Эрлих Генрих

Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Генрих Эрлих

Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Введение

Нанотехнологии, нанотехнологическая революция… Если вы понимаете, что это такое, то вы – счастливое исключение. Большинство людей этого так и не уразумели, несмотря на огромное количество публикаций в СМИ, телевизионных передач и разъяснений с самого высокого уровня. А разобраться все же хочется, даже людям, далеким от науки. Ведь в нанотехнологии государство инвестирует сотни миллиардов рублей, которые можно было бы потратить на более внятные цели – проблем хватает. И хотелось бы знать, во что все это выльется. Речь не идет о том, окупятся ли вложения, в этих категориях у нас мыслят только экономисты, да и те плохо. Но как все это отразится на нашей жизни? Появятся ли новые товары, устройства и технологии? Станет ли от этого наша жизнь лучше и безопаснее или получится, как всегда, – опыт революций у нас богатый и оснований для пессимистических ожиданий предостаточно.

Хотите знать правду? Уточняю потому, что с правдой дело обстоит непросто. Люди, громче всех кричащие о том, что их обманывают и они хотят знать всю правду, верят, как показывает опыт, только тому, что отвечает их умонастроению и ожиданиям, и эту “правду”, как правило ужасную, им с готовностью поставляют СМИ. Люди же здравомыслящие знают, что до правды никогда не докопаться, потому что у каждого она своя, да и кому она нужна, эта правда? “Тьмы низких истин нам дороже нас возвышающий обман”, – как сказал наш великий поэт.

Настаиваете? Отвечаю: никакой нанотехнологической революции не было, нет и не будет. Разговоры о революции потребовались для того, чтобы побудить государства и корпорации раскошелиться на науку, к которой чиновники и бизнесмены стали остывать, а в нашей стране и вовсе махнули на нее рукой. Не будем осуждать ученых за этот маленький блеф, потому что другого способа пробить стену непонимания у них не было.

А нанотехнологии есть? Есть, вот за это – руку на рельсы, голову на плаху. Тут я, поверьте, ничем не рискую. Вы и сами легко убедитесь в этом. Надо всего лишь отогнать навязанный призрак нанотехнологической революции и вглядеться в окружающий нас мир. Он весь наполнен объектами, имеющими наноразмеры, они витают в воздухе и плавают в воде, из них сложено почти все, попадающееся нам на глаза, включая нас самих.

Этот природный наномир ученые изучали на протяжении всей истории науки. Да, они не могли увидеть воочию объекты этого мира, такую возможность им предоставил электронный микроскоп, изобретенный лишь в начале 1930-х годов, разглядеть же тонкую структуру этих объектов ученые смогли только с помощью сканирующих зондовых микроскопов. Именно с изобретения этих уникальных приборов в 1980-х годах многие и ведут отсчет эпохи нанотехнологий. Но это не так. Ученым совсем не обязательно видеть объект, чтобы понять, как он устроен, и тем более для того, чтобы манипулировать им. В конце концов, электроны и электромагнитные волны мы до сих пор разглядеть не можем, но уже более ста лет используем, к нашему всеобщему удовольствию.

То же и с нанообъектами. Исследователи научились управляться с природными нанообъектами и изменять их, получать искусственные нанообъекты и создавать из них разнообразные материалы и устройства. “Разберите” свой компьютер, телевизор, автомобиль, материалы, которыми отделана ваша квартира, одежду, которую вы носите, и продукты из супермаркета, которые вы употребляете в пищу, – везде вы обнаружите множество наноразмерных “деталей”, созданных руками человека, созданных осознанно и целенаправленно. Как можно одним словом назвать все это искусство и производство? Правильно, это нанотехнологии.

Кто их придумал? Однозначно ответить на этот вопрос невозможно. Можно проследить историю отдельно взятой технологии – до отца-основателя, что, кстати, и делают пропагандисты “революционных” нанотехнологий. Но в том-то и дело, что слово это употребляется во множественном числе, существует великое множество принципиально различных технологий, которые объединяет только то, что все они включают манипулирование объектами наноразмеров. Соответственно и отцов у этого детища современности – нанотехнологий – множество.

Нас ведь в первую очередь интересуют люди – не так ли? Поэтому рассказывать я вам буду о людях, проложивших новые пути в науке и технологиях, об их жизни, о том, как они сделали открытия и как их восприняли современники, какой смысл они вкладывали в обнаруженные явления (зачастую это совсем не то, что мы теперь приписываем им) и понимали ли они сами, что открыли (случалось и такое). Тут мне поневоле придется немного углубиться в науку, но обещаю – никаких формул! Я расскажу вам, во что претворились эти идеи, какие технологии, созданные на их основе, используются уже сейчас, а какие могут быть созданы в будущем и как они изменят нашу жизнь.

Чтобы не упустить важных деталей, я воспользовался новейшим достижением нашего времени – сканирующим зондовым микроскопом. Я проводил его иглой над необъятным полем наномира, пока не обнаруживал “точку роста”, и, зацепившись за нее, доводил нить повествования до наших дней. А потом вновь отправлялся в свободное сканирование. Так что рассказ мой получился причудливым, мы будем легко переноситься из века в век, из страны в страну, из одной области науки в другую. Мне остается только надеяться, что все эти фрагменты пестрой мозаики сложатся у вас в голове в образ нанотехнологий.

Глава 1 Первый

Он был первым, первым во множестве разнородных областей человеческой деятельности, которыми ему выпало заниматься. В одних он был первопроходцем, в других – первенствовал по всеобщему мнению. Его называли “первым американцем”, потому что он олицетворял рождение новой, американской нации, был первым американцем, признанным в Старом Свете, одним из отцов-основателей США, по нему лепили свою жизнь многие поколения американцев, ведь именно он придумал “американскую мечту” и концепцию о неограниченных возможностях янки. Это, несомненно, самый узнаваемый американец, потому что его портрет украшает купюру, перед которой благоговеют все, включая ненавидящих доллар и предсказывающих ему скорый крах. Этого лысоватого патлатого старика знают все, даже не слышавшие его имени, – Бенджамин Франклин.

Звание одного из отцов-основателей нанотехнологий немного прибавит к его заслугам, но мне кажется, что Франклин, разобравшись в сути вопроса, не стал бы отказываться от него, как не отказывался от всех остальных. А мне, признаюсь, начинать рассказ с Франклина просто удобнее, потому что от его экспериментов, выполненных 250 лет назад, легко протянуть несколько логических цепочек вплоть до наших дней. Опять же, 250 – хорошее, круглое число, долгая история придает солидности народам, партиям и наукам.

Описание экспериментов и рассуждения об их отношении к нанотехнологиям оставляем на десерт, а начинаем с главного блюда, с рассказа о личности Бенджамина Франклина и истории его жизни, пытаясь понять, что подвигло его разливать масло на воде (ну вот, проговорился), как он ухитрялся видеть необычное в обыденном и делать неожиданные, глобальные выводы из простых наблюдений, доступных всем и каждому.

Бенджамин Франклин родился в 1706 году, он был пятнадцатым в череде из семнадцати детей сурового пуританина Джозайи Франклина, эмигрировавшего в Бостон из Англии в 1685 году, спасаясь от религиозных гонений. В такой семье не забалуешь – школу мальчик покинул в десятилетнем возрасте, отучившись два класса, все его дальнейшее образование проходило, как говорится, без отрыва от производства. Способ образования был классический, неизменный на протяжении столетий, – чтение всего, что попадется на глаза. Производство вначале было незамысловатым – Бенджамин варил мыло и плавил воск для свечей в мастерской своего отца. Через два года он приобщился к более интеллигентной профессии – стал подмастерьем в типографии своего старшего брата Джеймса.

К тому же времени относятся и первые литературные опыты Франклина – он принялся печь как блины стихотворные баллады, которые с пылу с жару печатались и распродавались его оборотистым братом. Конец этому бизнесу положил отец. “Все поэты – нищие”, – сказал он. Бенджамин проникся аргументом родителя и впредь занимался только прозой, достигнув в ней подлинного мастерства, его “Автобиография” – действительно блестящее литературное произведение. Но, возможно, Франклин при этом утратил что-то важное, не случайно Макс Вебер в своей знаменитой книге “Протестантская этика и дух капитализма” называл Франклина стопроцентным буржуа и расчетливым эмпириком, абсолютно чуждым поэзии, в общем, образцовым американцем.

Вскоре Джеймс Франклин стал издавать газету “Нью-Ингленд курант”, вторую, появившуюся в Америке. Многие считали эту затею безнадежной, полагая, что одной газеты для Америки вполне достаточно. Людям вообще свойственно ошибаться в оценке перспектив идей и предприятий. Вот и Билл Гейтс когда-то считал, что 20 килобайт – максимальный объем оперативной памяти, который когда-либо потребуется пользователям персональных компьютеров. Бенджамин играл роль “мальчика за всё”: набирал и печатал очередной номер, а потом разносил газеты подписчикам. И при этом писал статьи, которые тайком подбрасывал в редакцию.

Отношения с Джеймсом постепенно накалялись, ведь тот видел в Бенджамине в первую очередь подмастерье, которого можно гонять в хвост и в гриву, и только потом – младшего брата. В 17 лет Бенджамин сбежал, что считалось по тем временам серьезным правонарушением, – подмастерье был обязан отработать обучение, не получая при этом ни гроша.

Свой бег он остановил в Филадельфии, городе, который стал для него родным и в котором доныне царит культ Франклина. Он устроился на работу в одну из двух типографий города. Вскоре на работящего, инициативного и любознательного молодого человека обратил внимание сам губернатор Пенсильвании, который отправил его в Англию, наобещав златые горы. Обещания оказались пустыми, Франклин вновь очутился в чужом городе без пенса в кармане и вновь не пропал. Он нашел работу в самой современной типографии и друзей, которые познакомили его с английской журналистикой, а также с многочисленными лондонскими театрами, пабами и борделями, которые Бенджамин посещал, отдавая дань своей молодости и отменному здоровью.

Первая “командировка” Франклина в Англию продолжалась полтора года. Вернувшись в Филадельфию, он начал свой долгий путь наверх. В этом он тоже был первым – первым в длинном ряду американцев, которые сделали себя сами. Начав простым рабочим, Франклин стал владельцем крупной типографии и издателем самой популярной американской газеты того времени “Пенсильвания газетт”. Хорошо усвоив английские уроки, Франклин не надоедал читателям морализаторством и назидательностью, которых в пуританской Америке и так было в переизбытке, он давал им информацию и увлекательное чтение: рецепты, календарь, остроумные житейские советы. Многие из них сохранились в форме афоризмов до наших дней, не утеряв актуальности, как, например, одно из самых известных: “Неизбежны только смерть и налоги”.

Да, он не был “поэтом” – когда в сорок лет Франклин отошел от активных занятий бизнесом, его доход превышал жалованье королевского губернатора Пенсильвании.

Отныне Франклин полностью отдался науке и общественной деятельности. О его научных достижениях чуть позже, пока же просто перечислим то, что он сделал для Филадельфии: основал публичную библиотеку (первую в Америке), Философское общество и академию – Университет Пенсильвании, милицию – специальные отряды добровольцев, патрулирующих по ночам Филадельфию, добровольную пожарную бригаду и первую в истории Пожарную страховую компанию, по его призыву филадельфийцы замостили улицы города, перестали выбрасывать на них мусор и выплескивать помои из своих домов и установили газовые фонари. А еще в течение шестнадцати лет Франклин был почтмейстером Пенсильвании и затем в течение двадцати одного года заместителем генерального почтмейстера североамериканских колоний, благодаря его усилиям американская почтовая служба поднялась на недосягаемую (для нас) высоту, на которой пребывает до сих пор.

В 1757 году Франклин отправился в Лондон в качестве представителя североамериканских колоний. Его вторая английская “командировка” продолжалась долгих восемнадцать лет. Задача Франклина, как и всякого настоящего посла, заключалась в сглаживании недоразумений и напряженностей, которые возникали между метрополией и колониями. Да, в своих статьях он развивал идеи американской нации и союза колоний, но ни о какой революции и тем более о независимости даже не заикался. Он считал необходимым верховенство английской короны, ибо в противном случае “все передерутся”. Все, чего он хотел, – это разумной имперской колониальной политики.

Свою близость к английскому двору Франклин использовал, в частности, для того, чтобы выбить для своего тридцатитрехлетнего сына Уильяма место губернатора штата Нью-Джерси[1].

А потом что-то случилось, и Франклин резко переменил свои взгляды. В результате он был выслан или отозван из Англии и вернулся в Филадельфию в 1775 году, как раз вовремя, чтобы успеть поставить свою подпись под Декларацией о независимости.

Вопреки распространенному мифу он не был ее автором – ее написал Томас Джефферсон. Он также не был автором Конституции США, под которой стоит его подпись, – утвержденный вариант конституции был представлен Джеймсом Мэдисоном. Франклин не был и никак не мог быть автором Декларации прав человека, потому что это плод Великой французской, а не американской революции[2].

Отношение Франклина к идее равенства было довольно своеобразным. Нет, он, конечно, говорил, что все люди равны, но с существенными оговорками. Он, в частности, считал ложным утверждение о равенстве всех людей по интеллекту, способностям, доброте души. Идея равенства, неоднократно писал Франклин, абсолютно верна в другом смысле: люди равны по причине общего для всех их невежества, тщеславия, глупости и необоснованных претензий на правоту. Признаем, что он был прагматиком, понимал в жизни и в людях и неукоснительно следовал принципу Френсиса Бэкона, одного из своих идейных учителей: надо принимать мир таким, каков он есть, а не таким, каким мы хотели бы его видеть.

Перечень мифов о Франклине заключает курьезное заблуждение, что он был президентом США. Оно проистекает из изображения Франклина на стодолларовой купюре, продолжающей галерею портретов президентов США. Между тем был один принципиально важный политический документ, составленный и подписанный Бенджамином Франклином, единственным из отцов-основателей США. Речь идет о Версальском мирном договоре 1783 года, ознаменовавшем признание независимости североамериканских колоний.

Пребывание Франклина на родине было коротким, уже через полгода после подписания Декларации о независимости он вновь отправился в качестве посла в Европу, на этот раз в Париж. Он умело использовал извечную вражду Англии и Франции, распространившуюся и на территорию Северной Америки, и обеспечил поддержку Францией отколовшихся от Англии колоний. Он также заручился поддержкой еще одной могущественной силы – масонов. Франклин был инициирован в ложу “Девять сестер” и вскоре стал ее гроссмейстером. Среди то ли сестер, то ли братьев числились Вольтер, Кондорсе, Дантон, Гильотен, братья Монгольфье и другие известные персонажи истории. При всем этом Франклин находил время для занятий живописью, игры в шахматы и карты, участия в королевской комиссии по анализу “животного магнетизма” Месмера, ухаживаний за вдовой философа Гельвеция, которой он даже сделал предложение выйти за него замуж, и другими дамами.

Вернулся Франклин в Америку через девять лет и успел насладиться “осенью патриарха” – всеобщим уважением и почетом и должностью президента Пенсильвании. Скончался он в 1790 году в возрасте 84 лет. Долголетие отнюдь не удивительное для того времени. Отец Франклина прожил 89 лет, мать – 85, а сын Уильям – 83.

