Автор: Волькенштейн М.В.
Теги: физика химия биология история науки естественные науки естествознание
Год: 1972
Текст
М. В. Вольненштеин
ПЕРЕКРЕСТКИ
НАУКИ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
Москва 1972
Эта книга написана членом-корреспондентом Академии на-
ук СССР Михаилом Владимировичем Волькенштейном, работа-
ющим сейчас в области физики и химии биополимеров. В живой
и яркой форме автор рассказывает о пересечении и объединении
путей развития физики, химии н биологии — главных областей
современного естествознания. Показано, как на перекрестках
этих путей рождаются новые идеи, новое понимание природы.
В книге изложены основные понятия термодинамнкн, оптики,
атомной и молекулярной физики, органической химии, физики
полимеров и молекулярной бнологнн. Считая, что современность
характеризуется не специализацией, а, напротив, объединением
наук, автор делает неоднократные отступления в область исто-
рии науки, эстетики, этики, литературоведения. Книга предна-
значена для широкого круга читателей, интересующихся естест-
вознанием н характером развития науки.
2-1
22—71 НПЛ
Посвящаю
моей дочери
Маше
ПРЕДИСЛОВИЕ
Мне хотелось рассказать в этой книге о том, как пе-
рекрещиваются пути науки; о том, что выход на пере-
кресток означает открытие новых перспектив в позна-
нии природы, означает возникновение новых идей, но-
вого научного мировоззрения.
Эта книга — рассказ о путях молекулярной физики,
химии, молекулярной биологии.
Наука — не только познание, но и творчество. Она
есть часть единой человеческой культуры. Пути науки
перекрещиваются с путями искусства. Деятельность
ученого требует решения общественных, этических и эс-
тетических задач. Не касаясь этих проблем, нельзя по-
нять природу научной мысли, историю науки, ту борь-
бу, с которой сопряжено ее поступательное движение.
Когда я писал эту книгу, я думал о широком кру-
ге читателей. Я надеялся, что ее материал не покажется
трудным человеку, не имеющему специальных знаний.
Пусть читатели судят, насколько это удалось. Я буду
им благодарен за любые критические замечания.
Москва, июль 1970 года
ГОЛУБОЕ НЕБО
в Краски небосвода
Когда вослед весенних бурь
Над зацветающей землей
Нежней небесная лазурь
И облаков воздушен рой...
Упоминание о небесной лазури в прекрасных строках
Фета традиционно. Голубизна неба, как и голубизна во-
ды, отражающей небо, почти обязательно присутствует
в стихах о природе, дне, свете.
Но небо меняет краски.
Днем:
Сияет солнце, воды блещут,
На всем улыбка, жизнь во всем,
Деревья радостно трепещут,
Купаясь в небе голубом.
Вечером:
Смотри, как запад разгорелся
Вечерним заревом лучей,
Восток померкнувший оделся
Холодной, сизой чешуей.
Тютчев с точностью ученого описывает небо и землю.
Мы живем под голубым небосводом. Наше настрое-
ние падает, когда он закрыт облаками. Космонавт, по-
кидая атмосферу, любуется издали голубой оболочкой
Земли. Мажорные эмоции, пробуждаемые видом голу-
бого неба, всегда с нами, но их подлинное выражение
доступно лишь истинным художникам.
Атмосфера создает разнообразие красок земных пей-
зажей. Солнце, ярко-желтое в зените, становится крас-
ным, когда оно низко стоит над горизонтом—на вос-
ходе и закате. Отдаленные леса и горы синеют, на
освещенный солнцем снег ложатся голубоватые тени.
7
А может быть, это лишь субъективные ощущения, кра-
сивые домыслы живописцев? Но нет, те же радующие
душу краски появляются на хорошей цветной фотогра-
фии, и нас раздражает снимок с гаммой цветов, сдви-
нутой из-за ошибок экспозиции или проявления.
Почему же небо имеет голубой цвет?
Но прежде всего, стоит ли отвечать на этот вопрос?
Не умертвит ли научный анализ привычные эстетиче-
ские впечатления? Как прекрасно голубое небо зимой,
когда на его фоне сверкают покрытые инеем деревья,
и золотой осенью — в сочетании с пурпуром и желтиз-
ной осин, кленов, берез... При чем здесь наука с ее су-
хими формулами?
Человеку свойственно, часто совершенно бессозна-
тельно, расширительно толковать принцип дополнитель-
ности. Простите, однако, я употребил в этой фразе по-
нятие, смысл которого должно объяснить читателю.
Один из создателей современной физики, Нильс Бор,
сформулировал философское обобщение основных зако-
номерностей квантовой механики в виде принципа до-
полнительности. Существует множество явлений, свой-
ства которых дополнительны в том смысле, что изуче-
ние одного свойства делает принципиально невозмож-
ным сохранение и познание другого.
Мы склонны думать, что рациональный физико-ма-
тематический анализ явления несовместим с его эстети-
ческим восприятием. В действительности это не так.
Научный анализ не только явлений природы, но и про-
изведений искусства не может помешать их непосредст-
венному воздействию на человеческое сознание. Более
того, научный анализ в конечном счете лишь усиливает
это воздействие. Мы должны любоваться и небом, и кра-
сотой законов физики, которые объясняют его голубизну.
Научное познание не иссушает, а обогащает душу че-
ловеческую. И, конечно, у мыслящего человека стрем-
ление к знанию более сильно, чем стремление сохранить
в нетронутом виде свои эстетические реакции. Вопрос о
причинах голубизны неба требует ответа.
Но ответ этот не прост. Чтобы получить его, при-
дется углубиться в физику, распутать большой клубок,
который нельзя разрубить смаху, как гордиев узел.
8
Солнечные лучн и воздух
«Если у тебя спрошено будет: что полезнее, солнце
или месяц? — ответствуй: месяц. Ибо солнце светит
днем, .когда и без того светло; а месяц — ночью».
Этот афоризм Козьмы Пруткова смешит нас преж-
де всего своей полной научной несостоятельностью.
Каждому известно, что источником дневного света, ис-
пускаемого небосводом, служит солнце. Но далеко не
каждый задумывался над тем, что солнце находится в
определенном месте, а небо светится целиком. Ведь не-
босвод весь — голубой!
Дело в том, что лучи света, исходящие от его источ-
ника,— в данном случае солнца — распространяются
прямолинейно. Не будем обсуждать, чем объясняется
это общеизвестное свойство световых лучей.
Но если лучи света прямолинейны, то непонятно, по-
чему, став спиной к солнцу, мы видим светлое, голубое
небо. Казалось бы, оно должно быть черным и звезды
должны быть видны днем. Это зрелище уже перестало
быть фантастическим — первым его увидел Ю. А. Га-
гарин. Если на пути солнечных лучей нет воздуха, нет
атмосферы, то нет ни голубизны, ни всестороннего ос-
вещения. Художник на луне (а ведь будут такие ко-
гда-нибудь!) напишет пейзажи, лишенные полутеней,
лишенные движения воздуха, которое впервые научил-
ся изображать голландский живописец Вермеер и вслед
за ним французские импрессионисты.
Прекрасная популярная книга по физике XVIII ве-
ка, и сегодня сохранившая значение блистательного об-
разца популяризации науки *, создана Эйлером. Назва-
ние ее звучит церемонно: «Письма, написанные одной
немецкой принцессе, о разных предметах физики и фи-
лософии». Письмо XXXII первого тома, датированное
27 июля 1760 года, имеет заголовок «О синеве неба».
«Я покажу Вашему Высочеству, — пишет Эйлер,—
что причину синевы неба должно искать в нашей ат-
мосфере, понимая, что она не совершенно прозрачна...
Воздух состоит из множества малых частичек, которые
не вполне прозрачны; но, будучи освещены световыми
• С. И. Вавилов считал эту книгу лучшим популярным сочинением по физи-
ке, когда-либо написанным.
9
лучами, получают колебательное движение, создающее
новые лучи, свойственные этим частичкам... цвет этих
частичек голубоватый». Блестящий математик и физик,
Эйлер понимал, что воздух состоит из молекул, и счи-
тал, что эти молекулы обладают собственным цветом—
слабо поглощая желтые лучи, они отражают синие, и
поэтому небо светится как целое. Основная мысль Эйле-
ра о том, что освещение возбуждает в молекулах соб-
ственные световые колебания, правильна и сегодня. Но
в целом он все-таки не прав — двести лет назад еще
слишком мало знали о молекулах.
Воздух состоит из молекул азота, кислорода, арго-
на, углекислого газа и гораздо меньших количеств дру-
гих веществ. Все эти вещества не имеют собственной
окраски. Иными словами, азот, кислород и т. д. не по-
глощают в газообразном состоянии видимого света и
сами по себе вовсе не голубоватые. Вопреки словам
Эйлера, их частички совершенно прозрачны в видимом
свете —они поглощают только ультрафиолетовые лучи.
Значит, объяснение Эйлера не годится. Однако оно
сохранялось в неизменном виде более ста лет — до соз-
дания теории рассеяния света английским физиком Рэ-
леем в 1871 году.
Причина всестороннего свечения небосвода, причина
его голубизны состоит не в поглощении и соответствую-
щем отражении солнечного света, а в его рассеянии.
Каждый знает, что мутная среда рассеивает свет.
Туман ухудшает видимость. Не потому, что мельчай-
шие капельки воды, отражающие туман, поглощают
свет,— вода, как мы знаем, прозрачна. А потому, что
луч, проходящий сквозь туман, рассеивается этими ка-
пельками— часть света не проходит, а разбрасывается
в стороны. Капельки воды рассеивают свет, подобно пы-
линкам, пляшущим в солнечных лучах. Их наблюдал
еще Лукреций, писавший в первом веке до нашей эры:
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет
проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь,
мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии
света...
10
Рассеяние света мутной средой объясняется ее оп-
тической неоднородностью. Туман — неоднородная си-
стема, это взвесь капелек воды в воздухе. Возникающее
Рис. 1. Рассеяние света
П — падающий свет; В рас-
сеивающее свет вещество; Р —
рассеянный свет
при рассеянии излучение в разных направлениях, отлич-
ных от направления падающего луча (рис. 1), объяс-
няется и сегодня в общем в духе тех представлений, ко-
торые фигурируют в приведенных словах Эйлера.
Свет—это электромагнитные волны. Они отличают-
ся от радиоволн только длиной волны — расстоянием
между двумя ее соседними гребнями. Длина видимых
Рис. 2. Рассеяние света колеблющимся электроном.
П — падающая волна; Р — рассеянная
волна; э — электрон
световых волн лежит в пределах от 400 нм для фиоле-
тового света до 760 нм — для красного. Длина радиоволн
гораздо больше — вплоть до километров.
Любые тела состоят из атомных ядер и электронов.
В том числе и капельки воды в тумане. Если на элек-
троны падает электромагнитная волна, они начинают
колебаться в такт с этой волной. Тем самым электроны
становятся источниками новых световых волн, распро-
страняющихся во все стороны (рис. 2). Возникает рас-
сеянный свет.
Рассеяние света
Рэлей думал, что рассеяние света атмосферой объ-
ясняется наличием в ней мелких пылинок. Пользуясь
волновой теорией света, он провел теоретические рас-
11
четы, показавшие, что интенсивность света, рассеянно-
го малыми неоднородностями среды, должна резко за-
висеть от длины световой волны.
В этой фразе есть неточность, недопустимая в физи-
ке. Говорится о малых неоднородностях. Что значит ма-
лых? Размер — понятие относительное. Употребляя в
науке определение «малый» или «большой», мы обяза-
ны сказать, по сравнению с чем. Так вот, в работе
Рэлея речь шла о неоднородностях, малых по сравне-
нию с длиной волны света, т. е. заметно меньших, чем
400 нм.
Итак, интенсивность рассеяния резко зависит от дли-
ны волны света. Обозначим длину световой волны гре-
ческой буквой %. Это — традиция пользоваться в фи-
зико-математических формулах греческими буквами.
Формула Рэлея гласит, что интенсивность рассеянного
света J обратно пропорциональна %4.
Значит, если мы увеличим длину волны в два раза,
интенсивность рассеянного света уменьшится в 16 раз.
Запыленная атмосфера должна рассеивать фиолетовые
лучи с длиной волны 400 нм в 13 раз сильнее, чем красные
с длиной волны 760 нм.
Солнце испускает видимый свет с любой длиной
волны — от 400 до 760 нм. В этом легко убедиться, раз-
ложив солнечный свет в спектр путем пропускания его
через стеклянную призму или посмотрев на радугу.
Спектр солнца непрерывен. Но наиболее интенсивны в
этом спектре зеленые лучи с X = 470 нм. При рассея-
нии света происходит перераспределение интенсивности
й соответствии с законом Рэлея X-4, и ее максимум в
рассеянном свете попадает в голубую область спектра.
Таким образом, все объяснилось. Понятно, почему
небо голубое, понятен ряд других красивых явлений ат-
мосферной оптики. Отдаленные лес и горы мы наблю-
даем через толстый слой воздуха. Воздух, освещенный
солнцем сверху, рассеивает голубые лучи, которые и по-
падают в глаз или объектив фотоаппарата. На темном
фоне леса такое рассеяние особенно заметно (рис. 3).
К естественной зеленой окраске добавляется синий рас-
сеянный свет.
Тем же рассеянием света объясняется красная окра-
ска солнца на восходе и закате. В это время мы смот-
12
Рис. 3. Мы смотрим на лес и горы
г — глаз наблюдателя; П — падающий свет; Р — рассеянный свет
5>им на солнце через более толстый слой воздуха, чем
когда оно стоит высоко над головой (рис. 4). Более
толстый слой сильнее рассеивает свет — преимущест-
венно с короткими волнами.
В прямом свете, идущем к глазу от солнца, интен-
сивность коротких вслн уменьшена, и мы видим солнце
в более длинноволновом, более красном свете.
Все хорошо, кроме исходного предположения. Нет
никаких оснований утверждать, что атмосфера запыле-
на. Небесная лазурь ярче там, где воздух чист,— не в
больших городах, а над океанами, над Антарктидой.
Это обстоятельство рушит все объяснение, начиная с
формулы Рэлея.
С такими ситуациями ученым приходится сталки-
ваться очень часто. Казалось бы, создана прекрасная
теория, подтверждаемая опытом, но потом выясняется,
что какое-либо из ее исходных положений ошибочно, и
ученый оказывается у разбитого корыта.
Как же обстоит дело в нашем случае? Неужели тео-
рия, согласующаяся с опытом, действительно никуда не
годится? Ведь закон Рэлея V4 количественно доказан
измерениями интенсивности рассеянного света. Атмо-
Рис. 4. Солнце на закате (С,) и в зените (С,)
3 — Земля; А — атмосфера; Н — наблюдатель
13
сфера, лишенная пыли, рассеивает свет в точности по
этому закону.
Позднее Рэлей понял, что рассеяние света атмосфе-
рой происходит не на пылинках, а на молекулах. Это
молекулярное рассеяние света, и если учитывать беспо-
рядочное движение молекул, то они должны рассеивать
свет в соответствии с законом V4. Таким образом, об-
щие положения теории оказались правильнее утвержде-
ния о запыленности атмосферы.
Но и на этом нельзя поставить точку. В 1907 году
один из крупнейших русских физиков, Леонид Исаако-
вич Мандельштам, доказал, что Рэлей ошибался. Кста-
ти, именно Мандельштам был лучшим знатоком и про-
пагандистом классических трудов Рэлея — одного из
создателей оптики и акустики.
Мандельштам установил, что рассеяние света нельзя
объяснить движением молекул, если их число в данном
малом объеме порядка л3 достаточно велико. А число
молекул в воздухе при атмосферном давлении в объе-
ме (600 нм) 3 составляет пять миллионов. Дело в том,
что независимо от движения молекул, если они распре-
делены в пространстве однородно и равномерно, рассе-
янные вторичные волны гасят друг друга. Рассеянного
света нет, остаются лишь прямые солнечные лучи.
Пришлось искать новое объяснение. Оно было най-
дено, и мы о нем расскажем. Успокоим читателя сразу:
формула Рэлея уцелела и после этого.
Однородность и неоднородность
Вопрос о голубом небе завел нас уже достаточно
далеко. Но до сих пор мы оставались в области опти-
ки— учения о свете. Оказывается, что для создания
правильной теории рассеяния света одних оптических
знаний недостаточно —необходимо выйти на более ши-
рокий простор общих физических закономерностей.
Дальнейшее развитие теории рассеяния связано с
именами польского физика Мариана Смолуховского и
самого Альберта Эйнштейна.
Можно было излагать все эти вопросы иначе и бо-
лее коротко. Просто сообщить читателю современную
теорию рассеяния, не касаясь истории ее создания.
Есть физики — и очень хорошие физики, — которые не
интересуются историей своей науки. Мне это не импо-
14
нирует. Мне всегда казалось, чго знание истории пауки,
более того, знание творческих индивидуальностей, ее
развивавших, очень обогащает мысль. В отличие от ис-
кусства наука объективна, она имеет дело с независи-
мыми от человека законами природы. Но наука так же,
как искусство, создается людьми, она есть и познание
и творчество. Интересны не только окончательные ре-
зультаты исследования, но и путь, который к ним при-
вел, в особенности если этот путь был найден великим
интеллектом.
Итак, Смолуховский и Эйнштейн. Они занимались, в
частности, проблемой однородности и неоднородност;
газов и жидкостей. При чем же тут рассеяние света?
Эти ученые показали, что свет должен рассеиваться
чистым газом или чистой жидкостью, если плотность ее
не вполне однородна. Иными словами, рассеяние света
будет происходить, если в равных малых объемах, ска-
жем в объемах ??, будет содержаться неодинаковое
число молекул. Как уже сказано, формула Рэлея при
этом сохранится.
Но откуда взят; ся такой неоднородности? Задав
этот вопрос, я следую рутинной логике физика. Может
быть, читатель задаст совсем другой вопрос: а почему,
собственно, газ или жидкость должны быть однородны-
ми? Почему плотность газа должна быть совершенно
равномерна?
Потому, отвечает физика, что вечный двигатель вто-
рого рода невозможен.
Perpetuum mobile
Еще в 1775 году французская Академия наук поста-
новила прекратить дальнейшие рассмотрения каких-ли-
бо проектов вечного двигателя — perpetuum mobile. Речь
шла о вечном двигателе первого рода, т. е. о машине,
которая, будучи однажды пущена в ход, совершала бы
неограниченно долго работу, не получая энергии извне.
Несмотря на это давнее и понятное каждому реше-
ние весьма солидной научной корпорации, и сегодня
ученым то и дело приходится тратить свое время на
анализ как вечных двигателей, так и других противоре-
чащих науке изобретений. Очень многие склонны «удив-
лять мир злодейством» — ниспровергать основы науки,
15
будь то классическая физика, квантовая механика и
теория относительности или генетика и цитология*.
Perpetuum mobile противоречит основному закону
физики — закону сохранения и превращения энергии. Не
будем рассказывать о содержании этого общеизвестно-
го закона, полагая, что если он неизвестен читателю,
то ему следует сначала познакомиться с элементами фи-
зики хотя бы в объеме 8-летней школы и лишь затем
браться за эту книгу.
Закон сохранения энергии был открыт и сформули-
рован в сороковых годах прошлого века Майером
(1841—‘1848), Гельмгольцем (1847) и Джоулем (1843).
Невозможность perpetuum mobile стала ясной задолго
до этого.
В связи со сказанным необходимо реабилитировать
гения русской науки — Михаила Васильевича Ломоно-
сова. До сих пор приходится встречаться с ложным ут-
верждением о том, что закон сохранения энергии от-
крыт Ломоносовым. Это утверждение основывается не
на каких-либо работах Ломоносова, а на одной фразе
в его письме Эйлеру 5 июля 1748 года: «Так, сколько
материи прибавляется какому-либо телу, столько же
теряется у другого... Так как это всеобщий закон при-
роды, то он распространяется и на правила движения:
тело, которое своим толчком возбуждает другое к дви-
жению, столько же теряет от своего движения, сколько
сообщает другому, им двинутому». Слова очень содер-
жательные. Но, во-первых, они касаются не энергии,
а движения — понятия неопределенного, и, во-вторых,
сходные мысли были высказаны еще в XVII веке Де-
картом, утверждавшим, что во Вселенной всегда сохра-
няется одно и то же количество движения. Закона со-
хранения энергии здесь нет, да и невозможно было от-
крыть его до наступления века пара и электричества.
Ломоносов, открывший закон сохранения массы, обос-
новавший кинетическую теорию тепла, так много сделав-
ший в науке и искусстве, не нуждается в том, чтобы
ему приписывали мнимые открытия.
Вернемся к закону сохранения энергии. Противоре-
чит ли ему следующее фантастическое явление: поме-
* Об этих печальных явлениях хорошо рассказано в книге А. И. Китайгород-
ского «Реиикса», вышедшей в серин «Эврика» (М., «Молодая гвардия». 1967).
16
щаем чайник с водой в ведро с водой; чайник закипает,
а вода в ведре замерзает! При этом общее количество
тепловой энергии, выраженное в калориях, остается не-
изменным.
Очевидно, что противоречия нет. Тем не менее такое
явление никем никогда не наблюдалось и наблюдаться
не будет. Оно противоречит другому важнейшему зако-
ну природы, без понимания которого нам не удастся
разобраться в рассеянии света.
Другой вечный двигатель
Очевидно, что закону сохранения энергии не проти-
воречило бы и практически неограниченное получение
полезной работы за счет охлаждения мирового океана.
Вода океана имеет температуру выше 0° С, т. е. выше
273° Кельвина; абсолютный нуль температуры соответ-
ствует— 273° С. Значит, можно, казалось бы, охлаждая
океан и извлекая по одной калории тепловой энергии
при охлаждении каждого грамма воды на один градус,
подучать колоссальные количества энергии. Такой ме-
тодЛкглучения работы именуется вечным двигателем
втаооко'дюда. Впрочем, слово «вечный» имеет здесь ус-
ловй^ш смысл— получение работы должно прекратить-
сяГ'йвыа океан полностью замерзнет и охладится до
—С, так как дальнейшее охлаждение невозможно.
Дак> вот, нельзя создать вечный двигатель второго
p<)MN£aK же как нельзя создать вечный двигатель пер-
вогог'рода, но по совершенно иным причинам.
Невозможно, периодически получать работу за счет
охлаждения одного теплового резервуара; напротив, та-
кое охлаждение требует затраты работы, за него нужно
платить. Посмотрите на электрический счетчик при вклю-
ченном домашнем холодильнике.
Охлаждение воды в ведре при одновременном нагре-
вании чайника, погруженного в это ведро, означает вне-
сение определенного порядка в рассматриваемую систе-
му. В самом деле, сначала обе порции воды — в ведре
и в чайнике — имеют одинаковую температуру. Система
неупорядочена, однородна. Затем чайник нагревается, а
ведро охлаждается. Появляется некий порядок в том
смысле, что возникает определенная, фиксируемая не-
однородность системы: Для того чтобы это происходи-
ло, тепло должно переходить от менее нагретого тела,
17
ведра, к более нагретому — к чайнику. Но ведь такие
бывает. Бывает как раз обратное. Если погрузить на-
гретый чайник в ведро с холодной водой, то чайник ох-
ладится, а ведро нагреется. Это будет продолжаться до
тех пор, пока температура обеих порций воды не станет
одинаковой, т. е. пока не возникнет максимальная одно-
родность, неупорядоченность в распределении тепла.
Для нарушения этой однородности нужно затратить
энергию, скажем, вытащить чайник из ведра и подогреть
его на газовой плите.
Другой пример также известен каждому школьнику.
Нальем в мензурку синий раствор медного купороса, а
сверх него (очень аккуратно, по стенке) чистую воду.
Через некоторое время произойдет полное перемешива-
ние— вся вода в мензурке приобретет однородную го-
лубую окраску. Иными словами, атомы меди, ответст-
венные за синий цвет раствора, равномерно распреде-
лятся по всему объему.
Нет ни одного опытного фактора, противоречащего
основному общему положению, гласящему, что система
(состоящая из многих атомов и молекул), не подвергае-
мая внешним воздействиям, самопроизвольно стремится
к состоянию максимальной однородности, неупорядо-
ченности. Именно поэтому невозможен вечный двига-
тель второго рода.
Физика при трактовке этих явлений, как всегда, вво-
дит строгую количественную меру неупорядоченности.
Такая мера называется энтропией. О смысле этого звуч-
ного слова будем говорить дальше. Пока что перефра-
зируем только что сказанное: изолированная (не под-
вергаемая внешним воздействиям) система физических
тел самопроизвольно переходит в состояние с макси-
мальной неупорядоченностью, т. е. в состояние, которо-
му отвечает максимальная энтропия.
Этот закон называется в физике вторым началом
термодинамики или просто вторым началом. Первое
начало — закон сохранения энергии.
Наука — друг случайностей
Заголовок этот, конечно, нелеп. Наука как совокуп-
ность знаний лишена эмоций и никому и ничему дру-
гом или врагом не является. Есть друзья и враги нау-
ки, но это уже совсем другое дело. Такой заголовок,
18
МИХАЙЛО ВАСИЛЬЕВИЧ
ЛОМОНОСОВ
однако, уместен, ибо еще совсем недавно бессмыслен-
ную фразу «наука — враг случайностей» повторяли по
любому поводу. Случайность есть объективная катего-
рия окружающего нас мира. Случайное поведение ре-
альных тел подчиняется строгим законам, формулируе-
мым в теории вероятностей, статистическим законам.
Эти законы имеют фундаментальное значение не только
в естествознании— физике, химии, биологии (в част-
ности, в генетике), но и в науке об обществе — в эконо-
мике и социологии. Мы еще не раз с ними встретимся.
Второе начало — статистический, вероятностный за-
кон. Упростим до предела приведенные примеры с чай-
ником и с медным купоросом. Представим себе сосуд с
газом, имеющий форму параллелепипеда. Разделим
мысленно этот сосуд на две равные половины (рис. 5).
Рис. 5. Сосуд с молекулами
Молекулы газа движутся по всем направлениям,
сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда. Их
движение совершенно случайно. Их много. Очевидно,
что благодаря случайным движениям молекулы распре-
деляются по сосуду равномерно — в обеих равных поло-
винах сосуда будет равное число молекул. Равное или
почти равное. Такое равномерное, однородное распреде-
ление будет тем более точным, чем больше молекул в
сосуде. Это утверждение столь же строго, как и утверж-
дение о том, что, бросая монету очень много раз, мы
получим в 50% бросаний герб и в 50% «решку».
Иначе говоря, равномерное распределение молекул
максимально вероятно. То же относится и к распреде-
лению температуры в нагретом теле. Температура ха-
рактеризует среднюю скорость движения молекул. Мо-
лекулы сталкиваются друг с другом, их средние скоро-
сти выравниваются, выравнивается и температура —
опять-таки по законам случая.
Смысл второго начала состоит в том, что изолиро-
ванная физическая система приходит в наиболее веро-
ятное и, следовательно, наименее упорядоченное состоя-
20
ние. Мера неупорядоченности — энтропия — есть мера
вероятности состояния.
Значит, нагревание чайника, погруженного в ведро,
не невозможно. Оно невероятно. Однажды в миллиарды
миллиардов лет такое событие вдруг да произойдет. Но
с этой возможностью не следует считаться.
Значит, второе начало абсолютно надежно, но не
абсолютно точно. Оно совершенно справедливо для до-
статочно большой совокупности молекул, справедливо
в среднем. Для малого числа молекул оно непригодно.
Допустим, что в нашем сосуде всего две движущиеся
молекулы. Обозначим их А и Б. Тогда непрерывно сме-
няются ситуации, показанные на рис. 6:
Рис. 6. Сосуд с двумя молеку-
лами Л и £
1) молекула А в правой половине
Б — в левой;
2) молекула Б в правой половине
А — в левой;
сосуда, молекула
3) обе молекулы в правой половине сосуда;
4) обе молекулы в левой половине сосуда.
Равномерное беспорядочное распределение, отвеча-
ющее случаям 1 и-2, только вдвое более вероятно, чем
неоднородное распределение 3 или 4. Но с увеличени-
ем числа молекул различие вероятностей резко возра-
стает. Попробуйте подсчитать все возможные распре-
деления для трех и четырех молекул. Если молекул
много, скажем тысяча, то, конечно, достаточно вероят-
но распределение: 502 молекулы в одной половине со-
суда и 498 в другой, но вероятность скопления всей ты-
сячи молекул в одной половине ничтожно мала.
Не является ли первое начало также статистическим
законом? Может быть, закон сохранения энергии вы-
полняется в среднем, но может нарушаться в элемен-
тарных процессах, в которых участвуют отдельные ато-
мы и электроны?
Эту идею нельзя отвергнуть a priori, с порога. Но
если бы она оказалась правильной, то пришлось бы пе-
21
рестраивать всю физику микромира — квантовую меха-
нику. А ведь ее справедливость доказана громадным
числом разнообразных экспериментов.
Лет сорок назад американский физик Шэнкланд,
изучавший соударения фотонов с электронами, пришел
к выводу о невыполнении закона сохранения энергии в
элементарном акте соударения. Работа вызвала сенса-
цию, но крупные физики, в частности А. Ф. Иоффе, от-
неслись к ней скептически.
Здравый скепсис совершенно необходим в науке —
нужно требовать точных неопровержимых доказа-
тельств каждого выдвигаемого положения. Один из кри-
териев точности опыта — его воспроизводимость. Опы-
ты, которые не удается повторить, научного значения не
имеют.
Есть ученые, которым, однако, свойствен чрезмер-
ный скепсис. Они отвергают любые научные результа-
ты, особенно результаты, характеризуемые большой сте-
пенью новизны. Их отношение к науке пессимистическое.
Такие скептики подобны Фоме неверному, сомневающе-
муся в объективной действительности. Они могут быть
ценными критиками чужих научных работ, но, как пра-
вило, не способны на сколько-нибудь крупные творче-
ские достижения. Точную меру необходимого скепсиса
дать нелегко, но истинный ученый всегда располагает
совокупностью критериев, совершенно сознательных и
интуитивных, позволяющих ему объективно оценивать
научные результаты.
Применительно к работе Шэнкланда скепсис оказал-
ся здравым. Пытаясь воспроизвести свои результаты,
Шэнкланд нашел ошибку в методике. Выяснилось, что
при правильной постановке опыта закон сохранения
энергии соблюдается и в элементарном акте. В своей
второй работе Шэнкланд отверг первую, в точном со-
ответствии с ироническими словами Л. И. Мандельшта-
ма о том, что некоторые ученые легко умножают число
своих публикаций. В «Докладах Академии наук» поме-
щается краткое сообщение о работе, потом в более тол-
стом журнале, скажем в «Журнале экспериментальной
и теоретической физики», — подробное изложение рабо-
ты, а несколькими номерами позже — ее авторское опро-
вержение. Итого три статьи при нулевом общем резуль-
тате. Но это еще не так плохо. Ведь речь идет об авто-
22
ре, имеющем мужество публично признать свою ошиб-
ку; Шэнкланд таким мужеством обладал и этим выгод-
но отличался от некоторых других авторов научных
статей. Впрочем, особенно восхищаться Шэнкландом не
приходится. Абсолютная честность — условие, совершен-
но необходимое для науки.
Все дальнейшее развитие физики полностью подтвер-
дило абсолютную точность первого начала.
Таким образом, первое начало — и соответственно не-
возможность вечного двигателя первого рода — закон
совершенно строгий, а второе начало и соответственно
невозможность вечного двигателя второго рода — закон
вероятностный.
Флуктуации
Красивое ученое слово. Ничего не поделаешь, наука
требует специальных терминов, ее понятия редко удает-
ся выразить общежитейским языком. Иногда, правда,
слишком увлекаются необычной терминологией. Био-
логи грешат этим больше, чем физики. В одной биоло-
гической книге говорится о декапитации крыс в постна-
тальном периоде. В переводе на русский язык это зна-
чит, что у крыс отрубали головы после их рождения.
Крупные ученые не только не злоупотребляли сложны-
ми научными терминами, но обогащали свой родной
язык новыми словами, органически связанными со всем
его строем. Так поступали Галилей, Ломоносов. Обога-
щение языка происходит непрерывно и все время уско-
ряется, потому что наука развивается с ускорением.
Сколько слов вошло в русский язык за последнее де-
сятилетие: спутник, лазер, космонавт и т. д. и т. п.!
В словаре иностранных слов читаем: флуктуация —
см. флюктуация. Смотрим флюктуация. Написано:
(< лат. fluctuatio — колебание >) — 1) Физ. временное,
случайное отклонение от равномерного распределения
молекул в газе или жидкости, возникающее в результа-
те теплового движения; 2) мед. ощущение колыхания,
получаемое при постукивании над скоплениями жидко-
сти в полостях.
Ясно, что здесь нас интересует физическое, а не ме-
дицинское значение термина. Оно передано в словаре
неполно — флуктуациями называются любые случайные,
временные отклонения от наиболее вероятного состоя-
23
ния в любых физических системах. Но для нас этого
определения достаточно.
Очевидно, что флуктуации непрерывно происходят,
нарушая второе начало. Молекулы движутся. Поэтому,
если мы будем определять, сколько молекул из 1000 на-
ходится в двух равных половинах сосуда каждую секун-
ду, то получим, например, такие числа: 502 и 498, 490
и 510, 501 и 499, 504 и 496, 505 и 495, 498 и 502 и т. д.
В среднем же будет по 500 молекул. Отклонения от
среднего — флуктуации.
В газе флуктуации выражаются в местных, времен-
ных сгущениях и разрежениях. В жидкости происходит
то же самое, с тем отличием, что флуктуации в сосед-
них участках жидкости не независимы, так как молеку-
лы в ней связаны силами сцепления и одна молекула
тянет за собой другую. Поэтому и плотность жидкости
много больше плотности газа.
В разделе теоретической физики, именуемом стати-
стической механикой, разработаны точные методы рас-
чета флуктуаций. Мне очень трудно удержаться от ма-
тематического изложения обсуждаемого вопроса. На-
сколько проще физику написать ряд формул и поста-
вить между ними несколько слов: имеем, следователь-
но, из формул таких-то получаем, итак, и т.п. Такое
изложение является лаконичным и исчерпывающим, и
специалист, с ним знакомящийся, в ряде случаев испы-
тывает эстетические эмоции: «Какие красивые форму-
лы!» восклицает он (вслух или мысленно). Но читате-
лю этой книги, если он не квалифицированный физик,
формулы не принесут радости. Попробуем все же по-
яснить, как подошел к расчету флуктуаций в жидкости
великий Эйнштейн.
Эйнштейн, конечно, пользовался математическим ап-
паратом. Он представил флуктуационные сгущения и
разрежения жидкости как результат наложения множе-
ства волн, пронизывающих жидкость по всем направ-
лениям. В тех местах, где разные волны усиливают
друг друга, происходят сгущения, где гасят друг друга—
разрежения жидкости. Такой метод (в математике он
называется разложением функции в ряд Фурье) по-
зволил Эйнштейну вывести действительно очень краси-
вую формулу, выражающую зависимость масштаба
флуктуаций в жидкости от ее плотности, сжимаемости
'И температуры.
24
Неожиданное объединение
Итак, вопрос поставленный на стр. 15, получает
полный ответ. Неоднородности в распределении моле-
кул, на которых происходит рассеяние света,—это флук-
туации. Смолуховский точно рассчитал интенсивность
света, рассеянного газом, а Эйнштейн — жидкостью.
В обоих случаях сохранилась Рэлеева формула ?~4.
Удивительно! Рэлей ошибался в своих предпосылках
дважды, но его общий вывод все-таки остался непоко-
лебленным. Это означает, что в действительности закон
Рэлея основан на весьма общих положениях физики, а не
на тех или иных частных допущениях.
Теперь посмотрим, куда двинулось дальше учение
о рассеянии света. Мы видели уже, что для его созда-
ния потребовалось объединение оптики с физикой те-
пловых явлений — термодинамикой и статистической
механикой. Физика — единая наука о природе. Прогресс
ее неравномерен, и чаще всего резкие рывки вперед про-
исходят именно в результате установления внутренних
связей между явлениями, на первый взгляд весьма да-
лекими друг от друга. Последующие события в теории
рассеяния света демонстрируют это с особенной яр-
костью.
Почти одновременно с теорией рассеяния света соз-
давалась теория теплоемкости кристаллов. Напомним,
что такое теплоемкость. В школьном учебнике физики
сказано, что удельной теплоемкостью называется коли-
чество тепла, необходимое для нагревания одного грам-
ма вещества на один градус. Очевидно, что теплоем-
кость тела будет тем больше, чем больше разнообраз-
ных движений смогут выполнять его атомы. Ведь на
каждое движение расходуется тепловая энергия.
Движения в твердом теле — колебательные. Атомы
колеблются около постоянных положений равновесия,
будучи связаны друг с другом упругими силами, как бы
пружинами (рис. 7).
Немецкий физик Питер Дебай показал, что колеба-
ния атомов в кристалле распространяются как упругие
волны. Собственно говоря, это звуковые волны, но с
25
такими высокими частотами, что их не может услышать
ни человек, ни летучая мышь, даром что она распола-
гает устройством, воспринимающим ультразвуки. При
нагревании кристалл «звучит», но его звуки — это ги-
перзвуки. Рассматривая звуковые колебания кристал-
лов, Дебай создал теорию, объясняющую зависимость
теплоемкости твердого тела от температуры.
Рис. 7. Атомы в твердом теле,
связанные упругими силами
Казалось бы, что теория теплоемкости Дебая не име-
ет никакого отношения к рассеянию света. Но Л. И. Ман-
дельштам понял, что связь между двумя явлениями са-
мая непосредственная.
В теории Эйнштейна волны, суммированием которых
выражаются флуктуации, используются формально, как
математический прием. Но так в физике не бывает. Ес-
ли формальное математическое рассмотрение приводит
к результатам, согласующимся с опытом, значит, мате-
матические формулы выражают реальные явления и не-
обходимо раскрыть их физическое содержание. Это не
всегда легко. Знаменитая Ч'-функция в квантовой
механике была введена Шредингером как некая мате-
матическая величина, и лишь позднее Макс Борн уста-
новил ее физический смысл.
По мысли Мандельштама, Эйнштейновы волны в
жидкости и в твердом теле — это не что иное, как ги-
перзвуковые волны, которые исследовал Дебай в своей
теории теплоемкости.
Очень хорошо, но что из этого следует? Читатель ве-
рит, что Мандельштам был прав, установив связь меж-
ду рассеянием света и теплоемкостью, но привело ли
это к какому-либо новому открытию?
И к какому еще! Дело в том, что если рассеяние
света происходит на реальных звуковых волнах, то они
должны модулировать рассеянный свет.
26
Мы слушаем радио
Мы окружены техническими чудесами и принимаем
их как должное. При этом мы еще готовы признать, что
телевизор — штука сложная. Но радиоприемник или,
тем более, электрический звонок кажутся нам достаточ-
но простыми устройствами.
Кстати, как показал тот же Мандельштам, работа
электрического звонка объясняется в школьном учебни-
ке далеко не полностью. В звонке происходят нелиней-
ные колебания, и их теоретический расчет весьма сло-
жен. А что происходит в радиоприемнике?
Радиоволны имеют частоты, соответствующие мил-
лионам колебаний в секунду. Между тем звуковые ко-
лебания, воспринимаемые человеческим ухом, имеют
несравненно меньшие частоты, порядка всего лишь со-
тен колебаний в секунду. Ухо не отзывается на радио-
волну.
На радиостанции в микрофон передаются звуковые
волны. В микрофоне образуется электрический «звуко-
вой» сигнал, сигнал низкой частоты. Этот сигнал воз-
действует на несущий ток в радиопередатчике, а значит,
и в радиоприемнике. Такое воздействие переменного то-
ка низкой частоты на амплитуду (размах) высокоча-
стотных электрических колебаний и называется их мо-
дуляцией. На рис. 8 показаны радиоволна, звуковой
Рис. 8. Модуляция радиоволны
р — радиоволна; з — звуковая волна; мр — модулированная
радиоволна
сигнал и получающаяся модулированная волиа. Радио-
приемник в конечном счете воспринимает изменения ам-
плитуды несущей волны и вновь превращает их в зву-
ковые колебания.
27
Вернемся к рассеянию света. Мандельштам был од-
ним из создателей не только современной оптики, но и
радиофизики. Он понял, что если свет рассеивается ги-
перзвуковыми волнами, то эти волны, имеющие частоты
много меньшие, чем частоты световых волн, должны их
модулировать. Свет рассеивается, испытывая определен-
ные изменения. На рассеивающее вещество падает све-
товая волна некоторой частоты, т. е. имеющая опреде-
ленную длину X. Рассеянный свет не только изменяет
свою интенсивность в соответствии с законом Рэлея, но
сам характер его волн становится иным — они модули-
рованы.
Как же это обнаружить? Для света ведь нет радио-
приемников, выделяющих модулирующие колебания.
Приемника нет, но есть спектрограф.
Рис. 9. Спектральное разложе-
ние света
п — падающий свет; сп — спек-
трограф; пр — призма; ф — фо-
топластинка
Спектрограф — прибор, в котором свет, проходящий
через стеклянную или кварцевую призму, разлагается в
спектр, и этот спектр регистрируется — в виде фотогра-
фии или иным путем (рис. 9). Разложить в спектр —
значит, выделить из сложного светового сигнала от-
дельные волны с определенной частотой колебаний.
Связь частоты колебаний, обозначаемой греческой бук-
вой v (ню), с длиной волны X простая:
300000 км/сек
v=-------------f
300000 км/сек — скорость света (или радиоволны).
Если свет модулирован, в его спектре наряду с ли-
нией частоты v должны появиться линии, соответствую-
щие измененным частотам,
v + vmoA’ v ~ vmoa,
vMoa — частота модуляции, в данном случае — частота ги-
перзвукового колебания.
28
Следовательно, как установил Л. И. Мандельштам,
если мы осветим вещество светом с определенной часто-
той v, то в спектре рассеянного света будет наблюдать-
ся уже не только эта частота, но и частоты несколько
большая и меньшая, т. е. v + \’мод и v—vM(W.
Для проверки этого теоретического вывода нужно
было поставить опыт.
В Москве и в Калькутте
В 1928 году Московский университет не располагал
еще грандиозным комплексом зданий на Ленинских го-
рах. Все было гораздо скромнее, но наука в старых сте-
нах МГУ делалась хорошо. Старый Физический инсти-
тут университета — красное кирпичное здание с баш-
ней— можно увидеть, если зайти с улицы Герцена во
двор Зоологического музея. В этом здании отлично ра-
боталось. Его темные коридоры и лаборатории были
полны романтики. Большая физическая аудитория была
украшена щитом, на котором законы Ньютона были на-
писаны по-латыни — так, как он сам их писал: Axiomata
sive leges motus! (аксиомы или законы движения)’.
В старом институте Леонид Исаакович Мандель-
штам и Григорий Самуилович Ландсберг и сделали свое
прекрасное открытие — они впервые наблюдали комби-
национное рассеяние света. Было это в 1928 году.
Теория Дебая в ее простейшей форме относится к
твердым телам — к кристаллам. Нужно было найти хо-
роший кристалл, чистый, прозрачный. Мандельштам и
Ландсберг искали такие кристаллы в комиссионных ма-
газинах, в которые вдовы царских генералов и дорево-
люционных коммерсантов сдавали семейные реликвии
и среди них печатки и другие изделия из горного хру-
сталя, т. е. из кварца.
Наконец кристалл был найден. В распоряжении уче-
ных имелся небольшой спектрограф Фюсса с одной
призмой, очень простой, не идущий ни в какое сравне-
ние с современными спектральными приборами, осна-
щенными автоматикой и радиоэлектроникой.
Я вспоминаю этот фюссовский спектрограф с неж-
ностью. Г. С. Ландсберг дал мне его для работы в Фи-
зико-химическом институте имени Карпова, где спектро-
граф честно служил с 1935 по 1941 год. Во время эва-
куации института прибор затерялся. А следовало бы по-
29
местить его в музей истории отечественной науки. Впро-
чем, нет ведь такого музея.
Опыт был поставлен. Трудный опыт. Твердые тела
рассеивают свет очень слабо, а светосила старенького
Фюсса была небольшой. И потому спектр фотографи-
ровался в течение многих часов. Источником света слу-
жила ртутная лампа, в спектре которой имеется неболь-
шое число ярких линий. Схема опыта представлена на
рис. 10.
Рис. 10. Схема опыта Мандель-
штама и Ландсберга
рт — ртутная лампа; кв — кри-
сталл кварца; сп — направле-
ние луча рассеянного света к
спектрографу
Проявили фотопластинку. Результат получился со-
вершенно неожиданный. Действительно, в спектре рас-
сеянного света наряду с линией ртутной лампы с ча-
стотой v (она была выделена синим светофильтром)
фигурировали модулированные частоты. Но частоты тМОд
оказались на много порядков больше частот гиперзву-
ковых колебаний.
Опыты повторялись многократно. Мандельштаму и
Ландсбергу были свойственны исключительные, даже в
среде хороших физиков, требовательность к качеству
эксперимента, точность, изобретательность. Результаты
были безусловными, и ученые вскоре поняли, в чем их
суть. Наряду со звуковыми колебаниями в кристалле
кварца есть и оптические колебания, т. е. колебания ато-
мов в молекулах, о которых мы расскажем дальше. Эти
колебания тоже вносят свой вклад в теплоемкость, как
показал Макс Борн. Их можно наблюдать непосредст-
венно в спектре поглощения инфракрасных лучей кри-
сталлом. Частоты Тмод, полученные в спектре рассеянно-
го света, в точности совпали с частотами в инфракрас-
ном спектре кристалла.
Модуляция действительно происходит, но в описан-
ном опыте наблюдалась модуляция света не дебаевски-
ми, а борцовскими колебаниями.
30
Обнаружить звуковую модуляцию Мандельштам не
мог, так как у пего не было спектрального прибора с
достаточно высокой разрешающей способностью. Един-
ственный такой прибор, так называемый эшелон Май-
кельсона, имелся в Ленинграде у другого крупнейшего
советского оптика — Дмитрия Сергеевича Рождествен-
ского. Мандельштам обратился к нему с просьбой про-
вести экспериментальное исследование, и это исследова-
ние выполнил в ЛГУ сотрудник Рождественского Евге-
ний Федорович Гросс — тогда еще совсем молодой фи-
зик. В 1930 году он опубликовал прекрасную работу,
полностью подтвердившую теоретические ожидания
Мандельштама.
Явление, открытое Мандельштамом и Ландсбергом,
было названо ими комбинационным рассеянием света.
При рассеянии возникают комбинации частот света, по-
сылаемого источником, с собственными частотами коле-
баний атомов в кристалле. Далее будет рассказано, по-
чему так важно это открытие.
Но крупные открытия часто делаются в физике од-
новременно несколькими учеными.
Я не был в Калькутте и не знаю, как выглядела ла-
боратория, в которой работал сэр Венката Раман, круп-
нейший индийский физик, член Королевского общества.
Мне привелось познакомиться с ним в Москве много
позже. В отличие от Мандельштама Раман носил чал-
му и принадлежал к высокой касте.
В 1927 году он занимался люминесценцией. Думаю,
что и его лаборатория тогда была небогатой. В дальней-
шем сиятельный филантроп, раджа Майсора, построил
для Рамана целый институт в Бангалоре, в котором Ра-
ман занялся изучением оптических и тепловых свойств
крупных алмазов из сокровищницы раджи.
В Индии жарко светит солнце. Им и пользовались
как источником света индийские физики вслед за Нью-
тоном, который пропустил солнечный луч через малое
отверстие в ставне, поставил на его пути стеклянную
призму и открыл спектральное разложение света.
Раман обнаружил некоторый сдвиг в спектре сол-
нечного света, рассеянного жидким бензолом. Тогда он
заменил солнце ртутной лампой. Дело в том, что сол-
нечный спектр неудобен для работы. Он непрерывен, в
нем фигурируют любые частоты колебаний. Ясно, что
31
комбинационное рассеяние с помощью солнечного света
не изучишь.
По-видимому, у Рамана не было глубоких теорети-
ческих идей, подобных мандельштамовским, и свое от-
крытие он сделал случайно. Но у него было преиму-
щество. Он взял в качестве рассеивающего свет вещест-
ва не твердое тело, а жидкость. Жидкость много легче
получить в чистом виде, и она рассеивает свет гораздо
сильнее, чем кристалл. Поэтому опыт очень упростил-
ся.
Раман обнаружил в точности то же явление, что и
московские физики, но подошел к его истолкованию с
другой стороны.
Световые корпускулы, волны и кванты
Мы все время говорим о световых волнах — электро-
магнитных волнах. В действительности свет имеет двой-
ственную природу.
Ньютон считал свет потоком частиц —корпускул.
Преломление луча при его переходе, скажем из возду-
ха в стекло (рис. 11), Ньютон объяснял тем, что в бо-
лее плотной среде корпускулы движутся быстрее. На-
против, согласно волновой теории света, созданной еще
до Ньютона голландцем Гюйгенсом, преломление све-
та объясняется уменьшением скорости световых волн в
стекле по сравнению с воздухом (рис. 12). Для истол-
кования многих явлений обе теории приемлемы в рав-
ной степени. Но корпускулярное объяснение преломле-
ния содержит внутреннее противоречие.
В самом деле, свет ведь не только преломляется, но
и отражается стеклом (рис. 11). Как же корпускула
решает, что ей делать — проходить в стекло или, упруго
отразившись от его поверхности, вернуться в воздух?
Ньютон гордо утверждал, что он не делает гипотез,
а просто руководствуется фактами. Но в оптических ра-
ботах он применил именно гипотезу. Для объяснения
странного поведения своих корпускул он ввел гипотезу
«приступов». Предложение XII части III второй книги
«Оптики» Ньютона, опубликованной в 1704 году, гла-
сит: «Каждый луч света при своем прохождении через
любую преломляющую поверхность приобретает неко-
торое строение пли состояние, которое при продвижении
луча возвращается через равные интервалы и распола-
32
Рис. II. Преломление и отражение света
в —воздух; ст — стекло
Рис. 12. Преломление световых волн
гает луч при каждом возвращении к легкому прохожде-
нию через ближайшую преломляющую поверхность, ме-
жду же возвращениями — к легкому отражению».
А в определении, следующем за этим предложени-
ем, сказано: «Возвращения расположения какого-либо
луча к отражению я буду называть его приступа ми. лег-
кого отражения; возвращения его расположения к про-
хождению — приступами легкого прохождения».
Следовательно, корпускулярная теория Ньютона со-
держала представление о периодичности свойств света.
Это позволило Ньютону объяснить ряд открытых им яв-
лений (кольца Ньютона и др.), сегодня однозначно тол-
куемых как волновые.
Авторитет Ньютона был настолько велик, что иа
долгие годы помешал развитию волновой теории.
И лишь в XIX веке французский физик Френель решил
прямым. опытом спор между корпускулярной и волно-
вой теорией — в пользу последней. Измерение скорости
света в воде и воздухе показало, что свет медленнее
распространяется в более плотной среде.
Позднее Максвелл показал, что свет — это электро-
магнитные волны, и вслед за ним Герц впервые получил
такие волны — радиоволны — искусственно. А. С. Попов
осуществил передачу и прием волн Герца на большом
расстоянии, и с его работ и работ Маркони началось
победное шествие радиофизики.
Итак, волны, а не корпускулы. Но в конце XIX ве-
ка был открыт и изучен ряд световых явлений, которые
нельзя было объяснить, руководствуясь волновой при-
2 М. В. Волькенштейн
33
родой света. Прежде всего — фотоэффект. Тот самый
фотоэлемент, который дает сигнал не пускать в метро
человека, решившего сэкономить пятачок, действует на
основании не волновых, а квантовых законов.
Свет — электромагнитная волна. В то же время
это — поток фотонов, световых квантов, т. е. частиц,
обладающих определенной энергией. Связь между кван-
товыми и волновыми свойствами выражается соотноше-
нием: энергия светового кванта е равна частоте свето-
вой волны v, умноженной на постоянную Планка h,
в = hv.
Величина h наряду со скоростью света — одна из
важнейших в физике. Она равна 6,62-10~27 эрг.сек.
В одних опытах свет проявляет волновые, в дру-
гих— квантовые свойства. Не имеет смысла спраши-
вать: что же такое свет — волны или кванты? Тут нет
«или». И то и другое. Нельзя описать свойства света
однозначно, пользуясь повседневными представлениями,
относящимися к телам, очень большим по сравнению с
атомами и электронами. Только квантовая механика
дает полное объяснение свойств вещества, состоящего
из атомных ядер и электронов, и света. В наглядном
выражении это объяснение требует двойственности, дву-
значности. Ничего не поделаешь. Физиков это не сму-
щает.
Иногда говорят, что представление о фотонах озна-
чает возрождение ньютоновых корпускул. Есть такая
тенденция у историков и, в частности, у историков нау-
ки— искать повторения в историческом развитии собы-
тий. Так, лихолетье, постигшее Россию после смерти
Петра Первого, уподобляют Смутному времени, насту-
пившему после смерти другого жестокого самодержца —
Ивана Грозного. В действительности исторические со-
бытия никогда не повторяются. Тем более это относит-
ся к науке, познанию окружающего мира, непрерывно
и неуклонно развивающемуся. Знание истории физики
поучительно в высшей степени, но фотоны ничего об-
щего с ньютоновскими корпускулами не имеют.
Так вот, Раман истолковал комбинационное рассея-
ние света, пользуясь, в отличие от Мандельштама и
Ландсберга, не волновыми, а квантовыми представле-
ниями.
34
ИСААК НЬЮТОН
2*
Ненадежный автомат
На рассеивающее вещество падает квант света с
энергией hv. Он взаимодействует с молекулой и отдает
ей часть своей энергии. Происходит как бы неупругое
отражение — из вещества вылетает квант с уменьшен-
ной энергией h (v—- vM(W). Соответственно в спектре рас-
сеяния наряду с частотой v падающего света будет на-
блюдаться и уменьшенная частота v — умод. Эта часть
энергии поглощается молекулой и превращается в энер-
гию колебаний атомов. Как же объяснить появление в
спектре рассеяния наряду с уменьшенной частотой
v — vM(W увеличенной частоты v + уМОд? Дело в том, что
при этом квант забирает у молекулы определенное ко-
личество ее энергии колебаний, равное /гуМОд- Происхо-
дит «сверхупругое» рассеяние, и энергия рассеянного
фотона становится больше, чем энергия падающего.
Представьте себе весьма ненадежный автомат в мет-
ро. Он не меняет честно пятиалтынный на три пятака,
а ведет себя странно: в большинстве случаев он просто
возвращает вашу монету в неизменном виде. Это мо-
дель упругого, некомбинационного рассеяния света.
В других случаях автомат возвращает вам вместо пяти-
алтынного гривенник, и сколько бы вы ни стучали по
автомату — ваши пять копеек пропали. Модель неупру-
гого рассеяния с уменьшением частоты. Зато иногда ав-
томат ведет себя щедро — вместо пятнадцатикопеечной
монеты выдает двадцатикопеечную. Модель сверхупру-
гого рассеяния с увеличением частоты.
Или другой пример. Акробат прыгает на пружинный
матрац и отскакивает от него на высоту, несколько
меньшую той, с которой прыгал. Часть энергии акро-
бата пошла на раскачку колебаний пружин. Но можно
представить себе матрац, пружины которого сильно ко-
леблются. Акробат, отскочивший от такого матраца, мо-
жет увеличить свою энергию за счет энергии колеба-
ний пружин.
В дальнейшем была установлена эквивалентность
обеих теорий комбинационного рассеяния — классиче-
ской волновой теории, которой руководствовались Ман-
дельштам и Ландсберг, и квантовой, которой пользо-
вался Раман.
36
В Стокгольме
Работа индийского физика была опубликована в
английском журнале «Нейчер» («Природа») весной
1928 года, работа москвичей несколькими месяцами поз-
же в немецком журнале «Натурвиссеншафтен» («Науки
о природе»). Все специалисты, прочитавшие эти статьи,
точнее краткие сообщения, поняли, что в них идет речь
о весьма крупном открытии.
В науке, в отличие от искусства, существует миро-
вая система достаточно объективных оценок и наград,
тот самый «гамбургский счет», о котором писал Виктор
Шкловский. Общепризнанной высшей наградой учено-
му служит Нобелевская премия, присуждаемая ежегод-
но, начиная с 1901 года, шведской Академией наук за
лучшие работы в области физики, химии, физиологии и
медицины. Запатентовавший динамит Альфред Нобель
решил прославить свое имя — премии выдаются из про-
центов на завещанный им капитал. Премии эти очень
важны, но о самом Нобеле мало кто вспоминает.
Представления на премию посылают наиболее авто-
ритетные ученые всего мира, академии наук ряда стран,
в частности Академия наук СССР.
Конечно, и Мандельштам, и Ландсберг, и Раман бы-
ли представлены. Но присудили премию только послед-
нему на том основании, что его работа опубликована
несколькими месяцами раньше. Между тем всем уче-
ным, в том числе членам Нобелевского комитета, было
совершенно ясно, что обе работы сделаны одновремен-
но и независимо. Различие в скорости публикации объ-
яснялось, пожалуй, только разными характерами авто-
ров работ.
Честолюбие — не последний стимул в деятельности
ученого. Каждый творческий работник нуждается в об-
щественном признании своего труда. Плохо актеру без
аплодисментов. «Когда хвалят, приятно», — говорит Три-
горин в «Чайке» Чехова. Истина тривиальная. Весь во-
прос в том, кто хвалит и какова цена похвалы. Ученый
жаждет похвалы компетентной — прежде всего серьез-
ной оценки со стороны коллег. Однако стремление к по-
хвалам, как таковым, к почестям и наградам зачастую
превращает честолюбие в сравнительно невинный, но
37
смешной порок — в тщеславие, а иногда приводит и к
гораздо худшим последствиям.
Здесь шла речь о компетентной высокой награде —
о Нобелевской премии.
Л. И. Мандельштам был человеком совершенно свое-
образным, человеком исключительной чистоты и благо-
родства, абсолютно чуждым всего мелкого. Великий
ученый, он был лишен честолюбия. Его бесконечно ин-
тересовало научное исследование, но он был равноду-
шен к славе. Поэтому Мандельштам публиковал мало
работ, щедро раздавал свои научные идеи. Ряд круп-
ных открытий, им сделанных, остался неопубликован-
ным, и лишь позднее их повторяли другие. Мандель-
штам и Ландсберг не торопились и с публикацией ра-
боты по комбинационному рассеянию.
Напротив, Раман послал свое письмо в редакцию
«Нейчер» немедленно после получения первых резуль-
татов. Он написал, что сделанное им открытие подобно
открытию Комптона (изучавшего рассеяние рентгенов-
ских лучей электронами), и счел уместным напомнить,
что Комптон получил за свою работу Нобелевскую пре-
мию. Очень прозрачный намек.
Решение Нобелевского комитета было явно неспра-
ведливым; это отметили многие крупнейшие физики.
Несомненно, что премию должны были разделить Ман-
дельштам, Ландсберг и Раман. По-видимому, вмеша-
лась политика. Молодое тогда Советское государство
не пользовалось симпатиями на Западе, и с ним стара-
лись не считаться. Ни один советский ученый в те годы
Нобелевской премии не получил. Потом, когда стало не-
возможным замалчивать успехи советской науки, после
второй мировой войны, семь ученых СССР стали Нобе-
левскими лауреатами.
Это Н. Н. Семенов, И. Е. Тамм, И. М. Франк, П. А.
Черенков, Л. Д. Ландау, Н. Г. Басов и А. М. Прохоров.
Г олоса молекул
В чем же заключается важность этого открытия?
Обыватель склонен оценивать научную работу по ее
практическим приложениям. «Какая от этого польза?» —
спрашивает он ученого. Руководствуясь таким крите-
рием, следовало бы теоретическую науку закрыть. Один
38
ЛЕОНИД ИСААКОВИЧ
МАНДЕЛЬШТАМ
из героев Щедрина, Дементий Сдаточный, искал «сред-
ства к совершенному наук устранению».
Научные открытия, имеющие наиболее общее и фун-
даментальное значение, никогда не делались во имя
прямой практической цели. Они диктовались внутренней
логикой развития науки. Но затем неизбежно возника-
ли практические приложения, тем более важные, чем
крупнее было открытие. Из работ Фарадея, Максвелла,
Герца, казавшихся их современникам совершенно абст-
рактными, выросла вся электротехника и радиотехника.
Из теории относительности и квантовой механики —
атомная энергетика. Очень хорошо об этом написал
К. А. Тимирязев в одной из своих ранних статей — в
статье о Пастере. «Да, вопрос не в том, должны ли
ученые и наука служить своему обществу и человече-
ству— такого вопроса и быть не может. Вопрос о том,
какой путь короче и вернее ведет к этой цели. Идти ли
ученому по указке практических житейских мудрецов и
близоруких моралистов или идти, не смущаясь их ука-
заниями и возгласами, по единственному возможному
пути, определенному внутренней логикой фактов, управ-
ляющей развитием науки... Критериумом истинной нау-
ки является не та внешность узкой ближайшей пользы,
которой именно успешнее всего прикрываются адепты
псевдонауки, без труда добывающие для своих пародий
признания их практической важности и даже государст-
венной полезности». Можно подумать, что Тимирязев
знал о сессии ВАСХНИЛ 1948 г.
Мы постарались показать читателю, какая внутрен-
няя логика развития науки привела к открытию комби-
национного рассеяния. Й логика эта, естественно, пове-
ла дальше.
В спектрах комбинационного рассеяния проявляют-
ся частоты колебаний атомов в молекулах и кристаллах,
те частоты, которые были обозначены уМОд. Особенно лег-
ко получать спектры рассеяния от жидкостей. Сейчас
это простой студенческий опыт, но до 1928 года никто
не подозревал о его возможности.
Следовательно, наблюдая спектр рассеянного света,
мы как бы записываем голоса молекул. И эти голоса
рассказывают о многом. Они сообщают нам важные
детали внутреннего устройства молекул. Они говорят
о природе сил, действующих внутри молекулы и меж-
40
молекулярных. Спектры комбинационного рассеяния
стали одним из наиболее мощных методов изучения
строения вещества. Исследуя спектры смесей различных
веществ, можно проводить их анализ. Особенно полез-
ными оказались спектры рассеяния для анализа бензи-
нов и других органических смесей.
За сорок лет, прошедших с момента открытия, спект-
рам комбинационного рассеяния посвящено несколько
тысяч работ. Сейчас это большой раздел оптики и фи-
зической химии.
А все началось с вопроса о голубом небе!
Перекресток
Мы рассказали о содержании одной из глав физи-
ки. Много линий научного исследования пересеклось в
этой главе — оптика и термодинамика, учение о тепло-
емкости и теория рассеяния света, классическая и кван-
товая теория света, наука о строении молекул, физика
и химия. Яркий пример единства естествознания!
Мысль ученого, устанавливающего неожиданную
связь рассеяния света с теплоемкостью, рождает новую
область, новые методы исследования.
На перекрестке научных путей возникают наиболее
интересные события в науке, начинаются новые пути, о
которых раньше никто и не задумывался.
То, что здесь рассказано, сейчас уже давняя исто-
рия. Но она необычайно поучительна. С особенной яс-
ностью в ней выражены важные черты метода позна-
ния, которым пользуется физика. И не только физика.
Современная биология все больше овладевает строгими
научными приемами, вооружается математическим ап-
паратом, идет к глубокому объединению с физикой и
химией.
Счастлив ученый, попавший на перекресток, а не за-
стрявший на одной из узких и однообразных дорог, ко-
торых так много в науке.
2
ЖИВОЕ СУЩЕСТВО И ФИЗИЧЕСКИЙ ДЕМОН
Разительное противоречие?
Продолжим теперь цепь рассуждений о термодина-
мике. В физике усыновлено второе начало термодина-
мики, говорящее о стремлении любой системы к неупо-
рядоченности, к возрастанию энтропии. Вечный двига-
тель второго рода невозможен.
Мы говорим об энтропии как о мере неупорядочен-
ности, о мере вероятности состояния системы, содержа-
щей много молекул. Все это звучит несколько зага-
дочно.
Конечно, энтропия не такое простое понятие, как
энергия. Поэтому энтропию изгнали из средней школы,
и студенты часто мучаются, готовясь к экзаменам по
термодинамике.
В действительности ничего страшного в энтропии
нет. Эта величина характеризует состояние вещества,
она может быть измерена и вычислена так же, как и
внутренняя энергия. Только измеряется она не в кало-
риях, а, подобно теплоемкости, в калориях на градус.
Так, повышение энтропии при плавлении кристалла
(которое, очевидно, сопровождается уменьшением атом-
ного порядка) просто равно скрытой теплоте плавле-
ния, деленной на температуру плавления, выраженную
в абсолютной шкале,—-в градусах Кельвина.
Насколько универсально второе начало термодина-
мики? Все ли явления в природе ему подчиняются? При-
менительно к закону сохранения энергии этот вопрос
не встает — в абсолютной справедливости этого закона
мы уверены.
Невольно приходит на ум, что живая природа не
подчинена второму началу. Ведь в жизни — а она раз-
вивается самопроизвольно — все максимально упорядо-
чено. Упорядочено расположение клеток и внутрикле-
точных структур, упорядочено и согласовано течение
биохимических процессов в организме. В этом смысле
организм антиэнтропен.
42
Разумная деятельность человека состоит во внесении
порядка в окружающий мир. Человек строит, создает
высокоупорядоченные структуры, а второе начало этому
противодействует, стремится превратить здания в гру-
ды щебня. И если человек не будет поддерживать свои
сооружения в порядке, они погибнут, предоставленные
воздействиям окружающей среды — воды и воздуха.
В речи «О назначении поэта» Александр Блок гово-
рил: «Поэт — сын гармонии; и ему дана какая-то роль
в мировой культуре. Три дела возложены на него: во-
первых, освободить звуки из родной безначальной сти-
хии, в которой они пребывают; во-вторых, привести эти
звуки в гармонию, дать им форму; в-третьих, внести эту
гармонию во внешний мир».
Выбор поэтом слов и звуков из их беспорядочной
массы, внесение гармонии, т. е. порядка, в мир слов —
антиэнтропийный процесс. Но, конечно, человек может
действовать и в строгом соответствии со вторым нача-
лом. Когда хунвейбины жгли книги и ломали древние
статуи — они энтропию повышали.
В целом жизнь антиэнтропийна. Она вносит поря-
док— термодинамический порядок—в окружающий мир
и непрерывно его воспроизводит. Разительное противо-
речие со вторым началом, не правда ли? Уж не являет-
ся ли живой организм вечным двигателем второго
рода?
Витализм сегодня
Явное отличие живого от неживого требует объяс-
нения. Что отличает медузу от окружающей ее морской
воды?
Христианская религия признает наличие души у че-
ловека, но отказывает в ней другим живым существам.
Буддизм более щедр — в своих перевоплощениях чело-
век может стать и крокодилом и обезьяной. Еще щед-
рее идеалистическая биология: она исходит из сущест-
вования если не души, то особой жизненной силы, жиз-
ненного поля, энтелехии у любой бактериальной клетки.
Жизнь совершенно особенна, познать ее природу сред-
ствами точного естествознания невозможно. Такова кон-
цепция витализма. Она возникает в уме человека, по-
раженного удивительной целесообразностью живой при-
43
роды, ее предельно высокой упорядоченностью. Идеи
эти очень цепки, от них «е избавилась и современность.
Говорить о душе, о жизненной силе клетки сегодня
уже почитается неприличным. Разве что в шутку. Од-
нако можно говорить о неприменимости законов физики
и химии в биологии, о неподчинении живого организ-
ма второму началу, о том, что, конечно, физика дейст-
вует всюду, но мы еще не знаем особых, как принято
выражаться, «качественно отличных» физических зако-
номерностей живого, и познание их — дело будущего.
А пока — упаси вас боже «сводить» биологию к физике
и химии. Вы немедленно впадете в ересь механицизма.
Апелляция к недостатку знаний, к тому, что завтра
мы будем знать больше, чем сегодня, бессодержатель-
на. Это ведь истина тривиальная. Важно установить
другое: встретилась ли уже существующая сегодня фи-
зика с реальными границами своей применимости при
исследовании живого организма? Новые физические
представления рождаются именно тогда, когда старые
натыкаются на такие границы. Так возникали и тео-
рия относительности, и квантовая механика.
Что касается «сводимости», то этот жупел не стра-
шен. Дело заключается не в «сводимости» или «несво-
димое™», а в выходе на перекресток физики и биоло-
гии, в нахождении области их перекрывания. Конечно,
никому не придет в голову утверждать, что кристалл
кварца и живая лягушка не имеют качественных раз-
личий. Но познаваемы ли и кристалл и лягушка средст-
вами единого точного естествознания?
Вся история науки показывает, что ее развитие в
громадной степени определяется именно выходами на
перекрестки, нахождением новых связей. Напротив, лю-
бые попытки отгородить одну область знания от другой
под флагом «несводимое™» мешали науке. Не так дав-
но отрицалась возможность эффективного применения
квантовой механики в химии. Но сейчас мы понимаем,
что основные химические явления — химическая связь,
химическая реакционная способность—могут быть объ-
яснены только квантовой механикой. Химия как наука
«не сводится» к физике: она сохраняет всю мощь и
своеобразие своих методов, хотя ни в одном химическом
процессе нет ничего кроме физических явлений, природа
которых в целом достаточно ясна.
44
Современный виталист не отрицает, конечно, пользы
физических методов в биологии. Более того, он готов
призвать к их широкому внедрению, к усовершенствова-
нию и гордится на этом основании своей прогрессив-
ностью. Но речь-то идет не об экспериментальных ме-
тодах. Физические методы применяются в биологии чуть
ли не с момента ее возникновения. Микроскоп — слож-
нейший физический прибор, теорией которого занима-
лись и Мандельштам и Рождественский, состоит на во-
оружении у биологов со времен Левенгука, впервые уви-
девшего живые клетки в XVII веке.
А обычный медицинский градусник!
Нет, не о методах речь. Надо установить, где и как
физика и биология выходят на скрещение своих путей,
что вносит в биологию весь комплекс идей эксперимен-
тальной и теоретической физики. И прежде всего надо
ответить на вопрос о применимости термодинамики к
живым системам.
Иногда говорят, что понятие энтропии уместно при-
менять лишь к системе неупорядоченной, что высокий
порядок в живой клетке выводит ее из области прило-
жений термодинамики. Это — просто чепуха, «реникса».
Кристалл подлежит термодинамическому рассмотрению
в той же мере, что и жидкость, только его энтропия го-
раздо меньше.
Допустив, что организм действительно не подчиняет-
ся второму началу, мы встретимся с очень большими на-
учными и философскими затруднениями. Мы считаем,
что жизнь на Земле возникла из неживой природы.
Важнейшее это положение материалистического естест-
вознания является общепринятым, оно детально и глу-
боко аргументировано. Впервые подробная концепция
абиогенного происхождения жизни была выдвинута
Александром Ивановичем Опариным.
Но неживая природа подчиняется второму началу,
а живая — нет (?). Что же произошло с термодинами-
кой в момент возникновения жизни на Земле? Каков
был акт творения? Неужели без господа бога там не
обошлось?
Но хотя трудность налицо, постараемся обойтись без
бога и обратимся за помощью к демону.
45
Демон Максвелла
Есть такой важный методический прием в теорети-
ческой физике — проведение мысленного эксперимента.
Создается — в голове и на бумаге — умозрительная мо-
дель некоего опыта, пускай практически и нереализуе-
мого. Мысленный эксперимент зачастую позволяет с осо-
бенной ясностью проанализировать очень сложные и
тонкие научные вопросы.
Андрей Белый вспоминал в поэме «Первое свида-
ние» * о лекциях физика Николая Алексеевича Умова:
И строгой физикой мой ум
Переполнял: профессор Умов.
Над мглой космической он пел,
Развив власы и выгнув выю,
Что парадоксами Максвелл
Уничтожает энтропию...
Упомянутый здесь парадокс — демон Максвелла.
