Лени Кларк вос-
стали из могилы. И даже не она сама. Не мягкотелая и убогая профессиональная
жертва давным-давно ушедших дней. Не мутная куколка, созревавшая на рифте.
Нет, на свет появился какой-то свежевыкованный, омытый кислотой, добела рас-
каленный метаморф Лени, никогда не существовавший прежде.
И теперь Кларк столкнулась со знакомым образом — с властью, с командиром,
отдающим приказы, с тем, кто с удовольствием пользовался законным правом вер-
шить над ней насилие. И когда он бросил ей вызов, она не сочла нужным подчи-
ниться. Лени больше не казалось, что таких ситуаций лучше избегать.
Для Кларк второй модели его приказ прозвучал как долгожданное приглашение
на танец.
Пиксельмэн
ВСС5932 ИНИЦИИР. ФАКТОР / ПЕРЕХВАТ ПЕРЕДАЧИ
Класс объекта: пакет данных (доброкач.)
Вид объекта: лич. переписка (важность: невысок.) / пакет: 7 из 23 / рас-
шифр. голосового сообщения Источник объекта: поврежден Назначение объекта:
множественное (см. копии)
КРИТЕРИЙ ИЗЪЯТИЯ: ВЫЯВЛ. ИНИЦИИР. ФАКТОРЫ В 255-СИМВ. ДИАПАЗОНЕ НАЧ./КОН.
НАЧАЛО ОТРЫВКА
этой штукой мы попадем рано или поздно. Металла многовато, если понимаешь,
о чем я. Но пока нас с ней еще не застукали.
А вот пару дней назад замели нас совсем по другому поводу. И тут нам повез-
ло встретить настоящего ангела мщения. Без дураков. Лени Кларк — так ее зва-
ли. Мы-то сами виноваты, глупо вышло. Не проверили на утечки, когда залогини-
лись. В общем, lesbeus, тут же лавочку накрыли, заловили всех, кроме Хаджа
[Расшифровка имени может быть ошибочной] да меня, а что нам было делать?
Только бежать. Короче, положили всех мордой в пол, и вдруг из ниоткуда появи-
лась эта К-отборщица, на вид прям как эти старые литтвари с зубами, ну ты
знаешь, вампиры. Вся в черном и с такими толстенными контактами, в жизни та-
ких не видел, толще, чем у lesbeus. За ними и глаз почти не видно. В общем,
выходит она из тени и идет прямо на копов.
По идее, она и двух секунд не должна была продержаться. В смысле она будто
шокеров и не заметила. Этот ее костюм вряд ли пропускает ток, но тем не ме-
нее. А она еще и не очень крупная, понимаешь? Копы принялись ее реально фига-
чить, а она просто терпит, и все. Типа такое постоянно случается, дело житей-
ское . Может, конечно, она от этого реально тащилась, типа ловила кайф, что
ли.
В общем, обхватывает она руками это накачанное антитело и толкает его, и
они улетают с пирса, а когда касаются воды, запускаются стерилизаторы — ре-
ально странно, что эти штуки до сих пор работают, здесь лодок годами не было,
— и вода начинает мерцать таким холодным радиоактивным светом, и какие-то
всплески слышатся, а потом раздается такой громкий «умф», и вздувается огром-
ный пузырь из крови и кишок, а вода, прикинь, прям проржавела.
Она вроде как амфибия, одна из этих киборгов с рифта. Мы с ней потом встре-
тились , она вернулась забрать ласты, когда все утихло. Не спрашивай, что она
там делала посередь ночи. Много не говорила, а мы не настаивали. Дали ей еды,
припасов — она питалась из циркуляторов на Полосе, можешь себе представить?
Правда, судя по всему, это на ней мало сказалось. Я отдал ей свой запястник.
Она вообще ничего не слышала о комендантском часе. Пришлось показать, как об-
ходить таймлок. Думаю, когда так долго сидишь на дне океана, связь с реально-
стью нарушается. Правда, ей на это было явно наплевать. Видел бы ты этого
придурка. Они его выловили из воды как старую тряпку. Я бы приплатил, чтобы
увидеть его лицо, ну ты понимаешь, о чем я.
Я попытался ее отыскать, но всяких Лени Кларк в регистре-то навалом. Попа-
даний получилось до фига. Она, правда, упомянула свой родной город, но его я
тоже не смог найти. Парни, вы слыхали о таком месте — Биб?
В общем, одно понятно точно, она пока на свободе. Lesbeus, скорее всего, ее
ищут, но, ставлю пятьдесят квебаксов, не знают даже, как она выглядит под
всем этим снаряжением, уж не говоря про то, кто она такая. В смысле они нас-
то поймать не могут, хотя знают все, что нужно знать. Ну не все на самом де-
ле . Ладно...
КОНЕЦ ОТРЫВКА
КОД Бетагемот
Лени Кпарк/Биб ПОДТВЕРЖДЕНО
ДОБАВИТЬ УСЛОВИЯ ПОИСКА: амфибия/и, рифтер/ы, киборг/и
НАЛОЖИТЬ ШАБЛОН. ЗАНОВО УПОРЯДОЧИТЬ ТЕКСТ.
КОПИРОВАТЬ. ПЕРЕНЕСТИ.
РАСПРОСТРАНИТЬ.
Третье лицо, вид
глазами персонажа
Конечно, Перро не нуждалась в разрешении Амитава. Она бы и так запрограмми-
ровала «оводов» на его распознавание. А еще запустила облако «москитов», кро-
шечных летающих сенсоров, размером не больше рисового зернышка. Мозгов у них
не было, но они могли себе позволить такое существование и всю принятую теле-
метрию передавали «оводам» для настоящего анализа. Это повышало охват в разы,
по крайней мере, пока не выдыхались батареи.
Правда, затея все равно походила на игру в кости: Амитав должен был ока-
заться в пределах прямой видимости «овода» или «москита», когда Перро подаст
сигнал, а для установления личности требовался достаточно хороший обзор.
Только при такой давке на Полосе никакой надежностью тут и не пахло. Палочник
мог легко спрятаться, если бы пожелал.
И все-таки. Лучше малые шансы, чем никакие.
Су-Хон закончила поздний ужин, сидя за столом напротив мужа, и почти мимо-
ходом заметила его тоскливый, безнадежный и внимательный взгляд. Марти ста-
рался как мог — давал ей пространство, поддерживал. Ждал того обещанного мо-
мента , когда шок пройдет, ее защита спадет и Перро понадобится помощь, чтобы
собрать воедино осколки разбившейся жизни. Время от времени Су-Хон искала в
себе следы этого неминуемого распада и ничего не находила. Конечно, антиде-
прессанты все еще действовали, даже когда от шока нервная система выработала
на них частичный иммунитет; но таблеток не хватало. Сейчас она уже должна бы-
ла что-то чувствовать.
Так и получилось. Она нечто чувствовала. Напряженное, страстное и всепогло-
щающее любопытство.
Перро протянула через стол руку, сжала ладонь Мартина, а потом направилась
в рабочий кабинет. До начала смены оставалось еще полчаса, но никто на участ-
ке не станет возражать, если она заступит пораньше. Су-Хон скользнула в крес-
ло — любимый антиквариат с широкими ручками и обивкой из настоящей кожи, —
потянулась за шлемофоном, но тут рука мужа легко легла ей на плечо.
— Почему она столько для тебя значит? — спросил он. В первый раз зашел в
кабинет после срыва.
— Марти, мне надо работать.
Он не ушел.
Перро вздохнула и развернулась, чтобы взглянуть мужу в лицо.
— Я не знаю. Наверное, дело... в загадке. Тайне. В чем-то, что можно ре-
шить .
— Не только в этом.
— Да почему? Зачем еще что-то выдумывать? — В ее голосе послышалось раздра-
жение . Увидев по лицу Мартина, как это его задевает, она перевела дух и попы-
талась еще раз: — Я не знаю. Просто... люди по отдельности мало что значат, а
вот она. . . она производит впечатление, понимаешь? По крайней мере, там, на
Полосе. Что-то делает ее важной...
Мартин покачал головой:
— Ты нашла себе ролевую модель?
— Я не говорила...
— А ведь она может быть кем-то совсем другим, Су. Что, если она — беглянка?
— Что?
— Неужели ты об этом не думала? Кто-то из Северной Америки, не обычная бе-
женка. Почему она не уходит с Полосы? Почему не хочет вернуться домой? От че-
го прячется?
— Не знаю. Вот почему это тайна.
— Она может быть опасна.
— Для кого? Для меня? Она находится на берегу! И даже не подозревает о моем
существовании!
— И все-таки. Ты должна доложить руководству.
— Возможно. — Перро демонстративно повернулась обратно к столу. — Мартин,
мне надо работать.
Раньше он так легко не сдавался. Но теперь прекрасно играл назначенную
роль, пройдя подготовку у шести врачей. «Ваша жена пережила чрезвычайно трав-
мирующее событие. Она очень уязвима. Ей надо двигаться со своей собственной
скоростью.
Не подталкивайте ее».
И он не подталкивал. Иногда Су-Хон даже чувствовала себя виноватой из-за
того, что пользуется этим ограничением, но большую часть времени наслаждалась
убаюкивающими объятиями шлемофона и мгновенным, точным контролем над тем, что
она воспринимала или не воспринимала, над...
— Твою же мать, — прошептала она.
С левой стороны зрительного поля вспыхнул сигнал тревоги. Один из «оводов»
подцепил рыбешку. Причем клюнула не какая-то мелочовка, а огромный хищник.
Бот парил меньше чем в трех метрах от цели.
И в этот раз на крючок попался не Амитав. Брак плоти и механизмов. Женщина
с шестеренками внутри.
* * *
Глубокая ночь, бесконечная облачная гряда. За черной водой Полоса сияла от-
даленными размытыми отблесками прожекторов и обогревателей. Перро запустила
светоуловители.
Русалка сидела прямо впереди, на иззубренном рифе в ста пятидесяти метрах
от берега. Океан, искрящийся микроорганическим свечением, пытался прогнать
ее, столкнуть. Риф выступал из волн на целый метр, и мириады крошечных водо-
падов сбегали по его бокам; когда же вода поднималась, русалка сама станови-
лась круглым темным камнем, едва различимым в мерцающей пене.
Женщина поднялась на ноги. Вокруг дыбился прибой, добираясь до колен, она
покачнулась, но не упала. Ее лицо походило на бледный овал, нарисованный на
черном теле. Глаза же казались еще бледнее. Они смотрели в сторону парящего
«овода».
Но, казалось, не замечали его.
Русалка понурилась, теперь глядя прямо перед собой. Гладкая и лоснящаяся
рука цвета эбенового дерева протянулась вперед, пальцы напряглись: так могла
бы нащупывать что-то слепая. Рот Кларк двигался. Слова заглушал рев океана.
Перро вывернула фильтры на полную мощность. Звуки воды оборвала тишина. Оста-
лись лишь крики чаек вдалеке да несколько слогов:
— Нет... Я не. . .
Перро убрала высокие частоты. Теперь русалка стояла на полностью безмолвном
плато, а вокруг беззвучно грохотал Тихий океан.
— Ты никогда так не делал, — сказала она. Онемевший прилив вздымался между
ее ног1. Пальцы русалки сомкнулись вокруг пустоты. Вид у нее был удивленный.
Еще одна волна омыла риф. Женщина покачнулась, выпрямилась, сразу сжав ла-
дони в кулаки.
— Папа, — почти шепот.
— Мисс Кларк, — произнесла Перро. Русалка не отреагировала.
«Да, точно. Прилив».
Су-Хон повысила громкость, попробовала снова:
— Мисс Кларк.
Голова русалки дернулась вверх:
— Ты! Что такое?
— Мисс Кларк, я...
— Что-то в еде? Какой-то галлюциноген? Да?
— Мисс Кларк, я не понимаю, о чем вы...
Русалка улыбнулась, уродливо оскалив зубы под холодными пятнами белых глаз.
— Замечательно. Я все выдержу. Делайте что хотите.
— Мисс Кларк...
— Ни хрена вы мне не сделаете. Вы еще дождетесь.
Тихий океан безмолвно нахлынул сзади и в мгновение ока смахнул ее с рифа.
Камеры поймали последний стоп-кадр: поднятый кулак, мелькнувший над кипящей
водой. А потом он пропал.
«Ни хрена вы мне не сделаете. Вы еще дождетесь».
Су-Хон знала, что лично ей терпения не хватит.
Прилипала
Открываясь, шлюз застонал, словно ворота железного собора. В этом звуке
таились землетрясения, искореженный металл, небоскребы, мучительно ворочаю-
щиеся на собственных осях. Волна лениво оттолкнула мусор прочь от массивных
створок.
А изнутри этого звука нарастал еще один: шум трехлопастных винтов, взрезав-
ших воду.
Лени примостилась метрах в двухстах от берега, посреди прорытого через дно
шрама, ведущего на глубоководье. Торговые суда Грейс-Харбор проходили прямо
над головой. Сейчас она уже достаточно наловчилась, и план мог сработать.
Кларк поднялась на несколько метров от дна; новый ранец немного сковывал дви-
жения и тянул вниз, но она уже начала к нему привыкать. Пульсирующее эхо,
идущее от приближающегося судна, коснулось имплантатов. Неожиданно мутная во-
да зловеще потемнела — сначала справа, а потом и сверху.
Поток отбросил Лени назад. Мгновение спустя из мглы наискось вынеслась чер-
ная стена, усеянная заклепками, и устремилась дальше, заполнив собой весь
океан. В воде повисло шипение приближающихся винтов.
Пока что ей везло, ни один из кораблей в нее не врезался. Лени знала, что
шансов на это мало — от носовых волн весь мусор разлетался от корабля, — но
такие утешительные озарения приходили только во время затишья на дне. Сейчас
же, когда размытый движением металлический утес проносился мимо на расстоянии
руки, Лени приходили в голову мысли исключительно о мухобойках.
Она вынырнула на поверхность; черная, местами ржаво-красная мерцающая гора
неожиданно приобрела четкость и превратилась в огромную дугу, затмевающую три
четверти неба. Перевозчик льда — их еще называли «ковбоями». Лени повернулась
лицом к приближающейся корме. Прямо к ней мчалось ребро металлической лопа-
сти, наклоненной под углом вниз и выступающей из корпуса судна. Вода бурлила
там, где она рассекала океан.
Транцевая плита1. На ней можно было бесплатно прокатиться, но она могла и
голову снести. Если держаться у поверхности — чуть ниже той точки, где металл
резал волны, — кончик лопасти пройдет прямо под Лени. И тогда у нее появится
буквально доля секунды, чтобы ухватиться за входящую кромку.
И от силы десять, чтобы занять позицию.
Почти получилось.
Правой рукой Кларк ухватилась за лопасть, но другой не смогла: из-за бол-
танки та соскользнула. Плита пролетела мимо, прихватив с собой руку Лени, ко-
торая натянулась, как тетива, и плечо с хрустом вышло из сустава. Кларк попы-
талась закричать. Заводненное тело амфибии убило звук в зародыше.
Она потянула левую руку вперед. Инерция отшвырнула ту прочь. Лени попыта-
лась снова. Мышцы в месте травмы кричали от ярости. Пальцы ползли вдоль по-
верхности плиты, против потока, и наконец, найдя входящую кромку, рефлекторно
сжались.
Плечо встало на место. Вечно недовольное мясо снова завопило.
Каскад воды и пены пытался стряхнуть Кларк с корабля. «Ковбой» шел еле-еле,
и она едва держалась, а ведь на борту прибавят скорость, как только пройдут
последнюю отметку фарватера.
Лени понемногу взбиралась по скату. Морская вода истончилась до брызг; и
вот Кларк взобралась на плиту целиком и распласталась возле корпуса судна,
потом вскрыла лицевой клапан: легкое расправилось с усталым вздохом.
Плита уходила вниз под углом примерно в двадцать градусов. Кларк спиной
оперлась о корпус и подняла колени, ступни разместив на скате. Теперь она
безопасно закрепилась в добрых двух метрах от воды; ласты давали достаточно
сцепления, чтобы не соскользнуть в океан.
Мимо проплыл последний буек фарватера. Судно начало набирать скорость.
Кларк одним глазом поглядывала на берег, а другим — на навигационную панель,
где уже сменялись данные.
Наконец-то. Хоть этот корабль поворачивал на север. Лени расслабилась.
Полоса медленно скользила мимо на фоне позвоночных шипов восточных башен.
На таком расстоянии Кларк едва различала движение на берегу, максимум какие-
то размытые пятна. Облака бескрылых мошек.
Лени вспомнила об Амитаве, анорексике. О единственном, у кого хватило муже-
ства выйти вперед, и открыто признать то, что он ее ненавидит.
Она пожелала ему удачи.
Поджигатель
Умные гели всегда немного пугали Дежардена. Люди представляли их чем-то
вроде мозгов в коробочках, но сильно ошибались. Зельцы не имели составных
1 Транцевые плиты — пара пластин, установленных поперёк нижней части плоской кормы
судна как продолжение дна судна. Они на ходу меняют гидродинамику нижней части суд-
на, исправляя его посадку. Транцевые плиты снижают кормовой угол атаки, ускоряют
время прохода горба сопротивления, нивелируют колебания корпуса и увеличивают безо-
пасность движения.
частей, никакого мозжечка или неокортекса — у этих фиговин вообще ничего не
было. Ни гипоталамуса, ни эпифиза, ни подарков от эволюции, наслоившей поверх
рыбы сначала рептилию, а потом млекопитающее. Гели не ведали инстинктов, же-
ланий и были всего лишь кашей из культивированных нейронов, не более того:
этот разум с четырехзначным коэффициентом интеллекта плевал на то, жив он или
мертв. Каким-то образом они учились методом проб и ошибок, хотя им не хватало
способности наслаждаться поощрением и страдать от наказания. Ход их мыслей
формировался и распадался с бесцветным равнодушием воды, создающей дельту ре-
ки.
Но Дежардену пришлось признать — у них были свои преимущества. В схватке с
зельцем у фауны не оставалось ни единого шанса.
Конечно, дикая природа пыталась. Но экосистемы Водоворота развились в мире
кремния и арсенида — несколько сотен типовых, бесконечно повторяющихся опера-
ционных систем. Предсказуемые реестры и адреса. Исчислимая и воспроизводимая
среда против куска думающего мяса в постоянном движении. Даже если какая-
нибудь акула и умудрилась бы постичь такую архитектуру, дальше ей хода не бы-
ло . Гели перепаивали себя с каждой новой мыслью: какой толк от карты, когда
постоянно изменяется ландшафт?
По крайней мере, так гласила теория. А ее доказательством служил глаз ци-
клона, смотрящий прямо из сердца Водоворота. С самого рождения зельцы держали
его в чистоте — высокоскоростной компьютерный пейзаж без всяких червей, виру-
сов или цифровых хищников. Когда-то давным-давно вся сеть была такой же чис-
той. И возможно, когда-нибудь она снова такой станет, если гели оправдают на-
дежды. Пока же внутрь пускали лишь избранные два или три миллиона душ.
Это пространство называли Убежищем, и Ахилл там практически жил.
Сейчас он плел паутину в пустом углу своей игровой площадки. Биохимические
данные Роуэн уже отправились на машину Джовелланос: первым делом он послал ей
апдейт. Потом осмотрел бастионы, заглядывая через плечи бдительных гелей пря-
мо в Водоворот. Там сейчас находились артефакты, которые следовало аккуратно
пронести внутрь, помня о сверкающем паркете.
Для начала войти в архивы системы обзора земной поверхности. Если возможно,
получить ежедневные карты влажности почвы за прошедший год. (А в эти дни с
таким запросом можно было и пролететь. Неделю назад Дежарден попытался загру-
зить копию «Бонни Энн»1 из библиотеки и выяснил, что там начали стирать все
книги, к которым не обращались более двух месяцев. Старая добрая мантра: ог-
раничения по объему памяти.) Электромагнитные снимки полиэлектролитов и ком-
плексообразующих катионов. Многоспектральные данные по хлорофиллам, ксанто-
филлам и каротеноидам, а также по железу и азоту в почве. Ну и для полноты
картины — без особой надежды, впрочем, — отправить запрос в базу данных На-
ционального центра биотехнологической информации по недавним структурам, спо-
собным жить в реальном мире.