Что на самом деле достойно удивления, так это как при такой напряженной общественной деятельности Франклин находил время для научных изысканий. Не случайно его считают автором теории “управления временем” – системой правильной организации труда. “Время – деньги” – один из самых известных афоризмов Франклина.

Заметим, однако, что наукой Франклин активно занимался сравнительно недолго, около десяти-пятнадцати лет, и, похоже, не придавал этим занятиям большого значения – в его “Автобиографии” они упоминаются лишь вскользь. Некоторые злопыхатели, без которых не обходится ни один великий человек, считали его посредственным ученым. Они не правы в принципе. Франклин вообще не был ученым в современном понимании этого слова. Он был изобретателем и пытливым наблюдателем природы, естествоиспытателем , или философом природы, натурфилософом . При этом он сделал столько, что подавляющему большинству ученых и не снилось.

Наибольшую известность ему принесли работы по электричеству. Чтобы оценить величие Франклина, достаточно вспомнить, что знало человечество об электричестве в 1747 году, когда начинающий сорокалетний ученый впервые столкнулся с этим явлением. По сути дела, все исчерпывалось проскакиванием искры между двумя палочками, натертыми шерстяной тряпкой, притягиванием или отталкиванием от этих палочек легких предметов типа перышка и сконструированным незадолго до этого незамысловатым устройством под названием “лейденская банка”, представляющим собой стеклянную бутылку, заполненную водой и заткнутую пробкой с вставленным металлическим стержнем. Разряд лейденской банки вызывал в теле человека крайне неприятные ощущения, всем нам хорошо знакомые, которые тем не менее обладали для современников непонятной притягательной силой.

Нечто подобное Франклин и увидел на “лекции” приехавшего из Шотландии доктора Спенса. В сущности, это было балаганное зрелище за деньги, но оно, по собственному признанию Франклина, “изумило его и доставило ему удовольствие”. Поразительно, но всего через два года он уже сформулировал свою основную гипотезу о природе электричества: “Электрическая материя состоит из частиц крайне малых, так как они могут пронизывать обычные вещества, такие плотные, как металл, с такой легкостью и свободой, что не испытывают заметного сопротивления”. Через два с лишним столетия великий физик Петр Леонидович Капица напишет: “Эта картина до сих пор в основном остается правильной… В наши дни мы называем эти “крайне малые частицы” электронами”.

Тогда же Франклин ввел в обращение столь привычные для нас обозначения “+” и “-”. Он полагал, что любое тело является как бы губкой, насыщенной частицами электричества. Тело, получившее при электризации избыток электрических частиц, заряжено положительно, а тело, имеющее недостаток этих частиц, заряжено отрицательно. Сейчас мы придерживаемся диаметрально противоположной точки зрения, но обозначениями Франклина тем не менее пользуемся.

А еще он высказал предположение об электрической природе молнии и предложил способ экспериментальной проверки своей гипотезы с помощью воздушного змея. Сегодня кажется странным, что Франклин опубликовал эту идею, нисколько не озаботившись тем, что кто-либо может воплотить ее в жизнь и приобрести тем самым всемирную славу. Но дело в том, что его абсолютно не волновали вопросы приоритета , столь значимые для ученых последующих поколений и особенно наших дней, если судить по многочисленным, выходящим зачастую за грань приличия дискуссиям в СМИ и научном сообществе.

Теория Франклина вызвала бурные дебаты, многие ученые отвергали ее с порога: что может предложить этот дилетант и к тому же американец?! Поведение в этой ситуации Франклина опять могло бы послужить примером для последующих поколений ученых. Он не бросился доказывать свою правоту, выступать на конференциях и писать письма в редакции. “Я, – рассказывал Франклин в “Автобиографии”, – решил предоставить мои доклады их участи, полагая, что будет лучше использовать время, которое я могу выкроить из занятий общественными делами, для производства новых экспериментов, чем для дискуссии по поводу уже произведенных”. Время подтвердило правоту Франклина, его теория была признана. Истина всегда прокладывает себе дорогу, рано или поздно.

Что же касается “дилетанта”, то лучше всего по этому поводу высказался П.Л. Капица: “Франклин первый правильно понял существо электрических явлений и поэтому открыл правильный путь для дальнейших исследований в этой области… На таких начальных этапах развития науки точность и пунктуальность, присущая профессиональным ученым, может скорее мешать выдвижению такого рода смелых предположений. В начальной стадии изучения электричества требовалось, чтобы был сделан такой смелый шаг. И Франклин его сделал”. Мне кажется, что эти слова применимы к любой новой области науки.

Вполне возможно, что олимпийское спокойствие Франклина во время обсуждения его теории объяснялось практическим складом его ума: зачем ломать копья вокруг теоретических выкладок, если можно предъявить созданное на их основе работающее устройство. С этим уже не поспоришь. Опыты с лейденской банкой привели Франклина к изобретению конденсатора, без которого немыслимы современные электронные устройства. Опыт с воздушным змеем нашел воплощение в громоотводе.

И вновь необычное поведение: Франклин не стал патентовать громоотвод, хотя было очевидно, что это изобретение может принести ему огромное состояние в кратчайший срок. Это даже как-то не по-американски, сказали бы мы с высоты нашего времени. Но точно так же не стал Франклин патентовать и изобретенную им железную печь, которая требовала намного меньше дров и лучше обогревала дома, чем традиционные английские камины. В США это устройство называют “печью Франклина” и используют до сих пор, ее отголоском в России стала знаменитая “буржуйка”.

Франклин считал, что изобретения и научные достижения должны принадлежать всему обществу, а не какому-то конкретному человеку. “Получая удовольствие от чужих изобретений, приятно сознавать, что и ты можешь оказать услугу людям”, – говорил он. Впрочем, некоторые свои изобретения Франклин все же патентовал, например кресло-качалку или бифокальные очки, которые он изобрел в восьмидесятилетнем возрасте: жизнь, видно, заставила.

Кстати, курьезный случай произошел во Франции во времена жизни там самого Франклина. В городе Сент-Омере некий господин де Виссери установил на своем доме громоотвод, так его соседи подали на него в суд: громоотвод-де притягивает молнию, а это угрожает безопасности их жилищ. Процесс длился четыре года и приобрел вселенское значение. На нем сделал себе имя молодой адвокат ответчика Максимилиан Робеспьер, который в конце концов выиграл дело. Со стороны истцов одним из экспертов выступал Жан-Поль Марат, который считал громоотвод опасным и вредным экспериментом. Как тесен мир!

В заключение скажем, что, несмотря на первоначально настороженное отношение, научное сообщество довольно быстро признало Франклина. Почин положили американские Кембриджский и Йельский колледжи, которые присвоили ему степень магистра искусств. “Так, не учившись ни в одном колледже, я стал пользоваться их почестями”, – удовлетворенно заметил в своей “Автобиографии” Франклин. В 1762 году Оксфордский университет присвоил ему степень доктора, позднее он стал почетным членом Королевского общества, а затем первым американцем – иностранным членом Петербургской академии наук.

И вот мы подошли к описанию эксперимента, ради которого, собственно, и была задумана вся эта глава. Дело было так. В 1757 году Франклин отправился послом от колоний в Англию. Тогда в Северной Америке шла война между Англией и Францией, и, как положено в военное время, торговые суда шли караваном с конвоем военных кораблей – так набралась внушительная флотилия из 96 судов. И вот однажды, стоя на палубе в ветреную погоду, Франклин обратил внимание на странный факт: все суда мерно покачивались на волнах, но два стояли ровно, и вокруг них поблескивало зеркало идеально ровной воды. “Как такое может быть?” – спросил Франклин у капитана, привлекая его внимание к непонятному явлению. “Да коки, наверно, выплеснули за борт жирную воду”, – невозмутимо сказал капитан как о чем-то всем хорошо знакомом. Тут в памяти Франклина всплыли строки из прочитанной в юности “Естественной истории” Плиния: действительно, еще древнегреческие и римские мореходы усмиряли волны, выливая масло на поверхность воды. Другой бы на этом и успокоился, но Франклин провел собственное расследование.

Во-первых, он скрупулезно собирал различные свидетельства об этом явлении. Оказалось, что оно хорошо известно морякам всего мира и даже простые рыбаки на Бермудах успокаивают таким образом рябь на воде, чтобы лучше видеть рыбу в глубине. Во-вторых, он постоянно носил с собой бутылочку с маслом и, очутившись у какого-нибудь водоема в ветреную погоду, ставил натурные эксперименты, пытаясь разобраться в сути явления и заодно поразить своих спутников. Эксперимент действительно поразительный, и я рекомендую вам сделать его своими руками для начала в тазу или в ванной. Взбаламучивая воду, капните подсолнечного масла (обязательно свежего!) из пипетки и посмотрите, что получится. Уверяю, что после этого вас, как и Франклина, потянет на природу, к какому-нибудь пруду, чтобы воспроизвести эксперимент в большем масштабе. Получится, не сомневайтесь. Если подойдете к пруду с наветренной стороны, там, где зарождаются волны. Это, кстати, тоже выявил Франклин в ходе своих опытов.

Помимо успокоения волн удивляет еще скорость распространения масляного пятна по воде и его площадь. В статье, опубликованной в журнале Philosophical Transactions в 1774 году, Франклин писал, что ему удалось посредством чайной ложки масла успокоить волнение в пруду на площади в полакра – по-нашему двадцать соток. Естественно, возникает вопрос: а какова же толщина слоя масла, образующегося на поверхности воды? Тут нет нужды апеллировать к Франклину, который был несилен в арифметике за исключением бухгалтерских расчетов. Вы можете это сделать сами, потому что я поклялся себе написать книгу без единой формулы. Итак, мы берем один кубический сантиметр масла, приблизительно половину чайной ложки, и распределяем масло равномерным слоем на поверхности в сто квадратных метров. Вы считаете быстрее меня, и абсолютно правильно: толщина слоя составляет в этом случае десять нанометров . Слои масла на воде – вероятно, первый объект нанометровых размеров, который стал предметом изучения ученых.

Символично, что нано объекты вступили в мир науки в связке с технологиями . Такой уж человек был Бенджамин Франклин, что все свои научные изыскания он старался довести до практического результата, более того, выполнял их именно с ориентацией на практику. Исследования масляных слоев на поверхности воды начались на море и окончились там же. Франклин пытался разработать безопасный способ швартовки судов и особенно высадки на побережье в условиях сильного волнения на море. Сложность и актуальность последней задачи понимает любой, кто хоть раз купался в море при поднятом над пляжем красном флаге. Испытания проводились в Портсмуте в октябре 1773 года при деятельном участии голландского капитана Джона Бентинка. По заключению самого Франклина, желаемого эффекта, то есть комфортной высадки, достичь не удалось, тем не менее полоски спокойной воды наблюдались даже при сильном ветре. Только после этих экспериментов Франклин опубликовал полученные им результаты в вышеупомянутой статье. Исследование заняло 17 лет.

Со слоями масла на воде связан еще один интересный эффект, который наблюдал Франклин, да и мы, но применительно к несколько другим объектам – пленкам бензина на воде и мыльным пузырям. Это цветная, зачастую переливчатая окраска этих объектов, притом что все задействованные вещества бесцветны. Современные школьники на уроках физики бойко объясняют этот эффект: “Распространение света – волновой процесс. Свет, падая на пленку, частично отражается от внешней поверхности, а частично проходит внутрь и отражается от второй поверхности. Волны, отраженные от двух поверхностей пленки, складываются по законам интерференции, волны с одной длиной волны усиливаются, а с другой – ослабляются вплоть до исчезновения. Так появляется цвет”.

Попробовали бы они сказать нечто подобное в середине XVIII века! За одну первую фразу их бы выгнали с волчьим билетом не то что из школы, но из любого университета. В науке тогда царила корпускулярная теория света Ньютона, согласно которой свет представляет собой поток материальных частиц, а волновая теория, созданная Гюйгенсом в конце XVII века, пребывала в загоне. Из крупных ученых того времени ее поддерживали разве что Леонард Эйлер и Бенджамин Франклин. Это тем более удивительно, что теория электричества Франклина может быть с полным основанием названа корпускулярной, а вот в оптике он придерживался диаметрально противоположной концепции. Тут можно говорить о его гениальной научной интуиции, но, возможно, сыграло свою роль и наблюдение за пленками масла на воде, ведь именно объяснение явления интерференции не давалось теории Ньютона, но с ним прекрасно справлялась волновая теория.Так в научном наследии Бенджамина Франклина впервые сошлись поверхность и тонкие слои, электричество и оптические явления – краеугольные камни нанотехнологий. И потому его номер – первый.Вернемся к толщине слоя масла. Мы с вами прикинули, что она может составлять десять нанометров. Это много или мало? И можно ли утончить пленку, а если да, то до какого предела? Вы, конечно, знаете ответ на последний вопрос: сплошная пленка никак не может иметь толщину меньше, чем размер молекулы масла. И обратно: зная толщину предельно тонкого слоя масла[3], можно определить размер молекулы. Неужели Франклин не сделал этот тривиальный эксперимент и не произвел элементарный расчет? Нет, не сделал. Нельзя требовать от одного, пусть и гениального, человека всего, тем более невозможного. Волновая теория во времена Франклина хотя бы была, а вот атомно-молекулярного учения не было. Было слово “молекула”, его ввел в 1636 году французский священник Пьер Гассенди, но оно не имело конкретного физического содержания. Поэтому со временник Франклина Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) рассуждал, как мы помним со школы, не о молекулах, а о корпускулах, но эти идеи не оказали никакого влияния ни на Франклина, ни на других ученых. И даже отец современной атомистики Джон Дальтон (1766–1844) обходился без этого понятия и говорил о “сложных атомах”.

Так что определить размер молекулы из толщины слоя масла Франклин не мог в принципе. И лишь через сто лет после его кончины, повторив его эксперименты, это сделал Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей (1842–1919). Он получил величину около двух нанометров – таков размер довольно крупных молекул масла.

Казалось бы, после этого нанообъекты должны были получить постоянную прописку в мире науки. Не тут-то было! Это в школьном учебнике все просто: атомно-молекулярное учение, основы которого заложили М.В. Ломоносов и Антуан Лавуазье (1743–1794), утвердилось благодаря работам Джона Дальтона (1766–1844) и Амадео Авогадро (1776–1856), окончательную точку поставил в 1860 году Международный конгресс в Карлсруэ, который был посвящен в основном вопросам терминологии, потому что существо дела ни у кого уже не вызывало сомнений. На самом деле вызывало, и у очень многих, считавших атомы и молекулы всего лишь гипотезой, пусть довольно хорошо обоснованной и внешне убедительной, по той простой причине, что никто никогда их не видел.

Помимо сомневающихся были и ярые противники. Например, Марселен Бертло (1827–1907), выдающийся ученый, выполнивший пионерские работы во многих областях химии, профессор Коллеж де Франс, непременный секретарь Французской академии наук и член-корреспондент Петербургской, министр народного просвещения и изящных искусств, а впоследствии министр иностранных дел Франции и прочая и прочая, считал само представление о молекуле бредовой идеей и называл ее не иначе как “мистической концепцией”. Смирился он с ней лишь в конце жизни. Как и другой, возможно, еще более великий ученый – Вильгельм Оствальд (1853–1932), один из первых лауреатов Нобелевской премии по химии (1909) “в признание работ по катализу, а также за исследования основных принципов управления химическим равновесием и скоростями реакций”.