Оный демон появился на свет в 1871 году в качестве
«существа, способности которого настолько изощрены,
что оно может следить за каждой молекулой на ее пу-
ти и в состоянии делать то, что в настоящее время для
нас невозможно... Предположим, что имеется сосуд, раз-
деленный на две частя А и Б перегородкой с неболь-
шим отверстием, и что существо, которое может видеть
отдельные молекулы, открывает и закрывает это отвер-
стие так, чтобы дать возможность только более быстрым
молекулам перейти из А в Б и только более медленным
перейти из Б в А. Это существо, таким образом, без за-
траты работы повысит температуру в Б и понизит в А,
вопреки второму началу термодинамики». Длинная эта
цитата заимствована из «Теории теплоты» Максвелла.
Действительно, Максвеллов демон создает без за-
траты работы порядок из беспорядка: равномерно на-
гретый газ разделяется на две части — горячую и хо-
• Эта поэма опубликована в 1921 году. В последующих строках поэмы Андрей
Белый высказал поэтическую догадку, которая не может не заинтересовать
современного читателя:
Мнр — рвался в опытах Кюри
Атомной, лопнувшею бомбой
На электронные струн
Невоплощенной гекатомбой ..
46
лодную. Может ли такой демон существовать? А если
может, то не сидит ли он в каждой живой клетке?
Многие крупные физики анализировали работу де-
мона. Смолуховский в 1912 году показал, что случайное
тепловое движение молекул должно нарушать управля-
емое демоном закрывание и открывание дверцы между
А и Б — дверца ведь тоже состоит из молекул. А из че-
го состоит демон? Смолуховский пришел к выводу о не-
возможности работы демона, о сохранении второго на-
чала в неприкосновенности.
Позднее, в 1929 году, появилась знаменитая работа
Лео Сцилларда, впервые вводящая в физику понятие
информации. Именно пользуясь теорией информации,
удается демона изгнать, и его возвращение более не
предвидится.
Информация
Имеется в Москве Институт научной и технической
информации. Существует информационное агентство пе-
чати «Новости». Газеты, радио, телевидение ежедневно
информируют нас о происходящих событиях. Злобный
аноним информирует редакцию газеты о личной жизни
своих соседей...
Информация всюду. Общежитейский смысл этого
слова ясен: под информацией разумеются сведения о ка-
ких-либо явлениях. Жизнь невозможна без передачи и
получения информации.
Можно ли сделать понятие информации строгим,
дать ей количественную меру? Положительное решение
этого вопроса — одно из крупных достижений совре-
менной науки, радикально повлиявшее на ее развитие.
Действительно, важно определить количество инфор-
мации, содержащееся, например, в передаваемой теле-
грамме, важно уметь оценивать эффективность кодиру-
ющих устройств. Современная теория информации —
важная часть кибернетики, весьма общей науки об уп-
равлении. Никакое управляющее устройство не может
работать без наличия каналов связи, по которым пере-
дается информация.
Наука дает информации вероятностное, статистиче-
ское, определение. Информация, заключающаяся в ка-
ком-либо сообщении, есть количественная мера сведе-
ний, которые такое сообщение содержит. Бросим играль-
47
ную кость. Пока она не брошена, нет события и нет со-
общения о событии. Все шесть исходов равновероятны,
информация отсутствует — она равна нулю. После того
как кость брошена и выпало, допустим, четыре очка —
опыт сделан, определенное событие осуществилось и по-
лучена отличная ог нуля информация. Как ее измерить?
Бросим одновременно две кости. В сообщении «на
первой кости четыре очка, на второй — пять» содержит-
ся вдвое больше сведений, чем в сообщении о том, что
на одной кости — четыре очка. Информации складыва-
ются.
А вероятности? Вероятность выпадения четырех оч-
ков на первой кости равна 7б- Той же величине равна
вероятность выпадения пяти очков на второй кости. Ве-
роятность того, что эти два независимых события про-
изошли одновременно, равна ‘/зб- Вероятности перемно-
жаются.
Если мы хотим связать информацию о событии с его
вероятностью, то зависимость между этими двумя вели-
чинами должна быть логарифмической: когда две вели-
чины перемножаются, их логарифмы складываются.
Итак, напишем:
информация J = KlgP, где Р — число возможных
событий до их осуществления, К — некий коэффициент
пропорциональности. При бросании кости Р = 6. Бросив
кость, мы реализовали одно событие из шести возмож-
ных и получили информацию, равную К 1g 6.
Для простоты приравняем К единице и возьмем в
качестве основания логарифмов двойку:
J = lg2P.
Такое определение соответствует задачам, в которых
возможны лишь два события, т. е. на вопрос о резуль-
тате отдельного опыта возможны только два ответа —
да или нет. Допустим, что в родильном доме за какое-
то время появилось на свет пять младенцев. Вероят-
ность того, что рождается мальчик или девочка, одина-
кова, она равна !/2. До того как младенцы родились, нет
никакой информации об их рождении и возможно 23
различных событий (первый ребенок — мальчик, осталь-
ные 4 — девочки, первый — девочка, остальные — маль-
чики и т. д.). Вероятность рождения пяти детей опре-
деленного пола в определенной последовательности рав-
48
на !/25 = ’/128- Сообщение о результате всех рождений
содержит информацию равную
J = lg2 128 = lg2 25 = 5,
т. е. при таком определении информация просто равна
числу выборов с двоичной альтернативой — да или нет.
Соответствующая единица информации называется бит.
В нашем примере мы получили 5 битов информации.
Мы в сущности воспользовались двоичной системой
исчисления. Наша обычная система исчисления — деся-
тичная, любое число записывается как сумма числа де-
сятков в нулевой, первой и т. д. степени. Например,
15=1 • 101 + 5 • 10°. Соответственно мы пользуемся де-
сятью цифрами: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. В двоичной
системе исчисления запись длиннее, но гораздо проще,
так как цифр всего две: 0 и 1. Так, имеем:
1 = 1 . 2°; 2 = 1 • 21 + 0 • 2°, т. е. 10; 3 = 1 • 21 + 1 • 2°,
т. е. 11; 4 = 1 • 22 -У 0 -21 4- 0 • 2°, т. е. 100 и т. д. Число
15 запишется: 15 = 1 • 23 + 1 • 22 + 1 • 21 + 1 • 2°, т. е.
1111.
Электронные вычислительные машины, как и тео-
рия информации, пользуются двоичной системой — в
данную ячейку либо подается сигнал, либо нет, т. е. су-
ществуют лишь две возможности, изображаемые нулем
и единицей.
Итак, информация измеряется в битах.
Бит биту рознь
Очевидно, что описанная количественная мера ин-
формации совершенно не связана с ее ценностью для
человека. На вопрос о результате бросания монеты
можно дать два ответа — герб или «решка». Соответст-
венно информация о результате такого бросания равна
одному биту. Но столько же информации мы получим
при ответе на любой вопрос, поставленный в форме «да
или нет?». Скажем, при ответе на вопрос: «подчиняется
ли живой организм второму началу термодинамики?».
Ясно, однако, что ценность получаемой информации
в двух приведенных примерах несоизмерима. От чего
же она зависит?
Ответ на вопрос о подчинении живого организма
второму началу не представляет никакой ценности для
пенсионера, тратящего свое время на «забивание коз-
ла»— он не знает, что такое второе начало, и ему го-
раздо интереснее узнать, сколько очков принесет сле-
49
дующая костяшка домино. Не имеет он ценности и для
физика или биолога, уже знающего этот ответ.
Очевидно, рассказывая о термодинамике, я руковод-
ствуюсь тем, что ответ на этот вопрос должен предста-
вить наибольшую ценность именно для того читателя,
на которого рассчитана эта книга.
Следовательно, ценность информации определяется
уже имеющимся запасом информации у того, кто эту
информацию получает, будь то человек или некое фи-
зическое устройство, принимающее информацию. Такой
запас информации называется тезаурусом, что по-ла-
тыни значит «сокровище». Ценность информации, как
мы видели, зависит от тезауруса своеобразно. Она ма-
ла, пока тезаурус мал, достигает максимальной величи-
ны при некотором его значении и снова падает до нуля,
если тезаурус достаточно велик.
В человеческом обществе эта закономерность часто
игнорируется. Повторение одних и тех же истин и исполь-
зование штампов оратором или газетной статьей обычно
не сообщают сколько-нибудь ценной информации.
С другой стороны, яркое и новое по форме и содер-
жанию художественное произведение не дает информа-
ции человеку, не обладающему достаточным для его
восприятия тезаурусом. Это дело поправимое, но важ-
но, чтобы такой человек не работал в редакции или в
комиссии по отбору картин для выставки.
Мы видим, что вопрос о ценности информации до-
статочно сложен. Пока он разработан недостаточно. Мы
еще вернемся к нему несколько позже.
В то же время строгое определение количества ин-
формации чрезвычайно важно, и то, что оно не связа-
но с вопросом о ценности, следует считать его большим
достоинством. Это позволяет дать полную теорию свя-
зи, не осложненную никакими субъективными элемента-
ми. Количественная теория информации позволяет ре-
шать громадную совокупность теоретических и практи-
ческих задач науки и техники.
Мы играем в испорченный телефон
Информация всегда передается посредством некото-
рого сигнала -— реального физического процесса. Сигнал
может быть световым, звуковым, электрическим, меха-
ническим. Он можег быть и химическим.
50
Имеются устройства, хранящие и сообщающие ин-
формацию, линии связи, по которым информация пере-
дается соответствующими сигналами, и приемники ин-
формации.
Но сообщение, передача и прием информации неиз-
бежно связаны с ее разрушением, частичным или пол-
ным. Это разрушение определяется «шумами» — случай-
ными, принципиально неконтролируемыми помехами, ко-
торые создаются вечным и непрерывным движением мо-
лекул. В сущности, когда Тютчев писал, что: «Мысль
изреченная есть ложь», он имел в виду невозможность
полного и адекватного выражения словесным сигналом
информации, содержащейся в мозгу поэта.
Есть нехитрая детская игра в испорченный телефон.
Садятся бок о бок в один ряд, и первый шепчет на ухо
второму какое-нибудь слово. Так продолжается от вто-
рого к третьему и т. д., последний услышанное им сло-
во произносит. Прелесть игры заключается в искаже-
нии, в разрушении информации. Первый прошептал:
«Клеопатра», последний услышал: «леопард», первый
сказаль «Пенелопа», до последнего дошло «антилопа».
Реальный способ преодоления шумов состоит не
только в максимальном совершенствовании линии свя-
зи, но и в передаче избыточной информации.
Корабль, терпящий бедствие, радирует «SOS». Этот
сигнал повторяется многократно. Повторение не озна-
чает увеличения количества информации, но означает
ее избыточность. Сигнал надо повторять, чтобы увели-
чить вероятность его приема в неискаженном виде.
Для того чтобы информация передавалась надлежа-
щим образом, необходима оптимальная помехоустойчи-
вость и передающего устройства, и линии передачи, и
приемника информации. Но стопроцентного уничтоже-
ния шумов добиться все равно нельзя.
Информация, поэзия и перевод
С легкой руки автора, интересной книги «Сигнал»
Полетаева стало модным противопоставлять физику ли-
рике. Об этом писал в своем шутливом стихотворении
Борис Слуцкий: «что-то физики в почете, что-то лирики
в загоне».
Но поэзия и наука — явления единой культуры, на-
ходящиеся во взаимодействии. Поэтическое восприятие
51
науки и научный анализ поэзии обогащают и науку и
искусство. Существует перекресток и этих путей.
Поэт несет в мир гармонию, т. е. информацию. В би-
тах ее может быть и не так уж много, но ценность ин-
формации, содержащейся в истинно художественном
произведении, чрезвычайно велика. В сущности эта цен-
ность абсолютна, так как она велика и при сколь угод-
но большом тезаурусе приемника. Каждое талантливое
произведение сообщает новую информацию любому
приемнику, обладающему достаточным тезаурусом. Это
и есть теоретико-информационное определение таланта.
Теоретико-информационное определение гения можно
дать в следующей форме: гениально то произведение,
которое непрерывно, при каждом новом повторном с
ним знакомстве обогащает тезаурус приемника. Гений—
неисчерпаем.
Поэту свойственно особенно острое восприятие важ-
нейших идей современности. Об информационном содер-
жании поэзии говорит тот же Борис Слуцкий в стихо-
творении, которое мы приведем:
Поэт не телефонный,
А телеграфный провод.
Событье — вот законный
Для телеграммы повод.
Восстания и войны,
Рождения и гибели
Единственно достойны,
Чтоб их морзянкой выбили.
А вот для поздравления
Мне телеграфа жаль
И жаль стихотворения
На мелкую печаль.
Мне жаль истратить строки
И лень отдать в печать,
Чтоб малые пороки
Толково обличать.
Слуцкий, однако, не прав — поэт не передатчик, но
создатель информации. Информация заключается во
всем — и в содержании, и в форме стихотворения, в его
метрике, в рифме, в системе образов, в музыкальной
52
инструментовке. Передатчику информации следует упо-
добить переводчика стихотворения.
Поэт-переводчик ставит перед собой различные за-
дачи. Он может воспользоваться информацией, содер-
жащейся в иноязычном стихотворении, для создания
оригинального произведения. Так поступил Тютчев, пи-
савший на мотив Гейне:
Если смерть есть ночь, если жизнь есть день,
Ах, умаял он, пестрый день, меня...
Это «умаял», этот «пестрый день» звучат настолько
по-русски, по-тютчевски, что здесь приходится говорить
о создании новой поэтической информации, а не о пе-
рекодировке, переводе информации, содержавшейся в
стихотворении Гейне.
Другая, не менее достойная задача состоит именно
в передаче информации. Этой проблеме в сущности и
посвящена талантливая книга Е. Г. Эткинда «Поэзия и
перевод». Автор тонко, с большой наблюдательностью
и точностью анализирует природу поэтического перево-
да, показывая, что оптимальная передача информации
достигается разными средствами, в зависимости от ее
характера в оригинале. Дело это трудное. Эткинд сопо-
ставляет десять различных русских переводов стихотво-
рения Гете «Близость любимого» («Nahe des Gelieb-
ten»). Они различаются сильнейшим образом. Доста-
точно сказать, что в четырех переводах из десяти сти-
хи обращены не к мужчине (как у Гете), а к женщи-
не. Передача информации оказывается сугубо неодно-
значной.
Даже один из лучших в русской поэзии переводов—
«Коринфская невеста» Гете в переводе А. К- Толстого—
содержит неточность. Толстой пишет:
Доле мать сдержать не в силах гнева,
Ключ она свой тайный достает:
«Разве есть такая в доме дева,
Что себя пришельцам отдает?»
Эти строки и содержанием, и размером, и ритмом кон-
гениальны подлиннику. Но у Гете сказано не «дева», а
«девка» (Dime). Толстой исказил информацию, изме-
нил тональность стиха, подчиняясь, с одной стороны,
БЗ
более целомудренной русской поэтической традиции, с
другой — рифме.
Полная, лишенная каких бы то ни было искажений
передача поэтической информации на другом языке
принципально невозможна, так как языки различны, а
поэтическая информация в отличие от' научной содер-
жится во всем — в каждом слове и в каждом звуке.
Поэту-переводчику приходится решать задачу на опти-
мум доносимой информации, неизбежно чем-то посту-
паясь. Талант поэта-переводчика и состоит в способно-
сти такой оптимум найти. Поэтический перевод — рабо-
та творческая и художественная. Естественно, что ею
занимались величайшие русские поэты — Пушкин, Лер-
монтов, Тютчев, Блок.
Опять энтропия
Но оставим лирику и вернемся к физике. Из расска-
занного об информации явствует, что это научное по-
нятие имеет много общего с энтропией. Энтропия есть
мера вероятности состояния физической системы, она
потому и возрастает с уменьшением порядка, что неупо-
рядоченное состояние более вероятно, чем упорядочен-
ное. Теоретический анализ показывает, что энтропия вы-
ражается формулой.
S = k In Р,
где k = 1,38-10~16 эрг/градус — постоянная Больцмана;
Р — число способов, которым можно данное состояние
осуществить.
Логарифм в приведенной формуле натуральный, он
взят при основании е=2,78... Переходя к двоичной си-
стеме, которой мы пользовались для вычисления инфор-
мации, получаем
S = k In 2 • lg2 Р = 0,693fef.
Энтропия отличается от информации лишь множи-
телем А1п2.
Аналогия эта не формальна. Повторяем, информа-
ция передается и воспринимается в реальных физиче-
ских процессах, протекающих в соответствии со вторым
началом термодинамики. За получение информации ну-
жно платить — платить увеличением энтропии.
54
Рассмотрим кристаллизацию жидкости. Жидкость
обладает большей энтропией, чем кристалл, так как ее
состояние можно реализовать большим числом способов
распределения молекул, чем состояние кристалла. Кри-
сталл упорядочен, молекулы в нем расположены строго
регулярно. Значит, при кристаллизации энтропия умень-
шается. В то же время возрастает информация, так как
нам известно расположение молекул в кристалле, а в
жидкости оно не известно. Закристаллизовав жидкость,
мы получили новую информацию, равную, с точностью
до множителя 0,693 k, уменьшению энтропии. Одному
биту информации при этом соответствует очень малая
величина энтропии, так как очень мала постоянная
Больцмана. На один бит приходится около 10~16 эрг/гра-
дус, примерно 2,5-10~24 кал/градус.
Где же плата за полученную информацию? Она от-
дана при кристаллизации жидкости. Чтобы закристал-
лизовать жидкость, ее нужно охладить. Холодильник
при этом нагреется, его энтропия повысится — движение
молекул становится все более беспорядочным при по-
вышении температуры.
Увеличение энтропии холодильника будет больше,
чем уменьшение энтропии кристаллизующейся жидкости.
Так говорит второе начало.
Значит, информация получается из понижения энтро-
пии, из энтропии с отрицательным знаком, негэнтропии.
Следовательно, платить за информацию нужно энтро-
пией.
Изгнание демона
Изгнание демонов, бесов было весьма серьезным за-
нятием в средние века. Пишет протопоп Аввакум:
«И нападе на нея бес..., учала кричать и вопить, соба-
кою лаять, и козою блекотать, и кокушкою коковать.
Аз же зжалился об ней: покиня херувимскую петь, взяв-
ше от престола крест, и на крылос взошед, закричал:
«Запрещаю ти именем господня; полно, бес, мучить
ея!.. Бес же изыде от нея»».
Наш демон другого свойства, от него не избавишь-
ся внушением, гипнозом, как от истерии. Здесь необхо-
дима теория информации. Демон Максвелла изгнан
французским физиком Бриллюэном. Проследим за его
рассуждениями.
55
Чтобы увидеть молекулу, нужно ее осветить. Поэто-
му демона следует снабдить фонарем. Фонарь, т. е. ба-
тарея с электрической лампочкой, должен быть источ-
ником неравновесного излучения. Иными словами, тем-
пература нити электрической лампочки должна быть вы-
ше температуры газа в сосуде. Излучая свет, лампочка
отдает энергию и теряет энтропию. Без вмешательства
демона энергия поглощается газом, находящимся при
более низкой температуре, чем температура нити, и по-
этому энтропия газа возрастает на величину, большую,
чем ее уменьшение у лампочки. В целом энтропия уве-
личивается.
Демон может обнаружить молекулу, если она рас-
сеяла по меньшей мере один квант света, который по-
глотится в глазу демона. При этом опять-таки происхо-
дит возрастание энтропии, за счет которого демон и по-
лучил информацию о молекуле.
Но раз информация получена, она может быть ис-
пользована для уменьшения энтропии всей системы. Это
и делает демон, открывая дверцу перед быстрой моле-
кулой (или не открывая ее перед медленной молеку-
лой).
Однако расчет показывает, что в целом энтропия си-
стемы возрастает в полном согласии со вторым нача-
лом. Поглощение кванта света вызывает увеличение
энтропии (повышение температуры), перекрывающее то,
которое связано с внесением порядка в систему. Темпе-
ратура обязательно выравнивается.
Демон Максвелла не может существовать и рабо-
тать. Ни в неживой системе, ни в клетке.
Но, может быть, живой организм спасается от вто-
рого начала иным способом?
Почему атомы малы?
Как показано на стр. 21, второе начало является
вполне строгим для системы, состоящей из очень боль-
шого числа частиц, но для немногих атомов оно не обя-
зательно. Именно в связи с этим в блестящей книге
крупнейшего физика Эрвина Шредингера «Что такое
жизнь с точки зрения физики?» поставлен вопрос: по-
чему атомы малы?
Но что значит — малы? Почему мы считаем атомы
маленькими? Потому, что они малы по сравнению с на-
56
шими размерами. Живой организм, начиная с наимень-
шей бактериальной клетки, во много раз больше атома.
Диаметр самой маленькой бактерии Mycoplasma laidla-
wii в тысячу раз больше диаметра атома, а ее объем
соответственно в миллиард раз больше объема атома.
Очевидно, вопрос нужно сформулировать иначе. Его
смысл состоит в следующем: почему живая клетка со-
стоит из очень большого числа атомов? Именно пото-
му,—отвечает Шредингер, — что при малом числе ато-
мов жизнь невозможна. Всякий атомный порядок, дик-
туемый первым и вторым началами, при малом числе
атомов нарушался бы флуктуациями. Отсутствовала бы
как раз та самая специфическая способность организма
творить и воспроизводить порядок, которая нас зани-
мает.
Следовательно, и флуктуационными нарушениями
нельзя объяснить антиэнтропийные свойства живого ор-
ганизма. Никуда от второго начала не денешься.
В чем же все-таки дело?
Живое существо открыто миру
В действительности ларчик открывается достаточно
просто. Я не совсем честно поступил с читателем. Вме-
сто того чтобы сразу ответить на вопрос, поставленный
в начале этого рассказа, я повел читателя окольными
путями — то в один тупик, то в другой. Мне должно
послужить извинением то, что это позволило рассказать
о многих интересных и важных вещах, которые еще по-
надобятся в дальнейшем.
Мы ведь совершенно забыли (и это, очевидно, вхо-
дило в мои намерения) о точной формулировке второго
начала (стр. 19). Второе начало — так же, как и пер-
вое— справедливо лишь для системы изолированной, не
подвергающейся внешним воздействиям.
Никакое физическое тело нельзя полностью изоли-
ровать от внешнего мира; такая изоляция доступна
лишь мысленному эксперименту. Однако можно его изо-
лировать практически так, чтобы утечка или приток
вещества и энергии были бы относительно малыми.
Термодинамика различает изолированные, замкну-
тые и открытые системы. Первые не обмениваются с
окружающим миром ни веществом, ни энергией — для
них-то и справедливы первое и второе начала. Вторые
57
не обмениваются с внешней средой веществом, но энер-
гообмен происходит. Наконец, открытые системы обме-
ниваются с окружающей средой и веществом и энер-
гией.
Живой организм — система принципиально открытая.
Жизнь существует благодаря метаболизму — обмену
веществ с окружающей средой. Живое существо дышит
и питается, выделяет ряд веществ, получает и отдает
тепловую энергию.
Человек, пишущий книги, но не занимающийся
физическим трудом, ежедневно расходует примерно
3000 .ккал энергии. Если он мечтает, лежа в постели,
подобно Обломову, этот расход снижается до 2000 ккал;
нужно ведь все-таки поддерживать кровообращение, ды-
хание, температуру тела. Расход энергии у человека,
занятого тяжелой физической работой, может возрасти
до 6000 ккал.
Этот расход должен покрываться доставляемой из-
вне химической энергией — энергией, содержащейся в
белках, жирах и углеводах пищи. Нужен обмен веществ.
В некоторых столовых в меню указывают калорийность
обеда. Наука торжествует, но страдает аппетит.
Если перевести калории в киловатт-часы, то выяс-
нится, что мощность, потребляемая человеческим орга-
низмом, примерно соответствует мощности, потребляе-
мой стоваттной электрической лампочкой. Аналогия
здесь более глубокая, чем может показаться на первый
взгляд. В организме происходит процесс окисления: кис-
лород вдыхаемого воздуха окисляет атомы водорода и
углерода, содержащиеся в пище, до воды и углекислого
газа. При окислении электроны переходят от водорода
к кислороду — осуществляется процесс, подобный элек-
трическому току. Подсчитано, что в каждую минуту во
всех клетках тела к кислороду переходит 2,86-1022 элек-
тронов, что соответствует току в 76 ампер. Ток боль-
шой, но, конечно, очень мало напряжение.
Проблема метаболизма, проблема пищи — одна из
основных для человечества. Мальтус утверждал, что в
недалеком будущем наступит катастрофа, так как чис-
ленность населения земного шара возрастает в геомет-
рической прогрессии, а запасы пищи — только в ариф-
метической. Первое утверждение более или менее точ-
но: с 1650 по 1750 год население возросло на 183 мил-
58
лиона — с 545 до 728 миллионов, а с 1850 до 1953 — на
1321 миллион — с 1171 до 2492 миллионов, т. е. в семь
раз быстрее. Сегодня на каждого человека приходится
20 гектар земной поверхности, в 2400 году эта площадь
уменьшится до одного гектара, а в 3000 году — до ста
квадратных метров, если сохранится сегодняшний темп
роста 1населения.
Но Мальтус был совершенно неправ в своей оцен-
ке роста пищевых запасов. Он игнорировал достижения
науки. Пищевые запасы при научном земледелии, осно-
ванном на достижениях генетики и агрохимии, а не на
гнездовых посадках и яровизации, могут возрастать бы-
стрее, чем в геометрической прогрессии, быстрее, чем
население. С 1866 по 1952 год урожаи пшеницы воз-
росли в 1,6 раза, а картофеля примерно в 3 раза. Про-
цесс этот непрерывно ускоряется в развитых странах.
Но в колониальных странах, равно как и в малоразви-
тых странах, находящихся в экономической зависимо-
сти от империалистических государств, до сих пор люди
умирают от голода, от авитаминозов, от квашиоркора —
нехватки пищевых белков.
Живое существо открыто миру, оно потому и живое,
что получает и отдает вещества и энергию. Следова-
тельно, второе начало и не может выполняться в живом
организме, рассматриваемом вне его окружения.
Констатировав это положение, достаточно, впрочем,
очевидное, мы еще не преодолели всех трудностей. Нуж-
но объяснить, за счет чего создается упорядоченность
живого организма, чем она поддерживается и оплачи-
вается.
Космонавт в кабине космического корабля
Чтобы в этом разобраться, нужно, очевидно, рас-
смотреть живой организм вместе с его окружением.
В самом деле, если жизнь существует именно в резуль-
тате обмена веществом и энергией с окружающей сре-
дой, то это означает, что и интересующая нас особен-
ность жизни — упорядоченность — возникает и сущест-
вует в результате такого обмена. Лиши живое существо
обмена — пищи, воды и воздуха—оно умрет, обратится
в прах, и упорядоченность исчезнет. Так как оба нача-
ла термодинамики справедливы лишь для изолирован-
ных систем, то для физического анализа вопроса долж-
59
но изолировать — мысленно или фактически — живое су-
щество вместе с некоторым запасом пищи, воды и воз-
духа и исследовать энтропийный баланс такой системы.
Космический корабль с находящимся в нем космо-
навтом — хороший образчик изолированной системы.
Приложены все усилия для того, чтобы изолировать
космонавта от космического пространства, свести к ми-
нимуму теплообмен, проникновение внутрь корабля кос-
мической радиации.
Космонавт дышит и питается, работают его выдели-
тельные органы. Пищевой рацион подобран таким об-
разом, что космонавт не теряет и не прибавляет в весе,
он остается в стационарном состоянии. Иными словами,
упорядоченность его молекул и клеток непрерывно под-
держивается. Что же происходит с энтропией?
Тело космонавта все время производит энтропию.
Протекают биохимические реакции в соответствии с
законом возрастания энтропии. Но если бы дело этим
ограничивалось, не могли бы поддерживаться стацио-
нарное состояние, постоянная упорядоченность, посто-
янное значение энтропии космонавта. Следовательно,
избыток энтропии должен из тела космонавта удалять-
ся. Это и происходит в результате обмена веществ и
теплообмена. Иными словами, космонавт потребляет
вещества с меньшей энтропией и выделяет вещества с
большей энтропией. Можно сказать, что через его тело
проходит поток отрицательной энтропии, или, словами
Шредингера, он «питается отрицательной энтропией».
Это, конечно, мало кому приходит в голову. Съеда-
ешь бифштекс, а оказывается, что кормишься отрица-
тельной энтропией! В действительности это означает,
что уменьшение энтропии получается не из бифштекса,
а из разности энтропии выделяемых отбросов и энтро-
пии бифштекса.
Поясним это еще раз простой формулой. Здесь она
уместна. Обозначим приращение энтропии внутри тела
космонавта, возникающее в результате протекающих в
нем биохимических процессов, SBH, энтропию, поступа-
ющую в организм извне (с пищей и кислородом), 5ПОст,
и энтропию, выделяемую организмом, 5ВЫд- Общее из-
менение энтропии космонавта
5 = SBH + SnocT — 5выд.
60
Но в стационарном состоянии изменения энтропии
не происходит, S = 0. SBn — всегда положительная ве-
личина в силу второго начала. Следовательно,
5вн + 5пост ~ 5выд = °-
и
с ___ с __ с
вид ПОСТ вн-
Куда же девается выделяемая энтропия? Поскольку
космический корабль изолирован, она остается в кораб-
ле. Энтропия среды, непосредственно окружающей кос-
монавта, все время возрастает, и именно это обстоя-
тельство позволяет ему сохранять свое стационарное со-
стояние, свою упорядоченность. Конечно, космонавт пи-
тается не только отрицательной энтропией, но и поло-
жительной энергией — теми самыми калориями, о кото-
рых шла речь выше. Но это и так очевидно.
Все сказанное относится не только к космонавту, но
и к любому другому живому существу, остающемуся на
Земле. Жизнь поддерживается потоком отрицательной
энтропии.
Но, как мы видели, отрицательная энтропия эквива-
лентна информации. Живой организм непрерывно полу-
чает упорядочивающую информацию из окружающей
среды и платит за это выделяемой энтропией. Это от-
носится и к информации в необычном, научном ее зна-
чении, к информации, приносимой молекулами, содер-
жащимися в бифштексе, и к информации в прямом смы-
сле слова. Читая эту книгу, вы получаете некоторую
информацию. Какова ее ценность — судить вам, а не
мне. Но количество этой информации можно измерить
в битах, так как вы совершаете умственную работу и
выделяете больше тепла, больше энтропии в окружа-
ющую среду, чем при полном безделье.
В энтропийных единицах плата за полученные сведе-
ния невелика — ведь каждый бит стоит всего 2,5-10-24 ка-
лорий на градус. В этом смысле написание всех книг, ког-
да-либо созданных человечеством, увеличило энтропию
вселенной меньше, чем один вскипевший чайник с водой.
Бессмысленно, однако, измерять человеческую куль-
туру в калориях на градус.
Говоря о стационарном состоянии космонавта, мы
имели в виду только постоянство энтропии, выраженной
61
в этих самых калориях на градус. В битах его состоя-
ние нестационарно. Ведь космонавт получает информа-
цию о внеземном пространстве. Ценность информации,
полученной космонавтом и сообщенной им человечест-
ву, колоссальна.
Но мы имели право отвлечься от этого, потому что
в энтропийных единицах космическая информация очень
мала. I
Может ли организм полностью избавиться от своей
энтропии, выделяя ее наружу? Нет, все, на что он спо-
собен, будучи открытой системой,— это достичь некото-
рого стационарного состояния с определенным уровнем
энтропии. В таком состоянии дальнейшее производство
энтропии в организме минимально.
Посмотрим, что означало бы противоположное утвер-
ждение (с ним иногда приходится встречаться). Допу-
стим, что можно уменьшать энтропию тела неограничен-
но. Энтропия уходит вовне. Информация организма уве-
личивается, а в окружающей среде она, очевидно,
уменьшается. Иными словами, чем больше я скажу (или
опубликую в печатной форме) глупостей, тем я стану
умнее — я избавился от излишка глупости. Если бы это
было так! В действительности человек, говорящий или
пишущий глупости, никак от этого не умнеет. Скорее,
наоборот.
в Равновесие и стационарность
Стационарное состояние — вещь особенная. Это ведь
не равновесие. В термодинамическом смысле равнове-
сию отвечает максимальная возможная энтропия, мак-
симальная неупорядоченность. На стр. 20 обсуждалось,
что произойдет, если поверх синего раствора медного
купороса налить чистую воду. Через некоторое время
жидкости полностью перемешаются, установится рав-
новесное состояние наибольшего беспорядка. Что такое
равновесное состояние живого организма? Этот вопрос
содержит внутреннее противоречие. Жизнь неравновес-
на по своей природе. Равновесие означает смерть.
Стационарное неравновесное состояние возможно
лишь у открытой системы, ибо оно, как мы видели, под-
держивается потоком энтропии (потоком вещества и
тепла). Поясним суть дела, воспользовавшись ведрами
с водой. Нальем воду в ведро и поставим его на стол.
62
Поставим на пол второе пустое ведро и соединим ведра
резиновым шлангом. Втянем воду из верхнего ведра в
резиновый шланг и опустим его в нижнее ведро. Полу-
чится тривиальный результат — через некоторое время,
зависящее от внутреннего диаметра шланга, вся вода
перельется в нижнее ведро и в нем установится посто-
янный уровень воды. Установится равновесие.
Второй опыт проделать труднее. Будем считать его
мысленным. Допустим, что в верхнее ведро, соединен-
ное шлангом с нижним, все время приливается вода, а
из нижнего она все время вытекает, также по шлангу,
куда-то еше ниже. Тогда в обоих ведрах установится по-
стоянный уровень воды, но равновесия не будет — си-
стема проточная.
Стационарный уровень воды в ведрах во втором опы-
те зависит от скорости протекания воды. Окончатель-
ный, равновесный уровень воды в нижнем ведре в пер-
вом опыте ни от какой скорости не зависит. Первый
опыт моделирует замкнутую систему, второй — открытую,
Очень простые и очевидные явления имеют, оказы-
вается, совсем не простой смысл, если о них серьезно за-
думаться. При этом нужно преодолеть высоченные пси-
хологические барьеры привычных мыслей и восприятия.
Но игра стоит свеч. Вспомните рассказ о Ньютоне и
падающем яблоке.
в Организм рас-тет
Стационарное состояние присуще зрелому здорово-
му организму, сохраняющему в течение некоторого вре-
мени свой вес, постоянство температуры, постоянство
всех жизненных функций. Но организм возник из одной
оплодотворенной яйцеклетки, из зиготы. Первая клетка
разделилась на две, потом на четыре и т. д., потом об-
разовался зародыш, потом ребенок появился на свет и
стал расти.
Что происходило в это время с энтропией и инфор-
мацией?
Очевидно, упорядоченность организма все время воз-
растала, увеличивалась его информация и уменьшалась
энтропия. Соответственно возрастала энтропия окружа-
ющей среды — и в значительно большей степени, чем
после достижения стационарного состояния. Обмен ве-
63
ществ у развивающегося организма происходит гораз-
до интенсивнее, чем у взрослого. Детей нужно хорошо
кормить.
Процесс развития живого организма поистине чуде-
сен. И удивление при виде этого чуда может сбить с
толку даже солидного ученого.
Физик Эльзассер написал книгу с многообещающим
названием «Физические основы биологии». К сожале-
нию, она не увеличивает объема информации у чита-
телей. Эльзассер утверждает, что способность растуще-
го организма высасывать порядок, отрицательную энт-
ропию, информацию из окружающей среды не может
быть объяснена на основе известных физических зако-
номерностей. Организм не подчиняется физике, он сле-
дует особым «биотонным» законам.
В сущности, Эльзассер считает живой организм веч-
ным двигателем второго рода. Это и есть витализм в
его современной форме.
Между тем, с точки зрения термодинамики, никаких
затруднений в объяснении развития организма нет. Мы
уже говорили о кристаллизации жидкости. Очевидно,
что изолированную жидкость закристаллизовать нель-
зя— от нее ведь нужно отводить тепло. Растущий орга-
низм можно уподобить кристаллу, растущему в жидко-
сти при ее охлаждении. Увеличение порядка в кристал-
ле, увеличение его отрицательной энтропии, информа-
ции оплачивается уменьшением порядка — увеличением
энтропии нагревающегося холодильника. Рост организма
оплачивается увеличением энтропии окружающей среды.
Потом достигается стационарное состояние. Орга-
низм созрел. Чем дольше это состояние сохраняется,
тем для него лучше. Но второе начало все-таки рабо-
тает. Постепенно развиваются процессы деградации ор-
ганизма, начинает возрастать его энтропия. Организм
стареет и достигает равновесия — в смерти.
На наивных старинных лубках человеческая жизнь
изображалась сначала подъемом растущего человека
по лестнице, а затем спуском по лестнице — к могиле.
Стационарное состояние соответствует некоторому пла-
то, на которое человек подымается. Позже приходится
с него спускаться.
Нужно успеть сделать как можно больше хорошего,
находясь на этом плато.
64
Термодинамика и молекулы
В физике существуют два рода теорий—феномено-
логические и атомно-молекулярные. Феноменологиче-
ские (от слова «феномен» — явление) теории изучают
весьма общие закономерности, не связанные с конкрет-
ной структурой вещества. Первое и второе начала уни-
версальны для неживой и живой природы, но, форму-
лируя их, мы не исследуем конкретной сущности про-
цессов, происходящих при нагревании воды или при
развитии эмбриона. Термодинамика—наука феномено-
логическая.
Можно, конечно, испытать удовлетворение по пово-
ду того, что жизнь термодинамике не противоречит, и
на этом успокоиться. Но уж если человек заинтересо-
вался физическими основами жизни, то он не остановит-
ся на термодинамике. Он захочет понять, как совер-
шаются все эти чудеса. Как возникает организм из одной
клетки, как он наследует свои основные признаки не
только от родителей, но и от гораздо более далеких пред-
ков? В чем состоит истинная природа жизненных явле-
ний?
В термодинамическом смысле развивающийся орга-
низм подобен растущему кристаллу. О том, как растет
кристалл из атомов и молекул, будет рассказано даль-
ше. Однако организм — это все-таки не кристалл. Ко-
нечно, он тоже состоит из атомов и молекул, но из ка-
ких и какие их свойства создают это чудо — жизнь? Мо-
жет быть, есть живые молекулы? Очевидно, нет, пото-
му что отдельная молекула открытой системой не яв-
ляется. Только какая-то весьма сложная комбинация
молекул создает жизнь.
Но можно ли вообще дать жизни атомно-молекуляр-
ное истолкование или у клетки все-таки есть душа, хо-
тя и послушная второму началу, но не позволяющая
разъять себя на атомы, не поддающаяся молекулярной
физике и химии?
Как сказано у Щедрина: «мнения по сему поводу
разделяются на правильные и неправильные». С моей
точки зрения, у клетки души нет. Но об этом — даль-
ше.
3 М. В. Волькенштейн
3
МЕНДЕЛЕЕВ, АТОМЫ И КВАНТЫ
Первоначала вещей
Первоначала вещей, таким образом, просты и плотны,
Стиснуты будучи крепко сцепленьем частиц наименьших,
Но не являясь притом скопленьем отдельных частичек,
А отличаясь скорей вековечной своей простотою.
И ничего ни отторгнуть у них, ни уменьшить природа
Не допускает уже, семена для вещей сберегая.
Так писал около 2000 лет назад Лукреций, считав-
ший вслед за Демокритом, что все тела построены из не-
ких далее неделимых частиц — из атомов, как мы гово-
рим сейчас. Первоначала вещей непрерывно движутся,
и этим объясняются все движения в природе.
Так, исходя от начал, движение мало-помалу
Наших касается чувств и становится видимым также
Нам и в пылинках оно, что движутся в солнечном свете,
Хоть незаметны толчки, от которых оно происходит.
Сегодня наука об атомах и молекулах — основной
перекресток физики, химии и биологии.
Атомистическое учение прошло длинный и своеоб-
разный путь — путь познания природы. От поразитель-
ных философских догадок древних мыслителей к физи-
ческой теории, пользовавшейся представлением об ато-
ме— твердом шарике — для объяснения свойств света
(Ньютон) и химических явлений (Бойль). Позднее
М. В. Ломоносов последовательно и строго размышлял
«о причине теплоты и холода». Эту причину он справед-
ливо усматривал в движении атомов — поступательном,
вращательном и колебательном, уделяя главное внима-
ние вращательному, или, как он выражался на своем
ярком языке XVIII века, «коловратному», движению.
Сейчас мы знаем, что все три вида движений ответст-
венны за тепловые явления.
66
В XIX веке представления об атомах и молекулах
развивались в физике; физиками была построена полная,
глубоко аргументированная теория тепла. Но главный
вклад в изучение атомов и молекулы сделан химией.
Именно в XIX веке воздвигнуто прекрасное здание хи-
мической науки, увенчанное гениальным открытием
Д. И. Менделеева.
Большинство из нас, изучая в школе и в вузах фи-
зику и химию, мало знает о мытарствах, которые выпа-
дали на их долю. Все помнят об отречении Галилея и
героической преданности науке Джордано Бруно. Но с
атомами вроде бы все было спокойно...
Это, конечно, совсем не так. Идеям атомистики про-
тивостояли сначала схоластика Аристотеля, канонизиро-
ванная средневековыми церковными иерархами, затем
теории всевозможных невесомых жидкостей — флюидов,
долженствовавших объяснять тепловые, электрические
и магнитные явления. Ломоносову пришлось воевать с
флогистоном — странным веществом, наделенным отри-
цательной массой. Считалось, что при окислении тело
теряет флогистон, а вовсе не присоединяет какой-то там
кислород.
Даже на рубеже XX века были ученые, притом не-
заурядные, отрицавшие существование атомов. Крупный
физико-химик Оствальд не верил в атомы, в материю.
Будучи идеалистом, он считал, что энергия существует
сама по себе. Недаром В. И. Ленин назвал его мел-
ким философом.
Уже на нашей памяти печатались статьи и книги,
объявлявшие основные принципы квантовой механики—
современной атомистики — идеалистическим бредом.
В этом смысле квантовая механика разделяла судьбу
теории относительности, генетики, кибернетики.
Науке всегда противостоит невежество, вооруженное
здравым смыслом. Здравый смысл — совокупность по-
нятий, почерпнутых из повседневного опыта, и канони-
зированных истин, внушаемых при стандартном воспи-
тании. С точки зрения здравого смысла современников
Галилея Солнце всходило и заходило, обращаясь во-
круг Земли. Нынешний невежда на этом не настаива-
ет, но он не может поверить в то, что электрон есть и
волна и частица, или в релятивистское сокращение дви-
жущегося тела. Религия, апеллирующая именно к соз-
3* 67
нанию невежд, естественно, вооружается их представ-
лениями.
Не менее опасны для науки те ее деятели, которые
утратили способность к восприятию новых идей и ру-
ководствуются окостенелыми представлениями. Во гла-
ве физики в фашистской Германии стояли Штарк и
Ленар — люди, сделавшие в молодости хорошие рабо-
ты, но в дальнейшем посвятившие свои жизни злобной
борьбе с квантовой механикой и теорией относительно-
сти, как с созданиями «не арийского духа» в науке.
В наше время бороться с наукой становится все
труднее. Она приобрела значение прямой производи-
тельной силы, и сегодня над ее развитием трудится не-
сравненно больше людей, чем десятью годами раньше.
Рост числа научных работников, рост числа интелли-
гентов, работников умственного труда, происходит зна-
чительно быстрее, чем рост народонаселения. Следова-
тельно, процент интеллигентов возрастает. Естественно,
что этот процесс особенно мощен в Советском Союзе.
Вернемся к атомистике. Ее торжество в химии зако-
номерно, но в некоторых отношениях удивительно. Ведь
химик — тем более химик прошлого века — имеет дело
с весьма ощутительными количествами вещества, содер-
жащими громадные числа атомов. Отдельных атомов
химик в руках не держит. И тем не менее химии удалось
полностью утвердить понятие об атомах различных
элементов и на этой основе построить теорию строения
молекул, поражающую своей красотой и стройностью.
При этом единственным источником информации слу-
жат химические превращения вещества — реакции, при-
водящие к синтезу или расщеплению соединений. Мак-
роскопические опыты рассказали о детальных свойствах
атомов, микроскопических частиц. Современной экспери-
ментальной физике с ее мощными методами прямого наб-
людения структуры молекул выпало на долю прежде
всего подтверждение и уточнение результатов, ранее
полученных химиками.
Многие люди, в том числе и хорошие физики, изу-
чавшие химию по плохим учебникам или слушавшие
лекции, читаемые по стандартным программам, склон-
ны воспринимать химию как сборник рецептов, как «ку-
хонную» науку. Печальное заблуждение! Химические
методы, позволившие проникнуть в строение молекул
68
глубже, чем какие-либо иные, основываются на теории
необычайной глубины и силы, созданной поистине ве-
ликими умами.
Ах, как нуждаются нынешние студенты нехимиче-
ских факультетов в современном «Слове о пользе хи-
мии»! Нисколько не меньше, чем современники Ломо-
носова. Но, как говорил немецкий химик и философ
XVIII века Лихтенберг: «Тот, кто не понимает ничего
кроме химии, тот и ее понимает недостаточно». Истин-
ное понимание строения атома, природы химической
связи, природы химической реакции возможно только
на основе физики — квантовой механики.
Периодический закон
Предполагается, что читатель знает о периодическом
законе Менделеева из школьного курса химии. Изло-
жим все-таки содержание этого закона.
Неотъемлемое свойство каждого тела — его масса.
Относительная масса атомов каждого элемента харак-
теризуется величиной атомного веса. Эту величину Мен-
делеев считал основной. Можно расположить все эле-
менты (а во времена Менделеева их было известно все-
го лишь 62) в порядке возрастания атомных весов. То-
гда на первом месте окажется водород Н с атомным
весом 1,008, а на последнем (пока!), 104-м, месте — кур-
чатовий с атомным весом, превышающим 258. Осталь-
ные элементы расположатся между ними.
Разместив элементы таким образом, мы отмечаем
только количественные изменения — монотонное возра-
стание веса атомов. Суть великого открытия Менделее-
ва состоит в том, что при возрастании атомного веса
происходит периодическое изменение химических и фи-
зических свойств элементов. «Элементы, расположенные
по величине их атомного веса, представляют явствен-
ную периодичность свойств», — писал Менделеев.
Оказалось, что все элементы распадаются на восемь
групп с характерными химическими свойствами. Потом
была открыта девятая группа, именуемая нулевой.
«Сопоставление элементов или их групп по величине
атомного веса соответствует так называемой атомности
их и до некоторой степени различию химического ха-
рактера, что видно ясно в ряде: Li, Be, В, С, N, О,
69
F и повторяется в других рядах». «Атомность» сегод-
ня называется валентностью.
У меня на полке стоят два небольших тома, издан-
ных в 1877 г. Это третье издание «Основ химии»
Д. Менделеева, профессора И. С.-Пб. Университета, с
261 политипажами, выпущенное типографией В. Дема-
кова. По этим книгам училась еще моя бабушка — одна
из первых женщин-врачей в России. Периодическая си-
стема элементов изображена на последней странице
второго тома в следующем виде:
Периодическая систем:
Н... Li; Be; В; С; N; О; F;
I II III IV V VI VII VIII
К Са — Ti V Сг Мп Fe Со N
Rb Sr Yt Zr Nb Mo — Ru Rh Pc
Cs Ba La Ce ? — — — — —
— — Er Di? Ta W — Os Ir P
— — — Th — U — — — -
В этой небольшой табличке на два элемента больше,
чем было известно в 1869 году — в день открытия зако-
на. Римские цифры указывают высшую валентность эле-
мента.
Табличка 1877 года разительно отличается от совре-
менной. Сейчас все пустые места, отмеченные черточ-
ками, заполнены. Исправлены отдельные неточности.
Добавлена нулевая группа — группа благородных газов.
Но в целом научное содержание современной таблицы
уже полностью заключено в ее первоначальной форме.
Открытие Менделеева далеко не сводилось к про-
стой систематизации свойств уже известных элементов.
Менделееву многое пришлось пересматривать. Глубоко
убежденный в справедливости периодического закона,
Менделеев исправил значения атомных весов некоторых
элементов. Так, в его время атомный вес урана считал-
ся равным 120. Менделеев удвоил его, что вполне под-
тверждается современными данными (238,03). Менде-
леев исправил также атомные веса индия, бериллия, це-
рия, иттрия. Он показал, что индий трех-, а не двухва-
70
лентен, что его окисел имеет состав • 1п2О3, а не 1пО
и соответственно атомный вес индия равен не 75,4, а
приблизительно 113 (сегодня 114,82).
Сила теории оценивается двояко: ее способностью
последовательно и логично объяснить известные явле-
ния и ее способностью к предсказанию последующих
открытий. Закон Менделеева может служить идеаль-
ным образцом великого научного достижения. Гениаль-
ность Менделеева особенно ярко проявилась не при
рассмотрении известных элементов, расположенных в
«ментов
ипические элементы VI VII
I II III IV V
а Mg Al Si P S Cl
И Zn Ga — As Se Br
g Cd In Sn Sb Те J
— — — — — —
И Hg T1 Pb Bi — —
клетках таблицы, а в установлении пустых клеток. Мен-
делеев понял, что еще не все элементы открыты хими-
ками, что существуют пустые места, которые позднее
будут заполнены. Более того, он предсказал свойства
этих элементов. Еще при жизни Менделеева его пред-
сказания подтвердились. Посмотрите, с какой точностью.
Свойства неизвестного элемента эка-
силиция Es, предсказанвые Менде-
леевым в 1871 году
Атомный вес 72,8
Удельный вес 5,5
Атомный объем немного меньше 13
Должен давать металлоорганические
соединения и, в частности, Es(C2H5)4
с точкой кипения 160®
Удельный вес ЕзОг 4,7
EsC14 должен быть жидкостью, ки-
пящей ниже 100°, с удельным весом 1,9
Таким образом, Es — четырехвалент-
ный металлоподобный элемент
Свойства германия Ge, от-
крытого в 1886 г. Винкле-
ром
Атомный вес 72,6
Удельный вес 5,469 при 20“
Атомный объем 13,1
Действительно дает такие
соединения
Ое(СгН5)4 кипит при 160°
Удельный вес GeCh 4,703
при 18°
GeCl4— жидкость, кипит при
86°, удельный вес 1,887
Ge — четырехвалентный ме-
таллоподобный элемент
71
Так совершается чудо науки. Энгельс сравнивая на-
учный подвиг Менделеева с открытием Леверье, вычис-
лившим орбиту еще не известной планеты — Нептуна.
Позднее Нептун был увиден именно там, где ему над-
лежало быть.
В здании двенадцати коллегий
Квартира Дмитрия Ивановича Менделеева помеща-
лась в первом этаже длинного здания Университета,
стоящего перпендикулярно к Неве. Это здание две-
надцати коллегий — министерств эпохи Петра Первого,—
выстроенное в 1742 году в прекрасном стиле раннего
русского барокко.
Сейчас в этом здании квартира-музей Менделеева.
В нем стоит побывать. Мемориальный музей ученого бо-
лее интересен, чем музей писателя или композитора,—
следы работы ученого яснее и четче сохраняются в его
доме. Тем более — в его лаборатории.
В музее сразу бросается в глаза одна из важных
черт Менделеева—стремление к каталогизации, класси-
фикации. Собственноручно составленный каталог книг.
Каталог оттисков статей, которые присылали Менделее-
ву русские и зарубежные коллеги. Полный и очень про-
странный перечень научных степеней и званий, тоже на-
писанный рукой Менделеева. Весь мир признавал его,
во многих странах он был избран почетным членом ака-
демий наук, почетным доктором университетов. Только
русская Императорская Академия наук так никогда и
не избрала Менделеева в академики; он был лишь
членом-корреспондентом. Напомним, что означало то-
гда это звание. В уставе Академии наук 1759 года зна-
чилось, что членом-корреспондентом может быть тот,
«кто знаний, требуемых для надлежащего члена, не име-
ет, а может какими записками и известиями служить
академии».
Менделеев любил живопись передвижников и даже
публиковал рецензии о их выставках. Он составил ряд
альбомов, в которые аккуратно вклеивал любые репро-
дукции картин передвижников, печатавшиеся в столич-
ных журналах и газетах, в провинциальных изданиях,
попадавшихся ему под руку. Все это можно увидеть в
квартире-музее Менделеева.
72
ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ
МЕНДЕЛЕЕВ
Аккуратный классификатор? Да, но в, то же время
гениальный мыслитель, человек сильного темперамента,
глубокий теоретик и деловой практик, изучавший неф-
тяные промыслы в Пенсильвании, написавший большин-
ство технологических статей для словаря Брокгауза и
Ефрона, создатель Палаты мер и весов, борец со спи-
ритизмом, аэронавт. Человек революционных убежде-
ний, весьма за это не любимый царским начальством.
Великий химик, физик, технолог, глубоко понимавший
свою роль в русской культуре, свое высокое предназна-
чение, свой долг перед Отечеством, особенно большой
именно потому, что это был долг гения.
Блестящий писатель, Менделеев предваряет «Основы
химии» необычайно содержательным предисловием, в
котором говорит о смысле науки и ее значении для бу-
дущего России. Приведем несколько выдержек из этого
предисловия.
«Химия, как и всякая наука, есть в одно время и
средство и цель. Она есть средство для достижения тех
или других практических, в общем смысле этого слова,
стремлений... В этом смысле роль наук служебная, они
составляют средство для достижения блага. К этому,
уже почтенному, призванию присоединяется, однако,
другое; в химии, как и в каждой выработанной науке,
есть ряд стремлений высших, не ограничиваемых вре-
менными и частными целями (хотя и приводящих к ним
и нисколько им не противоречащих)... В том чистом на-
слаждении, которое доставляет приближение к постав-
ленному идеалу, в этом порыве проникнуть скрытую
истину... должно видеть прочный залог дальнейших на-
учных успехов. История наук показывает, что этим пу-
тем наука двигалась, узнавались новые истины, а вме-
сте с тем достигались попутно и чисто практические це-
ли... Зная, как привольно, свободно и радостно живется
в научной области, невольно желаешь, чтобы в нее во-
шли многие».
Это пишет человек, которого не признавали, кото-
рому мешали. Ясно, что не о внешних почестях он го-
ворит, но о свободе и радости научного познания. Сло-
ва эти следует помнить.
«Изучение и разработка физики и химии получили
уже у всех передовых народов обширное развитие, и ес-
ли мы, русские, решаемся становиться в их число, мы
74
должны доказать это не только распространением фи-
зико-химического образования, но и нашими трудами
в области этих наук... выступающее поколение вернее
всего может надеяться на успех дальнейших завоева-
ний, а от такого расширения научной территории ничьи
интересы не пострадают, только уменьшится область
суеверия и мрака, а выиграет и все человечество и инте-
ресы близких нам».
Александр Блок был женат на Любови Дмитриевне,
дочери Менделеева, и близко знал его. Блок — поэт и
мыслитель величайшей тонкости и чуткости — любуется
и восхищается Менделеевым. Вот записи в его днев-
нике:
«Студент (фамилию забыл) помешался на Дмитрии
Ивановиче. Мне это понятно. Может быть, я сделал бы
то же, если бы еще раньше не помешался на его доче-
ри. Странная судьба. Кант до некоторой степени избег-
нул гонений — благодаря своей кабинетности. Менде-
леев их не избегнул» (26 июля 1902 года).
«Был в Сосновке, видел Политехникум. Идет достой-
но Менделеев к Витте. Громаден и красив». (26 сентяб-
ря 1902 года.)
Но не только любуется и восхищается. Менделеев
для Блока — один из самых великих людей России, зна-
чение его сопоставляется со значением Льва Толстого,
это не только личность, но и символ. «Погрязшие в
сплошной и беспросветной мистике, конечно, не пом-
нят о Менделееве»,— пишет Блок. «Однако Менделеев,
не нуждаясь в мистических санкциях... человек «твор-
чества», как такового». Блок говорит о близости к на-
роду Менделеева, Горького, Толстого, он упоминает о
периодической системе элементов рядом с «Войной и
миром». В статье «Народ и интеллигенция» Блок гово-
рит о трагедии России, которую он видит в неприми-
римости двух начал — менделеевского и толстовского.
Речь идет о ясной научной мысли, противостоящей хри-
стианской идеологии крестьянства.
Тема Менделеев и Блок — глубокая и важная те-
ма для понимания истории русской мысли, русской куль-
туры. Она еще ждет своего исследователя.
75
Классификация и наука
Точная дата великого открытия Менделеева уста-
новлена. Это произошло 1 марта (17 февраля) 1869 го-
да. Менделееву было 35 лет.
Все-таки он был классификатором. Он написал на
62 карточках названия и свойства элементов. И стал
карточки комбинировать. Наступила минута высшего
счастья для ученого — все вдруг стало ясным, легло на
свои места. Он совершил свой подвиг. Он был гениаль-
ным классификатором.
О карточках мы знаем. Мы даже знаем, что это бы-
ли визитные карточки — Менделеев писал на обороте.
Но мы далеко не все знаем о пути, пройденном мыслью
ученого, — как сочетались точное знание и интуиция, что
именно натолкнуло его на открытие. А узнать это было
бы очень интересно.
Итак — классификация. Многие к этому занятию от-
носятся неодобрительно, считая его второстепенным.
Между тем никакая наука о природе не может разви-
ваться без классификации наблюдаемых явлений. Это
верно в тем большей степени, чем более многообразны
явления. Научная биология началась с классификации
видов, данной Линнеем. Существенна, конечно, не клас-
сификация сама по себе, а глубокие научные принци-
пы, положенные в ее основу. Это у Линнея было. Если
установлено, что мы с вами относимся к виду Ното
sapiens, к отряду приматов, к подклассу плацентарных,
классу млекопитающих, подтипу позвоночных, типу хор-
довых, то найдено место человека в эволюционном дре-
ве, определены его главные биологические особенности.
Без Линнея не было бы Дарвина. Без Менделеева-клас-
сификатора не было бы Менделеева — первооткрывателя
основного закона химии. Создание научной класси-
фикации широкого круга явлений означает открытие
важнейшего закона природы, обеспечивающее дальней-
шее развитие науки. Сегодня необычайно существенна
классификация элементарных частиц.
Именно периодический закон Менделеева привел к
созданию теории строения атома.
Значение закона было сразу понято всеми достаточ-
но просвещенными современниками Менделеева. И во-
круг открытия разгорелась борьба.
7в
Приоритет и наука
Кто сделал открытие? Но важен ли этот вопрос?
Наука — познание природы. Оно объективно и неиз-
бежно. Если сегодня ученый не установил некую зако-
номерность в явлениях окружающего нас мира, то завт-
ра ее установит другой. Наука — дело общечеловеческое,
и поэтому, казалось бы, неважно, кем именно сделано
открытие.
Но наука — это и творчество. Ученый — человек, жи-
вущий не в башне из слоновой кости, а в социальной
среде. Одним из стимулов его деятельности может быть
честолюбие — и личное и патриотическое. У Менделеева
было и то и другое.
Творческие создания ученых, равно как и художни-
ков, писателей, — предмет гордости общества, в котором
они работают. Мы справедливо оцениваем вклад стра-
ны в мировую культуру по достижениям ее мыслителей
и творцов.
Творчество ученого несет на себе отпечаток его
культурной, национальной принадлежности, подобно
творчеству поэта. Александр Блок писал:
Нам внятно все: и острый галльский смысл,
И сумрачный германский гений.
Эта острота, этот сумрак относятся и к научному твор-
честву.
Приоритет несуществен для науки самой по себе,
но важен для человеческого общества, определяя его
самосознание и, следовательно, дальнейшие перспекти-
вы. При условии, конечно, абсолютной правдивости и
точности определения приоритета.
Научный подвиг Менделеева важен для всей рус-
ской культуры.
Приоритет Менделеева оспаривался главным обра-
зом в Германии. Лотар Мейер действительно был бли-
зок к открытию периодического закона — он установил
периодичность атомных объемов элементов. Но он не
понял смысла закона, не помышлял о предсказаниях но-
вых элементов, не решился изменять атомные веса.
В своем основном труде, опубликованном в 1870 году,
Мейер прямо ссылается на Менделеева — сам он на
приоритет не претендовал.
77
Ни одно крупное научное открытие не падает с не-
ба. У его автора всегда есть предшественники. До Эйн-
штейна к идеям теории относительности приближались
Лоренц и Пуанкарэ. Первые попытки научной класси-
фикации элементов делались еще до Менделеева и
Мейера—Дебереннером, Бегие де Шанкуртуа, Ньюленд-
сом. Но автором открытия следует считать того, кто
полностью его сформулировал, понял его смысл и зна-
чение и сделал из него нужные выводы. Периодический
закон открыл Менделеев.
Если речь идет о техническом открытии, то его автор
тот, чья машина действительно работала, а не разру-
шалась при первом же испытании.
Иногда борьба за приоритет используется шовини-
стической пропагандой. Патриотизм не имеет ничего
О'бщего с шовинизмом. Их отличие — отличие правды от
лжи. Без правды не может быть приоритета. Во имя
этой правды должно признать, что Ломоносов задолго
до Лавуазье открыл закон сохранения массы, что
Гельмгольц, Майер, Джоуль, а не Ломоносов открыли
закон сохранения энергии, что именно Менделеев от-
крыл периодический закон.
Что же открыл Менделеев?
Он открыл самое важное свойство атома — его атом-
ный номер, порядковый номер в периодической системе.
Менделеев руководствовался массой атома, как его
важнейшим свойством. В этом смысле он следовал
классической физике XIX века. Понимая всеобщность
своего закона, он даже хотел поместить в таблице пе-
ред водородом самый легкий элемент — элемент с атом-
ным номером ноль — мировой эфир. Теория относитель-
ности показала, что мировой эфир не существует, но в
классической физике мировой эфир был важным поня-
тием. Эта ошибочная работа Менделеева забыта. На-
прасно. Ошибки гения очень поучительны. Но Менделе-
ев сам нарушил свей исходный принцип, поместив в
двух случаях более тяжелый элемент перед более лег-
ким:
27. Со 58,9332 28. Ni 58,71
52. Те 127,60 53. J 126,9044
78
После открытия нулевой группы появилась и третья
аномальная пара
18. Аг 39,948 19. К 39,102
Однако перестановки в этих парах в соответствии
с возрастающими атомными весами привели бы к рез-
кому нарушению периодичности. Щелочный металл ока-
зался бы вместе с благородными газами, а благород-
ный газ — со щелочными металлами. Значит, закол истин,
а принцип, положенный в его основу, неточен. Вспом-
ним теорию рассеяния света (стр. 25).
Только после открытия внутреннего строения атома
был раскрыт смысл противоречия. Сейчас мы знаем,
что атомы состоят из электронов и атомных ядер. Как
это впервые строго показал Игорь Евгеньевич Тамм,
один из крупнейших советских физиков, — атомные яд-
ра в свою очередь состоят из протонов и нейтронов. Чи-
сло положительно заряженных протонов в ядре равно
числу отрицательно заряженных электронов в атоме.
Масса атома практически равна массе его ядра, так как
протон в 1836,12 раза, а нейтрон в 1838,65 раза тяжелее
электрона.
Химические свойства элемента почти всецело опре-
деляются свойствами его электронов и прежде всего их
числом. Порядковый номер в периодической системе и
есть это число. В тс же время это и число протонов в
атомном ядре.
При одном и том же числе протонов число нейтро-
нов— незаряженных частиц — в ядре может быть раз-
личным. Химические свойства атома при этом почти не
изменятся, так как число электронов останется неизмен-
ным. Атомы, ядра которых разнятся только числом ней-
тронов, называются изотопами.
Все слышали об изотопах водорода — дейтерии и
тритии. Слышали, увы, в связи с водородной бомбой.
Все три изотопа водорода попадают в одну и ту же
первую клетку периодической системы. Легкий водород,
протий, содержит в своем ядре один протон, его атом-
ный вес — 1; дейтерий с атомным весом 2 — один протон
и один нейтрон; тритий с атомным весом 3 — один про-
тон и два нейтрона. И протий, и дейтерий, и тритий име-
ют по одному электрону. В обычном водороде дейтерия
79
и трития мало, поэтому его атомный вес мало отличает-
ся от единицы — 1,00797.
Атомный вес, с которым имеет дело химик, есть вес
смеси изотопов, н он не столь уж существен. Сейчас
известны ведь и изобары — атомы одинакового веса, но
с разным числом электронов, следовательно, атомы раз-
ных химических элементов. Например, изотоп аргона с
массовым числом (атомным весом) 40, содержащий 18
протонов и 22 нейтрона, и изотоп калия с тем же мас-
совым числом, содержащий 19 протонов и 21 нейтрон.
Самое важное, следовательно, это атомный номер,
порядковый номер в периодической системе элементов.
Менделеев не помышлял о внутреннем строении
первоначала вещей — атома. Но вершина теоретической
химнн — периодическая система — стала основой атом-
ной физики. Периодическая таблица обязательно кра-
суется н в физической н в химической аудиториях уни-
верситетов.
Так химия вышла на перекресток с физикой и от-
крыла физике один из самых важных путей ее разви-
тия. Идя по этому пути, удалось понять, что такое хи-
мия, в чем заключается внутренний смысл химической
реакции, химической связи.
в Электроны и планеты
Громадное количество популярных книг и статей по-
священо строению атома. Оно н понятно: раскрытие
структуры атома—крупнейшее событие в науке пер-
вой половины XX века. Это событие непосредственно
сказалось на развитии мировой культуры, на судьбах
человечества.
Я не ставлю своей целью умножить число популяр-
ных изложений физики атома. Соревноваться с Эйн-
штейном и Инфельдом или с Борном—трудная задача.
Но здесь это и не требуется. Ограничимся некоторыми
основными положениями, необходимыми для дальней-
шего, и попытаемся раскрыть нх внутренний смысл.
В 1900 году Макс Планк объяснил основные свойст-
ва излучения на основе совершенно тогда нового пред-
ставления о квантах энергии (стр. 34). В 1911 году
Эрнест Резерфорд прямыми опытами доказал, что атом
почти «пуст» — при радиусе атома 10-8 см атомное яд-
80
ро, в котором сосредоточена почти вся масса атома,
имеет размеры порядка 10~13 см. Перед физикой встала
задача построения теоретической модели атома.
Теоретическое моделирование — процесс, родствен- .
ный мысленному эксперименту. Но мысленный экспери-
мент часто имеет всего лишь иллюстративное значение,
он поясняет те или иные положения. Теоретическая мо-
дель должна в ясной форме отобразить реальные свой-
ства объекта или явления, должна лечь в основу их
расчета, позволяющего сравнить теорию с опытом. Мо-
дель имеет серьезное значение, если она построена в
результате последовательного и непротиворечивого ло-
гического развития научных положений и если расчеты
дают согласие с опытом.
Итак — маленькое атомное ядро, окруженное элек-
тронами. Как они взаимодействуют? Заряды ядра и
электрона противоположны. Следовательно, они долж-
ны притягиваться друг к другу с силой, обратно про-
порциональной квадрату расстояния между ними,— по
закону Кулона. Но так же зависит от расстояния сила
тяготения между двумя массами — по закону Ньютона.
Именно закон тяготения позволил объяснить и рассчи-
тать движение планет вокруг Солнца, раскрыть смысл
эмпирических законов, установленных Кеплером во вре-
мя, свободное от вынужденных занятий астрологией и
от поездок на родину для защиты своей матери от об-
винений в колдовстве.
Из сходства между законом Кулона и законом тяго-
тения Ньютона возникла ясная идея: электроны обра-
щаются вокруг ядра по круговым и эллиптическим ор-
битам, так же как планеты вокруг Солнца. Возникла
планетарная модель атома — сила притяжения компен-
сируется в ней центробежной силой.
Это характерный прием теоретической физики — при-
менение аналогии между явлениями. Шредингер вывел
свое знаменитое уравнение — основное в квантовой меха-
нике, исходя из глубокой аналогии в уравнениях теоре-
тической механики и оптики.
Законы движения планет установлены строго и точ-
но, сегодня они непосредственно применяются для рас-
четов траекторий космических кораблей. Небесная ме-
ханика— область астрономии, покоящаяся на незыбле-
мом фундаменте.
81
А вот с планетарной моделью атома дело обстояло
много хуже. Она внутренне противоречива. Электрон —
заряженная частица. Классическая электродинамика по-
казывает, что при ускоренном движении такой частицы,
в частности при движении по кругу, она должна терять
энергию, испуская свет. Планетарный атом не устойчив:
электрон в нем должен терять энергию, испускать свет
с непрерывно возрастающей частотой (непрерывно убы-
вающей длиной волны) и приближаться к ядру по спи-
рали.
Во-первых, такой атом не может существовать, во-
вторых, он должен испускать непрерывный спектр свето-
вых волн, что противоречит опыту. Спектры атомов со-
держат линии с вполне определенными частотами (дли-
нами волн), характерными для данного элемента и под-
чиняющимися закономерностям, требовавшим истолко-
вания. Любая модель атома обязана приводить к ре-
зультатам, согласующимся с данными о линейчатом
атомном спектре.
Здесь произошло событие, знаменательное для все-
го естествознания. В 1913 году датчанин Нильс Бор, ко-
торому тогда было 27 лет, предложил сумасшедшую тео-
рию атома.
Это прилагательное употреблено не случайно. Много
позже, говоря о квантовой электродинамике Гейзен-
берга, Бор сказал, что сомневается в ее истинности, так
как она недостаточно сумасшедшая (crazy).
Бор имел в виду то, что новая теория, претендую-
щая на объяснение загадочных явлений, в ряде случаев
вынуждена порывать с ранее установленными принци-
пами. Такая теория покажется сумасшедшей не только
обывателю с его здравым смыслом, но и коллегам ав-
тора теории. Но критерий справедливости сумасшедшей
теории тот же, что и нормальной, — ее способность объ-
яснить имеющиеся факты и предсказать новые.
Сумасшествие теории Бора состояло в том, что элек-
трон, обращающийся по орбите вокруг ядра, не испу-
скает света, вопреки классической электродинамике. Ор-
биты квантованы — они находятся на определенных рас-
стояниях от ядра, и электрон обладает на данной ор-
бите определенной энергией. Свет испускается и погло-
щается только при перескоке электрона с одной орбиты
на другую.
82
Частота испускаемой или поглощаемой световой вол-
ны выражается условием
Еп — Ет
Vnm = h ’
где Еп и Ет— энергия электрона на n-й и m-й орби-
те; h — квантовая постоянная Планка (стр. 34).
Бор нашел квантовые условия для энергий Еп и Ет
и вычислил частоты vnm в блестящем согласии с их
значениями, полученными из спектра атома водорода.
В дальнейшем теория Бора была уточнена и допол-
нена, что позволило не только объяснить атомные спект-
ры в целом, но и понять физический, электронный смысл
периодического закона.
Но теория по-прежнему оставалась сумасшедшей —
логический разрыв с предшествующей физикой сохра-
нялся, и постулат о перескоках электрона с орбиты на
орбиту не обретал физического смысла. За сумасшест-
вием скрывалась истина, так как теория объясняла гро-
мадную совокупность фактов. Очевидно, и значения
энергий Еп, Ет, и боровское условие для частот были
правильными. Но почему?
Электронные волны
Потому что электрон, подобно световой волне
(стр. 34), обладает двойственной природой. Электрон —
несомненно частица, имеющая определенную массу
т0 = 9,1085-10~28 г) и заряд (е = 4,80288-10~10 электро-
статических единиц). Но, как и другие микрочастицы,
он имеет волновые свойства.
Экспериментально это было обнаружено Дэвисоном
и Джермером в 1927 г. Электронный луч, пучок летя-
щих электронов, был направлен на кристалл никеля.
Если бы электроны были просто частицами, то они от-
ражались бы по законам механики. Но оказалось, что
они рассеиваются кристаллической решеткой металла,
как волны: усиленное рассеяние происходит в тех на-
правлениях, в которых волны усиливают друг друга,
слабое рассеяние в тех направлениях, в которых волны
друг друга гасят.