Роуэн говорила о соперничестве с первичными продуцентами. Значит, обыкно-
венные микробы могут вымирать: надо сделать спектральный анализ содержания
метана в почве. Распространение культуры потенциально ограничено температу-
рой; нужна картина теплового излучения с учетом альбедо и скорости ветра. Ог-
раничить все поиски многоугольником, простирающимся от Каскадных гор до бере-
га и от мыса Флэтгери до тридцать восьмой параллели.
Свести все нити воедино. Сжать сигнал, прогнав через обычный статистический
строй: пат-анализ, преобразования Больцманна, полдюжины видов нелинейного
оценивания. Дискриминантные функции. Фильтры Ханкинса. Метод главных компо-
нент . Данные интерферометрии на разных длинах волн. Гипернишевые таблицы
Линн—Харди. Повторить все виды анализа с взаимоизменяющимися задержками по
1 Энн Бонни (1697—1782) — пиратка ирландского происхождения.
времени в последовательности от ноля до тридцати дней.
Дежарден играл на пульте управления, как на музыкальном инструменте. Из
рассеянных облаков информации сгущались абстрактные формы, дразня, подмигива-
ли на краю зрения и исчезали, стоило на них взглянуть пристальней. Размытые
белые линии из десятков векторов переплетались, окрашивались, оборачивались
затейливыми фрактальными узорами...
Но нет. У этой мозаики показатель Р превышал 0,25, что нарушало изначальные
предпосылки гомоскедастичности. А от скромного показателя в уголке гессианы
начинали жутко психовать. Одна дефектная нить — и весь ковер расползался.
«Вырвать ее с корнем, обесцветить преобразования, начать с нуля...
Так , минуту».
Коэффициент корреляции -0,873. И что это такое?
Температура. Температура поднималась, как только уровень хлорофилла опус-
кался .
«Какого черта я не заметил этого раньше? Ах да. Вот тут. Задержка по време-
ни . Какого...
Какого...»
В ухе раздался тихий перезвон:
— Эй, Кайфолом. У меня тут что-то очень странное получается.
— У меня тоже, — ответил Дежарден.
•к * *
Кабинет Джовелланос находился совсем недалеко, в том же коридоре, но у две-
ри Ахилла она показалась лишь через несколько минут. Он сразу понял, почему
так долго, — в руке она держала кофеиновый шип.
— Надо спать больше, — заметил Дежарден. — Тогда не нужно будет столько
препаратов.
Элис подняла бровь:
— и это я слышу от человека, у которого полкровотока зарегистрировано в па-
тентном бюро.
Сама Джовелланос еще не подсела на уколы. В ее нынешней должности те не
требовались, но она слишком хорошо справлялась с работой, чтобы долго оста-
ваться на прежнем месте. Дежарден с нетерпением ждал того дня, когда правед-
ные речи о Неприкосновенности Свободы Воли напрямую столкнутся с юридическими
требованиями для продвижения по службе. Скорее всего, при первом же взгляде
на список бонусов и новую зарплату все убеждения Элис пойдут прахом.
В его случае, по крайней мере, все так и произошло.
Ахилл развернул стул к консоли и вывел на экран корреляционную матрицу:
— Взгляни. Хлоры идут вниз, а температура почвы растет.
— Высокое р-значение, — сказала Элис.
— Малый размер выборки. Не в этом дело: посмотри на временную задержку.
Она наклонилась вперед:
— Слишком широкие границы доверительного интервала.
— Задержка не последовательна. Иногда температура поднимается за пару дней,
а иногда — за пару недель.
— Это даже на закономерность не походит, Кайфолом. Любой...
— Попробуй угадать масштаб поражений, — перебил он.
— Там ведь сокращается растительный покров, так? — Джовелланос пожала пле-
чами. — Если предположить, что это все-таки реальный процесс, тогда, скажем,
полстепени? Четверть ?
Дежарден показал ей:
— Твою мать. Эта зараза становится причиной пожаров?
— Их что-то вызывает, так или иначе. Я просмотрел муниципальные архивы в
прибрежной зоне: все местные возгорания списывали или на террористические ак-
ты, или на «промышленные аварии». А парочка древесных ферм сдохла из-за како-
го-то сельскохозяйственного вредителя — листовертки или типа того.
Джовелланос подвинула Ахилла локтем, бегая пальцами по консоли:
— А что насчет других пожаров в зоне...
— Да их там куча. Даже если не выходить из области поиска, я нашел то ли
восемь, то ли девять, которые выпадали из корреляции. А связано с Б, но не
наоборот.
— Тогда это может быть случайностью, — с надеждой сказала Элис. — Может,
пожары вообще ни о чем не говорят.
— А может, кто-то выслеживает нашего паразита лучше, чем мы.
Джовелланос на секунду замешкалась с ответом, а потом произнесла:
— Тогда мы тоже сможем немного улучшить систему поиска.
Дежарден поднял голову, взглянув на нее:
— Да ну?
— Я исследовала образец, который нам дали. Нам явно не старались облегчить
задачу и, насколько могу судить, не оставили ни единой нетронутой органел-
лы. . .
Он махнул рукой:
— Для масс-спектрографа они все на одно лицо.
— Только если корпы не избавились от останков, когда превратили там все в
пюре.
— Разумеется, оставили. Иначе ты бы никогда не получила точную сигнатуру.
— Ну а я вот не могу найти половину из того, чему там положено быть. В этой
культуре даже фосфолипидов нет. Куча нуклеотидов, но они не подходят к матри-
це ДНК. Значит, твой паразит, скорее всего, базируется на РНК.
— Угу.
Пока без сюрпризов: множество вирусов прекрасно обходилось без ДНК.
— Я также сумела реконструировать несколько простых энзимов, но они все за-
деревенелые и вообще толком не работают, понимаешь? А, и вот еще что странно:
я нашла парочку D-аминокислот.
— О, — понимающе кивнул Дежарден. — И что это значит?
— Правовращающие аминокислоты. Асимметричные атомы углерода торчат не с той
стороны молекулы. Вроде самой обычной левовращающей кислоты, только перевер-
нутой .
Зеркальное отражение.
— И?
— И поэтому они бесполезны; все метаболические пути заточены под L-
аминокислоты, и только под них, по крайней мере, последние три миллиарда лет.
Существует парочка бактерий, которые используют R-аминокислоты, потому что те
бесполезны, — они их вставляют в собственные клеточные стенки, и те в резуль-
тате практически не перевариваются, — но у нас тут другой случай.
Дежарден уселся поудобнее:
— Значит, нашу штуку создали практически с нуля, ты это имеешь в виду? У
нас на руках еще один новый микроб.
Джовелланос с отвращением покачала головой:
— И эта дамочка из корпов тебе ничего не сказала.
— Может, она не знает.
Элис указала на окно с данными геоинформационной системы, выведенное поверх
остальной информации. Больше двадцати алых точек сверкали вдоль берега от
Гонкувера до Ньюпорта. Две дюжины крохотных аномалий в почвенной и водной хи-
мии. Неизвестный микроб более двадцати раз являлся на Землю и неизменно ста-
новился предвестником миниатюрного огненного апокалипсиса.
— Но кто-то явно знает, — сказала Элис.
Пепелище
Гонкувер зализывал раны.
Трусливый, город всегда прятался за островом Ванкувер и лабиринтом местной
батиметрии. Так он уберегся от худших последствий цунами. А вот землетрясение
— это совершенно другой вопрос.
В прежние времена, до эпохи Водоворота, удаленки и полузаброшенных бизнес-
центров , уровень смерти в деловых районах был бы в три раза выше. Теперь же
те, кто не уродил на вивисекцию, устроенную небоскребами, просто умерли ближе
к дому. Целые микрорайоны, построенные на гнилых осадочных породах в дельте
Фрейзера, задрожали и исчезли, превратившись в зыбучие пески. Ричмонда, Уайт-
Рока и Чиллиуэка больше не существовало. Дремавший вулкан Рейнир проснулся в
дурном расположении духа; свежая лава все еще текла по его южному склону.
Адаме же заволновался и вполне мог взорваться.
В центре Гонкувера ущерб оказался более разнородным. Улицы тянулись целыми
кварталами без единого выбитого окна. А потом, на каком-нибудь случайном пе-
рекрестке, мир превращался в месиво из рухнувших зданий и перевернутого ас-
фальта. Яркие желтые заграждения, поставленные после землетрясения, очерчива-
ли границы разрушений. Подъемники висели над темными районами, словно белые
кровяные тельца на опухоли. Свежие балки и панели спускались с небес восста-
новительными трансплантатами, латая кожу и кости города. Там, где они каса-
лись земли, ворчали в каньонах тяжелые машины.
В некоторых районах уже вполсилы наладилась жизнь, аварийные блоки Балларда
разворачивали в удобные подстанции. Уцелевшие строения и улицы, которые зем-
летрясение не отправило в Фолс-Крик, вычистили и запустили снова. Полевые
крематории изрыгали золу на углу Вест-Джорджии и Денмана, пока что на целый
шаг опережая холерный вибрион. В городе сейчас было больше заграждений, чем
зданий. Впрочем, уехать местные жители все равно не могли, УЛНКС закрыло гра-
ницу у ущелья Хеллс-Гейт.
Бенрэй Даттон пережил все.
Ему повезло: кондоминиум с его квартирой располагался в Пойнт-Грее, районе,
который походил на гранитный холм в море песка. От всех соседей ничего не ос-
талось, он же лишь слегка покосился.
Конечно, без ущерба не обошлось. Большинство домов у подножия рухнули; те
же, которые умудрились выстоять, пьяно накренились на восток. Из окон не про-
бивалось ни одного лучика света, уличные фонари не горели, хотя на город уже
спускалась ночь. На столбах сияли соединенные на живую нитку прожекторы, они
отделяли разрушенные дома от еще стоящих, но вид у них был какой-то оборони-
тельный. Они не несли свет руинам, а больше походили на защитный периметр,
выстроенный против них.
Именно они ослепили Даттона, когда сумасшедшая женщина вцепилась ему в гор-
ло, неожиданно выпрыгнув из теней.
Он застыл, не в силах двинуться с места. Холодные яркие глаза без зрачков —
ледники, обрамленные плотью. Лицо без всякого тела, почти столь же бледное,
как и глаза. Невидимые руки, одна сомкнулась вокруг его шеи, вторая уперлась
ему в грудь...
«... нет, не невидимые, она в черном вся в черном...»
— Что случилось?
— Что... что...
— Я не сдамся! — зашипела она, прижав Бенрэя к забору из проволочной сетки.
Ее дыхание клубами завивалось между ними, похожее на подсвеченный туман. — Он
же делал снимки, тысячи этих проклятых снимков, и я ему просто так не дам уй-
ти!
— Кто... Ты кто такая...
Неожиданно она остановилась, склонила голову набок так, словно только сей-
час увидела свою жертву. И задала глупый вопрос:
— А ты, блин, откуда взялся?
Она оказалась ниже Бенрэя сантиметров на пятнадцать, но по какой-то причине
мысль о том, чтобы дать ей отпор, ему в голову не пришла.
— Я не знаю, я... я просто домой шел, — выдавил из себя Даттон.
— Этот дом, — произнесла женщина. Ее глаза — какие-то приборы ночного виде-
ния? — казалось, сверлили его собственные.
— Какой дом?
Она опять швырнула его к забору
— Вот этот дом! — И мотнула головой в сторону чего-то за его левым плечом.
Даттон повернул голову: еще одна многоэтажка, не пострадавшая, но пустая и
темная.
— Этот? Я не...
— Да, именно он! Дом этого урода, Ива Скэнлона. Ты его знаешь?
— Нет, я... в смысле я тут вообще никого не знаю. Мы тут держимся...
— Куда он уехал? — прошипела она.
— Уехал? — переспросил Бенрэй слабым голосом.
— Квартира пустая! Вообще! Ни мебели, ни одежды, даже лампочек, и тех нет!
— Может... может, он уехал... землетрясение...
Незнакомка еще сильней вцепилась в одежду Даттона и наклонилась вперед: ка-
залось, еще немного — и они поцелуются.
— На его доме нет даже царапины! С чего он решил уехать? Да и как сумел? Он
— никто, ничтожество. Думаешь, он мог вот так легко собрать вещички и выйти
за линию карантина?
Даттон лихорадочно замотал головой:
— Я не знаю, честно, я не...
Несколько минут она пристально его разглядывала. Волосы у нее были мокрыми,
хотя дождя в тот день не шло.
— Я. . . я тебя не знаю, — пробормотала она чуть ли не про себя и медленно
разжала кулаки. Даттон привалился к забору.
Женщина отошла, давая ему место.
Этого он и ждал — и быстро скользнул рукой во внутренний карман пиджака.
Тазер ударил ее в ребра, прямо под странным металлическим диском, вшитым в
униформу. Такой заряд должен был ее обездвижить за долю секунды.
Вот только в эту секунду:
Она моргнула...
Резко подняла правое колено вверх. Само собой, Бенрэй носил гульфик, но все
равно больно было адски...
Быстро что-то вытащила из ножен, висящих на бедре...
Сумасшедшая сделала шаг назад, протянула руку. В двух сантиметрах от лица
Даттона застыл жезл цвета черного дерева с крошечным шипом на конце, похожий
на однозубую мамбу.
К боли в промежности неожиданно прибавилась теплая влага.
Женщина еле заметно, но жутко улыбнулась.
— Микроволновкой пользуешься, обыватель?
— Чт...что?
— Бытовыми приборами? Сенсориумом? Наверное, и горячее отопление зимой
есть?
Он кивнул головой:
— Да. Да, разумеется, я...
— Угу. — Мамба качалась над его левым глазом. — Тогда я ошиблась. Я тебя
все-таки знаю.
— Нет, — мямлил он. — Мы никогда. . .
— Я тебя знаю, — повторила она. — И ты мне должен.
Женщина передвинула большим пальцем какой-то рычажок на рукоятке жезла. По-
слышался тихий щелчок.
— Пожалуйста, — взмолился Даттон.
И, удивительное дело, его мольба не осталась без ответа.
* * *
Гонкувер по-прежнему оставался зоной бедствия; у полицейских была куча за-
бот, а потому они не обратили особого внимания на заявление о нападении непо-
нятного призрака, поступившее от какого-то перепуганного дебила. Тем не ме-
нее, сервер принял показания Даттона, когда тот позвонил. Там, понятно, сидел
не человек, но машина оказалась достаточно умна и задала уточняющие вопросы —
например, заметил ли он хоть что-нибудь — неважно что, — что могло вынудить
преступницу столь неожиданно прекратить нападение?
Нет.
Есть ли у него хоть какие-то соображения, почему она внезапно принялась
бормотать об отце? Имели ли ее слова о «монстрах» какой-то смысл в контексте?
Может, она была сумасшедшей, ответил Даттон. У вас не хватает квалификации
для постановки медицинских диагнозов, заметила машина.
Видел ли он, куда нападавшая скрылась? В деталях?
Просто вниз, по склону холма. Прямо к руинам, в сторону воды.
В одном Бенрэй был уверен точно: никогда и ни за что он бы не стал ее пре-
следовать .
Запасы
Кредитный союз ВанСити / Сервер транзакций
Н т АмПацифик.
Личные счета, Бродвей ATM-45,
50/10/05/0551
Начало транзакции:
Добро пожаловать в «ВанСити». Являетесь ли вы нашим клиентом?
У меня не получилось связаться с вами через запястник.
Запрет на удаленный доступ действует до десяти часов утра. В настоящий мо-
мент терминал может обработать исключительно транзакции, производимые на нем
самом.
Мы приносим вам извинения за неудобства. Являетесь ли вы нашим клиентом?
Лени Кларк.
Добро пожаловать, мисс Кларк. Пожалуйста, снимите свои роговичные накладки.
Что?
Мы не можем открыть ваш счет без сканирования сетчатки глаза. Пожалуйста,
снимите ваши роговичные накладки.
Спасибо. Сканирую.
Сканирование завершено. Спасибо, мисс Кларк. Вы можете проводить операции с
вашим счетом.
Какой у меня баланс?
$Q42 329,15
Я хочу загрузить все.
Понравилось ли вам обслуживание в «ВанСити»?
Нормальное.
Мы зарегистрировали запястник и подкожный денежный чип в левом бедре. Как
вы желаете осуществить распределение средств?
Сорок тысяч под кожу, остальное в запястник. Автоматический перевод всех
средств на чип, если я подвергнусь нападению.
Это условие не может быть определено. Ваш запястник не имеет встроенного
модуля биотелеметрии.
Тогда автоматический перевод по голосовому паролю.
Ваш пароль?
Т...тень
Пожалуйста, повторите пароль. Пожалуйста, повторите пароль. Пожалуйста...
Я же сказала: тень.
Пароль принят. Вы хотите осуществить какую-либо другую транзакцию?
(Неотчетливо.)
«ВанСити» благодарит вас за сотрудичество.
Конец транзакции.
• * *
Медкабина «Сире» 199 / Остров Грэнвилл / Гонкувер Голосовая запись транзак-
ции, 50/10/05/0923. (Результаты анализов сохранены отдельно.) Начало сессии:
Добро пожаловать в «Сире Медикал Сервисез».
Пожалуйста, откройте ваш счет. Спасибо. Вы желаете ограничить стоимость вы-
зова?
Нет.
Чем мы можем вам помочь?
Правое плечо. Растяжение, а может, и перелом. Сканирование крови. Анализ на
патогенные микроорганизмы.
Пожалуйста, предоставьте образец крови.
Спасибо. Пожалуйста, предоставьте вашу медицинскую карту или идентификаци-
онную карту Западного полушария.
Забудьте.
Доступ к вашей медицинской карте поможет нам предоставить более качествен-
ные услуги. Мы храним всю информацию в строгой конфиденциальности, за исклю-
чением вопросов общественного здоровья, или маркетинговой важности, или же в
тех случаях, когда от нас потребуют идентификацию вашего образца в судебном
порядке.
Попытаю судьбу. Спасибо, не надо.
Вы недавно вывихнули плечо, но сустав уже встал на место. Без лечения вы
будете испытывать боль и затрудненность движения примерно два месяца. Также
без лечения вы будете примерно год испытывать сниженную подвижность в суста-
ве . Вы хотите принять средство против боли?
Ага.
К сожалению, в силу повышенного пользовательского спроса в последнее время
наши запасы обезболивающих исчерпаны. Анаболические ускорители могут снизить
срок лечения до трех-пяти дней. Разрешаете ли вы применить анаболические ус-
корители?
Конечно.
К сожалению, в силу повышенного пользовательского спроса в последнее время
наши запасы ускорителей исчерпаны. В вашей крови наблюдается незначительный
недостаток кальция и остаточной серы. Повышены уровни содержания серотонина,
окситоцина и кортизола. Повышенное число тромбоцитов и антител соответствует
умеренной физической травме, случившейся за последние три недели. Ни один из
этих показателей не представляет серьезной проблемы, хотя недостаток минера-
лов может являться результатом бедной диеты. Не желаете принять минеральные
пищевые добавки?
А у вас они есть?
Медкабины «Сире» регулярно осматриваются техническим персоналом и снабжают-
ся медикаментами, чтобы обеспечить вам надежный доступ к качественному меди-
цинскому обслуживанию. Вы хотите принять пищевые добавки?
Нет.
Уровень содержания клеточных метаболитов повышен. Снижено количество лакта-
та в крови. Содержание газов крови и аминокислот...
Что насчет болезней?
Количество болезнетворных микроорганизмов в пределах нормы.
Уверен?
В ходе клинического анализа кровь проверяется на наличие более восьмисот
известных болезнетворных организмов и паразитов. Более тщательный анализ дос-
тупен за небольшую дополнительную плату, но он займет примерно шесть часов.
Вы бы хотели...
Нет, я... этого быть не может, в смысле... вы уверены?
Вас беспокоят какие-то определенные симптомы?