Оствальд – чрезвычайно примечательная личность. Широтой интересов и продуктивностью в самых разных областях человеческой деятельности он напоминал Франклина. Помимо собственно химии, он оставил заметный след в живописи, теории музыки, лингвистике, участвовал в самых разных общественных движениях, от пацифистских до шовинистических, написал 77 книг и воспитал целую плеяду известных ученых.

А еще он был философом, последним великим натурфилософом, создателем “энергетической” теории, согласно которой энергия – единственная реальность в этом мире, а материя есть лишь форма проявления энергии, “то, что мы называем материей, является лишь совокупностью энергий, собранной воедино в данном месте”. В этой теории не было места атомам и молекулам.

В фундаментальном учебнике Оствальда “Основы неорганической химии” слово атом не упоминается ни разу. Вы можете себе такое представить? Вот и я не могу. Высший пилотаж! Причем это не был “альтернативный” учебник, которыми так богато наше время, а канонический труд, выдержавший множество переизданий, на нем выросло целое поколение химиков.

“Мы должны совершенно отказаться от надежды наглядно представить себе физический мир посредством сведения всевозможных явлений к механике атомов”, – писал Оствальд. Лозунг Оствальда “Не сотвори себе кумира в виде образа!” был практически реализован создателями квантовой механики, которые отказались от какой-либо наглядности в физике и свели все к абстрактным математическим построениям. Они, конечно, не отрицали существования атомов, но споры о том, можно ли увидеть эти атомы и тем более манипулировать ими, не стихали несколько десятилетий. Споры эти разрешились уже на нашей памяти, когда физикам удалось осуществить и то и другое. Это произвело на ученых столь сильное впечатление, что затмило прошлые достижения всех смежных наук и позволило им говорить о наступлении новой эпохи в развитии науки – эпохи нанотехнологий.

Вот об этих открытиях я и расскажу в последующих главах. И, прочитав эту книгу, читатель поймет, почему ее автор утверждает: история нанотехнологий началась гораздо раньше, чем полагают многие.

Глава 2 О величии и юбилейных рейтингах

Принято считать, что в XVIII веке в России был только один великий ученый – Михаил Васильевич Ломоносов. Но мало кто помнит (или знает), что в том же столетии в нашей стране жил и работал ученый, имеющий не меньше, а может, и больше оснований считаться великим, и звали его Тобиас Ловиц. И его открытия прямо связаны с нанотехнологиями.

Тобиас Ловиц родился в Германии, в Гёттингене, в 1757 году. В Россию он попал в десятилетнем возрасте, когда его отца, астронома Георга Ловица, пригласили работать в Петербургскую академию наук. Вскоре они отправились в экспедицию в прикаспийские степи и в самом ее конце, уже при возвращении, случилось трагическое происшествие, первое в череде несчастий, с удивительным постоянством преследовавших Тобиаса всю его жизнь. Вот как описал это происшествие А.С. Пушкин в “Истории Пугачёва”: “Пугачёв бежал по берегу Волги. Тут он встретил астронома Ловица и спросил, что за человек. Услышав, что Ловиц наблюдал течение светил небесных, он велел его повесить поближе к звездам”.

Каким образом удалось выжить в этой передряге семнадцатилетнему Тобиасу, история умалчивает, но пережитое нервное потрясение сказывалось многие годы, подрывая и без того некрепкое здоровье. Юношу определили на казенный кошт в петербургскую Академическую гимназию, а вскоре он стал подрабатывать учеником аптекаря в Главной аптеке. Эмигрантский хлеб горек, и в какой-то момент Ловиц решил вернуться на родину, где он два года изучал медицину в Гёттингенском университете. Затем он во второй раз, уже по собственной воле, отправился в Россию, страну богатейших возможностей, в которую в ту пору ехали многие, особенно немцы, а уезжали из России единицы.

Ловиц так и не закончил курса ни гимназии, ни университета, в сущности, он был гениальным ученым-самоучкой, на практике овладевавшим всеми премудростями науки. Работать он устроился все в ту же Главную петербургскую аптеку, где увлекся химией. В ту пору аптеки наряду с университетами были средоточием научной жизни, а лаборатория, в которой выпало работать Ловицу, оснащением превосходила химическую лабораторию Академии наук, которая после смерти ее основателя, М.В. Ломоносова, постепенно приходила в упадок.

Второе пришествие сложилось лучше первого. Ловиц в совершенстве овладел русским языком, звался на русский манер Товием Егоровичем, имел хорошую работу. Вот только семейная жизнь не задалась – четверо детей умерли во младенчестве, а затем сошла в могилу и жена. “Он не знал других радостей кроме тех, что доставляли ему его химические открытия” – так напишут через много лет в его некрологе.

А открытия не заставили долго ждать. Первое, и для целей нашей книги самое важное, случилось всего лишь через год после начала работы, в 1785 году. Дело было так. Ловиц занимался приготовлением чистой винной кислоты перекристаллизацией ее из раствора. Эксперименты раз за разом не удавались – кристаллы были неизменно окрашены в грязный, бурый цвет. Но вот однажды колба разбилась и содержимое вылилось в песчаную баню, в которой помимо песка было много угольной пыли, – для нагревания в тогдашних лабораториях использовали уголь. Будь мы на месте Ловица, непременно вывалили бы всю эту кашу в помойное ведро и, тяжело вздохнув, принялись бы за новый эксперимент. Но чем отличается великий ученый от нас, простых смертных? Ловиц не поленился собрать разлитый раствор, отфильтровать, выпарить и в результате получил изумительно чистые кристаллы. А еще он понял, что все примеси, столь мешавшие ему, осели на частичках угля.

Так Ловиц открыл явление адсорбции – поглощение твердыми телами различных веществ из жидких растворов или из газов. “Это открытие одно сделало бы имя Ловица бессмертным”, – писал его первый биограф А.И. Шерер. И вы, несомненно, согласитесь с этим мнением, узнав, что одним из первых приложений открытого явления стала очистка “хлебного вина”, попросту водки, от сивушных масел. Путь от открытия до практического внедрения был пройден всего лишь за год, новый способ очистки получил широкое распространение как в России, так и за рубежом и применяется, по сути, до сих пор.

Адсорбция – одно из важнейших явлений в науке и один из наиболее универсальных приемов в технологии. Ловиц неустанно расширял сферы приложения своего открытия. С одной стороны, он пополнял список возможных адсорбентов , твердых тел-поглотителей, используя не только древесный, но и животный, костяной и каменный угли. С другой стороны, применял адсорбцию для очистки все новых веществ – лекарственных препаратов, питьевой воды, селитры, составной части использовавшегося тогда черного пороха, и многих других. Практический эффект этих работ был настолько велик, что Ловица уже в 1787 году избрали членом-корреспондентом, а в 1793 году – действительным членом Петербургской академии наук, он занимал руководящие посты в Медицинской коллегии и в Вольном экономическом обществе, аналоге современной Торгово-промышленной палаты.

Вот еще один пример “адсорбционных” изысканий Ловица. В те времена сахар в России был малодоступным и дорогим импортным продуктом. Зато у нас было много меда, вот Ловиц и попытался приготовить отечественный сахар, выделяя его из меда с помощью адсорбции на угле. Сладкий компонент меда он выделил, но это был не сахар. Ловиц назвал его “несовершенным” сахаром, мы знаем его под именем “фруктоза”. Многие почитают ее куда более совершенным продуктом, чем сахар. Как бы то ни было, именно с этой работы Ловица ведут отсчет исследований по химии сахаров в России.

Ловица считают также основоположником еще одной важнейшей области науки – кристаллографии или, более широко, кристаллохимии. Он был первым ученым, систематизировавшим кристаллы. Результатом исследования стали 288 восковых моделей возможных форм кристаллов и богатейшая коллекция природных минералов. К слову сказать, строгий математический анализ всего разнообразия возможных кристаллических структур был осуществлен спустя век российским ученым Евграфом Степановичем Фёдоровым. Общее число открытых им пространственных групп, называемых поныне “группами Федорова”, составило 230. Товий Егорович не сильно промахнулся.

Занимаясь кристаллизацией при низких температурах, Ловиц изобрел одну из самых известных охлаждающих смесей – смесь хлорида кальция со снегом. Электрических холодильников тогда не было, так что изобретение имело важнейший практический смысл. Эта простая смесь позволила получить невиданно низкую по тем временам температуру – около -50° по школе Цельсия. При ней замерзала даже ртуть в ртутном термометре. Это свойство Ловиц умело использовал при демонстрации своего изобретения перед коллегами в Академии наук или перед членами императорской фамилии. Он намораживал килограмм ртути на деревянную палку и этим ртутным молотком забивал гвозди в доски. Публика была в восторге. Блестящий пиаровский ход, как сказали бы в наше время.

Впрочем, в наше время мы знаем обратную сторону этого изобретения и каждую зиму поминаем его недобрыми словами. Ведь именно хлоридом кальция посыпают городские улицы, чтобы растопить снег и лед, в результате даже в трескучий мороз мы хлюпаем по лужам.

Чуть меньше повезло Ловицу с открытием новых химических элементов. То есть открыть-то он их открыл, стронций – в 1792 году в тяжелых шпатах, а хром – в 1798 году в минерале крокоит, который тогда называли “сибирским красным свинцом”. Но приоритет достался другим. Считается, что стронций открыли шотландцы Уильям Крюйкшенк и Адер Кроуфорд в 1787-м, а хром – француз Луи Никола Воклен в 1797-м, что интересно, в том же самом крокоите. Подвела Ловица медленность распространения научной информации – ну не было тогда Интернета! Что не помешало ему выполнить важные исследования по химии стронция и хрома, а также титана и ниобия – еще двух экзотических по тем временам элементов.

Мы прошли только верхнюю часть перечня научных свершений Ловица, но и этого более чем достаточно для одного человека. Тем более что прожил он недолго даже по меркам того времени – 47 лет. Ловиц с детства не отличался крепким здоровьем, а тут еще многочисленные личные несчастья, вредная химия и привычка ученых того времени лично оценивать органолептические свойства получаемых ими веществ – цвета, запаха, вкуса. Даже не столько привычка, сколько непременное требование. Это стоило жизни одному из величайших химиков всех времен Карлу Шееле, тоже, кстати, аптекарю. Он умер в своей лаборатории, по одной из версий, понюхав синильную кислоту.

Ловицу в этом отношении повезло чуть больше, но и его лабораторные журналы содержат такие заметки: “маленькое зернышко прокаленной стронциановой земли величиной с булавочную головку причиняет при прикосновении к языку сильную, продолжающуюся несколько дней жгучую боль” или “кроме длящейся почти восемь дней мучительной боли в горле, случилось также, что, когда по моей неосторожности газ вышел из сосуда, я внезапно потерял сознание и упал на землю” (роль газа исполнял хлор). Но наибольшие неприятности принесло Ловицу обычное стекло – оно выпало из дверцы шкафчика с минералами и перерезало сосуды и сухожилия левой руки. В результате рука высохла и перестала действовать. И хотя превосходный механик П.Д. Кесарев, работавший с И.П. Кулибиным, изготовил Ловицу протез, на сложных химических экспериментах был поставлен крест.

“Самому себе – мало, всем нам – много”. Эти слова, высеченные на латыни на надгробном камне Ловица, удивительно точно отражают не только жизнь ученого, но и посмертную память о нем. Его открытия жили и расцветали, а память о нем самом постепенно истлевала. Это, к сожалению, довольно распространенное явление, в истории науки множество примеров того, как вклад одних ученых был непомерно раздут, а их современники, куда более заслуженные, были попросту вычеркнуты из поминальника.

Слава ученого определяется не столько его научными достижениями, сколько привходящими обстоятельствами. Во-первых, активной саморекламой, которая задвигает на задний план более скромных коллег, особенно успешно эта операция проходит, если удастся пережить соавторов. Во-вторых, националистическими и идеологическими соображениями. Помнится, мы иронизировали над потугами советских учебников найти русский след во всех научных открытиях, но это свойственно всем странам, всем народам, во все времена. Зайдите в Музей науки в Эдинбурге, и вы узнаете, что все на свете на самом деле изобрели шотландцы. В-третьих, посмертная слава ученого в очень большой степени зависит от биографа.

Ловицу и тут не повезло, в который раз и даже дважды. Он был немцем, и ему достался никудышный биограф. А.И. Шерер сам метил в академики, он опубликовал лишь одну статью о Ловице и не сделал прославление своего “клиента” делом жизни. Следующего биографа пришлось ждать 150 лет, срок слишком долгий для человеческой памяти.Лишь в 1955 году известный химик и историк науки Николай Александрович Фигуровский (1901–1986) добился публикации избранных трудов Ловица по химии и химической технологии и написал о нем несколько статей. Именно из его блестящих работ по истории химии мы узнали о выдающемся российском ученом Ловице.Но вернемся к главному открытию Ловица – явлению адсорбции.

В широком смысле адсорбция – концентрирование вещества на границе раздела фаз, и с этой точки зрения образование мыльной пленки на поверхности воды тоже, несомненно, адсорбция. Но об этом мы поговорим в следующих главах, здесь же сосредоточимся на более узком понимании адсорбции как поглощении различных веществ твердыми телами или, точнее, поверхностью твердых тел.

“Поверхность” – ключевое слово как для адсорбции, так и в целом для нанотехнологий. “Поверхность создана дьяволом!” – воскликнул раздраженно Вольфганг Паули. Согласимся с мнением выдающегося ученого и добавим: создана на горе физикам-теоретикам и на благо людям.

Дело в том, что объемные свойства твердых тел могут быть с высокой степенью точности рассчитаны, исходя из “первых принципов”, из свойств составляющих тело частиц. Внутри кристалла, например, каждый атом (ион) плотно окружен со всех сторон другими атомами (ионами), и эта структура с потрясающей регулярностью воспроизводится во всем объеме кристалла. На поверхности ситуация меняется, поверхностный атом с одной стороны окружен своими товарищами, а с другой – открыт окружающему миру. Он обладает большей, по сравнению с внутренними атомами, энергией и притягивает к себе разнообразные вещества из окружающей среды – адсорбирует их. В принципе и эта задача, как говорят теоретики, счетная, но только в случае идеальной, плоской поверхности. В реальности же мы имеем на поверхности трещинки, выступы и другие дефекты, кроме того, даже у идеального кристалла есть не только грани, но и ребра, и вершины, сидящие там атомы находятся в разном окружении. Тут сам черт голову сломит.

Но это еще полбеды. Поверхность любого твердого тела не только обладает избыточной энергией по сравнению с его внутренностью, она еще отличается от нее по химическому составу. Возьмем, например, монокристалл кремния, из которого делают любимые нами чипы, и расколем его пополам. При этом мы разорвем химические связи между атомами кремния, а природа, как известно, очень не любит разорванные связи. Если мы не предпримем специальные меры предосторожности и не удалим из окружающей среды кислород и воду, то “ненасыщенные” атомы кремния, находящиеся на поверхности разлома, немедленно вступят с ними во взаимодействие. Это будет даже не адсорбция, а настоящая химическая реакция. Что будет представлять собой при этом поверхность? Все зависит от того, с какой стороны на нее посмотреть. С одной – вроде бы кремний, с другой – диоксид кремния, с третьей – кремниевая кислота, а на самом деле ни то, ни другое, ни третье, но в любом случае нечто отличное от объема кристалла. Ученые с этим разбирались десятилетиями, но – разобрались.