Еще в 1924 году французский физик герцог де-
Бройль, умозрительно связал движение частицы с рас-
83
пространением некоей волны, длина которой выражает-
ся формулой
Х = ^Г-
Здесь h — все та же квантовая постоянная Планка; пг —
масса частицы; v — ее скорость. Явления, наблюдав-
шиеся Дэвисоном и Джермером, оказались в точном со-
ответствии с формулой де Бройля.
В дальнейшем электронные волны получили широ-
кие применения, в частности в биологии. Возможности
обычного оптического микроскопа ограничены. С его по-
мощью нельзя наблюдать предметы, размеры которых
того же порядка, что и длина световой волны или мень-
ше ее. Тела размером 300—400 нанометров под ми-
кроскопом представляются радужными пятнами, а мень-
шие просто будут невидимы. Мы не можем уменьшить
длину волны видимого света. Длину же электронной
волны можно сделать очень малой. Для этого нужно
увеличить скорость v летящих электронов, т. е. разог-
нать их электрическим полем, и тогда можно увидеть
очень малые объекты.
Электронная микроскопия совершенно изменила на-
ши представления о внутренней организации клетки, по-
зволила наблюдать не только органоиды клетки, части-
цы вирусов и бактериофагов, но и отдельные молекулы.
Квантовая механика называлась поначалу волновой
механикой. Это — физика микромира, основанная на
последовательном рассмотрении волновых свойств мик-
рочастиц и квантовых, «корпускулярных» свойств свето-
вых волн.
Эрвин Шредингер вывел свое волновое уравнение.
Впрочем, Мандельштам говорил, что это уравнение не
выведено, а угадано. Идея Шредингера состояла в на-
хождении принципиальной связи между законами двух
до того разделенных областей физики — оптики и ме-
ханики. Иными словами, Шредингер вышел на очень
важный перекресток науки.
Приводить здесь это уравнение было бы неуместно.
Читателю, не вооруженному знанием высшей математи-
ки, оно ничего не скажет, не даст полезной информации,
ибо его тезаурус для этого недостаточен. Читатель, об-
ладающий нужным тезаурусом, естественно, будет зна-
84
комиться с волновым уравнением Шредингера по дру-
гим книгам.
Уравнение описывает поведение электрона, как сво-
бодного, так и находящегося под действием сил, т. е.
обладающего потенциальной энергией. Таков, например,
электрон в атоме водорода — на него действует сила ку-
лоновского притяжения атомного ядра. Решение урав-
нения показывает, что полная (потенциальная плюс ки-
нетическая) энергия электрона в атоме может иметь не
любые, а вполне определенные значения £ь Е2, Е3...
В точном согласии с теорией Бора электрон может по-
глощать или испускать свет, только переходя с одного
энергетического уровня на другой по закону
= Е„ — Е_.
пт п п
Выходит, что сумасшедшая теория Бора правильна?
Да, правильно ее фундаментальное положение, только
что написанное. Но в целом она неправильна именно
потому, что она недостаточно сумасшедшая.
С точки зрения классической физики, квантовая ме-
ханика — сплошное сумасшествие. Отвергнуты основные
положения, давно выработанные в науке, частицы пере-
стали быть частицами, их движение рассматривается
как распространение волн.
Но если принять основную идею о том, что микро-
частицы имеют специальные (волновые) свойства, отли-
чающие их от частиц макроскопических размеров, то все
дальнейшее построение квантовой механики оказывает-
ся строго логичным и лишенным внутренних противоре-
чий. Более того, квантовая механика и только кванто-
вая механика количественно с высокой точностью опи-
сывает явления микромира. Сегодня квантовая механи-
ка стала основой инженерных расчетов в атомной тех-
нике. Волновые свойства микрочастиц установлены с аб-
солютной надежностью.
Как это всегда бывает в настоящей науке, создание
принципиально новой теории, порывающей с прошлым,
в то же время не означает отказа от прошлого. Класси-
ческая физика великолепно работает, когда речь идет о
телах достаточно большой массы, имеющих достаточно
большую энергию. Здесь слово «большой» означает, что
масса или энергия тела много больше массы или энер-
гии электрона. Квантовая механика не отвергает клас-
85
сической механики и электродинамики, но автоматиче-
ски сливается с ними по мере увеличения энергии и мас-
сы тел. Это положение именуется принципом соответст-
вия Бора.
Что же такое электронная волна? Она выражается
в уравнении Шредингера некоей функцией ф, завися-
щей от пространственных координат и времени, ф —
волновая функция, функция состояния частицы. Для
физика эта греческая буква значит многое, и естествен-
но, что именно она фигурирует на значке физического
факультета Ленинградского университета, который с
гордостью носят студенты.
Я, конечно, ровным счетом ничего не объяснил чи-
тателю. Но поначалу физическии смысл ф-функции
оставался неясным даже самому Шредингеру. Позднее
Макс Борн этот смысл раскрыл.
Волновая функция характеризует вероятность найти
электрон в данный момент времени в данной точке про-
странства.
Оказывается, микрочастица подчиняется специаль-
ным вероятностным законам. Допустим, что через ма-
лое круглое отверстие в сплошном экране один за дру-
гим летят электроны. Такой опыт был поставлен москов-
скими физиками В. Фабрикантом, Л. Биберманом и
Н. Сушкиным. Электроны в этом опыте не взаимодей-
ствовали— пока летел один электрон, второго еще не
было. Пройдя отверстие, электроны за экраном распре-
деляются так, как если бы шла одна электронная вол-
на. Наблюдаются периодические круглые дифракцион-
ные кольца — в тех местах, куда попадают электроны.
Между ними электронов нет. Картина такая же, как при
прохождении через малое отверстие световой волны.
Это чистый, красивый опыт, ясно демонстрирующий
волновые свойства микрочастиц. Увы, он был сделан
только в 1949 году, через 23 года после создания кван-
товой механики, и результат его был уже заранее изве-
стен. Поэтому он имел не познавательное, а иллюстра-
тивное значение.
Принципиально невозможно заранее точно указать,
куда и с какой скоростью полетит данный электрон из
отверстия. Электрон — это ведь не баллистическая раке-
та, для которой с исключительной точностью вычисляет-
ся траектория движения. В отличие от макроскопиче-
86
ских тел, электрон, как и любая другая микрочастица,
траектории не имеет. Но можно со сколь угодно высо-
кой точностью вычислить вероятность попадания элек-
трона в то или иное место.
Как мы видели (стр. 20), измерение вероятности тре-
бует многократного повторения опыта — бросания мо-
неты, например. А что можно сказать о результатах от-
дельного опыта? Что произойдет с одним электроном?
Повторяю, что квантовая механика говорит только о
вероятности. Данный электрон может попасть куда угод-
но, но вероятность его попаданий в разные места неоди-
накова.
На этом основании говорят о «свободе воли» элек-
трона, но об этом дальше.
Так или иначе, электрон траектории не имеет. Сле-
довательно, нельзя описывать его движение в атоме
планетарной моделью. У электрона нет орбиты. В этом
смысле Бор был не прав. Он оторвался от классической
физики, но недостаточно. Боровская модель сегодня
представляет громадный исторический интерес, но поль-
зоваться ею нельзя.
С 1913 по 1926 год (год рождения квантовой меха-
ники) множество прекрасных физиков занималось уточ-
нением боровской модели, попытками преодолеть ее
противоречия. Страницы физических журналов были за-
полнены тонкими и сложными теоретическими работа-
ми. Сейчас об этих работах никто не вспоминает. В све-
те квантовой механики они полностью утратили свое
значение.
Напрасны ли были эти работы? Конечно, нет — само
рождение квантовой механики ими и было подготовле-
но. Ничего не поделаешь, в науке лишь немногим удает-
ся пробить стену, рано или поздно вырастающую на ее
пути. Но это событие готовится целой армией исследо-
вателей, штурмующих стену. Имена бойцов забывают-
ся, но дело их было самонужнейшее.
Нечто подобное происходит и сегодня при разработ-
ке квантовой электродинамики, ждущей новых сума-
сшедших идей.
87
«Свобода воли» электрона
Как толковать свободу воли электрона? Здесь имеют-
ся четыре возможности.
Можно усматривать в своеобразном поведении мик-
рочастицы крах принципа причинности, понимать свобо-
ду воли буквально и приписать ее вмешательству поту-
сторонних сил. Можно предположить, что в действитель-
ности свободы воли нет, электрон некую траекторию
имеет, но она принципиально непознаваема.
Можно думать, что свободы воли нет и поведение
электрона диктуется законами причинности в классиче-
ском понимании этого слова. Эти законы пока не по-
знаны, но наука их раскроет.
Можно считать, что свобода воли выражает новые,
особые свойства микрочастиц, свойства познаваемые,
но совершенно отличные от тех, с которыми мы имеем
дело в макроскопическом мире, в повседневной жизни.
Все четыре возможности многократно обсуждались
и в физической и в философской литературе. Рассмот-
рим их по порядку.
Первое толкование откровенно идеалистично, выхо-
дит за пределы естествознания и при последовательном
ходе рассуждений ведет к религии. Не стоит его обсуж-
дать, оно не имеет отношения к физике.
Второе толкование — агностическое. Агностицизм (от
греческого: а — частица отрицания и gnosis — знание) —
учение о непознаваемости. Иными словами, второе тол-
кование считает науку бессильной, так как имеется пре-
дел ее познавательным возможностям. Выдающийся анг-
лийский физик Джеймс Джинс был автором не только
научных трудов, но и блестяще написанных популярных
книг. В книге «Физика и философия» Джинс остроумно
отстаивает агностицизм. Мы пользуемся понятием об
атомах, говорит Джинс, для того, чтобы объяснить свой-
ства макроскопических тел, скажем бильярдных шаров.
Мы описываем бильярдные шары в терминах атомов.
Но у нас нет другого способа описать атомы и элек-
троны, кроме как воспользовавшись понятиями, заимст-
вованными из макроскопического опыта. Значит, мы
описываем атомы в терминах бильярдных шаров. Полу-
чается порочный круг, из которого нет выхода. Позна-
ние человека ограничено размерами его тела.
88
Это всего лишь софизм. Весь опыт развития науки
и прежде всего квантовой механики показывает, что на-
ука в состоянии преодолеть повседневный опыт и рас-
крыть содержание микроскопических явлений. Кванто-
вая механика вовсе не описывает электрон с помощью
бильярдного шара. Наоборот, она вскрывает его осо-
бые свойства, не имеющие наглядного выражения в си-
стеме образов повседневности.
В науке неоднократно возникали и будут возникать
препятствия, границы применимости ранее отработан-
ных представлений. Рано или поздно эти стены рушат-
ся и открывается новая область. Вряд ли это позиция
для ученого — сидеть перед стеной и проливать слезы
по поводу ее непреодолимости. Ученый должен стену
штурмовать. Агностицизм несовместим с наукой. Осно-
ва науки — оптимистическая убежденность в ее безгра-
ничной мощи.
Третье толкование означает незыблемость классиче-
ской физики. Предполагается, что удивительные свой-
ства микрочастиц в принципе совпадают со свойствами
макроскопических тел. Никакой свободы воли у элек-
трона нет, его поведение диктуется причинностью в
обычном понимании этого слова. Просто мы пока еще
не знаем тех «скрытых параметров», нахождение кото-
рых поставит все на свое место и излечит квантовую
механику от ее сумасшествия.
Сам Эйнштейн был сторонником этого направления.
Эйнштейн в работе, выполненной совместно с Подоль-
ским и Розеном (соавторы — редкость для Эйнштейна),
доказывал неполноту квантовой механики, необходи-
мость введения в нее скрытых параметров для устране-
ния противоречий. Эйнштейн, несмотря на сумасшествие
созданной им великой теории пространства и времени —
теории относительности, по мировоззрению своему ос-
тавался физиком-классиком. Он стоял у колыбели кван-
товой теории, он дал квантовое объяснение теплоемкости
твердых тел, фотоэффекту, фотохимическим процессам,
построил статистику световых квантов — фотонов.
Но квантовая, волновая механика его не удовлетворяла.
Всю вторую половину своей жизни Эйнштейн искал
способы построения единой теории поля, объединяющей
электромагнитные явления с тяготением. Он шел путем,
отличным от того, которым идет сейчас квантовая элек-
89
тродииамика. И не добился успеха. Может быть, пото-
му, что физика еще не созрела для решения этой за-
дачи. Самый великий физик столетия, разгадывавший
в свои молодые годы одну тайну природы за другой, в
дальнейшем оказался бесплоден. Не потому ли, что да-
же гениальному интеллекту поставлены границы, что
Эйнштейн исчерпал свои творческие возможности в про-
деланной им титанической работе? Думаю, что нет. Эйн-
штейн взялся за задачу, решение которой еще не соот-
ветствовало внутренней логике развития науки. Возникло
противоречие между творческой мощью ученого и пости-
жением природы на данном этапе развития науки, проти-
воречие между наукой-творчеством и наукой-познанием.
Работа Эйнштейна, Подольского и Розена вызвала
ответное исследование Нильса Бора. Бор показал, что
в тонких рассуждениях и расчетах Эйнштейна таится то-
же своего рода «скрытый параметр» — с трудом обна-
руживаемая непоследовательность.
Я помню, какое внимание вызвали пять лекций Л. И.
Мандельштама «Об основах квантовой механики», по-
священные спору Бора с Эйнштейном. И. Е. Тамм, В. А.
Фок, М. А. Леонтович сидели рядом со студентами и
записывали эти лекции слово за словом. Большая физи-
ческая аудитория в старом здании Физического институ-
та МГУ была переполнена. Мандельштам провел исчер-
пывающий анализ проблемы, найдя новые, до конца
убедительные аргументы. Эйнштейн заблуждался, прав
был Бор. В квантовой механике нет внутренних проти-
воречий, нет неполноты.
Эти лекции, прочитанные в 1939 году, опубликованы
в пятом томе собрания трудов Мандельштама, вышед-
шего после его смерти. Поиски скрытых параметров оп-
ределяются не реальными границами применимости
квантовой механики, с которыми могла бы столкнуться
физика, .но классическим мировоззрением Эйнштейна,
де Бройля, Бома. Рель философии в физике иная. Фи-
лософия может и должна раскрывать идейный смысл
совершающегося в науке, но не может быть источником
конкретной научной теории.
Сегодня о скрытых параметрах говорят лишь немно-
гие, например Бом. Интерес к этой проблеме утрачен,
целостность квантовой механики общепризнана.
Остается лишь последнее толкование свободы воли
микрочастицы.
90
Соотношение неопределенностей
Все в мире подчиняется закону причинности. Следст-
вие не может предшествовать причине. Такое бывает
лишь в сказках, современных сказках, часто именуемых
научной фантастикой.
Но причинность причинности рознь. Микрочастицы
подчинены причинности статистической. Если электрон
летит через малое отверстие, то можно абсолютно стро-
го предсказать вероятность его нахождения в том или
ином месте за отверстием, но всего лишь вероятность.
И вероятность эта описывается волновым уравнением.
Дело в том, что проходя через отверстие, электрон
взаимодействует с его стенкой. Экран тоже ведь состо-
ит из электронов и атомных ядер, все тела из них со-
стоят. Именно потому, что электрон—микрочастица, не-
возможно от взаимодействия отвлечься. Квантовая ме-
ханика установила, к чему оно приводит.
Сказанное требует пояснения. Рассмотрим простой
пример. Вы хотите провести физическое измерение, ска-
жем измерить температуру воды в ванне. Для этого вы
опускаете в воду термометр. Поглядев на него, вы ви-
дите, что температура воды равна 30° С.
Но ведь, строго говоря, это уже не первоначальная
температура: погрузив в воду термометр, вы несколько
ее охладили. Однако, поскольку масса термометра мно-
го меньше массы воды в ванне, вы считаете, что это ох-
лаждение ничтожно и им можно пренебречь. В самом
деле, если вода охладилась на 0,01°, это не имеет зна-
чения. А если бы имело, то можно было бы воспользо-
ваться особенно малым термометром, например термо-
парой, сделанной из тоненьких проволочек.
Классическая физика исходит из того, что воздейст-
вие измеряющего прибора на состояние тела, свойство
которого измеряется, может быть сделано сколь угодно
малым. И это справедливо, пока мы не имеем дела с
микрочастицами. Здесь все по-иному, так как любой
измерительный прибор сам состоит из тех же микро-
частиц.
Один из создателей квантовой механики Вернер Гей-
зенберг проанализировал эти проблемы с помощью ря-
да мысленных экспериментов. Представьте себе, что ну-
жно определить положение электрона и что существует
такой микроскоп, в котором можно увидеть электрон
91
(мысленно создать подобный микроскоп ничего ведь не
стоит). Но чтобы увидеть электрон, его нужно осветить,
нужно, чтобы от электрона отразился хотя бы один фо-
тон, один квант света. Квант света, попадая в электрон,
выбивает его из первоначального положения, так как
их энергии соизмеримы. Нельзя придумать способ опре-
деления состояния электрона, не влияющий на это со-
стояние. Ситуация такая, как если бы мы хотели изме-
рить температуру 200 л воды в ванне посредством тер-
мометра, (имеющего объем 100 л.
Гейзенберг вывел и обосновал соотношение неопре-
деленностей. Анализ как мысленных, так и реальных
экспериментов показывает, что имеется объективная не-
точность, неопределенность в положении и скорости
электрона. Обозначим массу электрона т, неопределен-
ность при измерении его положения Дх, а неопределен-
ность при измерении его скорости Ди. Оказывается, что
. . Л
ДхДо = .
т
Если совершенно точно определить положение электро-
на, т. е. довести Дх до нуля, то Ди станет сколь угодно
большой величиной, ,и наоборот.
Мы хотим определить положение электрона в ато-
ме. Размеры атома—это стомиллионные доли сантимет-
ра, 10-8 см. Нужно найти положение электрона с точ-
ностью до 10~9 см. Какова будет ошибка в определе-
нии скорости? Поскольку Дх = 10-9 см, h = 6,62-10-27
эрг • сек, масса электрона т = 9,11 • 10~28 г, то
, . Л 6.62.10-«
До— тДх ~ 9,11-Ю-®8-10"» ~ 7’3-1010 см/сек.
Неточность более чем вдвое превышает скорость
света!
Ясно, что по мере увеличения массы тела т эти не-
определенности Дх и Av становятся все меньше и мень-
ше. Летит артиллерийский снаряд весом 10 кг. Допу-
стим, что мы знаем его положение в каждый данный
момент с точностью до одного миллиметра. Какова не-
определенность скорости?
6,62-10-2’
До = —= 6,62-10-” см/сек.
92
Величина ничтожно малая. Поэтому для макроскопиче-
ских тел соотношение неопределенностей несуществен-
но—классическая физика справедлива. В микромире, на-
против, имеется дополнительность: точно измерив поло-
жение частицы, мы утрачиваем всякую возможность
определить ее скорость, и наоборот. Вспомним сказан-
ное о дополнительности на стр. 8.
Физическое содержание соотношения неопределенно-
сти состоит в том, что микрочастица не имеет положения
Рис. 13. Электронное облако ато-
м а водорода в его основном со-
стоянии
и скорости в макроскопическом смысле этих понятий.
Обычные механические величины применимы в мик-
ромире с ограничениями. Соотношение неопределенно-
сти дает меру применимости классических понятий в
микрофизике, а не меру нашего незнания. В основах
квантовой механики нет ничего субъективного.
Существо дела состоит в том, что нельзя рассмат-
ривать электрон изолированно, вне взаимодействия с
другими микрочастицами. Следовательно, нельзя гово-
рить и о траектории электрона в атоме, о его орбите.
В атоме нет электронных орбит. Что же есть? Элек-
тронное облако, отвечает квантовая механика. Атомное
ядро как бы окружено облаком отрицательного заряда,
особенно плотным на тех расстояниях от ядра, которые
Бор считал радиусами орбит (рис. 13).
Опять сумасшествие. В атоме водорода есть один и
только один электрон. Получается, что он «размазан»
по окружающему ядро пространству!?
Облако это своеобразно. Размазан не электрон, раз-
мазана вероятность найти его на том или ином расстоя-
нии от ядра. Это облако вероятности. Там, где оно плот-
нее, больше вероятность найти электрон.
»3
Конечно, с наглядностью здесь плохо. Но ничего не
поделаешь — так устроена природа. Она сделала людей
большими, и труцнэ макроскопическому существу — че-
ловеку— наглядно представить себе устройство атома.
Наглядно — это ведь значит в соответствии с привыч-
ными макроскопическими образами. Нет, физика вовсе
не строит атомы из бильярдных шаров.
Электронные облака имеют различную форму у раз-
личных атомов. Форма и протяженность облака меняют-
ся при изменении энергии атома, скажем, при погло-
щении и испускании света электроном.
я Электроны в яме
Итак, волны, облака, неопределенность. Каким же
образом электроны в атоме приобретают вполне опре-
деленные значения энергии, те самые значения, которые
получаются при решении уравнения Шредингера Еь
Ег, ...? Дискретные, прерывистые значения: электрон мо-
жет иметь энергию Е] или Е2, но не промежуточную.
Сразу оговоримся, что это относится к электрону в ато-
ме, к электрону, имеющему потенциальную энергию.
Свободно летящий электрон обладает только кинетиче-
ской энергией и в этом случае она может быть любой,
имеет непрерывные значения.
Вспомним некоторые свойства волн. Рассмотрим, на-
пример, колебания натянутой струны, закрепленной в
двух точках на концах. С какими частотами она может
колебаться?
Поскольку закрепленные концы струны всегда непо-
движны, на струне может уложиться либо половина
волны, либо целая волна, либо полторы волны и т. д.
(рис. 14). Если длина струны L, то длины волн будут:
2L L
>. = 2L, L, -5- , -9 - , . ..
О и
и вообще
, 2L
Л = — , где п = 1, 2, 3 . . .
Именно это обстоятельство используется в струнных му-
зыкальных инструментах. Длины волн, т. е. частоты ко-
лебаний струн, частоты звуков, ими создаваемых, опре-
деляются длиной струн (а также их массой). Запомним,
94
Рис. 14. Колебания закрепленной струны
Рис. 15. Уровни энергии электрона в прямоугольной потенциальной яме и ве*
роятность его нахождения в различных состояниях
что закрепленная струна может колебаться не с любы-
ми частотами, а лишь с некоторыми, вполне определен-
ными.
Теперь нам придется провести расчет. До сих пор
мы этого тщательно избегали, а сейчас придется. Рас-
чет, правда, простой.
Опять мысленный опыт, модель. Яма с прямыми
стенками, в которой помещен электрон. Яма, однако, не
обычная, а потенциальная. Это значит, что выделена не-
которая область пространства, в которой потенциальная
энергия электрона равна яулю, а на границах этой об-
ласти она бесконечно велика. Иными словами, электрон
за эти границы проникнуть не может, так как за ними
на него действуют бесконечно большие силы отталкива-
ния (рис. 15). Следовательно, вероятность найти элек-
трон за границами ямы, да и на самих границах, выра-
жаемая функцией ф, равна нулю. Какие энергии может
иметь электрон в яме, как выглядят в ней ф-функции
электрона?
Вот здесь-то и пригодились колебания струны. Ра-
венство ф = 0 на границах ямы означает, что электрон-
ные дебройлевские волны укладываются в яме по тому
же закону, что и волны на струне с закрепленными кон-
цами. Если ширина ямы равна L, то длина дебройлев-
ских волн равна
95
Но, согласно соотношению де Бройля,
h
х = —.
mv
Следовательно, соответствующие скорости электрона
h nh
а~ тк = 2Lm ’ « = Ь 2, 3 . ..
Потенциальная энергия электрона внутри ямы равна
нулю. Значит, его полная энергия просто равна кине-
тической энергии
£ = —2
Подставим сюда только что полученное значение скоро-
сти электрона. Находим
п2/г2
= 8L2m ’ « = 1, 2, 3 . . .
Таким образом, электрон в яме может иметь энергии
Л2 4/г2 9/г2
E1 - 8L2m ’ £‘2 = 8L2m ’ Ез = 8L2m ’
но не промежуточные значения. На рис. 15 эти уровни
энергии показаны горизонтальными прямыми.
Что касается вероятностей нахождения электрона в
том или ином месте ямы, то они имеют вид, также по-
казанный на рис. 15. При п = 1 вероятнее всего на-
ткнуться на электрон в центре ямы. при п = 2 — на рас-
стоянии Л/4 от стенок и т. д. В разных состояниях элек-
трона, характеризуемых числом п, электронные облака
выглядят по-разному.
Число п называется квантовым числом электрона в
яме.
Но что общего между такой потенциальной ямой и
атомом? Не так мало, как может показаться. В атоме
водорода на электрон действует кулоновская сила при-
тяжения к ядру, равная
96
где е—-заряд электрона и равный ему заряд ядра (про-
гона); г — расстояние между электроном и ядром. Си-
ле такой величины соответствует потенциальная энер-
гия
Эта величина отрицательная, так как нужно затратить
работу, чтобы оторвать электрон от ядра, вырвать его
из атома.
Если изобразить график потенциальной энергии, от-
ложив по оси ординат U, а по оси абсцисс г, снова
Рис. 16 Потенциальная яма дая
электрона вблизи протона
получится яма, но уже не с прямоугольными, а с гипер-
болическими стенками. Такая «атомная яма» изображе-
на на рис. 16. На том же рисунке показаны уровни энер-
гии электрона. Найти их для атома много труднее. Для
этого нужно вооружиться высшей математикой — тео-
рией дифференциальных уравнений в частных производ-
ных второго порядка — и решить уравнение Шрединге-
ра. Мы этим, естественно, заниматься не будем. Реше-
ние имеет вид
„ 2л/пе* . _ „
ЕП = — пур . п= 1,2,3...
Здесь п называется главным квантовым числом.
В прямоугольной яме с бесконечно высокими стенка-
ми уровни с возрастанием п становятся все реже и ре-
же. В атоме они, напротив, сгущаются.
4 М. В. Волькешптейн
97
Какие же световые волны испускает или поглощает
атом водорода? В соответствии с условием частот Бора
'ab-----
где а и b — какие-либо из значений п = 1,2, 3... Следова-
тельно,
2л/ие1 /1 1 'i
vab = hs — "а\/ ’ а, Ь = 1,2, 3 ...
Эта формула, впервые выведенная Бором с помощью
его орбитальной модели, поразительно точно характе-
ризует спектральные линии водорода.
н Другие квантовые числа
Итак, электрон — частица с определенными зарядом
и массой, проявляющая специфические волновые свойст-
ва и приобретающая поэтому дискретные значения энер-
гии в потенциальной яме, в атоме или в молекуле. Иными
словами, энергия электрона может быть квантованной.
Перечисленными свойствами, однако, поведение элек-
трона не исчерпывается. Электрон не только заряд, но
и магнит. Это его свойство кажется более удивительным,
чем наличие заряда. А почему, собственно говоря?
Потому что магнетизм связан с электрическим током.
Если электрон—магнит, то это значит, что у него есть
северный и южный полюс: либо сам электрон, двигаясь
по замкнутому пути, образует электрический ток, либо
такой ток существует внутри электрона (рис. 17). Как
выяснилось, магнетизм электрона действительно двоя-
кий. Электрон в атоме обладает определенными, кван-
тованными значениями момента количества движения,
т. е. произведениями массы на скорость и на расстояние
до ядра: mvr. Кроме того, электрон, как находящийся
внутри атома, так и свободный, имеет некий внутрен-
ний, так называемый спиновый момент количества дви-
жения.
И в классической и в квантовой физике заряженное
тело, обладающее моментом количества движения, яв-
ляется магнитом.
98
Рис. 17. Возможные электронные токи в атоме
Рис. 18. Момент количества движения электрона на орбите
Орбитальная модель изображает первый момент ко-
личества движения электрона непринужденно: электрон
движется по орбите с моментом mvr, орбитальным мо-
ментом (рис. 18). Орбитальный магнит направлен по
оси орбиты. Южный его полюс легко находится по пра-
вилу
$
Стрелки изображают направление тока, т. е. направле-
ние движения положительного заряда, противоположное
направлению движения электрона. Получается магнит,
показанный на рис. 19.
Что касается спинового магнетизма электрона, то для
его наглядного изображения следует представить элек-
трон в виде твердого тела, вращающегося вокруг собст-
венной оси (рис. 20). По-английски to spin — крутить
волчок (а также проваливаться на экзамене). Велико-
лепно. Аналогия с планетой полная — электрон враща-
ется и по орбите вокруг ядра и вокруг собственной оси.
Остается лишь определить смену дня и ночи у элек-
трона.
Все это, к сожалению, никуда не годится. У электро-
на нет орбиты, и волчком он не является. Наглядная мо-
дель совершенно несостоятельна. Но электрон в атоме
имеет и орбитальный и спиновый момент количества
движения, орбитальный и спиновый магнетизм. Орбиты
нет, а прилагательное «орбитальный» сохранилось.
Орбитальный момент квантован. Решение уравнения
Шредингера дает не только собственные значения энер-
4»
99
S'
Рис. 19. Магнит,! определяемый орбитальным движением электрона
Рис. 20. Спиновый момент электрона
гии, характеризуемые главным квантовым числом п, но
и орбитальным квантовым числом I. Орбитальный мо-
мент количества движения электрона
г----- h
P/=^('+1)2F-
где I может иметь любые целочисленные значения от
О до п—1. Так, если главное квантовое число электро-
на п = 3, то I может равняться либо 0, либо 1, либо 2,
но не 3.
Что касается спинового момента, то он равен
Уз h
ps~ 2 2л •
Уравнение Шредингера спина не дает. Наличие спи-
нового момента было выведено теоретически из анали-
за спектров. Поль Адриан Морис Дирак, создававший
квантовую механику вместе со Шредингером и Гейзен-
бергом (все трое получили за это нобелевские премии
по физике в 1932 и 1933 годах), показал, что спиновый
момент должен быть у электрона, если учесть в его дви-
жении и законы квантовой механики, и законы теории
относительности.
Форма электронного облака сильно зависит от зна-
чения квантового числа I. Если это число равно нулю,
то электронное облако имеет сферическую форму, если
I — 1 — форму тела вращения, полученного из «восьмер-
ки», при больших значениях I — более сложную форму.
100
Рис. 21. Электронные облака атома водорода в различных его состояниях
На рис. 21 показан вид атома водорода при разных зна-
чениях I.
Значит, электрон характеризуется двумя квантовыми
числами — главным п и орбитальным I. Но и это еще
не все.
Если I отлично от нуля, то отличен от нуля и мо-
мент pi. Следовательно, электрон ведет себя, как маг-
нит. Если атом с орбитальным числом I = 1 поместить
между полюсами магнита, то «восьмерка» может ори-
ентироваться по отношению к магнитным силовым ли-
ниям лишь вполне определенными способами (рис. 22).
Рис. 22. Ориентация электрон-
ного облака 2р в магнитном
поле
А именно так, чтобы проекция момента количества дви-
жения (это ведь величина направленная, векторная) на
направление магнитного поля была равна (рис. 23)
h h
~25Г или °’ или 2л"*
Так получается при I = 1. Вообще же проекция орби-
тального момента на направление поля равна
h
т2п ’
101
Рис. 23. Проекция орбитального
момента 2р-электрона на на-
правление магнитного поля
где т — магнитное квантовое число, которое может
иметь значения —I, ——Z-j-2, ... —1, 0, 1, ... I—2,
/—1, I, т. е. всего 2Z-4-1 значений. Так, при I = 1 т равно
— 1,0, 1.
Магнитное квантовое число обозначается буквой т,
так же как и масса. Путать эти две величины не сле-
дует. Ничего не поделаешь — физических величин -боль-
ше, чем букв в латинском алфавите.
Со спиновым моментом дело обстоит проще. Его про-
екция на направление магнитного поля равна
h
s2n ’
где s — спиновое квантовое число — может иметь всего
два значения, на сей раз дробных: s = 1/2 и —72-
Таким образом, электрон в атоме характеризуется че-
тырьмя квантовыми числами п, I т, s, выражающими
четыре физических величины: энергию, орбитальный мо-
мент количества движения, его проекцию на выделенное
направление в пространстве (направление магнитного
поля) и такую же проекцию спинового момента. Много
квантовых чисел. Но без них не поймешь основных
свойств атома, не поймешь физического смысла перио-
дического закона Менделеева.
Запрет Паули и другие запреты
Исследуя теоретически свойства электронов и ато-
мов, швейцарский физик Вольфганг Паули в 1925 году
открыл очень важный закон природы, названный его
именем. Собственно говоря, этот закон называют не за-
коном, а принципом Паули, или запретом Паули.
Запрет Паули гласит: в данной электронной систе-
ме, в атоме или в молекуле, состояния всех электро-
нов различны. Иными словами, не существует двух элек-
тронов в атоме, все четыре квантовых числа которых
были бы одинаковы. Хотя бы одно квантовое число дол-
жно иметь разные значения для этих электронов. Сов-
102
падение всех четырех квантовых чисел для электронов
запрещено.
Были глупые люди, негодовавшие по этому поводу.
Как так, говорили они, как может что-либо быть запре-
щено? Ведь нет таких крепостей, которые не могла бы
взять наука! Но стоит ли об этом упоминать? Разве
только для того, чтобы сказать об одной черте законов
природы.
Любой закон природы может быть сформулирован
в виде запрета. Вечный двигатель первого рода запре-
щен природой. Вечный двигатель второго рода запре-
щен природой. Существование скорости движения, пре-
вышающей скорость света, запрещено природой. Одно-
временное точное определение местоположения и скоро-
сти микрочастицы запрещено природой, наследование
приобретенных признаков запрещено природой. Равен-
ство произведения двух двоек чему-либо кроме четы-
рех запрещено природой.
Эти негативные формулировки законов природы
столь же ценны, как и позитивные — они раскрывают
устройство природы. Наука не имеет пределов в позна-
нии этого устройства и в применении результатов по-
знания, но не может изменить основные законы естест-
ва так же, как она не может сделать произведение
2X2 равным 5.
Любые попытки преодолеть законы природы (а их
было немало) приводят к грубым ошибкам и даже ка-
тастрофам в сельском хозяйстве, в технике, в экономи-
ке. Принцип Паули — один из фундаментальных законов
физики, из которого следует многое.
Снова периодический закон
Читатель, отнесшийся к предыдущим разделам с
должным вниманием, располагает теперь информацией,
достаточной для того, чтобы понять смысл периодиче-
ского закона.
Очевидно, что периодичностью должны обладать
свойства электронов в атомах. Если атомы состоят из
ядер и электронов, и электроны могут существовать в
различных состояниях, то именно эти электронные со-
стояния ответственны за физическое и химическое пове-
дение атомов. Это неопровержимый логический вывод
из физики атома. Иначе быть не может.
103
Следует искать периодичность в распределении элек-
тронов по доступным им состояниям. Чтобы в этом рас-
пределении разобраться, необходимо иметь в виду два
принципа. Первый принцип достаточно очевиден. При
прочих равных условиях электрон должен находиться
в том состоянии, в каком его энергия минимальна. Если
электрону сообщена большая энергия и он имеет воз-
можность перейти на более низкий энергетический уро-
вень, то он это сделает. В конечном счете по тем же при-
чинам, по которым вода льется не вверх, а вниз. При
этом избыток энергии электрона выделится в виде све-
та или иным путем.
Второй принцип — запрет Паули.
Располагая этими двумя принципами, мы можем
установить связь между электронным строением атома
и его положением в периодической системе. Разберем
последовательно строение атомов ряда элементов, пом-
ня, что атомный номер элемента выражает число элек-
тронов в атоме.
Начинаем с первого элемента — водорода. Наимень-
шее возможное значение энергии единственного электро-
на в атоме Н соответствует наименьшему значению
главного квантового числа п, т. е. п = 1. Следовательно,
I =0 (наибольшее значение I естъп—1), m = 0 и s
имеет произвольное значение -р/2 или —’/г. Как такое со-
стояние записать? Можно было бы так: 1, 0, 0, ±V2, но
это неудобно и не принято. В атомной физике главное
квантовое число записывается цифрой, а число I— бук-
вой. Буквы имеют случайное происхождение, но это не
важно. Состояние с I = 0 обозначается буквой s, с
I = 1 — буквой р, с 1 = 2 — буквой, d, с I = 3 — буквой
f. Дальше — по алфавиту: g, h, I и т. д.
Значит, в атоме Н электрон имеет состояние 1s.
В следующем атоме — атоме гелия Не—два электрона.
Они оба могут быть в состоянии 1s, но согласно прин-
ципу Паули их спиновые числа должны иметь разные
знаки: + ’/2 и —’/г- Обозначив спиновое число стрелкой,
направленной вверх или вниз, мы представим состоя
ния атомов Н и Не следующим образом:
1s
1. Н ~
2. Не и
104
У лития три электрона. Третий электрон уже не мо-
жет попасть в клеточку 1s — принцип Паули этого не
допускает. Следовательно, у третьего электрона должно
возрасти главное квантовое число: п = 2. Он попадает в
состояние 2s.
| Is 2s
3- Li 11 I | t I
Энергия третьего электрона лития 2s больше, чем пер-
вых двух.
Для бериллия получаем
Is 2s
4- Ве | t I | t I |
В каждой клеточке может быть не более двух элек-
тронов. Пятый электрон атома бора должен попасть в
следующую клетку. Но при п = 2 число I может иметь
уже два значения: I = 0 и I = 1. При I = 0 число т рав-
но нулю и только нулю, а при I = 1 т имеет три значе-
ния: т = —1, 0, 1. Соответственно состоянию с п = 2,
I = 1, т. е. 2р, принадлежат уже три клеточки, в каж-
дой из которых может поместиться по два электрона с
антипараллельными спинами. От бора до неона схемы
строения атомов имеют вид
Is 2s 2р ..
5. в
6. С
7. N
8. О
9. F
10. Ne
1111И t I I
1111111 И I
111T111 |t |t
1111111111 11
1111111111111
11111111111111
Теория и опыт (спектроскопический) показывают,
что заполнение р-клеточек происходит по определенно-
му правилу: электроны располагаются прежде всего по
клеточкам, отвечающим различным значениям магнит-
105
ного квантового числа т, так, чтобы все спиновые стрел-
ки смотрели в одну сторону. Это значит, что суммарный
спин атома (сумма спинов всех его электронов) должен
быть максимален.
Сравним атомы Не и Ne — атомы благородных га-
зов. Мы видим, что у атома Не электронами использо-
ваны все возможности, отвечающие главному квантово-
му числу п = 1, и таких возможностей только две. Точно
так же у атома Ne заполнены все клеточки, отвечаю-
щие п = 2; таких клеточек 4, и в каждой из них поме-
щаются по 2 электрона, значит, всего 8 электронов. Это
принято называть заполнением оболочки атома, т. е. за-
полнением всех возможных состояний, соответствующих
данному значению главного квантового числа.
У следующего за неоном элемента Na начинается
новая оболочка: одиннадцатый электрон Na попадает
в состояние 3s и т. д. Имеем
Is 2s 2р 3s Зр
11. Na
12. Mg
13. Al
14. Si
15. P
16. S
17. Cl
18. Ar
t 4 | t 4 | t 4 | t 4 | t 4 | t | | |
t 4 | t 4 | t 4 | t 4 | t 4 | t 4 | | |
t 4 jt 4 |t 4 | t 4 | t 4 | t 4 | 1 | |
t 4 | t 4 j t 4 I t 4 | t 4 | t 4 | t | t |
t 4 H d t 4 | t 4 | t 4 | t 4 | t I t | 1
t 4 | t 4 | t 4 | t 4 |t 4 | t 4 | T 4 | t | t
U j t 4 I t 4 I t 4 ' t 4 I t 4 | t 4 I t 4 | t
t 4 I t 4 j t 4 j t 4 | T 4 I t 4 j 1 4 | t 4 | t 4
Казалось бы, что у элемента № 19 К девятнадцатый
электрон должен попасть в Зг/-состояние. Но из-за то-
го, что в многоэлектронных атомах энергия электронов
зависит не только от числа п, но и от числа I, ситуация
усложняется. Девятнадцатый электрон калия начинает
новую, четвертую оболочку
19.
Is 2s 2р 3s Зр - . ,______________________ 4,
К|' Т 4 | t 4 |it 4 | t 4 | Г 4 | t 4 | t 4 | t 4 | 7T| I | I I I I t
106
На калии можно остановиться. Сказанного достаточ-
но, чтобы понять, чем определяется периодичность
свойств элементов, открытая Менделеевым. Ясно, что
за физические и химические свойства атома ответствен-
ны прежде всего его внешние электроны — те электро-
ны, у которых главные квантовые числа имеют наиболь-
шее значение. В самом деле, обладая наибольшей энер-
гией, эти электроны легче других могут быть отделены
от атома, они дальше отстоят от его ядра и легче под-
даются различным воздействиям. Внутренние электро-
ны, входящие в состав заполненных оболочек, защище-
ны от этих воздействий внешними электронами.
Следовательно, чтобы разобраться в свойствах ато-
мов, нужно рассмотреть состояние внешних электронов,
тех электронов, которые находятся за пределами запол-
ненной оболочки.
И сразу становится очевидной периодичность.
Сравним благородные газы Не, Ne, Аг. Оболочки их
атомов заполнены целиком и имеют тем самым сходное
строение. У щелочных металлов Li, Na, К сверх за-
полненной оболочки есть один электрон, находящийся
в s-состоянии. Формы электронных облаков этих ато-
мов аналогичны — они сферические. Аналогично элек-
тронное строение Be и Mg, В и Al, С и Si, N и Р, О
и S, F и С1.
Все закономерности, фиксируемые в периодической
системе, получают ясное электронное истолкование. Бо-
лее того. На квантово-механической основе удалось про-
должить и углубить труд Менделеева — предсказать су-
ществование других новых элементов. Элемент № 72 не
был известен до 1922 года. Предполагалось, что он дол-
жен относиться к группе редкоземельных элементов.
Однако, исходя из квантовой теории, Нильс Бор пока-
зал, что группа редкоземельных элементов должна за-
канчиваться элементом № 71 —лютецием, так как у лю-
теция замыкается подоболочка 4f:
71. Lu ls22s22pe3s23pe3d104s24p64d1()4/145s25pe5d6s2.
Здесь применены уже не клеточки, а сокращенная за-
пись. Показатели степени означают число электронов в
подоболочке, характеризуемой данными значениями
пи/.
107
Следующий элемент должен иметь такую структуру:
72. ls22s22pe3s23p’3d104s24ps4d104/u5s25ps5d26s2,
т. е. должен быть сходен с цирконием
40. Zr is22s22p63s23p«3dl04s24pe4d25s2.
Сходные элементы обычно сопутствуют друг другу
в природе, и Бор указал, что неизвестный элемент № 72
следует искать в цирконовых рудах. Вот к какой кон-
кретной, практической рекомендации привела абстракт-
ная, сумасшедшая квантовая теория! И действительно,
элемент № 72 был обнаружен в цирконовых рудах в
1922 году. Назвали его гафнием в честь родного города
Бора. Hafnia — древнее название Копенгагена.
В периодической системе элементов давно уже скре-
стились пути физики и химии. Важнейшее обобщение
химии, ее фундаментальный закон оказался имеющим
ясное и четкое физическое истолкование.
4
ОТ ХИМИИ К ФИЗИКЕ
Молекула состоит из атомов
В 1860 году в Карлсруэ (Германия) состоялся все-
мирный съезд химиков, на котором итальянский химик
Канниццаро предложил установить научное определе-
ние молекулы. Вот что писал Менделеев, участник это-
го съезда: «Предложены были для решения многие во-
просы: вопрос о различии частицы (молекулы.— М. В.),
атома, эквивалента, вопрос о величинах атомистическо-
го веса... 4 сентября 1860 года была вынесена резолю-
ция такого содержания: «Предлагается принять разли-
чие понятий о частице (молекуле) и атоме, считая ча-
стицей количество тела, вступающее в реакцию и опре-
деляющее физические свойства, и считая атомом наи-
меньшее количество тела, заключающегося в частицах».
При голосовании за резолюцию большинство подняло
руки. Кто против? Робко поднялась одна рука и опу-
стилась».
Старинное это определение вполне точно, но не очень
ясно выражено. Мы называем молекулой наименьшее
количество данного вещества, вступающее в химическую
реакцию и тем самым ответственное за химические и фи-
зические свойства вещества.
Молекула состоит из атомов. Точнее, из атомных
ядер и электронов, так как не всегда атомы в молеку-
ле полностью сохраняют свою индивидуальность. Но
молекула всегда может быть разбита, разложена на
атомы. Это атомная система, характеризуемая опреде-
ленной степенью устойчивости. Иными словами, для рас-
щепления молекул на атомы нужно затратить энергию,
провести работу.
Есть и одноатомные молекулы. В этом случае по-
нятия молекулы и атома совпадают.
Химия изучает процессы превращения молекул при
их взаимодействиях и при воздействиях на них внеш-
них факторов — теплоты, света, электрического тока.
109
Несть числа химическим реакциям, несть числа мо-
лекулам. Химия непрерывно создает новые комбинации
атомов, новые вещества. Предмет ее исследований без-
граничен. И какой только нет химии: общая, или неор-
ганическая, органическая, физическая, термохимия, фо-
тохимия, электрохимия и, конечно, биохимия...
Два основных вопроса встают перед каждым, кто
задумывается о содержании этой великой науки. Что та-
кое химическая связь, чем объединены атомы в моле-
куле? Что такое химическая реакция, почему происхо-
дит превращение молекул при их взаимодействии друг
с другом? Почему и как?
А ведь можно было бы над этими вопросами и не
задумываться. Зная валентности атомов, умея рисовать
структурные формулы, легко написать уравнение реак-
ции, понять химическое строение синтезируемых или
расщепляемых веществ простых и даже очень сложных.
Так часто и поступают.
Химия, как таковая, может сделать невероятно мно-
гое, совершенно или почти совершенно не интересуясь
природой основных химических явлений. Химическая
структурная теория очень сильна.
И сейчас живут и работают — притом зачастую весь-
ма успешно — химики старшего поколения, которые
знать не знают, что такое электрон. Но их время уже
прошло. Физика, квантовая механика, поставила и ре-
шила два указанных вопроса. И многие другие.
Именно потому химия меняет свой облик на глазах,
и сопротивляющихся этим изменениям становится все
меньше и меньше.
Химические связи
Что, собственно говоря, означает соединение атомов
в молекуле?
Давайте рассуждать. Если атомы соединились, сце-
пились, склеились, наконец, то это означает, что между
ними действуют некие силы, притягивающие их друг к
другу. Особые химические силы?
Эти силы действительно не похожи на те, с которы-
ми обычно имеет дело физика. Ни на силу тяготения,
ни на магнитные, ни на электрические силы. Силы хи-
мических связей своеобразны — они обладают насыщае-
мостью.
ио
Я ввел здесь новое понятие, требующее пояснения.
Начну с другой стороны. Сила тяготения насыщаемостью
не обладает. Оттого, что Солнце притягивает к себе
Марс или Юпитер, сила тяготения между Солнцем и
Землей не меняется. Насыщаемости нет и у обычных
электрических или магнитных сил. Притянули желез-
ный гвоздь магнитом. От этого ведь не уменьшится си-
ла притяжения к магниту второго гвоздя.
А в молекулах все по другому. Молекула водорода
Нг состоит из двух атомов водорода: именно Нг, а не
Н3 или Н4. Если два атома водорода соединились друг
с другом, то третий атом к ним более не присоединяет-
ся. Силы взаимодействия двух атомов водорода насы-
тились.
И так везде и всюду в химии. Именно поэтому моле-
кулы имеют постоянный и вполне определенный состав.
Вода есть всегда Н2О, всегда соединение двух атомов
водорода с одним атомом кислорода.
Химии удалось хорошо разобраться в своих молеку-
лах. Удалось найти универсальный (или почти универ-
сальный) ключ, открывающий структуру молекул. Имя
этому ключу — валентность.
О валентности слышали все, учившиеся в средней
школе. Мы называем валентностью атома число атомов
водорода, которые он способен присоединить или заме-
нить в другом соединении. Водород тем самым считает-
ся одновалентным. Это позволяет без труда нарисовать
структурные формулы множества веществ. Например:
О
Вода
N
Н^Н^Н
Аммиак
о=с=о
Углекислый газ
Кислород, говорим мы, двухвалентен, азот — трехва-
лентен, углерод — четырехвалентен. Система простая и
ясная.
Получается так, как если бы атом обладал считан-
ным количеством крючков, которыми он может сце-
пляться с другими атомами.
Итак, химические силы — особенные. Установив их
основные черты (насыщаемость валентностей и целочис-
ленность), можно построить чуть ли не все здание
структурной химии. Крепко сколоченное здание, надо
111
сказать. На протяжении примерно ста лет это здание
вполне устраивало химиков, в нем жилось удобно и ин-
тересно. Правда, то в одной комнате здания, то в дру-
гой что-то местами рушилось, и простая валентная схе-
ма оказывалась недостаточной для объяснения свойств
ряда веществ.
Почему один и тот же элемент может иметь разную
валентность? Почему хлор семивалентен в хлорной кис-
лоте
О
/
Н—О-С1=О
и одновалентен в хлористом водороде
Н-С1?
Как изобразить молекулу окиси углерода, угарного га-
за, убившего многих? Ведь в окиси углерода всего
один атом углерода и один атом кислорода — ее фор-
мула СО. Значит, углерод здесь двухвалентен: С = О.
Потом химики заметили, что валентность валентно-
сти рознь. Если изобразить молекулу нашатыря, хлори-
стого аммония, так:
н н
/|\
С1 н н
то получается, что азот здесь пятивалентен. Почему же
пятерка атомов NH4 переходит как единое целое из од-
ной молекулы в другую, образуя соли NH4NO3, (NH4)2SO4,
(NH4)3 РО4, а хлор легко отделяется от этой пятерки?
Это лишь немногие и притом самые простые из за-
гадок, вставших перед химией. В общем она с ними
справлялась, хотя бы описательно. И не задавалась во-
просом о внутреннем содержании валентного штриха —
той самой черточки, которая соединяет атомы в струк-
турной формуле. Благо с ее помощью удается объяс-
нить громадное количество фактов.
Ситуация своеобразная. Символическое изображе-
ние, валентный штрих с успехом применяется в целой
112
науке — грандиозной науке. А смысл его остается зага-
дочным.
Но этот успех часто заставлял забывать об необхо-
димости доискаться до смысла валентности, смысла хи-
мической связи. Успокаивали себя разговором об осо-
бых химических силах, об их «качественном своеобра-
зии». Примерно так же, как в биологии — жизнь суще-
ствует, она своеобразна, отлична от явлений неживой
природы. Будем ее изучать, но не следует «сводить» ее
к чему-нибудь более простому и ясному.
Нельзя считать такие ситуации свидетельствами не-
зрелости науки. Напротив, структурная химия, хотя и
встречавшаяся со многими затруднениями, в целом яв-
ляет собой законченную и зрелую область естествозна-
ния. Но именно потому, что ее принципы сформулиро-
ваны и закончены, нужно идти дальше, идти вперед и
вглубь. По пути, который открыла физика.
Химические связи бывают разные
Это совсем нетрудно — призвать идти вперед. Но как
и куда?
Начинать нужно, очевидно, с классификации. Попро-
буем прежде всего выяснить, все ли химические связи,
изображаемые валентными черточками, однотипны или
между ними имеются заметные различия.
Если расплавить или растворить в воде хлористый
натрий, обычную поваренную соль, то такой расплав
или раствор проводит электрический ток, потому что
он состоит уже не из молекул NaCl (изображаемых в
школьных учебниках так: Na—Cl), а из ионов — заря-
женных атомов Na+ и С1~.
Как заряжается атом? Путем отрыва электрона (то-
гда ион положительный) или путем присоединения элек-
трона (тогда ион отрицательный). Это понятно. Но по-
смотрим повнимательнее на электронную структуру
ионов Na+ и С1~. У натрия на один электрон больше,
чем у атома благородного газа неона. Этот избыточный
по сравнению с неоном электрон занимает шестую кле-
точку (стр. 106), он самый внешний. Состояние его —
3s. Предшествующие 10 электронов образуют замкну-
тую оболочку неона.
Внешний электрон натрия легче всего оторвать. Ото-
рвали. Что остается? Остается ион Na+, содержащий
из
10 электронов. Те самые 10 электронов, которые обра-
зуют оболочку неона — благородного газа.
Что в нем, собственно говоря, благородного? Стран-
ный эпитет в науке.
Это слово употребляется здесь в соответствии со
средневековыми представлениями о благородстве дво-
рянина. Благородный рыцарь блюдет свою честь и не
вступит в брак с простолюдинкой. Благородные газы не
вступают в химические соединения с другими атома-
ми*. Впрочем, и друг с другом, ведь молекулы благо-
родных газов содержат по одному атому.
По сути дела, эго «благородство» означает, что элек-
тронные оболочки благородных газов особенно устой-
чивы, особенно прочны. Их электроны не склонны уча-
ствовать во взаимодействии с другими атомами, и это
определяет устойчивость оболочки иона.
В свою очередь присоединение одного лишнего элек-
трона к атому хлора превращает его электронную обо-
лочку в оболочку благородного газа — на этот раз ар-
гона (стр. 106). Оболочка иона С1~ тоже очень устой-
чива.
Отсюда следует, что никакой валентной связи между
Na и С1 нет. Имеются два иона, подобные атомам бла-
городных газов. Один из них положительный, другой
отрицательный. Они и притягиваются друг к другу в
полном согласии с законами теории электричества — с
законом Кулона. Формулу нужно рисовать не так
Na-Cl,
а так
Na+Cl-
Как же обстоит здесь дело с насыщаемостью? Ведь
оттого, что Na+ притянул к себе один ион С1_, не мо-
жет измениться сила притяжения к другим ионам С1~.
Это же — простые электрические силы. И насыщаемости
тут тоже нет. В кристалле поваренной соли каждый ион
натрия окружен шестью ионами хлора, а каждый ион
хлора — шестью ионами натрия (рис. 24). Химическая
связь в NaCl не валентная, а ионная.
* Недавно удалось все-таки получить настоящие химические соединения тяже-
лых благородных элементов — ксенона и криптона с фтором, серой, кисло-
родом.
114
В этом мы разобрались без особого труда. Но как
же быть с молекулами самого хлора? Этот ядовитый
желто-зеленый газ состоит из двухатомных молекул С12.
Рис. 24. Схема ионного кри-
сталла
Нет ведь никаких оснований считать один атом хло-
ра в С12 заряженным положительно, а другой — отрица-
тельно. Ничем они друг друга не хуже. Они совершенно
одинаковые. Ионной связи здесь нет. Это — настоящая
валентная связь, для изображения которой уместно и
законно пользоваться валентным штрихом. Как бы мы
себе его ни представляли. Значит, имеются по крайней
мере два типа химических связей—ионные и валентные
(их называют ковалентными). В одном и том же соеди-
нении могут быть разные связи. Уже упомянутый на-
шатырь в действительности имеет вот какое строение:
Н
I
Н—N+—Н СГ
I
н
Ион аммония NH4+ образует ионную связь с С1-, а внут-
ри него —самые честные валентные штрихи.
Конечно же, как и при всякой иной классификации,
встречаются случаи промежуточные — связи, имеющие
частично ионный и частично валентный характер. Пова-
ренная соль есть натриевая соль хлористоводородной
(соляной) кислоты НС1. Как изобразить это простое со-
единение, Н—С1 или Н+С1_?
Жидкая НС1 не проводит электрического тока, сле-
довательно, не содержит свободных ионов. Формула
Н—С1 ближе к истине. Но единственный электрон ато-
ма водорода все-таки смещен к атому хлора, смещено
электронное облако. Это можно изобразить таким ри-
сунком (рис. 25).
115
н
Cl
Рис. .2 5.Электронное облако
молекулы НС1
Стоит немного углубиться в природу вещей и стал-
киваешься с совсем непредвиденными фактами. Эле-
ментарная валентная схема, с которой знакомит школа,
есть очень грубое приближение к разнообразным и сло-
жным электронным взаимоотношениям атомов. Этому,
очевидно, не следует удивляться. Гораздо более уди-
вительно то, что валентная схема объяснила столь мно-
гое.
Валентная связь
Какая молекула самая простая? Очевидно, молекула
водорода Нг — в ней всего два протона и два электро-
на. И один валентный штрих: Н—Н. Это — настоящая
валентная связь. Как она устроена?
Первый предварительный ответ на этот вопрос дал
Джильберт Ньютон Льюис, крупнейший американский
химик, в 1916 году, вскоре после создания Бором теории
атома. При ионной связи электроны переходят от атома
к атому так, чтобы образовались устойчивые оболочки
благородных газов, содержащие 2 электрона или 8 элек-
тронов. У гелия замкнутую оболочку образуют 2 элек-
трона, у неоиа, аргона и т. д. — 8 электронов.
Идея Льюиса была смелой и интересной. Он пред-
положил, что одному валентному штриху соответству-
ют два электрона, которые как бы поступают в общее
владение обоих атомов. При этом каждый атом оказы-
вается обладающим замкнутой электронной оболочкой
благородного газа. Молекула водорода по Льюису изо-
бразится так:
Точки — электроны. Каждый атом Н приобрел оболоч-
ку Не. А в молекуле аммиака
116
азот окружен оболочкой из восьми электронов, и каж-
дый атом водорода — двумя гелиевыми электронами.
Просто и красиво, неправда ли? Но это еще не на-
стоящая теория, а скорее модель валентной связи. Нуж-
но ведь понять, почему два электрона образуют одну ва-
лентную связь. И целых одиннадцать лет понять это не
удавалось.
В 1925—1927 годах была сформулирована квантовая
механика. Произошел резкий прорыв в глубины микро-
мира, проломили стену, отгораживающую его от физи-
ки, и увидели новую страну. Вслед за гениальным про-
никновением в общие основы физики микромира, осу-
ществленным Шредингером, Гейзенбергом, Дираком,
Борном и все тем же Бором, в быстром темпе появи-
лись прекрасные работы, в которых новые идеи приме-
нялись к решению частных задач. Слово «частные»
здесь, правда, весьма относительно. Частные по сравне-
нию с квантовой механикой в целом, но сами по себе
очень важные и глубокие: природа радиоактивного рас-
пада, природа электрического тока в металле и т. д.,
и т. п. Решение каждой из этих «частных» задач означа-
ло раскрытие целой области физики. И химии, так как
одной из задач было — изучение природы химической
связи.
Возникла своеобразная ситуация. Казалось бы, урав-
нение Шредингера, универсальное уравнение квантовой
механики, пригодно для вычисления свойств любых
электронных систем — и атомов и молекул. Но не тут-
то было.
Имеется старинная проблема классической механи-
ки, именуемая проблемой многих тел. Дело в том, что
уравнения механики, основанные на законах Ньютона,
строго и до конца решаются только для двух взаимо-
действующих масс. Скажем, можно получить абсолют-
ное решение для задачи об обращении Земли вокруг
Солнца. Всего два тела — Земля и Солнце, и между ни-
ми действует сила взаимного притяжения. Но имеется
117
ведь и Луна и другие планеты. И все они притягивают-
ся и к Солнцу и друг к другу.
Механика показывает, что нельзя строго решить за-
дачу даже о трех взаимодействующих телах. Позволь-
те, скажете вы, ведь удается с исключительной точ-
ностью предсказывать и солнечные и лунные затмения,
удается рассчитать траекторию космического корабля и
посадить его на Венеру 18 октября 1967 года, хотя в
полете он подвергался тяготению со стороны и Земли,
и Луны, и Солнца, и Венеры. Значит, задачу многих
тел решают и решают хорошо.
Конечно, очень хорошо. Но не путем прямого реше-
ния уравнений механики — это невозможно, а путем
применения великолепно разработанных приближенных
методов. Эти методы позволяют решать задачи небес-
ной механики со сколь угодно высокой наперед задан-
ной точностью. Они были развиты еще в прошлом веке.
Вспомним, как Леверье и независимо от него Адамс от-
крыли планету Нептун на кончике пера. Они пользова-
лись именно приближенными методами расчета, посред-
ством которых оценивались малые возмущения в дви-
жении Урана.
Так вот, уравнение Шредингера ничем не лучше
уравнений классической механики при решении пробле-
мы многих тел. Атом водорода, содержащий всего два
заряженных тела—протон и электрон, поддается полно-
му расчету. А для молекулы водорода нужно решать
задачу приближенно. Такое решение было получено
Гайтлером и Лондоном в 1927 году.
Все время я говорю о решении задачи. Как пони-
мать слово «решение»?
Задача ставится следующим образом: даны два
электрона и два протона, известны их электрические за-
ряды (равные, но противоположных знаков). Нужно не
только показать, что они образуют устойчивую систе-
му — молекулу водорода, но и вычислить энергию этой
молекулы и расстояние между протонами в этой моле-
куле. Вычислить в согласии с опытными данными.
Из исследования спектров было известно, что рас-
стояние Н—Н равно 0,74 -10—8 см, что энергия, необхо-
димая для разрыва связи Н—Н, составляет 109 ккал на
моль Н2; нужно затратить 109 ккал, чтобы превратить
2 г молекулярного водорода в свободные атомы. Уже в
118
первом расчете молекулы водорода были получены рас-
стояние Н—Н 0,86-10~8 см и энергия связи 72 ккал на
моль. Ошибки з 16 и 34% нельзя считать очень боль-
шими. Важно, что теория согласуется с опытом по по-
рядку величины.
Решение Гайтлера и Лондона имело осязательный
физический смысл. Оно показало, что валентная связь
создается перекрыванием атомных электронных обла-
ков, что действительно два электрона обобществляются
в валентной связи.
Молекулу водорода можно изобразить так, как по-
казано на рис. 26. Сферические облака ls-электронов
Рис. 26. Перекрывание ls-обла-
ков при образовании химической
связи в молекуле Н2
перекрыты, и наибольшая электронная плотность сосре-
доточена посередине между протонами. При этом выяс-
нилась важная особенность валентной связи. Два элек-
трона, ее образующих, обязательно имеют противополо-
жные направления спинов — их магнитики антипарал-
лельны (рис. 27).
Рис. 27. Антипараллельные
спины
Сразу возникает естественная мысль, не сводится ли
химическая связь к магнитному притяжению электро-
нов— ведь два противоположно направленных магнита
должны притягиваться друг к другу? Очень простая и
привлекательная мысль, такое объяснение химической
связи попало даже в некоторые толстые вузовские учеб-
ники.
Так вот, ничего подобного. Конечно, спиновые маг-
нитики притягиваются, но если вычислить энергию их
притяжения, то она окажется неизмеримо меньше энер-
119
гии химической связи. Антипараллельность спинов есть
важнейший признак связи, но никак не ее причина. Хи-
мическая связь не магнитная. Она возникает в резуль-
тате электрических взаимодействий особого характера,
присущих микрочастицам, и природа ее раскрывается
только квантовой механикой.
Химики стали рисовать валентные штрихи около ста
лет назад, в шестидесятых годах прошлого века. Но
лишь в 1927 году впервые выяснился смысл простой
черточки, так много давшей науке.
В дальнейшем приближенные методы решения урав-
нения Шредингера непрерывно совершенствовались.
В 1933 году после трехлетней вычислительной работы
Джемс и Кулидж получили решение для молекулы во-
дорода, находящееся в полном согласии с опытом. То-
гда это была очень трудная работа, сегодня электрон-
но-вычислительные машины делают ее запросто.
Так была создана новая область науки, называемая
квантовой химией. В сущности это, конечно, не химия,
а физика — приложение методов квантовой механики к
проблемам строения молекул, их химических и физиче-
ских свойств. Крупнейшие ученые потрудились над раз-
витием квантовой химии и среди них нужно прежде все-
го назвать Лайнуса Полинга.
Высокий, с развевающимися седыми волосами, По-
линг— человек совершенно независимых взглядов, ко-
торые невозможно поколебать. Он в равной мере упо-
рен в отстаивании своих позиций и в химии, и в биологии,
и в борьбе за мир, которой занимается самоотверженно.
Дважды он был удостоен Нобелевской премии: премии
по химии и премии мира. Когда президент Кеннеди
устроил в Белом доме прием в честь нобелевских лау-
реатов, Полинг пикетировал у входа с плакатом, при-
зывавшим к атомному разоружению. В день столетия
со дня рождения Лепина Полингу присудили Ленинскую
премию мира.
Ученый необычайно широкого диапазона, автор клас-
сических работ в области квантовой химии, кристалло-
химии, молекулярной биологии, вплоть до создания тео-
рии общего наркоза!
Квантовая химия позволяет в принципе рассчитать
любые свойства молекул, течение любых химических ре-
акций. Но расчеты эти в сложных случаях трудны и
120
длительны. Конечно, не имеет смысла вводить в дейст-
вие тяжелую артиллерию — квантовую химию — для то-
го, чтобы установить, что получится в результате той
или иной редакции. Гораздо проще и легче, а значит,
гораздо умнее изучать эту реакцию химическими мето-
дами. Но нам важно знать, что ничего кроме электрон-
ных взаимодействий в химической реакции нет, что она
содержится в уравнении Шредингера.
Валентность
Не думайте, что введение в химию идей квантовой
механики происходило с легкостью. Выход на такой
важный перекресток физики и химии испугал многих.
Так бывает всегда. Новые представления внедряют-
ся с боем. Трудно человеку, всю жизнь шедшему по тор-
ному пути, осознать, что в действительности этот путь
кончается стеной. И стену нужно пробить и нужно вый-
ти на перекресток.
Что только не говорилось по поводу квантовой хи-
мии! И о пресловутой сводимости—нельзя же сводить
химию к физике! И собственные «электронные» теории
придумывали, пытаясь игнорировать квантовую меха-
нику, «химические» теории. Одна из этих теорий имено-
валась так: классическая структурно-электронно-коор-
динационно-полярно-механическая-стереохимическая тео-
рия. Ни более, ни менее!
Вся эта чепуха стала сейчас достоянием истории, не
очень ценным достоянием. Остановить развитие науки
невозможно, хотя иногда и удается его задержать.
А волнующихся по поводу «сводимости» можно успоко-
ить. Химия остается химией, великой наукой. Осозна-
ние физической сущности основных химических явлений
обогатило химию, открыло ей новые перспективы.
Вернемся к валентному штриху. Его смысл—два
спаренных электрона с антипараллельными спинами.
Я хорошо помню, как один маститый профессор, вы-
ступая против квантовой химии, возмущался «спарива-
нием электронов»; термин его попросту шокировал. Сей-
час это смешно, но лет двадцать назад такие выступле-
ния ощутительно мешали развитию науки.
Водород одновалентен, так как он имеет всего лишь
один электрон, способный образовать пару с одним из
электронов другого атома. Гелий нульвалентен, так как
121
его два электрона уже спарены и нужно затратить боль-
шую энергию для того, чтобы перетащить один из ни>
на следующий 25-уровень. Литий одновалентен, подоб
но водороду: сверх гелиевой оболочки он имеет один
25-электрон. Все это хорошо видно на схемах электрон-
ной структуры атомов, показанных на стр. 105.
Следующий за литием элемент бериллий. Вот тут уже
дело обстоит хуже. Его электронная структура
Is 2s 2р
Be | f 4 | fl [ | | |
а валентность 0.
Две электронные пары образованы в самом атоме.
Выходит, что Be нульвалентен? Но ведь хорошо извест-
но, что он двухвалентен, образует окисел Ве = О и гид-
рид Н—Be—Н.
Как сделать бериллий двухвалентным? Для этого до-
статочно перевести один из 25-электронов в 2р-состоя-
ние:
Is 2s 2-р
4. Be* | t I | t | t | | [ валентность 2
Для такого перехода электрона нужно затратить энер-
гию, но не такую большую, как в случае перехода 1s—>
—>-2s в гелии. Зато атом Be стал двухвалентным и мо-
жет образовать две связи с соответствующим выигры-
шем энергии. В целом, при реакции Ве+Н2—>ВеН2 энер-
гия выигрывается. Поэтому валентное состояние Be*
Is2 2s 2р, а не ls22s2.
Сходные ситуации реализуются у бора и углерода.
Вместо состояний
Is 2s 2р
5. В
6. С
11 til 11 1
T I til 11 11
валентность 1
валентность 2
в молекулах эти атомы имеют состояния
5. В* I t I | t | t t валентность 3
6. C* If | | | f f j валентность 4
122
Дальше все идет просто:
Is 2 s "f_____ 3 s
7. N t 1 | t i t t ! t | валентность 3
8. 0 t I | t I | t I t 1 t 1 валентность 2
9. F t I | t I t I 111 t 1 валентность 1
10. Ne t I | t I t I 11111| валентность 0
11. Na t I | t I t I 111 tilt валентность 1
Все объяснено в соответствии с данными химии, с су-
ществованием соединений В2Н6, СН4, NH3, Н2О, HF,
NaH (илиМа2О).
Периодичность химических свойств элементов, най-
денная Менделеевым, стала понятной благодаря кван-
товой механике. Мы знаем теперь, что такое химическая
связь.
У молекул своя геометрия
Электроны спарились, химические связи образова-
лись. Как же они расположились в пространстве?
С точки зрения школьной химии безразлично, как
изображать молекулу воды, так:
н-о-н
или так:
Н
О-Н
В первом случае палочка, во втором угол. В обеих фор-
мулах две связи О—Н одинаковые — молекула симмет-
рична. Однако атомы несомненно расположены в прост-
ранстве определенным способом. Уместно поэтому за-
даться вопросом о том, какая из двух формул соответ-
ствует действительности.
Казалось бы, простая логика. Но как это ни удиви-
тельно, в начале ее было не легко понять.
Первым химиком, отчетливо сформулировавшим
проблему молекулярной геометрии и предложившим ее
решение, был голландец Вант-Гофф. В бытность свою
скромным химиком в Ветеринарном колледже в Утрех-
те в 1874 году Вант-Гофф опубликовал работу под на-
званием «О структурных формулах в пространстве».
123
В 1901 году он стал первым Нобелевским лауреатом по
химии, однако признание пришло к нему не сразу.
В 1877 году Кольбе — один из крупнейших химиков
того времени, бывший наряду с А. М. Бутлеровым, Ке-
куле и Купером основоположником структурной теории
в органической химии, — разразился гневной и издева-
тельской статьей в ответ на работы Вант-Гоффа. «Не
так давно, — писал Кольбе, — я высказал мнение о том,
что недостаток общего образования и надлежащей хи-
мической подготовки у некоторых профессоров химии
служит одной из причин упадка химических исследова-
ний в Германии... Пусть тот, кому мои огорчения пока-
жутся преувеличенными, прочтет, если сможет, недав-
ний мемуар господина Вант-Гоффа «О расположении
атомов в пространстве», документ, переполненный до-
верху излияниями ребяческой фантазии. Этот д-р Я. Г.
Вант-Гофф, служащий в Ветеринарном колледже в Ут-
рехте, видимо не имеет вкуса к точным химическим ис-
следованиям. Он находит более удобным забраться на
своего Пегаса (наверное, взятого из конюшен Ветери-
нарного института) и объявить как, во время отважного
полета на гору Парнас, он увидел атомы, расположен-
ные в пространстве».
Хлестко сказано, не правда ли? Менее язвительно,
но столь же невежественно отзывался крупный русский
математик академик М. В. Остроградский на новую
геометрию Н. И. Лобачевского. В протоколе Академии
наук от 31 октября 1832 года сказано: «Г-н Остроград-
ский замечает, кроме того, что работа выполнена с та-
ким малым старанием, что большая часть ее непонят-
на. Поэтому он полагает, что этот труд г-на Лобачев-
ского не заслуживает внимания Академии».
И Остроградский и Кольбе отнюдь не украсили свою
деятельность этими поступками. Вот, что получается, ко-
гда ученый поддается тупому и мрачному скепсису н
дает волю своим чувствам, не контролируемым разу-
мом. Едкое остроумие или простое отрицание не могут
заменить научную аргументацию.
Но если вдуматься, то можно понять рутинные рас-
суждения современников Вант-Гоффа. Ведь в то вре-
мя само понятие атома многими воспринималось как ги-
потетическое, а к химической формуле относились, как
к сугубо символическому изображению соединения. Лишь
124
наиболее светлые умы, прежде всего Александр Михай-
лович Бутлеров, понимали, что структурная формула
должна иметь прямое и недвусмысленное отношение к
реальной действительности.