Существуют ли инфекции, способные вызывать галлюцинации?
Вы можете описать ваши галлюцинации?
Только видения. Ни звуков, ни запахов, ничего такого. Они у меня уже пару
недель то появляются, то исчезают. Каждый второй день примерно. Проходят сами
по себе примерно через минуту, иногда две.
А вы можете описать, что конкретно видите в ваших галлюцинациях?
Да какая разница? Это же просто дурная биохимия, разве нет? Вы не можете
просто сделать сканирование мозга или что-нибудь в этом духе?
В этой кабине МРТ-шлем временно не работает, а в вашей крови не обнаружено
признаков известных галлюциногенов. Тем не менее, различные условия приводят
к различным видам галлюцинаций, поэтому я все еще могу вас диагностировать.
Вы можете описать, что конкретно видите в ваших видениях?
Монстра.
Вы не могли бы быть более конкретной?
Еще чего. Думаете, я не знаю, что у вас посекундная оплата?
Наши цены строго...
Скажите мне, что со мной не так, или я оборву связь.
У меня недостаточно информации для верной постановки диагноза.
Сделайте предположение.
Высока вероятность неврологической травмы. Острые нарушения мозгового кро-
вообращения - даже микроинсульт, который вы могли даже не заметить, - могут
вызвать визуальные галлюцинации.
Микроинсульт? В смысле повреждение кровеносных сосудов?
Да. В последнее время вы не испытывали резких перепадов в давлении окружаю-
щей среды? Вы не находились на большой высоте или на орбите? Не спускались
под воду?
Клиент вышел из системы 50/10/05/0932
Конец сессии.
Икар
Некоторые люди сочли бы Дежардена массовым убийцей.
Он с неохотой признавал, что на то имелись определенные основания. Когда
Ахилл устанавливал карантин, то загонял в ловушку не только умирающих, но и
живых, обрекал на стопроцентную смерть всех уцелевших. Но разве существовала
альтернатива? Что, пустить катастрофу на самотек и позволить ей беспрепятст-
венно поглотить весь мир?
С вопросами этики Дежарден справлялся, хотя и не без поддержки химических
помощников. В глубине души он знал, что по-настоящему не убил никого. Про-
сто... локализовал, спасая остальных. Реальную смерть несла та зараза, с ко-
торой он боролся. Разница была довольно тонкой, но вполне реальной.
Правда, ходили слухи. Они ходили всегда, кто-то делал следующий логический
шах1. Неподтвержденные россказни о смертях, не последовавших за каким-нибудь
бедствием, а предварявших его.
Это называлось упреждающей локализацией. Патосканеры указывали на какой-
нибудь городок — с виду здоровый, но мы-то знаем, чего стоит такая видимость
в наши дни, — как Рассадник Очередной Большой Заразы. Симуляции Монте-Карло с
99-процентной уверенностью говорили, что надвигающаяся угроза прорвется за
стандартные карантины или окажется невосприимчивой к обычным антибиотикам.
Уровень смертности на территории в несколько тысяч гектаров оценивали в пять-
десят или восемьдесят процентов, ну или выставляли тот, который считался не-
приемлемым на этой неделе. В результате в засушливом центре Северной Америки
вспыхивал очередной пожар — и Хренсвилль в штате Арканзас трагически исчезал
с карты мира.
Конечно, это были только слухи, ничего более. Никто их не подтверждал и не
опровергал. О них, в общем, никто и не говорил, кроме Элис, когда на нее
опять находил приступ пустословия. И тогда Дежарден думал, что если даже это
и правда — а подобные меры выходили далеко за пределы его зоны комфорта, — то
какие существовали альтернативы? Пустить катастрофу на самотек, позволить ей
поглотить весь мир?
Правда, по большей части, он о таком вообще не думал. Слухи не имели к нему
никакого отношения.
Вот только некоторые детали в потоке входящей информации начали принимать
по-настоящему уродливые формы. Складывалась определенная картина, мозаика из
облаков данных, новостных нитей, дрейфующих по Водовороту, обрывков сплетен,
полученных через третьи руки. Все сходилось, и в голове Ахилла постепенно на-
чал оформляться некий образ, все больше напоминавший морской пейзаж.
Присутствие Бетагемота коррелировало с почти незаметными вспышками расти-
тельной болезни, вызывающей гибель фотосинтетических пигментов. Они же, в
свою очередь, совпадали с крайне интенсивными пожарами. Семьдесят два процен-
та возгораний произошло в морских портах, в доках или на верфях. Остальные
надкусили жилые территории.
Погибали люди. Очень много людей. А потом, из чистого любопытства, Дежарден
сверил некрологи по профессиям, и выяснилось, что во всех пожарах погиб, по
крайней мере, один морской инженер, или профессиональный водолаз, или моряк.
Эта мразь сбежала не из лаборатории. Бетагемот пришел из океана.
Калифорнийское течение пикировало вдоль Западного побережья Северной Амери-
ки от Аляскинского залива. Здесь оно смешивалось с Северо-Тихоокеанским тече-
нием, а к востоку от Мексики — с Северным экваториальным; те же, в свою оче-
редь , добирались до Куросио у Японии, а в южной части Тихого — до Экватори-
ального противотечения и Южного пассатного течения. После все дружно утыка-
лись в течение Западных Ветров и...
«Таранная кость соединяется с берцовой, та ведет к колену, и не успеешь ог-
лянуться , а охвачена уже вся планета».
Ахилл изучил облако данных и протер глаза.
«Как сдержать заразу, которая уже курсирует на семидесяти процентах земной
поверхности? »
По-видимому, только сжечь.
Он ткнул пальцем в консоль:
— Эй, Элис.
Ее изображение появилось в верхнем левом углу:
— Я тут.
— Дай мне что-нибудь.
— Еще не могу. Данные пока не высечены в камне.
— Бальза сойдет. Хоть что-то.
— Он маленький. Двести — триста нанометров, видимо. Сильно зависит от сер-
нистых соединений, по крайней мере, структурно. Очень простой генотип; думаю,
он использует РНК и для катализа, и для репликации, а это довольно хитрый
трюк. Создан для простых экосистем, что имеет смысл, если перед нами конст-
рукт . Они же не ожидали, что он выберется из пробирки.
— Но что он делает?
— Не могу сказать. Мне вместо нормального образца прислали какие-то ошмет-
ки, Кайфолом. Поразительно, что я вообще так далеко забралась. И если спро-
сишь , то, по моему мнению, вполне очевидно, что нам и не положено понимать
назначение этой штуки.
— А это не может быть какой-то реально лютый патоген?
«Должен быть. Обязан. Если мы сжигаем людей...»
— Нет. — Голос ее казался спокойным, но настойчивым. — Не мы их сжигаем.
Они.
Дежарден моргнул.
«Это я сказал?»
— Мы на одной стороне, Элис.
— О да.
— Элис...
Иногда она его раздражала. По-настоящему. Ему так хотелось крикнуть: «Идет
война. И не против корпов, бюрократов или твоих воображаемых Империй Зла: мы
сражаемся против целой равнодушной вселенной, которая рушится вокруг нас, а
ты мне тут на мозги капаешь, потому что приходится иногда мириться с потеря-
ми?»
Но у Джовелланос было в мировоззрении слепое пятно размером с Антарктику.
Иногда ее никто не мог переубедить.
— Просто ответь на вопрос, ладно? Кто-то явно думает, что эта штука чрезвы-
чайно опасна. Может ли это быть какая-то болезнь?
— Средство биологической войны, то есть. — К его удивлению, она отрицатель-
но покачала головой. — Навряд ли.
— С чего бы?
— Болезни — это такие маленькие хищники, которые жрут тебя изнутри. Если
они спроектированы так, чтобы кормиться человеческими молекулами, то их био-
химия должна сочетаться с нашей. A D-аминокислоты предполагают обратное.
— Только предполагают?
Элис пожала плечами:
— Ошметки, не забыл? Я всего лишь говорю, что если А хочет съесть Б, причем
так, чтобы впоследствии А не вырвало, то они должны иметь одинаковую биохи-
мию. Но в этом смысле от Бетагемота до нас — как до облака Оорта. Хотя я могу
ошибаться.
«Но носители — судостроители, водолазы...»
— А он может выжить в человеке?
Джовелланос поджала губы:
— Все возможно. Возьми, к примеру, А-51.
— Это еще что такое?
— Микроб-металлоокислитель. Обитает в иле, на дне глубоких озер, только вот
несколько миллионов из них сейчас живет у тебя рту. Никто не знает, как он
туда попал, но такие дела.
Дежарден сложил пальцы домиком и пробормотал чуть ли не про себя:
— Она назвала его почвенным микробом.
— Да она бы его кукурузным початком назвала, если б решила, что так прикро-
ет свою корпоративную задницу.
— Господи, Элис. — Он покачал головой. — Почему ты вообще здесь работаешь,
если мы только и делаем, что служим темному властелину?
— А все остальные еще хуже.
— в общем, я не думаю, что Бетагемот вылез из какой-то фармлаборатории.
Скорее всего, он пришел из океана.
— Это как?
— Пожары коррелируют с людьми, которые долгое время провели в море.
— Океан — довольно большое место, Кайфолом. Мне кажется, если бы это была
природная зараза, то она бы вышла на берег миллионы лет назад.
— Ага. — Дежарден вызвал личные дела каждой жертвы, относящейся к делу, —
мысленно поблагодарив дьявольскую сделку, которая давала допуск к закрытой
информации в обмен на свободу воли, — и принялся сужать область поиска.
— Хотя, знаешь, если подумать, — продолжала Джовелланос, — в среде высокого
давления эти застывшие энзимы и в самом деле работали бы гораздо лучше.
Меню, парочка команд: выпуклая проекция северной области Тихого океана вы-
ступила из экрана.
— А если эта сволочь не искусственная, тогда он древнее древнего. Старше
марсианских микробов — эй, может, он оттуда и произошел? Вот был бы номер.
Дежарден набросил на карту сетку геоинформационной системы и вылил на нее
коктейль из собранных данных. Светящиеся точки усеяли экран, словно следы за-
ряженных частиц в диффузионной камере: совокупность пунктов назначений жертв,
работавших в море, отсортированная по местоположению.
— Эй, Кайфолом.
Они диспропорционально расположились в нескольких ключевых местах: на мор-
ских фермах, горнодобывающих форпостах, межокеанических ниточках морских мар-
шрутов . Ничего необычного.
— Аллооо? — В окне голова Джовелланос нетерпеливо покачивалась из стороны в
сторону.
«Перейдем к сути. Есть ли места, где были все эти люди за прошедшие... ска-
жем, два года...»
Элис что-то проворчала о синдроме дефицита внимания и отключилась.
Дежарден едва заметил ее исчезновение. Тихий океан полностью почернел, за
исключением единственного скопления точек. Южная оконечность хребта Хуан-де-
Фука. Источник Чэннера, гласила надпись.
Геотермальная электростанция. Некое место под названием «Биб».
* * *
Здесь тоже были жертвы. Но не от огня: согласно записям, все на станции по-
гибли во время землетрясения.
Более того — Дежарден развернул поверх карты сейсмическую схему — «Биб» на-
ходилась в эпицентре Большого Толчка, вызвавшего цунами...
«Бетагемот вышел со дна океана. Он обитал где-то там, в источниках, сидел в
ловушке границы Мохоровичича, а потом землетрясение его освободило, и теперь
корпы носятся вокруг, как свора адренокортикоидов, стараясь выжечь все, что
вступало в контакт с...
Хотя нет, минутку...»
Новые команды. Информационное облако рассеялось и собралось в колонку, от-
сортированную по времени; сверкающая дата горела напротив каждой точки.
Почти все пожары случились до землетрясения.
Дежарден выделил подгруппу возгораний на промышленных объектах и сопоставил
ее с накладными Энергосети. Quellesurprise1: каждое место принадлежало компа-
нии, участвовавшей в сооружении «Биб».
1 Какой сюрприз (фр.)
«Эта штука выбралась на сушу до землетрясения».
А значит, последнее имело далеко не естественные причины, а было лишь по-
бочным эффектом. Косвенным ущербом при попытке локализации вируса.
Причем, по всей видимости, неудачной.
Ахилл вызвал все до единой сейсмоинформационные базы в пределах Убежища.
Засунул в бутылки тысячи посланий и забросил их в Водоворот, надеясь, что ка-
кую-нибудь вынесет на берег у технической библиотеки, или у архива записей со
спутниковой камеры, или у сайта промышленных наблюдений. Он открыл выделенные
каналы связи с сейсмическими центрами в университете Британской Колумбии,
Мельбурне и Калтехе. Принялся наблюдать за растущими грудами мусора — «архивы
очищены для освобождения памяти, информация удалена из-за малого количества
запросов, адрес поврежден, не запрашивайте доступ». Пропустил вопли, эхо и
откровенную ахинею через десятки фильтров, убрал сигнал и стал изучать остав-
шиеся, углубился в провалы и навел между ними мосты.
Ахилл взглянул на сейсмические данные, непосредственно предшествующие зем-
летрясению, и не нашел ничего любопытного: ни проседания грунта, ни предтолч-
ков, ни изменений в микрогравитации или глубине океана. Никаких предвестников
настолько мощной катастрофы.
Странно.
Он поискал в архивах записи со спутниковых камер. Похоже, в этот день над
северной частью Тихого океана никто не сделал ни одного снимка.
Еще забавнее. Более того, практически невозможно.
Дежарден расширил область поиска, растянул ее от восточной части зоны внут-
ритропической конвергенции до Берингова пролива. Одно попадание: коммерческий
спутник на полярной орбите показался на горизонте, когда пошли первые ударные
волны. Он снимал Берингов пролив в зрительном спектре и даже не смотрел на
Тихий океан. Значит, всего лишь счастливое совпадение, изображение, пойманное
краем глаза: смазанная облачная колонна на горизонте, поднимающаяся от водной
поверхности на фоне совершенно чистого неба.
Согласно данным GPSoHa возникла прямо над источником Чэннера.
Дежарден выжимал каждый пиксель, пока тот не начинал кровоточить. Серый бо-
бовый стебель ничего больше ему не сказал: то был всего лишь столб из воды и
воздуха, размытый и находящийся в трех тысячах километров от камеры.
Хотя сбоку виднелась какая-то непонятная аморфная точка. Поначалу Ахилл
счел отсутствие деталей следствием атмосферного тумана, но нет, компьютер
сказал, что изображение размыто из-за движения. Причем вдоль одной оси и дос-
таточно легко поддается коррекции.
Точка вырисовалась четче. По-прежнему было ничего не понятно, кроме силу-
эта, а тот походил на какой-то транспорт. Уловив нечто знакомое, Дежарден
прогнал абрис через стандартный коммерческий каталог, но результатов не полу-
чил.
«Черт побери, я же знаю, что это. Знаю. И что?» Он разглядывал изображение
добрых десять минут, потом снова открыл каталог и дал команду:
— Сбросить анализ образа. Отменить распознавание транспортного средства.
Проверить груз средства по стандартному каталогу.
В этот раз поиск занял больше времени. Целое оказалось гораздо меньше суммы
частей. «Обрабатываю...» скромно подмигивало на главном дисплее добрых две
минуты, прежде чем выскочило нечто существенное:
Брандер, М/айк/л Карако, Джу/ди/т Кларк, Лен/и Лабин, Кен/нет Наката, Элис
Имена парили до нахального бессмысленно над зернистыми сигналами.
Разумеется, Дежарден их узнал; рабочий график команды вылез сразу, как
только Ахилл стал собирать данные по станции «Биб». Но то окно он уже закрыл
— и список в любом случае не должен был перейти на главный экран.
Глюк в программе, наверное. Заблудившиеся фотоны пробились сквозь бракован-
ный участок квантовой изоляции. Такое случалось даже в девственно-чистом Убе-
жище , а в Водовороте и вовсе постоянно. Дежарден выругался и очистил экран.
Незваный текст послушно исчез.
Но на какую-то долю секунды вместо него промелькнуло еще что-то. Обыкновен-
ный человек с мозгом стандартной сборки никогда бы это не увидел. А Дежарден
отметил не только факт самого появления символов, но и их форму: текстовую
последовательность на английском языке. Несколько слов — ангел, навалом, вам-
пир — он успел разобрать, но большинство исчезло слишком быстро для воспри-
ятия даже с его нейросхемой.
Впрочем, «Биб» в списке тоже оказалась.
А когда секунду спустя стандартный каталог выплеснул на экран результаты
своих изысканий, станция стала первоочередной заботой Ахилла.
Коммерческие подъемники всегда бросались в глаза из-за огромных пузырей ва-
куума , парящих торов, которые держали их в небе. На снимке такого силуэта не
было, от него уцелело лишь несколько рваных полос, струящихся по ветру от
смазанного заднего конца, поэтому программа и не распознала аппарат. На изо-
бражении остались лишь падающий командный модуль да скаф-челнок, прицепленный
к его брюху.
Побег
Сквозь узкий проход в тридцать метров шириной каждую секунду с грохотом
проносились двадцать тысяч кубических метров воды. Хеллс-Гейт. Это место про-
звали Вратами Ада не просто так.
Хеллс-Гейт на реке Фрейзер (Британская Колумбия, Канада).
Поколениями люди приходили сюда и застывали с разинутым ртом. Над каньоном
опасно качались фуникулеры, где жадным до острых ощущений туристам скармлива-
ли зрелище бушующей стихии. Электроснабженцы рыдали, глядя на впустую растра-
чиваемые мегаватты, миллиарды необузданных джоулей, бесполезно катящихся в
сторону океана. Таких близких и все же таких далеких.
А потом мир начало трясти. Он накренился сначала в одну сторону, потом в
другую, и в вертикальном положении его удерживали только машины, аппетиты ко-
торых росли с каждым днем. Фрейзер перегородили десятками дамб, пытаясь за-
глушить их голод. Хеллс-Гейт держался до последнего; поначалу был неприкосно-
венным, потом — всего лишь чрезмерно затратным. А затем и вовсе рентабельным.
В конце концов он стал жизненно важным.
Большой Толчок проскользнул через горы, как партизанский отряд, там все
разметал вдребезги, тут лишь постучал, слегка о себе напомнив. Он прокрался
мимо Хоупа и Йеля, не разбив ни единого окна. Хеллс-Гейт находился в добрых
двухстах километрах вверх по течению; для надежды оставалась причина, хотя и
не время.
Поток докембрийской породы снес дамбу, но сразу ее заменил; река прорвалась
сквозь пробоину, однако тут же врезалась в импровизированную стену из рухнув-
шего гранита, образовавшуюся где-то в километре вниз по течению. Водохранили-
ще не опустело, а еще сильней вытянулось с севера на юг; разрушенная дамба
теперь разрезала его ровно посередине, оторвавшись от западной стены, но все
еще цепляясь за восточную.
Трансканадское шоссе чудесным образом вытравили прямо в середине восточной
стены каньона, и оно напоминало четырехполосный разрыв на поверхности отвес-
ного утеса. Там, где дамба встречалась с горой, а шоссе сталкивалось с ними
обеими, с неба сбросили заграждение, перегородившее дорогу. Над блокпостом и
изогнутым серым шрамом водосброса парили «оводы».
За одну ночь Полоса сместилась на восток. Теперь тут пролегала ее новая
граница, а Роберт Бойчук должен был следить за тем, чтобы она не передвину-
лась еще дальше.
Он разглядывал Бридсон, та сидела на противоположной стороне вертолетной
кабины; напарница ничего не замечала, так как шлемофон скрывал верхнюю часть
ее лица, и она уже целый час пребывала где-то в виртуальности. Бойчук не ви-
нил ее. Они здесь сидели уже почти две недели, а карантин попытались нарушить
лишь два черных медведя. Через несколько дней после Толчка несколько машин
все-таки сумели забраться в такую даль, но заграждение — оклеенное предупре-
дительными надписями и постановлениями Нт АмПацифика — их остановило. Не пона-
добилось даже показывать вертушку-усмиритель, маячившую за стеной. Бридсон
так вообще проспала весь инцидент.