Для нас сейчас важнее всего то, что какой бы ни была химическая структура поверхности, она все равно останется поверхностью, границей раздела фаз “твердое тело – газ” или “твердое тело – жидкость”, и будет исправно адсорбировать различные вещества. Более того, изменчивость свойств поверхности мы можем обратить себе на пользу. Исходя из одного и того же твердого тела и направленно изменяя свойства его поверхности, мы можем получать разные сорбенты, необходимые нам для решения конкретных практических задач.

Понятно, что чем больше поверхность твердого тела, тем большее количество вещества оно может поглотить. Также понятно, что для практических приложений важна не столько общая поверхность, сколько ее удельная величина, отнесенная к единице веса или объема сорбента. Как можно увеличить удельную поверхность твердого тела? Представим себе сплошной кубик с ребром 1 см. Легко подсчитать, что его поверхность составит 6 см2. А теперь возьмем дрель со сверлом диаметром несколько нанометров и начнем просверливать в кубике сквозные отверстия – поры, создавая при каждом проходе новую поверхность. В итоге мы получим все тот же кубик, но с суммарной поверхностью в сотни квадратных метров. Это именно та величина, которая нужна для практического применения.

У природы и ученых есть в арсенале более изощренные методы создания твердых тел с высокой удельной величиной поверхности, чем механическое сверление, но общий принцип сохраняется: все практически важные сорбенты имеют внутреннюю пористую структуру, характеризующуюся наноразмерами .

Таков активированный уголь, таблетки которого мы глотаем при желудочных отравлениях. Получают его до сих пор почти по Ловицу, обжигом без доступа воздуха древесины или костей животных, но лучше всего – скорлупы кокосовых орехов. Активацию полученного таким образом угля осуществляют попросту обработкой перегретым водяным паром, при этом вскрываются и очищаются внутренние поры, диаметр которых составляет несколько нанометров. После такой обработки активированный уголь готов принять на своей поверхности всякую гадость из содержимого нашего желудка, вредные вещества из питьевой воды или смолы из табачного дыма.

Другой сорбент, не менее важный и также встречающийся вам в быту, – силикагель. Пакетики с ним часто кладут в упаковку различных товаров, чтобы не отсыревали, – силикагель прекрасно сорбирует влагу из воздуха. По своему составу силикагель – тот же песок, только пористый. И получить его можно из песка с помощью незамысловатых операций – обработка щелочью, обработка кислотой, нагревание. Хитрость кроется в режимах обработки. Варьируя их, получают огромное количество марок силикагеля с различными диаметрами пор, в единицы и десятки нанометров.

И, говоря о сорбентах, нельзя обойти вниманием цеолиты – одно из самых совершенных и красивых творений мира неорганической природы. Казалось бы, обычная глина (даже и по составу), но заглянем внутрь! Представьте себе полость в форме правильного многогранника – кубооктаэдра, соединенную шестью “окнами” правильной формы с шестью точно такими же полостями и так до бесконечности, с регулярностью идеального кристалла. Собственно, цеолиты и являются кристаллами, но очень своеобразными. У меня же при взгляде на их структуру возникает другая ассоциация – с громадной космической станцией, одинаковые отсеки которой соединены между собой шлюзами.

Внутренний диаметр полости составляет 1,1–1,2 нм, форма же и диаметр “окон” зависит от типа цеолита. Бывают квадратные окна с диаметром менее 0,1 нм, шестичленные – 0,22 нм, восьмичленные – 0,4–0,5 нм, двенадцатичленные – 0,8–0,9 нм.

Как минералы цеолиты известны с незапамятных времен, но на их необычные свойства первым обратил внимание шведский естествоиспытатель Аксель Фредрик Кронштедт. В 1756 году он обнаружил, что при нагревании стильбита, минерала семейства алюмосиликатов, происходит вспучивание – увеличение объема образца, сопровождающееся выделением воды. Поэтому он и ввел термин “цеолит”, что в переводе с греческого означает “кипящий камень”. Впоследствии оказалось, что аналогичным свойством обладают и другие минералы этого семейства – клиноптилолит, морденит, фожазит, шабазит.

Ученые, расшифровав структуру цеолита более полувека назад, задались амбициозной целью воспроизвести и превзойти Природу. Это удалось сделать практически одновременно исследователям из СССР, США и Великобритании. Они разработали технологии производства синтетических цеолитов, позволявшие получать вещества с заданной структурой, не встречавшиеся ранее в природе. К настоящему времени синтезировано и изучено уже более 500 различных цеолитов, различающихся формой и размерами полостей и окон, составом и свойствами. В частности, ученые научились варьировать в относительно широких пределах (до 1,5 нм) размер пор цеолита.

Зачем это нужно? Алюмосиликаты, в частности глины, сами по себе являются хорошими сорбентами и с большей или меньшей эффективностью поглощают все компоненты сложных смесей. Но в цеолитах в дело вмешивается размерный фактор. В коммерческом цеолите А, например, диаметр входных отверстий составляет 0,22 нм, что совпадает с размером молекулы воды. Молекулы больших размеров просто не пролезут в цеолит, поэтому из влажной смеси газов цеолит А сорбирует только воду. Благодаря этому свойству цеолиты называют часто молекулярными ситами. При этом цеолиты поглощают воду до тех пор, пора она полностью не заполнит все свободное пространство внутри сорбента, все полости и поры.

Еще ярче молекулярно-ситовой эффект проявляется в случае углеводородов. Цеолиты с диаметром пор 0,4–0,5 нм пропускают внутрь линейные молекулы и дают от ворот поворот их разветвленным изомерам. Это свойство применяется в процессе депарафинизации керосино-газойлевых и масляных фракций нефти. Проблема состоит в том, что линейные (нормальные) углеводороды обладают высокой температурой застывания и их удаление из фракции снижает температуру застывания моторных топлив и масел, что чрезвычайно важно для России с ее зимними холодами.

С цеолитами вы сталкиваетесь и в быту, ведь современные стиральные порошки содержат от 15 до 30 % цеолитов. Они избирательно поглощают из воды ионы кальция и магния, именно поэтому современные стиральные порошки можно использовать в воде любой жесткости.

Но основная область применения цеолитов все же не адсорбция, а процессы нефтепереработки, где они произвели настоящую революцию. Они не только заменили в ряде процессов платиновые катализаторы, что само по себе поразительно, настолько сильно они различаются по химической природе и цене. При этом они еще позволили увеличить эффективность процессов: если в 1980 году, до внедрения синтетических цеолитных катализаторов, на производство одной тонны моторного топлива расходовали две тонны нефти, то сейчас – менее полутора.

Впрочем, мы заступили на поле катализа, о котором речь пойдет впереди, сразу в нескольких главах, ведь катализ – одна из основных областей нанотехнологий. Поэтому не будем больше углубляться в этот вопрос и подчеркнем лишь одну общую мысль: свойства поверхности зависят не только от ее химического состава и условий обработки, но и от геометрии. В наибольшей степени этот эффект проявляется при радиусе кривизны поверхности порядка нанометров, возможно, за счет роста напряжений и избыточной поверхностной энергии. Именно поэтому свойства поверхности, обрамляющей поры полости цеолитов, столь разительно отличаются от свойств плоских поверхностей алюмосиликатов с близким химическим составом.

Ученые имеют в запасе еще один мощный метод изменения свойств поверхности и тонкого регулирования структуры сорбентов или, в более общем случае, твердых тел. Представляю его с особым удовольствием, потому что с ним связаны пятнадцать лет моей жизни. Речь идет о химическом модифицировании поверхности. Конкретно мы занимались прививкой разнообразных органических соединений к поверхности неорганического вещества – силикагеля. Тогда совмещение воедино столь разных субстанций называлось скрещиванием ужа и ежа, аналогия нашего времени, порожденная рекламой, – пересадка волос на лысину. То, что мы получали, было действительно похоже на ежика – частокол органических молекул, накрепко связанных с поверхностью. Толщина этого слоя равнялась длине молекулы, то есть 1–2 нм.

Зачем мы этим занимались? Во-первых, это была интересная научная задача, находящаяся на переднем крае науки того времени, 70–80-х годов прошлого века. Во-вторых, получаемые материалы имели просто необъятное поле применения, в том числе в качестве сорбентов. Целенаправленно выбирая структуру прививаемого органического соединения, мы синтезировали сорбенты для извлечения из растворов конкретных ионов металлов, определенных органических веществ, аминокислот, белков и других биологически активных соединений. Извлечения и разделения. Разделения и определения. Затем, уже в новые времена, мы организовали производство разработанных нами сорбентов, их ассортимент сейчас измеряется сотнями наименований, они широко используются для мониторинга загрязнений окружающей среды, химического и биохимического анализа, в биотехнологии. Это была славная охота!

Число работ, выполненных в этой области, огромно. Одни группы исследователей покрывали поверхности плотным слоем неорганических веществ толщиной от одного атома до нескольких нанометров, другие использовали для этой цели готовые полимеры или осуществляли реакции полимеризации на поверхности, третьи закрепляли на поверхности белки и ферменты – классические нанообъекты и т. д. Не будет большим преувеличением сказать, что к концу прошлого века ученые могли привить что угодно к любой поверхности.

Достигнутый уровень технологий в этой области таков, что позволяет делать просто феноменальные вещи. Берут, например, стеклянную пластинку 1×1 см, мысленно разделяют ее на десять тысяч участков и на каждый участок прививают, уже реально, а не мысленно, какое-то конкретное соединение. В сущности, получают сборку из десяти тысяч различных сорбентов, каждый из которых настроен на связывание определенного, индивидуального вещества. Если учесть, что размер каждого участка сопоставим с размером подковки для блохи, то все это не что иное, как изготовление десяти тысяч различных подковок и прибивка их в строго определенном порядке.

Затем окунают эту пластинку в раствор, вынимают, промывают и рассматривают в “мелкоскоп”, чтобы определить, на каких участках прошла адсорбция, и так определяют вещества, которые содержались в испытуемом растворе и число которых может измеряться тысячами.

Фантастика, скажете вы. Да нет, обычный биочип, выпускается с начала 1990-х годов. Не придавайте большого значения слову “чип”. Дело в том, что американская компания “Affimetrix”, первой запустившая их производство, использовала при этом некоторые технологические приемы из микроэлектронной промышленности. Это единственная связь биочипов с микроэлектроникой. Их применяют для сложных биохимических анализов. Например, с их помощью можно быстро проанализировать геном пациента и определить его предрасположенность к тому или иному наследственному заболеванию. Есть все основания надеяться, что в недалеком будущем эта процедура станет вполне рутинной и доступной всем нам по цене.

Завершая этот панегирик явлению адсорбции и работающим в этой области исследователям, наследникам Ловица, еще раз подчеркнем универсальность применений адсорбции. Не будь ее, мы бы давно отравились водой, которую пьем, и воздухом, которым дышим. (Здесь нас спасают природные механизмы адсорбции, но и разнообразные очистные сооружения тоже вносят заметный вклад.) Сорбенты используют для опреснения морской воды, для выделения ценных металлов из руд, для производства множества товаров, используемых нами в быту, для анализа загрязнений окружающей среды и контроля качества продукции. В общем, невозможно представить нашу сегодняшнюю жизнь без сорбентов, которые, как неоднократно и специально подчеркивалось, почти все имеют наноструктуру.И вот на этом фоне в последние несколько лет зазвучали заявления, что нанотехнологии позволят создать высокоэффективные сорбенты нового поколения. Специалистов взяла оторопь: а мы-то чем всю жизнь занимались, как не созданием этих самых сорбентов? Занимались, но на основе устаревших принципов, отвечают им, а нанотехнологии… (далее по тексту). И вот уже в новостных лентах, публикациях СМИ, в лекциях и научно-популярных статьях начинают появляться примеры сорбентов нового поколения, полученных методами нанотехнологий.Одну из таких разработок охочие до сенсаций и составления всяческих рейтингов журналисты включили даже в “лучшую пятерку нанодостижений” года[4]. Подкупает, конечно, важность поставленной задачи: очистка питьевой воды от соединений мышьяка. Эта проблема очень остро стоит в некоторых развивающихся странах Азии и Африки. По данным Всемирного банка, число людей, страдающих от заболеваний, вызванных мышьяком, составляет около 65 миллионов. А Национальная инженерная академия США установила премию в один миллион долларов для того, кто предложит простой, дешевый и эффективный способ решения проблемы. Неудивительно, что сразу несколько групп исследователей стали работать в этом направлении.

Больше всех преуспели специалисты из Университета Райса в Техасе под руководством Вики Колвин. Они предложили использовать для связывания соединений мышьяка ржавчину, измельченную до частиц наноразмеров. Технология очистки в полной мере отвечает поставленным требованиям: вы всыпаете в загрязненную воду немного порошка из баночки, взбалтываете, вытягиваете частицы из раствора с помощью обычного магнита и в результате получаете воду, пригодную для питья, согласно действующим стандартам.

Несколько лет назад относительно молодой (р. 1965) американский ученый иорданского происхождения Омар Яги (Omar Yaghi) из Университета Калифорнии получил очень интересные кристаллические вещества, внутренняя структура которых чрезвычайно похожа на цеолиты – те же полости и окна с размером менее одного нанометра. Но в отличие от цеолитов, содержащих атомы кремния, алюминия и кислорода, эти материалы собраны из органических молекул[5] и ионов металлов – цинка или кобальта. Структурой и судьбой им предопределено быть хорошими адсорбентами, и действительно – кобальтовый “цеолит” хорошо поглощает маленькие молекулы углекислого газа, целых 89 литров на литр сорбента.

Это послужило основанием для громогласного заявления: “Техническая сторона проблемы избирательного удаления углекислого газа решена. При помощи разработанных нами структур можно создавать ловушки именно для СО_2, не задерживая остальные газы. Захваченный газ хранится в специальном резервуаре, и, до тех пор пока этот резервуар не будет вскрыт, СО2 там будет пребывать”. Ключ к успеху – способность сорбента поглощать углекислый газ “на уровне молекул”. Это должно было найти отклик в душах присутствующих: сразу виден прогресс науки, мы теперь можем работать на уровне атомов и молекул, не то что раньше, до эпохи нанотехнологий! Мы-то с вами понимаем, что ни на каком другом “уровне” углекислый газ поглотить невозможно, потому что молекула – это форма его существования. Но государственным чиновникам, которым, собственно, и был адресован этот пассаж, не до этих тонкостей, они мыслят глобальными категориями. Предмет их главных, доходящих до маниакальной одержимости забот – техногенные выбросы углекислого газа, и они готовы щедро финансировать любые работы по его поглощению из атмосферы и последующему захоронению.

Они, конечно, обращаются к экспертам. Сорбент хороший? Очень интересный! Много углекислого газа поглощает? Много, отвечает эксперт, подразумевая: для сорбента. Дело в том, что литр щелочи средней концентрации поглощает еще больше углекислого газа, но это не сорбция и уж тем более не нанотехнологии, это добрая, старая “школьная” химия. Вопроса о том, можно ли с помощью этого сорбента решить проблемы выбросов углекислого газа, уже не следует, все и так понятно.