Геометрическая структура молекул в основных чер-
тах была установлена химиками, которые пошли по пу-
ти Вант-Гоффа. В нашем веке физические методы
(спектроскопия и рентгенография молекул, изучение их
оптических и электрических свойств) позволили с боль-
шой точностью определить структуру молекул в прост-
ранстве, измерить длину связей и углы между связями
(между валентными штрихами!).
Молекула НгО построена не в виде палочки, а в ви-
де треугольника
н н
Длина связей О—Н (расстояние между ядрами атома
водорода и атома кислорода) равна 0,97 А (1 ангстрем
равен 10-8 см), угол между связями составляет 104,5°.
Квантовая химия объясняет, почем'7 это так. В мо-
лекуле Н2О связи образуются спариванием двух 2р-
электронов атома О с ls-электронами атомов Н. Но
облака 2р-электронов имеют форму восьмерки (стр. 101),
причем восьмерки двух 2р-электронов расположены под
прямым углом друг к другу. При перекрывании этих об-
лаков с облаками 1 s-электронов линии, проходящие че-
рез область перекрывания, располагаются под прямым
углом друг к другу. Это показано на рис. 28. Значит
угол НОН должен быть прямым. В действительности он
немного больше. Это объясняется отталкиванием друг
от друга валентно не связанных атомов водорода.
Молекула аммиака NH3 имеет форму пирамиды
(рис. 29, а), а метана СН4 — тетраэдра (рис. 29, б).
В мире молекул приходится встречаться со многими
красивыми формами.
Можно по-разному изображать геометрические струк-
туры молекул. На рис. 29 это схемы, построенные из ша-
риков — атомов и палочек — связей. Более близки к ре-
альности модели, представленные на рис. 30, в которых
объемно показаны электронные облака.
Иммануил Кант считал, что основой зрительного
эстетического восприятия служат простейшие геометри-
125
ческие формы — сфера, куб, пирамида. Один из великих
импрессионистов, французский художник Поль Сезанн
искал эти формы в окружающей природе и геометризо-
вал свои пейзажи, натюрморты, портреты. Те же эсте-
тические идеи определили возникновение кубистической
живописи — второй период творчества Пикассо, творче-
ство Гриса, Брака и других.
Несомненно, доля истины в этих идеях есть, о чем
хорошо знают архитекторы и живописцы. Геометрия мо-
лекул также эстетична — эти формулы поистине краси-
вы. Их красота определяется единством формы и со-
держания. Физические и химические свойства молекул
неразрывно связаны с их геометрией.
Великий углерод
Самый важный элемент на Земле — углерод.
Сказав так, нам придется уточнить это понятие. Та-
кие термины, как большой или малый, важный или не-
важный, хороший или плохой, совершенно непригодны
в науке.
Углерод вовсе не столь важен с точки зрения его
распространенности на Земле. В земной коре углерода
всего лишь 0,055%, в то время как кислорода 60,50%,
кремния 20,45% и даже титана 0,27%. В атмосфере —
0,03% двуокиси углерода СО2, т. е. всего 0,008% угле-
рода.
Я говорю о важности углерода для нас, для чело-
вечества. Наша жизнь — углеродная. Все биологически
функциональные вещества, за исключением воды и не-
которых солей, содержат углерод. Таковы белки, ну-
клеиновые кислоты, жиры, углеводы, гормоны, витами-
ны, порфирины.
Число соединений углерода в принципе бесконечно.
Уже сегодня химикам известно около миллиона природ-
ных и синтетических углеродсодержащих веществ, во
много раз больше, чем соединений всех остальных эле-
ментов, не содержащих углерода. Ежегодно выходят но-
вые тома хандбуха — справочника Бейльштейна, посвя-
щенного описанию свойств и способов получения новых
углеродных соединений.
И в технике углерод занимает с каждым днем все
более важное место. Углеродными соединениями явля-
ются природные и синтетические волокна, природный и
126
Рис. 28. Электронные облака
в молекуле воды
ОН
Рис. 29. Схемы молекулы ам«
мнака (а) и молекулы метана (б)
Рис» 30. Пространственные структуры нескольких простых молекул
синтетический каучук, пластмассы, нефтепродукты, кра-
сители для текстиля, бумага, на которой напечатана
эта книга, подавляющее большинство медикаментов, чу-
гун, наконец. Да, да, белый чугун представляет собой
углеродное соединение железа — цементит ЕезС. Чистый
углерод встречается в природе в виде графита и алма-
за. Все зиают об открытии и эксплуатации алмазных
месторождений в Якутии, предугаданных в одном из
рассказов палеонтологом и научным фантастом И. А.
Ефремовым.
Есть два пути для встречи с неуглеродной жизнью.
Оба они пока что сказочные. Во-первых, рано или позд-
но человечество дойдет до создания робота, полностью
моделирующего живое существо. И, может быть, этот
робот будет сделан без углерода. Во-вторых, космиче-
ские полеты будущего, может быть, приведут людей на
далекие планеты, населенные неуглеродными живыми
существами. Скажем, существами с кремниевой жизнью.
На Земле жизнь есть высшая форма развития мате-
рии. И жизнь эта — углеродная.
Бесконечное разнообразие углеродных соединений
объясняется прежде всего тем, что именно атомы угле-
рода обладают особой способностью соединяться друг
с другом. Истинная валентность углерода, равная четы-
рем, особенно велика. Поэтому атомы углерода объеди-
няются в цепи, в кольца, в сколь угодно сложные гео-
метрические фигуры. Эти соединения устойчивы в зем-
ных условиях: при очень высокой температуре они не
могли бы существовать, а при очень низкой не могли
бы образоваться.
Соединения углерода называются органическими со-
единениями, и соответствующая важнейшая область
химии — органической химией. Органическая—от слова
организм. До 1828 года считалось невозможным искус-
ственно, без участия живого начала, получить органи-
ческие соединения. Торжествовал витализм — таинствен-
ная «жизненная сила», которая действовала весьма кон-
кретно: умела, например, изготовить спирт или уксус-
ную кислоту с помощью бактерий, а химик был беспо-
мощен.
Органические соединения действительно во многом
отличаются от остальных — от неорганических. Органи-
ка, так химики именуют органические соединения, го-
128
рит, разлагается или обугливается при не слишком вы-
сокой температуре. Не стоит забывать сухари в духовке
или гладить найлоповую рубашку горячим утюгом. Еще
опаснее сунуть зажженную спичку в бензобак автомо-
биля.
Световой аншлаг: «Дети, не играйте со спичка-
ми!» в сущности формулирует характерные свойства ор-
ганики. О других, более специфических ее свойствах го-
ворит -аншлаг, иногда следующий за первым под запя-
тую на световых рекламах: «Пейте советское шампан-
ское!».
А вот поваренная соль, кирпич, гранит не горят. Ог-
неупорные ткани, сделанные из стекла или асбеста, ие
боятся нагревания.
При сгорании на воздухе углерод окисляется до СОг.
Громадное множество органических соединений содер-
жит водород; он тоже окисляется до воды. Газ, горящий
на кухне, состоит главным образом из метана СН4. При
сгорании он образует СОг и воду:
СН4 + 2О2 -» СО2 + 2НгО.
Внутреннее отличие органики от большинства неор-
ганических соединений выражается в том, что химиче-
ские связи в органике, как правило, — валентные. Ион-
ные связи сравнительно редки в органических соедине-
ниях. В этом смысле соли угольной кислоты Н2СО3 (со-
да Na2CO3, мел СаСОз, поташ КгСО3) не имеют свойств,
типичных для органики, они принципиально сходны с
любыми неорганическими солями. Но ведь нет правил
без исключения.
Как сделать мочевину?
В 1829 году Фридрих Велер нанес страшный удар по
«жизненной силе». Он написал своему учителю, знаме-
нитому шведскому химику Берцелиусу: «Я не в силах
больше молчать и должен сообщить Вам, что могу по-
лучать мочевину без помощи почек, без помощи соба-
ки, человека и вообще без участия какого-либо живого
существа».
Мочевина—сравнительно простое органическое со-
единение, содержащееся в моче млекопитающих. Его
5 М. В. Волькенштейн
129
структурная формула
ZH
хн
Взрослый человек ежедневно выделяет около 20 г мо-
чевины. В крови акулы ее содержится почти столько же,
сколько в моче человека. Мочевина — белый кристалли-
ческий порошок. Сегодня это вещество важное, оно при-
меняется в качестве удобрения, используется в фарма-
цевтической и полимерной химии.
Велер получил мочевину выпариванием раствора
циановокислого аммония NH4NCO — соли, которую
можно изготовить из простейших веществ, не связанных
с жизнедеятельностью растений или животных. Сейчас
мочевину получают промышленно в больших количест-
вах, в частности посредством реакций:
,0—Н ,NH2
О=С=О + NHS — О=С< +NHl_ О=С< + Н2О.
xnh2 xnh2
Синтез Велера был первым примером искусственно-
го получения органического вещества. Стена, отделяв-
шая органическую химию от неорганической, была про-
бита. И произошло это в то время, когда представление
о «жизненной силе» было господствующим. Берцелиус
писал в 1815 году: «Когда мы рассматриваем наш орга-
низм как машину, то какими бы знаниями о его строе-
нии мы ни обладали, как бы глубоко ни понимали взаи-
модействие веществ друг с другом, причина большинст-
ва явлений в живом организме остается так глубоко
скрытой от нас, что мы, наверняка, никогда не сможем
обнаружить ее. Эту скрытую причину мы называем
«жизненной силой».
Сегодня органическая химия — колоссальная об-
ласть синтетических и аналитических исследований.
В колбе химика получены сложнейшие вещества — и та-
кие, которые ранее удавалось выделить только из жи-
вых организмов, и такие, о которых природа никогда
не помышляла. Синтезированы витамины, гормоны, не-
которые простейшие белки.
130
Первая линия обороны сторонников «жизненной си-
лы» давно разрушена. Но до тех пор, пока в той же
колбе химика не возникнет первое живое существо, хо-
тя бы и самого примитивного строения, витализм, со-
знательный или бессознательный, будет бороться за су-
ществование.
Искусственное получение гомункулуса — человечка в
колбе — древняя мечта алхимиков, осмеянная Гете:
Г омункул
(внутри колбы, обращаясь к Вагнеру)
А папенька! Так не на шутку я
Тобою создан? Обними ж меня!
Но только тише: колба разобьется.
Создатель Гомункула, Вагнер, противостоит Фаусту,
воплощая образ ученого-филистера, лабораторного за-
творника, лишенного фантазии, рома!нтического полета
мысли. И ему-то и удается «сварить» Гомункула!
Но то, что казалось Гете тупым и примитивным за-
мыслом, приближается. До гомункулуса еще далеко, но
познание сущности жизни развивается с громадным ус-
корением. Синтез мочевины был важной вехой на этом
пути.
Бутлеров и другие
Ясное понимание четырехвалентности углерода и
сознательное пользование валентным штрихом опреде-
лили создание теории строения органических соедине-
ний. Как и любое другое крупное научное обобщение,
теория строения создавалась трудами многих ученых,
среди которых должно назвать химиков Кольбе, Кеку-
ле, Купера и физика Лошмидта. Наиболее последова-
тельно и содержательно теория строения была развита
Александром Михайловичем Бутлеровым (1861). Очень
интересно было бы проследить, как варьировались идеи
теории строения в работах названных ученых, пока они
не сложились в окончательную форму. Но не будем этим
заниматься, ведь эта книга посвящена не истории
науки.
Простейшие соединения органической химии — угле-
водороды, т. е. соединения углерода с водородом. Изо-
5*
131
бражения на плоскости листа бумаги
насыщенных углеводородов имеют вид:
так называемых
н н н 1 1 н н н 1 1 1
н-с-н 1 1 1 н-с-с-н 1 1 1 1 1 н—с—с—с—н
1 - н 1 1 н н ' 1 1 н н н
Метан Этан Пропан
Здесь приведены структурные формулы трех газооб-
разных веществ, входящих в состав горючего газа, ко-
торым мы широко пользуемся в быту. Но поскольку
атом углерода может связываться с атомом углерода,
число таких углеводородов неограниченно. Данный ряд
описывается общей формулой СпН2п+2 (так, в пропане
п = 3 и его формула СзНв).
Можно заменить каждый из атомов водорода на дру-
гой одновалентный атом или одновалентную группу
атомов. Проделаем такую замену в этане:
С1 н н н н н
н—с—с—н 1 1 1 1 н-с-с—он 1 1 1 1 н—с—c-nh2 1 1
1 1 Н С1 1 1 н н 1 1 н н
Дихлорэтан Этиловый спирт Эгиламии
Подобным возможностям несть числа. Химики синте-
зировали множество различных соединений и разобра-
лись в их строении на основе структурных формул, так
называемой валентной схемы.
Углеродные атомы образуют не только цепочки, но
и кольца
Н Н Н Н
н н н н
Циклогексан
132
И в состав цепочек и в состав колец могут входить
и другие атомы
О
Н-0 /Н /
Н Н )С< / \ ОН
| I н/ >С\ н н \г/
Н—С-О—С—Н Hz \ I I / \
II \1I/ Н
Н Н С—с
I I
он он
Диметиловый эфир
Рибоза (рибофураноза)
Ясное дело, чтобы разобраться во всем многообра-
зии органических соединений, химикам пришлось раз-
работать их номенклатуру и классификацию. Соедине-
ния, часто встречающиеся в повседневной жизни, имеют
условные названия, но в то же время и строгие, науч-
ные. Вещества, с которыми имеют дело только в науке,
обычно называются в соответствии с принятой между-
народной терминологией, а для краткости сокращенны-
ми терминами. Общеизвестное лекарство уротропин в
химии именуется гексаметилентетрамином. Гекса — это
по-гречески шесть, метилен —двухвалентная группа
/СН2, тетра по-гречески — четыре, амин — одновалент-
ная группа — NH2. В четырех аминных группах водоро-
ды заменены на группы СН2, которых шесть. Строение
уротропина такое:
н с/7 \сн
сн2
I
N
сн2Хсн2
сн2 /
В лингвистическом отношении химия похожа на био-
логию. Имеются обычные названия растений и живот-
ных и международные латинские наименования. Кошка
называется на всех языках по-разному, а латинское ее
название едино: Felis domesticus L. (L. означает,
133
что определено Линнеем). Если речь идет о не столь
привычном существе, а скажем, о каком-нибудь из мно-
жества видов насекомых, то употребительно только ла-
тинское его наименование. Мушку Drosophila melano-
gaster, сыгравшую такую важную роль в генетике, так
и называют дрозофилой.
Но если в биологии дело ограничивается двумя тер-
минами — названием рода и видовым определением, то
химикам приходится зачастую пользоваться весьма
длинными словесными формулами. Краска гелиантин
(основа, дающая известный индикатор метилоранж)
называется пар а-диметил аминоазобензосульфокислота.
И ничего с этим не поделаешь: химические соединения
надо же называть так, чтобы можно было понять, как
они построены.
Изомеры
А. М. Бутлеров хорошо понимал, что структурная
формула не просто символ молекулы. По его мысли,
структурная формула выражает реальные взаимоотно-
шения атомов. «Если попытаемся теперь,— писал Бут-
леров,— определить химическое строение веществ и ес-
ли нам удастся выразить его нашими формулами, то
формулы эти будут, хотя еще не вполне, но до извест-
ной степени, настоящими рациональными формулами...
Для каждого тела возможна будет в этом смысле лишь
одна рациональная формула, и когда сделаются извест-
ными общие законы зависимости химических свойств
тел от их химического строения, то подобная формула
будет выражением всех этих свойств».
Вот этот рациональный, т. е. реальный, характер
структурной формулы находит ясное выражение в явле-
нии изомерии, которому Бутлеров уделил особое вни-
мание. Изомерия — своеобразное явление. Молекулы
двух или большего числа веществ могут иметь один и
тот же атомный состав, одну и ту же «брутто-форму-
лу», но сильно разнящиеся свойства. Этиловый спирт
СгНбО известен с незапамятных времен, воспет Анакре-
онтом, Омаром Хайямом, правда не в чистом виде, а
как важнейшая часть благородного напитка — вина.
Диметиловый эфир СгНеО такого интереса для челове-
чества не представляет. Это газообразное вещество,
134
с которым имеют дело только хймикй (не следует его пу-
тать с диэтиловым эфиром С4Н10О, применяемым для
наркоза). Состав спирта и эфира одинаков, а свойства
совсем разные. Различие, правда, исчезает при сжига-
нии того и другого вещества.
СгН6О + ЗО2 - 2СОг +.ЗН2О,
но ведь и вещества при этом не остается.
Без структурных формул изомерию не понять. И это
легко иллюстрировать, сопоставив структурные форму-
лы двух изомеров.
НН НН
II II
Н—С—С—О—Н Н—с—о—с—н
II I I
НН НН
Этиловый спирт Диметиловый эфир
Структурная формула изображает последователь-
ность валентных связей в молекуле, и в этом смысле
безразлично, как изобразить этиловый спирт так, как
он уже нарисован, или так:
Н
Н-С-Н
| HSC— СН2-0Н
Н-С—О-Н
I
Н
В действительности это, конечно, не безразлично —
атомы расположены в пространстве вполне определен-
ным образом. Вспомним сказанное о воде (стр. 123).
Еще один пример изомерии. Метан, этан и пропан
изомеров не имеют: один, два и три атома углерода
нельзя представать в иной последовательности. Но уже
следующий в ряду СпН2п+2 углеводород бутан может
иметь два изомера, первый из которых кипит при —0,5°,
второй при —11,7°.
н н н н н н н
Illi III
Н—С—С—С—С—Н Н—с—с—с—н
к н н н н | н
II—С—н
I
н
Бутан Иэобутан
136
По мере увеличения числа атомов углерода в угле-
водороде число изомеров резко возрастает. У нонана
С9Н20—35 изомеров, у триаконтана СзоН62—4 111 846 763
изомера. Не то чтобы получить эти изомеры, но даже
изобразить их практически невозможно. Однако рассчи-
тать число изомеров можно вполне точно.
Химия и спиритизм
Один из крупнейших химиков прошлого века, Алек-
сандр Михайлович Бутлеров родился в год синтеза мо-
чевины, в 1828 году, и умер в 1886 году. Он учился и
работал в Казани — важном центре русской научной
мысли, а затем в Петербурге. Интересы его были ши-
роки— кандидатскую диссертацию Бутлеров написал по
энтомологии, она называлась «Дневные бабочки волго-
уральской фауны». В дальнейшем он уделял много сил
и внимания развитию пчеловодства в России. Но, конеч-
но, главным делом жизни Бутлерова была органическая
химия. Он стал основоположником теории строения, про-
вел множество экспериментальных работ, посвященных
синтезу и установлению структуры органических соеди-
нений.
Бутлеров был человеком большого общественного
темперамента, сыгравшим важнейшую роль в развитии
русской науки. Он возглавлял Русское физико-химиче-
ское общество, был одним из организаторов Высших
женских курсов. Он создал первоклассную научную
школу.
В 1882 году великий Менделеев был провален на вы-
борах в Академию наук — в основном благодаря уси-
лиям реакционно настроенных ученых. Избрали пре-
красного химика-органика Бейлыптейна, которого, одна-
ко, нельзя было сравнить с Менделеевым. Бутлеров на-
рушил академические традиции, «вынес сор из избы»,
опубликовал статью, заглавие которой говорит само за
себя: «Русская или только Императорская Академия
наук в С.-Петербурге?». В этой статье он горячо всту-
пился за Менделеева, за прогресс науки в России.
И в то же время... Впрочем, предоставим слово Льву
Толстому.
«Профессор (остановившись, а потом продолжая).
Молекулы из атомов, но атомы, не имея протяжения,
суть в сущности не что иное, как точки приложения сил.
137
То есть, строго говоря, не сил, а энергии — той самой
энергии, которая так же едина и неуничтожима, как и
материя. Но как материя одна, а виды ее различны, так
точно и энергия. До последнего времени нам были из-
вестны только четыре превращающиеся один в другой
вида энергии. Нам известны энергии: динамическая, тер-
мическая, электрическая и химическая. Но четыре вида
энергии далеко не исчерпывают всего многообразия ее
проявлений. Виды проявлений энергии многообразны, а
один из таких новых, мало известных видов энергии и
исследуется нами. Я говорю об энергии медиумизма.
Опять шепот и хохот в углу молодежи.
^Профессор (останавливается и, строго оглянув-
шись, продолжает). Медиумическая энергия известна
человечеству давным-давно: предсказания, предчувст-
вия, виденья и многие другие — все это не что иное, как
проявления медиумической энергии...»
Это цитата из «Плодов просвещения», пьесы, в ко-
торой Лев Толстой высмеивает увлечение спиритизмом
в кругах интеллигенции, противопоставляя ей трезвый
ум и ясное миросозерцание крестьянина. Как это не па-
радоксально, толстовское начало, отрицавшее науку,
сходится здесь с менделеевским. Менделеев усиленно
боролся со спиритизмом, разоблачая жульнические ма-
хинации медиумов. И в этой борьбе Менделеев столк-
нулся с Бутлеровым, потому что толстовский профес-
сор— не кто иной, как Бутлеров.
Великий химик был искренним приверженцем спири-
тизма, писал об этом статьи, вместе с писателем Акса-
ковым редактировал журнал спиритов, телепатов и яс-
новидцев «Ребус».
Как могло быть такое? Я могу объяснить заблуж-
дение Бутлерова только его честностью. Показали ему
чисто оформленные спиритические опыты и он поверил
своим глазам, не допуская мысли об обмане. Будучи
ученым-материалистом, он стал искать рациональное
объяснение увиденным чудесам и рассуждать о меди
умической энергии, наподобие толстовского профессора
Энгельс высмеял Бутлерова и таких крупных англий
ских ученых, как Уоллес (наряду с Дарвином он обосно-
вал теорию естественного отбора) и Крукс (открыл
элемент таллий и создал первый радиометр), уже
не в пьесе, а в статье «Естествознание в мире духов».
138
Энгельс тонко раскрывает- происхождение веры в меди-
умизм. «Мы здесь наглядно убедились,— пишет он,—
каков самый верный путь от естествознания к мисти-
цизму. Это не безудержное теоретизирование натурфи-
лософов, а самая плоская эмпирия, презирающая вся-
кую теорию и относящаяся с недоверием ко всякому мы-
шлению. Существование духов доказывается не на ос-
новании априорной необходимости, а на основании эм-
пирических наблюдений господ Уоллеса, Крукса и ком-
пании». Добавить к этим словам нечего.
Я не вижу ничего хорошего в том, что спиритические
слабости Бутлерова замалчиваются в нашей историко-
научной литературе. Они не умаляют его великих за-
слуг перед наукой, но в то же время раскрывают инте-
ресные черты его психологии.
В наши дни уже нет по-настоящему крупных ученых,
выступающих в защиту спиритизма или парапсихологии
(телепатии). Есть, правда, ученые религиозные. Перво-
классный теоретик Коулсон — методистский священник.
Им написана одна из лучших в мировой литературе книг
по квантовой химии «Валентность». И в то же время:
«Наука и христианская зера», «Наука, технология и
христианин». Отличный биолог Торпе написал книгу
«Биология и природа человека», в которой доказывает,
что догмат о бессмертии души совместим с биологией;
книга выпущена университетским издательством в Окс-
форде.
Можно отнестись с уважением к искренности и убеж-
денности Коулсона и Торпе, но к науке, к ясному по-
знанию реального мира эти их труды не имеют никако-
го отношения—в отличие от «Валентности».
Т елепатия
Сегодня никго уже не занимается всерьез столовер-
чением, но очень многие интересуются телепатией — пе-
редачей мыслей на расстоянии, телекинезом — мыслен-
ным воздействием на неживые предметы и т.д., и т.п.
Повышенный интерес к такого рода сообщениям требу-
ет внимания и объяснения.
В околонаучной литературе в последние годы много
говорится о телепатии. Правда, мы не найдем ни слова
об этом на страницах серьезных научных журналов.
139
Мне не раз приходилось читать популярные лекции
о реальных достижениях молекулярной биологии — о
великих открытиях нашего времени. Но, боже мой,
сколько я получал после этих лекций записок с прось-
бами сказать, что я думаю о телепатии! Оказывалось,
что телепатия интересует широкие круги слушателей го-
раздо больше, чем настоящая наука.
А ведь в самом деле интересно! Человеку хочется
поверить в сказку, в чудо, и он это делает без труда,
если оная сказка подается в наукообразной форме.
Я в телепатию не верю. И хочу привести свои аргу-
менты. Не каждый аргумент здесь хорош. Скажем, если
я буду говорить, что признание телепатии ведет к ми-
стике и поповщине, то это не произведет особого впе-
чатления ни на телепатов, ни на их сторонников. Во-
первых, они вполне честно ищут материальное, а не ми-
стическое объяснение своих эффектов — особое поле
(«медиумическая энергия»?) и т.п. Во-вторых, кое-кто
и квантовую механику и теорию относительности обви-
нял в идеализме, в поповщине. Это была грубо ошибоч-
ная, невежественная демагогия. Может быть, так ока-
жется и с телепатией?
Серьезная аргументация, без наклеивания ярлыков,
состоит в ином.
В телепатической литературе не описаны по-настоя-
щему убедительные опыты с надлежащей воспроизво-
димостью, контролем, статистическим анализом. Но
очень много пишется о событиях, которые нельзя трак-
товать иначе, чем случайные совладения. Девушка, лю-
бимый брат которой лежит в больнице, восклицает, си-
дя дома: «Он умер!». И действительно, брат умер в это
же самое время. Чудо? Нет — совпадение. Мы ведь не
знаем, сколько раз она думала, что он умер, до этого.
Зарегистрировано только одно совпадение; несовпадения
не регистрировались. Опыт без воспроизводимости — не
опыт.
Все, что мы знаем сегодня об устройстве и физиоло-
гической деятельности головного мозга, показывает, что
мозг может испускать только электромагнитные волны
весьма малой интенсивности — те волны, которые реги-
стрируются в электроэнцефалографии. О передаче сиг-
налов на сколько-нибудь заметные расстояния такими
волнами не приходится думать. Тем более о «нейтрин-
140
иых волнах», о которых писалось в одной из телепати-
ческих книг.
Протелепаты па это скажут: «Мало ли что мы знаем
сегодня! Наука развивается, завтра мы будем знать
много больше, чем сегодня, и то, что сейчас кажется чу-
дом, завтра станет действительностью». Эти слова ли-
шены содержания. Наука развивается безгранично —
истина тривиальная. Но она развивается последователь-
но, а не путем полного отрицания уже достигнутого. Со-
временные знания не дают никаких оснований для то-
го, чтобы поверить в телепатию.
Характерно, что телепатия нли, употребим более
солидный термин, парапсихология совершенно не про-
двинулась вперед за последнее столетие, со времен из-
дания упомянутого журнала «Ребус». Так в настоящей
науке не бывает. Наука, как уже сказано, развивается.
Я уже не говорю о сознательном или бессознательном
обмане в телепатических опытах. О ложных сенсациях,
почерпнутых из газетных сообщений на Западе, вроде
телепатической передачи на подводную лодку.
Нет, если мне покажут блестяще выполненный теле-
патический опыт, я наверняка получу удовольствие, но
в него не поверю. Я ведь не знаю, как делались вели-
колепные цирковые иллюзии Кио. Но не думаю, что в
них нарушались законы природы, установленные на-
укой.
Повышенный интерес к телепатии— оборотная сто-
рона не столь давнего похода на научную генетику, на
биологию в целом. Если вместо науки декларируются
средневековые положения, вроде самопроизвольного
превращения одного вида в другой или превращения
бактерий в кристаллы, если вместо точных эксперимен-
тов производятся фальсифицированные, то почему бы
не быть телепатии?
Одно из крупных издательств, вообще говоря, не
публикующее книг по биологии, выпустило в 1963 году
две биологические книги. Обе — большим тиражом. Пер-
вая из них содержала лженаучную трактовку генетики,
вторая — восхваление телепатии.
Нужно ли запрещать телепатические исследования?
Думаю, что пет. Запреты такого рода только вредны,
так как создают опасный прецедент. Но чего действи-
тельно не следует делать — это популяризировать теле-
141
Il
в
патию. А ведь, вообще-то гово-
ря, солидных исследований
здесь и нет. Сплошная популя-
ризация.
а Сигма и пи
Бог с ней, с телепатией. Вер-
немся к науке, к химии.
Итак, на бумаге структур-
ную формулу можно изобразить
по-разному. Скажем, формулу
этана
Н
НзС—СНз
Н
Н-С -С^-н
Валентные связи в этане со-
здаются парами электронов с
антипараллельными спинами:
У каждого С восьмиэлектрон-
ная, неоновая оболочка, у каж-
дого Н — двухэлектронная, ге-
лиевая. Но молекула этана име-
ет не плоское, а трехмерное,
пространственное строение
(рис. 31,а). Углы между свя-
зями — тетраэдрические.
109°28'. Если изобразить пере-
Рис. 31. Схема молекулы этана
(а), электронные облака (б) в
ней н ее пространственное строе-
ние (в)
142
крываюшиеся электронные облака, то в соответствии с
расчетами Полинга они будут иметь вид, показанный
на рис. 31,6. Наконец, представив молекулу этана мо-
делью, построенной из атомов — непроницаемых шари-
ков, мы увидим то, что изображено на рис. 31, в.
Но существуют и другие углеводороды и их произ-
водные, в которых между двумя атомами углерода дол-
жно провести не один, а два валентных штриха. Наря-
ду с этаном С2Н5 хорошо известен другой газ — этилен
С2Н4 (из него получают полиэтилен, а этот полимер
уже всем известен). Нельзя придумать никакого спо-
соба изображения этой молекулы с сохранением одно-
валентности водорода и четырехвалентности углерода,
кроме такого
Н, /Н
>с=с(
Н7 хн
или, на языке электронных пар,
Между двумя атомами С здесь двойная связь. Она дей-
ствительно отличается от обычной единичной связи.
Кстати, часто говорят не единичная, а одинарная связь.
Это уродливое слово не свойственно русскому языку.
Либо это гибрид русского слова «один» с иноязычным
окончанием «арная», либо это слово «ординарная» (что
значит обыкновенная), неизвестно почему потерявшее
букву р. Употреблять это слово явно не следует.
Двойная связь способна присоединять другие ато-
мы — она не насыщена
Нч /Н1 Ч СЕ /Н
ХС=С7 -р С12 -> Н-Дз—(У~Н
н/ \н а н/ \С1
Этилен Хлор Дихлорэтан
143
Рис. 32.
Электронные облака в молекулах этилена (а) н ацетилена (6)
Электронное облако двойной связи выглядит своеоб-
разно. Молекула этилена плоская. Первая пара обоб-
ществленных электронов углеродов дает перекрываю-
щиеся облака, показанные на рис. 32. А электронные
облака второй лары расположены перпендикулярно пло-
скости молекулы (рис. 32, а).
Электронные облака, перекрывающиеся на самой
связи, на валентном штрихе создаются так называемы-
ми сигма-электронами (о-электронами). Они образуют
сигма-связи. Только с такими связями мы и встреча-
лись в случае этана.
Вторая С—С связь в этилене — пи (л)-связь. Об-
лака пи-электронов перекрываются выше и ниже ва-
лентного штриха так, как это показано на рис. 32.
Пи-связь несколько менее прочна, чем сигма-связь.
Иными словами, на ее разрыв нужно затратить мень-
шую энергию. Но, конечно, сигма-связь плюс пи-связь
прочнее, чем одна сигма-связь. Оторвать один углерод
от другого в этилене труднее, чем в этане.
Возможны и тройные связи. Углеводород ацетилен
имеет структуру
Н — С =s G—Н
Строение его электронной оболочки показано на рис.
32, б. Тройная связь состоит из одной о-связи и двух
л-связей. Молекула построена линейно—это палочка,
Ж
а Атомы колеблются
Если послать поток инфракрасных световых волн
через вещество (будь то этан, этилен или ацетилен), то
некоторые из этих волн веществом поглотятся. Какие и
почему?
Поглотятся ге волны, частоты колебаний которых
совпадут с частотами колебаний атомов в молекуле.
Иными словами, те волны, которые попадут в резонанс
с внутримолекулярными колебаниями.
Валентная связь означает взаимное притяжение ато-
мов, обусловленное перекрыванием электронных обла-
ков. Но атомы притягиваются не безгранично: они ведь
не сливаются друг с другом. Атомные ядра валентно
связанных атомов устанавливаются на определенном
расстоянии друг от друга — на равновесном расстоянии.
При дальнейшем сближении атомов в игру вступают си-
лы отталкивания: нельзя втиснуть одно электронное об-
лако в другое больше определенной степени перекры-
вания. Следовательно, равновесное расстояние между
атомами есть то расстояние, на котором силы притяже-
ния уравновешены силами отталкивания.
Если растянуть или, наоборот, сжать химическую
связь, то атомы будут стремиться вернуться в равнове-
сное положение и возникнут их колебания. Валентный
штрих в этом смысле есть некая пружина, которая мо-
жет колебаться (рис. 33). Такие колебания возбуждают-
ся в результате соударений молекул друг с другом или
при поглощении соответствующих инфракрасных волн.
Чем выше температура, тем сильнее колеблются атомы.
Рис. 33. Колебание молекулы
НС1
Мы ведь уже говорили об этих колебаниях — именно
они модулируют рассеянный свет (стр. 30). Значит, су-
ществуют два способа получения информации о колеба-
ниях молекул: исследование инфракрасных спектров по-
глощения и исследования спектров комбинационного
рассеяния.
На рис. 34 показан инфракрасный спектр поглоще-
ния жидкого сероуглерода CSg. Пики поглощения отве-
Н5
i юо
50
£»
o tn
Q. u
с о
3300
Рис. 34. Инфракрасный спектр сероуглерода. Кривая зависимости
пропускания света от частоты
чают колебаниям молекул. Сложная молекула имеет це-
лый набор различных колебаний, и число различных ко-
лебательных частот тем больше, чем больше атомов в
молекуле. Молекула воды, например, имеет три колеба-
ния, формы и частоты которых показаны на рис. 35.
Принято указывать не истинные частоты v, равные
скорости света с, деленной на длину волны X,
с
V = T’
а волновые числа, равные обратной величине длины
волны
1
v* =~г-
Иными словами, указывается, сколько длин волн укла-
дывается на 1 см. Именно эти цифры приведены на
рис. 35 для молекулы НгО.
Рис. 35. Колебания молекулы воды
Усиление химической связи означает, очевидно, уси-
ление «пружины», соединяющей атомы. Так, частота ко-
лебания единичной С—С-связи около 1000 см-1, часто-
та колебания двойной С = С-связи около 1600 см-1, а
тройной С = С-связи около 2100 см-1.
Вы видите, какая реальная вещь валентный штрих.
Его реальность раскрыта физикой, позволившей понять
146
электронную природу химической связи и давшей ряд
прямых методов изучения свойств связи, в частности
метод колебательных спектров.
Вы видите также, что спектры позволяют изучать
структуру молекул. Я снимаю спектр комбинационного
рассеяния неизвестного органического соединения. Сре-
ди других линий нахожу линию с частотой около
1630 см-1. Значит, в соединении есть двойная С=С-
связь.
Это очень простой пример. Но и в гораздо более
сложных случаях инфракрасные спектры и спектры
комбинационного рассеяния дают богатейшую инфор-
мацию о структуре вещества.
Загадочный бензол
Разные бывают углеводороды: насыщенные, этиле-
новые, ацетиленовые. Особенно интересны многими сво-
ими свойствами ароматические углеводороды и их про-
изводные. Простейший из них — бензол С6Н6.
Как сочетать такую брутто-формулу с четырехва-
лентностью углерода и одновалентностью водорода? Это
можно сделать несколькими способами. Изобразить бен-
зол вот такими структурными формулами:
или способом, показанным на рис. 36. Первая из этих
трех формул была предложена Кекуле. Она наиболее
н
Рис 36. Призматическая фор-
мула бензола
147
близка к истине по следующим причинам. В ней три
двойных С = С-связи. Действительно, если смешать жид-
кий бензол с жидким бромом Вгг, то под действием
ультрафиолетовых лучей можно присоединить к бензо-
лу 6 атомов брома
Н Вг
Значит двойные связи действительно имеются. Но при-
соединение брома к бензолу идет значительно труднее,
чем присоединение брома к этилену. В последнем слу-
чае никакого ультрафиолетового облучения не требует-
ся: бром присоединяется сразу.
Если не присоединять бром к бензолу, а замещать
бромом водород, то получаются три изомерных дибром-
бензола
мета пара
Мы пользуемся здесь принятым в химии сокращенным
обозначением бензольного кольца без указаний атомов
С и Н.
Столько же известно трибромбензолов
Вг Вг
и тетрабромбензолов
Вг Вг
Вг
148
Казалось бы, все хорошо Известные изомеры вполне
согласуются с формулой Кекуле. Значит, она верна?
Не совсем. Ведь этой формуле должны отвечать не
один, а два разных орто-дибромбензола
Вг
Вг
В одном из них между атомами брома расположена
единичная связь, в другом двойная. Опыт таких изоме-
ров не дает.
Но, может быть, различия в свойствах этих орто-
дибромбензолов слишком малы, чтобы их удалось обна-
ружить и выделить? Нет, имеются и другие данные, оп-
ровергающие формулу Кекуле, и получены они в ре-
зультате физических исследований.
Исследование рассеяния веществом рентгеновых лучей
и электронов — рентгенография и электронография —
дает возможность определить расстояния между атомами
в молекуле. Оказывается, что бензол — совершенно пра-
вильный шестиугольник. Это плоская молекула, все ее
валентные связи лежат в одной плоскости. Все шесть уг-
лерод-углеродных связей в бензоле имеют одинаковую
длину 1,39 А, промежуточную между длиной единичной
(1,54 А) и двойной (1,33 А) связей. Таким образом, все
связи выравнены: в бензоле нет ни единичных С — С, ни
двойных С = С-связей.
Это становится понятным, если посмотреть на струк-
туру л-электронных облаков в бензоле (рис. 37). Он
Рис. 37. гс-электронные облака
в молекуле бензола
149
имеет шесть л-электронов. Эти электроны обобществле-
ны: принадлежат бензольному кольцу в целом.
Вот мы и столкнулись с ограничением валентной схе-
мы химии. Связи в бензоле не единичные и не двойные,
они вроде как полуторные. Это можно изобразить так:
Но химики и сегодня пользуются формулой Кекуле.
Правда, обычно они помнят, что формула эта не точна,
что все связи в кольце одинаковые.
С таким обобществлением электронов в циклической
системе связей приходится встречаться во многих слу-
чаях. На рис. 38 приведены структурные формулы двух
соон
Рис. 38. Структурные формулы гема и хлорофилла. Заштрихованы системы
сопряженных связей
важнейших природных соединений: группы гема, входя-
щего в состав белка красных кровяных шариков (гемо-
глобина), и хлорофилла. И в том, и в другом случае
имеется сложный цикл — порфириновое кольцо. На ри-
сунке это кольцо построено из чередующихся единичных
и двойных связей, иначе ведь не нарисуешь. Но в дейст-
вительности л-электроны в порфириновом кольце обоб-
ществлены и связи выравнены.
Изучение магнитных свойств бензола, порфиринов и
других циклических соединений такого типа показыва-
ло
ет, что под действием магнитного поля электроны могут
перемещаться по кольцу, образуя замкнутый электриче-
ский ток. Ток в отдельной молекуле!
А как же быть с бромированием бензола, с присо-
единением брома?
При химической реакции электронное облако моле-
кулы перестраивается и действительно возникают бро-
мируемые двойные связи. Почему же, спросит осведом-
ленный читатель, восьмичленное кольцо С8Н8 бромиру-
ется много легче, чем бензол, совершенно подобно не-
насыщенному этиленовому углеводороду?
Дело в том, отвечает квантовая химия, что углево-
дород циклооктатетраен С8Н8
Н
Z \
нсх сн
/ V
нс сн
\ /
нс сн
с
н
имеет неплоское строение и л-электроны в нем не обоб-
ществлены. Валентная схема в ее простейшей форме
здесь вполне справедлива.
Молекулы и цвет
Одно из интересных и важных для человека свойств
молекул — их окраска, цвет. Другими словами, их спо-
собность поглощать свет с той или иной длиной волны.
Вещество, поглощающее синий свет, имеет желтую окра-
ску; поглощающее зеленый, желтый и красный свет —
синюю окраску и т. д. Эти элементарные и общеизвест-
ные соотношения иллюстрируются рис. 39.
Живопись с незапамятных времен пользуется пре-
имущественно минеральными красками. Вот запись в
дневнике Делакруа: «Человек на переднем плане: бли-
ки для отделки, белила, желтая охра, розовый, кассель-
ская земля и белила, желтый цинковый, наиболее ли-
монного цвета; полутон — жженая зеленая земля и бе-
лила, коричневая флорентийская, зеленая земля; почти
151
Рис. 39. Поглощение света и
цвет. Заштрихована спектраль-
ная область поглощения
то же в тенях, но с меньшим количеством белил, т. е.
чистая жженая зеленая земля и т.д.».
Все упомянутые здесь краски — неорганические ион-
ные соединения. Соли кобальта дают тона синие, зеле-
ные, фиолетовые, кадмия — красные, оранженые, жел-
тые, хрома — зеленые и т. д. Цвет определяется спект-
ром поглощения иона металла. Минеральные краски
устойчивы, они не окисляются и не выцветают, но тем-
неют под действием сероводорода, так как сернистые со-
ли металлов черные и темно-коричневые. Надо думать,
что картины Рембрандта когда-то были более яркими
и светлыми.
Во время второй мировой войны в Болгарии, в го-
роде Казанлыке, копали окоп для зенитного орудия и
наткнулись на свод фракийской гробницы третьего века
до нашей эры. Прекрасно сохранившиеся фрески и се-
годня поражают чистотой тонов — желтого, красного, фи-
олетового.
Но окрашивать минеральными красками ткани нель-
зя. Они не связываются с волокном, не держатся на
льне, шелке или шерсти. Опять-таки с незапамятных
времен человечество пользовалось для окраски тканей
органическими веществами растительного или животно-
го происхождения. «Нетленный пурпур королевских
мантий» добывался из моллюсков Murex brandaris, зна-
менитая синяя краска индиго — из индийских растений
Indigofera tinctoria и Indigofera pseudotinctoria, не ме-
нее прославленный красный ализарин — из растения
марены (Rubia tinctorium).
15?
Действительно, разнообразие и красота раститель-
ных красителей-пигментов неисчерпаемы. Вспомним цве-
ты— розы, тюльпаны, гладиолусы. А вот окраска бабо-
чек или жуков связана уже не столько со свойствами
молекул, сколько с особой регулярной структурой, об-
разуемой чешуйками на крыле бабочки, или с регуляр-
ным микроскопическим строением надкрылий жуков.
Это — явления дифракции и интерференции света; один
из великих оптиков XX века Майкельсон посвятил ба-
бочкам и жукам весьма интересное физическое иссле-
дование.
Впрочем, краску добывали и из насекомых; ярко-
карминовый краситель кошениль получался из червеца
Coccus cacti.
Сейчас все это кончилось. Разнообразнейшие орга-
нические красители, в том числе и те, которые ранее
получали из растений и животных, синтезируются хи-
миками из продуктов перегонки каменного угля. Важ-
ной вехой на этом пути был синтез анилина, аминобен-
зола
nh2
впервые выполненный учителем А. М. Бутлерова, казан-
ским химиком Николаем Николаевичем Зининым. Даль-
нейшее развитие химии красителей связано прежде все-
го с именем немцев Гофмана, Байера, Грабе, англича-
нина Перкина и других.
Что же собой представляют синтетические, часто
именуемые анилиновыми, красители?
Здесь показаны структурные формулы тирийского
пурпура, индиго и ализарина
Пурпур
153
Для расшифровки формулы пурпура Фридлендер
выделил из 12 000 моллюсков 1,4 г красящего вещества.
Позднее, зная формулу, Фридлендер синтезировал пур-
пур.
Если мы посмотрим на эти формулы, то увидим, что
они содержат ароматические бензольные кольца, систе-
мы чередующихся единичных и двойных связей — сигма-
и пи-связей.
Чтобы соединение окрашивало ткань, необходимы и
другие специальные группы атомов в молекуле. Но цвет
определяется именно чередованием или, как говорят, со-
пряжением двойных связей. Это структурная формула
каротина, ответственного за красно-оранжевый цвет
моркови
НзС СНз
СНз СНз
/ \ I I
НзС с—сн=сн—с=сн—сн=сн—с=сн—сн=сн-сн=
I II
НзС с
'4crif ^сНз
154
Молекула каротина очень важна, из нее получается
витамин А, отсутствие которого в организме резко ухуд-
шает зрение. В каротине имеется 11 сопряженных двой-
ных связей.
Следовательно, есть все основания думать, что ок-
раска органических молекул, их способность поглощать
свет в видимой области спектра, так или иначе связана
с л-электропами сопряженной системы.
Металлическая модель молекулы
Можно изготовить из металла шарики, изображаю-
щие атомы, и соединяющие их стержни, изображающие
валентные связи, и построить модель молекулы. Но не
о такой модели мы хотим здесь сказать. Речь идет о
теоретической модели. Молекула, содержащая сопря-
женные двойные связи, скажем, молекула красителя,
уподобляется куску металла.
Зачем, в каком смысле? А вот в каком: в металле
есть свободные электроны, переносчики электрического
тока. Мы уже видели, что замкнутый ток возможен и в
молекуле бензола. И определяется он подвижностью
л-электронов. Значит, можно представить молекулу, со-
держащую подвижные л-электроны, в виде металличе-
ской проволоки, прямой или замкнутой в кольцо, л-
электроны перемешаются в такой проволоке свободно,
но покинуть ее ле могут, так как для этого им не хва-
тает энергии. Но ведь это та самая потенциальная яма,
о которой мы говорили, обсуждая происхождение кван-
тованных уровней энергии (стр. 94)!
В самом деле, внутри сопряженной молекулы элек-
трон свободен, а на ее границах его удерживают весьма
высокие «потенциальные стенки». Ничего не поделаешь,
придется снова провести расчет. Он, правда, очень
прост.
НзС СНз
СНз СН» 44 С
=С—СН=СН—СН=С— СН=СН—НС \1Н2
I I
С СНз
/ ч /
НзС СН
155
Рис. 40. Металлическая модель
молекулы,- W=3
Рассмотрим линейную со-
пряженную систему — незамк-
нутую «проволоку». Длина та-
кой системы L = NI, где N —
число сопряженных двойных
связей; I — длина отдельного
звена цепи, двух связей
Из расчета, проведенного на
стр. 96, получаем уровни энер-
гии свободных л-электронов
л2Ла
Еп- SmN*P ’ л —1, 2,3...
Ничего не изменилось в расчете, мы только заменили L
произведением Nt.
Но посмотрим теперь, какова будет частота света,
поглощаемого такими цепочками. Для этого нужно уста-
новить, какие энергетические уровни свободны, а какие
заняты электронами. Число л-электронов в нашей мо-
дели равно 2N. Принцип Паули позволяет им располо-
житься по два на каждом уровне таким образом, чтобы
их спины были антипараллельны (стр. 102). Получает-
ся расположение, показанное на рис. 40.
Самая малая частота поглощаемого света, т. е. са-
мая большая длина волны, определяющая цвет молеку-
лы, соответствует переходу электрона с последнего за-
нятого уровня энергии на первый свободный. 2/V элек-
тронов занимают N уровней. Значит, частота перехода,
показанного на рис. 40,
1 h
v = -h<EK+1-EJ= -8^у2Д-1(ЛГ + 1)2-ЛД =
= 8m№Z2 (2У +
а соответствующая длина волны
, с 8mc№Z2
К = V = h (2У +61) •
156
При достаточно больших Л' (если 2Л7 1) длина волны
пропорциональна Л’, т. е. длине цепочки. Это полностью
согласуется с опытом. Более того, теория позволяет под-
считать и интенсивность поглощения света, ответствен-
ную за глубину окраски.
Таким образом, очень простая физическая модель
позволила понять происхождение цвета у большого кру-
га веществ. Яркое доказательство мощи физической
теории.
Ротамеры
Изомеры уже рассмотрены. А сейчас мы имеем дело
с гораздо более новым понятием, которое встретишь не
в каждом курсе химии, даже университетском.
Выше сказано, что с точки зрения структурной хи-
мии безразлично, как изобразить молекулу, например,
н-бутан.
Н Н
I /
С—н
НН НН
\ / \/
Н—с с—н
с---cZ
HZ 'нн/ ^н
И в самом деле, ведь С — С-связь — это о-связь, ко-
торая не изменится от того, что мы повернем вокруг
нее часть молекулы. Посмотрите (стр. 142) на изобра-
жение этана. Как ни поверни группу СНз по отношению
к другой группе СНз, связь С — С останется неизменной.
Иное дело в случае этилена. Поворот вокрут С = С-
связи не свободен, для этого нужно разорвать л-связь
(стр. 143). И действительно, такие изомеры, как
С1 С1
\=с/
н/ Хн
цис
С1 н
С=С дихлорэтилен,
hZ
транс
157
легко разделяются и оказываются имеющими различ-
ные свойства: qnt’-изомер кипит при 60,3° С, а транс-изо-
мер при 48,4° С.
Все, по-видимому, ясно. Вокруг единичных связей
может происходить свободное вращение частей молеку-
лы, а вокруг двойных — нет. Так это и излагалось в
курсах органической и физической химии еще лет два-
дцать назад.
Рис. 41. Ротамеры п-бутана
А между тем это неверно. Изучение термодинамиче-
ских свойств и спектров молекул показывает, что и во-
круг единичных связей нет свободных поворотов, и в
этом смысле только что изображенные формулы н-бу-
тана неравнозначны. Оказывается, при поворотах групп
СНз—СН2 вокруг центральной связи в бутане возника-
ют три устойчивых положения, показанные на рис. 41.
Это и есть ротамеры.
Слово «ротамеры» недавнее. Поначалу их называли
ротационные изэмеры, потом перевели — вращательные
изомеры. На одном из научных семинаров в сороковых
годах крупнейший советский оптик Иван Васильевич
Обреимов предложил термин «поворотные изомеры».
Ученым это понравилось, и термин был внедрен в ли-
тературу. Сейчас введено сокращенное выражение «ро-
тамеры». Оно удобно, так как существуют изомеры, а
также таутомеры, стереомеры и т. д.
В отличие от изомеров ротамеры быстро превра-
щаются друг в друга, гак как повороты вокруг единич-
158
ной связи происходят все время. Расчет показывает, что
частота таких поворотов- 1010 раз в секунду. Значит
выделить ротамеры нельзя. Но можно их наблюдать.
н-Бутан состоит из динамической смеси ротамеров, пре-
вращающихся друг в друга. Колебательные спектры ро-
тамеров разнятся, так как частота их колебаний близка
к 1013 сек-1; за время своей жизни (10~10 сек) ротамер
успевает проколебаться 1000 раз и дать колебательный
спектр.
Ротамерия существенно сказывается и на химиче-
ских свойствах вещества.
Различные ротамеры соответствуют разным конфор-
мациям молекулы. В сущности это эквивалентные по-
нятия. Так, циклический насыщенный углеводород цик-
логексан
имеет неплоское строение. Мыслимы различные конфор-
мации циклогексана, в частности похожие на кресло и
на ванну (рис. 42). Физические исследования показали,
что циклогексан имеет форму кресла.
Рис. 42. Циклогексан — «кресло» (а) и «ванна» (б)
159
Конформационная химия — новая отрасль этой об-
ширной науки. То, что ранее казалось несуществующим
или несущественным, сегодня приобрело большое зна-
чение. Особенно важны конформационные свойства мо-
лекул — их ротамерия — в химии и физике полимеров
и в биологии. Об этом рассказано в последующих гла-
вах.
Через перевал
Теперь, наконец, мы обратимся к основному явлению
химии — к химической реакции.
Поднесли спичку к газовой горелке. Мгновенно по-
шла реакция: углеводороды сгорают, окисляются, пре-
вращаясь в углекислый газ и воду. При этом выделяет-
ся энергия — тепло и свет.
Вы порезали палец. Иода под рукой не оказалось,
но нашлась склянка с перекисью водорода. Полили пе-
рекисью водорода порез. Она зашипела и вспенилась —
выделился кислород
2Н±О2— 2Н2О.+ О2.
А обратная реакция не идет. Сколько не пропускай кис-
лород через воду, она в перекись водорода не превра-
тится.
Отчего же зависит возможность протекания химиче-
ской реакции, химического превращения, перестройки
химических связей? Вопрос этот очень важен и для нау-
ки и для техники. Можно написать химическое уравне-
ние реакции, а осуществить ее не удается. При проекти-
ровании химического производства надо предваритель-
но установить, пойдет ли реакция и в каких условиях.
Принципиальный ответ на этот-вопрос дает физика —
первое и второе начала термодинамики.
Реакция пойдет, если это выгодно с точки зрения
обоих начал: если при этом уменьшится энергия веществ
и (или) увеличится энтропия.
При сгорании углеводорода энергия уменьшается, ее
избыток выделяется в виде тепла и света. А энтропия,
мера неупорядоченности, действительно увеличивается,
так как малые молекулы Н2О и СО2 менее упорядоче-
ны в смысле расположения атомов, чем большая моле-
кула углеводорода, скажем бутана.
160
Теория показывает, что реакция возможна, если она
сопровождается уменьшением величины свободной энер-
гии
F = Е - TS,
Е — энергия, S— энтропия, Т — абсолютная темпера-
тура.
При химической реакции происходит переход веще-
ства с более высокого уровня свободной энергии на бо-
лее низкий (рис. 43, й). Реакция идет по той же при-
чине, по которой камень падает сверху вниз. В самом
деле, падение камня означает уменьшение его потенци-
альной энергии. В этом чисто механическом процессе
потенциальная энергия совпадает со свободной энер-
гией, так как энтропия остается неизменной. Но в хими-
ческой реакции необходимо учитывать и изменение энт-
ропии.
Таков ответ на вопрос о принципиальной возможно-
сти или невозможности реакции. Но из того, что реак-
ция возможна, еще не следует, что она пойдет.
Бензол можно превратить в циклогексан присоеди-
нением водорода, свободная энергия при этом действи-
тельно уменьшается
Но в обычных условиях эта реакция не идет.
Можно пробулькивать водород через жидкий бен-
зол — циклогексан при этом не образуется. Можно сме-
шать газообразный бензол с водородом — циклогексан
все равно не получится. Значит, для осуществления ре-
акции нужно еще что-то, так как уменьшения свобод-
ной энергии недостаточно.
Давайте разберемся в природе реакции более де-
тально. Имеем смесь двух газов, скажем иода и водо-
рода: H2 + J2. Чтобы эти молекулы взаимодействовали
б М. В. Волькенштейн
161
друг с другом, они должны столкнуться. Тогда может
пойти реакция '
На + J2-* 2HJ.
Очевидно, что столкнувшиеся молекулы должны обра-
зовать группировку, которая менее устойчива, чем ис-
ходные молекулы Н2 и J2 или получающиеся молекулы
HJ. Такую, например, группировку
Н . . . J
Менее устойчивая — значит обладающая большей
свободной энергией. Получается, что исходное и конеч-
ное состояния нашей системы разделены перевалом
(рис. 43). Чтобы спуститься вниз, т. е. превратиться из
F
Рис. 43. Схема химической реакции (а) и активационный барьер (б)
смеси Н2 с J2 в HJ, нужно преодолеть перевал, барьер.
Для этого необходим добавочный запас энергии. Высо-
та барьера характеризует энергию активации процесса
(рис. 43, б). А неустойчивая группировка атомов, нахо-
дящаяся на вершине барьера, на перевале, называется
активированным комплексом. Энергия активации есть
энергия, необходимая для превращения реагирующих
веществ в активированный комплекс.
Ясно, что скорость реакции должна зависеть от вы-
соты перевала, от энергии активации. Чем выше барь-
ер, тем медленнее идет процесс, несмотря на то что он
термодинамически выгоден. Если барьер очень высок,
то реакция может не идти вовсе.
Отправимся в автомобильное путешествие в Закав-
казье. У нас не больно-то мощный автомобиль — видав-
ший виды «Москвич» первого выпуска. Лезть в гору он
не любит — старость не радость. Прямой путь, прелыца-
162
ющий своей живописностью, идет по Военно-грузинской
дороге через Крестовый перевал, Орджоникидзе—Тби-
лиси, а оттуда з Батуми по зеленым долинам Грузии.
Не одолеть перевала на нашем драндулете, но не отка-
зываться же от поставленной цели. Поедем в обход —
по Черноморскому побережью. Дорога длинная, но столь
высоких перевалов на ней нет. А конечный результат
тот же — Батуми.
Есть и в химии способы избежать перевала, способы
уменьшения энергии активации процесса.
Превращение бензола в циклогексан не идет потому,
что барьер слишком высок и у молекул бензола и во-
дорода не хватает энергии для образования активиро-
ванного комплекса. Но та же реакция идет без труда
на поверхности металлического никеля. Никель здесь —
катализатор. Вспомним определение из школьного учеб-
ника: катализатором называется вещество, которое вы-
ходит из реакции без изменений, но существенно уско-
ряет реакцию.
Роль катализатора состоит в уменьшении активаци-
онного барьера, в уменьшении энергии активации хими-
ческого процесса.
Каталитические реакции необычайно важны в науке
и технике. Подавляющее большинство технологических
процессов проводится с участием катализаторов. На ка-
тализе основана жизнь. Да, все биохимические процес-
сы, протекающие в живой клетке, каталитические. Роль
катализаторов в организме играют специальные белки.
Но об этом будет рассказано дальше.
Сегодня квантовая химия позволяет установить
структуру активированного комплекса — в простейших,
правда, случаях — и вычислить энергию активации про-
цесса. Квантовая химия дает топографическую карту
«химической местности», указывает путь, по которому
будут двигаться молекулы с наименьшей затратой энер-
гии.
Природа химической реакции перестала быть загад-
кой.
Физическая химия и химическая физика
Учение о молекулах, об их строении и свойствах —
основной перекресток физики и химии. Наука вышла на
этот перекресток в двадцатом веке. И открылись новые
б*
163
пути. Самый важный и интересный путь ведет в био-
логию.
Объединение химии с физикой началось давно, с
XVIII века. «Мэя химия—физическая, — говорил Ло-
моносов.— Если кто хочет глубже постигнуть химиче-
ские истины, то ему необходимо изучать механику (т. е.
физику. — М. В.). Химик без знания физики подобен че-
ловеку, который всего должен искать ощупом». И еще:
«Для химиков я не вижу никакой иной причины, вслед-
ствие которой они не могли бы вывести больше законо-
мерностей из такого обилия имеющихся опытов, кроме
незнания математики».
«Главный предмет моих занятий есть физическая хи-
мия...— писал Менделеев. — Блеск чисто химических от-
крытий сделал современную химию совершенно специ-
альной наукой, оторвав ее от физики и механики, но,
несомненно, должно настать время, когда химическое
сродство будет рассматриваться как механическое (фи-
зическое.— М. В.) явление... Я выбрал своею специаль-
ностью те вопросы, решение которых может приблизить
это время».
Как мы видели, это время действительно настало.
Глупо и вредно отгораживать химию от физики. Но, к
сожалению, традиции, созданные Ломоносовым и Мен-
делеевым, иногда забываются.
Не будем говорить о некоторых химиках старого по-
коления. Зачастую можно встретить и молодого химика,
прекрасно владеющего методами органического синтеза,
но становящегося в тупик при виде элементарных кван-
тово-механических формул. И, напротив, физика, прене-
брежительно смотрящего на химические формулы, ока-
зывающегося не в состоянии удержаться от ирониче-
ской улыбки, когда он слышит какое-нибудь мудреное
химическое название.
Аргументация подобной позиции химика или физика
элементарна. Говорится, что наука страшно разрослась,
что невозможно быть всесторонним специалистом, что
времена Леонардо да Винчи и Ломоносова прошли без-
возвратно. Наш век — век узкой специализации.
Леность ума можно объяснить по-всякому. Но та-
кая аргументация не выдерживает критики.
Наряду с углубленной специализацией различных
областей знания наша эпоха характеризуется их объ-
164
единением. Перекрестки, намечавшиеся ранее, сегодня
стали реальностью. Ничего не поделаешь, физик, по
крайней мере тот, кто работает в области молекулярной
физики, обязан знать химию. А химик обязан знать и
термодинамику, и молекулярную физику, и квантовую
механику. Как показывает опыт, для наиболее талант-
ливых современных ученых, отнюдь не гениев вроде
Леонардо или Ломоносова, в этом нет ничего невоз-
можного. А без этого останешься неполноценным дея-
телем, стиснутым границами собственного научного бес-
культурья. И рано или поздно превратишься в обску-
ранте, в научного реакционеца. Печальная судьба.
Итак, физическая химия. Старый термин, давно за-
воевавший права гражданства. Есть в Москве одно из
первых советских научных учреждений — Физико-хими-
ческий институт имени Л. Я- Карпова. Есть Институт
физической химии Академии наук. Уже 40 лет издает-
ся «Журнал физической химии».
В то же время имеется и громадный Институт хи-
мической физики, созданный и руководимый Н. Н. Се-
меновым.
Превосходный немецкий учебник Эйкена в первом
издании назывался курсом физической химии. Потом он
был переименован в химическую физику. А сейчас он
снова «Физическая химия».
Сумма не меняется от изменения порядка слагае-
мых. Меняется ли смысл названия от перемены места-
ми существительного и прилагательного? Все это очень
условно. Физической химией сейчас принято называть
главным образом область приложения термодинамики
к химическим процессам. А также электрохимию — ис-
следования процессов, происходящих при течении элек-
трического тока через вещество. И многое другое. Об-
ласть химической физики — квантовая химия, строение
молекул, элементарные процессы, течение химических
реакций во времени, их кинетика. Однако солидные ру-
ководства по физической химии включают и те и дру-
гие вопросы.
Короче говоря, дело не в словах. Дело в том, что хи-
мия объединилась с физикой, что и стало одной из важ-
нейших основ развития естествознания в целом.
5
ОЧЕНЬ БОЛЬШИЕ МОЛЕКУЛЫ
В бразильских джунглях
Читая в детстве Майн Рида и Буссенара, представ-
ляешь себе джунгли раем — фантастическая раститель-
ность, цветы и плоды, орхидеи и манго, восхитительные
бабочки морфо с двадцатисантиметровым размахом
лазурных крыльев, пестрые попугаи, хрустальные источ-
ники в чаще леса... Чудесная детская мечта — попасть
в тропики.
Она не оставила меня и сегодня. Но сейчас я знаю,
что экваториальный лес — это ад, полный сырости и
мрака; вода там гнилая, кишащая паразитами, змеи и
ядовитые насекомые несут гибель.
В бразильских джунглях спокон века росла Hevea
brasiliensis — дерево, источающее латекс, млечный сок,
взвесь каучука. Индейцы делали из каучука мячи, поль-
зовались им для изготовления обуви. Поначалу это ма-
ло интересовало европейцев. Но в 1839 году Гудьир и
Хейворд научились вулканизировать каучук. При обра-
ботке каучука серой вместе липкого и текучего вещества
получалась эластичная резина. Она оказалась хорошим
изолятором, но основная потребность в резине связана,
конечно, с развитием автомобильной промышленности.
Современное потребление натурального каучука громад-
но и растет с каждым годом. Еще в 1936 году было
добыто 869 000 тонн каучука.
История добычи каучука в экваториальных лесах —
история страшная и кровавая. Серингейрос, бразиль-
ские сборщики каучука, погибали десятками тысяч от
авитаминозов, инфекционных болезней, от пули и бича
надсмотрщика. С 1900 по 1910 год погибло 500 000 че-
ловек! Зато бешено богатели хозяева. Грязь и мерзость
капитализма проявились в каучуковой эпопее с макси-
мальной яркостью.
В 1870 году Генри Викхем, нарушив все запреты,
вывез контрабандой из Бразилии 70000 семян гевеи в
166
Англию. Я представляю себе, как он продирался сквозь
лес, исцарапанный, искусанный, отощавший, как пле-
лись за ним насильшики-индейцы, как они падали и
погибали от переутомления. Надо было переправляться
через реки, кишевшие пираньями, страшными рыбка-
ми-людоедами, которые стаей нападают на все живое и
за минуту срывают мясо с костей. Когда Викхем натал-
кивался на белый скелет серингейро—папоротники рос-
ли между ребер, а >в черепе какой-то зверек устроил
свое гнездо, — он не обращал на это внимания. Игра
стоила свеч, денежный приз был слишком велик.
И Викхем добился своего. Из саженцев гевеи, выра-
щенных в ботаническом саду Нью-Гарден в Англии,
возникли каучуковые плантации Цейлона, Малайи, Ин-
донезии, африканских колоний. В 1936 году Бразилия
давала уже только 2% мировой продукции каучука.
Гевея и немногие другие каучуконосы растут лишь в
тропической зоне. Советский Союз вынужден тратить
валюту на покупку натурального каучука. У нас предпри-
нимались попытки получать каучук из кок-сагыза, рас-
тения, сходного с одуванчиком. Действительно, в корнях
кок-сагыза содержится небольшое количество каучука.
Но извлекать его сложно и дорого. Был даже вполне
серьезный проект скармливать эти корни свиньям и выде-
лять каучук из их экскрементов. Многие трудно отдели-
мые примеси перевариваются при прохождении через
кишечник животного, а каучук остается без изменений.
Но свиньям кок-сагыз не понравился.
Сейчас кок-сагыз оставлен. Дело оказалось нерен-
табельным. Мы покупаем каучук в тропических странах,
но у нас есть и другая возможность, используемая все
шире.
Что же такое каучук?
При его нагревании получается жидкий углеводород
изопрен. Структурная формула изопрена, установленная
в 1882 году Тильденом,
СНз
Н2С=С—сн=сн2
Изопрен содержит две сопряженные л-связи. А кау-
чук — это полиизопрен.
Вот мы и встретились с полимером. Молекулы каучу-
ка — очень длинные цепочки, уже не содержащие со-
167
пряженных двойных связей. Структурная формула та-
кой молекулы имеет вид
СН2—СН2 СН2—СН2 СН2—СН2
\:=сн ^0=0^ ^с^сн
Н3С/ HsC"7 НзС^
Нарисованная здесь цепочка не имеет ни конца, ни нача-
ла. В действительности концы, конечно, есть, но моле-
кулы очень длинные и целиком их не нарисуешь: мо-
лекулярный вес каучука достигает сотен тысяч, что со-
ответствует тысячам изопреновых звеньев. Можно запи-
сать формулу каучука и так:
Г -СН2—С=СН-СН2— 1
I
СНз
где п — тысячи.
Каучукоподобный полимер можно получить полиме-
ризацией изопрена в присутствии соляной кислоты
п СН2=С—СН=СН2— Г—СН2— С=СН—сн2—
• I I
СНз L СНз
но этот полимер оказывается во многом уступающим
натуральному каучуку.
Почему? Прежде всего потому, что природа делает
свой каучук в регулярной цис-форме: все двойные свя-
зи в нарисованной структурной формуле расположены
по одну сторону от цепи. Транс-полиизопрен
СН2-СНз НзС СН2—СН2
\=сн \:=сн ^с=сн
НзС^ \:н2—сн2 НзС^
уже не имеет упругости каучука. Это гуттаперча, поли-
мер также растительного происхождения, но с гораздо
менее интересными техническими качествами.
При простой полимеризации изопрена образуются и
цис- и транс-звенья и каучук получается плохой.
168
В Ленинграде
В 1926 г. Высший Совет Народного Хозяйства СССР
объявил конкурс на создание синтетического, искусст-
венного каучука, который должен был заменить нату-
ральный. Победителем конкурса оказался крупнейший
советский химик Сергей Васильевич Лебедев. Тот, кто
видел портрет Лебедева, написанный его женой, пре-
красным художником Анной Петровной Остроумовой-
Лебедевой, запомнил красивое, вдохновенное лицо уче-
ного. С. В. Лебедев сделал каучук из бутадиена Н2С =
— СН — СН — СН2, который можно получить из спирта.
При полимеризации в присутствии металлического нат-
рия бутадиен дает полибутадиен, обладающий многими
ценными свойствами натурального каучука (— Н2С —
СН = СН —СН2—)
Уже в 1931 году опытный завод в Ленинграде изгото-
вил первый блок синтетического каучука (сокращенно
СК) —260 кг натрий-бутадиенового продукта.
Лебедев создал отличную школу исследователей. Се-
годня благодаря трудам А. А. Короткова, Б. А. Долго-
плоска и других ученых советская шинная промышлен-
ность располагает СК на полиизопреновой основе, ни-
чем не уступающим натуральному каучуку, а в некото-
рых отношениях и превосходящим его. Ведь природа
создала сок гевеи вовсе не ради автомобильных шин.
Имеются реальные пути дальнейшего усовершенствова-
ния СК, с тем чтобы шины не изнашивались при пробе-
ге в сотни тысяч километров, не трескались на жаре и
на морозе.
Чтобы изготовить из натурального или синтетическо-
го каучука резину, надо его вулканизировать — обрабо-
тать серой или другими веществами, которые «сшива-
ют» цепные молекулы каучука, создают из них единую
сетку.
Все это очень интересно, скажет читатель, но какое
отношение имеет каучук к тем принципиальным вопро-
сам молекулярной физики и биологии, которым, очевид-
но, посвящена эта книга? Мало ли интересных вещей
в технике?
Как мы увидим, свойства каучука особенные. Имен-
но их изучение позволило подойти к пониманию фунда-
169
ментальных черт биологических полимеров, прежде все-
го белков.
Исследование каучука и других больших молекул
раскрыло новую главу физики. Это сравнительно редкий
случай прямого влияния техники на теоретическую нау-
ку. Не будь автомобилей, никто не интересовался бы
всерьез каучуком. И не была бы создана та область фи-
зики молекул, которую можно назвать конформацион-
ной, или ротамерной, физикой.
Пружина и резина
Убивать из рогатки птиц — преступное занятие. Бить
стекла в окнах — хулиганство, даже если за окном
сидит очень дурной человек. Из рогатки лучше всего
стрелять по нарисованным мишеням — это развивает
глазомер.
Рогатка делается, как правило, из резинки. Исполь-
зуется высокая эластичность резины, ее способность рас-
тягиваться на сотни процентов и возвращаться в исход-
ное состояние после того, как резинку отпустили, т. е.
сняли внешнюю нагрузку. Можно воспользоваться и
металлической пружиной для изготовления рогатки.
Пружина тоже обладает упругостью, но так сильно, как
резинку, ее не растянешь, да и усилие потребуется мно-
го большее.
Упруго деформируемое тело подчиняется простому
закону Гука: деформация (удлинение) пропорциональна
приложенному напряжению, т. е. силе, отнесенной к пло-
щади сечения растягиваемого образца.
Обозначим начальную длину стальной проволоки Lo
и будем ее растягивать напряжением f. Упруго дефор-
мированная проволока приобрела длину L, т. е. удли-
нилась на L — Lg. Относительное удлинение составляет
L — Ln
Lo
Эта величина пропорциональна приложенному напря-
жению. Проделайте простой опыт: нагружайте проволо-
ку разными гирьками и следите за ее удлинением.
Итак
L - Lo 1
Lo - е I'
170
Величина е называется модулем упругости и измеряет-
ся в кг на мм2. Чем большую силу нужно приложить для
растяжения тела на некоторую длину, тем больше мо-
дуль упругости. У стали е действительно очень вели-
ко — порядка 20 000 кг/мм2. А у резины?
В зависимости от степени вулканизации модуль уп-
ругости резины может меняться. Он тем больше, чем
больше сшивок между цепными молекулами каучука, но
во много раз меньше, чем у стали, е для резины ме-
няется от 0,02 до 0,8 кг/мм2. Различие громадное!
Рис. 44. Схема растяжения металла
Этим дело не ограничивается. При растяжении сталь-
ной пружины температура ее практически не меняется.