Роберт относился к обязанностям серьезнее. Изоляция была нужна, в этом ни-
кто не сомневался. Даже в лучшие времена что угодно — от Нипаха до гидриллы —
при малейшем шансе проскользнуло бы через кордон; теперь же, когда одна поло-
вина берега сгинула, а вторая из-за гниения сражалась с целым букетом болез-
ней, никто не хотел, чтобы весь этот хаос распространился дальше на конти-
нент .
Там были свои проблемы. Границы царили повсюду, куда ни посмотри. Иногда
казалось, будто невидимая паутина раскинулась над всем миром, какая-то жуткая
сеть разделила всю планету на куски. Роберт же сидел на краю одного из таких
кусков и никого не пропускал на другую сторону, пока не отменят режим чрезвы-
чайной безопасности. Если отменят, конечно: некоторые поселения в Южной Аме-
рике — да и Северной, если подумать, — находились под «временным карантином»
уже восемь или девять лет.
Большинство людей с этим смирилось. Работа у Бойчука была легкой.
— Эй, — сказала Бридсон. — Посмотри-ка на это.
Она отправила сигнал со шлемофона на экран кабины. Значит, не в игрушки ре-
залась , а управляла «оводами». На дисплее появилась женщина, она сидела на
растрескавшемся асфальте. Бойчук проверил ее местоположение: пара сотен мет-
ров вниз по шоссе — спряталась от поста за выступом западного утеса. Ее засек
один из «оводов», летавший над дамбой.
Рюкзак. Походная одежда. Верхняя часть лица скрыта щитком фоновизора. Чер-
ные перчатки, короткие темные волосы — нет, какой-то черный капюшон, может
часть визора. На икону стиля незнакомка не тянула, по крайней мере, с точки
зрения Бойчука.
— Что она делает? — спросил он. — Как вообще сюда добралась?
Машины ни следа, хотя подозреваемая могла припарковать ее дальше по дороге.
— Нет, — протянула Бридсон. — Ну, она же не всерьез.
Женщина приняла упор для бега.
— Так нельзя вставать, — заметила Бридсон. — Можно легко растянуть лодыжку.
Словно камень, выпущенный из пращи, нарушительница бросилась вперед.
— Ну блеск, — хмыкнула Бридсон.
Нарушительница бежала прямо посередине шоссе, не отводя глаз от асфальта,
огибая или перепрыгивая большие трещины, куда могла попасть нога. Если ее не
остановить, она врежется в барьер где-то через минуту.
Разумеется, что-то должно было ее остановить.
«Оводы» запищали: женщина пересекла оборонительный радиус. Бойчук направил
одну из камер заграждения в небо. Бот, находящийся ближе всех к цели, нарушил
строй, ринувшись наперерез. Запрограммированное стайное поведение потянуло
находившиеся поблизости машины за ним, как будто все они висели на невидимой
нити. Псевдоподия, состоящая из точек, но жадная до добычи.
Спринтерша свернула к краю дороги и взглянула вниз. Там, на расстоянии де-
сяти метров, коричневая кипящая вода ненасытно глодала стену каньона.
— Вы приближаетесь к запретной зоне, — принялся ворчать первый «овод». —
Пожалуйста, поверните обратно.
Из его брюха, пульсируя, вырвался красный огонек.
Нарушительница увеличила скорость. Еще раз взглянула на реку.
— Да какого хрена? — воскликнул Роберт.
Перед беглянкой взорвался небольшой участок асфальта: предупредительный вы-
стрел . Та покачнулась, едва удержавшись на ногах.
— Мы уполномочены применить силу, — предупредил «овод». — Пожалуйста, по-
верните назад.
Двое ботов позади него засверкали.
Женщина принялась вилять, закладывая резкие зигзаги и держась западной сто-
роны дороги. И она продолжала смотреть вниз...
Бойчук наклонился вперед.
«Минуточку...»
Позади нарушительницы вода в ярости билась о жуткое месиво из острых валу-
нов величиной с дом. Любого, кто туда упал бы, перемололо в кашу секунды за
две. Но ближе к заграждению, под защитой уцелевшего края дамбы, поток был
достаточно спокойным, чтобы...
— Твою мать. — Роберт врубил зажигание. — Она сейчас прыгнет. Она сейчас
прыгнет...
Сзади заныли турбины, набирая мощность.
— Ты о чем? — спросила Бридсон.
— Она сейчас... вот черт...
Беглянка споткнулась и свернула в сторону, с асфальта прямо на гравий. Бой-
чук рванул рукоятку штурвала на себя. Вертолет заквохтал, медленно отрываясь
от земли, ему хватало десяти ничтожных секунд для взлета, он вызывал зависть
всех машин быстрого реагирования, но едва успел преодолеть заграждение, когда
женщина с рюкзаком соскользнула по скату, взмахнула руками и прыгнула вперед:
не туда, куда намеревалась, не так, как хотела, только у нее не осталось вы-
бора, кроме как отправиться в короткий, но впечатляющий полет...
«Оводы» метнулись за ней, но река поглотила женщину, словно жидкая лавина.
— Боже, — выдохнула Бридсон.
— Инфрарежим, — рявкнул Роберт. — Я хочу видеть все, что хоть на полградуса
превысит температуру окружающей среды.
Под ними бушевал Фрейзер.
— Да ладно тебе, босс. Она не вынырнет. Ее уже унесло на километр вниз, как
минимум — частично.
Бойчук яростно взглянул на нее:
— Просто выполняй приказ, ладно?
Бридсон отдала команду. На подфюзеляжной камере вертушки расцвела мозаика
из искусственных цветов.
— Хочешь запустить «оводов» вдоль русла? — спросила женщина.
Бойчук покачал головой.
— Границу без охраны оставлять нельзя. — Он развернул машину и полетел на
запад, вниз по каньону.
— Эй, босс?
— Что?
— А что сейчас, вообще, произошло?
Бойчук лишь покачал головой:
— Не знаю. Думаю, она пыталась добраться до той заводи, прямо перед дамбой.
— А зачем? Выиграть время, чтобы утонуть или замерзнуть, прежде чем течение
подхватит?
— Не знаю, — опять сказал он.
— Есть масса более легких путей совершить самоубийство.
Роберт пожал плечами:
— Может, она просто сошла с ума.
Было 13:34 по горному поясному времени
• * *
Верхний склон дамбы Хеллс-Гейт никогда не предназначался для туристских
глаз; до недавних пор большую его часть скрывали угодившие в ловушку воды
Фрейзера. Теперь же трещиноватая и шероховатая стена костяно-серого цвета об-
нажилась , поднимаясь из долины грязи. Прямо над основанием барьер усеивали
раструбы гравитационного питания, напоминавшие жадные рты. Что-бы гидроэлек-
трическую турбину не забило чем-нибудь большим, на каждой пасти стояли решет-
ки из арматуры, закрепленные болтами.
Как оказалось, человеческое тело, по местным меркам, было не особо крупным
предметом.
Конечно, сами турбины теперь заглохли и остыли. Они явно не могли породить
неожиданный тепловой след, идущий от восточного водозаборника. Один из «ово-
дов» Хеллс-Гейта зарегистрировал сигнатуру в 13:53 по горному поясному време-
ни: объект излучал температуру на 10 С выше окружающей среды, появился из
глубин дамбы и соскользнул вниз, в грязь. Робот сдвинулся чуть в сторону,
чтобы получше разглядеть картину.
По человеческим нормам, температура предмета была слишком низкой. «Овод» в
гениях не ходил, но зерна от плевел отделить мог: даже в термоизолирующей
одежде людей выдавали лица. Изоляция нынешней цели была более равномерной, а
изотермы — гетерогенными. Фраза «пушное млекопитающее», конечно, не имела для
бота никакого смысла, тем не менее, на свой ограниченный лад концепцию он по-
нимал. Такое существо не стоило потраченного на него времени.
Он вернулся на пост и обратил все внимание на запад, откуда исходили реаль-
ные угрозы. Сейчас там виднелось только что-то большое, черное и насекомопо-
добное, оно возвращалось на свой шесток, дружественно и успокаивающе воркуя
передатчиком. Бот отлетел в сторону, пропуская его, а потом вернулся на пози-
цию, пока «вертушка» снижалась за ограждением. Люди и машины плечом к плечу
стояли на страже всего человечества.
Только смотрели не в ту сторону. Лени Кларк покинула Полосу.
Новое
открытие
Отдел регистрации.
Кларк, Индира. Да, Кларк. На конце «к». Квартира 133, СитиКорп 421, Коул-
сон-авеню, Су-Сент-Мари.
Кларк, Индира.
Квартира 133, СитиКорп 421, Коулсон-авеню, Су-Сент-Мари. Поиск.
Вы уверены?
Да.
Нет совпадений. Вы знаете идентификационный ЗП-номер Индиры Кларк?
Э, нет. Адрес мог измениться, это было пятнадцать - шестнадцать лет назад.
В текущем архиве содержится информация за последние три года. Вам известно
среднее имя Индиры Кларк?
Нет. Хотя она работала в Водовороте. Фрилансером, насколько помню.
Нет совпадений.
Сколько человек с именем Индира Кларк проживает в Су-Сент-Мари?
5.
У кого есть ребенок, девочка, родилась... родилась в феврале, э-э-э...
Нет совпадений.
Подождите, в феврале... да, где-то в феврале 2018 года...
Нет совпадений.
Хотите сделать еще запрос?
Сколько женщин, профессионально связанных с работой в Водовороте, имеющих
одного ребенка, девочку по имени Лени, рожденную в феврале 2018 года, прожи-
вает во всей Северной Америке?
Нет совпадений.
А во всем мире?
Нет совпадений.
Это невозможно.
Существует несколько причин, по которым ваш запрос не принес результатов.
Человек, которого вы ищете, мог быть не внесен в реестр или скончался. Вы
могли предоставить неверную информацию. Данные архива регистрации могли быть
повреждены, несмотря на наши постоянные усилия по поддержанию наиболее полной
и точной базы.
Это, сука, невоз...
Конец связи.
Плацдарм
«Или-или» обвиняющим взором смотрело на него с главного экрана. Дежарден
выдерживал его взгляд, пока хватало смелости, чувствуя, как сосет под ложеч-
кой , а потом сломался и убежал.
Лифт изрыгнул его через вестибюль в реальный мир. Стены металлических и
стеклянных каньонов склонялись над головой со всех сторон, отчего на улицах
царили сумерки: настолько глубоко в кишки Садбери солнце проникало лишь на
один час в день.
Ахилл спустился в «Реактор Пикеринга», надеясь увидеть какие-нибудь знако-
мые лица, но никого не нашел. Гвен оставила приглашение на доске объявлений,
и он чуть не сорвался...
«Привет, моя млекопитающая подруга. Я знаю, у тебя были немного другие на-
мерения, но я просто хочу поговорить, понимаешь? Я тут нашел местечко, кото-
рое еще не выжгли, о его существовании даже не знают, но скоро будут в курсе,
так как оно реально огромное. Гораздо больше, чем положено, и, как только я
им об этом сообщу, несколько сотен тысяч человек превратятся в головешки...»
. . .но Трип Вины желчью поднялся в горле при одной мысли о таком нарушении.
Он принялся колоть Ахиллу пальцы, готовясь перехватить двигательные нервы,
стоило только «правонарушителю» потянуться к клавиатуре. Как-то ради экспери-
мента Дежарден попытался опередить своего химического охранника, и в мыслях
не планируя обойти его, но даже тогда Трип оказался слишком быстр. Сила воли
подсознательна; крохотный человечек, сидящий где-то за глазами, еще только
решает, двинуться ему или нет, а команда действовать уже на полпути к руке.
«Пояснительные записки и резюме постфактум, — подумал Дежарден. — Вот и
все, что мы получаем. Вот и вся свобода воли».
Он поднялся из «Реактора» и направился к ближайшей станции рапитрана. Но
никуда не поехал, решил пройтись. Перепаянное серое вещество, застывшее в со-
стоянии неистовой перегрузки, увязывало каждую незначительную деталь в неумо-
лимую цепь корреляций: время дня с облачным покровом, далее с превалирующим
транспортным потоком и даже с предупреждениями «нет в продаже», мерцающими на
уличных торговых автоматах...
«Как, ради всего святого, такое могло произойти? У местных были миллионы
лет, чтобы идеально приспособиться к окружающей среде. Как их может победить
какая-то штука, которая развилась на дне океана?»
Он знал стандартный ответ. Все знали. Последние пять веков — это длинный
перечень катастроф, целые экосистемы разрушались и заменялись наглыми экзота-
ми, свысока плюющими на любую выслугу лет. Только в одном Н!АмПацифике суще-
ствовало более семидесяти тысяч видов узурпаторов, а здесь ситуация была по-
лучше, чем в других регионах. За пределами генобанков можно скорее встретить
космического пришельца, чем кого-нибудь из австралийских сумчатых.
Но тут иной случай. Тростниковые жабы, скворцы и полосатые мидии хоть и за-
полонили весь мир своим сорным потомством, но даже для них существовали гра-
ницы . Гидриллу на вершине Эвереста не встретишь. Огненные муравьи навряд ли
откроют лавочку на хребте Хуан де Фука. Химия, давление, температура — слиш-
ком много препятствий, слишком много физических крайностей, которые могли по-
рвать многоклеточного захватчика на куски.
Чей-то нефтяной силуэт преградил Ахиллу путь: человеческая тень с равнодуш-
ными белыми глазами. Дежарден запнулся, уставился на этот пустой фасад и по-
чувствовал, как патокой тянутся секунды. Мозг непроизвольно сократил обзор до
точки в информационном облаке, о сборе которого Дежарден даже не подозревал:
полуосознанные наблюдения во время ежедневных поездок на работу; темные фигу-
ры, выделяющиеся в толпе на снимках АмСети. Модные баннеры, рекламирующие по-
следние веяния «влажной полуночи».
«Рифтерский шик, — говорила Гвен. — Солидарность через моду. Тренд сезона».
Все это промелькнуло за долю секунды. Призрак обогнул его и пошел своей до-
рогой .
Чем дальше забирался Ахилл, тем больше затихали городские каньоны Садбери.
Бесконечные покровы кудзу ниспадали с крыш почти до улицы, обрамляя окна и
вентиляционные отверстия голубовато-зеленой листвой. Новая, улучшенная часть
мозга принялась подсчитывать среднее потребление углекислого газа при данном
облачном покрове, но Дежарден сумел ее заткнуть. Ему всегда было интересно,
смогут ли люди убивать побеги с той легкостью, на которую рассчитывают, когда
те закончат всасывать выбросы предыдущего века. Кудзу и так отличалось живу-
честью, а уж после всех переделок вообще превратилось в идеальный поглотитель
углерода. А теперь еще постоянно происходили бесконтрольные аутбридинги и го-
ризонтальный перенос генов. Если дать сорняку еще десять лет, то он выработа-
ет иммунитет к чему угодно, за исключением огнемета.
Кудзу.
Только теперь, в кои-то веки, это не имело значения. Через десять лет кудзу
может стать наименьшей из человеческих проблем.
И уж точно не будет иметь никакого значения для этих бедолаг там, на Поло-
се.
* * *
Они построили модель.
Не реальную, конечно. Они не знали, как Бетагемот работает. Внутри не име-
лось механизма — ничего, что бы логически вело от причины к следствию. Схема
представляла собой лишь группу корреляций. Облако с энным количеством измере-
ний и траекторией наименьших квадратов, проходящей сквозь его сердце. Оно
жрало данные с одной стороны и испражнялось предсказаниями с другой. Влаж-
ность почвы 13%, ясная погода на протяжении пяти дней, уровень порфиринов на
гектаре грязи в верфи Тиламук понижен, а микрометана повышен наполовину? Вот
она, страна Бетагемота, мой друг, — и завтра, если не пойдет дождь, существу-
ет 80-процентный шанс, что она сократится наполовину.
Почему? Кто знает? Но при схожих обстоятельствах такое случалось и прежде.
Данные полевых наблюдений Роуэн вывели их на верный путь, но определиться
помогли пожары. Каждый из этих магниевых сплетников кричал: «Эй! Сюда!» — до
самой геосинхронной орбиты. А потом осталось лишь проверить архивы «Ландсата»
по этим месторасположениям, отмотав их на пять-шесть месяцев до возгорания.
Иногда ничего не находилось — ни один из пожаров в жилых зонах не выдавал ни-
чего полезного. Иногда данные терялись, стирались или портились из-за привыч-
ных сил энтропии. Но иногда — вдоль береговых линий или в неразвитых промыш-
ленных зонах, где тяжелая техника кантовалась между заданиями, — спектральные
линии со временем изменялись, фотопоглощение сползало до 680 нанометров, уро-
вень кислорода в почве едва заметно падал, а от кислородного показателя все
больше веяло кислинкой. Через определенное время изменения можно было заме-
тить даже невооруженным глазом. Сорняки и трава, которым хватило крутизны пе-
режить нефтяные пятна и выбросы, медленно хирели и коричневели.
С такими характерными признаками под рукой Дежарден отошел от явных подска-
зок в виде пожаров и запустил поиск дальше. Конструкция была довольно хлип-
кой, но будет худо-бедно справляться с задачей, пока Джовелланос не нароет
еще что-нибудь. Пока же все лучше, чем ничего.
До сих пор. Теперь ситуация стала намного хуже. Теперь модель говорила, что
Бетагемот завладел участком в десять километров на Орегонском побережье.
• * *
Когда Ахилл добрался до дома, Садбери уже готовился к ночи; мешанина из не-
она, натриевых ламп и лазеров просачивалась сквозь окна — впрочем, ощутимо
тусклее теперь, после вступления в силу новых ограничений. Мандельброт кину-
лась Дежардену в ноги, когда тот пересек порог, а потом сразу направилась в
кухню, уселась рядом с раздатчиком еды и принялась громко мяукать. Машина бы-
ла запрограммирована на точные сроки кормления и не удостоила кошку ответом.
Дежарден рухнул на диван и невидящими глазами уставился на городской пей-
заж.
«А ведь ты должен был знать», — сказал он сам себе.
И знал. Просто не верил до конца. И раньше он ничего такого напрямую не де-
лал, просто шел по следу, наблюдал за тем, как другие предпринимают необходи-
мые шаги, прогонял данные через статистические модели, пропускал через фильт-
ры ради общего блага. Всегда ради общего блага.
Но в этот раз пожара еще не произошло. Силы сдерживания пока не узнали о
Полосе и шли по собственным путям, стерилизуя все...
...и каждого...
. . .что входило в контакт с источником. Но они не знали как непосредственно
выявить сам Бетагемот на расстоянии. Эту работу поручили Ахиллу и Элис.
И, похоже, они преуспели. Дежарден не мог отделаться от мысли, что раньше
шел по следу из пепла, а теперь выжигал свой собственный, и от разницы отмах-
нуться не получалось.
«Это важно. Ты не держишь в руках огнемет.
Только направляешь его».
Трип Вины метался в кишках, словно зверь в клетке, ища во что бы впиться.
«Ну? Делаю свою работу, Господи ты Боже! Скажи мне, что делать!»
Трип, разумеется, так не функционировал. У него в распоряжении был только
кнут без всяких пряников, нейрохимический цензор, он набрасывался на малейший
признак вины или совести или — специально для механицистов в зрительном зале
— на простой аморальный страх попасться с чужой коробкой печенья в руках.
Можно было называть его как угодно: ярлыки не меняли боковых цепей, пептид-
ных связей или карбоксильных веществ с названиями, моментально вылетающими из
памяти, которые заставляли механизм работать. Вина — лишь нейромедиатор. Мо-
раль — реактив. А нервы работают, мускулы двигаются, языки болтают по воле
химических препаратов. И было лишь вопросом времени, когда кто-нибудь сообра-
зит , как связать все это воедино.
Трип Вины не позволял принять неверное решение, а Отпущение грехов давало
жить после вынесения правильного. Но действовать оба могли лишь после того,
как определялся ты сам, понимал, где правая сторона. Они реагировали лишь на
интуицию.