На самом деле ответ на вопрос получить нетрудно, если знать (или рассчитать по элементарному, школьному уравнению реакции), что при сгорании одного литра бензина образуется ~1500 литров углекислого газа. Для его поглощения необходимо около 17 литров сорбента. Подозреваю, что вы уже прикидываете в уме, сколько килограммов (литров) такого сорбента вам необходимо будет взять с собой в поездку на дачу и сколько лишнего бензина вы при этом сожжете. Подозреваю также, что для поглощения углекислого газа, извергаемого за один лишь день автотранспортом Москвы, потребуется израсходовать весь общемировой запас кобальта.

Как при этом расценивать приведенное выше заявление – как некомпетентность или блеф? Руководствуясь презумпцией невиновности и принципами уважительного отношения к коллегам, склоняюсь к мысли, что это все же блеф.

Да, блефа в нанотехнологиях много. Отчасти это порождается самой системой финансирования науки. Если, например, в нашей стране реально финансируются только работы в области нанотехнологий, то исследователи при подаче заявок на гранты просто вынуждены вставлять куда ни попадя приставку “нано”. С волками жить – по-волчьи выть. В какой-то мере это можно по-человечески понять и извинить.

Но совсем другое дело – сознательный обман, чрезмерные и в принципе невыполнимые обещания или, наоборот, продажа заведомо устаревшей научной разработки, облеченной в упаковку звучных модных терминов. Наибольший ущерб этот “наноблеф” наносит самим нанотехнологиям. Общественность разочаровывается в них, потому что не видит примеров реализации “принципиально новых” технологий. Специалисты укрепляются в скептическом отношении к нанотехнологиям и почитают их самих широкомасштабным блефом, придуманным исключительно для “распила” огромных бюджетных средств. Не понимаем мы, что такое нанотехнологии и зачем они нужны, честно и задушевно говорят мне коллеги, а мы как работали, так и будем работать, по старинке, разрабатывая высокоэффективные сорбенты нового поколения. (Говорят они, конечно, немного по-другому, это я просто перевожу их высказывания на приличный, старорежимный язык.)

Дорогие коллеги, отвечаю я им, нанотехнологии – это очень просто, это то, чем вы занимались всю свою профессиональную жизнь. И прогресс нанотехнологий будет связан, в частности, с распространением опыта, накопленного вами в области синтеза и изучения свойств сорбентов, на другие отрасли науки.

Глава 3 Мисс Марпл коллоидной химии

Она была домохозяйкой. Звали ее Агнесс Луиза Вильгельмина Покелс. Родилась она в 1862 году в Венеции, которая входила в то время в состав Австрийской империи. Отец Агнесс был офицером австрийской армии. В 1871 году Покелсы перебрались в Нижнюю Саксонию, в Брауншвейг, где Агнесс и прожила всю свою долгую жизнь.

Она росла странным ребенком, ее не интересовали куклы и игра в дочки-матери, переходящая в игру жених-невеста, она испытывала противоестественное, по мнению окружающих, влечение к естественным наукам, заниматься которыми девушкам было непристойно и невозможно в силу особенностей их мышления. Ведь недаром женщин не принимали в немецкие университеты! Агнесс оставалось только с завистью смотреть на своего младшего брата Фридриха, который поступил в знаменитый Гёттингенский университет, а затем стал профессором теоретической физики в Гейдельберге и обессмертил фамилию Покелс в названии открытого им физического эффекта.

Но это было много позже. Пока же Агнесс читала учебники по физике своего брата-студента и занималась домашним хозяйством, проводя большую часть времени на кухне. Она мыла посуду и размышляла о поверхностном натяжении воды, о том, что вода, которая плещется в тазике, делает это с каждой минутой по-разному, что, очевидно, связано, с одной стороны, с поверхностным натяжением воды, а с другой – с жиром, которой смывается с тарелок.

Это явление настолько ее заинтересовало, что Агнесс решила заняться изучением влияния различных веществ на поверхностное натяжение воды. И в первую очередь, конечно, мыла, без которого не обходилась ни одна хозяйка, желавшая до блеска отмыть жирную посуду. Для исследований Агнесс сконструировала незамысловатое устройство; его ключевым элементом была пуговица, которую она клала плашмя на поверхность воды, а потом измеряла силу ее отрыва от поверхности. Так кухня стала научной лабораторией Агнесс.

Упорство, настойчивость, аккуратность – эти свойства выгодно отличают женщин от мужчин, и Агнесс Покелс обладала ими в полной мере. А еще немецкая методичность! Все это позволило ей получить огромный массив данных, проливающих свет на практически неизученную в то время область поверхностных явлений. Она не побоялась представить их на суд лорда Рэлея. Рэлей оказался человеком широким и непредвзятым, он не только прочитал письмо молодой женщины, но, оценив важность полученных данных, настоял на их публикации в престижнейшем журнале “Nature” (естественно, пришлось нажать на редакцию журнала). Статья Агнесс Покелс вышла в 1891 году со скромным названием: “Поверхностное натяжение”.

Будет большим преувеличением сказать, что статья произвела эффект разорвавшейся бомбы. Ее прочитали и отложили в сторону. Как это часто бывает, научное сообщество долго переваривало новую информацию, интенсивные исследования в этой области начались лишь четверть века спустя, в основном благодаря усилиям Ирвинга Ленгмюра (1881–1957).

Немного изменила эта статья и в жизни самой Агнесс Покелс. Она постепенно оставила занятия наукой. Через сорок лет пришло запоздалое признание. В 1931 году она получила награду Коллоидного общества, а в следующем году Технический университет Брауншвейга пожаловал ей звание почетного доктора философии. По странному совпадению, в том же году Ленгмюр получил Нобелевскую премию по химии “за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений”. Агнесс так и осталась домохозяйкой, не вышла замуж и всю жизнь прожила одна. Скончалась она в 1935 году – мисс Марпл коллоидной химии.

Что же все-таки сделала Покелс? Она впервые изучила то, что лежало на поверхности буквально и метафорически.

В истории человечества довольно много примеров того, как люди десятилетиями и даже столетиями используют какое-нибудь умение, не понимая сути лежащего в его основе явления, – технологии часто опережают науку. В этом нет ничего удивительного, ведь для подавляющего большинства людей практический результат превалирует над пониманием – для того чтобы пользоваться электронными приборами, вовсе не обязательно знать, как в них течет электрический ток. Ученые – люди любознательные, но и им зачастую не удается докопаться до истины в силу объективных причин, например отсутствия необходимых инструментов исследования. Кроме того, ученые тоже люди, и над ними также часто довлеет практический результат, оптимизировать технологию можно и без понимания сути явления, которая остается, по выражению ученых, “черным ящиком”. И наконец, ученые всегда стремятся к открытию новых явлений, это намного интереснее и престижнее объяснения давно известного, старого.

Вот так и получилось, что люди узнали о существовании мыла тысячи лет назад, научились его варить сотни лет назад, не имея ни малейшего понятия, что оно собой представляет и почему, собственно, смывает грязь. Первый вопрос прояснил в 1808 году французский химик Мишель Эжен Шеврёль (1786–1889[6]), среди прочего – иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук. Он был пионером в исследовании химического строения растительных и животных жиров, ему, в частности, принадлежит патент на изготовление хорошо нам известных стеариновых свеч, он его получил вместе с Жозефом Гей-Люссаком.

Неудивительно, что именно к Шеврёлю обратились владельцы некой текстильной фабрики с просьбой установить состав мыла, ведь его получали из животного жира обработкой содой. Ну и Шеврёль установил, что мыло – это натриевая соль длинной органической кислоты. Такие кислоты с тех пор так и называются – жирными. Внешне молекула мыла похожа на гусеницу: небольшая, хорошо смачивающаяся водой “головка” и длинный гидрофобный (плохо смачивающийся водой) “хвост”. Впрочем, такие детали химики начала XIX века не могли даже вообразить, так что они удовлетворились установлением состава мыла и забыли о нем на многие десятилетия.

Заслуга Агнесс Покелс заключается в том, что она привлекла внимание ученых к этим, с одной стороны, хорошо известным, а с другой – абсолютно неизученным веществам. Она обнаружила, что мыло уменьшает поверхностное натяжение воды, что его молекулы каким-то образом “выносятся” на поверхность воды и изменяют ее свойства. Эти вещества были названы поверхностно-активными. Сейчас сокращение ПАВ известно всем и не нуждается в расшифровке[7] .

Обнаруженный эффект гораздо проще объяснить с высоты нашего современного знания. Молекулам мыла, в целом плохо смачивающимся водой, некомфортно в толще воды, намного выгоднее им находиться на поверхности, опустив головку в воду и выставив хвост наружу. Опять полная аналогия с гусеницей, вгрызающейся в яблоко. Хвост может свободно изгибаться, но когда молекул на поверхности станет очень много, они покроют ее плотным слоем с частоколом вытянутых в струнку хвостов. Если смотреть снаружи на поверхность мыльной воды, то это будет уже и не вода, а нечто очень похожее на… масло.

Масло и вода – опыты Бенджамина Франклина. Он получал слои масла толщиной в несколько нанометров, двигаясь к ним, как сейчас принято говорить, сверху вниз, растягивая каплю жидкости сантиметрового диаметра в тонкую пленку площадью в сто квадратных метров. Покелс пришла к похожим слоям, двигаясь снизу вверх, от изолированных молекул, свободно плавающих в водном растворе, к их ассоциату бесконечной протяженности, состоящему из плотно прилегающих и определенным образом ориентированных молекул. Конечно, все это еще предстояло доказать, но направление движения Покелс задала.

Ответа же на вопрос, почему мыло смывает жир и грязь, пришлось ждать еще четверть века. Начало разгадке положил в 1913 году канадский химик Джеймс Уильям Макбейн (1882–1953), работавший тогда в английском Университете Бристоля. Он изучал электропроводность растворов мыла, которая оказалась аномально высокой. Для объяснения полученных результатов он предположил, что самоорганизация молекул мыла может протекать не только на поверхности, но и в объеме раствора. Следуя Макбейну, мы можем зримо представить, как это происходит: гидрофобные “хвосты” молекул мыла сплетаются между собой, образуя подобие капельки масла, поверхность которой покрыта гидрофильными “головками”, обращенными к воде. Эти гипотетические частицы Макбейн назвал мицеллами.

Последующие исследователи подтвердили правильность его предположения. Оказалось, что размер мицелл наиболее распространенных ПАВ составляет несколько нанометров , а в их состав входит несколько десятков молекул. Формируются мицеллы весьма необычно. Логично было бы предположить, что сначала в растворе образуются агрегаты из двух молекул, потом из трех и так до тех пор, пока не возникнет полноценная мицелла. Для нас, высших животных, такое поведение вполне естественно. Когда-то наши предки бродили в одиночестве по лесам и степям, потом стали сбиваться в семьи, роды, племена, чтобы в итоге превратиться в народ, нацию. Молекулы ПАВ ведут себя по-другому, при достижении некоторой критической концентрации в растворе они собираются в мицеллу без всяких промежуточных альянсов, раз – и готово! Кроме того, размер мицеллы остается практически постоянным при дальнейшем росте концентрации ПАВ, увеличивается при этом не число молекул ПАВ в мицелле, а число мицелл в растворе. То есть молекулы сразу находят оптимальный размер их сообщества, обеспечивающий им стабильное и комфортное существование, то, к чему мы, люди, приходим мучительным путем проб и ошибок.

Одно из важнейших свойств мицелл – способность поглощать молекулы гидрофобных веществ. Понятно, что “рабочим телом” здесь служит ядро мицеллы, сам процесс, по сути, аналогичен экстракции гидрофобных соединений из воды органическим растворителем типа бензина, а мицеллы служат экстракторами нанометровых размеров, или нанореакторами . Внешне же все выглядит как растворение в присутствии мицелл нерастворимых в воде соединений, поэтому оно получило название “солюбилизация”. Именно на этом эффекте основано действие мыла и других моющих средств.Но вернемся к слоям ПАВ на поверхности воды. Как уже было сказано, Агнесс Покелс выступила в качестве забойщицы этой области коллоидной химии, основные же исследования развернулись четверть века спустя. Вероятно, вы ждете рассказа об Ирвинге Ленгмюре, и, действительно, он вполне заслуживает звания одного из главных апостолов нанотехнологий. Но, с другой стороны, мужчин-ученых в нашей книге и так подавляющее большинство, что ни в коей мере не соответствует как доле женщин в науке, так и их реальному вкладу в научные открытия. Так что расскажу-ка я лучше об одной сотруднице Ленгмюра, которая во многих отношениях была первой.Кэтрин Блоджетт родилась в Скенектади, штат Нью-Йорк, 10 января 1898 года. За несколько недель до ее рождения в семье произошла трагедия: вооруженный грабитель, проникший в их дом, застрелил отца Кэти, начальника патентного отдела компании “Дженерал электрик”. Компания объявила награду в пять тысяч долларов за поимку убийцы, но потери было не вернуть. Впрочем, семья была достаточно обеспечена финансово, что позволило молодой вдове с сыном Джорджем и маленькой Кэти перебраться сначала в Нью-Йорк, а в 1901 году – во Францию, где они прожили одиннадцать лет.

После возвращения в США Кэти поступила в частную женскую школу в Нью-Йорке, а затем в женский Колледж свободных искусств в Брин-Маре, штат Пенсильвания. Не стоит пренебрежительно относиться к словам “женский” и “свободные искусства”. В то время в США, как и в большинстве других развитых стран, господствовала система раздельного обучения, что было, несомненно, шагом вперед по сравнению с исключительно мужским образованием. А “свободные искусства” включали математику и физику. По уровню их преподавания женские колледжи группы “Семь сестер”, в которую входил и Колледж Брин-Мар, не сильно уступали мужской Лиге плюща.

Незадолго до окончания колледжа произошло знаменательное событие. В рождественские каникулы группу школьниц направили на экскурсию в Скенектади, в исследовательскую лабораторию компании “Дженерал электрик”. Там еще работали люди, помнившие старину Блоджетта, так что Кэти встретили как родную. Ее представили новой “звезде” компании, довольно молодому, тридцатипятилетнему мужчине, докторанту Гёттингена, блестящему ученому и просто красавцу Ирвингу Ленгмюру. Судьба Кэти была решена: она будет работать вместе с ним и будет заниматься… тем, чем занимается он. “Сначала выучись”, – сказал Ленгмюр, отложив решение проблемы на потом. Девушка произвела на него сильное впечатление – своей любознательностью и энтузиазмом, проблема же заключалась в том, что в исследовательский центр “Дженерал электрик” не принимали женщин.

В 1917 году Блоджетт поступила в Чикагский университет. Ее дипломная работа была посвящена изучению адсорбции различных веществ активированным углем. Эта “вечная” тема имела самое непосредственное отношение к усовершенствованию противогаза, единственному средству защиты от отравляющих газов, широко применявшихся в Первой мировой войне. Не меньшее значение для Кэти имело и то, что ее работа находилась в русле научных интересов Ленгмюра.

Кэти стала-таки сотрудницей исследовательского центра “Дженерал электрик”. Подозреваю, что при этом руководители компании в первую очередь отдавали долг памяти ее отцу и лишь во вторую воздавали должное способностям девушки, но им не пришлось раскаиваться в своем решении.