Напротив, резина нагревается при быстром растяжении.
Попробуйте проделать такое растяжение, держа рези-
новую ленту у губ, и вы это почувствуете.
Большая разница в модулях упругости и тепловой
эффект, наблюдаемый при растяжении резины, застав-
ляют думать, что природа деформации пружины и ре-
зины различна.
Давайте подумаем, почему металл обладает упру-
гостью. Металл — тело кристаллическое. Это значит,
что атомы в металле расположены строго регулярно, на
определенных расстояниях друг от друга (см. рис. 7,
стр. 26). Положение каждого атома определяется рав-
новесием сил притяжения и сил отталкивания, так же,
как в молекуле. Иными словами, такое положение рав-
новесно, ему отвечает наименьшая потенциальная энер-
гия.
Растягиваем металл. При этом увеличиваются рас-
стояния между атомами и, следовательно, увеличивается
их потенциальная энергия. Такой процесс изображен
схематически на рис. 44.
171
За счет чего увеличилась потенциальная энергия
атомов — внутренняя энергия металла? За счет работы,
произведенной при растяжении. Снимаем нагрузку. Ато-
мы металла возвращаются в свои равновесные положе-
ния, и пружина, сокращаясь, может произвести работу.
Итак, растяжение металла — энергетический про-
цесс. Так как для сколько-нибудь заметного перемеще-
ния атомов нужно затратить большую работу, модуль
упругости металла велик.
А какова природа растяжения каучука? Она совер-
шенно иная. Резина похожа вовсе не на металл, а на
газ. Мало того, на идеальный газ.
в Идеальный газ и резина
Это утверждение звучит совершенно дико. Что мо-
жет быть общего между резиной, как никак твердым
телом, и газом? Вдобавок, идеальным газом?
Прежде всего, что такое идеальный газ? Какой
смысл имеет введение в физическое определение прила-
гательного «идеальный»?
Идеальный — значит совершенный. Это, так сказать,
всем газам газ — совсем, совсем газообразный газ.
Газ состоит из свободных молекул. Они движутся по
всем направлениям, то и дело сталкиваются друг с дру-
гом и со стенками сосуда, в котором газ находится. Но
их сравнительно мало, и поэтому общий объем, заня-
тый газом, во много раз больше, чем суммарный объем
всех молекул, из которых газ состоит.
Так как между редкими молекулами в газе нет ника-
кого другого вещества, то они друг с другом практиче-
ски не взаимодействуют-
Идеальным газом называется газ занимающий объ-
ем, много больший суммарного объема всех молекул,
причем эти молекулы не взаимодействуют друг с дру-
гом. Очевидно, что любой газ при достаточном разре-
жении и достаточно высокой температуре будет этому
определению удовлетворять. Но, конечно, при сжатии
газа или его охлаждении вплоть до превращения в
жидкость идеальность исчезает. Ведь реальный газ по-
тому и превращается в жидкость, что его молекулы
притягиваются друг к другу, т. е. друг с другом взаимо-
действуют. Какая уж тут идеальность!
172
Идеальный газ подчиняется простому закону, кото-
рый известен каждому из школьного курса физики. По-
ведение идеального газа описывается уравнением Кла-
пейрона
pV = RT.
Здесь р — давление; V — объем, занимаемый газом;
Т — абсолютная температура; R — постоянная величи-
на. Из уравнения следует (следует, конечно, не из урав-
нения, а из опыта, так как закон Клапейрона — опыт-
ный закон), что при постоянной температуре объем га-
за обратно пропорционален приложенному давлению.
Красивая кривая, гипербола, описывающая эту зависи-
мость,
Постоянная величина
представлена на рис. 45.
Поместим наш идеальный газ в сосуд с поршнем и
будем его сжимать. Газ этому противится; для того что-
бы накачать автомобильную шину, нужно затратить ра-
боту. Если положить на поршень груз, газ сожмется
(рис. 46), если убрать — расширится снова. Значит газ
обладает упругостью. Каков же ее модуль?
Рис. 45. Уравнение состояния идеального газа
Рис. 46 Сжатие газа
Первоначально газ находился под атмосферным дав-
лением Pq. Этому соответствовали объем Го и высота
поршня Го. При увеличении давления до р (на величи-
ну р—р0) объем уменьшится до V (на величину
173
Vo — V) и поршень опустится с Lo до L. Уменьшение
объема пропорционально увеличению давления
Уо — У7 __ р — ро
Го — Ро
но с тем же успехом можно написать
Lo - L 1 1
Относительная деформация равна приложенному на-
пряжению f, деленному на атмосферное давление ро-
Именно ро играет роль модуля упругости и составляет
оно 1 кг/см2, т. е. 0,01 кг/мм2. Величина того же порядка,
что и модуль упругости резины!
Теперь сделаем второй опыт. Быстро сожмем иде-
альный газ, скажем, воздух, в автомобильном насосе
(воздух в обычных условиях — идеальный газ, он сжи-
жается только при —186°С). Легко убедиться, что газ
при этом нагреется. Сжатие газа надо производить дей-
ствительно быстро, иначе успеет произойти теплообмен
с окружающей средой и повышения температуры не
будет.
Газ нагревается потому, что быстро движущийся
поршень сталкивается с молекулами, которые отлетают
от него с увеличенной скоростью. Мы ведь знаем, что
чем быстрее движутся молекулы в газе, тем выше его
температура.
Итак, идеальный газ нагревается при быстром сжа-
тии, а резина — при быстром 'растяжении.
Ясно, что упругость идеального газа совершенно от-
лична по своей природе от упругости стальной пружи-
ны. Упругость газа определяется тепловым движением
его молекул — увеличивающейся частотой ударов мо-
лекул о поршень.
В идеальном газе молекулы друг с другом не взаимо-
действуют, следовательно, при сжатии не меняется их
потенциальная, внутренняя энергия. Изменяется не энер-
гия газа, а что-то другое. А в пружине изменяется имен-
но энергия.
Мы уже видели, что поведение вещества определяет-
ся, вообще говоря, не энергией, а свободной энергией
F = E—TS,
174
где Е — внутренняя энергия; Т — абсолютная темпера-
тура; S— энтропия. С этой величиной мы встретились
при рассмотрении химических реакций (стр. 161).
Свободная энергия есть мера работы, которую мо-
жет произвести тело. Для чисто механического процес-
са изменение свободной энергии равно изменению внут-
ренней энергии
F — Fo = Е — Ео,
так как энтропия в отсутствие тепловых процессов не
меняется. Именно этим изменением определяется появ-
ление упругой силы в растянутой пружине.
А в газе? Здесь как раз наоборот:
F - Fo = Т (So - S).
Внутренняя энергия не меняется, а меняется энтропия.
Ну конечно, при сжатии газа уменьшается объем, за-
нятый молекулами, происходит некоторое упорядочение
молекул. Энтропия, мера беспорядка, при этом умень-
шается, S меньше So. Свободная энергия увеличивает-
ся и возникает упругая сила. Но в отличие от энергети-
ческой упругой силы в пружине, упругая сила в газе
энтропийная.
Сходство упругих свойств идеального газа и резины
заставляет думать, что и упругость резины имеет энтро-
пийную природу.
Вот к какому интересному выводу привело рассмот-
рение этой аналогии, такой странной на первый взгляд.
Исследования термодинамических свойств газов, очень
давние исследования, надо сказать, и исследования тер-
модинамических свойств резины пересеклись. Мы опять
вышли на перекресток, открывший новые пути в науке.
Молекулярный клубок и пьяница
Если упругость резины действительно энтропийная,
го надо понять, почему.
Отсутствие изменения энергии и наличие изменения
энтропии в газе означают только одно: газ состоит из
невзаимодействующих, независимо движущихся ча-
стиц — молекул. Все дело сводится к этому.
О каких же независимых частицах можно говорить
применительно к резине? Это ведь твердое тело. Атомы
связаны в полимерные цепи, а эти цепи, во-первых,
175
Рис. 47. Макромолекулярный клубок
Рис. 48. Схема структуры резины; пунктирные линии —сшивки
сшиты друг с другом вулканизационными мостиками и,
во-вторых, упакованы достаточно плотно. Нужно ис-
кать молекулярное объяснение, т. е. исходить из струк-
туры больших молекул (макромолекул) каучука.
И природный и любые искусственные каучуки обя-
зательно состоят из цепей, большинство валентных свя-
зей в которых — единичные связи. А вокруг этих связей
возможны внутренние повороты (стр. 157).
Представим себе цепочку, состоящую из звеньев, ко-
торые могут поворачиваться произвольным образом
друг относительно друга. Как будет выглядеть такая
цепочка?
Она свернется в клубок. И вот почему: ведь каждое
звено занимает по отношению к предыдущему произ-
вольное, случайное положение. Вероятность того, что
все звенья выстроятся в одну линию, очень мала. На-
против, велика вероятность свертывания в клубок: вы-
тянуться в одну линию можно только одним способом,
а свернуться в клубок — множеством способов.
Можно охарактеризовать степень свертывания рас-
стоянием между началом и концом цепи (рис. 47).
Пусть цепь состоит из N звеньев и длина каждого зве-
на равна I. Если все звенья вытянуты в одну линию,
длина цепи будет NI. А если она клубок?
Это старая задача физики, задача о случайных
блужданиях. Обычно ее поясняют следующим образом:
вдребезги пьяный человек идет по большой площади.
На какое в среднем расстояние он продвинется от ис-
ходной точки, сделав N шагов, при длине каждого ша-
га, равной /?
176
Опять-таки, если бы он был трезв и шел прямо, то
прошел бы путь NI. Но так как отравивший пьяницу
этиловый спирт толкает его куда придется, он переме-
стится лишь на расстояние y'Nl. Поверьте этому ре-
зультату — он получен путем точного решения задачи.
Значит, если пьяница сделал 100 шагов по 70 см
каждый, то вместо 70 м он продвинется в среднем все-
го лишь на 7 м. То же произойдет и с молекулой кау-
чука, если ее предоставить саму себе. Она свернется
в клубок, и среднее расстояние между первым и послед-
ним звеном будет равно
Нашего пьяницу (собственно говоря, он не наш, так
как уже давно путешествует по научно-популярной ли-
тературе) заставляет блуждать этиловый спирт С2Н5ОН.
А что сворачивает в клубок макромолекулу?
Тепловое движение. Случайные соударения с окру-
жающими молекулами, соударения с другими звеньями
цепи создают случайные повороты звеньев. Цепочка
самопроизвольно переходит в состояние клубка, состоя-
ние наименьшей упорядоченности, которому отвечает
наибольшая энтропия. Опять второе начало.
Молекулярные клубки фигурируют в растворах кау-
чука и других полимеров. Их можно даже непосредст-
венно увидеть с помощью электронного микроскопа.
Теперь мы поймем, что происходит при растяжении
резины. В куске резины макромолекулы свернуты в
клубки. Редкие сшивки, созданные вулканизацией, это-
му не препятствуют (рис. 48). При растяжении клубки
растягиваются. Значит, макромолекулы переходят из
более вероятного состояния в менее вероятное, из со-
стояния с большей энтропией в состояние с меиьшей эн-
тропией. Тепловое движение стремится вернуть макро-
молекулам клубкообразную форму. Возникает энтро-
пийная упругая сила.
Смысл аналогии с идеальным газом становится ясен.
В газе независимое тепловое движение частиц — это
поступательное движение молекул. В резине — это по-
воротное (коловратное, говоря словами Ломоносова)
движение звеньев полимерных цепей.
Три ученых создали описанную кинетическую теорию
каучука — швейцарский физик Кун и американские фи-
зики Марк и Гут. Было это в тридцатых годах нашего
века.
177
Ротамерная физика
Мы рассмотрели только что полимерную цепочку,
состоящую из свободно сочлененных звеньев; они как
бы скреплялись шаровыми шарнирами (рис. 49,а).
Но настоящая полимерная цепь не такова. Валент-
ности ведь имеют направленность, так как валентные
Рис. 49. Цепочка из свободно сочлененных звеньев (а)
и цепочка с фиксированными валентными углами (ff)
штрихи расположены под определенными углами друг
к другу. Если полимер состоит из единичных связей
С—С, углы эти тетраэдрические и равны 109°28'. Так
обстоит дело, например, для всем известного полиэти-
лена
—СН2—СН2—СН2—СН2—.
Фиксированные валентные углы, однако, мало что ме-
няют. Если повороты вокруг единичных связей происхо-
дят совершенно свободно, цепочка все равно сворачи-
вается в клубок. Это показано на рис. 49.6. Только раз-
меры клубка будут несколько больше, чем для свободно
сочлененной цепи. Уже не У АД a 1/Nla, где а — множитель,
больший единицы и зависящий от валентного угла. Для
полиэтилена а = У2.
Однако в действительности внутреннее вращение в
молекуле вокруг единичных связей С—С вовсе не сво-
бодно. Звено должно запастись некоторой энергией для
178
того, чтобы повернуться. Это добавляет в выражение
для длины цепи еще_один множитель, и длина цепи
становится равной lab, где Ь также больше едини-
цы и тем больше, чем жестче цепь, чем труднее проис-
ходят повороты.
Как же вычислить этот множитель Ь, как учесть за-
трудненность внутреннего вращения?
Теперь самое время вспомнить о ротамерах
(стр. 157). При внутренних поворотах в молекуле «-бу-
тана возникают неэквивалентные положения равнове-
сия, в которых молекула относительно устойчива. По-
вторим еще раз рисунок (в проекции на плоскость, пер-
пендикулярную С—С-связи), изображающий конфор-
мации молекулы н-бутана, ее ротамеры
и посмотрим, какие ротамеры должны возникать при
поворотах вокруг любых единичных связей в макромо-
лекуле полиэтилена
сн—сн—
сн—сн —
Н^| /СН— сн—
сс
сн—СП—
—Н2С—Н2С^| /Н
с'с
Эти изображения н-бутана и полиэтилена в сущно-
сти тождественны. Разница лишь в том, что на тех ме-
стах, где у бутана находятся метильные группы СН3, у
полиэтилена располагаются хвосты полимерной цепоч-
ки. Из сравнения этих модельных картинок следует многое.
Во-первых, исходя из известного (определенного ме-
тодами спектроскопии) различия в энергии ротамеров
w-бутана, можно вычислить длину полимерного клубка
179
полиэтилена — множитель b. Он оказывается равным
УЗ,26. Удлиненность клубка полиэтилена в 2,55 раз
(ab = У2-3.26) по сравнению со свободно сочлененной
цепочкой подтверждается опытом.
Во-вторых, предположение о наличии ротамеров в
полимерной цепи также подтверждается опытом — ис-
следованием колебательных спектров и термодинамиче-
ских свойств полимеров. Здесь я прошу читателя пове-
рить мне на слово. Оно и легче, так как сомневающий-
ся читатель будет вынужден изучить ряд тонких и
сложных вопросов физики полимеров для того, чтобы
самому убедиться в сказанном.
В-третьих, ротамерная теория полимерных цепей по-
зволяет понять молекулярную сущность растяжения кау-
чука или любого другого каучукоподобного полимера.
Кстати, можно и полиэтилен получить в высокоэластиче-
ском состоянии.
Мы говорили, что растяжение каучука сводится к
вытягиванию клубкообразной молекулы. Теперь мы мо-
жем яснее представить себе это вытягивание. Полимер-
ная цепь — ив неполностью вытянутой, и в клубкооб-
разной форме — представляет собой как бы смесь ро-
тамеров. При растяжении одни ротамеры превращают-
ся в другие, происходит конформационное превращение
макромолекулы, так чтобы длина ее увеличивалась. По-
ясним это простой моделью. Пусть наша цепочка —
плоская, двухмерная. Изобразим каждое звено такой
щепочки стрелкой. Ротамеры представим следующим
образом: стрелка, следующая за данной, может иметь
три и только три направления. А именно, ее направле-
ние может совпадать с направлением предыдущей
Рис. 50. Двумерная цепьа свернутая в клубок а)8 растянута не сильно (ff5)
н максимально растянута (а)
180
стрелки, и она может повернуться вправо или влево на
90° (рис. 50).
На рис. 50,а показана цепочка, состоящая из 24
звеньев; из них 8 находятся в состоянии «прямого» ро-
тамера, 8 — в состоянии «правого» и 8 — в состоянии
«левого». Расстояние от начала до конца цепочки изо-
бражает стрелка длиной h. Цепочка свернута в клубок
длиной /г = 5,8/. Будем растягивать клубок. Его длину
можно увеличить и не меняя соотношения ротамеров
8:8:8, а только перераспределяя их по цепочке. Длина
цепи на рис. 50, б равна уже 10/. Максимально растя-
нутая цепь при сохранении этого соотношения показана
на рис. 50 в; ее длина 17,8 I.
Мы видим, что при растяжении увеличивается упо-
рядоченность расположения звеньев — стрелок, и зна-
чит, уменьшается энтропия макромолекулярной цепи.
Наконец, при еще больших усилиях «правые» и «ле-
вые» ротамеры все превращаются в «прямые». Полно-
стью вытянутая цепочка имеет длину 24 /. Следова-
тельно, растяжение полимерной цепи есть ротамериза-
ция, перераспределение ротамеров по цепи и превра-
щение одних ротамеров в другие. Этот вывод также
подтвержден рядом опытов. Сравнивали, в частности,
инфракрасные колебательные спектры нерастянутой и
сильно растянутой полимерной пленки. Во втором слу-
чае исчезали спектральные полосы, отвечавшие некото-
рым’' ротамерам, присутствовавшим в спектре нерастя-
нутого образца. Значит, действительно происходит ро-
тамеризация или, что то же самое, конформационное
превращение.
Цепочка в одном измерении
Обращаю внимание читателя на последовательность
наших рассуждений (несущественно, что они проводи-
лись нестрого, с помощью наглядных моделей и анало-
гий).
Сначала мы рассмотрели свободно сочлененную цепь
и установили, что она свертывается в клубок. Потом
мы учли постоянные валентные углы, этот клубок не-
сколько удлиняющие. Наконец, мы коснулись несвобод-
ного внутреннего вращения — учли наличие ротамеров.
Это еще больше удлинило клубок и позволило выска-
зать важные суждения о природе растяжения каучука.
181
Таким образом, мы постепенно переходили от абст-
рактных моделей ко все более реальным. Исчерпаны
ли конформационные свойства макромолекул этим ана-
лизом?
Оказывается, что нет. Чем дальше в лес, тем больше
дров. При внимательном рассмотрении ротамерной мак-
ромолекулы выявляется еще одна важная ее особен-
ность. Мы считали, что в каждом звене ротамеры реа-
лизуются независимо от других звеньев. В действитель-
ности это не так. Поворот данного звена зависит от ро-
тамерного состояния предыдущих звеньев.
На рис. 50 приведена двухмерная модель полимер-
ной цепи. Для понимания взаимозависимости ротаме-
ров можно воспользоваться еще более простой мо-
делью — одномерной. Представим цепочку линейной
совокупностью стрелок-звеньев, которые могут смотреть
вправо или влево (рис. 51). Длину цепи будем считать
Рис. 51. Одномерная цепь (а)
и растянутые одномерные цепи
(«)
б
равной алгебраической сумме всех стрелок: стрелки,
смотрящие вправо, имеют длину I, смотрящие влево,
—I. Цепь из десяти звеньев, изображенная на рис. 51, а,
имеет 5 стрелок, смотрящих вправо, и 5 — влево; дли-
на цепи, следовательно, равна 5 I — 5 I, т. е. нулю. Цепь
«свернута в клубок».
При растяжении цепи стрелки поворачиваются впра-
во. На рис. 51, б показана растянутая цепь длиной
71 — 3 I = 4 I и полностью растянутая цепь длиной 10 I.
Причем же тут ротамеры? Кроме того, что стрелки
смотрят вправо или влево, они находятся в состоянии
«прямого» или «обратного» ротамера. Если данная
стрелка имеет то же направление, что и предыдущая, ее
ротамер «прямой». Если направление данной стрелки
противоположно направлению предыдущей, то реали-
зуется «обратный» ротамер. Подсчитаем ротамеры. На
рис. 51,а 5 прямых (пр.) и 5 обратных (об.) ротамеров
182
(первую стрелку всегда считаем прямым ротамером)
расположены так:
пр. пр. об. об. пр. об. пр. об. об. пр.
Верхняя цепочка рис. 51, б имеет уже иное расположе-
ние ротамеров:
пр. пр. пр. об. об. пр. об. об. пр. об.
Соотношение ротамеров не изменилось (их по-преж-
нему по пяти), но изменилось их расположение.
При полном растяжении все обратные ротамеры пре-
вращаются в прямые, происходят переходы
пр. об.
Теперь ясно, что ротамеры не независимы друг от
друга: поворот данной стрелки изменяет состояние не
только этой стрелки, но и последующей. Повернем, на-
пример, вторую стрелку на рис. 51, а- Она перейдет из
состояния прямого в состояние обратного ротамера. Но
при этом третья стрелка, оставшаяся неподвижной и
по-прежнему смотрящая влево, становится уже не об-
ратным, а прямым ротамером. Значит, ротамеры взаи-
мозависимы. Иными словами, состояния полимерных
звеньев зависят друг от друга.
Раньше мы сравнивали каучук с идеальным газом.
А сейчас сравним с магнитом. Дело в том, что в на-
магниченном куске железа спины электронов (стр. 99)
смотрят в одну сторону. Для рассмотрения намагни-
ченного железа применяется в точности такая же мо-
дель — система стрелок, смотрящих вправо и влево.
При намагниченье все стрелки поворачиваются в одну
сторону, причем поворот данного спина влияет на со-
стояние соседних спинов. Намагниченье железа в этом
смысле подобно растяжению полимера.
Вот и еще один перекресток. Построению теории
растяжения каучука непосредственно помогла теория
намагниченья железа — теория явления, на первый
взгляд ничего общего с каучуком не имеющего. Оно и
действительно совершенно иное — здесь сработала не
внутренняя связь явлений, а аналогия в их физико-мате-
матическом содержании.
183
Полимерная цепь и цепь Маркова
Случайный толчок заставил данное звено полимер-
ной цепи повернуться. Но этот поворот повлек за собой
изменение состояния соседнего звена и т. д. Вероят-
ность того или иного состояния звена зависит от со-
стояния предшествующего звена, и речь идет уже не о
независимых событиях.
В обычных расчетах вероятности рассматриваются
события независимые. Вероятность того, что при слу-
чайном бросании монеты выпадет герб, равна 50%, не-
зависимо от результата предыдущего бросания. Но так
бывает не всегда.
Вынимаем из колоды одну карту наудачу. Вероят-
ность появления карты данной масти составляет 25%.
Если карта кладется обратно в колоду, то при извлече-
нии следующей карты вероятность появления данной
масти остается той же — 25%. Но если карта в коло-
ду не возвращается, то вероятность вторичного появ-
ления карты данной масти оказывается зависящей от
результата предыдущего извлечения. Так, если вынута
трефовая карта, то в колоде осталось по 13 карт чер-
вонных, бубновых и пиковых, но 12 трефовых. Следова-
тельно, вероятность вторично извлечь трефовую карту
составляет 12/5ь что меньше 25%. Напротив, если вы-
нута карта другой масти, вероятность при втором из-
влечении получить трефовую карту равна 13/si, а это
больше 25%. Вот пример связанных вероятностей.
Теорию вероятностей взаимозависимых событий со-
здал великий математик Андрей Андреевич Марков
(1856—1922). Зависимые вероятности образуют своего
рода цепи, которые так и называются — цепи Маркова.
Приведем еще один пример. В русском языке 32
буквы, из них 9 гласных. Следовательно, вероятность
появления в данном месте текста гласной буквы равна
9/з2 = 0,28. Это в среднем. Но, вообще-то говоря, эта
вероятность зависит от того, какой была предшествую-
щая буква — гласной или согласной. Чтобы примерно
оценить связанные вероятности, проанализируем сле-
дующее четверостишие:
Он шел следь мрака неохватного,
Вслед за звездой падучей,
Сквозь неопределенность квантовой
Механики грядущей.
184
Это начало стихотворения «Физик» П. Г. Антоколь-
ского. В строфе всего 94 буквы — маловато для веро-
ятностных расчетов, но все же попробуем. Из 94 букв
гласных букв 33, средняя вероятность появления глас-
ной 33/э4 = 0,35, что достаточно близко к 0,28. Посмот-
рим, как часто встречаются пары: гласная — гласная,
гласная — согласная, согласная — гласная и соглас-
ная— согласная (г — г, г — с, с — г и с — с). Получаем:
г — г 2 раза, г — с 32 раза, с — г 32 раза, с — с 26 раз.
Мы видим, что вероятность появления гласной вслед
за гласной в 16 раз меньше, чем гласной вслед за со-
гласной! В эстонском языке это соотношение совершенно
иное, в нем ‘сочетания двух и большего числа гласных
подряд достаточно часты.
Сам А. А. Марков применил теорию цепей к веро-
ятностному анализу текстов «Евгения Онегина» и «Дет-
ских годов Багрова внука».
Сегодня теория цепей Маркова известна всему уче-
ному миру. Она получила широчайшие применения в
теоретической физике, экономической статистике, метео-
рологии и т. д. и т. п. Теория цепей Маркова — одно
из крупнейших достижений отечественной науки.
Так вот, полимерная цепь — это тоже цепь Маркова,
Вероятность данного ротамера в данном звене зависит
от того, каким ротамером представлено предыдущее
звено.
Математический метод, созданный Марковым, по-
зволил провести строгие расчеты размеров и других фи-
зических свойств макромолекул, впервые полностью объ-
яснившие данные опыта.
Ротамерная физика привела нас к теории марков-
ских цепей.
Прошу отлучить меня от церкви
Хочется рассказать об академике Андрее Андрееви-
че Маркове, о его общественных выступлениях.
В 1902 г. царское правительство отменило избрание
Максима Горького почетным академиком. А. А. Марков
выступил с резким протестом, а когда с ним не посчи-
тались, подал заявление об отставке. Она не была при-
нята.
В 1905 г. Марков вновь требовал «внести имя г. Пеш-
кова в список почетных академиков».
185
В 1903 г. Марков подал в Правление Академии наук
заявление об отказе получать какие-либо ордена от пра-
вительства.
В 1907 г. Марков, назвав III Государственную думу
незаконным сборищем, просил Правление Академии наук
не вносить его имя в списки избирателей.
В 1908 г. правительство пыталось возложить на
профессоров университетов полицейские функции. Мар-
ков подал министру просвещения заявление, в котором
говорилось: «Я решительно отказываюсь быть в универ-
ситете агентом правительства».
В знак протеста против отлучения от церкви Льва
Толстого. Марков в 1912 г. обратился в Святейший пра-
вительствующий Синод с прошением, которое начинает-
ся так: «Честь имею покорнейше просить Святейший
Синод об отлучении меня от церкви». Дальше он аргу-
ментирует свое прошение. Как ученый, как специалист
по теории вероятностей, Марков считает более чем сом-
нительной истинность религиозных сказаний. В конце
он говорит: «И не сочувствую всем религиям, которые
подобно православию поддерживаются огнем и мечом и
сами служат им».
Это прошение вызвало бурную реакцию. Церковь
пыталась усовестить Маркова, к нему прислали прото-
иерея Орнатского на предмет «наставления и увеща-
ния». Но Марков заявил, что согласен разговаривать с
Орнатским лишь о математике.
Пришлось Маркова от церкви отлучить.
Вероятно, с точки зрения послушных начальству ака-
демиков Марков был в лучшем случае чудаком. Но это
не было чудачеством. Марков отстаивал принципиаль-
ную позицию истинного ученого, его право на независи-
мость мыслей и поступков. И хотя положение академи-
ка было достаточно надежным, антиправительственные
выступления Маркова требовали от него гражданского
мужества. Передовая, революционная общественность
России восхищалась его поведением.
Гражданское мужество ученого! Оно исключительно
важно, так как слова ученого звучат громко, они при-
надлежат человеку, знающему дело, умеющему мыслить
логично и точно.
Менделеев, Марков, многие другие боролись с произ-
волом самодержавия, с мракобесием и обскурантизмом.
186
АНДРЕЙ АНДРЕЕВИЧ
МАРКОВ
К счастью, Маркову не пришлось защищать свою науку
от агрессии невежд. Но в других случаях поиски исти-
ны ученым могут привести его 'непосредственно на пере-
довую линию борьбы с силами, враждебными знанию,
науке, человечеству.
В этой борьбе Галилей не устоял. Он ведь никогда
не говорил «а все-таки она вертится», он отрекся от
своей науки под угрозой пытки. Не каждый бросит в
него камень. Великий ученый может и не быть бой-
цом. Будущее ведь все равно за ним. Но героем борь-
бы за учение Коперника стал не Галилей, а Джордано
Бруно. Подвиг Бруно, пошедшего на костер, но не по-
ступившегося научной истиной, — высшее достижение
человеческого духа.
Кто травил Галилея? Не только папская инквизи-
ция. Папа Урбан VIII не решился бы грозить признан-
ному и прославленному ученому пыткой, если бы не
получил поддержки «научной общественности», уче-
ных — завистников, карьеристов, тупиц и реакционе-
ров. Лженаука никогда ведь не утверждает, что она
выступает против науки. Наоборот, всякое мракобесие
декларирует себя единственной подлинной наукой и по-
этому ищет поддержки со стороны людей, облеченных
степенями и званиями. Очевидно, что здесь нужна диф-
ференциация. Мы горько сожалеем об ученом, который,
зная истину, отрекается от нее под страшной угрозой. Так
и написана драма Бертольта Брехта о Галилее.
Заслуживает презрения человек, примыкающий к
лженауке по глупости или по невежеству. Но наиболь-
шая степень морального падения — поддержка лже-
науки ученым, знающим истину, но отвергающим ее
из-за конъюнктурных соображений. Трудно ему будет по-
том смотреть в глаза собственным детям.
Знание истины, владение научным методом мышле-
ния— счастливый удел настоящего ученого. Но это на-
лагает на него большие моральные и общественные обя-
зательства.
Андрей Андреевич Марков это хорошо понимал,
188
Молекулярная кооперация
Итак, полимерная цепь есть цепь Маркова. Поворо-
ты звеньев зависят друг от друга, вероятности реали-
зации ротамеров взаимосвязаны.
Молекулярные системы, элементарные единицы ко-
торых (будь то отдельные молекулы или звенья поли-
мерной цепи) взаимодействуют друг с другом и поэто-
му ведут себя согласованно, называются кооперативны-
ми системами.
Явления, выражающие это взаимодействие, эту со-
гласованность, именуются кооперативными.
Полимерная цепь, макромолекула,— кооперативная
ротамерная система. Растяжение резины — кооператив-
ный процесс ротамеризации, конформационной пере-
стройки.
Мы все время встречаемся с кооперативными моле-
кулярными процессами, хотя это было понято сравни-
тельно недавно. Для многих физико-химиков, отстав-
ших от науки, кооперативность — понятие загадочное.
В сущности это странно, так как ничего сложного в ко-
оперативности нет.
Обратимся к наглядному примеру. Я еду в перепол-
ненном автобусе. Нужно выходить. Но пассажиры упа-
кованы плотно. Выйти удается только в результате со-
гласованного, кооперативного перемещения пассажиров,
обменивающихся местами. По мере приближения авто-
буса к конечной станции он постепенно пустеет. Коо-
перативность уменьшается, в конце концов можно вый-
ти из автобуса, никого не задевая, не спрашивая «Вы
сходите?» и не прося подвинуться.
При выходе из переполненного автобуса приходится
затратить немалые усилия, запастись определенной
«энергией активации» (стр. 162). По мере освобождения
автобуса эти усилия, эта энергия активации умень-
шаются.
Значит, при кооперативном процессе высота актива
ционного барьера не есть величина постоянная, она за-
висит от числа объектов, уже переваливших через этот
барьер.
Именно так ведут себя молекулы в жидкости. Они
достаточно плотно, хотя и нерегулярно, упакованы, ведь
плотность жидкости немногим меньше плотности соот-
ветствующего твердого тела (вода и лед — исключе-
189
кие, но об этом дальше, на стр. 287). В жидкости имеет-
ся лишь немного пустот, как это видно из рис. 52.
Даем жидкости течь, скажем, через тонкую капил-
лярную трубочку. Любая жидкость (кроме жидкого ге-
лия при температуре вблизи абсолютного нуля) имеет
некоторую вязкость — она течет с ограниченной ско-
ростью. Вязкость определяется тем, что молекулы в
жидкости, перемещаясь, должны расталкивать соседей,
должны иметь некоторую энергию активации. С увели-
чением температуры не только возрастает запас энер-
гии у молекул, но и уменьшается высота активационно-
го барьера. Подробное изучение зависимости вязкости
жидкости от температуры показывает, что вязкое тече-
ние есть кооперативный процесс.
Рассмотрим свойства уже не идеального (стр. 172),
а реального газа, такого газа, который может превра-
титься в жидкость при понижении температуры или при
повышении давления. Идеальный газ, как мы видели,
этого не умеет, так как его молекулы друг с другом не
взаимодействуют. Соответственно зависимость объема от
давления для идеального газа изображается простой
гиперболой (стр. 173, рис. 45)
RT
pV = RT, т. е. V =--.
Р
Но реальные-то газы сжижаются. Это происходит в
результате взаимодействия их молекул: молекулы при-
тягиваются друг к другу. Сближение молекул не без-
гранично, нельзя втиснуть одну молекулу в другую. На
малых расстояниях молекулы друг от друга отталкива-
ются. Это можно представить наличием у молекул опре-
деленного объема, они не геометрические точки.
При рассмотрении идеального газа и притяжение и
отталкивание молекул не учитываются, как и в случае
сильно разреженного газа. Но теперь нам нужно учесть
и то и другое. Как это сделать?
190
Наличие у молекул собственного объема означает,
что они занимают часть пространства, предоставленного
газу. Иными словами, объем, в котором могут двигаться
молекулы, несколько уменьшен. Вместо V напишем
V—Ь, где b — поправка на собственный объем мо-
лекул.
Наличие межмолекулярного притяжения равносиль-
но добавочному давлению, прижимающему молекулы
друг к другу. Значит, вместо р нужно писать р+рВн,
где рвн — добавочное внутреннее давление в газе. Оно,
очевидно, зависит от объема: чем меньший объем за-
нимает газ, тем больше силы межмолекулярного при-
тяжения. Но как же все-таки зависит рт, от V? Это
нетрудно сообразить. Разделим мысленно объем газа
на две части. Одна часть притягивает другую. Ясно,
что сила притяжения будет тем больше, чем больше
молекул в левой и правой частях объема. Сила притя-
жения пропорциональна произведению числа молекул в
левой части на число молекул в правой части. Иными
словами, она пропорциональна квадрату плотности га-
за, т. е. обратно пропорциональна квадрату занимаемо-
го газом объема
а
Рвн = уа •
И вместо уравнения состояния идеального газа
PV = RT
мы получили уравнение состояния реального газа Ван-
дер-Ваальса
(p + -^yV-b) = RT.
Это очень интересное уравнение. Во-первых, при
больших V, когда V много больше b и р много больше
a/V2, можно пренебречь поправками на объем и на дав-
ление. При этом мы вновь получаем наше «идеальное»
уравнение.
Так оно и должно быть. Новая теория обязательно
дает при надлежащих условиях результаты, совпадаю-
щие с полученными при помощи старой теории; конеч-
но, если старая теория справедлива в области своей
191
применимости. Так, уравнения теории относительности
автоматически переходят в уравнения классической
ньютоновской механики, если скорости движения тел
много меньше скорости света-
Во-вторых, уравнение Ван-дер-Ваальса описывает
превращение газа в жидкость. Вместо плавной гипер-
болы оно дает зависимость давления от объема, пока-
кривая состоит из трех ветвей. На участке АБ, пред-
ставляющем собой отрезок гиперболы, происходит сжа-
тие газа (мы идем справа налево) в соответствии с
его «идеальным» поведением. Отрезок БВ — горизон-
тальный. Это значит, что объем уменьшается без изме-
нения внешнего давления. И происходит это потому,
что газ превращается в жидкость. Процесс сжижения
начинается в точке Б и заканчивается в точке В; в ней
весь газ стал жидкостью и объем VB есть объем жид-
кости при данной температуре. Дальнейшее уменьшение
объема связано с очень сильным возрастанием давле-
ния: кривая ВГ идет много круче, чем кривая АБ, так
как жидкость практически несжимаема — молекулы в
ней упакованы достаточно плотно.
Процесс превращения газа в жидкость (или обрат- .
ный процесс испарения жидкости)—кооперативное яв-
ление, целиком определяемое взаимодействием молекул,
согласованностью в их поведении, вызванной силами
межмолекулярного взаимодействия.
192
Межмолекулярные силы
Откуда же берутся межмолекулярные силы? Если
подумать, то этот вопрос неизбежно возникнет. Ведь ва-
лентности в молекулах уже насыщены, новые химиче-
ские связи между ними не образуются. А если бы об-
разовывались, то мы имели бы дело не с сжижением
газа, а с химической реакцией. Между тем, конечно, при
превращении водяного пара в воду никакой химиче-
ской реакции нет.
Во многих молекулах электронные облака несиммет-
ричны. На одной стороне молекулы избыток отрица-
тельного заряда, на другой — положительного. Такова,
например, молекула хлористого водорода НС1 (рис. 25).
В целом она электрически нейтральна, но ее внешние
электроны оттянуты преимущественно к атому хлора.
Такая молекула полярна, она представляет собой элект-
рический диполь — электрически нейтральную систему
с положительным и равным ему отрицательным заря-
дами, находящимися на некотором фиксированном рас-
стоянии друг от друга-
Очевидно, что диполи должны притягиваться, уста-
навливаясь антипараллельно или «в хвост» друг другу,
что и показано на рис. 54, а.
'— +-«—
Рис. 54. Притяжение диполей *
(а), индукция и притяжение *“+
диполей (<Г) а
+-*---(+-<—д
б ' '
Этим дело не исчерпывается. Если уж есть диполь,
то, приближаясь к другой молекуле, он индуцирует в
ней диполь того же направления. Это происходит по-
тому, что электронное облако молекулы подвижно:
электроны притягиваются к положительному концу ди-
поля и отталкиваются его отрицательным концом. Сно-
ва возникает установка «в хвост» двух диполей — ис-
ходного диполя первой молекулы и индуцированного ди-
поля второй, и эти диполи притягиваются (рис. 54, б).
Это достаточно просто. Молекулы НС1 и в самом
деле должны притягиваться друг к другу. И молекулы
7 М. В. Волькенштейн
193
воды тоже, раз они построены в виде уголка
О
ХН
Электроны в воде смещены от водородов к кислоро-
ду, и диполь имеет направление, совпадающее с бис-
сектрисой валентного угла Н—О—Н.
Но как же быть с симметричными молекулами? Ведь
удается превратить в жидкость и воздух, состоящий из
молекул 0 = 0, N^N, О = С = О, и даже благород-
ные газы, молекулы которых — просто атомы с замкнуты-
ми электронными оболочками.
Никаких постоянных электрических диполей здесь
нет. Простые соображения, основанные на элементарной
электростатике, бессильны.
Причину взаимного притяжения молекул, не связан-
ного с наличием электрических диполей, впервые на-
шел Лондон — тот самый физик, который вместе с
Гайтлером создал теорию химической связи (стр. 118).
Лондон показал, что любые атомы или молекулы дол-
жны притягиваться друг к другу, так как электроны в
них не неподвижны. Движение электронов приводит к
появлению не постоянных, но переменных диполей, ко-
торые и притягиваются друг к другу. Периодическое
движение электронов в соседних молекулах создает их
резонанс и вызывает появление сил притяжения.
Не очень-то это наглядно. Ничего не поделаешь, лон-
доновские силы имеют квантово-механическую природу,
до создания квантовой механики объяснить их не уда-
валось. А квантовая механика ужасно не наглядна.
Межмолекулярные силы, выражаемые в уравнении
Ван-дер-Ваальса буквой а, поправкой на давление, сла-
гаются из диполь-дипольных сил, сил взаимодействия
диполя с индуцированным диполем и лондоновских
квантово-механических сил. Химические связи здесь дей-
ствительно ни при чем.
Оттепель
Когда после смерти Николая I великий поэт Тютчев
сказал, что наступила оттепель, он воспользовался ме-
тафорой. Когда тот же Тютчев писал
Яркий снег сиял в долине,
Снег растаял и ушел...
194
и наоборот:
Поток сгустился и тускнеет,
И прячется под твердым льдом,
И гаснет цвет, и звук немеет
В оцепененье ледяном...
то он имел в виду реальные физические процессы плав-
ления льда и замерзания воды, происходящие при 0°С
(если атмосферное давление нормально). Процессы всем
известные и на первый взгляд простые. Мы уже виде-
ли, однако, что доступные взгляду каждого явления
природы, если о них задуматься всерьез, вовсе не так
просты, как это кажется. Вспомним о голубом небе.
Лед имеет кристаллическую, упорядоченную струк-
туру. Соответственно его энтропия меньше энтропии
жидкой воды. В то же время и энергия каждой молеку-
лы воды во льде меньше, чем энергия такой молекулы
в жидкости. Термодинамика — первое и второе нача-
ла — показывает, что превращение воды в лед или об-
ратный процесс происходит тогда, когда свободная
энергия льда равна свободной энергии воды
р ___ р
г лед г вода
ИЛИ
р ___ ТС — Р _______ тс
лед лед вода ^вода*
Отсюда можно определить температуру плавления льда
fp — Е
гр __ »°вота лед
ПЛ Q __ О
ьода элех
Мы знаем, что Тал = 0°С или 273°К. Евояя — Елея есть теп-
лота плавления льда, равная 79,4 кал/г. Отсюда
ВВода — 3Лед — 79,4 : 273 = 0,29 кал/г • градус = 5,22
кал/моль • градус.
Но почему же все-таки вода замерзает? Приведен-
ные формулы показывают, что термодинамически это
означает компенсацию уменьшения энтропии уменьше-
нием внутренней энергии молекул. Но такое описание
формально. Оно не содержит никаких сведений о моле-
кулярной природе процесса.
7*
195
Здесь возникают очень непростые теоретические во-
просы. Допустим, что молекулы могут находиться в двух
разных состояниях, с разной энергией. Скажем, в со-
стояниях двух различных ротамеров. Сколько молекул
будет в одном и сколько в другом состоянии?
Это соотношение зависит от разницы энергий двух
состояний и температуры- Статистические формулы, вы-
веденные Людвигом Больцманом еще в прошлом веке,
показывают, что распределение молекул по двум состоя-
ниям должно плавно изменяться с температурой. При
бесконечно высокой температуре молекул в обоих со-
стояниях будет поровну. И только при абсолютном нуле
все молекулы соберутся в состоянии, которому отвеча-
ет меньшая энергия.
Имеем два состояния молекул НгО — в воде и во
льде. Энергия второго состояния ниже. По Больцману
получается, что при любой температуре часть молекул
будет находиться в кристаллах льда, часть — в жидко-
сти. Даже при бесконечно высокой температуре полови-
на всех молекул воды образует лед! А полное замер-
зание воды должно происходить не при 0°, а при
—273°С, при абсолютном нуле температуры! Но ведь
это явная чушь. Ничего подобного не бывает. Вода со-
существует со льдом только при 0°С, ниже этой темпе-
ратуры она вся превращается в лед, а выше — в жид-
кую воду.
Трудность несомненная. Некоторые физико-химики
ее не понимали и пытались толковать частичную кри-
сталлизацию полимеров по Больцману. Получалась та-
кая же чепуха, как только что написанная.
Дело в том, что формулы Больцмана не годятся для
системы взаимодействующих молекул. Они полностью
применимы для газа (идеального), для не слишком кон-
центрированного раствора.
Роль этих формул, являющихся частью грандиозных
трудов Больцмана, посвященных кинетической теории га-
зов и статистической механике, очень велика. Но здесь
они непосредственно неприменимы. Они не учитывают
кооперативности.
Превращение жидкости в кристалл и обратно — ко-
оперативный процесс, равно как и сжижение газа или
испарение жидкости. Но здесь нет простой молекуляр-
ной формулы, подобной уравнению Ван-дер-Ваальса.
Как это ни парадоксально, до сих пор не создана де-
196
тальная молекулярная теория плавления кристаллов.
Такая теория, которая позволяла бы вычислять все ха-
рактеристики плавления (температуру плавления, теп-
лоту плавления, скорость плавления), исходя из све-
дений о структуре молекул, образующих кристалл. И
это полностью относится к самым ходовым кристал-
лам — к кристаллам льда.
Выходит, что не только в глубинах атомного ядра
таится неизведанное физикой. Любая снежинка ставит
перед наукой проблемы, еще не решенные. Мы понима-
ем общую природу кооперативных процессов образова-
ния снежинки и ее плавления, но не умеем как следует
снежинку обсчитать, несмотря на все наши сведения о
строении молекулы НгО.
Все или ничего
Замерзание и плавление, сжижение газа и испаре-
ние жидкости — кооперативные процессы, именуемые фа-
зовыми переходами. Что для них характерно?
Это резкие превращения, протекающие до конца при
определенной температуре, при определенном уровне
теплового движения молекул. Или атомов, если речь
идет о металлах.
Как изменяется внутренняя энергия молекул в кри-
сталле по мере его нагревания? Сначала она постепен-
но увеличивается, так как молекулы колеблются все
сильнее. Затем, в точке плавления, она меняется скач-
ком — весь кристалл превращается в жидкость. Высо-
та этого скачка — теплота плавления. А дальше нагре-
вается уже жидкость и, конечно, тоже увеличивает
свою энергию с ростом температуры. График такого
процесса показан на рис. 55, а.
А что происходит с удельным объемом кристалла?
Сначала он растет с температурой по простому закону
прямой пропорциональности. Это изображается на
графике прямой линией (рис. 55, б). При температуре
плавления объем меняется скачком, дальше происходит
уже расширение жидкости. Коэффициент расширения
жидкости больше, чем кристалла, состоящего из тех же
молекул, так как молекулы в жидкости имеют большие
возможности для движения, чем в кристалле.
Впрочем, для воды это будет выглядеть иначе. Ведь
лед легче воды, следовательно его удельный объем
197
Рис. 55. Зависимость
внутренней энергии (а)
и объема (б) от темпе*
ратуры
больше. При плавлении льда удельный объем умень-
шается вплоть до 4°С и только после этого начинает
расти. Но такое поведение воды — редкое исключение,
объясняющееся совершенно особыми свойствами этого
важнейшего вещества. О них придется говорить специ-
ально (стр. 287).
Итак, кооперативные фазовые переходы происходят
резко. Все или ничего. Или все вещество находится в
состоянии жидкости или оно кристалл. Такая неприми-
римость объясняется кооперацией молекул, тем, что ко-
операция вовлекает в процесс сразу очень большую их
совокупность.
Стекло и кристалл
А ведь стекло размягчается постепенно. Тут нет ни-
какого «все или ничего», нет фазового перехода. Куда
же девается кооперативность? Неужели в стекле ато-
мы и молекулы не взаимодействуют?
Кооперативность в стекле, конечно, есть. Ее удает-
ся выудить в соответствующих физических опытах. В
стекле нет фазового перехода.
Одно и то же вещество можно получить и в виде
кристалла и в виде стекла. Кварц встречается в приро-
де в форме чудесных кристаллов, часто именуемых
горным хрусталем. Но если такой кристалл расплавить,
а затем быстро охладить,— получится стеклообразный
кварц, не имеющий определенной точки плавления.
Различие между свойствами стекла и кристалла
прежде всего определяется различием в их структуре.
Атомы или молекулы в кристалле расположены стро-
го регулярно, они образуют кристаллическую решетку
(рис, 7 на стр. 26). Напротив, упаковка частиц в стек-
198
ле неупорядочена, она такая же, как в жидкости. Нс,
имея структуру жидкости, стекло обладает совершенно
иными свойствами- Оно не течет, не замерзает. Стек-
ло — твердое тело.
Получается противоречие, в котором не так-то легко
разобраться.
В большинстве учебников, даже учебников для выс-
шей школы, написано, что стекло есть переохлажден-
ная жидкость. Действительно, зачастую удается охла-
дить жидкость до температуры, более низкой, чем тем-
пература замерзания. Можно, например, охладить воду
до —10° С без того, чтобы она превратилась в лед.
Правда, достаточно при этом встряхнуть сосуд или
бросить в него кристаллик льда, чтобы вся вода qps-
зу закристаллизовалась.,
Такая переохлажденная жидкость остается жид-
костью, способной и течь и замерзать. Это жидкость в
неустойчивом, неравновесном состоянии.
Стекло явно отличается от переохлажденной жидко-
сти. Это особое состояние вещества.
Давайте подумаем, как происходит кристаллизация.
Молекулы должны перегруппироваться и расположиться
в кристаллической решетке. Следовательно, кристалли-
зация требует определенной подвижности молекул. Что-
бы переместиться в жидкости, молекула должна пре-
одолеть активационный барьер, должна обладать неко-
торым запасом энергии (стр. 190).
В подавляющем большинстве случаев малые моле-
кулы перегруппировываются в кристаллическую решет-
ку без труда.
Большинство химических соединений кристаллизует-
ся, а не «стеклуется». Но к полимерам это не относится.
Представьте себе теперь, что вы настолько быстро
охлаждаете жидкость, что ее молекулы не успевают
перегруппироваться в кристаллическую решетку. Темпе-
ратура понизилась, а молекулы остались по другую сто-
рону активационного барьера. И им уже не хватает
подвижности, чтобы через него перейти; они застряли,
не поднявшись на перевал-
Структура жидкости не только сохранилась. Она
замерзла до того, как превратилась в кристаллическую.
Стекло подобно жидкости с чрезвычайно замедленным
199
движением молекул. Стеклование происходит при силь-
ном увеличении вязкости.
Рис. 56. Зависимость объема
кристалла, стекла и жидкости от
температур
АБ — жидкость; БВ — переохлаж-
денная жидкость; ВГ — стекло;
ДЕ — кристалл; Тир и Тот — темпе-
ратура кристаллизации и стеклова-
ния
На рис. 56 показаны соотношения между удельными
объемами жидкости, переохлажденной жидкости, кри-
сталла и стекла. Стекло имеет такой же коэффициент
расширения, как и кристалл, но не имеет фазового пе-
рехода. Оно не плавится, а размягчается.
Если стекло лежит достаточно долго, то оно может
все-таки закристаллизоваться. Но для этого нужно мно-
го времени, иногда тысячелетия. В ленинградском Эр-
митаже имеются античные стеклянные сосуды. Места-
ми они потускнели, потеряли прозрачность. В этих ме-
стах прошла кристаллизация.
На примере стекла видно, что скорость физических
процессов играет большую роль в свойствах вещества.
Стекло есть стекло, а не жидкость и не кристалл, пото-
му что скорость молекулярных движений в стекле
очень мала.
Так как молекулам полимеров, макромолекулам, осо-
бенно трудно двигаться и поворачиваться, они легко
стеклуются. Твердые пластмассы, и прозрачные и не-
прозрачные — это полимеры в стеклообразном состоя-
нии. Может быть, посетитель музея XL века и увидит,
что древняя пластмассовая тарелка, изготовленная в
XX веке, закристаллизовалась.
200
Рассеяние света и барон Мюнхгаузен
В стекле заморожена структура жидкости. Значит,
заморожены и неоднородности этой структуры — флук-
туации (стр. 24).
Выходит, что стекло должно рассеивать свет, как
жидкость, — во много раз сильнее, чем кристалл. Так
оно и есть. Точные измерения интенсивности света,
рассеянного стеклом и кристаллом того же состава
(кварц), были проделаны в лаборатории Г. С. Ландс-
берга. Стекло действительно гораздо лучше рассеивает
свет.
Но мы видели, что флуктуации в жидкости опреде-
ляются распространением звуковых (гиперзвуковых)
волн (стр. 26). Получается, что в стекле имеется замо-
роженный звук!
«Шкипер обратился к Пантагрюэлю и сказал: Су-
дарь, ничего не бойтесь! Здесь проходит граница Ле-
довитого моря, где в начале прошлой зимы произошло
великое и жестокое сражение между аримаспеянами и
нефелибатами. Еще в то время в воздухе замерзли
слова и крики мужчин и женщин, удары палиц, Треск
лат и конских доспехов, ржание лошадей и другие ужа-
сы битвы. Сейчас, когда морозы прошли и наступила
ясная и теплая погода, слова тают и становятся слыш-
ными...
И он бросил на палубу целую пригоршню замерз-
ших слов, похожих на драже, отливавших разным цве-
том... В наших руках они согревались и таяли, как
снег, и тогда мы их действительно слышали».
Знаменитый враль и научный фантаст барон Мюнх-
гаузен был не оригинален. Его история о звуках, за-
мерзших в почтовом рожке, появилась много позже, Чем
бессмертный роман Раблэ о Гаргантюа и Пантагрюэле.
Так что же, звуки действительно могут замерзать?
Нет, теоретический расчет показывает, что в стекле за-
морожены структурные неоднородности, а не гиперзву-
ковые волны. Хотел бы, но не могу с надлежащей про-
стотой объяснить читателю, в чем состоит различие тех
и других флуктуаций. Это — термодинамические тон-
кости, на которых здесь нельзя останавливаться. По-
верьте мне на слово, что Мюнхгаузен соврал.
201
Когда я написал работу о рассеянии света в стек-
лах, то в ней так и было сказано, но в сугубо научной
форме. Я 'написал: «Вопреки мнениям, встречающимся
в литературе, звук замерзнуть не может». И дал ссыл-
ки на Пантагрюэля и Мюнхгаузена в списке серьез-
ных научных работ в конце статьи. Увы, редакция со-
лидного журнала, в котором печаталась моя работа,
эту фразу и эти ссылки выкинула. Конечно, разговор о
Мюнхгаузене более уместен в этой книге, чем в акаде-
мическом журнале. Но все-таки мне жаль этих ссылок.
Наука и юмор
Творческая работа, а значит, и работа ученого —
занятие счастливое и потому веселое. Юмор имеет са-
мое непосредственное отношение к науке. По крайней
мере в трех аспектах.
Во-первых, в познавательном. Остроумие сродни
научной мысли. Шутка, острота чаще всего связаны с
парадоксальностью, неожиданностью сочетания явлений
и понятий. Остроумие всегда непредвзято. Нельзя себе
представить догматическую острогу; эти два понятия
несовместимы. Но парадоксальность, неожиданность,
непредвзятость, антидогматизм присущи и научному
творчеству. Поэтому остроумие необходимо в научной
работе. Вовремя сказанная шутка может не только ос-
вежить восприятие обсуждаемых научных проблем, но
и повернуть его в нужную сторону.
Во-вторых, в эстетическом аспекте. Лженаука без-
образна, антиэстетична и поэтому смешна. Она подле-
жит не только опровержению, но и осмеянию. С другой
стороны, остроумное решение научной загадки эстетич-
но и в то же время служит источником веселья, смеха.
И, наконец, в этическом аспекте. Смех — мощное
орудие борьбы с несправедливостью и безнравственно-
стью; юмор — великолепный амортизатор в человече-
ских взаимоотношениях.
Трудно представить себе талантливого, эффективно
работающего ученого, лишенного чувства юмора. Такие
встречаются редко. Напротив, среди бездарностей про-
цент людей, наделенных звериной серьезностью, не улы-
бающихся и не понимающих шуток, весьма высок.
«Комплекс неполноценности», ущемленное самолюбие
202
АЛЬБЕРТ ЭЙНШТЕЙН
также ведут к утрате юмора или к злобной и желчной
его модификации.
«Серьезный человек радуется, когда ему удается
хоть раз посмеяться от чистого сердца», — говорил
Эйнштейн. Ему это удавалось. Его шутки были полны
остроумия и глубокого содержания. В статье «Физика
и реальность» Эйнштейн писал: «Я не считаю закон-
ным скрывать логическую независимость понятия и
чувственного восприятия. Отношение между ними ана-
логично не отношению бульона к говядине, а скорее
гардеробного номера к пальто». А на вопрос малень-
кого сына о причинах его славы Эйнштейн ответил:
«Когда слепой жук ползет по поверхности шара, он не
замечает, что пройденный им путь изогнут. Мне же по-
счастливилось это заметить».
Наука не может развиваться без самокритики в луч-
шем смысле этого 'слова. Ей противопоказаны чинопо-
читание, «взирание на лица», бездумное следование
авторитетам. В той же 'мере несовместимы с творческой
научной деятельностью важничанье, командование, от-
сутствие человечности. Ученые посмеиваются и над со-
бой и над своими коллегами, зачастую пародируют и
разыгрывают друг друга. В одном из институтов Ака-
демии наук существовала милая традиция ставить опе-
ретты на местные научные темы. В одной из таких опе-
ретт, в сцене, изображающей лабораторию некоего уче-
ного, талантливого, но не раз получавшего ненадежные
результаты, над занавесом красовался плакат: «Арте-
факты — упрямая вещь!» (Артефакты — ложные, ис-
кусственные факты, на которые то и дело приходится
напарываться в научной работе.)
Не случайно привлек внимание читателей, и науч-
ных работников и студентов, вышедший в русском пере-
воде сборник «Физики шутят».
Конечно, шутки ученых иногда звучат тяжеловесно
для людей, не связанных с наукой. Здесь своя поэтика,
базирующаяся на специальных знаниях и терминологии.
Но эти шутки делают свое доброе дело.
Смех — быстрая и безошибочная реакция на любую
лженаучную чепуху. Читаем, например, такое: «Элемен-
тарными формами движения являются: перемещатель-
ная, метрическая, вращательная, микровращательная,
механическая (объемная), микрообъемная, кинетиче-
204
екай перемещения, импульсная, кинетическая спиновая,
хрональная перемещения, хрональная вращения, микро-
хрональная, гидродинамическая, деформационная, ви-
брационная, гравитационная, микрогравитационная,
диффузионная, микродиффузионная, химическая, суб-
станциальная, термическая, микротермическая, элект-
рическая, поляризационная, магнитная, намагничива-
ния, электромагнитная, дебройлевская (волновая), ин-
формационная, :микроинформационная, ощущательная,
зрительная, слуховая, осязательная, обонятельная, вку-
совая, лептонная, барионная, изоспиновая, странностная,
частностная и т. д.». (А. И. Вейник. «Термодинамика»,
3-е издание, допущено Министерством высшего и сред-
него специального образования БССР в качестве учеб-
ного пособия для студентов университетов, технических
и педагогических вузов, Минск, 1968).
Обсуждать это удивительное по бессмысленности пе-
речисление не приходится. Но удержаться от смеха
трудно. Анекдот, впрочем, скверный.
Юмор другого рода сопровождает остроумное науч-
ное открытие. Генетический код был расшифрован пу-
тем «обмана» клетки (см. далее). В клеточную систему
вместо генетического вещества вводили синтетический
полимер — молекулярную цепочку, состоящую из звень-
ев, подобных фигурирующим в природном, генетиче-
ском полимере. И клеточная химия срабатывала, при-
нималась за синтез белка. Здесь есть элемент комиз-
ма — клетку надули и вынудили раскрыть свою тайну-
У лектора, рассказывающего об этих прекрасных опы-
тах Ниренберга, весело блестят глаза.
В поэтическом плане юмор, сатира выступают 'союз-
никами науки, ибо нравственность имеет научное обос-
нование. Преступление всегда антинаучно. И оно всег-
да лишено веселья и юмора. Моцарт весел, а Сальери
не улыбается.
Старик-нищий играет арию из Дон-Жуана; Моцарт хохочет.
Сальери. И ты смеяться можешь?
Моцарт. Ах, Сальери!
Ужель и сам ты не смеешься?
Сальери. Нет. Мне не смешно, когда маляр негодный
Мне пачкает Мадонну Рафаэля.
Мне не смешно, когда фигляр презренный
Пародией бесчестит Алигьери.
205
Сальери аргументирует отсутствие юмора громкими
словами. Но ведь речь-то идет только о слепом нищем
старике, который неумело исполняет музыку Моцарта.
Перефразируя Пушкина, можно сказать, что юмор и
злодейство — две вещи несовместные.
И еще раз:
Моцарт. Ах, правда ли, Сальери,
Что Бомарше кого-то отравил?
Сальери. Не думаю: он слишком был смешон
Для ремесла такого.
Преступник Сальери считает себя не смешным, но
величественным. Он объясняет высокими идеями обще-
ственного блага гнусное убийство, продиктованное за-
вистью и страхом:
...я избран, чтоб его
Остановить — не то мы все погибли,
Мы все, жрецы, служители музыки,—
Не я один...
Но смешными оказываются и гораздо более страшные
преступники. Чарли Чаплин уничтожающим образом
осмеял Гитлера в «Диктаторе».
Парадокс состоит в том, что Сальери выступает от
имени науки. Сальери, а не Моцарт «поверил алгеб-
рой гармонию». Но Моцарт более близок к науке. Он —
творец, он внутренне свободен. И он полон юмора. Не-
даром Эйнштейн так любил музыку Моцарта.
6
БЕЛКИ
Самые важные полимеры
Наконец мы добрались до биологии. Вспомним, ка-
ким путем мы шли. Посмотрели на голубое небо и вы-
яснили, что его цвет связан с вероятностным характе-
ром второго начала термодинамики. Познакомились со
значением второго начала. Опровергли кажущееся не-
соответствие живой природы и термодинамики- Но при-
шли к заключению, что мы все-таки ничего в живом
организме не понимаем; его функционирование должно
объясняться какими-то специальными свойствами со-
ставляющих организм молекул. Пришлось заняться ато-
мами и молекулами, выяснить основы их существова-
ния. Поверьте, что при этом внимание читателя обра-
щалось именно на те вопросы, которые понадобятся нам
сейчас. От малых молекул мы перешли к большим — к
полимерам, к макромолекулам. А теперь — к белкам.
Дело в том, что белки — это макромолекулы, это
биологические полимеры. Из всех полимерных веществ,
существующих в природе и созданных человеком, белки
самые важные. Потому что жизнь на Земле — белко-
вая жизнь.
Это было ясно передовым умам еще в прошлом ве-
ке. Энгельс писал: «Жизнь — это способ существова-
ния белковых тел, существенным моментом которой яв-
ляется постоянный обмен веществ с окружающей их
внешней природой». Два кардинальных положения со-
держатся в этой фразе. Первое — главенствующая
роль белков как основы жизни, второе — то, что орга-
низм — открытая система. О втором мы уже говорили
(стр. 57). Давайте займемся белками.
Что такое белки? Само это слово связано... с яични-
цей. Действительно, первоначально в русском языке бе-
лок означал белок куриного яйца. В отличие от желтка.
В немецком языке белки так прямо и называются
207
Eiweisstoffe — вещества яичного белка в буквальном пе-
реводе. Впрочем, и невцы, и англичане, и французы
пользуются теперь научным термином «протеины». У
нас он тоже употребляется, но редко. Мы говорим —
белки.
Белки — очень большая группа полимерных ве-
ществ, фигурирующих во всех живых организмах, начи-
ная ’с бактерии и кончая человеком. В чистом виде белок
обычно действительно белый. Это порошок, растворимый
в воде. Многие белки выделены в кристаллической
форме.
Белки выполняют все жизненно важные функции в
организме. Они являются катализаторами, управляющи-
ми всей химией живого организма, всеми биохимиче-
скими процессами. Они переносят кислород и запасают
его, обеспечивая дыхание. Они служат основой движе-
ний внутри организма и движения организма как цело-
го — будь то гусеница или носорог. Они защищают ор-
ганизм от болезней. Они являются главными опорными
веществами тканей.
Короче говоря, белки умеют все. Одного они, прав-
да, не умеют — сами себя синтезировать. Для синтеза
белков нужны другие биополимеры, именуемые нуклеи-
новыми кислотами. Но об этом — дальше.
Всегда, когда занимаешься химией или молекулярной
физикой, возникает основная проблема: как связаны
свойства вещества с его атомно-молекулярным строени-
ем? Проблема эта настолько обща, что ее неприлично
записывать в планы научных работ. Нужно тему кон-
кретизировать.
Несомненно, что биологическая роль белков (точнее,
роли, так как из белков создана вся театральная труп-
па) определяется особенностями их молекулярного
строения. Вот эти-то особенности нам нужно прежде
всего выяснить-
20 магических звеньев
Белки — полимеры, построенные из макромолеку-
лярных цепочек. Молекула белка может содержать од-
ну такую цепочку или несколько.
В цепях каучука (стр. 168) или полиэтилена
(стр. 178) звенья одни и те же, они непрерывно повто-
р яются.
208
Звенья белковой цепи различны, но всегда представ-
ляют один и тот же класс химических соединений. Бел-
ки построены из аминокислотных остатков.
Аминокислоты — сравнительно простые органиче-
ские соединения такого, например, строения
Н СНз
Х'с'/
НгМ^ ^СООН
Аланин
В аминокислоте обязательно присутствуют две груп-
пы атомов: амин NH2 и карбоксил СООН. Вторая
группа и является кислотной, ее водород может заме-
щаться на металл. Другие атомные группы различны
для различных аминокислот. Так, вместо метила СН3,
фигурирующего в только что изображенном аланине,
может стоять водород
Н Н
'''с'7
\:оон
Глицин
И более сложные группы:
\х>он
Фенилаланин
H CH2-OH
HaN'7 \:оон
Серии
H СН2—СН2—S—СНз
^с^
''соон
Метионин
и т. д.
20S
Объединение аминокислот в белковую цепь происхо-
дит за счет групп NH2 и СООН с отщеплением воды в
такой, например, реакции:
НН Н СНз
+ Х'с'/ —
НзМ^ ^СООН НзН^ ^СООН
НН Н СНз
-» ^С Х'с'/ +н2о
H2n'/ ^co-nh Хсоон
Дальше присоединяются другие аминокислоты. Собст-
венно говоря, это не полимеризация. При полимериза-
ции изопрена (стр. 168) или этилена (стр. 143) молеку-
лы просто объединяются в цепь в результате раскры-
тия двойных связей, при этом ничто не выделяется. Ког-
да же образуется белковая цепь, на каждое звено при-
ходится одна выделившаяся молекула воды. Такой про-
цесс называется поликонденсацией. В технике он также
применяется; посредством поликонденсации готовятся,
например, синтетические волокна — капрон и найлон.
Но в капроне все звенья цепи одинаковые, а в белке
они разные, так как конденсируется смесь различных
аминокислот. Однотипны лишь сочленения аминокис-
лотных звеньев — это всегда пептидные группы
—СО—NH—.
При внимательном изучении белков выяснилось очень
интересное и важное обстоятельство. Все белки ня
Земле, начиная с белков вирусов и кончая белками мле-
копитающих, построены из 20 и только 20 различных
аминокислот. 20 — магическое число. Эта круглая циф-
ра выражает одну из основных закономерностей живой
природы. Дальше мы рассмотрим, что означает это чис-
ло и с какими явлениями оно связано.
Пять из 20 магических аминокислот уже изображе-
ны на предыдущей странице. Я не буду рисовать 15 ос-
тальных структурных формул, ограничусь списком ами-
нокислот и их сокращенными обозначениями. При этом
я сгруппирую аминокислоты сходного строения. Итак:
210
i. Аминокислоты, содержащие
углеводородные группы
1. Глицин, гли
2. Аланин, ала
3. Валин, вал
4. Лейцин, лей
5. Изолейцин, иле
6. Фенилаланин, фен
7. Пролин, прЪ
8. Триптофан, три
II. Аминокислоты, содержащие
серу
9. Метионин, мет
10. Цистин, цис
III. Аминокислоты, содержащие
гидроксильную группу
11. Треонин, тре
12. Серин, сер
13. Тирозин, тир
IV. Аминокислоты, содержащие
добавочную кислотную
группу
14. Аспарагиновая кислота, асп
15. Глутаминовая кислота, глу
V. Аминокислоты, содержащие
амидную группу CONHa
16. Аспарагин, асн
17. Глутамин, глун
VI. Аминокислоты, содержащие
щелочную группу
18. Гистидин, гис
19. Лизин, лиз
20. Аргиннн, арг
Итого двадцать. Разнообразие химических элемен-
тов в аминокислотах невелико: углерод, водород, азот,
кислород и в двух аминокислотах — сера. Всего 5 эле-
ментов. Но разнообразие строения и свойств аминокис-
лот, фигурирующих в белках, значительно. Здесь и на-
сыщенные углеводородные группы — в гли, ала, вал,
лей, иле; здесь и ароматические л-электронные груп-
пы — в фен, три, тир, гис; группы кислотные, щелочные
и т. д. Это разнообразие очень важно для структуры и
свойств белка.
Алиса в Зазеркалье
Маленькая Алиса, героиня восхитительных повестей
Льюиса Кэрролла, разговаривала со своей кошкой: «Как
бы тебе понравилось жить в зазеркальном доме, Ки-
санька? Не знаю, давали ли бы тебе там молоко? А
может быть, зеркальное молоко не годится для питья?»
Алиса угадала, зеркальное молоко действительно со-
вершенно не питательно.
Какое отношение имеет эта цитата к структуре бел-
ков? Самое непосредственное. Белок — важнейшее пи-
211
татеЛьное вещество, содержащееся в молоке. Если отра-
зить белковые молекулы в зеркале, то они окажутся ли-
шенными какой-либо ценности для живого организма,
будь то кошка или человек.
19 из 20 аминокислот (все, кроме глицина) могут фи-
гурировать в двух формах — правой и левой- На
рис. 57 показано пространственное отроение правой и
сн3 сн3
.С
IK V'C0011
NH2
Рис. 57. Конфигурация анти-
подов аланина
левой молекул аланина. Эти две структуры представ-
ляют зеркальные отражения друг друга, они относятся
друг к другу как правая и левая рука. И сколько ни
верти их в пространстве, они друг с другом не сов-
падут.
Я на правую руку надела
Перчатку с левой руки...
Такое возможно только в минуту сильного душевного
смятения, описываемого Анной Ахматовой. И все равно
перчатка не подойдет.
Молекулы — зеркальные антиподы (они называются
еще стереоизомерами) — тождественны во многих от-
ношениях. В частности, тождественны их реакции с ве-
ществами, состоящими из симметричных молекул. Иными
словами, из таких молекул, которые не могут быть пред-
ставлены в правой и левой форме. Антиподы имеют
одинаковые температуры кипения и плавления, одинако-
вую плотность. Различить их можно посредством не-
многих методов, о которых рассказано дальше.
Если химик синтезирует в колбе вещество, состоя-
щее из асимметричных молекул, т. е. из таких молекул,
правая и левая формы которых разнятся, являются ан-
типодами, и если такой синтез происходит без вмеша-
тельства какого-либо асимметрического фактора, то
всегда получается смесь равных количеств и правых и
левых молекул. Причина этому все та же — второе на-
чало термодинамики. Образование правой и левой мо-
212
лекул в отсутствие асимметрического воздействия, про-
изводящего выбор, равновероятно, соответствует наи-
меньшей упорядоченности и наибольшей энтропии. Вот
и получается смесь 1:1 — рацемическая смесь.
Как же выделить из рацемической смеси правые и
левые молекулы? Для этого нужно подействовать на
нее каким-нибудь асимметричным веществом. Обозна-
чим рацемическую смесь (п, л) и пусть она реагирует
с чистым антиподом другого вещества, скажем П:
(п, л) + П->пП + лП.
Вещества пП и лП уже не будут зеркальными отра-
жениями друг друга. Такими отражениями были бы
пП Лл и лП Лп.
Следовательно, молекулы пП и лП имеют действи-
тельно различные строение и свойства и их можно раз-
делить перекристаллизацией или другими способами.
Химики так и поступают.
Но откуда взять чистый антипод П для написанной
реакции? Вот здесь-то и начинается самое интересное.
Чистые антиподы, определенные стереоизомеры фи-
гурируют в живых организмах. Канонические аминокис-
лоты в белках любых существ — от вируса до челове-
ка — это всегда Л-аминокислоты, имеющие строение,
показанное в левой половине рис. 57. Такая асимметрия
Рис. 58. Правый и Левый ирис-
таллы кварца
присуща и другим биологическим молекулам — и уг-
леводам и нуклеиновым кислотам. Жизнь на Земле
произвела асимметрический отбор антиподов.