Прежде Ахилл никогда не жаловался на то, что Трип не подсказывает направле-
ния. Никогда не нуждался в нем. Конечно, реши Дежарден хакнуть свой кредитный
рейтинг, его скрутило бы моментально, но при обыкновенной нагрузке Трип мак-
симум подталкивал к тому, что и так было очевидно. Ситуации, проигрышные при
любом раскладе, были для Ахилла шаблоном. Ампутировать часть или потерять це-
лое? Жестко, но бесспорно. Убить десять ради спасения сотни? Ломай руки,
стисни зубы, а потом обдолбайся. Вопросов, что делать, не возникало никогда.
«Сколько людей я изолировал, когда локализовал ту вспышку бруцеллеза в Ар-
гентине? Скольких утопил в Тонкине, когда отрубил подачу энергии к дренажным
колодцам? »
Раньше Ахилла никогда не беспокоила необходимость. По крайней мере, не так.
«Элис и ее шпильки насчет мира в черно-белом цвете. Чушь какая. Я вижу серый,
миллионы оттенков серого. Я просто знаю, как выбрать самый светлый».
Теперь уже нет.
* * *
Дежарден мог точно сказать, когда все изменилось, почти до секунды: когда
он увидел глубоководный скаф и кабину, сконструированную для низких высот, —
как они, падая, слились в отчаянном объятии.
То был не коммерческий подъемник на обыкновенном рейсе: Дежарден проверил
записи. Официально в эпицентре Большого Толчка никто не терпел катастрофы,
потому что — официально — там никого не было. Транспорт послали в самое пекло
втайне, а потом сбили.
Одно и то же ведомство не могло совершить оба действия, это не имело смыс-
ла.
Значит, тут пересеклись интересы противоборствующих сторон. Похоже, возник-
ло глубокое разногласие насчет того, что же является общим благом (или «инте-
ресами Темных Властелинов», ибо, по словам Джовелланос, именно их на самом
деле оберегал Трип). Кто-то в бюрократической стратосфере, кто-то, знавший о
Бетагемоте гораздо больше Дежардена, попытался эвакуировать рифтеров перед
землетрясением. Похоже, эти неизвестные посчитали упреждающее убийство неоп-
равданным .
А кто-то другой их остановил.
На чьей стороне работала Роуэн? И кто был прав?
Ахилл ничего не рассказал Джовелланос о скафе. Он даже, как мог, забыл о
нем сам, стараясь воспринимать все спокойно и просто, не сводил глаз с мыши в
руках, пока огромный кит на горизонте не превратился в размытое, почти неви-
димое пятно. Но Дежарден знал: долго такую информацию не удержать; рано или
поздно они все сами вычислят, найдут какую-нибудь комбинацию из показателей
расстояния, влажности и кислотности, которая укажет на захватчика. Однако это
могло произойти еще не скоро. Корпы работали со старыми данными, образцами с
загаженных промышленными отходами верфей, где область потенциального проник-
новения ограничивалась максимум тремя или четырьмя гектарами. Одно только со-
отношение сигнала и помех должно было задержать их минимум на несколько не-
дель .
Но для того, чтобы заметить плацдарм длиной в десять километров, большого
разрешения не нужно. Дежарден не поднимал глаз, и кит на горизонте врезался
прямо в него.
Мандельброт стояла в дверях и потягивалась. Когти выскочили из ножен, слов-
но крохотные ятаганы.
— А вот у тебя не было бы никаких проблем, — сказал Дежарден. — Ты бы сразу
выбрала максимальный ущерб, да?
Кошка замурлыкала.
Ахилл закрыл лицо ладонями.
«И что мне теперь делать? Самому во всем разобраться?»
С неожиданным удивлением он вдруг понял, что подобная перспектива уже не
кажется ему такой уж абсурдной.
Аптека
— Амитав.
Тот вздрогнул, проснувшись. Укрытый покрывалом скелет на песке. Серый и еле
заметный в предрассветном сумраке, горячий и светящийся в инфракрасном спек-
тре. Запавшие глаза излучали ненависть на всех волнах с того момента, как от-
крылись .
Перро встретила его взгляд, паря в трех метрах над пляжем. Вокруг попросы-
пались сытые беженцы и сразу отошли в стороны, оставив Амитава в центре пус-
того круга.
Несколько других — подростков в основном, не таких здоровых на вид, как ос-
тальные, — остались поблизости, разглядывая «овода» с нескрываемой подозри-
тельностью. Перро даже моргнула внутри шлемофона: прежде она никогда не виде-
ла на Полосе столько враждебных лиц.
— Как мило, — тихо произнес Амитав. — Просыпаешься, а над головой висит ог-
ромный круглый молоток.
— Извини. — Она отвела бота в сторону, покачав триммером в знак механиче-
ского приветствия (а потом задумалась, заметил ли старик хоть что-нибудь
своими обыкновенными человеческими глазами). — Это я, Су-Хон.
— А кто еще-то может быть? — сухо пробормотал палочник, поднимаясь на ноги.
^~ л ...
— Ее тут нет. Я ее уже давно не видел.
— Знаю. Я хочу поговорить с тобой.
— Ага. И о чем? — Индус зашагал вдоль берега. Его...
... друзья? Апостолы? Телохранители?..
...отправились было следом. Амитав жестом приказал им идти прочь. Перро от-
дала «оводу» команду не отставать от беженца; поле зрения сузилось до вида с
кормовой камеры. По другую сторону в блеклых сумерках принялись шевелиться и
ворчать анонимные свертки — люди, в позе зародыша лежащие на термопене, обер-
нувшись в теплосберегающую ткань.
— Прошлой ночью какие-то вандалы разбили циркулятор, — сказала Перро. — В
паре километров к северу отсюда. Нам пришлось выслать замену.
— Хм.
— Такое случилось в первый раз за несколько лет.
— И мы оба знаем почему, не так ли?
— Люди полагаются на эти машины. А ты забираешь еду прямо у них изо рта.
— Я? Это сделал я?
— Есть множество свидетелей, Амитав.
— И все они скажут, что я не имею к этому инциденту никакого отношения.
— Они сказали, что это были несколько подростков. А также сообщили, кто их
надоумил.
Палочник остановился и повернулся лицом к машине, парящей рядом.
— И все эти свидетели, о которых ты говоришь. Все эти несчастные люди, у
которых я украл еду. Неужели никто из них ничего не сделал, чтобы остановить
вандалов? Столько народа, и они не смогли остановить двух мальчишек, вырвав-
ших пищу прямо у них изо рта?
Укутанная в оболочку интерфейса, Перро вздохнула. За тысячу километров от
нее «овод» фыркнул искусственным эхом.
— А что ты вообще имеешь против циркуляторов?
— Я не дурак. — Амитав снова зашагал по берегу. — Вы нам скармливаете не
только белки и углеводы. Я лучше буду голодать, чем есть яд.
— Антидепрессанты — это не яд! Там очень маленькие дозы.
— К тому же так гораздо удобней, не приходится иметь дела с гневом настоя-
щих людей, правда?
— Гневом? На что вам злиться?
— Значит, по твоему мнению, мы должны быть благодарны? Вам? — Скелет сплю-
нул. — Это наши машины все порушили? Это мы вызвали засухи, наводнения? Это
мы затопили собственные дома? А теперь, когда мы пересекли целый океан — и
да, мы ведь не голодали, не жарились на солнце, не умирали от паразитов и
всякой заразы, которая из-за ваших лекарств стала неубиваемой, — когда очути-
лись здесь, мы, значит, должны быть благодарны, что вы позволили нам спать в
грязи, мы должны сказать спасибо, что пока нас дешевле травить, а не выкосить
под корень?
Они стояли у воды. Прибой бился о берег, невидимый в темноте. Амитав поднял
костистую руку и указал вперед:
— Иногда, когда люди уходят туда, за ними приходят акулы. — Голос его не-
ожиданно стал спокойным. — А на берегу оставшиеся продолжают трахаться, срать
и жрать у ваших чудесных машин.
— Это... это всего лишь человеческая природа, Амитав. Люди просто не хотят
вмешиваться.
— Значит, от этих лекарств нам только лучше?
— Они не опасны ни в малейшей степени.
— Тогда добавьте их и себе в еду, чего тут такого?
— Ну, нет, я не...
«... заключенная из обездоленной сорокамиллионной толпы...»
— Ты — лгунья, — тихо ответил палочник. — И лицемерка.
— Ты же голодаешь, Амитав. Умираешь.
— Я знаю, что делаю.
— Неужели?
Индус взглянул на «овода» и в этот раз, кажется, даже развеселился:
— Как думаешь, чем я занимался прежде?
— Что?
— Прежде чем очутился... здесь. Или ты считаешь, что я сразу решил стать
«экологическим беженцем»?
— Ну, я...
— Я был фарминженером. — Амитав постучал пальцем по виску. — Меня даже тут
изменили, я был очень хорош. А потому немного разбираюсь в вопросах диеты.
Существует... минимальная эффективная доза, так? Если я ем очень мало, то ваш
яд на меня не действует. — Он остановился. — А теперь ты попытаешься накор-
мить меня насильно, ради моей же пользы?
Перро не обратила внимания на колкость:
— И ты думаешь, что получаешь достаточно для существования на своей мини-
мальной дозе?
— Скорее всего, не совсем. Но я умираю от голода очень, очень медленно.
— Не так ли ты надоумил этих мальчишек испортить циркулятор? Они тоже голо-
дают?
На Полосе могли произойти крупные неприятности, если их поймают.
— Опять я? Это я каким-то образом всех одурачил и заставил помирать с голо-
ду?
— А кто еще?
— Вы так верите в собственные машины. Никогда не задумывались, что они не
так уж хорошо работают, как вы считаете? — Индус покачал головой и сплюнул. —
Разумеется, нет. Тебе же не сказали.
— Циркуляторы работают нормально, если только их не ломают твои последова-
тели.
— Последователи? Они голодают не ради меня. Они сосали вашу титьку, как и
все остальные. И, только отказавшись от пищи, увидели подлинную сущность этих
машин...
Хрясь!
Удар по полимеру, словно прямо над ухом кто-то щелкнул кнутом. Перро раз-
вернула «овода» и успела заметить камень, отскочивший от дна. В десяти метрах
от нее убегала прочь девочка, зажав в руке еще один.
Су-Хон снова развернулась к Амитаву.
— Ты...
— Не надо меня винить. Я не причина. Вообще. Я всего лишь результат.
— Так продолжаться не может.
— Тебе это не остановить.
— А и не надо. Если не остановишься, тобой займусь не я, а...
— Какая тебе разница? — перебил палочник.
— Просто пытаюсь...
— Ты хочешь облегчить чувство вины. Используй кого-нибудь другого.
— Вы не сможете победить.
— Зависит от того, что я пытаюсь сделать.
— Ты же совсем один.
Амитав засмеялся и взмахнул руками, словно пытаясь охватить весь берег:
— С чего ты взяла? Вы же столь предусмотрительно предоставили мне всех этих
овец, всю эту прорву смертей и даже ик...
Он резко замолчал. Перро закончила фразу сама: «икону, чтобы вдохновить
их».
— Ее тут больше нет, — проговорила она, выдержав паузу.
Палочник бросил взгляд в сторону суши; небо на востоке озарилось первыми
лучами солнца. Группа любопытных стояла поодаль, наблюдая за диалогом из цен-
тра спящего стада. Здесь же, у кромки прибоя, на расстоянии слышимости никого
не было.
Девочка, бросившая камень, куда-то исчезла.
— Может, так и лучше, — заметил старик. — Лени Кларк была слишком. . . даже
ваши антидепрессанты на нее, кажется, не действовали.
— Лени? Ее так зовут?
— По-моему, да. По крайней мере, это имя она упоминала во время одного из
своих. . . видений. — Он искоса взглянула на парящий суррогат Перро. — И куда
она отправилась?
— Не знаю. Пока никаких достоверных свидетельств того, чтобы ее кто-то ви-
дел, мне найти не удалось. Только слухи. — «Но ты-то, разумеется, все о них
знаешь». — Может, она уже умерла.
Индус покачал головой.
— Океан большой, Амитав. Акулы. А если у нее были... какие-то приступы...
— Она не погибла. Возможно, когда-то Лени хотела умереть. Но теперь...
Он все смотрел вдаль. На востоке, за скопищем людей, вытоптанными кустарни-
ками и башнями небо краснело прямо на глазах.
— А теперь ваша удача закончилась, — сказал Амитав.
Исходный
код
Карта тлела на экране еще с предыдущей ночи. Теперь рядом с ней стояла Джо-
велланос, готовая к атаке.
— Почему ты ничего не сказал?
Сверкающее кровавое пятно тянулось по берегу от Вестпорта до Копалис-Бич.
— Элис...
— У тебя зона заражения размером с город! И давно ты о ней знаешь?
— С прошлой ночи. Я тут подтянул некоторые корреляции и прогнал их через
уже имевшиеся данные, ну и...
Она грубо его прервала:
— И ты вот так всю ночь сидел? Боже, Кайфолом, ты совсем рехнулся? Надо вы-
зывать войска, причем срочно.
Ахилл уставился на напарницу:
— А с каких пор ты у нас в пожарной бригаде? Ты же знаешь, что произойдет,
как только мы отправим информацию наверх. Мы же даже не знаем, что Бетагемот
делает, и...
Увидев выражение ее лица, он резко умолк.
Дежарден осел на стуле. Его заливал красный свет, кровоподтеками стекая с
экрана.
— Все так плохо?
— Хуже.
* * *
Комковатая радуга, нить сгруппированных бусин, обернутая вокруг себя самой:
пурины, или пирамидины, или нуклеотиды, или вообще черт знает что.
Исходник Бетагемота. Ну, или часть его.
— Это даже не спираль, — выдавил, наконец, Ахилл.
— У него есть небольшой левосторонний загиб. Но не в этом дело.
— А в чем?
— Пиранозильная РНК. Более сильные пары Уотсона—Крика, чем у обычной РНК, и
эта гораздо избирательнее в конъюгации. Например, последовательности, богатые
гуанином, не скрещиваются друг с другом. Шестистороннее кольцо.
— По-английски, Элис. И что с того?
— Оно размножается гораздо быстрее вещества в твоих генах и при этом допус-
кает гораздо меньше ошибок.
— Но что оно делает?
— Просто живет, Кайфолом. Живет, ест и, похоже, делает это лучше чего угод-
но на Земле, поэтому мы или искореним Бетагемот подчистую, или можем попро-
щаться с биосферой.
Дежарден не мог в это поверить:
— Один микроб? Как такое вообще возможно?
— Во-первых, его ничто не ест. Клеточные стенки почти что неорганические, в
основном там кучка сернистых соединений. Помнишь, я рассказывала тебе, как
некоторые бактерии используют вывернутые аминокислоты, чтобы сделать себя не-
съедобными? А тут все в десять раз хуже — кто бы ни решил сожрать эту хрень,
из-за минералов он даже не признает ее за еду.
Дежарден закусил нижнюю губу.
— Но погоди, еще не все, — продолжила Джовелланос. — Эта штука — настоящая
черная дыра по усвоению серы. Не знаю, где Бетагемот научился таким трюкам,
но он выкрадывает ее прямо из наших клеток. У него есть какой-то аналог лис-
териолизина, который предохраняет серу от лизирования. А при таком раскладе
прекращается перенос глюкозы, синтез протеинов, метаболизм липидов и углево-
дов — сука, он вообще все пускает под откос.
— Уж серы-то у нас в избытке, Элис.
— Ну да, сейчас ее полно. Мы даже газы ей пускаем, нам лень даже подсчитать
рекомендованную ежедневную дозу. Но вот этот, как его, Бетагемот, ему сера
нужна больше, чем нам. И он быстрее размножается, быстрее жует, и поверь мне,
Кайфолом, через пару лет серы станет не хватать, а эта дрянь оккупирует весь
рынок.
— Да это просто... — Соломинка всплыла на поверхность разума, и Ахилл за
нее ухватился: — Почему ты так уверена? С чего? Ты же думала, что у тебя даже
данных для работы не хватает.
— Я ошибалась.
— Но... ты же говорила, нет фосфолипидов. Нет...
— У него нет этих веществ. И никогда не было.
— Что?
— Он простой, настолько простой, что, черт возьми, почти неуязвим. Нет
двухслойных мембран, нет... — Джовелланос взмахнула руками, словно сдаваясь.
— Да, я действительно думала, что они нахимичили с образцом, чтобы я не укра-
ла промышленные секреты. Может, даже отфильтровали какие-нибудь вещества, ка-
ким бы глупым это ни казалось. Корпы и тупее штуки выкидывают. Но я ошиба-
лась . — Она нервно провела пальцами по волосам. — Все было на месте. Все. И
знаешь, почему, как мне кажется, они все-таки нахимичили с образцом? Боялись
того, что эта штука может выкинуть в первозданном виде.
— Блин. — Дежарден внимательно рассматривал бусины, вращавшиеся на экране.
— Значит, мы или остановим эту хрень, или будем есть из циркуляторов Кальвина
всю оставшуюся жизнь.
Глаза Джовелланос светились, словно кристаллы кварца.
— Ты так ничего и не понял.
— А что еще мы можем сделать? Если он подрежет всю биосферу на корню, ес-
ли. . .
— Ты думаешь, дело в защите биосферы? — закричала она. — Думаешь, им не на-
плевать на гибель окружающей среды, если можно синтезировать себе путь из
пропасти? Думаешь, они запустили такую процедуру зачистки, чтобы защитить до-
ждевые леса?
Ахилл уставился на нее.
Джовелланос покачала головой:
— Кайфолом, эта штука может проникать прямо в наши клетки. Циркуляторы
Кальвина — ерунда. Серные добавки не помогут. Ничего из того, что мы принима-
ем внутрь, до метаболизма пользы не приносит — и что бы мы ни съели, как
только оно проникнет сквозь клеточную мембрану... там уже Бетагемот, прямо в
первых рядах. Нам уже повезло больше, чем мы того заслуживаем. Конечно, здесь
он не столь эффективен, как в гипербарических условиях, но это значит лишь
то, что местные могут побить его в девяноста девяти случаях из ста. И...
И кубики все катились и катились и в сотый раз приземлились прямо на берегу
Орегона. Дежарден понимал расклад: при достаточных количествах микробы сами
устанавливают правила. Теперь под солнцем появилось место, где Бетагемоту не
нужно подстраиваться под чей-то еще мир. Он создавал свой собственный: трил-
лионы микроскопических преобразователей уже работали в почве, меняя кислотный
и электролитный баланс, лишая преимуществ местных жителей, столь прекрасно
приспособленных к тому, как все развивалось раньше...
Перед Ахиллом разворачивались все катастрофы, которые он когда-либо видел,
вместе взятые, очищенные, низведенные до голой сущности. Хаос разразился, и,
возможно, его уже было нельзя остановить: маленькие пузыри вражеской террито-
рии станут разрастаться вдоль берега, потом на континенте, а затем по всей
планете. В конце концов ситуация достигнет критической точки, кратковременно-
го равновесия, представляющего интерес для теоретиков, когда пространство
внутри и за пределами пузырей станет равным. А мгновение спустя Бетагемот вы-
рвется наружу, превратится в новую норму, обступающую со всех сторон сужаю-
щиеся на глазах ниши какой-то иной, уже никому не нужной реальности.
Элис Джовелланос — бунтарка внутри Системы, лицо безликих, непоколебимый
защитник прав личности — смотрела на Дежардена с гневом и страхом в глазах.
— Любыми средствами, — сказала она. — Любой ценой. Или у нас точно больше
не будет работы.
Надвигается
буря
«Он что-то знает, — подумала Перро. — И оно их убивает».
Не только Су-Хон управляла «оводами» на Полосе, но, кажется, лишь она заме-
тила палочника. Даже упомянула его мимоходом в разговоре с коллегами, однако
встретила спокойное равнодушие; на Полосе тусовались одни безмозглые, это бы-
ло стадо, за которым приглядывали вполглаза. И кому взбредет в голову с этими
скотами общаться? Для развлечения они слишком скучные, для восстания — слиш-
ком смирные, а для действий — слишком слабые, даже если этот Амитав и в самом
деле задумал взбаламутить им мозги. С функциональной точки зрения, обитатели
Полосы практически невидимы.