Заниматься ей выпало не адсорбцией, а лампами накаливания. Компанию возглавлял Томас Эдисон, изобретатель этих самых ламп. Он был убежден, что идеальная лампочка получается только при использовании высокого вакуума. Ленгмюр, вскоре после своего прихода в компанию в 1909 году, доказал ошибочность этого взгляда. Лампы, заполненные азотом при нормальном давлении, светили сильнее и ярче, были проще в производстве и безопаснее. А еще Ленгмюр обнаружил, что нанесение тончайшего, нанометрового слоя окиси тория на поверхность вольфрамовой нити улучшает ее характеристики. Все эти изменения в технологии принесли компании огромную прибыль, неудивительно, что на работы в этой области были брошены лучшие силы.

В 1924 году компания направила Блоджетт на стажировку в Англию, в Кавендишскую лабораторию, которой в то время руководил Эрнст Резерфорд. Кэти не стушевалась в сугубо мужском коллективе, в состав которого входил, в частности, П.Л. Капица. Она стала первой женщиной, получившей докторскую степень по физике, в истории Кембриджского университета.

По возвращении из Англии Блоджетт наконец занялась делом своей жизни – изучением слоев поверхностно-активных веществ. К этому времени Ленгмюр изобрел устройство, вошедшее в историю под его именем, “ванну Ленгмюра”, которая действительно напоминала ванну, но с подвижными стенками. За счет этого можно было растягивать и сжимать слой мыла на поверхности воды. Ванна, мыло – эти слова ассоциировались с женщинами, возможно, поэтому Ленгмюр отдал эти исследования на откуп Кэти.

Они научились делать с молекулами мыла все, чего ни пожелаешь. При низких концентрациях молекулы плавали поодиночке на поверхности воды и вели себя как своеобразный двумерный газ. С ростом концентрации они конденсировались в плоские “жидкие” капли, а затем “застывали” в сплошной слой толщиной в одну молекулу, который при сжатии приобретал строго регулярную структуру, подобную кристаллу. Эти и многие другие полученные ими результаты были чрезвычайно интересны с научной точки зрения и вполне заслуживали присуждения Нобелевской премии, но их практическая значимость была нулевой. Ведь все эти слои получали на поверхности воды, субстанции, как известно, текучей и изменчивой.

Все переменилось, когда Блоджетт придумала, как переносить эти слои на твердую подложку. В том, что придумала это именно Кэти, сомнений нет. Да, в научной литературе употребляют словосочетание “слои (метод) Ленгмюра – Блоджетт”, но в патентах фигурирует только одна фамилия – Блоджетт. Наука наукой, а роялти врозь.

Метод чрезвычайно прост, как и все великое. Плотный слой мыла на поверхности воды можно уподобить прочному покрывалу, одна сторона которого, обращенная к воде, гидрофильна, а другая – гидрофобна. Возьмем теперь тонкую пластинку, подведем ее стоймя под слой мыла и начнем поднимать вертикально вверх. Вода будет стекать по стенкам, а “покрывало” будет плотно облегать поверхность пластинки. Этот опыт вы можете воспроизвести у себя дома, в тазу или ванне. Все, что вам нужно, – это вода, мыло и хорошо отмытая стеклянная пластинка, на которой вода растекается тонким слоем. Сделав все описанные выше манипуляции, вы получите пластинку, на которой вода собирается в капли. Получилось? Поздравляю, вы только что нанесли на поверхность пластинки слой толщиной в два нанометра и практически осуществили один из классических процессов нанотехнологий.

Технология , конечно, более сложна. Вы и сами, исходя из бытового опыта, уже догадались, что “покрывало” при таком подъеме непременно должно натягиваться и растягиваться, а там и до разрыва недалеко. Вот тут-то и пригодились подвижные стенки, которых, увы, нет в наших ванных. В сконструированном Блоджетт устройстве стенки постепенно сближаются, поддерживая постоянным давление (натяжение) в поверхностном слое. Искусство экспериментатора, желающего получить качественное покрытие, заключается в точном согласовании скорости подъема пластинки и скорости движения стенок ванны.

Как и во всяком деле, самым трудным был первый шаг. Перед Блоджетт, придумавшей, как нанести мономолекулярный слой на твердую поверхность, открылись широчайшие перспективы. Вот и вы, проделав на практике или мысленно описанный выше эксперимент, наверняка уже задавались вопросом: а зачем непременно поднимать пластинку снизу вверх, ведь это так неудобно, почему бы не опускать ее сверху вниз? Что ж, можно делать и так, но при этом “покрывало” ляжет на пластинку другой стороной. “Черный верх, белый низ” трансформируется в “белый верх, черный низ”. Тоже интересно! А кто сказал, что надо брать непременно “голую” пластинку? Действительно, можно взять пластинку с нанесенным на нее монослоем и тем же способом нанести поверх него еще один слой, и еще, и еще. А слои-то могут быть разными, и ориентированы они могут быть по-разному, и т. д. и т. п. Все это не что иное, как молекулярный конструктор, в который можно играть до бесконечности.

Сейчас в научно-популярной да даже и в научной литературе можно встретить утверждения, что в 1930-е годы метод Ленгмюра – Блоджетт вызывал чисто академический интерес, практическую же его реализацию стимулировало лишь развитие нанотехнологий – детища нашего времени. На самом деле это не так. Не будем забывать, что Ленгмюр с Блоджетт работали в компании “Дженерал электрик”, которую интересовали в первую очередь практические результаты.

Я уже рассказывал об оптических эффектах в тонких слоях, связанных с отражением света и интерференцией. Вот и Блоджетт обнаружила, что цвет получаемых ею “слоеных пирогов” зависит как от химической природы молекул поверхностно-активного вещества, так и от числа слоев. Она составила детальную цветную шкалу, позволявшую легко определять толщину нанесенного покрытия без каких-либо измерений. А еще Блоджетт обнаружила, что при определенных условиях покрытие вообще практически не отражает падающий свет, пропуская более 99 %. Оно не только само становится невидимым, но и делает идеально прозрачным стекло, на которое оно нанесено. “Просветленная оптика” – так это называется, и люди, профессионально занимающиеся фотографией, прекрасно знакомы с этим термином.

О создании “невидимого” стекла компания “Дженерал электрик” объявила в 1938 году, не вдаваясь в технические детали. Они стали известны из патента, полученного Блоджетт в 1940 году. Наилучшие результаты были получены ею при нанесении 44 (!) мономолекулярных слоев стеарата бария на поверхность стекла.

Не вина Блоджетт, что эти исследования были остановлены. Таково было решение компании, кроме того, в дело вмешалась Вторая мировая война. Блоджетт разрабатывала составы, предотвращающие обледенение самолетов, и рецептуру дымовых смесей, она занималась тем же, чем занимался в те годы Ирвинг Ленгмюр.

За сорок лет своей научной деятельности Блоджетт опубликовала тридцать научных статей и получила восемь патентов. В положенное время она все же вышла на пенсию и прожила еще почти двадцать лет в своем доме в Скенектади, городке, где она родилась и проработала всю жизнь. Мужем она так и не обзавелась и детей не родила. Единственный родной ей человек, брат Джордж, сгинул в начале 1950-х годов в джунглях Коста-Рики, разбившись на пилотируемом им спортивном самолете. А в 1957 году ушел из жизни Ирвинг Ленгмюр.

По воспоминаниям современников, Кэтрин была весьма активной дамой: играла в любительском театре, участвовала в разных гражданских и благотворительных мероприятиях, днем возилась в саду, по вечерам играла в бридж с друзьями, а по ночам наблюдала звезды в телескоп. Вот уж воистину интеллигентному человеку никогда не бывает скучно, даже наедине с самим собой он всегда найдет чем заняться.Кэтрин Блоджетт повезло в жизни в том смысле, что она смогла реализовать свои способности. И в то же время ее судьба чем-то напоминает судьбу Агнесс Покелс, не так ли?Сейчас фамилия Блоджетт на слуху у всего научного сообщества, хотя склоняют ее часто как мужскую не столько из-за мужского шовинизма (грешат этим и женщины), сколько из-за пренебрежения историей вопроса, историей всего. Ежегодно проводятся научные конференции, посвященные исключительно слоям Ленгмюра – Блоджетт, сокращение ЛБ (LB) не нуждается в расшифровке в специальной литературе. Интерес к ним действительно резко возрос в эпоху нанотехнологий, но я бы затруднился дать однозначный ответ на вопрос, что здесь причина, а что – следствие.

С помощью молекулярного конструктора Блоджетт на поверхности различных подложек получают тончайшие слои (вплоть до толщины в один атом) электропроводящих, полупроводниковых и магнитных веществ. Подвижные слои поверхностно-активных веществ армируют холестерином и другими соединениями, придавая им твердость, на их поверхность или внутрь вводят молекулы белков, все в целом это чрезвычайно напоминает – вы абсолютно правы! – мембраны клеток живых организмов.

ЛБ-слои сами могут служить подложкой для образования и роста неорганических кристаллов. Похожим образом в живых организмах формируются кости, зубы, панцири, и мы, моделируя и воспроизводя Природу, сможем с помощью метода Блоджетт получить новые бионеорганические материалы (их иногда называют биокерамикой) для протезирования или иных технических целей.Это дело будущего, но уже сейчас ЛБ-слои используют для производства рентгеновских дифракционных решеток, газовых сенсоров, рабочих элементов так называемых первапорационных мембран, позволяющих разделять небольшие по размеру молекулы различных веществ, наноразмерных диэлектрических покрытий и прослоек в электронных устройствах и многого другого. Нанотехнологии в действии.

Глава 4 Прочность через разрушение

Память человеческая устроена очень странно, какие-то события, порой несущественные, человек помнит крепко, о других, куда более значительных, забывает напрочь, особенно если воспоминания о них ему неприятны или неудобны. Это свойство памяти обостряется у пропагандистов какой-нибудь идеи, тех же нанотехнологий. Например, о книге Вольфганга Оствальда, сына Вильгельма Оствальда, “Мир обойденных величин” они вспоминают часто, ведь в ней описаны разнообразные системы, имеющие наноразмеры. А уж название – лучше не придумаешь, отталкиваясь от него так просто начать рассказ о том, что наномир был долгое время обойден вниманием ученых и лишь в последние годы произошел революционный скачок и все такое прочее. За всеми этими рассуждениями как-то теряется из виду, что книга эта была написана в 1914 году и представляла собой учебник по коллоидной химии. То есть уже в те годы было накоплено достаточное количество вполне устоявшихся знаний о свойствах наноразмерных систем.

В предыдущей главе мы прикоснулись к сравнительно небольшому разделу коллоидной химии. И уж коли нас занесло на это поле, так давайте продолжим его сканирование. И вот что удивительно, куда бы мы ни пошли, везде нам будут попадаться следы, оставленные нашим соотечественником Петром Александровичем Ребиндером.

В 1969 году П.А. Ребиндер вместе с президентом Академии наук СССР М.В. Келдышем был приглашен на празднование 50-летия Шведской королевской академии инженерных наук. Там ему торжественно преподнесли книгу с генеалогическим древом рода Ребиндеров, ведущего отсчет с 1100 года. Имелась в этой книге и запись о рождении в 1898 году Петра Александровича, сына Александра Михайловича Ребиндера и Анны Петровны Ребиндер, урожденной Халютиной.

Прибалтийские немцы, Ребиндеры оставили заметный след в истории Швеции и России. Собственно, в Россию Ребиндеры попали вследствие военного столкновения двух держав в начале XVIII века: основоположник русской ветви рода, подполковник Генрих Ребиндер, один из десяти сыновей губернатора Финляндии барона Генриха фон Ребиндера, был взят в плен под Полтавой в 1709 году. Император Петр I уважительно относился к “своим учителям”, и пленному офицеру был предоставлен в России режим наибольшего благоприятствования. Энергичный и плодовитый род дал новой родине множество военных, вплоть до фельдмаршала, а также дипломатов и общественных деятелей.

П.А. Ребиндер чрезвычайно гордился своей родословной и никогда не отрекался от национальных и дворянских корней, что в условиях коммунистической власти было по меньшей мере безрассудно, а в определенные времена и самоубийственно. Полагаю, что осознание принадлежности к древнему и славному роду не только питало его самоуважение, но и побуждало постоянно двигаться вперед. Звание наследника такого рода ко многому обязывало, ему надо было соответствовать, и П.А. Ребиндер соответствовал.

Знаменитая фамилия была главным, если не единственным, капиталом семьи П.А. Ребиндера. Поместье было давно утеряно, отец Пьерика (так называли мальчика в семье) служил морским врачом, в 1905 году он скончался от туберкулеза после возвращения с Русско-японской войны. Жизнь в столице всегда дорога, и Анна Петровна Ребиндер, кстати, прямой потомок выдающегося русского скульптора И.П. Мартоса, была вынуждена пойти работать учительницей гимназии. Но тут на семью свалилась новая напасть – у мальчика обострилась бронхиальная астма, которой он страдал с раннего детства. В 1909 году по рекомендации врачей Анна Петровна с сыном покинули промозглый Петербург и отправились для лечения в Европу. Судя по всему, пенсии, получаемой за умершего главу семьи и недостаточной для жизни в русской столице, вполне для этого хватало.

Семья провела в Европе пять лет, вплоть до Первой мировой войны, сначала в швейцарской Лозанне, затем в Бретани (Франция) и, наконец, в Италии, в Генуе и Нерви. Там Ребиндер приобщился к европейской культуре, а также приобрел потрясавшую всех легкость в общении и, конечно, свободное владение французским, немецким и итальянским языками (английский он освоил позднее). Именно этот базис общей культуры вкупе с уникальными природными задатками и истинно немецкой организованностью позволил ему совершить феноменальный рывок в освоении естественных наук, предпринятый им в последующие годы.

Ведь, по сути дела, все образование шестнадцатилетнего подростка сводилось к домашнему обучению. Только в этом возрасте он поступил в гимназию. Случилось это в Кисловодске, который был выбран для проживания по медицинским соображениям. Предгорье, теплое лето, мягкая зима с сухой погодой и обилием солнца – та же Лозанна, только русского разлива. Восьмилетний курс гимназии юноша прошел за четыре года, по существу, экстерном, и поступил на химическое отделение Донского университета в Ростове-на-Дону. Университет обладал великолепным штатом преподавателей, переведенных сюда в начале войны из Варшавского университета, по праву считавшегося одним из лучших в Российской империи (мы посетим этот университет в десятой главе).

Так пересеклись жизненные пути студента Петра Ребиндера и профессора Венедикта Викторовича Курилова (1867–1921), который познакомил его с концепциями химической термодинамики Гиббса и Вант-Гоффа. Существенно, что Курилов сам какое-то время работал в лаборатории Вант-Гоффа и воспоминания о непосредственном сотрудничестве с первым лауреатом Нобелевской премии по химии, несомненно, придавали его лекциям особую живость и убедительность. В особенности увлекли Ребиндера идеи Гиббса, но для их освоения ему тогда, по его собственному признанию, не хватало глубоких знаний в области высшей математики и физики. Поэтому вскоре он начал параллельно учиться на математическом отделении физико-математического факультета, а потом и полностью перешел на него.

Продолжалось это, впрочем, недолго. Революция, Гражданская война – не лучшее время для обучения в университете. Что тогда творилось на юге России, прекрасно описано в романе “Тихий Дон” Михаила Шолохова. Так что после захвата Ростова-на-Дону деникинскими войсками Ребиндер был вынужден вернуться в Кисловодск и продолжить уже привычное самостоятельное образование.