Существует ли асимметрия в неживой природе? Не-
сомненно. В любом месторождении кристаллического
кварца встречаются примерно в равном количестве пра-
вые и левые кристаллы (рис. 58). Человек в состоянии
213
отобрать правые кристаллы ot левых, так как ой сам
асимметричен и поэтому знает разницу между правым
и левым.
Именно так поступил в 1848 году великий химик г
биолог Луи Пастер, впервые выделивший чистые анти-
поды. Имея дело с рацемической смесью кристаллог
винной кислоты, Пастер отделял с помощью лупы и
пинцета правые кристаллы от левых. Их внешняя ог-
ранка различается, как и у кварца; (различается и струк-
тура их молекул (рис. 59).
НООС\ ЛА. [L ^СООН
^С^-ОН НО-^>СГ
ИСТ'/' Н н-^ S^OH
соон соон
Рис. 59. Антиподы винной
кислоты
Итак, живая природа асимметрична. Асимметрия,
начинаясь с молекул, выражается и в строении организ-
ма как целого. Эта важная особенность живых организ-
мов отмечена Жюлем Верном: «Я взглянул в сетку, и
сунув в нее руку, с чисто конхиологическим, попросту
говоря, с самым пронзительным криком, какой когда-ли-
бо вырывался из человеческого горла, вынул оттуда ра-
ковину.
— Что случилось с господином профессором? — спро-
сил с удивлением Консель. — Не укусил ли кто госпо-
дина профессора?
— Не беспокойся, друг мой! Но я охотно поплатил-
ся бы пальцем за такую находку.
— Находку?
— Вот за эту раковину — сказал я, показывая ему
предмет своего восторга.
— Да это же простая пурпурная олива, рода олив,
отряда гребенчато-жаберных, класса брюхоногих, типа
моллюсков...
— Верно, Консель! Но у раковины завиток идет не
справа налево, как обычно, а слева направо!»
Этот отрывок из «20 000 лье под водой» свидетельст-
вует о поистине тонком понимании научных проблем ав-
тором романа.
Почему же права маленькая Алиса?
214
Белки, поступающие в организм с .пищей, расщеп-
гяются в желудке и кишечнике «а аминокислоты. Из
1минокислот строятся новые белки, свойственные данно-
му организму и необходимые для его существования,
io строятся они только из Л-аминокислот. Следова-
'ельно, зеркально отраженное молоко организму ни к
:ему. Оно ведь состоит из П-аминокислот, которые не
юдятся для синтеза белка.
Представим себе такую фантастическую ситуацию:
текий путешественник попал на необитаемый остров, на
котором жизнь зеркальна — белки растений и живот-
ных состоят не из Л-, а из П-аминокислот. Путешест-
венник умрет с голоду, несмотря на изобилие плодов,
рыбы и птицы.
Правые аминокислоты не питательны.
Чем отличается правое от левого?
Почему жизнь производит такой выбор стереоизо-
меров? Ответить на этот вопрос совсем не просто. Он
непосредственно связан с проблемой происхождения
жизни на Земле.
Сейчас общим признанием пользуется теория абио-
генного происхождения жизни, ее самопроизвольного
возникновения из первичных, сравнительно простых ве-
ществ, содержавшихся в архаической атмосфере Земли
и в океанах. Эта теория была особенно подробно раз-
вита и аргументирована Александром Ивановичем Опа-
риным. По-видимому, первичная атмосфера Земли со-
держала небольшие количества углекислого газа, воды,
азота, аммиака, сероводорода, метана. Свободного кис-
лорода не было. Как доказано прямыми опытами, из
этих простых молекул может получиться сложная ор-
ганика. Так, под действием электрического разряда
(гроза!) и ультрафиолетовых лучей (солнце!) из смесей
таких простых веществ возникают различные органиче-
ские соединения, в том числе и аминокислоты. Образо-
вание примитивных предшественников живых систем,
вероятно, происходило в водной среде, в прибрежных
зонах океана из этой органики. Как это происходило,
мы не знаем, хотя наука и располагает здесь рядом ги-
потез. Мы этого, очевидно, и не узнаем до тех лор, по-
ка не удастся получить живые клетки искусственно.
Думаю, что это фантастическое событие не за горами.
?15
Первоначально должны были, очевидно, возникать
рацемические смеси аминокислот. Как же происходило
разделение смесей, отбор левых антиподов?
Наиболее правдоподобно предположение о случай-
ном, флуктуационном накоплении левых молекул в ка-
кой-то области происхождения жизни. И уж если раз-
вивающаяся жизнь этой случайностью воспользова-
лась, то отбор антиподов 'закрепился в дальнейшей эво-
люции. Дело в том, что асимметричный организм обла-
дает известными преимуществами по сравнению с орга-
низмом рацемическим. Его реакции на внешние воздей-
ствия более специфичны, так как он «знает» разницу
между правым и левым. Более специфично, более упо-
рядоченно (в силу асимметрии) и строение такого ор-
ганизма.
Вот мы и попали в область научных спекуляций.
Слово «спекуляция» в науке вовсе не имеет отрицатель-
ного смысла. Имеются в виду гипотетические рассужде-
ния, недостаточно подкрепленные опытом. Ничего не
поделаешь, развитие любой научной области так или
иначе начинается со спекуляций.
Человек, будучи вершиной биологической эволюции,
научился отличать правые молекулы от левых, не поль-
зуясь специфическими химическими реакциями.
Физические свойства правого и левого антипода тож-
дественны — все, за исключением одного. Речь идет о
так называемой оптической активности асимметричных
молекул.
Световую волну можно поляризовать. Это значит, по-
лучить световую волну, колеблющуюся в одной плоско-
сти. Поляризацию света можно осуществить разными
способами, например пропустив естественный свет через
поляроидную пленку (рис. 60). В естественном свете
плоскость электрических колебаний все время меняется.
п
Рис. 60. Получение поляризованного света.
П — поляроид
216
/ плоскополяризованного света плоскость колебаний
фиксирована.
Если пропустить плоскополяризованный свет через
зещество, состоящее из асимметричных молекул, то
плоскость поляризации повернется (рис. 61). Угол по-
ворота будет тем больше, чем длиннее путь, проходи-
мый светом в веществе, чем больше плотность вещества,
и, конечно, этот угол зависит от конкретной структуры
вещества.
Правый и левый антиподы поворачивают плоскость
поляризации света в разные стороны. Способность мо-
лекул вращать .плоскость поляризации и называется
оптической активностью.
Нужно подчеркнуть, что левые аминокислоты вовсе
не обязательно вращают плоскость поляризации света
влево. Обозначение «Л» указывает на принадлежность
аминокислоты к определенному стереохимическому ря-
ду, на то, что она построена так, как на рис. 57.
в
Рис. 61. Вращение плоскости поляризации света.
В — оптически активное вещество
Рацемическая смесь, состоящая из равных чисел пра-
вых и левых молекул, не вращает плоскости поляриза-
ции.
Оптическая активность, ее зависимость от длины вол-
ны света, сегодня стала одним из важнейших методов
изучения структуры молекул. Угол поворота плоскости
поляризации заметно меняется при малейших изменени-
ях строения молекул, он очень чувствителен к этим из-
менениям. Поэтому физики, химики, биохимики, зани-
мающиеся изучением белков и других биологических
веществ, благодарны природе за создание этих веществ
в асимметричной, оптически активной форме. Тем са-
мым белки, углеводы и т. д. наделены специальным
свойством, позволяющим изучать их строение.
Текст и опечатки
Все белки построены из 20 различных аминокислот.
В данном белке аминокислотные остатки расположены в
строго определенной последовательности. В этом смысле
217
белок подобен тексту, напечатанному 20-буквенным ал
фавитом.
Эта аналогия с текстом обошла все научно-популяр-
ные книги, в которых идет речь о белках. Я рад был
бы оказаться оригинальным и придумать какое-нибудь
другое сравнение. Но приходится следовать проторен-
ным путем, так как аналогия с текстом действительнс
содержательна и наглядно поясняет многое.
Содержание текста зависит от последовательности
букв. Физико-химические и, следовательно, биологиче-
ские свойства белка определяются его первичной струк-
турой — последовательностью аминокислотных остат-
ков в белковой цепи.
Пока что удалось прочитать лишь немногие белковые
тексты. Прочитать — значит определить эксперимен-
тально последовательность аминокислот в белковой ча-
сти. Приведу примеры некоторых простейших белковых
текстов.
Белковый гормон — адренокортикотропин — имеет
первичную структуру, состоящую из 39 аминокислотных
остатков
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Сер—тир—сер—мет—глу—гис—фен—арг—три—гли—лиз—про—
13 14
—вал—гли—
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
—лиз—лиз—арг—арг—про—вал—лиз—вал—тир—про—аст—гли—
27 28
—ала—глу—
29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
—асп—глун—лей—ала—глу—ала—фен—про—лей—глу—фен.
Первые 24 остатка одни и те же у всех исследован-
ных видов животных; последовательность 25—39 у раз-
ных видов разная. Выше изображена первичная струк-
тура гормона свиньи. У овцы вместо
27 28 29 30 31 32
—ала—глу—асп—глун—лей—ала—
фигурирует последовательность
27 28 29 30 31 32
—глу—асп—асп—глу—ала—сер—,
218
а у быка
27 28 29 30 31 32
—глу—ала—глу—асп—сер—ала—.
Текст меняется от одного вида к другому.
На рис. 62 показала первичная структура бычьего
инсулина. Этот белковый гормон, который, как многим
известно, спасает от диабета, состоит из двух цепей.
/Лей-'Тир- Г лун - Лей - Глу - Асн- Тир - Цис-Лен-С( И
\ СерГ~ ----_Г"
____________хСерЛ
[h^N-T ли^1ле-Вал-Глу-Глун-ЦисТ|^7^ла
Цис
ВалТЦ
Тир
.Лей
Ала
|н2Г^Фен-Вал-Асн-Глун-Г ис-Лей-Цис-Г ли-Сер-Г ис-Лей-Вал-Г лу
Глй\
Глу
Apr
Гли
I
Фен
Фен
ш]
Ряс. 62. Структура инсулина. Зачернены серные мостики-
связи — S — S — между остатками цис
Тир
Тре
Про
Лиз
Ала
ссюн]
В одной цепи 21 остаток, в другой 30 остатков. Цепи
соединены друг с другом серными мостиками, образу-
емыми цистеинами.
Это тексты сравнительно простые. Но сейчас прочи-
таны и гораздо более длинные тексты. Так, молекула
гемоглобина крови состоит из четырех белковых цепей,
из них две цепи одного типа (а) и две цепи другого
типа (Р). Цепь а содержит 141 остаток, цепь р — 146.
Очень много. И все же удалось такие последовательно-
сти расшифровать.
Как же читают белковые тексты? Решают задачу на
сообразительность.
Химия располагает хорошими способами для того,
чтобы отличить один короткий отрезок аминокислотной
цепи от другого. Развивая нашу аналогию с текстом,
скажем, что химия уверенно читает слога. Поэтому бе-
лок прежде всего расщепляют на короткие пептиды, со-
держащие несколько аминокислот. Это можно сделать с
помощью белковых же катализаторов — ферментов, ко-
торые «режут» цепь в определенных местах.
219
Допустим, что (мы разрезали текст и получили набор
коротких его обрывков — одно- и двусложных:
1 2 3 4 5
бел, зни, снов, око, ажи
Понять что-либо трудно- Но у (Нас есть и другой фер-
мент, который режет текст в других местах. Получаем
второй набор:
6 7 8 9 10 и
из, бе, осн, лок, оваж, ни
Буква л фигурирует 'в конце отрезка 1 и в начале от-
резка 9. Значит эти отрезки соединены: 1—9 белок. Но
за «ок» в 4 следует буква о. По-видимому, та же буква
о стоит в начале отрезка 8. Значит: белокосн. За «сн»
в 3 следует «ов»; тот же «ов» находится в начале 10:
белокосноваж. Дальше идет 5 и 6 и с помощью 2 нахо-
дим, что последний слог есть «ни». Получаем: белокос-
новажизни. Примерно так поступают и с настоящими
белковыми текстами.
В любых текстах встречаются опечатки. Они могут
кардинально изменить смысл написанного. В одном не-
мецком издании произведения Ницше «Так говорил За-
ратустра» вместо слова Incest (кровосмешение) было
напечатано слово Insect (насекомое). Получилось, что
Заратустра родился от насекомого.
Известны опечатки и в белко-вых текстах. Они изме-
няют смысл текста, т. е. биологические свойства белка,
и приводят к очень тяжелым последствиям для орга-
низма.
Молекула неизлечимо больна
В ,ряде районов Африки и Средиземноморья, а так-
же в странах Юго-Восточной Азии существуют тяжелые
наследственные заболевания крови — анемии. При так
называемой серповидноклеточной анемии красные кро-
вяные шарики, эритроциты, имеют не обычную круглую,
а серпообразную форму. Такие эритроциты легко соз-
дают тромбы и подвергаются гемолизу — распаду. Тя-
желые нарушения кровообращения, вызванные этим за-
болеванием, приводят к смерти в раннем возрасте.
Спрашивается, почему эта болезнь, как уже сказано.
220
наследственная, сохраняется в названных районах зем-
ного шара на протяжении столетий? Казалось бы, носи-
тели серповидноклеточной анемии должны были бы
вымереть, не успев дать потомства.
Наследственная •— значит, обусловленная каким-то
геном или совокупностью генов. Мы забегаем вперед, о
генах будет рассказано дальше. Сейчас нам достаточно
знать, что ген, ответственный за анемию, может прояв-
ляться непосредственно или существовать в скрытой
форме. В последнем случае организм будет ослаблен,
но не обязательно погибнет. В Африке имеются зоны,
где носителями гибельного гена в скрытой форме яв-
ляются 40% всего населения. Расчет показывает, что
вероятность активного проявления гена в такой зоне
равна 4%.
Это очень много — 40% носителей. Подробные генети-
ческие расчеты приводят к неожиданному выводу: ока-
зывается, что процент может быть таким высоким лишь
тогда, когда носители серповидноклеточного гена на
20—25% более жизнеспособны, чем люди совершенно
здоровые. Получается странный парадокс.
Дело в том, что одной из важнейших причин смерт-
ности в Африке, Средиземноморье, Юго-Восточной Азии
является малярия. Мы, граждане СССР, уже забыли
о малярии. Она практически полностью уничтожена на
территории нашей страны в результате громадной ра-
боты по осушению болот и уничтожению гнездовий ма-
лярийного комара.
Так вот, люди, имеющие серповидноклеточный ген
в активной или скрытой форме, малярией не болеют.
Плазмодий малярийного комара анофелеса не размно-
жается в эритроцитах, пораженных серповидноклеточно-
стью. Парадокс разрешен.
История эта поучительна. Она показывает, что при
решении научного вопроса нельзя ограничиваться одной
его стороной; необходимо учитывать все сопутствующие
факторы. Медицинские (и, конечно, биологические) про-
блемы, связанные с анемией, перекрещиваются с про-
блемой малярии.
Серповидноклеточная анемия есть болезнь не только
человека, не только эритроцита, но и гемоглобина. Это
болезнь молекулы. И сводится она к опечатке в белко-
вом тексте.
221
На шестом месте от .начала (от МН2-конца) р-цепи
гемоглобина здорового человека стоит глу — остаток
глутаминовой кислоты. В серповидноклеточном гемогло-
бине этот остаток заменен на вал — остаток валина.
В молекуле гемоглобина, как уже сказано, 4 цепи с об-
щим числом аминокислот, равным 141X2 + 146X2 = 574.
Достаточно заменить в двух цепях по одному остатку,
сохранив остальные 572 остатка без изменений, для того
чтобы вызвать катастрофические последствия. Вот что
такое опечатка ;в биологической молекуле!
Известны и другие опечатки в тексте, которым «на-
писан» гемоглобин. Они всегда означают наследствен-
ные анемии, хотя и не обязательно такие тяжелые, как
серповидноклеточная.
Сегодня эти молекулярные болезни неизлечимы. Яс-
но, что они определяются какими-то нарушениями в
процессе «печатания» белкового текста, в процессе син-
теза белка.
Спирали, гармощки, водородные связи
Белковый текст — полимерные цепи, иногда очень
длинные. Молекулярные веса некоторых белков дости-
гают сотен тысяч, они содержат тысячи звеньев. Это
уже не фразы, а целые страницы текста, наполненного
глубоким содержанием.
Но полимерной цепи в растворе полагается сверты-
ваться в беспорядочный клубок, этого требует второе
начало термодинамики (стр. 176). А белки как раз в
растворе и функционируют. Любой организм состоит
главным образом из воды, и его белковые молекулы
выполняют свое назначение, находясь в водном окру-
жении.
Но если бы белки существовали в клубкообразном
состоянии, то это противоречило бы точности и специ-
фичности их действия. В самом деле, беспорядочный
полимерный клубок непрерывно флуктуирует, в нем
происходят внутренние повороты вокруг единичных свя-
зей. Значит, он не имеет определенного пространствен-
ного строения. Но отсюда следует, что он не может иметь
и фиксированной биологической функции. Явное проти-
воречие.
Биологически функциональные нативные (природ-
ные) белки действительно не являются беспорядочными
222
клубками. Напротив, их струк-
тура упорядочена, так как сво-
бода внутренних поворотов в
белковой цепи сильно ограни-
чена.
Полинг и Кори проанализи-
ровали возможные структуры
белковых цепей и результаты
их рентгенографического иссле-
дования. Они установили, что
белковая цепь может существо-
вать преимущественно в не-
скольких устойчивых конфор-
мациях, прежде всего в форме
альфа-спирали. Такая спираль
показана на рис. 63. Она устой-
чива в водном растворе, так
как NH- и СО-группы пептид-
ных связей соединяются друг с
другом особыми, не химически-
ми водородными связями. Мы
познакомились с химическими
связями в молекулах, убеди-
лись в том, что они разнообраз-
ны (стр. 113). Далее выясни-
лось, что молекулы с насыщен-
ными валентностями тоже взаи-
модействуют друг с другом
(стр. 193). А теперь еще и во-
дородные связи.
Это очень важное явление.
Оказывается, что молекулы, со-
держащие атомы водорода, со-
единенные с кислородом или
азотом, связываются друг с
другом. Так, например, уксус-
ная кислота
Н3С-СО-ОН
даже в парах состоит из двой-
ных молекул
Н3С—С=О ... Н—О
I I
О-Н . . . О=С—СНз
Рис. 63. Альфа-спираль
R — аминокислотные привески,
маленькие кружки — атомы во-
дорода
Рис. 64. Схема водородной
связи
223
Пунктир изображает здесь водородную связь. Малень-
кий атом водорода стягивает атомы кислорода, между
которыми он расположен (рис. 64). Молекулы воды так-
же соединены водородными связями
X н7 н н
'о' X7
X X н' 'н
н' X
’o'7 ’о'
X / X
и именно этим объясняются особые свойства воды, о
которых уже говорилось. Дальше мы поймем, в чем
тут дело (стр. 287).
Белковая а-спираль скреплена водородными связями
между С = О и N'—Н-группами
Х=О.... Н—X
Первое звено цепи соединено водородной связью с пя-
тым, второе — с шестым и т. д. В целом а-спираль
скреплена достаточно прочно и поэтому устойчива в
растворе.
С помощью ряда физических методов исследования
удалось подтвердить результаты теоретических исследо-
ваний Полинга и Кори: а-спирали действительно суще-
ствуют и встречаются в белках достаточно часто.
Водородные связи играют громадную роль в живой
природе. Они определяют структуру и свойства белков,
воды, нуклеиновых кислот, углеводов. Не будь водород-
ных связей, жизнь на земле выглядела бы совершенно
иначе, а может быть, и не существовала бы вовсе.
Первый элемент менделеевской системы —водород—
фигурирует в двух важнейших понятиях. Водородная
связь и водородная бомба. Первая — источник жизни,
вторая — грозит человечеству смертью и разрушением.
224
Альфа-спираль не единственная устойчивая конфор-
мация белковой цепи. Те же Полинг и Корн установили
другой вариант упорядоченной структуры, именуемой
p-формой. В этом случае белковые цепи соединены во-
дородными связями, направленными перпендикулярно
цепям (рис. 65).
Образуются плоские слоистые белковые структуры.
p-форма фигурирует и в отдельных молекулах бел-
ка, причем они складываются наподобие гармошки.
\з=О.. .Н—
^N-H.. ,О=С/
Н ^С=О...
R/X\
N—Н...
ХС=О...H=N /
Строение, сходное с p-формой белка, имеют некото-
рые синтетические полимеры, полиамиды, например:
—СО—NH—(СН2)6—NH—СО-(СН2)4—СО—NH—.
Полиамиды хорошо знакомы читателям, из них делают-
ся искусственные волокна капрон и найлон.
Установлены и другие конформации белковых цепей,
более хитрые спирали и т. д. Ну, обо всем ведь не рас-
скажешь.
8
М. В. Волькенштейн
225
Рис. 65. Бета-форма белка
Спираль превращается в клубок
Из сырого куриного яйца, если оно оплодотворено,
может вылупиться цыпленок. Вареное яйцо гораздо вкус-
нее, «о с цыпленком .в нем уже покончено.
Что происходит с белками, когда мы варим яйцо,
нагреваем его до 100° С? Не такая уж высокая это тем-
пература. И действительно, химические связи в белко-
вых цепях при такой температуре не рвутся, не разру-
шаются. Цепи остаются цепями, а белки явно меняют-
ся, они свертываются, становятся твердыми и годятся
только в пищу как источник аминокислот, из которых
наш организм построит свои собственные белки.
При варке пищи нативные белки превращаются в де-
натурированные. Денатурация — изменение структуры
и, следовательно, свойств белка по сравнению с его на-
тивным состоянием, происходящее без нарушения це-
лостности белковых цепей. При денатурации происходит
226
конформационное превращение белковой молекулы, на-
рушаются водородные связи и вместо ротамеров, этими
связями фиксированных, возникают случайные ротаме-
ры, случайные повороты звеньев молекулы. Короче го-
воря, вместо упорядоченной структуры белка могут об-
разоваться беспорядочные клубки.
Это очень интересный процесс — превращение а-спи-
рали в беспорядочный клубок. Следить за ним можно
разными способами. Превращение сопровождается из-
менением оптических свойств белка, изменением вязко-
сти его раствора. Происходит такое превращение весь-
ма резко при определенной температуре. Можно вызвать
переход спираль — клубок и другими способами, на-
пример воздействием на белок кислотой или щелочью.
В этих случаях резкий переход совершается при опре-
деленной концентрации кислоты или щелочи в растворе.
Переход происходит по принципу «все или ничего» —
подобно плавлению кристалла.
А ведь и в самом деле а-спираль похожа на кри-
сталл. Это высокоупорядоченная протяженная структу-
ра. Только кристалл в этом случае состоит из одной
молекулы, хотя и очень большой.
Превращения по принципу «все или ничего», фазо-
вые переходы, объясняются, как мы видели, кооператив-
ными свойствами молекул, их согласованным поведени-
ем. Мы знаем уже, что полимерная цепь — кооператив-
ная, марковская система. Происхождение кооперативно-
сти, согласованности в поведении звеньев белковой це-
пи особенно ясно.
Пептидные звенья соединены водородными связя-
ми — первое с пятым, второе с шестым и т. д. Допу-
стим, что водородные связи рвутся в результате повы-
шения температуры или изменения химического окру-
жения. При этом звенья получают свободу поворотов, и
в конечном счете цепь сворачивается в клубок.
Но невозможно освободить одно звено в цепи, не
трогая других. Если соседние звенья закреплены, то
разрыв водородных связей данного звена все равно не
позволит ему пошевельнуться — оно зажато между
своими соседями. Чтобы цепь приобрела возможность
изгибаться или свертываться, нужно разорвать много
водородных связей подряд. Значит судьба данного зве-
на непосредственно зависит от судьбы соседних звеньев,
8*
227
они могут освобождаться и двигаться только коопера-
тивно, согласованно.
То же относится к p-форме белка и к другим более
сложным его конформациям. Белки могут денатуриро-
ваться, испытывая ротамеризацию, и эти процессы
всегда кооперативны.
Глобулы и фибриллы
Первичная структура белка — это его текст, последо-
вательность аминокислотных остатков в белковой цепи.
Но не имело бы смысла вводить термин «первичный»,
если бы не существовали вторичная, третичная и даже
четвертичная структуры белка.
Ясно, что белки весьма сложные молекулы, иначе
они не могли бы выполнять свои сложные функции.
Вторичной структурой белковой части называют кон-
формацию цепи как целого, включающего а-спираль,
Реформу и т. д. Что же такое третичная структура?
Не следует думать, что в а-спираль закручена вся
белковая цепь. Нет, некоторые аминокислоты в а-спи-
раль не влезают (например, пролин), спираль преры-
вается неупорядоченными участками. В результате бел-
ковая молекула свертывается в пространственную
структуру, которую называют глобулой.
Пожалуйста, не путайте глобулу с беспорядочным
полимерным клубком. Клубок — подвижная, флукту-
ирующая система, лишенная порядка. В глобуле сохра-
няется некоторая подвижность звеньев белковой цепи,
но в целом она имеет вполне определенное строение,
определенное расположение упорядоченных и неупоря-
доченных участков в пространстве. Звенья упакованы в
глобуле весьма плотно. Они скреплены различными
способами — и водородными связями, и силами типа
межмолекулярных, и химическими (серными) связями.
Строение белковых глобул пока что установлено
лишь в немногих случаях. Это удалось сделать, изучая
рассеяние рентгеновых лучей белковыми кристаллами.
Рентгенография белков — сложное и трудное дело.
Ее развили главным образом английские ученые —
Бернал, Кендрью, Перутц и Дороти Кроуфут-Ходжкин.
Основоположником рентгенографии белков был Джон
Десмонд Бернал.
228
Рис. 66. Структура миоглобина
Рис. 67. Структура лизоцима.
Аминокислотные остатки про-
нумерованы (их 129), прямо-
угольники — S — S — связи меж-
ду остатками цистеина
Имя Бернала общеизвестно. Все знают, что после
смерти Жолио-Кюри Бернал возглавил Всемирный Со-
вет Мира, что Бернал — крупнейший общественный
деятель, что он написал ряд содержательных книг, по-
священных судьбам человечества, роли науки в общест-
ве. Но немногие знают Бернала как человека и ученого
редкого своеобразия.
Эрудиция Бернала потрясает. Он может с полной
компетентностью говорить о различиях в жилищном
строительстве в Бельгии и Греции или об абстрактной
живописи. Ему одинаково близки физика и химия, био-
логия и кристаллография. И о чем бы он ни говорил,
чем бы ни занимался — всегда Бернал выдвигает но-
вую, оригинальную точку зрения, новые научные идеи.
Его интересует все: нет такой области науки, искусст-
ва, политики, на которую не откликался бы его талант
мыслителя и исследователя.
В развитии физики белков Бернал сыграл особенно
яркую роль, предложив методы изучения их структу-
ры. Да и сама классификация — первичная, вторичная,
третичная, четвертичная структура белка — обоснова-
на Берналом.
Белковые глобулы с известной структурой изображе-
ны на рис. 66 и 67. На рис. 66 представлен миоглобин.
Это белок, запасающий кислород, белок необычного
красного цвета; именно миоглобин ответствен за крас-
ный цвет бифштекса. Окраска определяется не амино-
кислотными остатками, а группой гема, присоединенной
к белку (см. рис. 38, стр. 150). Эта группа атомов по-
казана и на рис. 66. Видно, что цепь свернута в а-спи-
раль не целиком, а примерно на 75%, часть цепи в гло-
буле не упорядочена.
Рис. 67 изображает лизоцим — фермент, который
содержится, в частности, в слезах и защищает глаза от
ряда микроорганизмов. Но не следует думать, что для
получения лизоцима нужно пролить много слез. Он
содержится и в яичном белке. Степень спиральности
лизоцима меньше, чем миоглобина; заспирализовано
около 40% цепи.
Зачастую белок имеет и четвертичную структуру.
В этом случае молекула белка состоит из нескольких гло-
бул, слипшихся друг с другом. .Таков уже упоминав-
шийся гемоглобин — его молекула состоит из четырех
230
цепей, свернутых в четыре глобулы. Каждая из глобул
гемоглобина во многом сходна с миоглобиновой. О ге-
моглобине мы еще поговорим (стр. 240).
Глобулярную структуру имеют белки, существующие
и функционирующие в растворе в виде отдельных моле-
кул. Белки, образующие различные ткани в организме,
чаще всего не глобулярны, а фибриллярны, т. е. фигу-
рируют в форме волокон.
Паук делает свою паутину из тонких белковых ни-
тей, мгновенно застывающих на воздухе. От паутины
человеку мало пользы. Но сходной фибриллярной струк-
турой обладает .и шелк — белковое волокно, вырабаты-
ваемое гусеницей тутового щелкопряда, Bombyx mori.
Сколько усилий прилагали европейцы, чтобы разга-
дать секрет шелка! Китай владел этим секретом еще во
времена Римской империи, экспортировал шелк в Евро-
пу, но тщательно скрывал его происхождение. Лишь
много позже католические монахи, путешествовавшие
по Китаю, рискуя жизнью, унесли куколки шелкопряда,
спрятанные в бамбуковых посохах. С этого и началось
развитие шелководства в Италии, Франции, в других
странах Средиземноморья. А в наше время на смену
естественному шелку пришла синтетика. История, весь-
ма похожая на историю каучука, не правда ли?
Другое важнейшее природное волокно — шерсть —
тоже построено из фибриллярного белка кератина. Тот
же белок служит основой птичьих перьев. В коже со-
держится фибриллярный белок коллаген.
Человечество использует белки растений и живот-
ных прежде всего для питания. Второе их применение —
одежда, обувь, изготовляемые из шелка, шерсти и ко-
жи. Но здесь белки можно заменить синтетикой, в то
время как в пище они незаменимы. Далее идут менее
существенные применения: в клеящих веществах, в
красках. Темперу изготовляют на казеине — молочном
белке, а старые русские иконописцы растирали краски
на яичном желтке. Так и сейчас поступают художники
Палеха. Наконец, в последнее время многие белки на-
ходят важные применения в медицине.
231
Оптика белков
Мы узнали о строении атомов по их спектрам. Спект-
ры и другие оптические свойства молекул дают ценней-
шую информацию об их структуре. И, конечно, то же
относится к белкам.
Белки, как уже сказано, построены из левых амино-
кислот. Поэтому они оптически активны, вращают плос-
кость поляризации света.
Но асимметрия белков не сводится к асимметрично-
му строению аминокислотных звеньев. а-Спираль асим-
метрична как целое, ведь это винт своего рода, винт с
правой нарезкой. А правый и левый винты — зеркаль-
ные антиподы, стереоизомеры. И правый винт не ввер-
нуть в левую шайбу-
Следовательно, а-спираль должна обладать оптиче-
ской активностью независимо от оптической активности
звеньев. Угол поворота плоскости поляризации света
белком слагается из угла поворота, определяемого асим-
метрией звеньев, и из угла, определяемого винтовым
строением а-спирали.
При переходе спираль — клубок спираль исчезает, а
аминокислотные звенья, конечно, остаются. В клубкооб-
разном состоянии белка оптическая активность есть про-
сто оптическая активность суммы его звеньев. Следова-
тельно, при переходе должно происходить резкое изме-
нение оптической активности. Так оно и есть (рис. 68).
Рис. 68. Изменение оптической
активности при переходе спи-
раль — клубок
Измерения оптической активности дают, таким обра-
зом, прекрасную возможность изучить денатурацию бел-
ка, его кооперативные конформационные превращения.
А это очень интересно.
Еще более важные сведения дает изучение зависи-
мости оптической активности от длины волны света.
Оказывается, что исследования такой зависимости поз-
воляют определить, какая доля белка спирализована,
какова степень упорядоченности его молекул.
Особенно богата и поучительна информация, полу-
чаемая при измерении оптической активности для тех
232
длин волн света, которые поглощаются белком. К сожа-
лению, это не простое дело. Белки поглощают ультра-
фиолетовый свет с длиной волн в районе 200 ммк. Это
очень короткие волны. Трудно построить приборы, хо-
рошо работающие в этой области, трудно производить
измерения. Тем не менее это делается и с успехом.
Не менее интересные данные удается получить с
помощью колебательных спектров поглощения белков —
их инфракрасных спектров. В инфракрасных спектрах
белков есть характерные полосы поглощения для а-спи-
рали, для р-фо;рм и для неупорядоченных белковых це-
пей. Тем самым по спектру можно судить о строении
белка.
Естественно, что к исследованию белков — самых
важных биологических полимеров — сейчас привлекает-
ся весь арсенал разнообразных физических методов, в
том числе и оптических. Оптика белков — новая об-
ласть молекулярной физики, развивающаяся очень
быстро. Но рассеяние рентгеновых лучей остается по-
ка что наиболее прямым методом изучения белков, хо-
тя применять его нелегко. Впрочем, это тоже ведь оп-
тика: рентгеновы лучи отличаются от световых лишь
тем, что их длина волн много меньше, в тысячи раз
меньше.
Белковый катализ
Самое важное дело, порученное природой белкам,—
их каталитическая функция.
Живой организм представляет собой сложнейшую от-
крытую систему. Жизнь поддерживается переплетени-
ем многоэтапных химических реакций, обменом веществ.
Эти реакции протекают в очень мягких условиях — при
обычном давлении, при невысокой температуре (для че-
ловека 36,7°С), в водной среде.
Все без исключения биохимические реакции в жи-
вом организме идут с помощью катализаторов. Роль ка-
тализаторов играют белки, называемые в этом случае
ферментами.
В одной бактериальной клетке работают примерно
2000 различных белков. В клетках высших организмов
это число увеличивается до 10 000. И большинство бел-
ков— ферменты. Так много различных реакций, так
они разнообразны!
233
Мы уже говорили о катализаторах (стр. 163). Я при-
веду сравнение, заимствованное у Азимова. У того са-
мого Азимова, который известен читателю как автор
научно-фантастических романов и рассказов. Но ему
же принадлежат прекрасные научно-популярные книги,
в том числе книжка о ферментах, витаминах и гормо-
нах — «Химические агенты жизни».
Так вот, Азимов сравнивает фермент-катализатор со
стулом. Разовьем это сравнение подробно. Представим
себе кубрик корабля, в котором спят матросы. Раздает-
ся сигнал тревоги, нужно быстро одеться, нужно, в
частности, завязать шнурки на ботинках. В помещении
имеется один стул; каждый поочередно ставит на него
ногу, одну, другую и завязывает шнурки. Можно было
бы сделать это и без стула, но тогда завязывание шнур-
ков потребовало бы больших усилий и большего вре-
мени. Стул облегчает процесс. С ним при этом ничего
не происходит, но он один обслуживает многих матро-
сов.
Завязывание шнурков моделирует химическую реак-
цию, стул — фермент, катализатор. Для проведения ре-
акции фермент должен как-то взаимодействовать с реа-
гентами — нота должна быть поставлена на стул. Во
время этого взаимодействия реагенты (их называют
субстратами фермента) испытывают превращение, и
затем продукты реакции отделяются от фермента. На
стул ставится ботинок с развязанными шнурками, а
покидает его уже завязанный ботинок. Этот процесс
можно изобразить так: фермент + субстрат =**• комплекс
фермент-субстрат комплекс фермент-продукт =₽*= фер-
мент + продукт. Стрелки, направленные влево, озна-
чают обратные реакции.
Комплекс фермент-субстрат, т. е. преходящее соеди-
нение фермента с субстратом (нога с развязанным
шнурком на стуле), может либо превратиться в ком-
плекс фермент-продукт (нога на стуле, шнурки за-
вязаны), либо вновь распасться на фермент и субстрат
(нога снята со стула, шнурки развязаны). В свою оче-
редь комплекс фермент-продукт может либо рас-
пасться на фермент и продукт (стул освобожден, шнур-
ки завязаны), либо вернуться в состояние комплекса
фермент-субстрат (нога на стуле, шнурки вновь раз-
вязались) .
234
Сравнение со стулом исчерпано, больше из него
ничего не извлечешь. А ведь нужно понять, как работа-
ет фермент, почему он служит весьма эффективным ка-
тализатором, действующим в мягких условиях. Нужно
понять, почему ферменты весьма специфичны, почему
они катализируют вполне определенные реакции опре-
деленных субстратов. Действительно, никакие катализа-
торы, полученные химиками, не могут пока что срав-
ниться с ферментами. Перекись водорода Н2О2 разла-
гается на воду и кислород под действием простого ка-
тализатора, скажем порошкового железа. Но фермент
каталаза (аза — окончание, указывающее на то, что
вещество является ферментом), содержащийся в плазме
крови, разлагает Н2О2 несравненно более эффективно.
Ферменты — большие белковые молекулы, субстра-
ты — обычно малые молекулы. В комплексе фермент-—
субстрат малая молекула субстрата каким-то образом
присоединяется к поверхности белковой глобулы, к по-
верхности фермента. Само это присоединение обеспе-
чивает увеличение реакционной способности субстрата.
Замок подстраивается к ключу
На поверхности ферментной глобулы находится мно-
го различных атомных групп, так как аминокислотные
остатки, из которых построен белок, весьма разнооб-
разны. На поверхности данного белка эти группы рас-
положены определенным способом- При данном распо-
ложении атомные группы белка взаимодействуют с
атомными группами, образующими молекулу субстрата.
Представим молекулу фермента телом с поверх-
ностью, имеющей выемки и выступы определенной формы
(рис. 69). Субстрат — малая молекула — тоже имеет
выступы и выемки, как раз подходящие к неровностям
Рис. 69. Комплекс фермент
(Ф)-субстрат (С)
235
поверхности фермента. Субстрат соответствует фермен-
ту так же, как ключ соответствует замку. Это структур-
ное соответствие. Ключ .вставлен в замок — образо-
вался комплекс фермент-субстрат. В комплексе моле-
кула субстрата более реакционноспособна, энергия ак-
тивации химической реакции, приводящей к превраще-
нию субстрата в продукт, понижена.
Субстрат много меньше фермента. Он присоединяет-
ся к активному центру фермента, где подвергается его
воздействию.
Понятно, почему форма глобулы не может быть
случайной. Фермент должен ведь выполнять свою зада-
чу и, следовательно, обладать структурным соответст-
вием с субстратом.
Глубокое изучение ферментативных реакций пока-
зало, однако, что дело обстоит не так уж просто. Во
многих случаях готового структурного соответствия нет.
Оно возникает именно в момент взаимодействия фер-
мента с субстратом. Замок подстраивается к ключу (и
наоборот), выемки и выступы формируются в акте вза-
имодействия (рис. 70). Но это означает, что поверх-
ность глобулы не вполне жесткая, ее атомные группы
могут перемещаться.
Рис. 70. Индуцированное
структурное соответствие фер-
мент — субстрат; А, Б, В —
активные группы фермента
Действительно, неупорядоченные части белковых це-
пей обладают такой способностью. Под влиянием суб-
страта происходит конформационное превращение на
поверхности белка, происходят повороты звеньев цепи,
ротамеризация. В этом смысле ферментативная актив-
ность объясняется идеями ротамерной физики, так же
как и упругость каучука. Это не случайно: и каучук
и белок — полимеры, а ротамеризация есть общее свойст-
во полимерных молекул.
236
Такое индуцированное структурное соответствие по-
стулировалось в гипотезе, выдвинутой сравнительно
недавно американским биохимиком Кошландом на ос-
нове химических данных. В дальнейшем прямые опыты,
в частности рентгенографические исследования, пока-
зали, что при взаимодействии фермента с субстратом
действительно меняется конформация фермента.
Но ферменты сложны и разнообразны. В одних слу-
чаях реализуется подгонка замка и ключа, в других —
замок и ключ соответствуют друг другу без подгонки.
Здесь непочатый край работы, очень многое еще неиз-
вестно, и мы только начинаем понимать природу фер-
ментативной активности.
А понять ее нужно. Это необычайно важно не толь-
ко для науки, но и для решения многих практических
задач.
Выяснение природы ферментативной активности бу-
дет означать громадный сдвиг в медицине — ведь при
всех заболеваниях происходят те или иные нарушения
в течении биохимических реакций.
В будущем химики научатся получать катализаторы,
подобные ферментам, искусственно. Это обещает пере-
ворот в химической технологии: как уже сказано, фер-
менты превосходят любые другие катализаторы своей
эффективностью и специфичностью.
Вернемся к молекулам ферментов. Многие из них
способны делать свое дело лишь при наличии других
добавочных веществ, именуемых кофакторами и кофер-
ментами. Эти вещества принимают участие в образова-
нии реакционноспособного фермент-субстратного ком-
плекса, без них комплекс либо не образуется вовсе,
либо ,в нем не происходит превращения субстрата в
продукт. В таком случае можно сравнить фермент со
стулом без сиденья, а кофермент с сиденьем.
Многие коферменты получаются в живых организ-
мах из витаминов. Поэтому витамины и нужны, их от-
сутствие означает прекращение ряда важных биохими-
ческих процессов, глубокое нарушение обмена веществ.
Цинга, пеллагра, бери-бери и прочие авитаминозы —
тяжелые заболевания, выражающие различные иска-
жения в ходе биохимических реакций.
Понятно также, почему витаминов нужно немного.
Ведь одна молекула фермента, а значит и кофермента,
может обслужить множество молекул субстрата. Фер-
237
менты и 'коферменты не изменяются при реакциях, но
организм должен располагать постоянным их источни-
ком, так как они все-таки постепенно расходуются.
Пищеварение и дыхание
Проблема пищи — основная для существования че-
ловечества. Организм требует непрерывной подачи извне
белков, жиров, углеводов и витаминов. Эти вещества и
фигурируют в пище в разных соотношениях.
Как интересно было бы прочитать книгу об истории
пищи! Мне пока с такой книгой не приходилось встре-
чаться. Пищевой рацион ведь меняется, мы едим сов-
сем не то, что ели наши предки. Сейчас трудно себе
представить, что Европа познакомилась с картофелем,
помидорами, шоколадом только после открытия Амери-
ки, что в средние века в Европе не был известен ни
тростниковый, ни свекловичный сахар; основным источ-
ником сладкого служил пчелиный мед.
О римском полководце Лукулле, завоевавшем всю
Малую Азию, помнят в связи с его богатыми пиршест-
вами. Сейчас не осталось никаких следов Лукулловых
побед. Но он первый вывез вишневое дерево из Азии в
Европу, и любимая нами владимирская вишня непо-
средственно связана с Лукуллом.
Систематическое истребление живой природы чело-
веком сделало сегодня редкостью не только оленье пли
кабанье мясо, но и пресноводную рыбу. Затрачивают-
ся (и с успехом) усилия для создания синтетической ик-
ры. Дело это, конечно, хорошее. Но, может быть, стои-
ло бы затратить побольше средств и усилий для сохра-
нения осетровых рыб — икра была бы и лучше и де-
шевле. Вець уничтожение живой природы вовсе необя-
зательно. Если принимаются действительные меры для
сохранения животного мира, то он развивается. Лосей
можно встретить сейчас и в черте большого города, а
количество соболей в СССР значительно превышает их
численность во времена Елизаветы Петровны.
И белки, и жиры, и углеводы не могут усваиваться
организмом непосредственно. Эти большие молекулы
расщепляются в пищеварительной системе на мелкие
осколки.
Главным источником углеводов служит крахмал, со-
держащийся в растительной пище, — в хлебе, в карто-
238
феле. Крахмал — полимерный углевод. Под действием
ферментов амилаз крахмальные цепи расщепляются на
звенья, представляющие собой сахар (глюкозу). Этот
процесс начинается еще в полости рта, так как амила-
за содержится в слюне. Если долго жевать кусочек хле-
ба, то мы почувствуем сладкий вкус. Жиры расщепляют-
ся другими ферментами — липазами, поступающими в
желудок и кишечник. Но липазе нужно добраться до
жира, а жир нерастворим в воде. Здесь приходит на
помощь печень, выделяющая соли желчных кислот,
желчь. Желчь действует подобно мылу, она способст-
вует разбиванию жира на мелкие капельки. Образуется
водная эмульсия жиров, на которую активно действует
липаза.
Важнейшие компоненты пищи — белки — расщеп-
ляются на аминокислоты в желудке и кишечнике. Же-
лудочный сок содержит сильную кислоту НС1 и ряд
протеолитических ферментов, или пептидаз, катализи-
рующих распад белковых цепей. Из получившихся та-
ким путем аминокислот организм строит свои собствен-
ные белки.
Ситуация вроде встречающихся в детективных рас-
сказах. Шантажист Джонни Смит посылает письмо
своей жертве. Желая замести следы, он берет старую
газету и вырезает из нее отдельные буквы. Из этих
букв, наклеенных на лист бумаги, составляется новый
текст. Но проницательный сыщик определяет, что бук-
вы вырезаны из воскресного номера «Таймса». Даль-
нейшее не составляет труда, Смит пойман, и доброде-
тель торжествует.
Но при разрушении белковых текстов, поступающих
с пищей, и создании из них новых текстов, конечно, ни-
какой исследователь не сможет установить, откуда взя-
лась данная буква, т. е. аминокислота: из миозина
съеденного мяса или из казеина выпитого молока.
Итак, основные химические процессы, происходящие
при пищеварении,— это расщепление белков, жиров и
углеводов, катализируемое ферментами. Ферменты уп-
равляют пищеварением.
Белки используются организмом для создания необ-
ходимых ему белков, в том числе и всех его фермен-
тов. Жиры и углеводы служат источниками энергии, не-
обходимой для жизненных процессов. Их химическая
239
энергия преобразуется в нужную для организма форму
в результате медленного сгорания, т. е. окисления. Для
этого нужен кислород, нужно дышать. Окисление ор-
ганических веществ, получаемых путем ферментативно-
го расщепления жиров и углеводов, происходит во
всех клетках тела. Оно локализовано в сложным обра-
зом построенных органоидах клетки, называемых мито-
хондриями.
Ведь живая клетка — сама по себе сложный организм.
Но как-то неудобно говорить об органах клетки, поэто-
му и употребляется термин «органоид».
Окисление тоже происходит с участием ферментов.
Это окислительные ферменты, цитохромы и цитохром-
оксидаза. Их роль заключается в переносе атомов водо-
рода с окисляемых органических соединений на кисло-
род. Органика тем самым окисляется, а кислород, сое-
диняясь с водородом, образует Н2О. Процесс этот в дей-
ствительности весьма сложен, окисление проводится в
целой цепи реакций. Можно только поражаться силе
науки: биохимикам удалось всю эту систему реакций
расшифровать, вплоть до весьма тонких деталей.
Параллельно с окислением происходит образование
молекул, обозначаемых АТФ (аденозинтрифосфорная
кислота). В АТФ запасается химическая энергия, это
своего рода аккумулятор. Какую бы работу ни прихо-
дилось выполнять организму — двигаться, синтезиро-
вать белки, проводить нервные импульсы — всегда эта
работа производится за счет химической энергии, запа-
сенной в АТФ. Но для того чтобы извлечь химическую
энергию, нужно отщепить от АТФ одну или две группы
фосфорной кислоты. Такой процесс также осуществляет-
ся с помощью специальных ферментов АТФ-аз (читает-
ся атефаз).
Этот более чем поверхностный рассказ о пищеваре-
нии и дыхании нужен для того, чтобы показать, сколь
важны каталитические свойства белков. Белки — действи-
тельно основа жизни и прежде всего потому, что фер-
менты — это белки.
Белковая молекула дышит
В организмах позвоночных кислород, необходимый
для окислительных процессов, переносится кровью. Он
присоединяется к белку — гемоглобину красных кровя-
240
1ых шариков, а затем, отщепляясь от гемоглобина, по-
ступает по своему назначению. Красная артериальная
сровь содержит гемоглобин, присоединивший кислород,
5урая венозная кровь — гемоглобин, отдавший кисло-
род.
Таким образом, гемоглобин — очень важный белок.
Это уже не фермент, функция гемоглобина состоит не
з катализировании какой-либо химической реакции, а
именно в переносе кислорода.
Гемоглобин легко присоединяет кислород и легко
отдает его. Нельзя назвать присоединение кислорода
гемоглобином окислением: гемоглобин присоединяет це-
лые молекулы Ог, по четыре молекулы О2 на каждую
молекулу гемоглобина.
Еще легче гемоглобин присоединяет окись углерода
СО, угарный газ. Гемоглобин, присоединивший СО, уже
не способен присоединять кислород, он отравлен. Тем
самым отравлен и организм. Многие погибали от отрав-
ления угарным газом — так умер Эмиль Золя. Выхлоп-
ные газы автомобиля содержат много СО, и улицы сов-
ременных городов полны яда. Упаси вас бог включать
мотор в плотно закрытом гараже. А все дело в гемогло-
бине.
Гемоглобин имеет четвертичную структуру (сгр. 230).
Это один из немногих хорошо изученных белков. Как
видно из рис. 71, молекула гемоглобина состоит из че-
тырех глобул. В каждой из глобул имеется группа ге-
ма (стр. 150), которая и присоединяет кислород.
Зависимость количества присоединенного гемоглоби-
ном кислорода от давления последнего своеобразна.
Она показана на рис. 72, а. Изображенная здесь кривая
изогнута в форме латинской буквы S. Это означает, что
присоединение кислорода происходит неравномерно.
При малых давлениях кислород присоединяется плохо.
Затем при некотором давлении, как раз соответствую-
щем условиям существования организма, присоедине-
ние кислорода резко усиливается. Это показывает, что
гемоглобин хорошо приспособлен именно к этим усло-
виям.
Мы уже говорили о другом белке, сходном с гемо-
глобином, о миоглобине (стр. 229). Миоглобин содер-
жится не в крови, а в мышцах, он запасает кислород.
В отличие от гемоглобина миоглобин состоит из одной
241
г
Рис. 71. Структура гемоглобина. Блоки неправильной формы характеризуют
распределение электронной плотности. Г — четыре группы гема
(2 " б
Рис. 72. Зависимость насыщения гемоглобина (а) и миоглобина (б) кислородом
от парциального давления кислорода
глобулы, имеет одну группу гема и может присоединить
лишь одну молекулу Ог. Но он очень похож на любую
из четырех глобул, образующих молекулу гемоглобина.
Особенно много миоглобина у китообразных живот-
ных: дельфинов, китов, кашалотов *. Надолго ныряя
под воду, они не дышат, и им приходится запасаться
кислородом.
Кривая зависимости количества кислорода, присоеди-
ненного миоглобином, от давления кислорода уже не
имеет S-образной формы. Это плавная кривая
(рис. 72, б). Но ведь S-образность миоглобину и не
нужна: не все ли равно, как запасать кислород. Посте-
пенно даже лучше.
Изгиб кривой для гемоглобина свидетельствует о его
кооперативных свойствах. Присоединение одной молеку-
лы кислорода к одной из четырех глобул гемоглобина
так влияет на остальные глобулы, что они присоединя-
ют кислород легче, чем первая. Их сродство к кислоро-
ду усиливается. Значит, глобулы в молекуле гемоглоби-
на взаимодействуют друг с другом, и это взаимодейст-
вие проявляется в связывании кислорода.
Английские ученые Перутц и Мурхед методом рас-
сеяния рентгеновых лучей установили, что происходит с
гемоглобином, присоединяющим кислород. Оказывается,
что при этом меняются расстояния между глобулами.
Присоединяя кислород, молекула гемоглобина сжимает-
ся, отдавая его, расширяется снова. Получается, что
дышит не только организм, дышит каждая молекула ге-
моглобина. Только «не в такт» нашему дыханию. Лег-
кие человека расширяются, когда он вдыхает, и сжи-
маются при выдыхании. «Дыхание» молекулы гемогло-
бина происходит прямо противоположным способом.
Почему надо прививать оспу?
Защитниками организма от инфекционных болезней
служат также белки. Белки плазмы крови и лимфы, име-
нуемые гамма-глобулинами.
* В связи с этим я хочу исправить ошибку перевода, попавшую в несколько
распространенных книг по биохимии и биофизике. В них говорится о «мио-
глобине из спермы кита>. Конечно, никакого миоглобина в сперме иет.
В оригинале было sperm-whale myoglobin. Sperm — сперма, whale — кит, ио
sperm-whale — это кашалот. Речь идет о миоглобине кашалота.
243
Бактерии или вирусы вносят в организм чужеродные
белки и другие полимеры, в частности углеводы. Орга-
низм отвечает на это вырабатыванием специфических
белков, препятствующих действию патогенных соедине-
ний. Чужеродные вещества, о которых идет речь, назы-
ваются антигенами (к слову «ген» этот термин никако-
го отношения не имеет), а «ответные» белки — антите-
лами.
Антитела соединяются с антигенами и вызывают
склеивание или разрушение чужеродных клеток, делают
их более поддающимися фагоцитозу — атаке на них бе-
лых кровяных шариков, лейкоцитов. Наличие антител
к данному антигену является гарантией от его вредного
действия, оно означает, что организм защищен.
При введении антигена в организм кролика антите-
ла, специфичные для данного антигена, вырабатывают-
ся несколько дней. Так называемый кризис при болез-
ни — это момент появления большого количества анти-
тел в крови. Антитела быстро удаляют антигены, но их
содержание через некоторое время тоже уменьшается.
Если, однако, ввести новую порцию антигена тому же
кролику — постоянной жертве биологических экспери-
ментов, — то дня через три вновь образуется много ан-
тител, и на этот раз их концентрация в крови надолго
остается постоянной. Это вторичная реакция на анти-
ген, и означает она образование иммунитета к бо-
лезни.
Вакцины, спасающие человечество от страшнейших
болезней (оспа, чума, полиомиэлит, дифтерия), содер-
жат ослабленные антигены соответствующих вирусов и
бактерий. Вакцинирование делается для того, чтобы ор-
ганизм выработал антитела. Тогда ему уже не страшна
встреча с настоящей инфекцией. Иммунитет может быть
более или менее прочным и длительным. Оспу прихо-
дится прививать несколько раз, но желтая лихорадка,
например, дает иммунитет практически на всю жизнь.
Вторичное инфекционное заболевание, будь то корь,
скарлатина или полиомиэлит,— событие, к счастью,
весьма редкое.
Иммунитет организма означает наличие у него оп-
ределенной памяти об антителах, выражаемой в спо-
собности непрерывно синтезировать специальные гамма-
глобулины, т. е. антитела.
244
Эта память заложена в клетках, синтезирующих ан-
титела — молекулы белков, способные специфично взаи-
модействовать с антигенами. Такое взаимодействие про-
исходит по тому же принципу замка и ключа, по тому
же принципу структурного соответствия, которым объяс-
няется действие ферментов. Поверхность антитела на-
ходится в структурном соответствии с атомными груп-
пами, расположенными на .поверхности антигена. Как
правило, антитело имеет два участка, соединяющихся
с антигенами. Благодаря этому образуется сетка из ан-
тител и антигенов, и антигены выводятся в осадок. Этот
процесс показан схематически на рис. 73.
Рис. 73. Схема взаимодействия антигеи (АГ) — анти-
тело (АТ); Г — активные группы антигена
Многие из вас слышали о группах крови. В 1900 го-
ду крупнейший немецкий ученый Ландштейнер, один из
основоположников иммунологии, открыл четыре группы
крови у людей. Обозначаемые О, А, В и АВ, они и раз-
личаются между собой присутствием антигенов А и В
в эритроцитах и антител а и b в плазме крови. Если А
встретится с а или В встретится с Ь, то произойдет взаи-
модействие антиген—антитело, слипание эритроцитов и
разрушение крови. Поэтому переливать кровь можно не
от каждого к каждому. Группа О не содержит антигенов
/1 и В, но содержит антитела а и Ь. Группа А содержит
А и Ь, группа В содержит В и а, группа АВ содержит
антигены Л и В, но не содержит антител а и Ь. Отсюда
следует, что кровь группы О можно перелить людям с
любой группой крови, но человеку с группой О можно
перелить кровь только той же группы. Люди с группой
245
О — универсальные Доноры. Напротив, группу АВ мож-
но перелить только группе АВ, но человеку с этой груп-
пой можно перелить кровь любой группы. АВ — уни-
версальный акцептор.
Эти соотношения показаны на рис. 74. Разобраться
в них нетрудно.
о
I
АВ
I
АВ
Рис. 74. _ Соотношения между
группами крови. Стрелки пока-
зывают, от кого и кому воз-
можно переливание крови
Многое можно было бы рассказать об иммунологиче-
ском действии белков. Это удивительно интересная и
сравнительно хорошо развитая область биологии.
А подвиги бактериологов, находивших возбудителей
страшных инфекций, испытывавших на себе первые
вакцины, рисковавших жизнью и погибавших! Имена
Пастера, Коха, Мечникова, Хавкина и многих других —
это имена героев. Но я не хочу соревноваться с Полем
де Крюи, в книгах которого так ярко описаны победы и
поражения великих борцов со смертью. Моя цель более
скромная — рассказать о всемогуществе белков в живом
организме.
Химия и механика
Жизнь невозможна без движения в обычном, меха-
ническом смысле этого слова. Организмы перемещаются
в пространстве как целое, сердце работает как насос,
который гонит кровь, различные движения происходят
внутри каждой клетки; само деление клетки есть дви-
жение.
Стоит об этих движениях задуматься. Ведь они про-
исходят при постоянной температуре и давлении, без
теплового двигателя или электрического мотора. Между
тем все механические движения организма или его ча-
стей означают выполнение работы. Откуда же берегся
энергия для этой работы?
246
Об этом мы уже говорили. Работа, совершаемая
живым организмом, выполняется за счет химической
энергии, запасаемой в АТФ. Следовательно, организм
есть механо-химическая система.
Но и в любом тепловом двигателе, будь то паровая
машина или двигатель внутремнего сгорания, источни-
ком энергии являются химические реакции. При сгора-
нии угля происходит окисление углерода, сопровождаю-
щееся выделением тепла, в автомобильном моторе сго-
рает, окисляется, бензин — смесь углеводородов. Однако
эти двигатели нельзя назвать химическими. Для рабо-
ты используется не химическая реакция как таковая, а
выделяемое тепло. Не существенно, какое топливо сжи-
гается в топке паровоза — уголь, нефть или дрова —
лишь бы при этом выделялось достаточное количество
тепла.
Во второй стадии процесса теплота превращается в
работу, что возможно лишь при наличии перепада тем-
ператур: для работы двигателя наряду с нагревателем
необходим холодильник. Иначе ведь паровой двигатель
был бы вечным двигателем второго рода (стр. 18). Ра-
бочее вещество двигателя, скажем, водяной пар, не ис-
пытывает химических изменений.
Никакого перепада температур в организме нет, он
ничего общего с тепловым двигателем не имеет. В ор-
ганизме химическая энергия непосредственно превра-
щается в механическую работу. И делают это опять-та-
ки белки — они служат рабочим веществом в живых
двигателях.
Что происходит в мышцах, когда человек поднимает
груз? Это давняя биофизическая задача, занимались ею
много. Мышечному сокращению посвящено очень боль-
шое число работ, и конца им пока не предвидится.
Как это ни парадоксально, нам трудно понять сущ-
ность мышечного сокращения именно потому, что мы
слишком много о нем знаем. Наука располагает тремя
сортами информации о работе мышцы. Во-первых, ин-
формацией о структурных изменениях в сокращающем-
ся мышечном волокне, полученной с помощью электрон-
ного микроскопа. Во-вторых, информацией о биохимиче-
ских процессах, протекающих в мышце. И, в-третьих,
результатами прямых измерений тепловых и механиче-
ских свойств мышцы. Однако до сих пор не удалось по-
247
Рис. 75. Микроскопический снимок полосатой мышцы
строить полную теорию мышечного сокращения, объяс-
няющую все эти разнообразные факты и связывающую
их воедино.
Поперечно-полосатая скелетная мышца, бицепс, со-
стоит из пучков волокон, каждое из которых в свою оче-
редь построено из тонких миофибрилл. На рис. 75 по-
казан микроскопический снимок миофибрилл. Строение
их сложно, но имеет вполне регулярный характер. Они
состоят из тонких и толстых белковых нитей. При сокра-
щении нити скользят друг относительно друга так, как это
248
Рис. 76. Схема^сокращения мышцы
схематически показано на рис. 76. Это установили анг-
лийские физики Хаксли, Хансон и другие.
Мышца работает своеобразно — как электрический
мотор. Чем больше нагрузка в сети, тем больше ток,
потребляемый мотором. Чем больший груз подымает
мышца, тем большую мощность она развивает и одно-
временно выделяется большее количество тепла. Рабо-
та мышцы и тепло, ею выделяемое, черпаются из энер-
гии химических связей, из энергии все той же АТФ.
В 1939 году основоположник отечественной молеку-
лярной биологии Владимир Александрович Энгельгардт
и его жена Милица Николаевна Любимова сделали пре-
красное открытие. Они показали, что мышечный белок
миозин (он образует толстые нити в миофибрилле) яв-
ляется ферментом, атефазой, расщепляющим АТФ.
Именно при этом расщеплении выделяется энергия. По-
видимому, относительное перемещение толстых и тон-
ких белковых нитей происходит в результате конфор-
мационного превращения в белке, выполняющем фер-
ментативную функцию, т. е. катализирующем отщепле-
ние фосфатной группы от АТФ. Мы еще не располагаем
точной картиной подобного превращения. Предложен
ряд молекулярных моделей, но ни одна из них не ис-
черпывает проблемы.
Так или иначе ясно, что в мышце и в других сокра-
тительных системах (например, в жгутиках инфузорий)
орудуют специальные фибриллярные белки, испыты-
вающие конформационные, ротамерные изменения и
ферментативно расщепляющие АТФ.
Механохимия этих белков (их так и называют со-
кратительными белками) неразрывно связана с их фер-
ментативными свойствами.
249
Рис. 77. Схема строения клетки по данным электронной микроскопии
Клетка — белковая типография
Все умеют белки, и нет без них жизни на Земле. Но
откуда же они берутся?
Белки непрерывно синтезируются в Живой клетке;
множество разных белков, и каждый из них во многих
экземплярах. Клетка — типография, печатающая разно-
образные белковые тексты, это целая книжная фабрика.
Белковые тексты создаются из поступающих в клет-
ку аминокислот. Аминокислоты приносит белковая пи-
ща. Энергетическим обслуживанием типографии (ведь
напечатанный текст — это выполненная работа) за-
нимается АТФ, так как в конечном счете химическая
энергия, используемая типографией, — результат окис-
лительных дыхательных процессов.
Пока клетки изучались с помощью обычного свето-
вого микроскопа, они казались не такими уж сложными.
В клетке есть ядро, а в нем хроматиновые нити; во-
круг ядра — цитоплазма (раньше ее называли прото-
плазмой); видны и другие мелкие частицы.
Электронный микроскоп совершенно изменил наше
представление о клетке. Оказалось, что клетка — это
целая система взаимосвязанных сложно организованных
устройств — органоидов (рис. 77). Их внутреннее
строение тоже стало видимым. Наша типография управ-
ляется ядром, она имеет свои энергетические станции
(митохондрии) и производственные цеха для печатания
белковых текстов (множество сравнительно малых ча-
стиц, именуемых рибосомами).
Я постарался рассказать о том, как молекулярные
свойства белков объясняют их биологическое поведение.
Именно молекулярные свойства, так как разобраться в
основных биологических явлениях можно только исходя
из строения молекул. Ферментативные реакции, иммуни-
тет, перенос и запасание кислорода гемоглобином и
миоглобином, мышечное сокращение — все это удается
истолковать, зная строение белков. Но речь идет о
большем. Нужно объяснить, как белки синтезируются, а
это значит, объяснить наследственность и изменчивость.
Внимательный читатель, очевидно, усомнится в спра-
ведливости последней фразы. Ну что же, на такого чи-
тателя я и рассчитываю. Эти сомнения будут рассеяны
в следующей главе.
7
ГЕНЫ, БЕЛКИ И ВОДА
Аббат Мендель
Жил-был в городе Брюнне в Австро-Венгрии (сейчас
Брно в Чехословакии) католический монах Грегор Мен-
дель. Принадлежал он к августинскому монастырю
св. Фомы, а родом был крестьянин, и внешность его
была крестьянская. Широкоплечий и коренастый, он но-
сил очки по причине близорукости. На памятнике, стоя-
щем рядом с готическим зданием монастыря, Мендель
изображен без очков. Одухотворенное лицо его пре-
красно.
Монастырь был своеобразен. Многие из послушни-
ков и монахов занимались наукой и преподаванием.
Они создали при монастыре неплохой ботанический сад.
В этой обстановке Мендель и занимался своими опыта-
ми, которые увенчались в 1863 году одним из величай-
ших научных открытий, ставшим незыблемой основой
генетики — науки о наследственности.
Поначалу Мендель разводил белых и серых мышей
и скрещивал их между собой. Но церковь есть цер-
ковь — в целом-то она несомненно враждебна науке.
Менделю приходилось скрывать свои занятия, так как
они почитались безнравственными, и он переключился
на растения, тем более что растения оказались объек-
том гораздо более удобным для его целей.
А цель была высокая. Мендель сумел четко поста-
вить проблему и решить ее. Он хотел узнать, как пере-
даются признаки организма по наследству. Для этого
он поставил массовые опыты по гибридизации 34 сор-
тов гороха, из которых выбрал семь «константно разли-
чающихся» четких признаков. И открыл важнейшие за-
коны природы — законы генетики. О них он доложил
на заседании Общества естествоиспытателей в Брюнне
в 1865 году.
252
Лаконичная статья Менделя под скромным названием
«Опыты над растительными гибридами» появилась годом
тозже в «Записках» того же Общества.
Иногда говорят, что Менделю повезло: он наткнулся
га особенно удобное растение — порох, который насле-
дует признаки сравнительно быстро, просто и ясно.
Везение в науке случается, но очень редко. Крупные
эткрытия всегда являются результатом напряженной и
систематической умственной работы естествоиспытателя,
в ходе которой формируются идея и план исследования.
Мендель с необычайной прозорливостью установил, за
какими наследственными признаками должно следить, и
понял, что для нахождения законов наследования необ-
ходим большой статистический материал. Мендель ин-
терпретировал найденные факты с непререкаемой чет-
костью, однозначно сформулировав их не только сло-
весно, но и математически. Так что, какое уж тут ве-
зение!
Но в дальнейшем Менделю действительно не повез-
ло. Он сообщил о своих результатах весьма авторитет-
ному ученому, ботанику Нэгели. Нэгели не понял важ-
ности открытия Менделя и предложил ему поработать
с растениями рода Hieracium (ястребинка), которыми
сам много занимался. Это растение оказалось весьма
неблагодарным объектом: его способность к партеноге-
незу (девственное оплодотворение) совершенно изменяет
картину. Мендель потратил много времени зря на ястре-
бинки, а с 1868 года, будучи избран прелатом монасты-
ря, все меньше и меньше занимался наукой. Трудно со-
вмещать научную деятельность с административными
обязанностями. Мендель умер в 1884 году шестидесяти
двух лет от роду.
Открытие Менделя осталось либо неизвестным его
современникам, либо непонятым ими. Разительное отли-
чие от судьбы «Происхождения видов» Дарвина. Пер-
вое издание этой великой книги, появившееся в 1859
году, разошлось за один день, и влияние Дарвина на
естествознание оказалось непрерывным и возрастаю-
щим. Дело в том, что научное мировоззрение эпохи
было подготовлено к закону естественного отбора,
а открытие Менделя обгоняло свое время на треть
века.
253
На рубеже XIX и XX века де Фриз в Голландии.
Чермак в Австрии, Кор'ренс в Германии и Бэтсон в Анг-
лии вновь открыли найденные Менделем законы и по-
казали их справедливость для разнообразных растений
и животных. Это были честные ученые: они извлекли
труд Менделя из пыли забвения и установили его при-
оритет. Однако законы генетики не сразу получили при-
знание.
На протяжении столетий о биологических явлениях
рассуждали качественно, зачастую подменяя научную
теорию метафизическим философствованием. Строгая
математическая теория Менделя не гармонировала с
миросозерцанием многих биологов, в котором отчетли-
во сохранялись рудименты средневековой схоластики.
Печальный эпизод в истории науки являет временное
прекращение генетических исследований в СССР (а эти
исследования развивались на самом высоком уровне).
Сейчас все это в прошлом. Невозможно остановить раз-
витие науки, невозможно вычеркнуть имена великих уче-
ных. Как писал А. К. Толстой,
У науки нрав не робкий,
Не заткнешь ее теченья
Ты своей гнилою пробкой.
Гениальное открытие Менделя формулируется в сле-
дующих законах. Первый закон — единообразие гибри-
дов первого поколения; преобладание одного из роди-
тельских признаков, названного доминантным (А), над
другим — рецессивным (а). Второй закон — расщеп-
ление гибридов во втором поколении на сходные с роди-
тельскими формами группы в отношении ЗА: 1а. Тре-
тий закон — независимое расщепление в тех случаях,
когда родители разнятся по двум или более парам на-
следственных признаков.
Смысл этих законов состоит в том, что наследствен-
ные признаки предопределены наличием в родительских
половых клетках материальных структур наследствен-
ного вещества — наличием генов.
254
ГРЕГОР МЕНДЕЛЬ
Плодовая мушка дрозофила
Далее на помощь ‘генетике пришла цитология — нау-
ка о 'структуре и функциях клетки.
В клеточном ядре на определенной стадии развития
клетки становятся видимыми под микроскопом (под
обычным оптическим микроскопом) хромосомы. Это чер-
веобразные структуры; число и форма хромосом одно-
значно характеризуют вид растения или животного. Во
всех клетках человеческого тела, кроме половых, содер-
жится по 23 пары хромосом, всего 46 хромосом. В по-
ловых клетках их вдвое меньше: 23 в сперматозоиде и
23 в яйцеклетке. При оплодотворении, т. е. при слиянии
сперматозоида с яйцеклеткой, образуется полный набор
хромосом — 46. Все последующие клетки тела возника-
ют в результате многократных делений, начавшихся с
первой зародышевой клетки.
Гены расположены в хромосомах вдоль их длины.
Это значит, что за появление того или иного наследуе-
мого признака ответствен определенный участок хро-
мосомы.
Все это удалось выяснить главным образом в ре-
зультате систематических исследований наследования
признаков у весьма невзрачного и не имеющего никако-
го практического значения существа—• плодовой мушки.
Установление фундаментальных закономерностей
природы — сложная и трудная работа. Естествоиспы-
татель стремится прежде всего найти такие объекты ис-
следования, в которых наиболее просто и ясно выра-
жаются искомые закономерности. Выбор мушки дрозо-
филы был отнюдь не случаен.
Дрозофила обладает целой совокупностью хорошо
наблюдаемых и четко наследуемых признаков. Это цвет
глаз и тела, форма крыльев и т. д. Дрозофила быстро и
легко 'размножается в лабораторных условиях, дает мно-
гочисленные поколения за короткое время. У дрозофи-
лы всего 4 хромосомы, которые легко изучать. Наконец,
в клетках слюнных желез дрозофилы, как и у других
двукрылых насекомых, находятся гигантские хромосо-
мы, особенно хорошо видимые под микроскопом.
Великий американский генетик Т. Г. Морган, изучая
именно дрозофилу, установил, как расположены гены в
256
четырех ее хромосомах, составил их полную генную кар-
гу. Идя по этому пути, -генетики расшифровали генные
структуры хромосом ряда важнейших сельскохозяйст-
венных растений, выяснили локализацию целого- ряда
генов человека, что имеет первостепенное значение для
медицины.
И. П. Павлов поставил в Колтушах памятник соба-
ке — объекту экспериментов, открывших условные ре-
флексы. Дрозофила тоже заслуживает памятника, че-
ловечество ей многим обязано. Впрочем, статуя, изобра-
жающая муху, покажется странной. Наука здесь не со-
гласуется с эстетикой.
Мутации
Гены вовсе не являются неизменными сущностями.