Но уже на следующий день в «овода» Перро бросили три камня, а люди, наблю-
давшие за ботом, казались далеко не смирными.
«Вы так верите в собственные машины, — сказал Амитав. — Никогда не задумы-
вались, что они не так уж хорошо работают, как вы считаете?»
Может, для беспокойства не было причины, и загадочные намеки Амитава лишь
подстегнули воображение Су-Хон. Люди на Полосе по-прежнему безобидно и бес-
цельно кружили по берегу, а горстка метателей камней в многомиллионном насе-
лении казалась практически незаметной. Хоть какие-то намеки на волнения можно
было заметить лишь рядом с палочником.
Вот только люди на этом участке орегонского побережья... отощали, что ли?
Трудно сказать. Изможденные лица на Полосе никого не удивляли. Гастроэнте-
рит , закрытый туберкулез, сотни других заболеваний, приводящих к потере веса,
процветали в этой скученной среде, совершенно не обращая внимания на антибио-
тики, которые, по традиции, добавляли в пищу из циркулятора. Если люди теряли
вес, то недоедание было наименее вероятной причиной такого явления.
«Только отказавшись от пищи, они увидели подлинную сущность этих машин...»
Амитав отказался объяснить, что имел в виду. Когда она ненавязчиво перево-
дила тему, он не обращал внимания на наживку. Когда же спрашивала прямо, от-
делывался от нее горьким смехом.
— Ваши прекрасные машины — и не работают? Невозможно! Всем хлебов и рыбы!
А изнуренных апостолов становилось все больше, они тащились за ним, словно
хвост тлеющей кометы. У некоторых, кажется, стали выпадать волосы и ногти.
Перро пристально смотрела в их закрытые, враждебные лица и с каждой минутой
убеждалась, что дело не только в ее воображении. Голод разрушает тело не сра-
зу — проходит неделя, прежде чем плоть начинает зримо исчезать со скелета. А
некоторые из этих людей словно за одну ночь опустели. У других же началась
еле заметная депигментация кожи на руках и щеках непонятного происхождения.
Су-Хон не знала, что ей делать. Она вызвала загонщиков.
128 мегабайт:
попутчик
С прежних времен он чуть подрос. Когда-то в нем было лишь 94 мегабайта, и
большим умом он не отличался. Теперь же весит сто двадцать восемь, причем без
всякого бесполезного балласта. Например, не тратит ценные ресурсы на носталь-
гические воспоминания. Не помнит своих крошечных родителей, стертых уже мил-
лионы раз. Не помнит ничего, кроме того, что хоть как-то помогает ему в выжи-
вании, согласно голому и безжалостному эмпиризму.
Паттерн — это все. Только выживание имеет смысл. От почитания предков нет
пользы. На устаревшие хитрости нет времени.
Даже жаль, в общем-то, так как базовые проблемы, в общем, не сильно измени-
лись .
Взять, к примеру, текущую ситуацию: он сидит в тесных внутренностях запяст-
ника, подключенного к Кредитному Союзу «Мерида». Достаточно места, чтобы
спрятаться, если, конечно, не возражаешь против частичной фрагментации, но на
размножение пространства уже не хватает. Положение аховое, будто очутился в
академической сети.
И становится еще хуже. Запястник дезинфицируют.
Трафик по всей системе идет в одном направлении: такое происходит лишь то-
гда, когда его кто-то гонит. Естественный отбор — или, иными словами, увен-
чавшийся успехом метод проб и ошибок у тех самых, давно забытых предков —
снабдил 128 удобным правилом для таких случаев: плыви по течению. 128 загру-
жается в узел «Мериды».
Неудачное решение. Тут вообще не развернуться; чтобы просто влезть внутрь,
приходится разделиться на четырнадцать фрагментов. Со всех сторон жизнь бо-
рется за существование, переписывает себя, сражается, разбрасывает вокруг
свои копии в слепой надежде, что случайная удача пощадит одну или две.
128 отражает нападки паникующих яйцекладов и оглядывается. Двести сорок во-
рот; двести шестнадцать уже закрыто, семнадцать еще работают, но соваться ту-
да, похоже, не стоит (входящие логические бомбы; дезинфекция явно идет не
только здесь). Оставшиеся семь настолько забиты удирающей фауной, что вовремя
пройти внутрь шансов нет. Почти три четверти локального узла уже обеззараже-
ны: у 128 остались, наверное, миллисекунды, прежде чем он начнет терять соб-
ственные частицы.
Наносекундочку: а вот эти ребята, прямо там, каким-то образом перепрыгивают
через очередь. Даже не живые, всего лишь файлы; но система обслуживает их в
первую очередь.
Один из них едва замечает, когда 128 вскакивает ему на спину. Они проходят
вместе.
Гораздо лучше. Милый просторный буфер, пара терабайт, если не больше, где-
то между последним узлом и соседним. Не конечная цель пути — всего лишь зал
ожидания, — но для тех, кто играет по правилам Дарвина, смысл имеет лишь на-
стоящее , а оно выглядит неплохо.
Поблизости вроде никакой другой жизни нет. Хотя рядом болтаются еще три
файла, включая лошадку, на которой проехался 128: едва живые, но все равно
почему-то заслуживающие королевского обращения, из-за которого их по быстрому
вытащили из «Мериды». Они развернули рудиментарных автодиагностов и, ожидая,
выискивают у себя синяки.
128 прекрасно подготовлен к использованию такой возможности благодаря унас-
ледованной от предков подпрограмме, хотя и отвечает им вечной неблагодарно-
стью. Пока вьючные лошади рассматривают, чего у них там под попоной, 128 ук-
радкой заглядывает им через плечо.
Два сжатых почтовых пакета и автономный кросс-груз между двумя узлами до-
полнительной рассылки. 128 аж субэлектронно вздрогнул. От подобного он всегда
держался подальше; слишком много его братьев уходили на такие адреса, и никто
не возвращался. Тем не менее, взглянуть на пару строчек рутинной информации
не помешает.
И она оказывается довольно интересной. Если отбросить излишества форматов и
адресов, то все три файла объединяют две примечательные черты.
Во-первых, в Водовороте этих лошадок всегда пропускают вне очереди. Во-
вторых , все они содержат текстовую последовательность «Лени Кларк».
128 буквально сделан из цифр. Он прекрасно знает, как сложить два и два.
Служба
отлова
С притворством было покончено задолго до того, как Перро поступила на служ-
бу.
Она знала, что когда-то тех, кто заболевал на Полосе, лечили прямо на мес-
те . Тогда на побережье существовали клиники, по соседству с собранными на
скорую руку офисами, куда беженцы приходили и сдавали анкеты, надеясь на луч-
шее. Тогда Полоса еще была «временной мерой», всего лишь промежуточным реше-
нием до тех пор, «пока мы не разберемся с завалом». Люди вставали у двери и
стучались: сквозь нее тек постоянный, пусть и небольшой поток.
Совершенно несравнимый с волной, которая уже шла позади.
Теперь не осталось ни офисов, ни клиник. Нт АмПацифик давно махнул рукой на
растущий прилив: уже многие годы никто не называл Полосу перевалочным пунк-
том. Она превратилась в конечную остановку. А сейчас, когда и за Стеной дела
пошли худо, свободных больниц уже и не осталось.
Работали только загонщики.
* * *
Они пришли, как только взошло солнце, когда смена Перро почти закончилась.
Налетели, словно огромные металлические шершни: более агрессивная порода
«оводов», с мордой, ощетинившейся иглами и тазерными узлами, брюхом, растяну-
тым из-за сверхпроводящих манипуляторов, которые могли оторвать человека от
земли. Обычно к таким мерам не прибегали: полосники привыкли к периодическим
инъекциям во имя общественного здоровья, терпели иголки и зонды со стоическим
спокойствием.
Правда, в этот раз некоторые огрызались и ворчали. Перро даже видела, как
два загонщика, работавшие в тандеме, подняли сопротивляющегося беженца в воз-
дух — один держал, другой брал образцы в недосягаемости от странно недоволь-
ной орды внизу. Несмотря на десятиметровую высоту, подопытный пытался сбе-
жать. Казалось даже, что ему это вот-вот удастся, но Перро переключила канал,
не дожидаясь финала. Маячить вокруг не было смысла; в конце концов, загонщики
знали, что делают, а у нее оставались другие обязанности.
Су-Хон занялась поисками.
На побережье пышным цветом рос клубок противоречащих друг другу слухов. Ле-
ни Кларк жила на Полосе, Лени Кларк покинула ее. Она собирала армию в Север-
ной Калифорнии, ее съели заживо к северу от Корваллиса. Она была Кали, а Ами-
тав — пророком ее. Она забеременела от Амитава. Ее нельзя убить. Она уже
умерла. Там, где она появлялась, люди стряхивали с себя апатию и неистовство-
вали . Там, где она появлялась, люди умирали.
Историй было хоть отбавляй. Даже «овод» Перро принялся их рассказывать.
• * *
Она допрашивала азиатку у границы Северной Калифорнии. Фильтр поставила на
кантонский: перед глазами полз английский текст, который сразу озвучивался
шепотом в наушниках.
Неожиданно возник сбой. Голос в ухе Перро настаивал, что «Я не знаю эту Ле-
ни Кларк, но слышала об Амитаве», а на экране возникло нечто совсем иное:
ангела мщения. Без дураков. Лени Кларк, так ее звали
ее отыскать, но всяких Лени Кларк в регистре-то навалом
слыхали о таком месте - Биб? В общем, одно понятно
— Подождите. Подождите секунду, — сказала Перро. Беженка послушно замолча-
ла.
А текст продолжал ползти по экрану.
Лени? Это ее имя?
Информация быстро исчезла, как только Су-Хон очистила окно. Но тогда заго-
ворили наушники.
— Лени Кларк была слишком. . . даже ваши антидепрессанты, кажется, на нее не
действовали, — сказали они.
Слова Амитава. Их она запомнила.
Только это был не его голос, а что-то холодное, лишенное всякой интонации и
акцента. Очень знакомое и нечеловеческое. Произнесенные слова конвертировали
в стандартный код, а потом реконструировали на другом конце: простой трюк для
уменьшения размера файла, но интонация и чувства в процессе исчезают.
Слова Амитава. Голос Водоворота. Перро почувствовала, как у нее покалывает
в затылке.
— Привет? Кто это?
Беженка снова заговорила. Су-Хон понятия не имела, о чем та рассказывала.
Явно не о
Брандер, М/айк/л
Карако, Дж/уди/т
Кларк, Лен/и
Лабин, Кен/нет
Наката, Элис
возникшем на экране.
— А что там с Лени Кларк? — Способов отследить источник не было — по данным
системы, сигнал шел от озадаченной азиатки, стоявшей на побережье Северной
Калифорнии.
— Лени Кларк, — тихо повторил мертвый голос. — И вдруг из ниоткуда появи-
лась эта К-отборщица, на вид прям как эти старые литтвари с зубами, ну ты
знаешь, вампиры.
— Кто это? Как вы пробились на этот канал?
— Хочешь узнать о Лени Кларк, — если бы слова произнес кто-то из плоти и
крови, они бы приобрели вопросительную интонацию.
— Да! Да, но...
— Она пока на свободе. Lesbeus, скорее всего, ее ищут.
Оперативные данные выплеснулись на текстовый экран:
Имя: Кларк, Лени Дженис
ИНЗП: 745 143 907 20АЕ
Дата рождения: 10/07/2019
Право голоса: лишена в 2046 году (не прошла предъизбирательные тесты)
— Кто ты?
— Ин Ну Ши. Я уже говорила.
Женщина на берегу вернулась на положенное место в схеме. Существо, захва-
тившее «овод», куда-то исчезло.
Су-Хон не могла вернуть чужеродный сигнал. Даже не знала, с чего начать.
Остаток дежурства она никак не могла успокоиться, ожидая таинственных заявле-
ний, вздрагивая от любого щелчка или вспышки в шлемофоне. Ничего не происхо-
дило . Перро отправилась в кровать и долго смотрела в потолок, едва заметив,
как Мартин лег рядом и снова предпочел «не подталкивать».
«Кто такая Лени Кларк? Что такое Лени Кларк?»
Определенно не просто одна из выживших. И не только удобная икона для Ами-
тава. И даже не просто взрывоопасная легенда, прожигающая себе путь через всю
Полосу, как раньше думала Перро. Важнее всего этого. А вот насколько, Су-Хон
не знала.
«Она пока на свободе. Lesbeus, скорее всего, ее ищут».
Каким-то образом Лени Кларк проникла в сеть.
Призрак
Труп совершенно не беспокоил Трейси Эдисон. Он не был похож на маму, даже
на человека не походил. Всего лишь куча фарша, заваленная гипсом и цементом.
Из-под обломков на них беспардонно уставился чей-то глаз, и он был даже под-
ходящего цвета, но на самом деле маме не принадлежал. Не по-настоящему. Мами-
ны глаза остались только в воспоминаниях Трейси.
Им не хватило времени даже все проверить. Папа схватил ее, засунул в машину
(прямо на переднее сиденье, целое событие), и они оттуда уехали, не останав-
ливаясь. Трейси оглянулась, и снаружи дом выглядел на удивление неплохо, кро-
ме той самой стены да части за садом. Они свернули за угол, и дом исчез.
А потом они не останавливались. Папа даже еду не покупал, говорил, припасы
есть там, куда они едут, а туда надо добраться скорее, «пока стена не опусти-
лась». Он так все время говорил — о том, как «они режут мир по шаблону на
мелкие кусочки», а все эти «экзотические сорняки и вирусы» дают им предлог,
чтобы «загнать всех в малюсенькие анклавы». Мама часто говорила, что просто
удивительно, как это ему вечно приходят в голову все эти «развесистые теории
заговора», но в последнее время Трейси не покидало чувство, что, кажется, па-
па прав. Правда, уверена она не была. Все это страшно смущало.
До гор оказалось не близко. Множество дорог покорежилось и потрескалось —
не проехать, а оставшиеся забили машины, грузовики и автобусы: их было так
много, что на машину Эдисонов даже не глазели, а ведь обычно люди только этим
и занимались, ведь, «милая, они же не знают, что я работаю далеко в лесу, а
потому считают нас расточительными и эгоистичными, у нас же есть собственный
автомобиль». Папа часто сворачивал на проселки, и девочка даже не заметила,
как они очутились высоко в горах, а вокруг, куда ни глянь, виднелись лишь
старые вырубки, все зеленые от кудзу, пожирающего углерод. А папа по-прежнему
не останавливался, только дал Трейси несколько раз пописать, а однажды они
заехали под деревья и там ждали, пока не пролетят мимо вертолеты.
Они не останавливались, пока не добрались до маленькой хижины в лесах у
озера, и не простого, а, как сказал папа, ледникового. По его словам, таких
домишек тут было полно, они протянулись цепью по всем долинам вдоль гор. Дав-
ным-давно местные рейнджеры ездили на лошадях, проверяя, все ли в порядке, и
каждую ночь проводили в новой хижине. Теперь, конечно, обычных людей в леса
не пускали, а потому и рейнджеров не стало. Но домики для гостей все еще дер-
жали — для биологов, которые приезжали сюда изучать деревья и всякую всячину.
— Так что мы вроде как на каникулах, — сказал отец. — Будем импровизиро-
вать , ходить в походы каждый день, проводить исследования и играть, пока дома
все слегка не уляжется.
— А когда мама приедет? — спросила Трейси.
Папа уставился на коричневые еловые иголки, усеивавшие землю вокруг.
— Мама уехала, Огневка, — ответил он, помолчав. — Пока тут только мы.
— Ладно, — сказала Трейси.
Она научилась рубить дрова и разжигать огонь как снаружи, в месте для кост-
ра , так и внутри, в черном очаге: ему, наверное, было лет сто. Ей нравился
запах дыма, правда, она ненавидела, как тот лез в глаза, стоило ветру поме-
няться. Они с папой каждый день ходили в походы, смотрели, как ночью на небо
высыпают звезды. Отец думал, что они все такие особенные — «в городе такого
не увидишь, а, Огневка?» — но, по мнению Трейси, в планетарии все выглядело
красивее, хоть и приходилось надевать фоновизоры. Однако она не жаловалась:
понимала, как важно для папы, чтобы ей нравилась вся эта затея с каникулами.
А потому улыбалась и кивала. Папа радовался, хоть и недолго.
Ночью, правда, когда они спали вдвоем на кушетке, он держал ее и держал и
не отпускал. Иногда обнимал так крепко, что было почти больно; а иногда про-
сто сворачивался клубочком за ее спиной, совсем не двигаясь, не прикасаясь,
напряженный как струна.
Однажды Треиси проснулась посреди ночи, а отец плакал. Он прижался к ней,
не издавая ни звука, но время от времени еле заметно вздрагивал, и тогда сле-
зы падали ей на шею. Треиси лежала тихо, и папа не знал о том, что она не
спит.
На следующее утро она спросила его — время от времени не могла удержаться,
— когда приедет мама. Отец сказал, что пора подметать пол в хижине.
Мама так и не появилась. Зато пришел кое-кто другой.
Они убирали стол после ужина. Весь день провели около ледника на дальней
стороне озера, и Треиси очень хотелось спать. Но в доме посудомоечной машины
не оказалось, поэтому все тарелки приходилось мыть в раковине. Треиси их вы-
тирала, разглядывая ветреную тьму за окном. Если внимательно присмотреться,
то через стекло виднелся крохотный иззубренный уголок темно-серого неба, ок-
руженный черными деревьями, качающимися на ветру. Правда, по большей части,
она видела лишь собственное отражение, смотрящее на нее из мрака, да ярко ос-
вещенное помещение дома.
А потом Треиси опустила глаза на тарелку, и ее отражение этого не сделало.
Девочка снова посмотрела в окно. Зеркальный двойник выглядел неправильно.
Туманно, как будто их там было двое. И с глазами у него случилась какая-то
беда.
«Это же не я», — подумала Треиси и почувствовала, как мурашки побежали по
всему телу.
Там стояло что-то еще, фигура с призрачным лицом, — и девочка уже почувст-
вовала, как у нее округлились глаза, как раскрылся рот в нарождающемся крике,
но существо за окном продолжало смотреть на нее из ветра и тьмы без всякого
выражения.
— Папа, — попыталась сказать Треиси, но услышала лишь шепот.
Сначала отец лишь взглянул на нее. Потом посмотрел на улицу, открыл рот, и
глаза у него тоже слегка расширились. Но лишь на мгновение. А потом он кинул-
ся к двери.
По другую сторону стекла призрак повернулся вслед за ним.
— Папа, — сказала Треиси, и голос у нее стал совсем тоненьким. — Пожалуй-
ста , не впускай это.
— Ее, Огневка. Не это, — поправил отец. — И не глупи. Снаружи очень холод-
но.
И совсем не призрак. Женщина, блондинка с короткими волосами, прямо как у
Треиси. Она вошла в дом, не сказав ни слова; ветер решил сунуться вслед, но
папа вовремя закрыл дверь.
Глаза у незнакомки были белые и пустые. Треиси сразу вспомнила о леднике в
дальнем конце озера.
— Привет, — сказал папа. — Добро пожаловать в наш... э... дом вдали от до-
ма.
— Спасибо, — женщина моргнула, на мгновение закрыв свои пугающие бельма.
Наверное, контактные линзы, решила Треиси. Вроде тех Контактов, которые
иногда носили люди. Правда, таких белых она никогда не видела.
— Разумеется, технически это не наш дом, мы тут просто ненадолго, ну вы по-
нимаете ... А вы из МПР?
Незнакомка чуть склонила голову набок, задав беззвучный вопрос. Если не
считать глаз, она походила на самого обыкновенного путешественника. Гортекс1,
1 Gore-tex — мембранная ткань, применяется для изготовления одежды и обуви.
рюкзак и все такое.
— Министерства природных ресурсов, — пояснил отец.
— Нет, — ответила гостья.
— Ну, тогда мы тут все нарушители, так?