С другой стороны, революция породила невероятный душевный подъем и энтузиазм, который нам с высоты нашего прагматичного времени даже трудно представить и понять. В условиях разрухи и хаоса Петр Ребиндер с товарищами организуют “Общество изучения математики, физики и химии”, издают рукописный “Журнал экспериментальной физики и химии” и наполняют его описаниями экспериментов, проводимых ими в лаборатории, оборудованной в заброшенном доме на окраине Кисловодска. В этом же журнале появляются и первые теоретические статьи П.А. Ребиндера по химической термодинамике. В те годы проявилась еще одна отличительная черта будущего ученого – стремление доводить любую работу до практического результата или, с другой стороны, исходить из постановки научного исследования практических задач. Думается, молодые энтузиасты не случайно организовали в Кисловодске глицериномыльное производство и опытное промышленное производство аммиачной соды – не иначе как жизнь заставила.

В 1922 году Ребиндер – звезда на научном небосводе Терской губернии[8], его даже командируют в Московский университет для “продолжения научной работы”. Но сам он понимает, что ему надо еще учиться и учиться, поэтому просит зачислить его на четвертый курс математического отделения физико-математического факультета. И опять – не лучшее время для учебы. Полный развал промышленности, транспорта, энергоснабжения как следствие Гражданской войны, натуральный голод как следствие политики военного коммунизма, потеря значительной доли образованного населения (в том числе из-за эмиграции, добровольной или вынужденной) и инфляция, измеряемая десятками процентов (не в год, а в день). Какой же тягой к знаниям нужно было обладать, чтобы в этих условиях не просто учиться, но еще добывать средства к существованию. Характерная деталь: жил молодой студент в зоопарке, в комнате над помещением слона, которую он получил, устроившись на работу электромонтером.

Никогда не забуду, как к нам, студентам-первокурсникам химического факультета МГУ, зашел в общежитие на Ломоносовском проспекте академик Александр Наумович Фрумкин (1895–1976), выдающийся электрохимик и, кстати, большой друг Ребиндера. Случайно или нет, но разговор зашел о тех давних годах. О суровых реалиях жизни тогдашних студентов и молодых ученых Александр Наумович рассказывал с улыбкой и в то же время с какой-то грустью в глазах. Мы слушали, разинув рты от удивления, и постепенно проникались осознанием сносности, даже комфортности своего существования. Пусть жили мы по пять человек в комнате, зато в тепле и с горячим душем, что уж говорить о сорокарублевой стипендии, которой хватало на завтрак, обед или ужин, по выбору, и даже на маленькие субботние удовольствия, на поход с девушкой в кино или пиво с друзьями.

Но вернемся к Ребиндеру. Похоже, что все эти житейские неурядицы его нисколько не обескураживали, но еще сильнее мобилизовывали. Студент математического отделения стал посещать семинар по молекулярной физике профессора Б.Н. Ильина, а вскоре под его руководством начал собственные научные исследования по коллоидной химии. Тему он выбрал самую что ни на есть модную и актуальную – образование упорядоченных слоев поверхностно-активных веществ на поверхности воды. Ведь именно в те годы Ленгмюр публиковал результаты своих исследований в этой области, о которых мы уже рассказывали.

Поле для работы было огромным и практически неизученным. Пахать целину – дело трудное, но благородное и благодарное. При настойчивости и доле везения можно наткнуться на большой, неожиданный эффект. Первые же эксперименты принесли обнадеживающие результаты, молодого исследователя заметили и пригласили работать в Институт физики и биофизики, который возглавлял академик П.П. Лазарев.

Институт – двухэтажное здание на Миусской площади, в котором поначалу работало 20, а затем 36 исследователей. Большинство из них были обременены другой деятельностью: студенты учились, преподаватели преподавали, и все еще где-нибудь подрабатывали, потому что надо было на что-то жить. Научными исследованиями занимались в свободное от всего этого время, ставя эксперименты по вечерам и заканчивая их зачастую под утро. И все это, как сейчас говорят, “за идею”. Тогда это называлось вольным, свободным трудом – веяние революционного времени.

Думается, что они были счастливы. Они были молоды, занимались любимым делом, каждый день приносил им радость научных открытий и общения с близкими по духу людьми. По субботам они собирались вместе на институтский коллоквиум, рассказывали о результатах своих исследований, слушали доклады коллег из других институтов.

Среди них были и иностранные ученые, посещавшие в те годы СССР, в частности великий французский физик Поль Ланжевен (1872–1946), создатель теории диамагнетизма и парамагнетизма. Он, несомненно, с интересом всматривался в лица “новой волны” ученых, отвечал на их острые, неожиданные вопросы. Ведь именно тогда, в 1923–1924 годах, он был научным руководителем Луи де Бройля, предложившего концепцию волновой теории электрона, легшей в основу современной квантовой механики и, как следствие, нанотехнологий. “Де Бройль или сумасшедший, или гений – его диссертацию я не понимаю”, – признавался Ланжевен в частных беседах. Но он честно пытался понять и новые идеи, и молодых людей, сидевших перед ним в зале института, – тридцатилетнего Сергея Вавилова, будущего президента Академии наук СССР и лауреата Нобелевской премии по физике, двадцатипятилетнего Петра Ребиндера, двадцатилетнего Бориса Дерягина, создавшего в 1941 году вместе с Л.Д. Ландау теорию устойчивости коллоидных систем, используемую до сих пор, и других.

Кто только не выступал на коллоквиумах в институте – математики, физики, физико-химики, химики, биофизики, биохимики, физиологи. Это была великая школа для всех участников, и именно там следует искать истоки феноменальной эрудиции Ребиндера, потрясавшей всех, кому посчастливилось общаться с ним. Так, еще в ранние годы, сформировался ученый, который может служить образцом и для нашего времени, для эпохи нанотехнологий. Равняясь на него, попытаемся сформулировать основные качества современного ученого: высокая общая культура; свободное владение математическим аппаратом; широкая эрудиция, способность использовать в работе и для объяснения полученных результатов данных различных наук – физики, химии, биологии; “заточенность” на практический результат, умение видеть, как проводимые фундаментальные исследования могут быть претворены в материалы и устройства; и наконец, такие черты характера, как упорство, трудолюбие, любовь к науке и – бескорыстие.

Но не будем забывать, что молодой ученый был еще и студентом, и проведенные им исследования – по сути, его дипломная работа. Некоторые выдержки из нее были опубликованы в ведущем немецком журнале по коллоидной химии – Kolloid Zeitschrift. Нисколько не умаляя значимости полученных результатов, замечу, что ничего экстраординарного в факте этой публикации нет, такова была обычная практика того времени – публиковаться в немецких журналах. И эти журналы охотно принимали статьи российских ученых, продолжавших проводить исследования мирового уровня, несмотря на всеобщую разруху. Да и языкового барьера в то время не существовало, немецкий был языком науки, большинство ученых знали немецкий с детства, как Ребиндер, и оттачивали его во время стажировок и других поездках за рубеж.

После окончания университета Ребиндер продолжил исследования поверхностно-активных веществ, ведя их одновременно в нескольких направлениях и поражая коллег неожиданными идеями.

Не углубляясь в детали, приведу один пример. Из предшествующего чтения и школьных воспоминаний у вас наверняка сложилось представление, что поверхностно-активные вещества – это непременно сложные органические молекулы с гидрофильными головками и гидрофобными хвостами, которые обволакивают частички грязи и масла в водном растворе или выстраиваются частоколом на поверхности воды “по Ленгмюру”. Ничего удивительного, ведь такого мнения придерживались (и придерживаются) даже многие специалисты. И как на этом фоне вы воспримите название доклада Ребиндера, начинающего ученого, на IV съезде Менделеевского общества в 1925 году: “Вода как поверхностно-активное вещество”? Чушь? Ересь?

А Ребиндер “всего лишь” расширил понятие поверхностно-активного вещества и включил в него все вещества, способные адсорбироваться на поверхности и изменять ее свойства. Как вода, адсорбирующаяся на поверхности расплавленной соли[9]. Согласно этим воззрениям, активность или неактивность вещества уже не была его абсолютным, навечно застолбленным за ним свойством, а зависела от природы поверхности раздела фаз.

Новый взгляд на проблему принес щедрые плоды, вскоре молодой ученый открыл явление адсорбционного понижения прочности твердых тел, носящее теперь его имя, – эффект Ребиндера. Этот эффект, имеющий принципиальное значение для интересующих нас нанотехнологий, мы рассмотрим подробнее чуть позже, пока же опишем другой эффект – от доклада Ребиндера о своем открытии.

Случилось это в августе 1928 года на VI съезде русских физиков, без преувеличения историческом. Он открылся в Москве и продолжился на пароходе, плывшем по маршруту Нижний Новгород – Казань – Саратов. На нем присутствовало множество иностранных гостей: Макс Борн (лауреат Нобелевской премии по физике 1954 г.), Леон Бриллюэн, Петер Дебай (лауреат Нобелевской премии по химии 1936 г. и иностранный член АН СССР с 1924 г.), Поль Дирак (лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г. и иностранный член АН СССР с 1931 г.), физик Чарльз Дарвин, внук великого деда, Гилберт Льюис (с 1942 г. – почетный член АН СССР) и другие. С нашей стороны выступали будущие нобелевские лауреаты С.И. Вавилов, Л.Д. Ландау и Н.Н. Семенов с сообщением о первых результатах изучения механизма цепных реакций, Л.И. Мандельштам рассказал об открытии эффекта комбинационного рассеяния света, а Лев Термен продемонстрировал возможность передачи движущегося изображения по проводам – прообраза телевидения. Вот в такой аудитории предстояло выступать Петру Ребиндеру.

Его доклад вызвал “скептическое отношение”, что в воспоминаниях о заслуженных деятелях служит эвфемизмом провала и разгрома. Наибольшие возражения вызвал центральный тезис доклада о том, что механические свойства кристаллического тела могут быть существенно изменены за счет адсорбции на его поверхности специально подобранного вещества, поверхностно-активного по отношению к этому кристаллическому телу. На ум приходит прочная металлическая балка, которую для защиты от ржавления или из эстетических соображений покрывают тончайшим слоем краски, обладающей хорошим сцеплением с поверхностью, и после этого балка вдруг начинает деформироваться или ломаться при небольших механических нагрузках. Да как такое может быть?! Очевидно , что какой бы “краской” ни покрывать балку, о ее природе “осведомлены” лишь поверхностные атомы балки, в крайнем случае, несколько внешних атомарных слоев, но их количество пренебрежимо мало по сравнению с количеством атомов, находящихся внутри балки и несущих основную нагрузку. Элементарный расчет показывает, что даже для проволоки диаметром 1 мм доля поверхностных атомов составляет 1/10000000, что уж говорить о балке? О каком влиянии здесь вообще можно говорить? Были и другие общетеоретические возражения, а представленные экспериментальные доказательства воспринимались как артефакты.

Это была настоящая проверка на прочность. Многие ученые ломались при куда более поверхностных возражениях против их концепций, но Ребиндер показал, что у него твердая сердцевина и настоящий мужской характер. Он дал единственно правильный в такой ситуации ответ оппонентам – провел серию новых, еще более изощренных экспериментов и доказал свою правоту. Но самым убедительными свидетельствами в пользу эффекта адсорбционного понижения прочности твердых тел стали его многочисленные практические приложения в процессах измельчения различных веществ, бурения горных пород и металлообработки.

Ломать – не строить, скажете вы. Поспешу с вами согласиться, потому что это подводит нас к следующему этапу развития работ Ребиндера. Всем выдающимся ученым старой школы, к которым несомненно принадлежал и Ребиндер, было свойственно проникновение в суть явления, они зримо представляли себе процессы, протекающие в изучаемых ими системах, и это глубинное понимание вкупе с привлечением аналогий из смежных областей позволяло им находить неожиданные решения. Разобравшись с тем, как и почему разрушаются твердые тела, Ребиндер предложил путь создания сверхпрочных материалов. Прочность через разрушение – так кратко звучала новая концепция. Сущность этого парадоксального подхода мы рассмотрим чуть позже, пока же вспомним очень далекую аналогию, впрочем, весьма актуальную для описываемого времени: “Весь мир насилья мы разрушим до основанья, а затем мы наш, мы новый мир построим, кто был ничем, тот станет всем”. Именно так Ребиндер предлагал идти к получению сверхпрочных материалов, и в отличие от теории Маркса его стратегия доказала свою жизнеспособность.

Признание пришло быстро. В 1933 году Ребиндер был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР, в 1934 году ему была присуждена научная степень доктора физико-математических наук, а в 1935-м – доктора химических наук. (Возможно, вы удивитесь такой последовательности событий, но дело в том, что большевики в запале разрушения отменили “буржуазные” научные степени и сам институт защиты диссертаций и восстановили этот традиционный и необходимый этап квалификации научных кадров лишь через пятнадцать лет.)

Не будем задерживаться на других научных работах Ребиндера, хотя все они имеют самое непосредственное отношение к нанотехнологиям. Он изучал золи – коллоидные растворы твердых частиц нанометрового размера – и образование из них ажурных объемных структур – гелей, он исследовал растворы полимеров и белков и все это в привязке к промышленности, с доведением фундаментальных исследований до практического результата. Достаточно сказать, что во многих со временных пищевых продуктах можно обнаружить “ребиндеровский” след – в мороженом, шоколаде, желе, маргарине и растворимом кофе. (Все они содержат нанообъекты или обладают наноструктурой, так что процесс их производства с полным правом может быть отнесен к нанотехнологиям.)

Судьба была благосклонна к Ребиндеру. Несмотря на “сомнительное” происхождение и фамилию, он благополучно пережил и чистки 1930-х годов, и борьбу с космополитизмом в конце сталинской эпохи и всю жизнь имел возможность заниматься любимым делом.

Он любил жизнь во всех ее проявлениях. С детства собирал марки и к концу жизни обладал одной из лучших коллекций в нашей стране (сам он полагал, что несомненно лучшей). Он участвовал в создании Московского общества филателистов, а в 1966 году на 1-й Всесоюзной конференции ему вручили членский билет филателистического общества с номером 1.

Его любили женщины, собаки и студенты. И всем он отвечал взаимностью. До сих пор жалею, что мне не довелось лично услышать лекции Ребиндера: я поступил на химический факультет МГУ в год его кончины. Остались лишь многочисленные студенческие байки об этих лекциях, а такая память дорогого стоит. И дело было даже не в высочайшем научном уровне лекций или в том, что Ребиндер мог просто и доходчиво объяснить самые сложные вещи. Это была магия личности. Красивая внешность, благородная осанка, звучный голос, богатый и безупречный русский язык. Ребиндер выводил каллиграфическим почерком на доске длинные математические формулы и разряжал интеллектуальное напряжение какой-нибудь шуткой. Не заготовленной и повторяемой из года в год, как у некоторых других лекторов, а родившейся тут же, на месте. Он вообще был склонен к импровизации и часто, увлеченный внезапно пришедшей в голову научной идеей, начинал ее развивать тут же, у доски, на глазах у студентов. Глядя в этот момент на него, все понимали, каким должен быть настоящий ученый, и это имело огромное воспитательное значение. Ребиндер задавал высокую планку, к сожалению, недостижимую.