Они ведь состоят из обычных атомов — из углерода, во-
дорода, кислорода, азота, фосфора, соединенных обыч-
ными химическими связями. В последние десятилетия
удалось решить эту важную задачу — установить мо-
лекулярное строение генов. Но любая молекулярная
структура динамична: атомы колеблются, участвуя в
тепловом движении, перегруппировываются в результа-
те химических реакций. Гены изменяются под действи-
ем окружающей среды. Во-первых, генные молекуляр-
ные структуры самопроизвольно, спонтанно перестраи-
ваются под влиянием теплового движения. Во-вторых,
при самовосороизведении генов (а самовоспроизведение
все время происходит при делении клеток) возникают
ошибки синтеза генных молекул, и их структура оказы-
вается искаженной.
Изменение структуры гена называется мутацией. Му-
тация — прямое изменение соответствующего наследст-
венного признака, определяющее изменчивость этих
признаков. Мутации наследуются. Зачастую они яв-
ляются летальными — гибельными. Так бывает, если из-
мененный ген влияет на свойства организма таким обра-
зом, что они становятся несовместимыми с условиями
его существования. Другие мутации меняют признаки,
но не влияют -на жизнеспособность организма. Так, ры-
жие волосы у человека — безобидный результат му-
тации.
Спонтанные, самопроизвольные мутации весьма ред-
ки. Частота, с которой они встречаются, обеспечивает
9 М. В. Волькенштейн
257
необходимую для эволюции изменчивость организмов, ио
биологический вид оказывается надолго устойчивым и
сохранным. Генные молекулы обладают высокой устой-
чивостью, их структура постоянна, но не абсолютна: не-
которая изменчивость все-таки существует.
Биологическая эволюция была бы невозможна без
мутаций. Естественный отбор сохраняет мутации, бла-
гоприятные для существования вида, и уничтожает, от-
брасывает вредные мутации. Но об этом дальше.
Частота мутаций может быть резко увеличена пря-
мыми радиационными и химическими воздействиями на
гены.
В двадцатых и тридцатых годах, в период расцвета
советской генетики, выдвинувший ее на передовое место
в мировой науке, были сделаны два крупнейших откры-
тия. В 1925 году Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов уста-
новили, что облучение клеток рентгеновыми лучами рез-
ко увеличивает число мутаций. В дальнейшем американ-
ский ученый Меллер, долго работавший в Советском
Союзе, показал универсальное мутагенное (вызываю-
щее мутации) действие любой коротковолновой радиа-
ции, а Н. В. Тимофеев-Ресовский в серии классических
работ установил природу и механизм этого действия.
Сейчас мы знаем, что рентгеновы и гамма-лучи весьма
мутагенны. В этом и состоит основная опасность испы-
таний атомного и термоядерного оружия: возникающие
при взрывах радиоактивные вещества могут нанести
тяжелый ущерб последующим поколениям, вызвав на-
следуемые мутации. И не следует без крайней нужды
часто подвергаться рентгеновскому облучению, в осо-
бенности ниже пояса. Рентгеновы лучи могут вызвать
мутации в половых клетках и привести к появлению
уродств у потомства.
Второе открытие — химический мутагенез — также
принадлежит советским генетикам. В. В. Сахаров и
М. Е. Лобашев впервые установили, что действие неко-
торых химических веществ мутагенно, а И. А. Рапопорт
нашел особо сильные химические мутагены. Этой же
проблемой с большим успехом занималась в Англии
Шарлотта Ауэрбах — прекрасный ученый и популяри-
затор пауки.
Искусственный (радиационный и химический) мута-
генез был отлично использован в практических целях.
258
Пользуясь большим разнообразием искусственно полу-
ченных мутантов, генетики-селекционеры отобрали но-
вые сорта ряда сельскохозяйственных растений (ячменя,
гороха и т. д.) с улучшенными качествами-
Таким образом, можно влиять на наследственные
свойства организмов через мутации, т. е. через прямое
воздействие на гены. Такое воздействие есть молекуляр-
ный процесс, и создание новых мутантов не имеет ни-
чего общего с наследованием приобретенных признаков.
Наследуются ли приобретенные признаки?
Обычно говорят, что основная заслуга Дарвина со-
стояла в открытии эволюции видов. Это неправильно.
Эволюционные представления фигурировали в трудах
многих ученых до Дарвина с полной отчетливостью. Ве-
личие Дарвина определяется открытием механизма эво-
люции — открытием закона естественного отбора.
Глубина идей Дарвина становится особенно ясной
при сравнении его теории с теорией другого выдающе-
гося мыслителя — Ламарка, автора «Философии зооло-
гии».
Палеонтология показала, что у предков жирафы шея
была короткая. Современный вид возник путем длитель-
ной эволюции, в ходе которой шея постепенно удлиня-
лась. Как это произошло?
Предки жирафы переходили от питания травой к
питанию листьями на ветках деревьев. По Ламарку, это
означало следующее: животное вытягивает шею, стре-
мясь добраться до веток. Оно это делает постоянно, и
шея его, естественно, удлиняется. Приобретается новый
признак, непосредственно передаваемый по наследству.
Дети такого животного имеют уже несколько удлинен-
ные шеи. Дальше процесс повторяется, и в конце кон-
цов возникает удивительное и прекрасное животное —
современная жирафа.
Дарвин трактовал этот процесс совсем по-другому.
Имелась исходная популяция предков жирафы. Благода-
ря природной изменчивости, шеи у разных членов этой по-
пуляции были разной длины. Так как возможности пита-
ния оказывались более богатыми у более длинношейных
особей, то они имели преимущество в смысле выживания
и размножения. Средняя длина шеи в новой популяции
увеличивалась, и дальше этот процесс повторялся. Та-
9* 259
ким образом, современная форма создавалась в ре-
зультате естественного отбора, происходившего путем
внутривидовой борьбы за существование.
Не будучи знакомым с открытием Менделя, еще ничего
не зная о 'мутациях, Дарвин считал возможным насле-
дование приобретенных признаков. Однако легко ви-
деть, что для его теории это несущественно '— важен
естественный отбор, а не способ возникновения материа-
ла для отбора. Напротив, теория Ламарка целиком ос-
новывается на предположении о наследовании приоб-
ретенных признаков. Приобретенным признаком считает-
ся признак, возникший у особи после ее появления на
свет божий в течение ее жизни.
Представление о наследовании приобретенных при-
знаков кажется простым и естественным. Но если поду-
мать об этом всерьез, возникают непреодолимые труд-
ности.
Взрослый организм приобрел некий признак, ска-
жем, удлинил Свою шею. По Ламарку, сообщение об
этом событии каким-то образом поступило в половые
клетки: размножение ведь происходит половым путем.
Очень трудно представить себе передачу такого сооб-
щения в хромосому яйцеклетки или сперматозоида. Ни
один сторонник ламарковской теории никогда и не ис-
кал способа передачи информации о приобретенных
признаках половым клеткам и не выдвигал никакой ги-
потезы по этому поводу.
В то же время неизменно оказывались безуспешны-
ми многочисленные попытки доказать наследование при-
обретенных признаков экспериментально. Изредка полу-
чались результаты, казавшиеся положительными. Но
при внимательном анализе выяснялись неточности ме-
тодики, сводившие на нет достоверность таких резуль-
татов. Серьезная проверка наследования приобретенных
условных рефлексов была предпринята в лаборатории
И. П. Павлова. Вначале казалось, что условные рефлек-
сы действительно наследуются, потом были установлены
существенные недостатки методики. В интервью кор-
респонденту «Правды», опубликованном 13 мая 1927
года, Павлов сказал: «Первоначальные опыты с искус-
ственной передачей условных рефлексов у белых мы-
шей при улучшении методики и при более строгом кон-
260
золе до сих пор не подтверждаются, так что я не
элжен причисляться к авторам, стоящим за эту пере-
ачу».
Короче говоря, приобретенные признаки никогда не
аследуются. Это положение можно считать установлен-
ым столь же твердо, как, скажем, невозможность веч-
эго двигателя. Сейчас полностью утрачен интерес к
эпыткам доказать наследование приобретенных Стри-
заков, в настоящей науке никто этим более не зани-
ается. Представления о таком наследовании должно
гнести к разряду суеверий и предрассудков. Они, прав-
а, имеют некоторое распространение.
Многие собаководы считают, например, что, если
эродистая собака однажды принесла приплод от бес-
эродного самца, то она навсегда испорчена. Ее по-
тедующее потомство даже от дипломированного отца
/дет обладать ухудшенными качествами. Аргументация
ри этом следующая: сперма самца всасывается орга-
измом самки и вызывает в нем наследуемые измене-
ия. Иными словами, наследуется приобретенный при-
гак. Научных оснований этот старый предрассудок не
меет.
Вообразим мир, в котором наследуются приобретен-
ие признаки. Кстати, неплохая тема для фантастиче-
<ого рассказа. В таком мире не было бы стабильных
адов растений и животных, возникали бы фундамен-
зльные биологические различия не только между че-
эвеческими расами, но и между классами общества,
ысшие умственные способности оказывались бы уде-
эм лишь наследственной интеллигенции и аристокра-
та — ведь эти группы существуют при капитализме в
зачительно лучших условиях, чем рабочие и крестьяне,
риобретают тем самым и наследуют лучшие признаки,
ез особых натяжек из ламаркизма можно сделать
чевидно лженаучные выводы.
Наследуются только мутации — изменения самих
шов. А генам нет дела до того, в каких условиях жил
х носитель. Лишь бы не было мутаций.
Но как же быть с одноклеточными организмами, с
актериями? Здесь ведь указанной трудности нет.
Имеется всего лишь одна клетка, новые одноклеточные
рганизмы возникают в результате ее деления. Правда,
бактерий существует и конъюгация — половое размно-
261
жение. Одна бактерия играет роль отцовской клетк!
другая материнской. Но клетка одна, и поэтому, казг
лось бы, прямое воздействие на нее может привести
наследованию приобретенного признака.
Так думали раньше, так думают и теперь люди не
достаточно сведущие. Врач лечит больного пневмоние
инъекциями пенициллина. В большинстве случаев бс
лезнь купируется, но иногда пенициллин перестает пс
могать. Приходится прибегнуть к другому антибиотик}
Почему? Обычный ответ гласит: из-за адаптации мит
робов. Пневмококки, подвергавшиеся воздействию пент
циллина, постепенно приобрели новое наследственно
свойство — невосприимчивость к пенициллину. Они
нему приспособились, адаптировались.
Дельбрюк (в прошлом физик, а сейчас выдающийс
биолог) и Лурия предприняли тщательную проверк
этого кажущегося очевидным утверждения. Есть ведь
другая возможность. Среди множества пнев1мококко
могут встретиться мутанты, устойчивые к пеницилли
ну. Все остальные бактерии под действием антибиоти
ка погибнут, а мутанты останутся и будут размножать
ся. В этом случае пенициллин не создает никаких на
следуемых признаков, но действует как фактор естест
венного (впрочем, скорее искусственного) отбора.
Итак, адаптации или 'мутации? Точные количествен
ные опыты и расчеты однозначно показали, что пра
вильно лишь второе объяснение. Приобретенные при
знаки не наследуются и у одноклеточных организмов -
никакой адаптации микробов нет на свете. Законы при
роды едины.
От генетики к химии
Гены — (молекулярные структуры, содержащиеся •
хромосомах. Надо думать, структуры достаточно слож
ные, но все же молекулярные. Как же они могут уп
равнять появлением наследственных признаков?
За жизнедеятельность организма ответственны пре
жде всего белки. Обмен веществ, функционирование ор
ганизма как открытой системы происходят в результа
те целой сети биохимических реакций. Эти реакции ка
тализируются белками-ферментами. Естественно возни
кает гипотеза, согласно которой все признаки организм:
определены (совокупностью его белковых молекул. А ее
26?
и так, то гены управляют синтезом белков, созданием
елковых текстов. Роль генов прежде всего химическая,
основе генетики заложены химические реакции.
Для жизни человека не так уж важно, какого цве-
а его глаза: голубые они или карие, даром что цвет
таз есть наследственный признак. Важно другое. Несв-
одимо, чтобы вся совокупность биохимических реакций
организме протекала нормально, в соответствии с ус-
овиями его существования. Именно эта совокупность
афиксирована естественным отбором, а ее наследствен-
ые нарушения являются следствием мутаций. Значит,
еобходима определенная совокупность белков (фермен-
ов), синтезируемых в клетках. Такой признак, как цвет
адужной оболочки глаза, возникает в результате мно-
их сложных реакций, и проследить за его химическим
роисхождением нелегко.
Очевидно, что для проверки такой химической кон-
епции желательно изучать те наследственные призна-
и организмов, которые сравнительно просто проявляют-
я в химических реакциях. Поэтому современная генети-
а обратилась к исследованию наиболее простых орга-
низмов — грибков, дрожжей, бактерий. В самом деле,
х признаки действительно прежде всего химические.
Бактерии могут жить и размножаться в неживой пи-
ательной среде. Они способны синтезировать амино-
ислоты (а из них — белки) из простейших соедине-
на Излюбленным (в силу ряда удобных биологиче-
ких свойств) объектом исследования в химической ге-
ютике является кишечная палочка, бактерия Escheri-
hia coli. Она великолепно размножается в растворе, со-
[ержащем на 1 литр воды 1,0 rNH4Cl, 0,13rMgSO4,3,0 г
(Н2РО4, 6,0 г Na2HPO4 и 4,0 г глюкозы. Но это отно-
ится к немутировавшим бактериям, к так называемому
щкому типу Е. coli.
Мутации выражаются в неспособности бактерий ус-
шивать то или иное вещество, синтезировать ту или
1ную аминокислоту. В указанной питательной среде,
шенуемой минимальной, такие мутанты не размно-
каются. Для их размножения необходимо добавить в
)аствор вполне определенные соединения- Тем самым
/'станавливается химическая природа генетического при-
шака!
263
Современная генетика пошла еще дальше. От баг
терпи — к вирусам и бактериофагам.
Вирусы растений и животных и 'вирусы бактери
(бактериофаги) представляют собой 'микроскопически
тела, состоящие из белков и нуклеиновых кислот. Ж!
вне они или неживые? Я думаю, что это вопрос опр<
деления живого. Если считать, что живой организм до,)
жен обладать способностью размножаться в неживо
питательной среде, подобно бактериям, то вирусы н
живут. Они размножаются только в живых клетках. ]
их можно получать ,в кристаллической форме.
Но в то же время вирусы подчиняются законам п
нетики. Они испытывают мутации. И можно изучать и
химические наследственные признаки, чем с успехом
занимается современная наука.
Так что считайте вирусы какими хотите: живыми ил
неживыми. Это не столь уж важно. Гораздо важнее тс
что с их помощью удалось раскрыть многие тайны на
следственности и изменчивости. Знать о вирусах над
все, так как они являются причиной множества опас
ных заболеваний. Не только грипп, но и оспа, и полис
миэлит, и корь, и, весьма вероятно, рак вызывание
вирусами.
Перейдя от дрозофилы к бактериям и вирусам, гене
тика стала химической генетикой. Теперь на этой hoboi
основе она анализирует химизм наследственности у мно
гоклеточных организмов. Именно здесь возник карди
нальный перекресток биологии и химии.
Вся совокупность данных химической генетики пока
зывает, что исходная гипотеза ее справедлива. Ген —
молекулярная структура, определяющая синтез белко
вой цепи с заданной последовательностью аминокисло-
и тем самым с заданными физико-химическими и био
логическими свойствами. Наследственность сводится i
биосинтезу белка.
Эроусмит
Написав несколько слов о бактериофагах, я не moi
не вспомнить о прекрасном романе Синклера Льюисе
«Эроусмит».
Герой этого романа, молодой бактериолог, открывает
бактериофаг. В действительности это 'крупное открытие
было сделано канадцем Туортом (1915) и французом
264
Эррелем (1917). Но Синклер Льюис не погрешил про-
ив истины. К моменту окончания Мартином Эроусми-
ом его работы в печати появляется статья Д’Эрреля
Эроусмиту остается только опубликовать дополнитель-
ые детали.
Но я iBcnoMH-ил об «Эроусмите» не только поэтому.
>ся наука, о которой рассказано ib этой книге, создана
юдьми, создана учеными. И говоря о ее содержании,
тоит подумать и об ее творцах.
В наши дни, когда наука перестала быть уделом
диночек и мощно вторглась в жизнь общества, она,
стественно, стала объектом художественного изобра-
жения.
Писатель все чаще обращается к образам ученых.
Это нужно читателю, который хочет узнать, что пред-
тавляют собой люди, раскрывающие тайны природы,
поди, деятельность которых быстро изменяет технику,
медицину, сельское хозяйство, люди, чья ответственность
1еред человечеством так велика.
Что такое ученый? Ученый — тот, кто занимается
щучной работой. Это условие необходимое, но недо-
статочное: число ученых много меньше числа научных
эаботников.
Ученый — человек, занимающийся научной работой,
4ьи мировоззрение и психология определяются его жиз-
юнной задачей, состоящей ib раскрытии тайн природы,
з нахождении гармонии в окружающем мире. В этом
смысле психология ученого близка к психологии ху-
дожника.
Ученый не лучше и не хуже других людей. Но его
психология специфична, и раскрытие образа ученого
означает художественный анализ этой психологии.
Отношение истинного ученого ко .всем явлениям
жизни отражает его подход к предметам научного ис-
следования. Ученый сознательно анализирует и класси-
фицирует любые явления, начиная со своих добрых зна-
комых и кончая историческими событиями. Он требует
строгого доказательства любого выдвигаемого положе-
ния и поэтому сравнительно мало .восприимчив к ут-
верждениям декларативного характера. Ученый может
быть честен или нечестен, но во втором случае он
обычно сознательно нечестен, ибо ему свойственно ана-
лизировать свои поступки.
265
Стимулы, 'под влиянием которых действует учены
разнообразны. Это в той или иной степени осознание
стремление найти решение проблем, практически вал
ных для человечества. Оно играет важнейшую роль
развитии советской науки. Но эта высокая цель не им<
ет ничего общего с узко утилитарным отношением
науке, противоречащим ее смыслу и содержанию.
Другой стимул — честолюбие. Высокая оценка нг
учной общественностью труда ученого лишь в редки
случаях для него безразлична. Но, конечно, ученый пе
рестает быть ученым, если его радует или оторчае
оценка, основанная на ненаучных положениях.
И самое главное — любознательность. Человек ста
новится ученым, потому что ему интересно. Его призва
ние состоит в раскрытии тайн природы, в удовлетворе
нии глубокой любознательности. Степень этого удовле
творения тем больше, чем значительнее открытие, чек
оригинальнее путь, которым удалось к открытию прий
ти. Но ученого радует не только достигнутый результат
Сама постановка задачи, логика рассуждения, даж(
повседневная экспериментальная работа радостны и ин
тересны. И как бы ни был мал научный вопрос, на ко
торый удалось получить ответ, и процесс получения от
вета и окончательный результат составляют истинное
счастье ученого.
Все эти особенности психологии ученого сами по се-
бе не определяют высокого уровня его морали. Учены?
может страдать от комплекса неполноценности вслед-
ствие несоответствия между честолюбивыми замысла-
ми и достигнутыми результатами. Отсюда зависть и не-
доброжелательство, нарушения этики во взаимоотно-
шениях с коллегами, диктаторство в научном коллекти-
ве и прочая дрянь. Очень опасной для многих оказы-
вается власть. Мы знаем случаи, когда в прошлом хо-
роший ученый превращается в повелителя, он не гово-
рит, а вещает, спорить с ним нельзя. Крупнейший ма-
тематик Коши был преступно невнимателен к работам
молодых ученых, его поведение несомненно послужило
одной из причин ранней гибели двух юных гениев —
Галуа и Абеля. Великий Гаусс, не желая «дразнить гу-
сей», не только боялся опубликовать свои работы по
неэвклидовой геометрии, но и не оказал необходимой
поддержки Лобачевскому и Больяи. А последнему она
266
ыла так нужна! Блестящий Дэви завидовал своему гё-
иальному ученику Фарадею и препятствовал его избра-
ню в Королевское общество.
В более близкие к нам времена Штарк, когда-то за-
луженно получивший нобелевскую премию, стал вож-
,ем «арийской физики» в фашистской Германии и убеж-
.енным врагом науки.
Теллер, в прошлом выдающийся физик-теоретик, пре-
вратился в глашатая наиболее реакционных империали-
тических кругов США, призывающего к термоядерной
юйне с Советским Союзом.
Трусость, оппортунизм, эгоизм, зависть и злоба
ютречаются в ученом мире. Но
Гений и злодейство
Две вещи несовместные.
Моральная деградация неизбежно сопровождается де-
'радацией ума и таланта. Слово «ученый» в принципе
гредполагает высокие человеческие качества, так как
истинная наука честна и чиста. Я привел печальные
тримеры, но гораздо чаще крупный ученый — большой
человек. Назовем имена Эйнштейна и Бора, Менделее-
ва и Маркова, Бернала и Полинга, Мандельштама и
Тамма.
Современный ученый — активный член своего об-
щества, его слово имеет большое значение. Владение
научным методом, привычка к логическому мышлению
делают участие ученых в жизни общества особенно
важным.
В то же время настоящего ученого характеризуют
сосредоточенность и серьезность, умение отвлечься от
множества вопросов повседневной жизни, мешающих
творческой деятельности. Ученый работает «по способ-
ностям», труд является главным источником его
счастья.
Наука требует бескорыстия и известной отрешенности.
Но это нисколько не противоречит исполнению ученым
его общественной роли.
Я вспомнил об «Эроусмите» потому, что этот роман,
может быть, лучший из произведений мировой литера-
туры, посвященных науке, ученым. Синклер Льюис по-
казал в этом романе многое: рождение призвания уче-
267
ного, его психологию, путь к открытию, радость откры
тия. Не меньшую -роль, чем Эроусмит, играет в роман-
Готлиб— крупный ученый, непрактичный и трудно жи
вущий человек, всецело преданный науке. Поэтому силь
ное впечатление производит крушение личности Готлиб;
в конце романа: он все-таки не устоял, продал свою нау
ку за пост директора института и погиб как ученый.
И тем не менее интонация романа полна оптимизма
научной романтики. «Эроусмит» — книга, способная про
будить в юноше ощущение его призвания в науке. Я знак
это по себе и не стыжусь в этом сознаться.
Жюль Верн и Чехов
Сила «Эроусмита» ib том, что его автор глубоко про-
ник в сущность бактериологии и раскрыл образ героя
через его научную деятельность. А бактериология и ме-
дицина интересны и в какой-то мере понятны каждому.
Нельзя не волноваться, читая о борьбе Эроусмита с
чумой, о гибели его жены, о конфликте между высшим
долгом ученого и элементарной человеческой добротой.
Не случайно «Эроусмит» вызвал ряд подражаний. В «Ци-
тадели» Кронина даже сюжетные ситуации те же
Но в подавляющем большинстве случаев изображе-
ние профессиональной деятельности ученого не увлечет
читателя. Как выразить содержание научной работы ма-
тематика или физика в художественной форме? Жизнь
ученого, как правило, лишена ярких внешних событий;
она протекает за письменным столом, в лаборатории, на
научном конгрессе, иногда в экспедиции. Эю преимущест-
венно духовная, интеллектуальная жизнь.
Писатель зачастую сталкивает ученого с обществом,
враждебным науке, рассказывает о конфликте с обску-
рантизмом и невежеством или властью денег. Но чем
больше вторгается наука в современную жизнь, тем
менее вероятными становятся такие столкновения.
Я думаю, что психология ученого может быть пока-
зана помимо его профессиональной деятельности, по-
мимо внешних конфликтов с обществом. Особенности
психологии ученого могут приводить к содержательным
внутренним, а не внешним конфликтам; ведь жизнь как
целое неизмеримо разнообразнее научной работы. Стро-
гая логика, аналитичность мышления, абстрактная
мысль неизбежно вступают в противоречие с повседнев-
268
ной жизнью, и это противоречие не может не сказывать-
ся в отношениях с друзьями и врагами, с семьей и со-
служивцами.
В гротескном плане это противоречие изображается
как чудачество ученого. Но оно чрезвычайно интересно
и имеет глубокое значение для психологии в целом.
Жизнь может толкать ученого на поступки, морально
не безукоризненные, а его научное сознание отвергает
такие поступки. Я представляю себе роман, в котором
образ ученого значителен и убедителен вовсе не пото-
му, что он говорит о науке или ставит опыты, а потому,
что его психология отличается от психологии окружаю-
щих. И не в том дело, что эти люди хуже нашего уче-
ного, просто их мышление иное.
Ученые — частые герои научно-фантастических про-
изведений. У Жюля Верна это или романтики, или чуда-
ки. К первым относятся капитан Немо, «Властелин ми-
ра», изображенные в традиции романтической литера-
туры прошлого века, в традиции Дюма. Их образы на-
рисованы талантливо, но, конечно, психологии ученого
не раскрывают.
Кузен Бенедикт, Масгон, Паганель — чудаки, на-
писанные в гротескной манере. К этой же компании
принадлежат Челленджер и Сэммерли у Конан Дойля,
Кейвор Уэллса. Напротив, доктор Моро или Невидим-
ка — персонажи романтические.
Чудачество, т. е. комическая рассеянность, непрак-
тичность, отрешенность от реальной жизни — утриро-
ванная характеристика психологии ученого, условное
отражение некоторых особенностей его психики, сущест-
вующих в действительности. Следовательно, такое изо-
бражение содержательно. Жюль Верн любит своих ге-
роев, и его талант заставляет читателя полюбить их
также. Эти чудаки полны благородства, доброты, они
преданы науке всецело, как и их автор. Конан Дойль
сталкивает темпераментного чудака Челленджера с пе-
дантическим чудаком Сэммерли и наделяет их комиче-
скими чертами: Челленджер дико хвастлив и тщесла-
вен, а Сэммерли исполнен смешного скептицизма. Но и
тот и другой — честные и благородные люди, способные
преодолеть во имя науки любые трудности и в том чис-
ле свое самолюбие. Вряд ли школьник вдохновится об-
разом Паганеля настолько, что захочет стать геогра-
269
фом, или образ Бенедикта завлечет его в энтомологию.
Но весь строй романов Жюля Верна таков, что не мо-
жет не внушить любви и уважения к науке, к ее созда-
телям. В этом одна из причин непреходящей ценности
произведений Жюля Верна.
В литературе, ставящей перед собой более крупные
художественные и идейные задачи, образ ученого ре-
док. Убедителен профессор Полежаев в пьесе и кино-
сценарии Рахманова. Это ученый, приветствующий ре-
волюцию, так как он ясно понял ее смысл и содержа-
ние. Образ Полежаева полнокровен, бескомпромиссная
мысль сочетается в нем с детской наивностью душевно
чистого человека, непосредственно грустящего и радую-
щегося.
В романах Сноу, хорошо знакомого с жизнью уче-
ных, несомненно раскрываются некоторые черты их пси-
хологии. И отрицательные и положительные герои «Де-
ла» думают и действуют как люди, привыкшие к науч-
ной логике суждений и поступков.
Мне кажется, что ярче всего изобразил ученого Че-
хов. Зоолог фон Корен в «Дуэли» — умный, честный и
логически мыслящий человек, но человек, ограниченный
и схематичный <в своих действиях. Бывают такие уче-
ные, и фон Корен совсем не карикатура. Прелестен об-
раз Осипа Дымова в «Попрыгунье», .истинного ученого,
человека большой доброты и идейности. Профессор в
«Скучной истории» подвергает беспощадному научному
анализу и свое окружение и себя самого. Но Чехов по-
лон пессимизма; самое важное для ученого — сила его
мысли — не увлекает Чехова.
Я думаю, что мысль человеческая, мысль ученого,
это высшее создание природы, может и должна быть
предметом художественного изображения, так как буду-
щее науки, неразрывно связанное с будущим человече-
ства, прекрасно.
Мы снова вышли на перекресток науки и литерату-
ры, не в первый раз в этой книге. Но .следует, однако,
вернуться назад — к биологии, химии, физике.
270
Знаменитая ДНК
Очевидно, что молекулярные структуры генов дол-
жны обладать двумя главными свойствами. Во-первых,
они должны управлять синтезом белков, т. е. созданием
белковых текстов. Во-вторых, они должны обладать
способностью к самовоспроизведению, к редупликации,
так как при каждом делении клетки удваивается набор
хромосом, а значит, и набор генов.
Нельзя придумать никакого другого способа «печа-
тания белковых текстов», точной сборки белковых цепей
из аминокислот, кроме того, который применяется в на-
стоящих типографиях. Должен быть некий шаблон, мат-
рица, в которой закодирована информация, воспроизво-
димая далее в белковых текстах.
Советский биолог Н. К- Кольцов был одним из пер-
вых ученых, четко сформулировавших это положение.
Хорошо, допустим, что ген является такой матрицей
для белка. А матрица как создается? Не нужна ли для
нее в свою очередь другая матрица и так далее, до
бесконечности?
И еще один вопрос, поставленный Шредингером.
Как должен быть построен ген, состоящий из легких
атомов С, N, О, Р, Н, чтобы обеспечить точность его
самовоспроизведения, устойчивость структуры на про-
тяжении очень многих поколений?
В хромосомах содержатся специальные белки: ги-
стоны и протамины (у рыб) и биополимер небелковой
природы — дезоксирибонуклеиновая кислота, сокра-
щенно обозначаемая ДНК- Эти три буквы известны сей-
час многим. Дело в том, что ДНК и есть генетическое
вещество, ДНК — это гены.
Какие имеются тому доказательства? Их множест-
во. Количество ДНК во всех клетках данного организ-
ма одинаково и строго постоянно. В половых клетках,
содержащих половинный набор хромосом, количество
ДНК вдвое меньше, чем в остальных соматических
клетках тела. При введении ДНК, выделенной из одних
бактериальных клеток, в другие осуществляется генети-
ческая трансформация: перенос наследственных призна-
ков от одного штамма бактерий к другому.
Бактериофаги состоят из ДНК и белков. При зара-
жении фагом бактериальной клетки в нее входит толь-
27»
~650А*1
Рис. 78. Схема строения части-
цы фага Т2 по данным электрон-
ной микроскопии
однозначно доказывают
ко ДНК фага. Это установлено посредством красивых
опытов. Фаг выращивается в бактериальной культуре
на среде, содержащей радиоактивные серу и фосфор.
При заражении в бактерию проникает меченый фосфор,
но не сера. Значит, это ДНК, потому что ДНК содер-
жит фосфор и не содержит
серы, а белки содержат серу,
но не содержат фосфора.
На рис. 78 изображена части-
ца фага Т2, размножающаяся в
клетках Е. coli. Заражение про-
исходит следующим образом:
частица прилипает к поверхно-
сти клетки и вспрыскивает
внутрь нее свою ДНК, подобно
медицинскому шприцу. Внутри
клетки ДНК многократно реду-
плицируется и организует син-
тез фаговых белков. Возникает
множество фаговых частиц, по-
добных исходной, и клетка гиб-
нет; ее оболочка разрывается, и
фаговые частицы выходят нару-
жу (рис. 79).
Эти и многие другие факты
генетическую функцию ДНК,
сводящуюся к организации белкового синтеза.
ДНК —• самые большие макромолекулы на свете.
Молекулярный вес ДНК достигает миллиардов. Цепи
ДНК построены из чередующихся групп сахаристого ве-
щества, дезоксирибозы, и фосфорной кислоты. Но к
каждой дезоксирибозе присоединено так называемое
азотистое основание — пуриновый или пиримидиновый
цикл. Число сортов азотистых оснований в ДНК — че-
тыре. Это аденин, гуанин, тимин и цитозин. Мы будем
обозначать их первыми буквами: А, Г, Т, Ц. Структура
цепи ДНК показана на рис. 80.
Значит, ДНК — это тоже текст, но написанный уже
не двадцати-, а всего лишь чстырехбуквенным алфави-
том. Ну что же, любую информацию можно закодиро-
вать даже двумя знаками. Вспомним азбуку Морзе.
272
Следовательно, ДНК, вообще говоря, может служить
патрицей для печатания белкового текста, так как она
иожет содержать такой же объем информации.
Нужна ли для возникновения ДНК еще какая-ни-
будь матрица? Отрицательный ответ на этот вопрос по-
тучен в результате уже чисто физического исследова-
ГИЯ.
Рис. 79. Схема заражения бактериальной клетки фагом
В 1953 году Уотсон, Крик и Уилкинз методом рент-
енографии установили, что ДНК в клетке построена в
виде двойной спирали, из двух свитых вместе цепей.
Чечто вроде двойного электрического шнура. Двойная
спираль ДНК изображена на рис. 81. Две нити ДНК
соединены водородными связями между азотистыми ос-
юваниями. Плоскости этих циклических групп располо-
•кены перпендикулярно оси спирали (рис. 82). При этом
А. всегда соединяется с Т, а Г с Ц. Следовательно, в
ЦНК количество А всегда равно количеству Т, а коли-
1ество Г равно количеству Ц. Это обстоятельство было
эанее установлено Чаргаффом.
Итак, две нити ДНК в двойной спирали дополни-
тельны, комплементарны друг другу. Если известна по-
следовательность звеньев, нуклеотидов, в одной нити, то
звтоматически известна последовательность и во второй,
гак как А комплементарно Т, а Г комплементарно Ц.
Отсюда сразу получается модель редупликации ДНК.
Ча некоторой стадии развития клетки происходит раз-
теление двойной спирали, полное или частичное. На
273
Рис. 81. Двойная спираль ДНК
«делившихся цепях происходит сборка новых компле-
ентарных к ним цепей из мономеров, находящихся ' в
гружающей среде. В результате из одной исходной
зойной спирали получаются две новых, тождественные
зрвоначальной (рис. 83). Эта модель получила полное
сспер-иментальное подтверждение в опытах с мечены-
и атомами. ДНК служит матрицей сама для себя.
Уотсон, Крик и Уилкинз были удостоены в 1962 го-
/ Нобелевской премии за свою выдающуюся работу,
тремя годами раньше Корнберг получил ту же на-
эаду за синтез ДНК in vitro, в колбе, а не в клетке.
Корнберг взял в качестве матрицы, затравки, натив-
у’ю ДНК, выделенную из клеток. Он ввел ее в раствор,
одержавший все четыре типа мономеров, необходимые
эли и фермент ДНК-полимер азу, без которых реду-
ликация не происходит. И получил новую ДНК, состав
второй был тождествен затравочной, в полном соответ-
гвии со схемой, изображенной на рис. 83.
В конце 1967 года газеты всего мира обошло сообще-
ие, о том, что Корнберг синтезировал живую молекулу,
то, конечно, чепуха. Живых молекул не бывает, жизнь
эзникает лишь в результате взаимодействия целой со-
окупности различных молекул, различных веществ. Но
юрнберг действительно сделал очень хорошую работу,
.ели раньше он синтезировал лишь обрывки цепей ДНК,
о сейчас, с помощью гораздо лучше очищенного фер-
ента, он получил in vitro подлинную ДНК бактерио-
фага. Такая ДНК оказалась обладающей инфекционным
ействием: при попадании в клетку она организует син-
ез вирусных белков, синтез частиц фага. Тем самым
ще раз доказана генетическая функция ДНК, и наука
той функцией овладела.
Если при редупликации ДНК произошла ошибка
вместо надлежащего нуклеотида на данное место попал
ругой), то возникшая опечатка в нуклеотидном тексте
альше воспроизводится неограниченно. Это мутация.
)на срабатывает в синтезе белка и получается, напри-
iep, серповидноклеточный гемоглобин вместо нормаль-
ого (стр. 222).
Познакомившись со структурой гена, структурой
[НК, нужно понять, как ДНК выполняет свою функцию,
ак она организует белковый синтез.
275
Рис. 82. Комплементарные азотистые основания
-Л===Т~ -Т===Л- -Л===т- -г33=ц- -т===л- -ЦввеГ- -л-=-= Т- -Л Л Т- -Т т ЛТ Я- - л л л т- - г ц г Ц- - т ц л- - Ц „Д г- -л л т- 1 1 1 1 1 1 и С ь П с U ь II II II III II III 11 II II II III II III II II II II III II III II EC 1- c L— 1- ZJ c _J 1 J I 1 1 L
-л===т-
-т==-л-
-л=== т-
*Г=- = Ц-
-т-==л-
-ц™г-
-Л==='T-
РИС. 83 Схема удвоения молекул ДНК
Биосинтез белка и' молекулярная биология
Фабрика-клетка работает нс так уж просто. Хромо-
сомы, т. е. гены, ДНК находятся в ядре клетки, а синтез
белка происходит вне ядра, в цитоплазме. Можно срав-
нить хромосомы с конструкторским бюро фабрики, где
готовятся чертежи для выпуска белковой продукции.
Информация, содержащаяся в ДНК, должна каким-то
способом быть передана из конструкторского бюро в це-
ха, вырабатывающие белки.
Сначала на одной из двух цепей хромосомной ДНК
синтезируется другая нуклеиновая кислота. Это матрич-
ная рибонуклеиновая кислота м-РНК. Рибонуклеиновые
кислоты отличаются от ДНК тем, что вместо тимина Т
в них фигурирует урацил У
ОН
I
С
/ \
N СН
I II
НО—С сн
Ч /
N
и вместо дезоксирибозы — рибоза, содержащая вместо
атома Н гидроксил ОН. Последовательность нуклеоти-
дов в м-РНК аналогична последовательности в цепи
ДНК (с У вместо Т), следовательно, м-РНК содержит
ту же информацию.
М-РНК поступает в цитоплазму и связывается с ри-
босомами — частицами, состоящими из белка и рибо-
сомной РНК (р-РНК); рибосомы хорошо наблюдаются
с помощью электронного микроскопа. Образуется поли-
сома — своего рода нитка бус; ниткой служит м-РНК,
а бусами рибосомы. Полисома и является матрицей для
белкового синтеза.
Каждая аминокислота реагирует с богатым энергией
веществом, с АТФ, и образует так называемый амино-
ациладенилат. Эта реакция реализуется при участии
специального фермента. Затем аминоациладенилат с по-
мощью того же фермента взаимодействует с молекулой
транспортной РНК (т-РНК). Молекулы т-РНК — срав-
нительно короткие цепочки с молекулярными весами по-
рядка 25 000, в то время как молекулярные веса м-РНК
достигают полумиллиона.
277
Молекула т-РНК, несущая на себе аминокислотный
остаток, присоединяется водородными связями к нуклео-
тидам м-РНК в рибосоме. Рибосома перемещается вдоль
цепи м-РНК, «читая нуклеотидный текст», затем при-
соединяется следующая молекула т-РНК с аминокисло-
той и т. д. Одновременно происходит объединение ами-
нокислот в белковую цепочку. В конце концов «бусин-
ка», т. е. рибосома с выросшей на ней белковой цепью,
сходит с нитки м-РНК, белковая цепь освобождается и
поступает в раствор.
Эта сложная картина, установленная в результате
тонких и трудных биохимических и физико-химических
исследований, схематически представлена на рис. 84
и 85.
Итак, наследственность сводится к программирова-
нию синтеза белка, к молекулярным процессам.
Мы видим, что на основе генетики (наука о наслед-
ственности), цитологии (наука о клетке) и биохимии
возникла новая область науки — молекулярная биоло-
гия. Молекулярная биология изучает основные явления
жизни, прежде всего наследственность и изменчивость,
исходя из структуры и свойств биологически функцио-
нальных молекул — белков и нуклеиновых кислот.
Молекулярная биология создана в последние два де-
сятилетия. Это важнейший перекресток биологии, химии
и физики. Речь идет о молекулах, главном предмете ис-
следования в химии и молекулярной физике. Мы видели,
как физика способствовала раскрытию биологической
роли ДНК. Выяснение молекулярных основ жизни —
крупнейшее достижение научной мысли, радикально из-
менившее научное мировоззрение второй половины на-
шего века.
Выход на перекресток путей науки, означая открытие
совершенно новых перспектив, вызывает сопротивление
рутинно мыслящих людей, цепляющихся за старые, при-
вычные представления. У молекулярной биологии было
немало противников, но их становится все меньше.
Чаргафф, как уже говорилось, сделал важное откры-
тие — установил равенство содержания А и Т, Г и Ц в
ДНК. А несколько лет назад он опубликовал книгу под
названием «Амфисбена». Это греческое название мифи-
ческого существа. Сейчас так называются тропические
ящерицы-двуходки, способные передвигаться в норах
278
Рис. 84. Схема биосинтеза белка
сборка*'
белковой
цепи
аминокислоты
85. Схема работы рибосомы
279
хвостом вперед. Вся книга Чаргаффа посвящена
попыткам — совершенно неубедительным — подвергнуть
сомнению достижения молекулярной биологии, скомпро-
метировать современные представления о гене как о
ДНК, и т. д. Не случайно обширные выдержки из этой
книги были напечатаны в печальной памяти журнале
«Агробиология».
Как могло получиться, что ученый, сыгравший важ-
ную роль на раннем этапе молекулярной биологии, че-
ловек несомненно большой культуры, выступил в роли
бесплодного скептика и пессимиста? Я этого не знаю.
Надо сказать об оборотной стороне медали. Быст-
рые и замечательные успехи молекулярной биологии
привлекли в эту область многих. Ряд физиков и хими-
ков включился в новые исследования. В молекулярную
биологию ринулась способная молодежь. И многим ста-
ло казаться, что проблема жизни решена: все дело в
ДНК, стоит определить последовательность нуклеотидов,
и мы узнаем, какое живое существо в ней генетически
закодировано — лось или редиска. А остальное просто.
В действительности мы находимся сейчас в самом
начале новой биологии. Неимоверная сложность живой
клетки потребует многих лет напряженных исследова-
ний. Пройдет немало времени до тех пор, пока in vitro
будет создана не просто инфицирующая ДНК, а прими-
тивное живое существо, не говоря уже о гомункулусе.
И нельзя заменить знание биологии знанием физиче-
ской химии нуклеиновых кислот. Чем дальше мы будем
продвигаться на пути к познанию жизни, тем более глу-
бокие и широкие знания физиологии, зоологии, ботани-
ки нам потребуются. Человек, занимающийся белками
и нуклеиновыми кислотами и не знающий, сколько ног
у бабочки, может быть физиком и химиком, но не био-
логом. А молекулярная биология — это все-таки биология.
Иерэглифы и гены
Матричная РНК служит шаблоном для сборки бел-
ковой цепи. Четырехбуквенный нуклеотидный текст пе-
реводится в двадцатибуквенный — аминокислотный.
Возникает проблема генетического кода, впервые отчет-
ливо сформулированная физиком Гамовым в 1954 году.
Очевидно, что за каждую аминокислоту в белке дол-
жна отвечать группа звеньев м-РНК, состоящая не ме-
нее чем из трех нуклеотидов. Двух недостаточно. В са-
280
мом деле, число различных нуклеотидных дублетов, ко-
топос можно получить из четыоех нуклеотидов, равно
42= 16. А нужно 20.
Цитирую слова основателя египтологии Шампольо-
на: «Офицер инженерных войск г-н Бушар, состоявший
при дивизии нашей египетской армии, занимавшей го-
род Розетту, нашел в августе 1799 года во время зем-
ляных работ, производившихся в древнем форте, черный
гранитный камень прямоугольной формы, на хорошо от-
полированной поверхности которого были видны три над-
писи, выполненные тремя различными системами пись-
ма. Верхняя надпись... начертана иероглифическим
письмом; средний текст дан египетской скорописью, а
третью и последнюю часть камня занимает надпись, со-
ставленная на греческом языке и выполненная гречес-
кими буквами». Открытие Розеттского камня позволило
Шампольону расшифровать египетские иероглифы.
Очевидно, что, если бы мы располагали знанием ну-
клеотидного текста, т. е. первичной структуры данного
гена, и знанием аминокислотного текста белка, т. е. це-
пи, синтезируемой именно этим геном, расшифровка ге-
нетического кода не составила бы особого труда. Но
Розеттского камня в молекулярной биологии еще нет;
пока не удалось установить последовательность нуклео-
тидов ни в одном образце ДНК.
Другая возможность теоретической расшифровки су-
ществовала бы, если бы имелась корреляция, законо-
мерное соотношение между буквами белкового текста.
В русском тексте гласные чаще следуют за согласными,
чем друг за другом. Если бы это было так, то мог бы
существовать код, в котором некоторые последователь-
ности нуклеотидов оказывались бы исключенными. Ска-
жем, перекрывающийся код. Было предложено несколь-
ко моделей таких кодов, в которых одни и те же нуклео-
тиды соседних троек кодируют две аминокислоты. На-
пример, если в последовательности ...АГЦУ... АГЦ ко-
дирует аминокислоту аь а ГЦУ — аминокислоту а2, то
код перекрывающийся, и за ai не может следовать лю-
бая а2, но лишь некоторые вполне определенные. Такая
возможность, постулированная Гамовым, однако, не реа-
лизуется: в первичных структурах белков практически
нет никаких закономерных корреляций между соседними
аминокислотами. Расшифровка кода по методу, приме-
281
пенному Шерлоком Холмсом в рассказе «Пляшущие че-
ловечки», оказывается поэтому невозможной.
Итак, ни Шампольон, ни Конан Дойль нам не помо-
гут. Некоторая косвенная информация о кодовом слова-
ре была получена в результате изучения направленных
химических мутаций. Однако установить код удалось
лишь в ходе прямых экспериментальных исследований.
В 1961 году Крик с сотрудниками сделал работу, в ко-
торой посредством изучения мутантов фага Т4 было до-
казано, что число нуклеотидов в кодоне (последова-
тельность, кодирующая одну аминокислоту) действи-
тельно равно или кратно трем. В том же году на
V Международном биохимическом конгрессе в Москве
американский ученый Ниренберг впервые рассказал о
найденном им красивом методе расшифровки кода.
Берутся разорванные клетки, из которых удалены яд-
ра. В такой системе не содержится ни ДНК, ни м-РНК,
но имеются рибосомы, набор т-РНК для всех аминокис-
лот и необходимые ферменты. В систему вводятся син-
тетические полирибонуклеотидные цепи и различные
аминокислоты, меченные радиоактивными атомами С14.
В такой системе природа обманута — вместо м-РНК в
качестве матрицы работает синтетический полинуклео-
тид. О его работе можно судить по включению меченой
аминокислоты в синтезируемую полипептидную цепь.
Оказалось, что цепочка полиурацила — поли У
• ••У У У У У У У...
обеспечивает включение в цепь только фенилаланина.
Ёму, значит, соответствует кодон УУУ.
В дальнейшем было испытано множество различных
смешанных полинуклеотидов с различным содержанием
У, А и т. д. Последовательность нуклеотидов в таких со-
полимерах неизвестна, но можно легко определить отно-
сительную вероятность появления тех или иных трипле-
тов— кодонов. Например, полимер УЦ, содержащий У и
Цв пропорции 3: 1, имеет относительные вероятности
триплетов:
УУЦ (или УЦУ или ЦУУ): УУУ = 1:3,
УЦЦ (или ЦУЦ или ЦЦУ): УУУ = 1:9, ЦЦЦ: УУУ = 1 : 27.
Соответствие относительных долей включения опреде-
282
ленных аминокислот этим числам позволило установить
состав кодонов, но не последовательность нуклеотидов
в кодонах.
В 1965 году Ниренберг заменил в своих опытах по-
линуклеотиды тримерами с известной последовательно-
стью нуклеотидов. Эти опыты независимым образом под-
твердили триплетный характер кода и установили по-
следовательности нуклеотидов в кодонах. В дальнейшем
Корана реализовал тонкий способ синтеза длинных по-
линуклеотидов с известной последовательностью звеньев
и применил их в качестве заместителей м-РНК- В ре-
зультате этих прекрасных работ был получен полный
кодовый словарь. А совсем недавно Корана впервые
синтезировал ген — участок ДНК, ответственный за син-
тез одной из т-РНК.
Генетический словарь
В табл. 1 и 2 приведены прямой и обратный словари:
кодонно-аминокислотный и аминокислотно-кодонный.
Составлены они, как положено, по алфавиту. В табл. 1
в первой строке указан кодон м-РНК, во второй — обо-
значение аминокислотного остатка, в третьей — назва-
ние соответствующей аминокислоты.
Кодоны 10. АУГ и 26. ГУГ отмечены звездочками.
Эти триплеты оказались особыми. Они кодируют ука-
занные в словаре аминокислоты в середине белковой це-
пи, но, вообще говоря, служат для инициирования, для
начала построения цепи. Кодоны 33. УАА и 34. УАГ
имеют условные наименования «янтарь» и «охра». Эти
названия возникли забавным способом. Мутанты, свя-
занные с появлением обрывающего цепь кодона УАА,
впервые наблюдались Бернштейном. Слово Bernstein
по-немецки означает янтарь. Его перевели на английский
язык (amber), а затем на русский. Кодону УАГ, имею-
щему аналогичную функцию, решили дать наименование
также чего-нибудь желтого и назвали его охрой. (При-
мечание к вопросу о юморе в науке, стр. 202.) Это на-
звания мутантов, возникающих вследствие обрыва белко-
вой цепи на этих кодонах. Кодон 37 УГУ также, по-види-
мому, обрывающий цепь, является «бессмысленным».
Генетический код в высокой степени универсален.
Указанные кодоны зачастую стимулируют включение со-
ответствующих аминокислот в системах, полученных из
283
Таблица 1
Кодонно-аминокислотный словарь
1. ААА, лиз, лизин 32. ГЦЦ, ала, алании
2. ААГ, лиз, лнзин 33. УАА — (янтарь)
3. ААУ, асн, аспарагин 34. УАГ—(охра)
4. ААЦ, асн, аспарагин 35. УАУ, тир, тирозин
5. АГА, арг, аргинин 36. УАЦ, тир, тирозин
6. АГГ, арг, аргинин 37. УГА —
7. АГУ, сер, серин 38. УГГ, три, триптофан
8. АГЦ, сер, серин 39. УГУ, цис, цистеин
9. АУА, иле, изолейцин 40. УГЦ, цис, цистеин
10. * АУГ, мет, метионин 41. УУА, лей, лейцин
11. АУУ, иле, изолейцин 42. УУГ, лей, лейции
12. АУЦ, иле, изолейцнн 43. УУУ, фен, фенилаланин
13. АЦА, тре, треонин 44. УУЦ, фен, фенилаланин
14. АЦГ, тре, треонин 45. УЦА, сер, серин
15. АЦУ, тре, треонин 46. УЦГ, сер, серин
16. АЦЦ, тре, треонин 47. УЦУ, сер, серин
17. ГАА, глу, глутамино- 48. УЦЦ, сер, серин
вая кислота 49. ЦАА, глун, глутамин
18. ГАГ, глу, глутамино- вая кислота 19. ГАУ, асп, аспарагино- 50. ЦАГ, глун, глутамин 51. ЦАУ, гис, гистидин
вая кислота 52. ЦАЦ, гис, гистидин
20. ГАЦ, асп, аспарагино- 53. ЦГА, арг, аргинин
вая кислота 54. ЦГГ, арг, аргинин
21. ГГА, гли, глицин 55. ЦГУ, арр, аргинии
22. ГГГ, гли, глицин 56. ЦГЦ, арг, аргинин
23. ГГУ, гли, глицин 57. ЦУА, лей, лейции
24. ГГЦ, гли, глицин 53. ЦУГ, лей, лейцин
25. ГУА, вал, валин 59. ЦУУ, лей, лейцин
26. * ГУГ, вал, валин 60. ЦУЦ, лей, лейцин
27. ГУУ, вал, валин 61. ЦЦА, про, пролин
23. ГУЦ, вал, валин 62. ЦЦГ, про, пролин
29. ГЦА, ала, аланин 63. ЦЦУ, про, пролин
30. ГЦГ, ала, аланин 31. ГЦУ, ала, аланин 64. ЦЦЦ, про, пролин
А Б Л И Ц A 2
минокислотно-кодонный словарь
1. Ала, ГЦА, ГЦГ, ГЦУ, ГЦЦ
2. Арг, АГА, АГГ, ЦГА, ЦГГ,
ЦГУ, ЦГЦ
3. Асн, ААУ, ААЦ
4. Асп, ГАУ, ГАЦ
5. Вал, ГУА, ГУГ*, ГУУ, ГУЦ
6. Гис, ЦАУ, ЦАЦ
7. Гли, ГГА, ГГГ, ГГУ, ГГЦ
8. Глу, ГГА, ГАГ
9. Глун, ЦАА, ЦАГ
0. Иле, АУА, АУУ, АУЦ
1. Лей, УУА, УУГ, ЦУА, ЦУГ,
ЦУУ, ЦУЦ
12. Лиз, ААА, ААГ
13. Мет, АУГ *
14. Про, ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦУ,
ЦЦЦ
15. Сер, АГУ, АГЦ, УЦА,
УЦГ, УЦУ, УЦЦ
16. Тир, УАУ, УАЦ
17. Тре, АЦА, АЦГ, АЦУ,
АЦЦ
18. Три, УГГ
19. Фен, УУУ, УУЦ
20. Цис, УГУ, УГЦ
:леток самых разных организмов — от бактерий до
1лекопитающих. Но существует и определенная специ-
фичность. Кодоны — синонимы, кодирующие одну и ту
ке аминокислоту, обладают различной функционально-
тью в разных организмах. Так, УГГ сильно стимулиру-
т включение Сер в клетках кишечной палочки (бакте-
>ия Е. coli), а АГУ и АГЦ в них малофункциональны.
Напротив, в клетках амфибии Xenopus АГУ и АГЦ бо-
iee функциональны, чем УГГ.
Установление триплетности кода полностью решает
фоблему структуры гена. Ген — это та часть цепи ДНК,
:оторая ответственна за синтез одной белковой цепи.
Эдин ген — одна белковая цепь. Так, если белковая
(епь содержит 150 аминокислотных остатков, то соот-
(етствующий ген состоит из 450 нуклеотидов и молеку-
1ярный вес этого гена имеет порядок 150 000.
Очевидно, что генетический код возник в ходе дли-
ельной биохимической эволюции. Спрашивается, имеет-
ся ли какая-нибудь внутренняя логика в генетическом
:ловаре или соответствие кодонов аминокислотам совер-
ценно случайно? Естественно думать, что код должен
выражать логику эволюции, логику естественного отбо-
за и, следовательно, обладать внутренним смыслом.
2мысл этот нужно открыть. Здесь приходит на помощь
молекулярная физика.
285
Белки в воде
Ген ответствен за первичную структуру белка, в,
полняющего свою биологическую функцию. Эта биол
гическая функция определяется пространственным стро
нием макромолекулы белка. В свою очередь, как о тс
свидетельствует множество фактов, закручивание белк
вой цепи в глобулу фиксированного строения продикт
вано ее первичной структурой, генетически закодирова
ной последовательностью аминокислот.
Следовательно, структура гена действительно пре,
определяет биологическую функцию белка, его работу
клетке. И искать смысл кода следует в пространственно
строении белка. Иными словами, прежде всего нужг
ответить на вопрос о том, как формируется белковая гл<
була.
И вот оказывается, что смысл генетического кол
удается раскрыть, исходя из соображений, не имеющи
на первый взгляд никакого отношения к белкам и Hyi
леиновым кислотам. Структура генетического словар
определяется особенностями строения и физически
свойств воды.
Жизнь на Земле — водная жизнь. Вода — главна
по массе компонента живой клетки. Имеются веские о<
нования считать, что жизнь зародилась в водной сред,
у побережий Мирового океана. Еще в 1803 году Эраз
Дарвин, дед великого Чарлза Дарвина, писал в поэм
«Храм природы»:
Земная жизнь в безбрежном лоне вод
Среди пещер жемчужных океана
Возникла, получила свой исход,
Росла и стала развиваться рано...
Итак, живой Природы все рожденья,
Что из яиц выходят иль семян,
И стройный лес, и низкие растенья,
И бабочки, и черви разных стран —
Все водного они происхожденья!
(Перевод Н. А. Холодковского)
Молекулярные структуры клетки и, в частности, белю
функционируют в водном окружении. Строение и свой
ства белковой молекулы зависят от этого окружения 1
28в
м определяются. Биохимические механизмы клетки —
интез белка, ферментативный .катализ и т. д. — фор-
мовались в природе применительно к водной среде.
Вода — жидкость особая. Молекулы НгО взаимодейст-
уют друг с другом, соединяясь водородными связями.
1 воде образуется сетка соединенных друг с другом мо-
:екул
'о' 'о'
Н HZ
'о' 'о'
И н"7 \1 н7 Хн
'о' о'
ХН Хн
Как говорил Лэнгмюр, весь океан подобен одной молеку-
ie, а ловля рыбы в нем — процессу диссоциации.
В кристаллическом состоянии, во льде структура во-
гы достаточно рыхлая, так как каждая молекула имеет
аишь четырех соседей. Поэтому лед обладает сравни-
тельно малой плотностью, при 0°С она меньше плотно-
сти жидкой воды. Рыхлая, льдоподобная структура со-
храняется и в жидкости. Расчет показывает, что, если бы
этого не было и молекулы воды были плотно упакованы,
ее плотность при 25° С составляла бы не 1,0, а 1,8 г/см3.
При 4° С плотность воды наибольшая. Отсюда и из ряда
других фактов следует, что жидкую воду можно рассмат-
ривать как систему, строящуюся из двух структур:
рыхлой, но высокоупорядоченной, подобной структуре
льда, и более плотной, но лишенной упорядоченности
(рис. 86). При повышении температуры начиная с 0° С
сначала рвутся водородные связи и увеличивается относи-
тельное содержание более плотной структуры и плот-
ность возрастает, а дальше разрыхляется сама эта плот-
ная структура и плотность падает.
В воде хорошо растворяются те органические соеди-
нения, которые содержат полярные, дипольные группы
(стр. 193), способные вступить в диполь-дипольные элек-
тростатические взаимодействия с молекулами воды или
287
Рис. 86. Жидкая'вода
образовывать с ними водородные связи. Таковы, в част
ности, группы — ОН, >СО, —NH2 и т. д. Напротив, не
полярные молекулы углеводородов плохо растворяются
или вовсе не растворяются в воде, и их растворимость
понижается при повышении температуры. Соответствен
но, первые члены гомологических рядов спиртов ил!
жирных кислот хорошо растворимы в воде, но высшие
спирты или кислоты, содержащие много углеводородны?
остатков, в воде нерастворимы. Этиловый спирт С2Н5ОИ
смешивается с водой во всех отношениях, на радость
алкоголикам, а цетиловый спирт С16Н33ОН нераство
рим. Углеводородные группы СН, СН2СН3 гидрофобны
«враждебны» воде. Когда на поверхности воды создаете?
мономолекулярная пленка жирной кислоты, ее полярные
гидрофобные группы — СООН «купаются» в воде, а уг-
леводородный остаток торчит наружу, не контактируя с
водой (рис. 87).
Одно вещество растворяется в другом, если при этом
понижается свооодная энергия (т. е. уменьшается внут-
ренняя энергия системы благодаря возникающим взаи-
модействиям, либо увеличивается энтропия вследствие
уменьшения упорядоченности системы, в частности
288
вследствие смешения двух веществ). Термодинамические
исследования показывают, что нерастворимость углево-
дородов в воде определяется прежде всего понижением
энтропии, возрастанием упорядоченности системы. Во-
круг молекул углеводорода возникает упорядоченная
Воздух
R R R R R R
’TTTTtIvttztzItttttt^zttttttIttzttzzFttttzz^TZTTTZ
СООН СООН СООН^СООН СООН СООН
Н2О
Рис. 87. Мономолекулярная пленка жирной кис-*
лоты на поверхности воды; R — углеводородная
группа
льдоподобная структура, а это термодинамически невы-
годно. Иными словами, свободная энергия системы
-СНз Н2О
Н2О НзС—
оказывается более высокой, чем системы
—СНз НзС-
Н2О Н2О
Молекулы углеводорода предпочтительно контактируют
друг с другом, а не с водой. Условно говорят о гидро-
фобных взаимодействиях неполярных групп, находя-
щихся в водном окружении.
Гидрофобные взаимодействия не специфичны, они яв-
ляются результатом особых свойств воды, а не специ-
альных сил, связывающих неполярные группы друг с
другом.
Теперь мы можем обратиться к белкам.
Среди аминокислотных остатков имеются как поляр-
ные, гидрофильные, так и неполярные, гидрофобные, со-
держащие углеводородные радикалы. И тех и других
по 10. Арг, асп, асн, гис, глу, глун, лиз, сер, тир, тре —
полярные остатки; ала, вал, гли, иле, лей, мет, про, три,
фен, цис — неполярные. Впрочем, тир может обнаружи-
вать и неполярные свойства.
Из того, что сказано о гидрофобных взаимодействи-
ях, следует, что неполярные аминокислотные остатки
.10 М. В. Волькенштейц
289
должны избегать контактов с водой; напротив, полярные
остатки должны с ней контактировать. Естественно поэ-
тому ожидать, что неполярные остатки будут преимуще-
ственно внутри белковой молекулы, глобулы, а полярные
на ее поверхности, омываемой водой. Это действительно
так. В 1964 году Фишер установил, что, зная общее чис-
ло аминокислотных остатков в белке и отношение числа
полярных остатков к неполярным, можно определить
форму глобулы в разумном согласии с опытом. Если
число полярных остатков таково, что они полностью за-
щищают неполярные остатки от контактов с водой, то
глобула имеет формулу сферы. Если полярных остатков
больше, чем нужно для сферы, глобула приобретает вы-
тянутую форму. Если, напротив, полярные остатки име-
ются в избытке, то часть из них оказывается на поверх-
ности молекулы в незащищенном состоянии. В этом слу-
чае гидрофобные взаимодействия приводят к слипанию,
агрегации глобул, и белок приобретает четвертичную
структуру. Иными словами, каждая молекула белка
оказывается состоящей из нескольких цепей, нескольких
субъединиц.
Построение физической теории белковой молекулы
весьма затруднительно именно потому, что полипептид-
ные цепи образованы из звеньев двадцати типов. Фишер
существенно упростил задачу, показав, что можно в пер-
вом приближении ограничиться учетом лишь двух клас-
сов аминокислотных остатков — полярных и неполяр-
ных. Самая сложная математическая формула в этой
важной работе — формула объема сферы.
Расположение неполярных аминокислотных остатков
внутри белковой глобулы непосредственно доказывается
рентгенографическими исследованиями структуры мио-
глобина, гемоглобина, лизоцима.
Правильные и неправильные мутации
Таким образом, пространственная структура белка в
значительной мере определяется гидрофобными взаимо-
действиями неполярных групп, возникающими благодаря
водному окружению.
В свою очередь биологическая функция белка, в ча-
стности ферментативная, полностью зависит от его про-
странственного строения. Изменение пространственной
290
Структуры неминуемо влечет за собой изменение биоло-
гической функциональности.
Из этих положений следует важный вывод о природе
и роли «опечаток» в белковом тексте — замещений од-
них аминокислотных остатков другими в результате ген-
ных мутаций. Очевидно, что существуют два типа заме-
щений аминокислотных остатков: с изменением класса
остатка, т. е. переход полярного (п) остатка в неполяр-
ный (н) или наоборот, и без изменения класса остатка,
т. е. переход от одного п-остатка к другому п-остатку
или от н-остатка к другому н-остатку. Назовем замеще-
ния первого типа неправильными, второго типа правиль-
ными. Итак:
Правильные щ —> п. Неправильные п-* н
замещения Hi~*h2 замещения н-*п
Из этого следует, что правильные замещения должны
меньше сказываться на структуре и, следовательно,
функции белка, чем неправильные. Правильные замеще-
ния, сохраняющие число и относительное расположение
п- и н-остатков, должны меньше влиять на структуру
глобулы, чем неправильные замещения, меняющие эти
характеристики.
Как же обстоит дело в действительности? Пока что
мы располагаем ограниченным числом данных о после-
довательности аминокислотных остатков в белковых це-
пях и их мутационных изменениях. И все же, некоторые
данные имеются.
Известен целый ряд мутантных гемоглобинов челове-
ка, отличающихся от нормального заменой одного остат-
ка в а- или p-цепи белка (стр. 222). Соответствующие
замещения приведены в табл. 3.
Мы видим, что из общего числа 15 замещений пра-
вильных 11, т. е. 73%. Одно из неправильных замеще-
ний, а именно р 6 глу—>-вал и является причиной серпо-
видноклеточной анемии.
Приведу другой пример. Гемоглобины различных ви-
дов позвоночных разнятся аминокислотным составом.
Поскольку эти гемоглобины связаны эволюционно, мож-
но считать, что различия в аминокислотной структуре це-
пей — мутационные различия, закрепленные естествен-
ным отбором. Сопоставим структуры «активных центров»
10* 291
ТАБЛИЦА 3
Известные мутацчонные замещения в гемоглобине человека
Цепь и номер остатка За гещение Тип за- меще- ния Цепь Замещение Тип замещения
и ОС 49Мер гатка
сх 16 Лиз —» асп п 3 7 Глу гли П —»н
а 30 Глу глун п —> н 3 26 Глу ЛИЗ п —»п
а 57 Гли асп п и р 63 Гис —> тир п п
а 58 Гис тир п п р 63 Гнс —* арг п п
а 68 Ася —» ЛИЗ п п 3 67 Вал —> глу н —* п
а 116 Глу —» ЛИЗ п п 3 121 Глу глун п п
а 6 Глу вал п н р 121 Глу —» ЛИЗ п —> п
а 6 Глу ЛИЗ п п
гемоглобинов различных видов, тех участков цепей, к
которым присоединены группы гема, связывающие кис-
лород (табл. 4).
Несмотря на то что эти данные относятся к весьма
различным видам, от рыб до человека, последователь-
ность п- и н-остатков нарушена лишь в двух случаях.
ТАБЛИЦА 4
Первичная структура «активного центра» гемоглобина
Гемоглобин Последовательность остатков Последова- тельность п- и н-остатков
Человек, цепь а Лиз гли гис гли ЛИЗ ЛИЗ п н п н п п
Человек, цепь 3 Лиз ала гис ГЛИ ЛИЗ ЛИЗ п н п н п п
Бык, цепь а Лиз гли гис гли глу ЛИЗ п н п н н п
Лама, цепь 3 Лиз гли лис гли тре ЛИЗ п н п н п п
Овца, цепь а Лиз гли гис гли глу ЛИЗ п н п н п п
Орангутанг Лиз асп ГИС ГЛИ ЛИЗ ЛИЗ п п п н п п
Карп, цепь 3 Ала ала гис гли арг н н п н п
Налим Apr три гис ала глу арг п н п н п п
Леггемоглобин Тре гли гис ала глу ЛИЗ п н п н п п
292
Даже легоглобин (растительный белок с существен-
но инои функцией) имеет ту же последовательность.
Всего в табл. 4 фигурируют 16 замещений (по сравне-
нию с первой строкой). Из них 14 замещений, т. е.
87,5%, правильные.
Сравним структуру двух генетически родственных
растительных белков-ферментов папаина и фицина:
Папаин . . . про вал лиз асп глун гли сер цис гли сер цис . . .
Фицин . . . про иле арг глун глун гли глун цис гли сер цис . . .
Различия в четырех звеньях все правильные.
Число таких примеров можно было бы умножить. Со-
поставление цитохромов различных видов позвоночных,
сравнение так называемых белков Бенс-Джонса приво-
дит к тем же выводам. Во всех случаях большая часть
мутационных замещений аминокислотных остатков отно-
сится к типу правильных.
Если замещения совершенно случайны, то число пра-
вильных замещений должно быть меньше числа непра-
вильных. В самом деле, имеется по 10 полярных и не-
полярных остатков. Каждый остаток данного класса мо-
жет быть замещен на 9 остатков того же класса и 10 —
другого класса. Следовательно, при случайных заменах
отношение правильных к неправильным составило бы
9: 10.
Очевидно, что роль гидрофобных взаимодействий,
роль водного окружения белковых молекул действитель-
но весьма существенна. Но как возникает преимущество
правильных мутаций? Здесь имеются две возможности.
Может быть, правильные и неправильные мутации
одинаково вероятны, но мутации второго типа чаще ока-
зываются летальными: организмы с соответствующими
изменениями белков не выживают и исключаются отбо-
ром. А может быть, неправильные замещения преимуще-
ственно исключаются в самом процессе синтеза белка.
Иными словами, сам генетический код устроен природой
таким образом, что вероятность правильных мутаций
больше, чем неправильных.
Мы не можем исследовать первую возможность. Но
исследование второй возможности не составляет труда.
Оно сводится к анализу кодонно-аминокислотного сло-
варя.
293
Смысл генетического кода
Каждый кодон xyz можно уподобить слову, состоя-
щему из префикса х, корня у и флексии z— из пер-
вого, второго и третьего нуклеотида. Уже первый взгляд
на табл. 2 раскрывает своеобразную закономерность ко-
да: замена флексии z при неизменных префиксе и кор-
не ху в ряде случаев вообще не влияет на кодируемую
аминокислоту (например, ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦУ, ЦЦЦ -
все‘кодируют про). В других случаях z = АГ, кодируют
одну аминокислоту, a z — У, Ц другую (например, ЦАА,
ЦАГ кодируют глун, а ЦАУ, ЦАЦ — гис). Удобно пред-
ставить генетический словарь в виде квадратной табл. 5,
где п-остатки отмечены жирным шрифтом.
Г Л Б л И Ц А 5
А Ц Г У Z
Лиз Тре Арг Иле А
А Асн Тре Сер Иле Ц
Лиз Тре Арг Мет Г
Асн Тре Сер Иле У
Глун Про Арг Лей А
п Гис Про Арг Лей Ц
Глун Про Арг Лей Г
Гис Про Арг Лей У
Глу Ала Гли Вал А
г Асп Ала Гли Вал Ц
Глу Ала Гли Вал Г
Асп Ала Гли Вал У
Охра Сер Бессмысленный Лей А
у Тир Сер Цис Фен Ц
Янтарь Сер Три Лей г
Тир Сер Цис Фен У
Мы видим, что ни в одном случае замена флексии z
не приводит к изменению класса аминокислоты. Следо-
вательно, исходя из разделения аминокислот на два
класса, можно рассматривать не табл. 5, содержащую
64 кодона-триплета xyz, а гораздо более простую табл. 6,
содержащую всего лишь 16 дублетов ху.
294
Это ключевая таблица генетического кода.
Т А ЬЛ ИЦА б
А ц Г У
А Асн Лиз Тре Сер Арг Иле Мет
Ц Гис Глн Про Арг Лей
Г Асп Глу Ала Гли Вал
У Тир Охра Янтарь Сер Цас ? Т ри Фен Лей
Если корень кодона г/=А, кодируемая аминокислота
относится к классу п. если у = У, к классу н. При у = Г
или Ц кодируются как п-, так и н-остатки.
Рассмотрим теперь, что дают однократные замеще-
ния нуклеотидов в кодонах. В 64 кодонах может быть
всего 63X3X3 = 576 однократных замещений: 176 заме-
щений флексии г отвечают правильным переходам п—>-п
и н—нн; 7 — переходам бессмысленный—►осмыслен-
ный кодон (б—>-о); 7 — переходам о—>-б; 2 — перехо-
дам 6i—>-б2. 114 замещений префикса х отвечают перехо-
дам п—»-п, и—>-н; 60 замещений — переходам п—*
—>-н и н—>-п; 9 — переходам б—>-о и 9 — переходам
о—>-б. Наиболее опасны в смысле изменения структуры
белка мутационные замещения в корне у. 102 из 192 от-
носятся к переходам п—>-н, н—>п и лишь 74 к переходам
п—>-л. н—>-н. Кроме того, 7 замещений отвечают перехо-
дам б—>о, 7 — переходам о—>-б и 2 — переходам 61—>-62.
Общее число замещений, не включающих бессмыс-
ленные кодоны УАА, УАГ, У Г А, которым не соответст-
вуют никакие аминокислотные остатки, равно 526. Из
них 364 — правильные замещения и 162 — неправиль-
ные. Отношение числа правильных замещений к числу
неправильных равно 2,25: 1, т. е. более чем две трети
всех замещений не переводят аминокислоту из одного
класса в другой. Это означает, что генетический код
295
Н?У у
Г г—д'"
V n-y-f
Ц ф МеГ
''ЩУ-Г-^
Ц\
^Н2У
!
Г
^МеЦ
I...1
I...1
L.1
Рис. 88. Структура валиновой I I
т-РНК । ।
Г-ц
Л
I
ц
I
ц
I
А
обладает высокой помехоустойчивостью по отношению к
мутациям, особенно опасным для структуры и функции
белка.