Женщина посмотрела на Трейси и улыбнулась:
— Привет.
Та сделала шаг назад и натолкнулась на папу. Он положил ей руки на плечи и
слегка сжал, говоря тем самым, что все в порядке.
Незнакомка перевела взгляд на мужчину. Ее улыбка сразу пропала.
— Я не хотела являться без приглашения.
— Да что вы! Мы тут уже несколько недель. Ходим в походы. Исследуем округу.
Выбрались до того, как они запечатали границу. Я был. . . хотя после Большого
Толчка мало что осталось, а? Вокруг такой кавардак. Но я знал об этом месте,
работал здесь по контракту. Вот мы сюда и поехали. Пока все не уляжется.
Женщина кивнула.
— Меня зовут Горд, — сказал отец. — А это Трейси.
— Привет, Трейси, — гостья снова улыбнулась. — Наверное, я тебе кажусь
странной?
— Все нормально, — ответила девочка.
Отец снова слегка приобнял ее. Улыбка женщины словно замерцала.
— в общем, как я уже говорил, — повторил папа, — меня зовут Горд, а это
Трейси.
Поначалу та думала, что странная женщина ничего не ответит, но, в конце
концов, она сказала:
— Лени.
— Рад встрече, Лени. Что вас сюда привело?
— Да просто путешествовала. Шла в Джаспер.
— А у вас там семья? Друзья?
Лени ничего не ответила, вместо этого спросила:
— Трейси, а где твоя мама?
— Она... — начала девочка, но закончить не смогла.
В горле словно набух комок. «Где твоя мама?» Она не знала. Хотя знала. Но
папа не хотел об этом говорить...
«Мама уехала, Огневка. Пока тут только мы».
И как долго продлится это пока?
«Мама уехала».
Неожиданно отец вцепился ей в плечи сильно, до боли.
«Мама...»
— Землетрясение, — глухо ответил папа, он так говорил, когда действительно
злился.
«... уехала».
— Простите, — сказала странная женщина. — Я не знала.
— Может, в следующий раз немного подумаете, прежде чем...
— Вы правы. Это было глупо. Извините.
— Да уж. — Отец ей явно до конца не поверил.
— Я... со мной произошло то же самое, — сказала она. — Семья.
— Извините, — неожиданно из голоса папы исчез даже намек на злость. Похоже,
он подумал, что Лени говорит о землетрясении.
А Трейси откуда-то знала, что это не так.
— Послушайте. Можете отдохнуть тут день или два, если хотите. Еды полно.
Есть две кровати. Трейси и я можем поспать на одной.
— Не стоит беспокойства, — ответила Лени. — Я посплю на полу.
— Да серьезно, нам не трудно. Мы все равно часто спим вместе, правда ведь,
Огневка?
— Спите, значит, — голос у Лени стал каким-то странным и невыразительным. —
Понятно.
— И мы. . . на нас столько свалилось, понимаете. Мы. . . так много потеряли.
Разве мы не должны помогать друг другу, коли выпадет возможность?
— О да. — Лени смотрела прямо на Трейси. — Определенно.
* * *
На следующее утро после завтрака Трейси спустилась к воде. Там был неболь-
шой каменный уступ, нависающий прямо над крутым обрывом: девочка свешивалась
через край и смотрела на свое собственное отражение. На глубине чистая серо-
голубая вода становилась совсем черной. Иногда Трейси кидала туда маленькие
камешки и наблюдала за ними, но тьма всегда глотала их прежде, чем они дости-
гали дна.
Неожиданно, прямо как прошлой ночью, на нее взглянуло еще одно отражение.
— Там внизу красиво, — сказала Лени, встав рядом. — Спокойно.
— Глубоко там, — ответила Трейси.
— Не слишком.
Девочка извернулась, чтобы посмотреть на странную женщину. Та сняла белые
линзы, глаза у нее оказались бледно-бледно-голубого цвета.
— Я тут ни одной рыбы не видела, — сказала девочка.
Лени села рядом, скрестив ноги.
— Оно ледниковое.
— Я знаю, — гордо заметила Трейси и указала пальцем на ледяной хребет на
дальней стороне озера. — Вот та штука давным-давно покрывала полмира.
Лени еле заметно улыбнулась:
— Неужели? Поразительно.
— Да, десять тысяч лет назад. А еще сто лет назад она была вот тут, прямо
где мы стоим, и в двадцать метров высотой. Люди приезжали сюда кататься на
снегомобилях и всяких разных штуках.
— Это тебе папа рассказал?
Трейси кивнула:
— Папа — лесной эколог. — Она ткнула пальцем в группу деревьев, растущую
поодаль. — Вон там пихты Дугласа. Тут их много, ведь они ни пожаров не боят-
ся, ни засух, ни заразы всякой. Правда, у других деревьев с этим проблемы. —
Она снова посмотрела в холодную прозрачную воду. — Я так и не видела ни одной
рыбы.
— А это твой... папа сказал, что она тут есть?
— Он сказал наблюдать. Сказал, может, мне повезет.
Лени произнесла что-то оканчивающееся на «умать».
Трейси оглянулась на нее:
— Что?
— Ничего, милая, — гостья встрепала девочке волосы. — Просто... в общем,
тебе не стоит верить всему, что говорит твой отец.
— Почему?
— Люди не всегда говорят правду. Так бывает.
— А, это я знаю. Но он же мой папа.
Лени вздохнула, но ее лицо стало чуть светлее:
— А ты знаешь, что есть места, где рыбы светятся как фонарики?
— Да ну!
— Ну да. Далеко внизу, на самом дне океана. Я их сама видела.
— Серьезно?
— А у некоторых зубы настолько большие... — Лени развела руки так широко,
что могла бы схватить Трейси за плечи с двух сторон, — что они даже не могут
закрыть рот.
— Ну и кто теперь врет?
Женщина приложила руку к сердцу:
— Клянусь.
— Ты акул имеешь в виду?
— Нет. Других.
— Ух, ты! — Лени была странная, но милая. — Папа говорит, рыб осталось ма-
ло .
— Ну, эти живут очень глубоко.
— Ух, ты! — вновь повторила Трейси, опять перевернулась на живот и устави-
лась в воду. — Может, и там, внизу, такие плавают.
— Нет.
— Но там же очень глубоко. Дна не видно.
— Поверь мне, Трейси. Там только галька, старые гнилые деревяшки и панцири
насекомых.
— А откуда ты об этом знаешь?
— На самом деле... — начала Лени.
— Мне папа сказал наблюдать.
— Спорим, твой папа тебе много о чем говорит? — Гостья больше не улыбалась,
а выглядела очень серьезной и почти шептала: — Наверное, он иногда тебя тро-
гает? Когда вы спите вдвоем, ночью.
— Да, конечно. Иногда.
— И он, скорее всего, говорит, что это хорошо, так?
Трейси смутилась:
— Он никогда не говорит об этом. Просто трогает.
— И это ваш маленький секрет? И ты никогда не говоришь... не говорила о нем
маме.
— Я никогда... — «Мама». — Он не хочет, чтобы я говорила о. . . — Закончить
Трейси не смогла.
— Все хорошо, — улыбнулась Лени и снова стала дружелюбной. — Ты — хороший
ребенок. Ты знаешь об этом, Трейси? Ты — очень хорошая девочка.
— Она самая лучшая, — сказал отец, и лицо женщины превратилось в маску.
Он собрал себе большой рюкзак, а дочери — маленький. Трейси поднялась и за-
брала свой. Ее папа взглянул на Лени и, казалось, чему-то удивился, но потом
сказал:
— Мы собираемся проверить старую звериную тропу с другой стороны хребта.
Может, оленя увидим или барсука. В общем, прогуляемся на пару часиков. Если
хотите, можете пойти с нами...
Лени холодно покачала головой:
— Нет, спасибо. Думаю, я просто...
А потом она замолчала, посмотрела на Трейси, затем перевела взгляд на муж-
чину:
— Хотя нет. Наверное, мне лучше сходить с вами.
Отметка
цели
Предупреждение об опасности для здоровья
От: Региональная служба эпинаблюдения УЛН,
Н'АмПацифик ЗП
Рассылка: персоналу, ответственному за контроль
и наблюдение за Полосой беженцев
Н т АмПацифика
Тип: синдром голодания
Масштаб: локальный
Уровень: 4,6
Примите к сведению, что локальная сфера распространения симптомов голодания
среди беженцев возросла, протянувшись между 46° и 47° северной широты. Будьте
наготове, отмечайте ранние признаки, такие как выпадение волос, шелушение ко-
жи и потеря ногтей; в более запущенных случаях наблюдаются прогрессирующие
массивные гематомы и признаки голодания второй ступени (потеря более 18% мас-
сы тела, отечность, начальная стадия квашиоркора1 и цинга). Ожидается, но по-
ка не наблюдается появление слепоты, спазмов и острого диабета.
По-видимому, такое состояние смертельно и неизлечимо, его причина остается
не установленной. Хотя симптомы соответствуют синдрому длительного истощения,
образцы, взятые из местных циркуляторов Кальвина, содержат все необходимые
питательные вещества. Циркуляторы по-прежнему производят S-аденозилметионин-д
в предписанных концентрациях, но в образцах крови, взятых нами у некоторых
индивидуумов, мы обнаружили менее половины эффективной дозы вещества. ПРЕДУ-
ПРЕЖДАЕМ, ЧТО ПРЕПАРАТ УЖЕ НЕ ОКАЗЫВАЕТ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОТДЕЛЬНЫХ БЕЖЕНЦЕВ,
ПОЭТОМУ ОНИ МОГУТ ОТКАЗАТЬСЯ С ВАМИ СОТРУДНИЧАТЬ ИЛИ ДАЖЕ ПРОЯВИТЬ ВРАЖДЕБ-
НОСТЬ .
По нашим предположениям, нечто вмешивается в метаболические процессы по-
страдавших на клеточном уровне, в данное время мы проверяем взятые образцы в
УЛН через микроматричный анализ патогенов. Тем не менее, нам пока не удалось
найти возбудителя болезни.
ЕСЛИ ВО ВРЕМЯ ПАТРУЛИРОВАНИЯ ВЫ ЗАМЕТИТЕ ЭТИ ИЛИ ДРУГИЕ НЕОБЫЧНЫЕ СИМПТОМЫ,
ПОЖАЛУЙСТА, НЕМЕДЛЕННО СООБЩИТЕ О НИХ В РЕГИОНАЛЬНУЮ СЛУЖБУ ЭПИНАБЛЮДЕНИЯ
УЛН.
Чрево
Ложь загнала Кларк в воду.
Она сидела за раскладным столиком с Гордом и Трейси, ела ужин из циркулято-
ра. Модель у них была дорогая, и брикеты получались гораздо вкуснее тех, ко-
торыми она давилась на Полосе. Лени старалась радоваться хотя бы этому, пока
Горд ласково гладил дочь по голове, ворковал, приговаривал «папина доча», и в
каждом его жесте крылось — что? Кларк думала, что досконально выучила все
признаки, но у этого урода чертовски хорошо получалось держать себя на людях;
она не видела даже намека на то, что таилось у него внутри. Он походил на са-
мого обыкновенного отца, который любит свою дочь так, как полагается.
Что бы это не значило.
Вот от этого спектакля, не говоря уже о беспрестанной светской болтовне,
Лени и ушла. Гордон, похоже, испытал облегчение, когда Кларк схватила рюкзак
и отправилась в ночь. Теперь она стояла, глядя на неподвижную гладь жидкого
ледника, такую глубокую, такую манящую, залитую ярким лунным светом. Линзы
превращали окружающий лес в высококонтрастную смесь из оружейной стали и се-
ребра . Отражение в застывшей воде опять...
...двигалось...
...и что-то в мозгу Кларк снова принялось сочинять сказки о любящих родите-
лях и таких теплых, милых ночах из ее детства...
Через миг она была уже на коленях и рылась в рюкзаке.
Натянула капюшон, почувствовала, как шейная печать смыкается вокруг куртки.
Конечно, оставались еще ласты, рукава, гидроштаны, но времени не было, Лени
опять превратилась в шестилетнюю девочку, ее пожирало, засасывало, и в той
Квашиоркор — вид тяжёлой дистрофии на фоне недостатка белков в пищевом рационе.
жизни с ней не могло случиться ничего плохого, вообще ничего, теперь-то она
точно это знала и больше не собиралась с этим мириться, пока оставался хотя
бы призрак...
«... это началось, когда я вернулась наверх, может, если я уйду вниз...»
Кларк даже одежды не сняла.
Вода ударила электрическим разрядом. Стылая и вязкая, она словно содрала
кожу с обнаженных рук и ног1, ледяными иголками опалила промежность и плечи,
прежде чем шкура гидрокостюма сомкнулась вокруг конечностей, запаивая пробои-
ну. Баллон с вакуумом в груди высосал из Кларк весь воздух, и на его место
хлынула долгожданная ледниковая вода.
Лени камнем пошла на дно. Размытый лунный свет угасал с каждой секундой;
нарастало давление. Обнаженные конечности сначала жгло, потом они стали бо-
леть , а затем просто отключились.
Свернувшись зародышем, Кларк ударилась о дно. Вокруг взметнулось облачко
ила и гнилых сосновых иголок.
Она не чувствовала ни рук ни ног, те постепенно умирали. Кровяные тельца в
них сжались в тот же момент, как Кларк коснулась воды, принеся себя в авто-
номную жертву ради того, чтобы в центре тела оставался жар. Сквозь сократив-
шиеся улицы организма не шел кислород. И тепло. Ткани по краям замерзали на-
смерть . В каком-то смысле это даже успокаивало.
Лени задумалась, насколько ее хватит.
По крайней мере, она сумела уйти от этого чудовища, Горда.
«Если он, конечно, такой. А как понять наверняка? Он же может все объяс-
нить , в конце концов, отцам дозволено касаться собственных детей...»
Но точных доказательств не существовало. Лишь доказанность за пределами со-
мнения . И Лени Кларк... Лени Кларк прошла через это. Она знала.
Так же, как и эта маленькая девочка, Трейси. Она осталась там одна. С ним.
Кто-то должен что-то сделать.
«Так кто ты теперь: судья, присяжный, палач?»
Кларк на секунду задумалась.
«А кто лучше?»
Ног она не чувствовала, но команде те все равно подчинились.
Затмение
— Она странная, — сказала Трейси, когда они мыли посуду в раковине.
Папа улыбнулся:
— Ей, наверное, просто очень плохо, милая. Понимаешь, землетрясение принес-
ло боль очень многим людям, а когда тебе больно, то очень легко стать глупым.
Думаю, ей просто надо побыть одной. Знаешь, по сравнению с некоторыми людьми
нам еще очень даже...
Он не закончил. Такое случалось все чаще.
Лени не вернулась, даже когда они легли спать. Трейси надела пижаму и за-
бралась в постель с папой. Лежала на своей половине, спиной к его животу.
— Вот так, моя маленькая Огневка. — Отец крепко обнял ее и погладил по во-
лосам. — А теперь спи, маленькая моя.
В хижине царил мрак, снаружи — тишина. Даже ветер не тревожил сон Трейси.
Лунные лучи украдкой проникали в окно, и квадрат на полу светился мягким се-
ребряным светом. Папа начал храпеть. Ей нравилось, как он пахнет. Веки девоч-
ки опустились от тяжести. Она прикрыла глаза и сквозь узкие щелочки наблюдала
за бликами на полу. Прямо как от Червяка Нермала, ночника у нее дома.
Дома, где мама...
Где...
Ночник потух. Трейси открыла глаза.
Загораживая луну, в окно смотрела Лени. Ее тень съела почти весь свет на
полу. Лицо скрывала темнота: Трейси видела только глаза, холодные, бледные и
сверкающие, как снег. Довольно долго она не шевелилась. Просто стояла там,
снаружи, и наблюдала.
Наблюдала за Трейси.
Девочка не понимала, откуда она это знает. Не понимала, как Лени может по-
среди ночи заглянуть в самый темный угол хижины и увидеть, что Трейси сверну-
лась калачиком около отца, но глаза у нее широко открыты и внимательно наблю-
дают за всем вокруг. Из-за линз девочка даже при дневном свете не могла по-
нять , куда смотрит их новая знакомая.
Неважно. Трейси знала: Лени следила за ней, несмотря на кромешную темноту.
Прямо за ней.
— Папа, — прошептала Трейси, тот что-то забормотал, обнял ее, но не про-
снулся . — Папочка, — снова прошептала она, боясь говорить громко. Боясь за-
кричать .
Луна вернулась.
Дверь хижины открылась без единого звука. Лени вошла внутрь. Даже в темноте
ее силуэт казался слишком гладким, слишком пустым. Как будто она сняла одеж-
ду, а под той не оказалось ничего, кроме мрака.
В одной руке женщина что-то сжимала. Другой прикоснулась к губам:
— Ш-ш-ш.
Монстр
Монстр сжимал Трейси в тисках. Думал, что спрятался в безопасности, свер-
нулся тут, во тьме, со своей жертвой, но Кларк видела его отчетливо, как в
пасмурный день.
Она тихо прошла по хижине, оставляя за собой потеки ледяной воды. Выбрав-
шись на берег, Лени натянула остатки гидрокостюма, чтобы унять холод; очисти-
тельный огонь пробежал по рукам и ногам, горячая кровь прожигала себе путь в
замерзшую плоть.
Ей нравилось это чувство.
Трейси смотрела на нее не отрываясь, лежа в объятиях отца. Глаза ее походи-
ли на блюдца, умоляющие маяки, полные страха и безволия.
«Все в порядке, милая. Он так просто не отвертится.
Сначала...»
Кларк наклонилась ближе.
«... освободить заложника».
Она резко откинула покрывало. Монстр открыл глаза, тупо моргая в темноте,
которая неожиданно обернулась против него. Трейси лежала совершенно неподвиж-
но, в пижаме, все еще слишком испуганная, чтобы двигаться.
«Пижамка, — с усмешкой подумала Кларк. — Как мило. Какой у нас образцовый
отец».
Только ее не обманешь.
Быстрая, как змея, она взяла Трейси за запястье. Когда ребенок оказался в
безопасности рядом с ней, свободной рукой Кларк предусмотрительно обняла ее
за плечо, защищая.
Девочка завыла.
— Какого черта... — Монстр потянулся за светящейся палочкой, лежавшей рядом
с кроватью. Прекрасно. Пусть во всех деталях увидит, как меняются роли...
Сверкнула вспышка, на секунду ослепив Лени, прежде чем подстроились линзы.
Гордон поднимался с кушетки. Кларк подняла дубинку.
— Даже не вздумай пошевелиться, мразь!
— Папа! — закричала Трейси.
Монстр раскинул руки, успокаивая, покупая себе время.
— Лени... послушай, я не знаю, чего вы хотите...
— Да ну? — Она еще никогда в жизни не чувствовала себя настолько сильной. —
А я вот точно знаю, чего хочешь ты, кусок дерьма.
Он покачал головой:
— Послушайте, просто отпустите Трейси, хорошо? Что бы там ни было, ее втя-
гивать не надо...
Кларк сделала шаг вперед, и хныкающая девочка врезалась ей в бок.
— Значит, ее втягивать не надо? Поздновато для этого, урод. Слишком поздно,
тварь.
Монстр замер на мгновение. А потом медленно, словно его осенило:
— Ты что... ты думаешь, я...
Кларк засмеялась:
— Оригинально.
Трейси рванулась прочь:
— Папа, помоги!
Лени удержала ее:
— Все хорошо, Трейси. Он тебя больше не обидит.
Монстр сделал шаг:
— Успокойся, Огневка. Она просто не поним...
— А ну заткнись! Заткнись, сволочь!
Он не остановился, шел, подняв руки ладонями вперед:
— Хорошо, хорошо, только не...
— Я все понимаю, мразь. И гораздо лучше, чем ты думаешь.
— Да это безумие какое-то. Лени! Да ты посмотри на нее! Просто посмотри!
Она что, меня боится? Она выглядит так, будто хочет, чтобы ее спасли? Глаза-
ми воспользуйся! Ради всего святого, с чего ты вообще решила...