Кодовый словарь далеко не случаен. Имеется опре-
деленная корреляция между строением кодонов и приро-
дой аминокислотных остатков. Генетически закодирова-
на пространственная структура белковой молекулы, на-
ходящейся в водном окружении, и тем самым ее био-
логическая функция. Природа генов непосредственно
связана со специфическими свойствами жидкой воды!
Каков же молекулярный смысл установленной корре-
ляции между кодонами и аминокислотами? Полного от-
вета на этот вопрос еще нет. Можно, однако, высказать
некоторые соображения.
Аминокислота присоединяется к соответствующей мо-
лекуле т-РНК. Число сортов различных т-РНК должно
равняться по крайней мере 20, в действительности оно
296
больше. Сейчас удалось уже расшифровать первичную
структуру нескольких видов т-РНК. На рис. 88 показано
строение молекулы т-РНК, соединяющейся с валином,
установленное в прекрасной работе А. А. Баева. На ри-
сунке выделен антикодон — тройка нуклеотидов, кото-
рая соединяется водородными связями с кодоном м-РНК,
отвечающим валину. Схема такого взаимодействия ан-
тикодона с комплементарным ему кодоном была уже
показана на рис. 85.
Антикодон содержит необычный нуклеотид инозин.
Как показал Крик, инозин антикодона может соединять-
ся как с А, так и с У и Ц кодона. Крик установил, что
такое многообразие типов спаривания характерно имен-
но для третьего нуклеотида антикодона в согласии со
второстепенной ролью флексии z по сравнению с пре-
фиксом х и корнем у.
Найденная корреляция между кодоном и аминокис-
лотой в действительности означает корреляцию между
антикодоном и аминокислотой. Иными словами, т-РНК
с данным антикодоном каким-то способом «понимает»,
что ей надлежит присоединить именно данную амино-
кислоту. Такое «понимание», очевидно, создается фер-
ментом, ответственным за присоединение. Об этом фер-
менте (в Институте молекулярной биологии АН СССР
его шутливо называют кодазой) пока мало известно. Но
нельзя сомневаться в том, что в не столь отдаленном
будущем наука раскроет молекулярный механизм коди-
рования.
Ученый и детектив
Я рассказал о смысле генетического кода особенно
подробно. Мне казалось уместным в этой книге раскрыть
логику рассуждений, позволившую выйти еще на один
перекресток физики и биологии, позволившую связать
природу генетического кода с особенностями физичес-
ких свойств воды В дальнейшем изложенная теория на-
верняка потребует уточнений и исправлений. Но сего-
дня она представляется соответствующей реальной дей-
ствительности.
Эти рассуждения принесли мне много радости. Не
так уж часто удается ухватиться за конец Ариадниной
нити и последовательно ее распутать. И нет никакой га-
рантии, что она не запутается вновь.
297
Работа ученого сродни детективной. Необходимо ре-
шить сложную задачу, получить ответ на вопрос, задан-
ный природе, и это требует хитроумных логических прие-
мов, тонкого и изощренного аналитического мышления.
Бог коварен, но не злонамерен, говорил Эйнштейн, имея
в виду бога Спинозы — природу. Преодоление этого ко-
варства— задача ученого. Он должен прежде всего
четко сформулировать задаваемый природе вопрос, и
это, может быть, самое трудное. А дальше нужно ду-
мать — логично, без предвзятости, ничего не принимая
на веру. Очевидно, что научное мышление такого рода
необходимо не только ученому, но и следователю, и де-
тективу, и судье. Установление истины — это и есть
ведь научный труд. В криминалистике существует след-
ственный эксперимент, не имеющий принципиальных от-
личий от эксперимента научного. Не приходится поэтому
удивляться успеху детективной работы Роберта Вуда —
блестящего физика-экспериментатора, раскрывшего не-
сколько преступлений. Поэтому люди науки зачастую
любят читать детективные романы, они близки им по
духу.
Ханжи и обыватели боятся детективной литературы;
они утверждают, что описание кровавых преступлений
вредоносно для читателя. В действительности задача хо-
рошего детективного романа состоит не в том, чтобы
щекотать нервы ужасами убийств. Тема детективной ли-
тературы — демонстрация неограниченных возможно-
стей непредвзятого логического мышления, решающего
сложную проблему. Ни Эдгар По, ни Конан Дойль, ни
Агата Кристи не смакуют самих обстоятельств преступ-
ления; их интересует только решение логической задачи.
Их герои — Дюпен, Шерлок Холмс, Эркюль Пуаро и
даже Порфирий Петрович у Достоевского — литератур-
ные образы, отражающие важные черты психологии
ученого.
Я думаю, что развитие детективной литературы в на-
ши дни вызвано до известной степени теми же причина-
ми, что и развитие литературы научно-фантастической,—•
повышением общественного интереса к психологии уче-
ного, к научной мысли.
8
МОЛЕКУЛЯРНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ
Самоорганизующаяся система
«Здравствуйте, самоорганизующиеся системы!». С та-
кими словами обратился Ф. Дж. Вейл к участникам кон-
ференции по самоорганизующимся системам 1959 года.
Само слово «организм» указывает на высокую упорядо-
ченность, организованность живого существа. Оно не
является простой суммой составляющих его элементов-
клеток или органов. Их согласованное поведение в про-
странстве и времени и представляет собой сущность жиз-
ни. Нарушение этой согласованности, этой организован-
ности означает болезнь и может привести к гибели ор-
ганизма.
Самоорганизация происходит при развитии организ-
ма из зародышевой клетки по плану, заложенному в
совокупности генов, в молекулах ДНК. В ДНК хранится
память о длительной биохимической эволюции, которая
и привела к существованию современного организма со
всеми его наследственными признаками. В ходе эволю-
ции возникли гены, ответственные за сущность данного
биологического вида. Но ДНК помнит и об индивиду-
альных наследственных особенностях наших предков.
В уже упоминавшейся книге Э. Шредингера «Что такое
жизнь с точки зрения физики?» рассказано о том, что
у представителей австрийской династии Габсбургов на
протяжении ряда столетий фигурировал индивидуаль-
ный наследственный признак — отвислая нижняя губа.
Очевидно, память обязательно должна существовать
в любой самоорганизующейся системе. Без плана, без
наличия кодирующего запоминающего устройства ника-
кая самоорганизация невозможна. Более того, не только
самоорганизующаяся система, но любое кибернетичес-
кое устройство, скажем вычислительная машина, не мо-
жет функционировать без памяти, и в сущности такая
машина есть не более чем средство, переводящее память
из одного состояния в другое.
299
Три вида памяти присущи организму многоклеточно-
го животного. Генотипическая память, заложенная в
ДНК и определяющая главные черты организма. Фено-
типическая память о событиях, с которыми сталкивалась
данная особь во время своей жизни, например, иммуни-
тет к ряду заболеваний (наличие антител в организме,
стр. 243). Но, конечно, сама способность синтезировать
различные антитела также генетически закодирована. И,
наконец, память в обычном смысле слова, запасаемая в
центральной нервной системе животного.
Согласованная организация сложной дифференциро-
ванной системы, состоящей из частей, имеющих разную
структуру и функции, возможна лишь при наличии свя-
зей между отдельными частями, через посредство кото-
рых осуществляется регуляция, управление системой.
Организм — саморегулируемая система. В нем поддер-
живается гомеостазис — постоянные концентрации ве-
ществ, постоянные температура и давление. Очевидно,
что поддержание гемеостазиса требует обратных связей.
Управляющая система посылает сигналы управления не-
ким приемным устройствам, но само приемное устрой-
ство сообщает управляющей системе, что сигналы сле-
дует изменить. Хороший пример управляющей системы
с обратной связью — регуляция температуры в пчели-
ном улье. Пчелиный рой это тоже своего рода единый
организм: отдельно друг от друга пчелы существовать
не могут. Если температура в улье повышается выше
нормы, пчелы-работницы перестают доставлять в улей
мед, но приносят вместо него воду. Другие пчелы, нахо-
дящиеся в улье, берут воду у прилетающих пчел и рас-
пыляют ее, усиливая испарение непрерывными взмахами
крыльев. Обратная связь проявляется в том, что, как
только температура в улье снижается, пчелы перестают
забирать воду у прилетающих работниц и те вновь пе-
реходят на сбор меда.
Уже существуют саморегулируемые и даже самоор-
ганизующиеся электронные машины. Все в них есть —
и память и обратные связи. Правда, даже самая умная
машина пока еще проигрывает шахматисту первого раз-
ряда. Но нет сомнений в том, что в дальнейшем удастся
моделировать поведение организма и в том числе чело-
веческое мышление. Основные черты организма — са-
морегуляция, самоорганизация, управление — свойст-
300
венны и искусственным кибернетическим устройствам,
хотя работают они на ином принципе.
В электронных машинах сигнализация имеет электро-
магнитную природу, а в живых организмах — химичес-
кую. Иными словами, и сигналами и рецепторами, т. е.
приемниками сигналов, служат молекулы. Информация
передается молекулой молекулам и заключена она в
структуре и последовательности атомных групп.
Это фундаментальное общее положение означает пе-
рекресток двух главных путей развития теоретической
биологии: кибернетического и молекулярного. Киберне-
тика — наука об управлении и информации — занята
общим феноменологическим описанием свойств живого
организма как целостной сложной системы. Молекуляр-
ная биология выясняет конкретную природу процессов,
ответственных за поведение такой системы.
Все это ужасно сложно и трудно, и мы находимся
лишь на начальном этапе построения теоретической био-
логии.
Установление сущности молекулярных процессов в
саморегулируемой и самоорганизующейся системе — за-
дача несравненно более сложная, чем установление гене-
тического кода. Кое-что, однако, уже удалось выяснить.
Генетическая регуляция
Зародышевая клетка, зигота, содержит весь план,
всю программу дальнейшего развития многоклеточного
организма. В первую очередь — это программа синтеза
белков.
Развитие организма состоит не только в делении кле-
ток, но и в их дифференциации. Взрослый организм со-
держит несколько сот различных типов клеток, и на пер-
вый взгляд нет ничего общего между, скажем, нервной
клеткой и лейкоцитом (белым кровяным шариком).
Функции специализированных клеток совершенно раз-
личны, хотя они содержат один и тот же набор хромо-
сом, один и тот же набор генов.
Странная и, казалось бы, парадоксальная ситуация.
Гены те же, а функции клеток, т. е. белки, разные. Нет
ли здесь противоречия со всей изложенной концепцией
молекулярной биологии?
Противоречие снимается, однако, если предположить,
что работа генов, их способность синтезировать белки,
301
регулируется какими-то специфическими сигналами. В
любой клетке данного организма содержатся все гены,
ответственные за синтез всех белков организма. Однако
в каждой специализированной клетке работают лишь
немногие из всей совокупности генов. Остальные гены
чем-то заблокированы.
Более того. Каждая клетка проходит определенный
цикл развития во времени. Это значит, что одни белки
синтезируются раньше, другие позже. Разные гены сра-
батывают в разное время, и нарушение такой временной
регуляции означало бы решительное изменение жизне-
деятельности клетки.
Эти предположения получали прямые опытные под-
тверждения в ряде работ, в частности, в исследованиях,
проведенных советским биохимиком Р. В. Хесиным и
его сотрудниками. Нужно ли говорить об исключитель-
ной важности таких работ? Ведь они посвящены самой
актуальной проблеме современной молекулярной био-
логии — проблеме дифференциации.
Какие же сигналы останавливают работу гена или
побуждают его к действию?
То, что пока удалось сделать для решения этой
проблемы, относится главным образом не к клеткам
многоклеточных организмов, а к бактериям.
Жакоб и Моно, блестящие французские ученые, удо-
стоенные в 1965 году Нобелевской премии, детально изу-
чили очень удачную модель генетической регуляции.
Существуют разные мутантные штаммы все той же зна-
менитой кишечной палочки Escherichia coli. Имеется
шгамм, вырабатывающий фермент р-галактозидазу, спо-
собный превращать сахар (галактозу) в нужные для
клетки вещества. И имеется другой штамм, который вы-
рабатывает р-галактозидазу лишь в присутствии неко-
торых низкомолекулярных соединений — индукторов.
Первый штамм называется конститутивным, второй ин-
дуцируемым.
В чем же смысл индукции синтеза фермента в инду-
цируемом штамме? Совокупность множества генетичес-
ких и биохимических фактов приводит к следующей, до-
статочно надежно установленной картине.
Имеется ген-регулятор, ответственный за синтез не-
коего сигнального вещества белковой природы — реп-
рессора. Репрессор блокирует работу другого гена, име-
302
Ген-регулятор
Репрессор
Индуктор
Структурные Гены
Ген-опеоатор Ген 1 Ген 2 Ген 3
i ....т г~----------------------1-------
Нуклеотиды
Рис. 89. Схема оперона
Белок 1 Белок 2 Белок 3
нуемого геном-оператором. От гена-оператора зависит
работа группы генов, программирующих синтез не-
скольких белков, в том числе р-галактозидазы. Если
ген-оператор подавлен, репрессирован белком-репрессо-
ром, то структурные гены не функционируют. Ген-опера-
тор и подчиненные ему структурные гены образуют так
называемый оперон.
Индуктор, вводимый в систему, соединяется с репрес-
сором и переводит его в неактивную форму. Репрессор
перестает действовать на ген-оператор, и оперон дебло-
кируется, начинает работать. Синтезируется p-галакто-
зидаза. Эти соотношения схематически показаны на
рис. 89.
Имеется, следовательно, химическая сигнализация
между генами, осуществляемая через посредство цито-
плазмы.
Оперон Жакоба и Моно — сравнительно простая си-
стема генетической регуляции. Несомненно, что в мно-
гоклеточных организмах все происходит значительно
сложнее. Но принципиальное значение оперона весьма
велико: установлено, что гены управляются химически-
ми регуляторами, раскрыта природа одного из элемен-
тарных регуляторных процессов.
303
Сейчас известен ряд фактов, свидетельствующих о
существенной регуляторной и организующей роли кле-
точных оболочек-мембран. Те же Жакоб и Моно пока-
зали, что удвоение цепи ДНК при делении бактериаль-
ной клетки связано с неким взаимодействием с вещест-
вом мембраны. При образовании многоклеточного ор-
ганизма путем многократных делений исходной, заро-
дышевой клетки дочерние клетки взаимодействуют друг
с другом посредством своих оболочек, и эти взаимодей-
ствия играют организующую роль. Клетки «узнают» друг
друга, вернее, узнают мембраны. Если измельчить вплоть
до клеток живую губку и поместить эти клетки во вра-
щающийся сосуд, они образуют скопление, подобно ча-
инкам в стакане чая, помешанном ложкой. И в таком
скоплении клетки вновь объединяются, губка воссоздает-
ся! Более того, если проделать сходные эксперименты с
ранними эмбрионами амфибий, то в клеточном скопле-
нии происходит сортировка клеток и эмбрион образует-
ся вновь. Похоже на то, что на клеточных поверхностях
имеются какие-то специфические склеивающие вещества.
Мембранами сейчас много занимаются и биологи, и
химики, и физики. Мембраны состоят из белков и ли-
пидов— жировых веществ, содержащих углеводородные
гидрофобные цепочки и полярные группы. Мембраны —
высокоорганизованные структуры, это несомненно, но об
их детальном устройстве мы знаем еще очень мало. Ме-
жду тем, множество основных биологических явлений
связано со структурой мембран: проникновение в клетку
и выход из клетки различных веществ, т. е. функциони-
рование клетки как открытой системы, и тем самым дей-
ствие любых фармакологических средств на организмы.
Проведение нервного возбуждения по длинному отрост-
ку нервной клетки определяется проницаемостью мем-
браны по отношению к ионам натрия и калия. Это бес-
конечно интересно и важно, но обо всем ведь не рас-
скажешь....
Изготовление двойников
Двойник! Открой мне, зачем ты явился,
Дразнящий призрак тех времен,
Когда я ночи здесь томился.
Любовной мукой пригвожден!
804
Двойник романтического героя появлялся не только
в стихах Гейне, но и в прозе Гофмана, Эдгара По, До-
стоевского. Поэтический образ, наполняющий жутью
сердце читателя...
С точки зрения генетики, двойниками являются одно-
яйцевые близнецы. Все их гены тождественны, и они
очень похожи друг на друга. Ничего жуткого тут нет,
напротив, можно позавидовать человеку, у которого есть
брат-близнец. Большое счастье иметь человека, до та-
кой степени близкого.
А можно ли изготовить двойника искусственным спо-
собом? В принципе ответ положителен, и это удалось
прежде всего с обычной морковкой.
В опытах Стьюарта в США и Р. Г. Бутенко в СССР
брался маленький кусочек корня моркови и помещался
в питательную среду. В эту среду вводилось кокосовое
молоко — жидкий эндосперм растения, содержащий ро-
стовые вещества. Ткань моркови начинала быстро расти
и за 20 дней увеличивала свой вес примерно в 80 раз.
Клетки этой ткани делились и размножались, но не
дифференцировались. Получалось беспорядочное урод-
ливое скопление однотипных клеток, похожее на рако-
вую опухоль.
Затем брали одну клетку из этого скопления и поме-
щали ее в новую среду с кокосовым молоком. При надле-
жащем подборе среды из одной клетки удавалось выра-
стить новое целое растение моркови с корнями, листья-
ми, цветами и семенами.
В чем смысл этих опытов и почему я здесь о них рас-
сказываю?
В каждой клетке растения содержатся все гены, ко-
торые имелись в зародышевой клетке. Но в специали-
зированной ткани работа большинства генов заблоки-
рована. Здесь особенно важно взаимодействие с сосед-
ними клетками той же ткани. Но оказывается, что если
отделить одну клетку и освободить ее таким образом от
влияния соседних и подобрать надлежащую среду, то
такая клетка ведет себя подобно зародышевой. Несмот-
ря на то что она взята из специализированной тканщ из
нее вырастает целое растение. Удалось устранить бло-
кирующее действие на гены.
Следовательно, работа генов действительно регули-
руется химической сигнализацией. В то же время эти
М. В. Волькенштейн
305
красивые опыты однозначно доказывают тождествен-
ность генетических программ, заложенных во всех клет-
как организма. Выращенная таким способом морковь
является генетическим двойником исходного растения.
Если вдуматься в эти опыты, они покажутся не та-
кими уж удивительными. Ведь размножаются же ра-
стения вегетативно: земляника усами, картофель глаз-
ками, а бегония листьями. Во всех этих случаях полу-
чаются генетические двойники; правда, зародышами ве-
гетативного размножения служат все-таки специальные
органы, а в опытах с морковью речь идет об одной
клетке.
Но недавно дело двинулось дальше. Молодой англий-
ский биолог Гердон создал искусственные двойники ля-
гушки. Он брал неоплодотворенную яйцеклетку — ик-
ринку. Из нее удалялось клеточное ядро и вместо него
в яйцеклетку вводилось ядро, извлеченное из специали-
зированной клетки кишечного эпителия головастика. Да-
лее яйцеклетка нормально делилась и в конечном, счете
получался бодрый головастик, генетически тождествен-
ный головастику, чей кишечный эпителий был использо-
ван в опыте. Головастик рос, утрачивал хвост и превра-
щался в лягушку.
Эти великолепные опыты, равно как и опыты с ра-
стениями, убедительно доказывают, что все гены много-
клеточного организма сохраняются в его специализиро-
ванных клетках. Гердон и Браун установили регулирую-
щую роль цитоплазмы, ее влияние на активность генов.
Обнаружено, что цитоплазма различных клеток содер-
жит вещества, способные либо активировать, либо бло-
кировать гены, находящиеся в ядре. Природа этих ве-
ществ еще не известна, но есть основания думать, что
это опять-таки белки.
Видимо, в будущем наука овладеет способом созда-
ния двойников млекопитающих, человека. Взять, скажем,
клетки кожного эпителия и вырастить из одной такой
клетки новый организм, двойник. Двойник талантливого
поэта или ученого. Задача эта, конечно, трудна, так как
эмбриональное развитие животного происходит весьма
сложно: нужно наладить и питание и кровообращение.
Но ничего противоречащего науке в такой возможности
нет.
306
Рак
Злокачественные опухоли являются одной из глав-
ных причин гибели не только человека, но и животных.
Медицина борется со страшной болезнью, и сегодня мно-
гие случаи рака удается излечивать посредством лучевой
терапии или хирургического вмешательства. Но в целом
проблема не решена, и никто из нас не знает, удастся ли
ему избежать этого бича человечества.
Рак — не просто болезнь. Это биологическое явле-
ние. Раковая клетка отличается от здоровой утратой спо-
собности контролировать и регулировать свой рост и
деление. Она делится непрерывно. В то время как кон-
такты здоровых клеток с соседними блокируют их раз-
множение, раковая клетка, по-видимому, лишена каких-
то веществ в своей оболочке, которые в норме регули-
руют свойства клетки. И если нормальная клетка пре-
вратилась в раковую, то это превращение необратимо:
все потомки раковой клетки так же злокачественны.
Почему же здоровые клетки превращаются в рако-
вые? Известно, что такое превращение стимулируется ря-
дом факторов: механическими повреждениями ткани,
воздействием радиации и рядом химических веществ —
канцерогенов. Мощным канцерогеном является, напри-
мер, бензпирен, содержащийся в табачном дыме.
Однако перечисление канцерогенных факторов еще не
дает ответа на вопрос о природе ракового перерожде-
ния.
Одна из серьезных научных гипотез объясняет воз-
никновение раковых клеток накоплением соматических
мутаций, т. е. мутаций, происходящих не в половых, а
в соматических клетках. Тем самым такие мутации не
наследуются, но организму от этого не легче. Предполо-
жительно соматические мутации приводят к нарушению
клеточного контроля. Канцерогенные факторы, внешние
или накапливающиеся с возрастом в организме, явля-
ются своего рода мутагенами. Пока нет ни прямых до-
казательств, ни опровержений этой гипотезы.
Другая гипотеза, развитая более детально и подкреп-
ляемая многими фактами, исходит из вирусного проис-
хождения рака. Одним из первых авторов этой гипотезы
был советский ученый Л. А. Зильбер. В то время, когда
он вирусную гипотезу выдвигал, она звучала дико и
11* 307
странно. Почти ничего еще не было известно о структуре
и функции вирусов, молекулярная биология еще не су-
ществовала. Но Зильбер оказался прав, глубина его
идей ярко раскрылась в ходе развития науки.
Хорошо известен ряд вирусных заболеваний челове-
ка — полиомиэлит, корь, оспа и т. д. В этих случаях ви-
русные частицы, размножаясь в клетках, разрушают их,
и поэтому вирусы патогенны. Такие заболевания зараз-
ны, и бороться с ними удается, создавая иммунитет.
Но, как показали более поздние молекулярно-биоло-
гические исследования, существуют вирусы и бактерио-
фаги и с иными свойствами. При заражении клетки та-
ким вирусом его ДНК объединяется с генетическим ма-
териалом клетки. Клетка может сохранять вирусную
ДНК, не погибая. При удвоении генов в процессе деле-
ния клетки удваиваются и вирусные гены. Их присутст-
вие может вызвать изменение свойств клетки, в частно-
сти, ее превращение в раковую. Этому способствуют кан-
це'рогены.
Точными опытами доказано, что такие злокачествен-
ные опухоли, как полиома у мышей или саркома Рауса
у кур, действительно вызываются вирусами. Однако еще
не доказано, что все раковые опухоли имеют такое же
происхождение.
Так или иначе, сейчас стало ясно, что именно моле-
кулярная биология, изучающая химические основы ге-
нетических процессов, должна и может привести к ре-
шению проблемы рака. Задача состоит в раскрытии хи-
мических молекулярных явлений, ответственных за пере-
рождение клеток, явлений, сводящихся к изменению мо-
лекулярной сигнализации. Познание этих процессов ра-
но или поздно приведет к победе над раком, к нахожде-
нию действенных средств излечения.
Это не значит, конечно, что следует сложа руки ожи-
дать дальнейшего развития молекулярной биологии. Ме-
дицина успешно борется со многими видами злокачест-
венных опухолей, опираясь на надежную эмпирическую
основу, и каждый год приносит здесь новые победы. Но
полное решение проблемы — дело молекулярной био-
логии.
306
Гормоны и антибиотики
Организм человека или животного подлежит регу-
ляции как целостная система. Воздействие на одни ор-
ганы должно сказываться на поведении других. Иначе
организм не мог бы существовать, не мог бы приспособ-
ляться к внешним условиям. Допустим, что наши чув-
ства — зрение, слух — сообщили головному мозгу о
наличии опасности. Если бы мобилизация организма
происходила лишь в результате сознательного рассуж-
дения, то реакция на мгновенную опасность могла бы
оказаться слишком медленной. Но организм реагирует
иа опасность и непроизвольно — чувством страха. Уча-
щаются сердцебиение и дыхание, уменьшается болевая
чувствительность, мобилизуются мышцы.
Это происходит под действием химического сигналь-
ного вещества — гормона адреналина, выделяемого же-
лезами внутренней секреции — надпочечниками. Гормо-
ны играют именно роль сигналов, так как они эффек-
тивны в ничтожных количествах. В крови взрослого че-
ловека содержится в норме 0,0000000055 г адреналина;
при испуге или под влиянием сильного аффекта это ко-
личество увеличивается примерно в тысячу раз, до
0,0000055 г.
Другие гормоны управляют более медленными про-
цессами. Гормоны гипофиза (маленькой железы, распо-
ложенной примерно в центре головы, под центральной
частью мозга), действуют на другие железы внутренней
секреции, регулируют рост организма как целого. За
рост ответствен АКТГ — адренокортикотропный гормон,
представляющий собой короткую белковую цепь. Ее
строение показано на стр. 218.
Другой белковый гормон инсулин (стр. 219) выра-
батывается в так называемых островках Лангерганса
поджелудочной железы. Инсулин регулирует переработ-
ку углеводов, сахаров. Если инсулин не вырабатывается
в организме, то возникает опасное нарушение обмена
веществ — сахарная болезнь, диабет. Сейчас с ним уме-
ют бороться. Больному инъецируется инсулин рогатого
скота или свиней, и тогда переработка сахара происхо-
дит нормально. История открытия и выделения инсули-
на драматична. Бантинг, занимавшийся этим исследова-
нием, лишился отца, умершего от диабета. От той же
309
болезни погибал его лучший друг, но Бантинг выделил
чистый инсулин из поджелудочных желез животных и
успел спасти больного.
Известен ряд других гормонов: например, тиреогло-
булин (белок, вырабатываемый щитовидной железой и
содержащий иод), управляющий интенсивностью основ-
ного обмена веществ; гормон паращитовидных желез,
регулирующий использование в организме кальция; гор-
моны половых желез и т. д. Недостаток или избыток лю-
бого гормона приводит к серьезным заболеваниям. В то
же время многие болезни успешно излечиваются приме-
нением гормонотерапии.
Ранее считалось, что действие гормонов определяется
тем, что они являются коферментами, т. е. такими ве-
ществами, которые активизируют работу ферментов.
Другое предположение заключается в воздействии гор-
монов на клеточные мембраны. Первое, по-видимому,
справедливо в случае тиреоглобулина (тироксина) или
АКТГ, второе — в случае инсулина. Однако, как недавно
было показано, АКТГ и ряд других гормонов (напри-
мер, половые гормоны — экстроген, альдостерон и др.)
непосредственно влияют на гены, на ДНК. Под их дей-
ствием стимулируется синтез РНК и белков. Гормоны
осуществляют перенос необходимой химической инфор-
мации от одних органов к другим и обеспечивают сла-
женную работу организма.
Воздействие гормонов на гены было доказано в
очень интересных работах. Гормон альдостерон регули-
рует прохождение ионов натрия и калия через клеточ-
ные мембраны. Меченный радиоактивными атомами аль-
достерон проникает в клеточное ядро, что доказывается
непосредственно методом авторадиографии. Спустя при-
мерно полтора часа после того, как концентрация аль-
тостерона стала максимальной внутри клетки, усили-
вается перемещение ионов натрия через мембрану. Это
происходит в результате усилившегося синтеза специфи-
ческого белка. В самом деле, если клетки предваритель-
но обработаны антибиотиком пуромицином, то гормон
своего действия не производит. Между тем известно, что
пуромицин блокирует действие генов, препятствуя, тем
самым синтезу белка.
В этом смысле антибиотики противоположны гормо-
нам. Пенициллин и стрептомицин не убивают бактери-
310
йльнЫе клетки, но, воздействуя на их гены, препятству-
ют их размножению. Первый человек с пересаженным
сердцем, пациент профессора Барнарда Вашканский, по-
гиб от пневмонии, несмотря на введение антибиотиков.
Дело в том, что антибиотики прекращают размножение
пневмококков, но не уничтожают их. Справиться с пнев-
мококками должен сам организм посредством своих ан-
тител. Организм Вашканского не мог выработать доста-
точное количество антител, так как, борясь с биологи-
ческой (иммунологической) несовместимостью тканей,
его подвергли коротковолновому облучению, подавляю-
щему производство антител.
Химическая сигнализация в организме необычайно
сложна, но постепенно в ней удается разобраться. Здесь
равно существенны и источники сигналов и их приемни-
ки. Мастерство природы великолепно, ею созданы не
только слаженно работающие сложнейшие саморегули-
руемые системы, но и человеческий мозг, который ока-
зывается способным познать сущность этой саморегуля-
ции, познать самого себя.
Химические обратные связи
Нельзя не поражаться силе биохимии, расшифровав-
шей сложнейшие цепи реакций, протекающих в живой
клетке. На рис. 90 для примера приведена схема био-
химических реакций, из которых состоит процесс окис-
ления продуктов гликолиза, так называемый цикл Креб-
са. Вы видите, сколько различных веществ в нем участ-
вует. И все это нужно было установить и доказать! На
человека, далекого от биохимии, установление такой
схемы производит впечатление чуда.
Каждая биохимическая реакция протекает с непре-
менным участием определенного фермента. И в сущно-
сти ферментативная реакция есть сигнальный процесс,
процесс передачи информации. Молекула субстрата, реа-
гирующего вещества, является сигналом для своего при-
емника — фермента. Под действием такого сигнала про-
исходит изменение конформации, структуры фермента,
организуется соответствие «ключ—-замок» (стр. 235).
Сама сигнальная молекула претерпевает химическое пре-
вращение, покидает фермент и служит новым сигналом
для следующей реакции. Фермент играет роль трансфор-
мирующего устройства, перекодирующего поступающую
311
Жирные
Глюкоза, кислоты
СЩСОЗКоА
I Нцетилкофермент А
I о +
Аспарагиновая II
-ки-слота-* C-COOH.
------J
HSKoA"J
CIIjCOOH
I н о
С—СООН
тпн-н+н
CHjCOOH
i—coon
CH2COOH
CH-coon
CHOH-COOH
СН2СООН ।
I '
СН-СООНI
Рис. 90. Цикл Кребса, в итоге
которого выделяются две моле-
кулы СО,, отщепляется 8 атомов
Н и образуется одна фосфат-
ная связь
CI12COOH
CH,COOH
сн соон
Mn“
COOH
Глутаминовая
кислота
COOH
ДПН — дифосфопиридиннуклео-
тид; ТПН -- трифосфопиридин-
нуклеотид; ГТФ — гуанозин-
трифосфат
co
СН2
ДПН-Н
ДПН
сн2
СН2
COOH
CO-COOH
IISKoA 1
ДПН I
Тиаминпирофосфат
Липоевая к-та
COOH
1 соон соон 1 соон
неон I 1
I 'Ч1 сн сн2 сн2
нсн -Z_|| — Флавопротеид + | Г— ГДФ + НРО4 4- |
1 сн \ сн2 \ сн2
соон I ' соон \ соон \+ HSKoA (U° ^SKoA
Флавопротеид
ГТФ
ДПН-Н
J
г0
ХН2
о=с
О'
СН,
• /
+ H3N—СН -
Нспарт'ат
транскарбамилаза
о=с
О ГГ
Карбамилфосфат
О'"
/Аспартат
NH, I
/сн + н:
-N—СН + НРО4—
" А
“О' х0
S Карбамил-
г аспартат
NH,
№
РСК
V0
\
н2с.
У^н ipc
HZ I |
ОН 011
Цитидинтрифосфат
Рис. 91. Последовательность
биохимических реакций с об-
ратной связью — ингибирова-
нием
Кстати сказать, о работе
что знаем немногим больше,
химическую информацию,
этого устройства мы пока
чем знает о работе радиоприемника человек, далекий от
физики и радиотехники. В этом смысле фермент есть
«черный ящик»: нам известен входящий и выходящий
сигналы, но способ превращения одного сигнала в дру-
гой во многом еще загадочен.
В цепях молекулярной сигнализации, образуемых
ферментативными реакциями, обнаружены и обратные
связи. На рис. 91 показана схема ферментативных реак-
ций, в ходе которых аминокислота треонин превращает-
ся в другую аминокислоту — изолейцин. Каждая чер-
ная стрелка изображает ферментативную реакцию. Пер-
вая реакция, превращение треонина в а-кетобутират, ка-
тализируется ферментом треониндезаминазой. И вот
оказывается, что конечный продукт цепи (изолейцин)
тормозит, подавляет действие этого фермента. Тем са-
мым реализуется обратная связь. Если клетка изготови-
ла достаточное количество изолейцина, больше, чем нуж-
но для его потребления в последующих биохимических
313
процессах, то избыточный изолейцин блокирует действие
фермента в начале цепи реакций и все реакции приоста-
навливаются. В результате прекращается производство
изолейцина. Но как только количество свободного изо-
лейцина уменьшится ниже определенного уровня, ’тор-
можение прекратится и химическая система вновь ста-
нет производить изолейцин. Надежная, полностью авто-
матизированная обратная связь. За последние годы
удалось расшифровать несколько десятков подобных
процессов.
Поведение фермента, организующего обратную связь
(в рассмотренном случае треониндезаминазы), необы-
чайно интересно.
Процессы торможения, ингибирования ферментов из-
вестны давно. Обычно ингибитором является вещество,
структурно сходное с реагентом, субстратом, но неспо-
собное к химическому превращению в данных условиях.
Такой ингибитор ведет себя вроде собаки на сене: он
занимает на поверхности фермента то место, которое
должен был бы занять субстрат, но не реагирует. Если
вновь воспользоваться сравнением с замком и ключом,
то ситуация получается такая, как если бы шалящие де-
ти залепили замочную скважину пластилином; пока его
не выковыряешь, ключ не войдет.
Но ингибитор изолейцин имеет мало общего с суб-
стратом треонином. Функциональные атомы группы
той.и другой молекулы различны
н Н
H2N— |С—СООН H2N—С-СООН
-----1 | |
IHO—С—СНз 1Н3С-Н2С—1с—СНз
-----н !--------1Н
Треонии Изолейцин
Изолейцин не может поэтому заменить треонин в ак-
тивном центре фермента и сыграть роль собаки на сене.
Сущность ингибирующего действия изолейцина должна
быть иной.
Можно думать, что треониндезаминаза имеет два
активных центра — один для треонина и другой — для
нзолейцина. Присоединение изолейцина деформирует
структуру фермента как целого, и он оказывается неспо-
собным присоединить треонин. «Щелкни кобылку в нос,
314
она махнет хвостом», — изрек Козьма Прутков. 3)та си-
туация поясняется рис. 92.
Фермент, обеспечивающий обратную связь, называет-
ся аллостерическим ферментом, а соответствующий ин-
гибитор (в данном случае изолейцин) аллостерическим
Рис. 92. Схема действия ал-
лостерического ингибитора
/ — ингибитор; 2 — активный
центр
ингибитором. В переводе с древнегреческого слово «ал-
лостерический» означает «инопространственный».
Еще одна интересная особенность обнаружена у ал-
лостерических ферментов. Все исследованные к настоя-
щему времени аллостерические ферменты обладают чет- ;
вертичной структурой, их молекулы состоят из несколь-
ких субъединиц. Гемоглобин, о котором уже было рас- -j
сказано (стр. 241), подобен аллостерическому ферменту.
Субъединицы аллостерического белка — фермента—
взаимодействуют друг с другом. Присоединение субстра-
та или аллостерического ингибитора к одной из субъ-
единиц изменяет сродство к субстрату или ингибитору ।
остальных субъединиц. В этом смысле аллостерический
фермент является кооперативной системой.
Мы мало еще знаем о природе этих кооперативных
взаимодействий внутри сложной белковой молекулы. '
Может быть, они реализуются посредством резонанса
гиперзвуковых колебаний. Во всяком случае это не )
обычные химические взаимодействия. !
Графы и сигналы
Речь идет не о дворянском титуле. Графом в мате-
матике называется любой чертеж, состоящий из узло-
вых точек, соединенных линиями. Такой, например, как
изображенный на рис. 93.
Любая электрическая сеть может быть изображена
графом. Узловые точки представляют собой точки раз-
ветвления токов; линии, соединяющие эти точки, — про-
водники. Бывает не так-то просто рассчитать силу тока
315
или напряжение в том или ином участке сложной элек-
трической сети. Математическая теория графов позво-
ляет решительно упростить эти расчеты. Имеются мето-
ды, которые дают возможность найти нужные харак-
теристики сети просто по виду ее графа.
Но сложная сеть химических реакций, в частности
ферментативных реакций, также может быть представ-
лена графом. В этом случае узловые точки изображают
различные состояния вещества, например молекулу сво-
бодного фермента, фермента, присоединившего субстрат
или ингибитор, ,и т. д. Линии, соединяющие эти состоя-
ния,— пути реакций, в ходе которых одно состояние пере-
ходит в другое. Каждый путь характеризуется опреде-
ленной константой скорости реакции, подобно тому, как
проводник в графе, изображающем электрическую сеть,
характеризуется значением электропроводности. Метод
графов позволяет просто и быстро решать задачи хими-
ческой кинетики, вычислять скорости сложных, развет-
вленных химических реакций.
Таким образом, и в математическом отношении
имеется далеко идущая аналогия между электрической
и химической сигнализацией, и именно поэтому воз-
можно электрическое моделирование химических реак-
ций.
В принципе можно было бы пойти и по обратному
пути — создать химические модели электрических про-
цессов. Но это трудное дело. Химические реакции текут
гораздо медленнее, чем электрический ток. Скорость ре-
акции зависит от скорости диффузии, от перемешивания
реагирующих веществ. Но во всяком случае и здесь
имеется важный перекресток совсем разных наук: химии
и электро- и радиотехники. Понятие химического сигнала
приобретает весьма осязательный смысл.
316
Феромоны
Химическая, молекулярная сигнализация осущест-
вляется не только внутри организма. Во многих случаях
этот же тип сигнализации служит средством общения
организмов друг с другом.
Дадим слово великому энтомологу, натуралисту и
блестящему писателю Жану Анри Фабру.
«Это был памятный вечер. Я назову его вечером са-
турний. По утру 6-го мая одна самка плодовой сатурнии,
или большого павлиньего глаза вышла из кокона в мо-
ем присутствии, на столе моей лаборатории. Я сейчас
же запер ее под колпак из металлической сетки. К са-
мочке прилетели поклонники. К вечеру они наполнили
всю комнату... Со свечой в руке мы проникаем в комна-
ту. То, что мы тогда увидели, невозможно забыть.
С мягким хлопаньем крыльев огромные бабочки летают
вокруг колпака, останавливаются, улетают, опять подле-
тают, поднимаются к потолку, потом спускаются вниз.
Они кидаются на свечу, тушат ее ударами крыльем, са-
дятся на наши плечи, цепляются за одежду, касаются
нашего лица. Это пещера волшебника, где вихрем носят-
ся нетопыри. Их здесь около двадцати».
Самцы получили какие-то сигналы от самки. За во-
семь вечеров прилетело около ста пятидесяти самцов.
Ни темнота, ни лес не послужили для этого препятстви-
ем. Фабр установил, что самцы прилетали за много ки-
лометров.
Что же это за сигналы? И сейчас, спустя почти сто
лет после опытов Фабра, можно встретиться с утвержде-
ниями об электромагнитной радиосигнализации у насе-
комых. Эти утверждения полностью лишены оснований
они были экспериментально опровергнуты еще Фабром
Он помещал самку в различные коробки, в жестяную,
деревянную, картонную. Если коробки были достаточно
герметичны, самцы не прилетали. «Итак доказано, — пи-
шет Фабр, — что нельзя допустить здесь способ уведом-
ления, подобный беспроволочному телеграфу, потому
что всякое препятствие — худой или хороший провод-
ник, прекращает совершенно сигналы самки. Для того
чтобы эти сигналы могли распространяться на далекие
расстояния, одно условие необходимо: это, чтобы поме-
щение, в которое заключена самка, было не вполне за-
317
крыто, чтобы внутренний воздух сообщался с наруж-
ным».
И Фабр приходит к совершенно правильному выводу
о передаче сигналов посредством запаха. Самцы руко-
водствуются обонянием. Точные расчеты распределения
летучих веществ в воздухе при ветре различной силы
показывают, что их концентрация может быть заметной
на расстоянии многих километров от источника пахуче-
го вещества *.
Более того. В последние годы удалось выделить и
идентифицировать эти вещества, секретируемые желе-
зами насекомых. Они названы феромонами. Половой ат-
трактант шелкопряда бомбикол имеет следующее строе-
ние:
НННННННН ННННННН
I I I I I I I I I I I I I I I
Н—С—С—С— с=с—с=с—с—с—с—с—с—с—с—с—он
III I I I I I I I I
ННН НННННННН
Бутенандт получил 12 мг бомбикола из 250 000 бабо-
чек. Каждая бабочка выделяет около 0,01 микрограмма,
но, как показывает опыт, этого количества достаточно
для привлечения громадного числа самцов.
Решающим доказательством химической, а не элект-
ромагнитной сигнализации служит то, что самцов при-
влекает не сама бабочка-самка, а именно выделяемое ею
вещество. Ничтожное количество бомбикола вполне за-
меняет притягивающую силу самки шелкопряда. Это яв-
ление впервые наблюдалось тем же Фабром.
«Утром я помещаю самку под металлическую сетку.
Она сидит там на дубовой веточке... Когда приближается
пора прилета самцов, я вынимаю ветку... и кладу ее на
стул, недалеко от открытого окна. С другой стороны, я
оставляю самку под сеткой, совершенно на виду, но по-
дальше от окна... Прилетают самцы... Ни один не летит к
большому столу, где их ждет под сеткой-самка... Что же
они находят? Именно дубовую ветку, на которой сидела
самка... Всякая вещь, на которой посидела самка, сооб-
щает через соприкосновение привлекающие свойства
другим предметам. Так, самцы прилетали на солому сту-
ла, с которого упала дубовая ветка».
♦ См. статью Эдварда Уилсона в «Scientific American» (майский выпуск
1963 г.).
318
И после этого еще и сейчас говорят об электромаг-
нитной сигнализации у насекомых' * Забавно, что эти
разговоры, основанные на элементарном незнании давно
установленных фактов, используются в качестве аргумен-
та в пользу существования телепатии!
Феромоны насекомых весьма разнообразны. Это не
только половые аттрактанты, но и вещества, применяе-
мые для сигнализации о наличии пищи, вещества, с по-
мощью которых управляются сообщества насекомых.
Каждый видел дорожки, по которым движутся муравьи
от муравейника и обратно. Что заставляет их идти пред-
указанным путем? Все те же феромоны. Установлено,
что муравьи — рабочие и солдаты — выделяют пахучие
вещества и оставляют за собой химический след, по ко-
торому идут их товарищи. Был сделан красивый опыт:
искусственный след провели палочкой, конец которой
был смочен содержимым соответствующей железы му-
равья, через некоторое время муравьи расположились
по этому следу.
Не только насекомые, но и позвоночные животные
пользуются языком запахов. Именно языком. Существу-
ют феромоны, сообщающие об опасности, сигнал трево-
ги. У муравьев одного вида идентифицировано 4 таких
вещества — дендролазин, цитраль, цитроннелаль, 2-геп-
танон. Эти соединения можно синтезировать. Капля та-
кого вещества действует на муравейник нисколько не
меньше, чем сигнал воздушной тревоги на город во вре-
мя войны...
Исследования феромонов имеют не только научное,
но и практическое значение. Половые аттрактанты с
успехом применяются для борьбы с насекомыми-вреди-
телями; это ведь великолепная приманка для самцов,
которых легко уничтожить, если они соберутся в боль-
шом количестве.
Запах и обоняние
Что же такое запах? Как он воспринимается?
Звук, механические колебания, воспринимается соот-
ветствующим механическим устройством внутреннего
уха. Свет, электромагнитные колебания, воспринимает-
* См. А. С. Пресная. Электромагнитные поля и живая природа. М., «Нау-
ка», 1968.
319
ся специальной молекулярной системой чувствительных
клеток сетчатки — палочек и колбочек.'
По аналогии была выдвинута идея о колебательной
природе запаха. Дайсон считает, что обонятельный ор-
ган воспринимает колебания атомов в молекулах, те
самые колебания, которые проявляются в инфракрасных
спектрах и в спектрах комбинационного рассеяния света.
Колебательная теория запаха исходит из представления
о резонансе колебаний молекул пахучих веществ и ко-
лебаний молекул в рецепторных обонятельных клетках.
Теория эта не слишком убедительна. Установлено,
что сходными запахами в ряде случаев обладают веще-
ства различной химической природы, не имеющие оди-
наковых частот колебаний. В носовой полости животного
темно. Это замкнутая полость, подобная так называемо-
му абсолютно черному телу *. Поэтому инфракрасное
излучение попадающих в носовую полость молекул дол-
жно находиться в термодинамическом равновесии со
стенками полости, и их колебания не могут восприни-
маться. Можно, правда, возразить, что равновесие на-
рушается, когда в нос втягивается струя более холод-
ного воздуха. Но каждый, бывавший на юге, знает, что
розы пахнут сильно и при температуре воздуха, рав-
ной 37°.
Чтобы обладать запахом, вещество должно быть до-
статочно летучим. Далее, оно должно хотя бы в малой
степени растворяться в воде и жирах (липидах), так как
окончания обонятельных нервов покрыты водяной плен-
кой и для проникновения в нервную клетку вещество
должно пройти сквозь клеточную мембрану.
Эти положения достаточно очевидны. Но как объяс-
нить специфический запах того или иного вещества, в
чем состоит связь запаха со строением молекулы?
Монкрифф предположил, что и в этом случае спра-
ведлива идея «замка и ключа», идея структурного соот-
ветствия. Оно должно осуществляться между структурой
молекулы пахучего вещества и молекулярными структу-
рами рецепторных клеток.
Руководствуясь этой идеей, Эймур исследовал запахи
* Абсолютно черным телом в физике называется тело, поглощающее лучи лю-
бых длин воли. Моделью такого тела может служить малое отверстие в
любой замкнутой полости. Оно действительство всегда чернее окружающих
тел: свет входит в отверстие, но не выходит цз негр.
32Q
Камфарный Мускусный Цветочный
Мятный Эфирный Едкий
РИС, 94. Схемы структурных соответствий, объясняющих запахи
многих сотен веществ. Удалось привести запахи в
систему. Подобно тому как человек различает четыре
первичных вкуса (сладкий, соленый, кислый, горький),
он различает семь первичных запахов, а именно:
1. Камфарный (камфара)
2. Мускусный (пентадеканолактон)
3. Цветочный (фенилметилэтилкарбинол)
4. Мятный (ментон)
5. Эфнрный (дихлор эти-
лен)
6. Едкий, острый му-
равьиная кислота)
7. Гнилостный (бутил-
меркаптан)
Сопоставление структуры пахучих веществ показало,
что запах’определяется не химическим составом, а фор-
мой и размерами молекулы. Так, вещества, характери-.
зуемые камфарным запахом, имеют форму, близкую к
сферической с диаметром порядка 7А. В эту группу по-
падают молекулы самого разнообразного химического
строения, не имеющие общих колебательных частот: кам-
фара CioHieO, гексахлорэтан СгС1б, циклооктан CeHig,
ДИХЛОрЭТИЛЭМИД ТИофосфорНОЙ КИСЛОТЫ C2H6NCI2SP.
Молекулы веществ -с мускусным запахом имеют форму
диска диаметром около 10 А. Первые 5 типов запахов
характеризуются, таким образом, определенными типами
молекулярных структур. Что касается едкого и гнилост-
ного запахов, то они определяются, по-видимому, не
столько структурой, сколько способностью соответст-
вующих молекул (обычно малого размера) приобретать
соответственно положительный и отрицательный заряд.
Структурные соответствия, предполагаемые теорией
Эймура, показаны на рис. 94.
Сложные запахи возникают в тех случаях, когда раз-
ные группы одной и той же молекулы попадают в не-
сколько различных молекулярных полостей.
Были проведены опыты над различными организма-
ми — людьми, лягушками, пчелами. Наличие рецептор-
ных клеток, специфически воспринимающих тот или иной
первичный запах, доказано непосредственно с помощью
микроэлектродов. Эймуру и его сотрудникам удалось
осуществить направленный синтез пахучего вещества пу-
тем объединения в одной молекуле нескольких групп с
различными первичными запахами. Не удивительно, что
этими работами очень заинтересовались парфюмеры.
322
Возможно, Что дальнейшие исследования выявят не-
обходимость уточнений и изменений теории Эймура. Се-
годня, однако, есть веские основания утверждать, что за-
пах передается молекулами как таковыми и что сигналь-
ное, информационное значение имеют форма и размеры
молекул.
Молекулы и зрение
Уже давно было установлено, что чувствительные к
свету клетки сетчатки глаза (палочки и колбочки) со-
держат вещество или вещества, изменяющиеся под дей-
ствием света. Еще в 1877 г. Болл наблюдал обесцвечи-
вание сетчатки лягушки при ее освещении. Сетчатка,
вначале ярко-красная, желтеет и в конце концов стано-
вится совершенно бесцветной. Красное вещество в палоч-
ках животных было названо зрительным пурпуром, или
родопсином. В 1933 г. Уолд установил, что родопсин
состоит из бесцветного белка опсина и окрашенного ве-
щества, которое позднее было названо ретиналем. Рети-
наль образуется из витамина А в результате удаления
двух атомов водорода из конечной группы СН2ОН:
СНз СНз
СНз I I
| СН=СН—С=СН—СН=СН—С=СН—СНзОН
с /
Н2С/ЧС
Витамин А
Н2С\/С(СНз)2
СН2
СНз СНз
СНз ] |
| сн=сн—с=сн—сн=сн—с=сн—сн=о
с /
Н2С/\|С
Н2С\/С(СНз)2 Ретиналь
СН2
В свою очередь витамин А получается из каротина
(стр. 154). Богатым источником каротина и, следова-
тельно, витамина А, ретиналя и родопсина служит мор-
ковь.
Хаббард и Кнойф показали, что единственное дейст-
вие света на ретиналь состоит в изменении формы его
323
молекулы, в изомеризации. Поглощая квант света, моле-
кула ретиналя вытягивается
Такое изменение формы молекулы влияет на ее взаимо-
действие с белком опсином, что проявляется в измене-
нии цвета, так как изомеризация ретиналя приводит к
конформационному превращению белка и вследствие
этого к отщеплению от него ретиналя (рис. 95).
Рис. 95. Схема взаимодействия
родопсина со светом
1 — ретиналь; 2 — белок опсии
Существенные детали этих процессов еще не установ-
лены. Почти ничего не известно о структуре опсинд, о
том, как именно он связывается с ретиналем. Но несом-
ненно, что в акте зрительного восприятия происходит
изомеризация молекулы и конформационное изменение
белка.
Родопсин — не единственный зрительный пигмент. Из
колбочек выделен так называемый иодопсин, поглощаю-
щий свет в другой области спектра. Зрительные пигмен-
ты различных организмов различны.
Так или иначе, сейчас стало ясным, что зрительное
восприятие происходит путем превращения светового
сигнала в молекулярный, химический. Информация, при-
носимая световым квантом, перекодируется в химичес-
кую информацию посредством изомеризации ретиналя.
В свою очередь этот сигнал вызывает конформационную
перестройку белка. Мы пока не знаем, как такая пере-
стройка создает нервный импульс и как нервные импуль-
сы вызывают ощущение света и цвета в головном мозгу.
Но основой зрения является опять-таки химическая сиг-
нализация.
324
Биология и квантовая механика
Мы видели, что вся химия в конечном счете основй-
а на квантовой механике. Химическая связь — элек-
ронное явление, природу которого понять без квантовой
(еханики невозможно, ибо электрон подчиняется кван-
ово-механическим законам. А как обстоит дело с био-
югией?
Вопрос поставлен нечетко. Попытаемся его уточнить.
Ложно ли утверждать, что основой жизни являются
лецифические электронные явления? Имеется ли биоло-
ическая квантовая механика, помимо той, которая уже
сложена в самом факте существования молекул, суще-
.•твования химических связей? Короче говоря, является
ти жизнь электронным процессом?
Ответить на эти вопросы не так-то просто, проблему в
целом нельзя считать решенной.
Биологические явления, непосредственно определяе-
мые воздействием излучения (радиационный мутагенез,
фотосинтез растений, зрение животных), могут быть по-
няты только на квантово-механической основе. Первич-
ный акт всех этих процессов — поглощение светового
кванта, фотона, в результате чего изменяется электрон-
ное состояние поглощающей системы, молекулы. Жизнь
на Земле возникла в лучах Солнца и в этом смысле ее
происхождение квантовое.
Но все остальные основные биологические процессы
(синтез белков и нуклеиновых кислот, ферментативные
биохимические реакции, деление клеток, мышечное со-
кращение, распространение нервного возбуждения
и т. д.) происходят во тьме, без участия световых кван-
тов. Эти темновые процессы тоже квантовые, ибо это
химические процессы. Ясно, что в любой химической ре-
акции происходит перемещение электронов, изменение
электронного состояния системы. Окислительно-восста-
новительные биохимические процессы, составляющие
сущность дыхания, наглядно об этом свидетельствуют.
Это вполне очевидные вещи. Но, может быть, име-
ются и специальные электронные свойства биологических
молекул (белков, нуклеиновых кислот), не находящие
своего непосредственного выражения в биохимических
реакциях, однако имеющие важное биологическое зна-
чение?
325
Сказанное звучит несколько загадочно. Ё дейстй(-
тельности же речь идет об особых полупроводниковы
или даже сверхпроводниковых свойствах белков и нуь
леиновых кислот. Наличие таких свойств утверждаете
рядом ученых, начиная с крупнейшего биохимика Сент
Дьердьи.
В 1957 г. вышла книга Сент-Дьердьи «Биоэнергети
ка» *. Основная ее идея состоит в том, что важнейши
биологические процессы связаны с миграцией кванто
энергии, с их передачей от одного звена биополимерно:
цепи к другому, а также с их миграцией по молекула!
воды. Пользуясь этими представлениями, Сент-Дьерды
пытался истолковать мышечную деятельность, ряд био
химических процессов и т. д. Книга написана очень ув
лекательно, богатая фантазия автора производит сильно*
впечатление. Тремя годами позже Сент-Дьердьи выпу
стил новую книгу «Введение в суб молекулярную биоло
гию» **. На первой странице этой/ книги сказано: «Этг
небольшая книжка представляет собой новое воплоще
ние моей «Биоэнергетики», которая вряд ли была чем
нибудь большим, чем фантазия». Во второй книге основ
ное внимание уделено уже не миграции энергии, а окис-
лительно-восстановительным биохимическим процесса!»
и так называемым комплексам с переносом заряда, обра-
зуемым важными коферментами. Й в этой книге приве-
дены не столько результаты точных исследований, сколь-
ко гипотезы, всегда, впрочем, весьма интересные. В од-
ной из своих статей Сент-Дьердьи сказал: «Когда я
переехал в Вудс-Холл и начал ходить на рыбалку, я
всегда носил с собой огромный крючок. Я знал, что все
равно ничего не поймаю, но ведь приятнее не поймать
большую рыбу, чем маленькую».
Когда-то В. Оствальд пытался классифицировать уче-
ных. По его мнению, ученые прежде всего делятся на
романтиков и классиков. Сент-Дьердьи — яркий пример
ученого-романтика.
Сегодня нет сколько-нибудь надежных доказательств
существования миграционных квантовых процессов в
биологических явлениях, происходящих в темноте. Еще
менее убедительны, на мой взгляд, утверждения о полу-
* Русский перевод: М., Физматгиз, 1960.
** Русский перевод: М., «Наука». 1961.
326
роводниковых свойствах белков и нуклеиновых кислот,
ти макромолекулы не цепи с сопряженными связями,
х нельзя трактовать на основе металлической модели
олекулы (стр. 155). Для возбуждения электронов в бел-
е, необходимого для их перехода в электропроводное со-
гояние, нужна энергия значительно больше тепловой.
1оэтому белки не полупроводники и уж никак не сверх-
роводники. Это честные диэлектрики.
Как мы видели, важнейшие биологические свойства
•елков и нуклеиновых кислот — это не электронные, а
конформационные свойства, выражающиеся в способно-
.ти приобретать различные конформации, в результате
iero организуются структурные соответствия между мо-
юкулами. Рассмотрение этих свойств непосредственно
ie требует квантовой механики. Однако дело обстоит не
як уж просто. В биологии на молекулярном уровне реа-
тизуются сложные взаимодействия электронных и кон-
формационных превращений.
Группа гема в гемоглобине и миоглобине содержит
атом железа, к которому могут присоединяться различ-
ные молекулы — кислород, окись углерода и т. д.
(стр. 150). В результате такого присоединения изменяет-
ся электронное состояние атома железа. Но оказывает-
ся, что одновременно происходит изменение конформа-
ционных свойств белка, его устойчивости к денатурации
и т. д. Эти интересные факты можно объяснить, предпо-
ложив, что присоединение той или иной малой молеку-
лы к гему вызывает смещение электронов в соседствую-
щих с гемом аминокислотных остатках. Такое смещение
не имеет ничего общего с электронной проводимостью.
Это химическое явление, и оно может резко сказаться
на конформационных свойствах, так как условия внут-
реннего вращения вокруг единичных связей меняются
при изменении плотности электронных облаков на сосед-
них атомах.
Естественно, что я излагаю здесь свою точку зрения.
Вопрос об электронных явлениях в биологии (о субмо-
лекулярной биологии, как ее называет Сент-Дьердьи)
нельзя, однако, считать решенным. Поэтому здесь впол-
не возможно сосуществование различных гипотез, даже
и резко противоречащих друг другу. Пока отсутствует
решающая экспериментальная информация, спор будет
продолжаться, и это только хорошо.
327
В В мире роботов
Допустим, что мы попали в одну из излюбленных
научными фантастами ситуаций: фотонная ракета пере-
несла нас в другую солнечную систему, и мы оказались
на планете, населенной роботами. Живых существ, по-
добных земным, на этой планете нет, но роботы живут.
Они самоорганизованы, они размножаются, они мыслят,
но построены они не из белков и нуклеиновых кислот,
а из твердых тел — полупроводников и металлов.
Такую фантастическую ситуацию нельзя считать ис-
ключенной. Стремительное развитие кибернетики дает
все основания говорить о мыслящей машине. Человечес-
кий мозг существует в соответствии с законами приро-
ды. Наука исходит из познаваемости этих законов. Сле-
довательно, нет принципиальных возражений против воз-
можности моделировать мозг, создать мыслящую ма-
шину и вдобавок такую, которая будет умнее человека.
Уже сегодня машины производят математические вычис-
ления быстрее и лучше, чем человек.
Многим мыслящая машина не нравится. Некоторые,
уподобляясь герою анекдота, увидевшему жирафу, про-
сто восклицают: «Не может быть!». Другие говорят о
социальной природе мышления, о содержащемся в мыш-
лении общественном опыте. Однако мыслящая машина
создается человеком. Почему же он не может вложить
в нее этот опыт?
Не будем углубляться в эту проблему, но ограничим-
ся указанной фантастической ситуацией. О чем она сви-
детельствует?
Можно утверждать, что наличие живых роботов, по-
строенных из твердых тел, в отсутствие органической
жизни означает, что когда-то эта жизнь существовала, а
затем роботы ее уничтожили. Мы без особого труда
представляем себе самопроизвольное возникновение
земной жизни из первичных неорганических веществ,
возникновение белков и нуклеиновых кислот, саморепро-
дукцию последних и т. д. Но невозможно вообразить са-
мопроизвольное возникновение твердотельного робота.
Сборка такого кибернетического устройства из кристал-
лических полупроводников и т. д. — процесс не хими-
ческий. Здесь нет броуновского движения, диффузия
практически не идет. Не может быть организовано срод-
ство частей системы на молекулярном уровне. Короче
328
'ОВОря, создание твердотельного робота требует участия
мыслящего существа, возникшего на совершенно иной
основе.
В не раз упоминавшейся книге Шредингера «Что та-
toe жизнь с точки зрения физики?» был поставлен во-
ipoc о причинах многоатомное™ живого организма
(стр. 56). Очевидно, следует пойти дальше и понять,
точему для жизни необходимы большие молекулы. Мы
уже видели, что именно макромолекулы способны к кон-
формационным превращениям, что макромолекулы мо-
гут запасать информацию и передавать ее в матричном
синтезе. Но не менее важен исторический аспект проб-
лемы. Жизнь макромолекулярна прежде всего потому,
что она не могла самопроизвольно возникнуть в иной
форме. В других мирах жизнь может быть и не белко-
вой, но, надо думать, в ее основе все равно будут фигу-
рировать полимерные молекулы.
Что касается роботов, то бояться их не следует. Это
естественный этап эволюции мыслящего человечества,
познающего себя. Человек не должен, конечно, стано-
виться гетевским «Учеником чародея», не умеющим спра-
виться с волшебными силами. Я не думаю, что «джина
выпустят из бутылки». Человек будет сотрудничать с
машиной для своего счастья, и именно таков путь его
дальнейшей эволюции.
Переписка с Нильсом Бором
Привожу письмо, написанное мной великому учено-
му, и его ответ.
«Дорогой профессор Бор!
Позвольте мне задать Вам несколько вопросов в связи
с Вашей блестящей книгой «Атомная физика и челове-
ческое познание», недавно появившейся в русском пере-
воде.
Я работаю в области молекулярной физики и физики
полимеров. В последние годы я пытаюсь развить неко-
торые теоретические исследования в молекулярной био-
физике. Я воспользовался моделью Изинга для явлений
ферромагнетизма в качестве основы статистико-термоди-
намической теории редупликации ДНК. Сейчас я пишу
книгу, которая называется «Молекулы и жизнь, введе-
ние в молекулярную биофизику». Естественно, что она
начинается с обсуждения философского вопроса о соот-
329
Ношении физики и биологии. Для меня было бы оНёН
важно узнать Ваше мнение о следующем:
1. Принцип дополнительности в квантовой механик
основывается на реальных свойствах микрочастиц. Мс
жем ли мы рассматривать исключительную сложност
организмов как достаточное основание для установлени
дополнительности между биологией и физикой или меж
ду целостностью организма и его физико-химическо
структурой? Выходит ли понимание столь сложной си
стемы как целого за пределы физики и химии?
2. Свидетельствует ли современное состояние моле
кулярной биологии о необходимости считать жизнь пер
вичным постулатом, аналогичным кванту действия? Ис
ключает ли существование жизни ее объяснение в обыч
ном смысле слова?
3. Мне кажется, что в то время, как в статьях, напи
санных в 1932, 1937 и 1955 гг., Вы говорили о принципи-
альной дополнительности в биологии, в Вашей Бристоль
ской речи в 1959 г. Вы имели в виду лишь практичес
кую дополнительность, лишенную какого-либо принци
пиального характера.
4. Не думаете ли Вы, что Ваша концепция противо-
положна концепции Шредингера («Что такое жизнь с
точки зрения физики?»), который рассматривает уже
известные принципы физики как достаточные для пони-
мания жизни? Что Вы думаете о книге Шредингера?
5. Считаете ли Вы правильной «эпигенетическую»
точку зрения, выдвинутую Эльзассером («Физические
основания биологии»)?
Я думаю, что принципиальное качественное различие
между живой и неживой материей и отсутствие проме-
жуточных случаев не означает каких-либо границ для
физико-химического понимания жизни как целого в смы-
сле принципа дополнительности. Я не могу согласиться
с Гете, чей Мефистофель говорит:
Кто хочет живое описать и познать,
Пытается дух из него изгнать.
И вот он держит все части в руках,
Но связи духовной в них нет — лишь прах.
«Encheiresin naturae» вот химии слово,
Самой над собой посмеяться готовой *.
* Encheiresin naturae — повадка природы.
330
НИЛЬС БОР
В то же время я вполне согласен с Барри Коммою
ром, который подчеркивает, что нельзя рассматриват
жизнь просто как химию ДНК и белков.
Я очень сожалею, что, будучи в Ленинграде, не име
возможности встретиться с Вами во время Вашего ж
давнего визита в нашу страну.
Я был бы очень благодарен, если бы Вы могли нг
писать мне несколько слов об этих проблемах. Простт
те меня, пожалуйста, за причиненное беспокойство.
С глубочайшим уважением и наилучшими пожела
ниями
искренне Bat
М. Волькенштей
Ленинград, 6 ноября 1961 г.»
«Дорогой профессор Волькенштейн,
Я хочу поблагодарить Вас за Ваше любезное письм<
от 6 ноября и извиниться за то, что из-за моего отъезд:
из Копенгагена я не ответил на него раньше.
Я с большим интересом узнал о Ваших исследовани
ях в молекулярной биологии и о Ваших взглядах н:
эпистемологические вопросы, которые ставит перед наМ1
существование жизни. Как Вам известно, я в теченш
многих лет размышлял об этих проблемах и я хорошс
знаю, что некоторые из моих ранних высказываний вы
звали неправильное представление о моем общем к нии
отношении. Более современное изложение моих взгля-
дов, которые, насколько я могу судить, находятся в тес-
ном соответствии с Вашими, дано в короткой речи на
Международном фармакологическом конгрессе в Копен-
гагене в 1960 г. и я прилагаю ее оттиск.
В настоящее время я работаю над более полным
представлением эпистемологических проблем в физике
и биологии, и, как только оно будет закончено, я его
Вам пошлю. Конечно, я буду благодарен за информа-
цию о развитии Ваших работ и за присылку любых от-
носящихся к ним публикаций.
С приветом и наилучшими пожеланиями
искренне Ваш
Нильс Бор.
Копенгаген, 8 декабря 1961».
332
Ясно, о чем идет речь в этой переписке. О возможно-
сти познания жизни на физико-химической основе. О том,
'что наука вышла на перекресток физики, химии и био-
логии и перед человечеством открылись необозримые
перспективы познания природы.
Доклад Нильса Бора на фармакологическом конгрес-
се в Копенгагене, упомянутый в его письме, опублико-
ван в русском переводе в журнале «Успехи физических
наук» (том 76, выпуск 1, стр. 21, 1962). Более полное
представление его взглядов о соотношении физики и
биологии так и не было завершено. Великий мыслитель
умер 18 января 1962 г., через 40 дней после того, как
было написано это письмо.
Мне приходилось встречаться с большими учеными,
которые настаивали на истинности каждого слова, ког-
да-либо ими сказанного. Бору это не было свойственно.
Он не боялся пересматривать свои позиции, не боялся
согласиться со своим оппонентом.
Величие Бора выражалось не только в его научных
открытиях. Глубокое и живое внимание к ученым незави-
симо от их возраста и положения, активное творческое
соучастие в развитии их мыслей сделали Бора тем, чем
он был — признанным главой теоретической физики
XX века.
Вопреки Мефистофелю
Приоткрывается завеса над тайнами живой при-
роды.
Все рассказанное в этой книге показывает, что, изу-
чая живые организмы, мы не встречаемся с какими-
либо границами применимости физики и химии. Но мы
встречаемся с совершенно новыми для физики и химии
задачами, с такой степенью сложности, согласованности
и организации явлений, которая требует новой мысли,
нового научного мировоззрения.
Это новое мировоззрение формируется на глазах.
Пути науки неизбежно ведут к перекресткам; создаются
кибернетика и молекулярная биология. Они объединя-
ются в свою очередь.
Моделирование жизни — старая научная идея. Умо-
зрительные попытки реализации этой идеи, делавшиеся
в XVIII и XIX веках на чисто механической основе, бы-
ли весьма примитивны и бесконечно упрощали задачу.
333
Гете понимал фантастическую сложность явлений жиз-
ни и высмеял плоскую затею филистера Вагнера — соз-
дание гомункулуса в колбе. Цитированные на стр. 330
слова Мефистофеля излагают мысли самого Гете. Мыс-
ли содержательные, недаром они по существу совпада-
ют с тем, что говорил Бор в своих ранних статьях, на-
писанных до возникновения молекулярной биологии, до
возникновения кибернетики. Вплоть до второй половины
XX века физика и химия не имели возможностей для
проникновения в глубь биологических явлений. Но сей-
час положение радикально изменилось. Мы поняли мно-
гое и, что наиболее существенно, поняли, сколь многого
мы еще не понимаем.
Лозунг традиционной школы по молекулярной био-
логии, организуемой каждую зиму в Дубне, гласит: «От
ложного знания к истинному незнанию!». Это не просто
шутка. Ложное знание удовлетворяется общими фраза-
ми о целесообразности живой природы, о качественной
специфичности живой материи. Истинное незнание озна-
чает четкую научную формулировку нерешенных
проблем. В биологии их гораздо больше, чем ре-
шенных.
Только после того, как проблема сформулирована,
можно искать пути ее решения. Самое трудное—-это по-
ставить задачу.
Когда-нибудь достижения молекулярной физики и
молекулярной биологии, восхищающие нас сегодня, по-
кажутся детски наивными и элементарными. Такова
судьба любой научной работы в отличие от судьбы ху-
дожественного произведения. Но это не может остано-
вить научное творчество. Жажда познания запрограм-
мирована всем процессом биологической эволю-
ции на Земле, завершившимся созданием мыслящего
мозга.
Организм науки являет собою единое целое. Так он
поначалу и воспринимался гениями прошлых столетий:
Леонардо да Винчи, Ньютоном, Ломоносовым. Потом
наступила эпоха специализации. Но сейчас наука вновь
встала на путь единого естествознания через множество
перекрестков. О некоторых из них рассказано в этой
книге.
Как бы быстро ни развивалась наука, как бы далеко
позади ни оставалось ее прошлое, человечество не рас-
334
станется с именами ее творцов. Только нищйе духом за-
бывают свои детские годы. Сегодняшняя зрелость завт-
ра покажется детством, но все это этапы единого про-
цесса познания природы, которому нет ни конца, ни гра-
ниц. Процесс трудный, но бесконечно радостный. Ны-
нешний Фауст вышел из тупика, и Мефистофель ему не
страшен. Наука, в истинном смысле этого слова, опти-
мистична.
Мы уверены в неограниченном развитии наших зна-
ний, и эта уверенность в свою очередь имеет не религиоз-
ный, а научный характер.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ 5
1. ГОЛУБОЕ НЕБО 7
2. ЖИВОЕ СУЩЕСТВО И ФИЗИЧЕСКИЙ ДЕМОН 42
3. МЕНДЕЛЕЕВ, АТОМЫ И КВАНТЫ 66
4. ОТ ХИМИИ К ФИЗИКЕ 109
5. ОЧЕНЬ БОЛЬШИЕ МОЛЕКУЛЫ 166
6. БЕЛКИ - 207
7. ГЕНЫ, БЕЛКИ И ВОДА 252
8. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ 299
Михаил Владимирович Волькенштейн
Перекрестки науки
Утверждено к печати редколлегией серии
научно-популярных изданий Академии наук СССР
Редактор В. М. Тарасенко.
Художник В. С. Комаров
Технический редактор Ф. М. Хенох
Сдано в набор 26/XII-1971 г. Подписано к печати
30/VI 1971 г. Формат 84Х1081/з2-
Усл. печ. л. 17,6. Уч.-изд. л. 15,4. Тираж 27 000.
Т-11086. Тип. зак. 1868 Бумага № 2.
Цена 1 р. 15 к. в переплете
и 92 коп. в обложке
Издательство «Наука».
Москва К-62, Подсосенский пер., 21
2-я типография издательства «Наука».
Москва Г-99, Шубинский пер., 10