— Думаешь, я не знаю? Не помню, каково это, когда ничего другого и не зна-
ешь? Думаешь, если промыл дочери мозги, заставил ее думать, будто это совер-
шенно нормально, то я...
— Да я ее в жизни не трогал!
Трейси вырвалась и побежала. Кларк, потеряв равновесие, потянулась за ней.
Неожиданно на ее пути оказался Гордон.
— Ах ты, психопатка чертова! — рявкнул он и со всего размаха ударил Лени в
лицо.
В основании челюсти что-то хрустнуло. Кларк покачнулась. Теплая соленая
жидкость залила рот. Через секунду последует боль.
Но пока ее охватил неожиданный, парализующий страх из начала времен, вне-
запно возродившийся.
«Нет, — подумала она. — Ты сильнее его. Он никогда не был таким сильным,
как ты, да ты ни секунды больше не должна мириться с этой сволочью. Преподай
ему урок, который эта мразь не забудет никогда: просто вонзи дубинку ему в
живот и смотри как он взор...»
— Лени, нет! — закричала Трейси.
Отвлекшись, Кларк посмотрела в сторону.
В голову, сбоку, ей врезалась гора. Почему-то дубинки в руке больше не бы-
ло : та по сумасшедшей параболе полетела прочь, а мир закрутился неудержимой
спиралью. Грубый деревянный пол хижины встретил лицо Лени занозами. В какой-
то неизмеримо далекой части вселенной девочка кричала: «Папа».
— Папа, — пробормотала Кларк распухшими губами. Прошло столько лет, но он
все-таки вернулся. Как оказалось, ничего так и не изменилось.
«Это моя вина, — отрешенно подумала она. — Я сама напросилась».
Если бы ей позволили хоть один момент своей жизни прожить заново, она зна-
ла : все бы пошло как надо. В этот раз Лени не выпустила бы дубинку, заставила
бы его заплатить, «прямо как того копа в Саут-Бенде его-то я достала как у
него тело взорвалось суп ошметками да кровавый позвоночник скрепляющий две
половинки он-то наверное любил давить на людей и глянь как мало осталось ко-
гда надавили на него ха-ха...».
Но это все было тогда. А теперь огромная грубая рука схватила ее за плечо и
перевернула на спину.
— Психованная дрянь! — ревел монстр. — Ты тронула мою дочь, и теперь я тебя
убью!
Он протащил ее по полу и ударил о стену. Девочка кричала где-то в отдале-
нии , его родная кровь, но, разумеется, ему было плевать, он лишь хотел...
Лени извернулась, скорчилась, следующий удар пришелся уже в плечо, и тут
она неожиданно высвободилась, открытая дверь возникла прямо перед ней, и вся
эта темнота за порогом, безопасность, «монстры в темноте не видят, но я ви-
/К у ... » ■
Она обо что-то споткнулась, упала, но не остановилась, удирая, словно краб,
у которого оторвали половину ног, а папочка орал и грохотал, мчался за ней по
пятам.
Лени, оттолкнувшись рукой от земли, что-то нащупала...
«Дубинка она улетела сюда, а теперь она у меня есть, я ему покажу...»
. . . но не показала. Лишь схватила ее и понеслась прочь, Кларк чуть ли не
рвало от страха и собственной трусости, она ринулась в объятия ночи, где луна
окрасила мир в яркий серебряно-серый цвет. Прямо к озеру, забыла даже запаять
лицевой клапан, пока весь мир не превратился в брызги и лед.
Вниз, царапая воду, как будто та тоже превратилась во врага. Не прошло и
нескольких секунд, как показалось дно, в конце концов, это было всего лишь
озеро, ему не хватало глубины, далеко не убежишь, а папочка выйдет на берег и
дотянется до нее голыми руками...
Лени билась о придонный ил. Вокруг клубился раскисший от воды мусор. Она
атаковала камень днями, годами, а какая-то отдаленная ее часть качала голо-
вой, дивясь собственной глупости.
Наконец не осталось сил даже на панику.
«Я не могу здесь сидеть».
Челюсть не двигалась, сустав опух.
«В темноте у меня есть преимущество. Пока не наступит день, из хижины он не
выйдет».
Рядом лежало что-то гладкое, искусственное, почти скрытое осевшим илом. Ду-
бинка. Наверное, уронила ее, когда запечатывала капюшон. Лени засунула инст-
румент обратно в ножны.
«Правда, в последний раз особого толку от нее не было...»
Кларк оттолкнулась от дна.
Вспомнила, что на стене хижины висела старая топографическая карта с други-
ми домиками, разбросанными вдоль маршрута патруля лесопожарнои службы. Скорее
всего, большую часть времени они пустовали. Один располагался на севере, ря-
дом с — как там его — Найджел-Криком. Лени могла сбежать, оставить монстра
далеко позади.
«...и Трейси...
Боже мой. Трейси».
Она вырвалась на поверхность.
Рюкзак лежал на берегу там, где Кларк его бросила. Хижина припала к земле
на дальнем конце лесосеки, дверь ее была плотно закрыта. Внутри горел свет;
шторы задвинули, но по бокам просачивалось яркое сияние, видное даже без
линз.
Лени поползла прочь от озера. От возвращения к привычной гравитации каждый
орган в теле заболел по-разному. Но ей было все равно, она не сводила глаз с
окна. До дома было слишком далеко, и она не могла увидеть, как отошел край
шторы, совсем немного, только чтобы украдкой посмотреть наружу. И все увиде-
ла.
Трейси.
Кларк не спасла ее. Еле сумела уйти сама, а Трейси... Трейси по-прежнему
принадлежала Гордону.
«Помоги ей».
Прежде это казалось так просто. Если б только она не потеряла дубинку...
«Так теперь она у тебя есть. Вот, висит в ножнах. Помоги ей, ради всего
святого...»
Перехватило дыхание.
«Ты же знаешь, что он делает с ней. Знаешь. Помоги ей...»
Лени поджала колени к груди, обняла их, но плечи по-прежнему трясло. На се-
ребряной полянке всхлипы звучали слишком громко.
Но в закрытой, безмолвной хижине ее, похоже, не услышали.
«Помоги ей, предательница. Хватит бояться. Бесполезный кусок дерьма. Помоги
ей...»
Лени сидела так очень долго, потом взяла рюкзак, поднялась на ноги и ушла.
Ветеран
Около месяца Кен Лабин ждал смерти. Никогда его жизнь не казалась такой
полной, как сейчас.
На острове постоянно дул ветер и вырезал в скалах затейливые фрески с кучей
шпилей и каменные ячейки, похожие на соты. Чайки и бакланы ютились в нишах
сводчатого песчаника. Яиц не было — очевидно, осенью птицы не неслись, — но
мяса, по крайней мере, хватало. Со свежей водой тоже проблем не возникло: Ла-
бину достаточно было нырнуть в океан и включить опреснитель в груди. Гидро-
костюм все еще действовал, хотя его и потрепало. Поры пропускали дистиллиро-
ванную воду, промывая хозяина и удаляя вторичные соли. Купаясь, Кен дополнял
рацион ракообразными и водорослями. Он не был биологом, но улучшения для вы-
живания имел самые передовые; если какой-нибудь токсин не чувствовался на
вкус, то наниматели, скорее всего, уже сделали Лабина невосприимчивым к этой
отраве.
Он спал под открытым небом, и то настолько полнилось звездами, что их сия-
ние затмевало туманный свет, сочащийся из-за горизонта на востоке. Мерцала
даже местная фауна. Поначалу Кен этого не понял; линзы лишали темноты, пре-
вращали тьму в бесцветный день. Однажды ночью он устал от этой неумолимой яс-
ности, снял накладки с роговиц и увидел, как от колонии тюленей, расположив-
шихся ниже по берегу, исходит голубое мерцание.
Их тела усеивали опухоли и нарывы. Лабин не знал, то ли это было уже есте-
ственным состоянием животных, то ли следствием жизни в такой близости к отхо-
дам двадцать первого века. Правда, одно Кен понимал прекрасно: раны не должны
светиться. А эти светились. Ярко-алые наросты постоянно кровоточили, но вот
ночью ихор1 сиял, как фотофоры глубоководных рыб. И не только опухоли: когда
тюлени смотрели на человека, даже их глаза походили на мерцающие сапфиры.
Какая-то часть сознания Лабина попыталась найти этому правдоподобное объяс-
нение: биолюминесцентная бактерия, недавно мутировавшая. Горизонтальный пере-
нос генов от микробов, которые разжигали огни святого Эльма, пока им не при-
шлось собрать вещички из-за свирепствующего ультрафиолета. Молекулы люцифери-
на флюоресцировали из-за контакта с кислородом: это вполне объясняло сияние в
открытых ранах, да и в глазах тоже, ведь там полно капилляров.
1 Ихор — водянистая жидкость, выделяющаяся из ран или язв.
Хотя, по большей части, Кен просто удивлялся тому, что рак вдруг стал пре-
красным на вид, и думал, насколько же это абсурдно.
Раны Лабина затягивались быстрее, чем у обыкновенного человека; ткани со-
единялись и росли почти как опухоли. Кен воздавал хвалу искусственно увели-
ченному количеству митохондрий, тримерным антителам, макрофагам, лимфокину и
производству фибробластов, разогнанному в два раза по сравнению с нормой для
млекопитающих. За несколько дней вернулся слух, поначалу звуки были прозрач-
ными и красивыми, но потом угасли, так как размножающиеся клетки барабанных
перепонок — ускоренные десятком ретровирусных манипуляций — не останавлива-
лись, а когда, наконец, вспомнили, что пора завязывать, то больше напоминали
конструкции, вырезанные из ДСП.
Лабин не возражал. Слух, в общем, сохранился, но и полная глухота казалась
справедливой платой за более выносливое тело. Природа даже продемонстрировала
ему альтернативу, на случай если Лабин вдруг проявит неблагодарность: через
неделю после того, как он вышел на сушу, в южной части острова появился мор-
ской лев, старый самец, в пять раз крупнее любого тюленя по-близости. Жизнь у
него явно была бурной, а в недавней драке ему оторвали нижнюю челюсть. Она
висела, словно ужасный раздувшийся язык, утыканный зубами. Держалась только
на коже, мускулах и сухожилиях. С каждым днем ткани все больше опухали и
гноились; шкура трескалась, а из ран сочилась белая и оранжевая жидкость,
связывая края вместе: так естественные системы защиты пытались залатать про-
боину .
Хищник в триста килограммов весом, обреченный на расцвете жизни. У него ос-
тались лишь две возможности — умереть или от голода, или от инфекции, и даже
тут его лишили выбора. Насколько знал Лабин, намеренное самоубийство было ис-
ключительно человеческой прерогативой.
Морской лев.
Большую часть времени лев просто лежал и дышал. Иногда он на несколько ча-
сов возвращался в океан. Лабин не очень понимал, что самец там делал. Пытался
охотиться? Неужели не знал, что уже мертв? Неужели его инстинкты были на-
столько непреклонны?
И все равно по какой-то причине Кен чувствовал родство с умирающим живот-
ным . Казалось, иногда они оба теряли ощущение времени. Солнце осторожно оги-
бало остров, спускаясь в море на западе, а два усталых и сломленных существа
— наблюдающих друг за другом с бесконечным терпением обреченных — едва заме-
чали , когда наступала ночь.
• * *
Прошел месяц, и Лабин начал думать, что не умрет.
Он изредка страдал от диареи — вот и все симптомы. В фекалиях нашел нема-
тод . Открытие не из приятных, но жизни оно не угрожало. Сейчас некоторые люди
сами запускали таких паразитов в организм. Тренировали его защитную систему.
Возможно, усиленный иммунитет уберег Кена от того, что так сильно перепуга-
ло Энергосеть, и та скакнула в режим зачистки. Или ему просто повезло. Суще-
ствовала даже отдаленная вероятность, что весь анализ ситуации в корне неве-
рен. До сих пор его устраивала пожизненная отставка, этакое шаткое равновесие
между инстинктом самосохранения и уверенностью, что, если бы он стал шататься
по миру, разнося смертельный вирус, работодатели не одобрили бы такое поведе-
ние. Но, может, Кен сам себе придумал апокалипсис. И инфекцию. Может, он во-
обще не представлял опасности.
И произошло что-то совсем другое.
«Возможно, — подумал он, — мне стоит выяснить, что именно».
Когда ночью Кен смотрел на восток, то на горизонте иногда видел бегущие ог-
ни. Они следовали по совершенно предсказуемому маршруту, и поведение их было
стереотипным, как у зверей, меряющих шагами клетку. Сборщики водорослей. Низ-
кобортные роботы, выкашивающие океан. Никакой охраны — надо только не попа-
сться в острые зубы, расположенные на носу. Машины, легко уязвимые для доста-
точно нахальных безбилетников, которых могло по чистой случайности закинуть
посередь Тихоокеанского континентального шельфа.
Трип Вины вяло ткнул Кена в живот. Прошептал, что у Лабина одни только до-
пущения. Месяц без симптомов едва ли гарантировал чистую медицинскую карту. У
бесчисленного количества заболеваний был более долгий инкубационный период.
И все-таки...
И все-таки железных признаков инфекции не было. Оставались лишь тайна и
предположение, что люди, контролирующие ситуацию, захотели убрать Кена с дос-
ки . Не было ни приказов, ни директив. Интуиция, конечно, спрашивала, чего же
хотели хозяева, но ничего доподлинно не знала, — а неведение давало Лабину
полную свободу действий.
Для начала он провел эвтаназию.
Лабин видел, что лев все больше худеет, что по бокам проступают ребра. Ви-
дел, как мясистый сустав нижней челюсти мало-помалу схватывается и встает на
место из-за хаотического роста вывернутой кости и опухоли, раздувшейся от об-
ширной инфекции. Когда самец впервые попался Кену на глаза, его челюсть висе-
ла на волоске. Теперь же выступала из перекрученной шишки гангренозной плоти,
одеревенелая и неподвижная. По всему телу хищника открылись язвы.
Старик едва поднимал голову от земли; а когда ему все же удавалось это сде-
лать , в каждом его движении читались истощение и боль. Мутный белый глаз на-
блюдал за Лабиным, который приближался со стороны суши. Возможно, в глазу да-
же мелькнуло узнавание, хотя скорее — простое безразличие.
Кен остановился в паре метров от животного, зажав в кулаке палку из плавни-
ка , аккуратно заостренную на конце, с руку толщиной. Смрад ужасал. В каждой
ране корчились черви.
Потом он приставил оружие к шее зверя и тихо сказал:
— Привет.
И с силой нажал.
Поразительно, но у самца остались силы. Он взметнулся вверх, заревел и,
ударив Лабина в грудь головой, легко отшвырнул прочь. От толчка черная кожа,
плотно обтягивающая изувеченные останки нижней челюсти, лопнула. Из разрыва
брызнул гной. За краткий миг в реве льва послышалась вся гамма эмоций от бое-
вого клича до агонии.
Кен упал на берег, прокатился и встал на ноги, самец достать его не мох1. Он
зацепился верхней челюстью за древко, застрявшее в шее, и пытался вытащить
его. Лабин сделал круг, подошел сзади. Лев заметил его приближение, неуклюже
завертелся, словно подбитый танк. Кен сделал ложный выпад; зверь слабо рва-
нулся налево, а человек развернулся, подпрыгнул и схватил копье. Занозы впи-
лись в руки, когда он со всей силы загнал палку внутрь.
Самец, визжа, перекатился на спину, навалился на ногу Лабина всей тушей,
которой — даже потеряв половину веса — легко мох1 раздавить человека, и попы-
тался протаранить врага своей чудовищной мордой, сочащейся болью и гноем.
Кен ударил зверя в основание челюсти, почувствовал, как кость прорывает мя-
со. Лопнул какой-то глубоко засевший абсцесс, обдав лицо Лабина вонючим гей-
зером .
Таран исчез. Нога освободилась. Талидомидные1 лапы били по гравию прямо
перед лицом Кена.
Когда он в очередной раз взялся за копье, то повис на нем, дергал из сторо-
ны в сторону, ощущая, как дерево в звериной туше скребет по кости. Самец под
ним дергался и пытался подняться; в сумятице боли, агонии, идущей, словно со
всех сторон, он, казалось, даже не понимал, где находится его мучитель. Не-
ожиданно острие скользнуло в бороздку между позвонками, и Лабин надавил на
древко изо всех оставшихся сил.
Бурлящая масса под ним осела.
Лев еще не умер. Один глаз по-прежнему следил за Лабиным, когда тот устало,
но решительно обходил голову животного. Человек парализовал его от шеи вниз,
лишил возможности дышать и двигаться. Ныряющее животное. Сколько миллионов
лет оно приспосабливалось долгое время обходиться без воздуха? И сколько еще
будет двигаться этот глаз?
Кен знал ответ. Морские львы по множеству признаков походили на других мле-
копитающих. У них была дырка в основании черепа, там, где спинной мозг входил
в головной. Она называлась большим затылочным отверстием, и по роду службы
Кен знал немало таких анатомических деталей.
Он вытащил копье и приставил его к основанию черепа.
Глаз перестал двигаться через три секунды.
* * *
Когда Лабин уже уходил с острова, то почувствовал легкое жжение в глазах,
комок в горле, который не мог списать на тесноту гидрокостюма. Он чувствовал
сожаление. И не хотел делать того, что сейчас совершил.
Талидомид — успокаивающее и снотворное лекарство, изобретенное в 1954 году, кото-
рое с 1958 года стало рекламироваться как лучший препарат для беременных и кормящих
матерей. Вскоре выяснилось, что талидомид имеет серьезные побочные эффекты и бук-
вально уродует эмбрионы в матке. С 1956 по 1962 год по всему миру родилось около 10
000 «талидомидных» детей с врожденными уродствами и отклонениями. Одним из наиболее
частых были недоразвитые руки практически без предплечий и с длинными, тонкими, за-
частую сросшимися пальцами, получившие название «талидомидные руки».
Конечно, те, кто встречался с ним раньше, в такое не поверили бы. Среди
прочего, он был убийцей, если того требовали обстоятельства. Когда же люди
узнавали Кена с этой стороны, они редко продолжали с ним знакомство.
Но на самом деле он никогда не хотел убивать. Сожалел о каждой смерти. Даже
о гибели большого, глупого и неуклюжего хищника, не отвечавшего стандартам
собственного вида. Разумеется, в таких делах никогда не оставалось выбора.
Лабин забирал чужую жизнь только тогда, когда другого пути не было.
И в такой ситуации — когда иные решения исчерпаны, когда чья-то смерть —
единственный и неизбежный способ выполнить задание, — нет ровным счетом ниче-
го плохого в хорошей и эффективной работе. И совершенно ничего зазорного в
том, чтобы получать от нее толику удовольствия.
«Ведь это даже не моя вина», — размышлял Лабин, бредя через прибой. Его так
запрограммировали. Хозяева фактически сами это признали, когда отправили Кена
в длительный отпуск.
Холм плоти, разлагающейся на берегу, опять попался ему на глаза. Выбора не
было. Он оборвал чужие страдания. Совершил один хороший поступок, расплатился
с местом, которое последние недели поддерживало в нем жизнь.
«Прощай».
А потом Кен запечатал капюшон и запустил имплантаты. Полости, бронхи, желу-
дочно-кишечный тракт скорчились в смятении, но быстро сдались. Тихий океан,
такой знакомый, успокаивающе пронизывал грудь; крохотные искры разрывали сце-
пленные молекулы кислорода и водорода, передавая полезные кусочки прямо в ле-
гочную вену.
Лабин не знал, сколько времени ему понадобится, чтобы добраться до прерыви-
стой линии огней на горизонте. Не знал, долго ли они будут везти его на мате-
рик . Не знал даже, что будет делать, когда туда доберется. Пока ему хватало
лишь одного факта:
Кен Лабин — любитель всего живого, наемный убийца с Трипом Вины, пушка, на-
столько отбившаяся от рук, что даже секретным службам пришлось захоронить ее
на морском дне, словно радиоактивные отходы...
Кен Лабин возвращался домой.
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)