Приведу лишь одну студенческую байку. В конце лекции Ребиндеру передают записку. “Уважаемый Петр Александрович…” – начинает читать он вслух, пробегает глазами записку до конца и поднимает голову. – Уважаемый – так в мои молодые годы обращались к извозчику, – со сдерживаемой улыбкой говорит он. – В научной среде принято обращение глубокоуважаемый. Итак, глубокоуважаемый коллега, отвечаю на ваш вопрос”. Даже услышанная из вторых уст, эта байка так прочно засела в памяти, что до сих пор я вздрагиваю при виде обращения “уважаемый”, а рука сама печатает “глубокоуважаемый” при обращении ко всем людям независимо от возраста и профессиональной принадлежности.А еще Ребиндер любил показывать на лекциях опыты, не мультимедийные (тогда слова такого не знали), а самые настоящие. Как-то раз один нетерпеливый студент в самом начале курса лекций спросил, что такое эффект Ребиндера. Петр Александрович немедленно откликнулся и дал знак ассистентам. Они принесли кристаллизатор – это такой невысокий стеклянный цилиндр диаметром около полуметра и бадью с литром ртути, чуть меньше пятнадцати килограммов. Ртуть вылили в кристаллизатор, она заполнила его плотным слоем. Сверху налили воду из-под крана, в которой растворили щепотку какого-то вещества[10]. Ребиндер взял стеклянную палочку и, легким движением проведя ею по слою ртути, разрезал его пополам. “Вот это и есть эффект Ребиндера”, – сказал он. Эффект бы действительно потрясающий, и студенты завороженно смотрели на слой ртути, который рассекал явно видимый разрез. Этого не может быть! Не знаю как вы, а мы в детстве любили играть с капельками ртути, гоняя их туда-сюда или натирая ими двухкопеечную монетку и превращая ее в десятикопеечную. Весь наш опыт говорил, что капли ртути при соприкосновении сливаются в большую каплю, в этом проявляется действие сил поверхностного натяжения. А тут они лежали вплотную друг к другу – и не сливались. А Ребиндер между тем наносил палочкой новые разрезы, рисовал разные замкнутые фигуры, а затем, слегка покачивая кристаллизатор, заставлял эти разрезы менять форму, превращаться в идеальные прямые линии и окружности, соприкасаться с образованием причудливых фигур, похожих очертаниями на мыльную пену. Затем следовали легкие удары стеклянной, поистине волшебной палочкой – и разрезы смыкались. Следует сказать, что этот опыт завораживал не только студентов. Его засняли на кинопленку и продемонстрировали фильм на Международной научно-технической выставке в Брюсселе в 1958 году. Это был фурор.Опыт, конечно, эффектный, но мало приближающий нас к пониманию эффекта Ребиндера. Ведь речь шла, напомню, об адсорбционном понижении прочности твердых тел. И многим оппонентам, выдающимся физикам, было очевидно , что такого просто не может быть. Но так ли уж это очевидно? Поразительно, но с проявлениями этого эффекта мы сталкиваемся даже в быту. Вспомните невинную детскую шалость – слегка намочить мелок перед школьным уроком. Твердый мелок начинает крошиться и становится непригодным для писания на доске. Если намочить так все доступные мелки, то срыв урока гарантирован. Более конструктивное применение: возможно, вы обращали внимание на то, что кофе, перец, сахар гораздо легче и тоньше измельчаются в ручной мельнице или в ступке, если предварительно их немного смочить водой.

В чем тут дело? Строение реальных твердых тел далеко от идеального кристалла, к которому апеллировали физики-теоретики. Посмотрите на свежий разлом камня или металла, и в большинстве случаев вы увидите четкую зернистую или, как говорят ученые, микрогетерогенную структуру. Внешне зерна могут выглядеть плотно прилегающими друг к другу, но на самом деле число контактов не столь уж велико и они относительно легко разрушаются при механической нагрузке. Именно поэтому прочность реальных твердых тел в десятки, а то и сотни раз меньше теоретических величин, рассчитанных для идеальных монокристаллов того же состава.

Итак, при нагрузке в месте соединения зерен появляется трещина, постепенно увеличивающаяся. Если мы снимем нагрузку до того, как произойдет разлом, то стенки трещины вновь соединятся и разрушенные контакты восстановятся. Но что будет, если мы смочим твердое тело каким-нибудь веществом (или его раствором), способным прочно связываться с его поверхностью – поверхностно-активным веществом в терминологии Ребиндера? Это вещество “заползет” в образующуюся трещину, покроет всю поверхность ее стенок и не позволит им вновь прочно соединиться при снятии нагрузки. Адсорбированный слой может быть толщиной всего в одну молекулу, но этого вполне достаточно, чтобы предотвратить восстановление разрушенных контактов. (Именно это и происходит при разрезании слоя ртути в описанном выше опыте.)

После такого объяснения эффект Ребиндера выглядит простым, даже слишком простым, не так ли? Но, несмотря на кажущуюся простоту, эффект снижения прочности может быть очень значительным – в разы. Главное – правильно подобрать адсорбирующееся вещество. Как и во многих других случаях, тут работает принцип подобия, близости химического строения и свойств для пары твердое тело – жидкость. Например, для металла нет ничего лучше… расплава металла. Или жидкого металла, например ртути. Цинковая пластинка легко гнется, и ей можно придать любую форму, но стоит смочить ее поверхность ртутью (или еще лучше – галлием, плавящимся при 30 °С), и она при нагрузке треснет на кусочки, как стекло. Это, кстати, один из опытов, который Ребиндер демонстрировал на лекциях.

Этот эффект широко применяется на практике. Возможно, вы видели, воочию или на экране телевизора, как бурят скважины или обрабатывают металлические детали на станках, и обратили внимание на то, что в скважину закачивают какой-то раствор, а на металлическую деталь постоянно льется какая-то жидкость. Очевидные объяснения, которые приходят на ум: это делается, во-первых, для охлаждения трущихся поверхностей и, во-вторых, для удаления образующихся мелких частичек горной породы или металла. Все это правильно, но не меньшее значение имеет содержащееся в растворе, специально подобранное поверхностно-активное вещество, которое уменьшает прочность обрабатываемого твердого тела и многократно увеличивает скорость процесса.

Что ж, с обычными материалами все понятно, скажете вы, причины эффекта кроются в их несовершенстве, но как обстоит дело с монокристаллическими твердыми телами, в которых отсутствуют внутренние поверхности раздела? Ведь недаром критики Ребиндера апеллировали именно к этим материалам? И тем не менее эффект адсорбционного снижения прочности наблюдается и в этом случае. Дело в том, что твердое тело может обладать идеальный внутренней кристаллической структурой, но поверхность-то его при этом будет неидеальной, на ней будут присутствовать разные впадинки, микротрещины, выступы и уступы. И именно в местах этих дефектов поверхности при механической нагрузке происходит разрушение кристалла. Начинается оно с образования трещины, а если рядом с этим местом находится поверхностно-активное вещество, то… см. выше.

Так есть ли предел процессу измельчения твердого тела? Есть. “Стоит только измельчить твердое тело на достаточно мелкие кусочки, и эти кусочки той же самой природы, того же состава будут наиболее прочными, почти идеально прочными”, – писал еще несколько десятилетий назад Ребиндер. Причина этого заключается в том, что описанное выше разрушение кристалла происходит по так называемым плоскостям спайности и в результате этого образуются идеально гладкие поверхности, то есть по мере разрушения происходит как бы идеальная огранка образующейся частицы. Ребиндер оценил минимальные размеры такого идеального кристаллита, которые составили 5–10 нанометров. Разрушить его практически невозможно, ведь в нем нет трещин и других дефектов – все они были “использованы” на предыдущих стадиях размола.Но мысль Ребиндера на этом не остановилась. Ведь если мы имеем идеально прочные строительные блоки, то почему бы не попытаться собрать из них новое твердое тело? По составу оно ничем не будет отличаться от тела, подвергнутого разрушению, но прочность его должна быть существенно выше. Это вытекает из следующего примера. Наполним ящик шариками. Как мы их ни перетряхивали, общее число контактов между ними останется постоянным. Но это число будет зависеть от диаметра шариков: чем диаметр меньше, тем больше шариков поместится в ящике и тем больше будет между ними контактов. Если принять, что прочность каждого контакта не зависит от диаметра шарика (а в реальности дело обстоит именно так), то окажется, что с уменьшением диаметра шариков общая прочность их сцепления возрастает.Таким образом, стратегия “прочность через разрушение” заключается в следующем: мы разрушаем некое твердое тело до минимально возможных частиц, затем максимально плотно заполняем ими заданный объем и дополнительно упрочняем контакты между частицами, например, за счет нагревания или специального клея. Это на бумаге. На практике все выглядит намного сложнее, но это работает. Давно и в промышленном масштабе.

А что мы имеем в наше время, в эпоху нанотехнологий?

Любая вводная лекция или научно-популярная книга по нанотехнологиям непременно включает описание методов получения наноразмерных объектов. Так как на шкале размеров эти объекты занимают промежуточное положение между атомами и макроскопическими телами, существует две наиболее общие стратегии их получения: мы можем собрать их из атомов (мысленно, конечно) или, наоборот, измельчить макроскопический объект. Образно эти стратегии называются “снизу-вверх” (bottom-up) и “сверху-вниз” (top-down).

При дальнейшем изложении проблемы лекторы и авторы книг испытают легкий дискомфорт. Единственным примером, который приходит им на ум при обсуждении “общего” метода получения нанообъектов методом “сверху-вниз”, служит банальное механическое измельчение. В рассказе о “революционных” технологиях оно выглядит как-то странно, отсюда и дискомфорт. У некоторых авторов это порождает желание “улучшить” ситуацию, и они записывают в технологии “сверху-вниз” методы, которые таковыми не являются. На руку им играет то, что во многих случаях при получении нанообъектов в качестве исходных используют макроскопические тела. Приведу один пример. Есть такая молекула – фуллерен С60, вылитый футбольный мяч, составленный из шестидесяти атомов углерода (о ней более подробно – в двенадцатой главе). Изумительно красивая молекула и размер – в точности один нанометр, поэтому фуллерен С60 часто используют в качестве символа или эмблемы нанотехнологий. Так вот, получают его сейчас нагреванием при высокой температуре куска графита – в одну стадию! Чем не технология “сверху-вниз”? Но ведь механизм этого процесса состоит в том, что графит испаряется с образованием атомов углерода, которые в газовой фазе “собираются” в молекулу фуллерена, то есть перед нами классический пример метода “снизу-вверх”.

На самом деле примеры технологий “сверху-вниз” существуют, и по крайней мере один из них мы рассмотрим в дальнейшем. Не разделяю я и несколько пренебрежительного отношения к механическому диспергированию, которое по-прежнему служит наиболее универсальным, а в некоторых случаях и единственным, методом получения многотоннажных количеств нанодисперсных неорганических материалов. Несмотря на кажущуюся простоту, в этом методе имеется множество подводных камней, обойти которые невозможно без использования достижений высокой науки, основы которой были заложены Ребиндером.

Начнем с главного недостатка метода механического диспергирования – высокого энергопотребления. Понятно, что разрыв химических связей в твердых телах требует затрат большого количества энергии, равно как и обеспечение функционирования самих мельниц. Более того, чем мельче мы измельчаем вещество, тем больше удельный расход энергии. Вы уже понимаете, в чем тут дело: вначале в ход идут крупные дефекты (в них число контактов, которые необходимо разрушить, невелико), а затем все более мелкие трещинки, расколоть по которым крупинку вещества становится все сложнее.

Как можно уменьшить расход энергии? Тут на помощь приходит эффект Ребиндера. Не поленимся рассмотреть его еще раз, на этот раз с энергетической точки зрения. Поверхность любого объекта обладает избытком энергии по сравнению с его объемом, при размоле образуются новые поверхности, на обеспечение их “избыточной” энергии идет значительная доля энергии, затрачиваемой на весь процесс. Сорбция любого вещества на поверхности уменьшает величину ее избыточной энергии и, следовательно, затраты энергии на ее образование. Понятно, что для этого оба процесса – образование “горячей” поверхности и ее “гашение” сорбирующимся веществом – должны протекать практически одновременно. Но это как раз представить очень легко: если есть дефект – углубление на поверхности, заполненное жидкостью, то при механической нагрузке дефект превращается в трещинку, в которую немедленно втягивается жидкость, смачивая образующуюся новую поверхность. Современная техника позволяет наблюдать сей процесс воочию, и, поверьте, это стоит потраченного времени: создается впечатление, как будто жидкость “силой” проникает внутрь вещества, раздвигая стенки наметившейся трещинки.

Таким образом, правильный выбор адсорбирующегося (поверхностно-активного) вещества обеспечивает заметное снижение энергозатрат. Более того, измельчить твердые материалы механическим способом до частиц размером порядка десяти нанометров без добавления сорбирующихся на поверхности веществ никому пока не удалось.

И вряд ли это возможно в принципе. Ведь модификаторы поверхности выполняют еще одну важную функцию – они препятствуют плотному слипанию образующихся наночастиц. Даже если нам удастся расколоть частицу пополам в отсутствие модификатора, то половинки могут встретиться вновь и – слипнуться. Отчасти поэтому при механическом размоле независимо от его продолжительности всегда образуются порошки с очень широким разбросом по размерам частиц, например от двадцати до двухсот нанометров.

Надо сказать, что стремление наночастиц к слипанию и агрегации – едва ли не главная головная боль всех специалистов, работающих в области нанотехнологий. Причина заключается в упомянутой выше избыточной поверхностной энергии, которую частицы стремятся уменьшить за счет слипания. В сущности, это ничем не отличается от слияния двух капелек ртути. Как говорят ученые, – самопроизвольный процесс.

“Голая”, изолированная наночастица – редчайшее исключение из общего правила[11]. Если исследователи хотят получить именно изолированные наночастицы, то независимо от использованного подхода – “сверху-вниз” или “снизу-вверх” – им приходится одевать их в защитную шубу из тех же поверхностно-активных веществ, препятствующих слипанию. Процедура эта обязательная, настолько обязательная, что многие даже не упоминают о ней как о чем-то само собой разумеющемся, и для простоты говорят, например, о наночастицах золота, забывая добавить “стабилизированных тем-то и тем-то”. Это порождает недоразумения даже в кругу специалистов, ведь одни и те же наночастицы золота, покрытые разными модификаторами, – по сути дела, разные вещества, отличающиеся по свойствам. И это составляет еще одну большую проблему нанотехнологий – зависимость свойств наночастиц от их предыстории, мало ли что они могут нахватать из раствора или атмосферы в процессе получения, выделения и очистки (последнее слово в этой связи звучит несколько двусмысленно).

Да, сложности есть, но они решаемые. Специалисты в области коллоидной химии за многие десятилетия накопили колоссальный опыт по стабилизации наночастиц, которые они на своем языке называют золями. Они научились также использовать во благо стремление частиц к слипанию, направляя этот самопроизвольный процесс в нужную им сторону, от максимально плотного заполнения пространства (это необходимо, например, для получения сверхпрочных керамик) до создания ажурных, воздушных структур.

(Эпитет “воздушный” – отнюдь не метафора. Есть такое вещество – аэрогель, представляющий собой пространственную сетку, составленную из наночастичек диоксида кремния. По своему химическому составу это тот же песок или всем известный силикагель, да и получают его так же, но с некоторыми технологическими ухищрениями, в которые мы углубляться не будем. Аэрогели диоксида кремния – одни из самых легких твердых веществ, существующих в природе. Их плотность достигает 1,9 кг/м3, что всего лишь в полтора раза больше плотности воздуха. При всей своей “воздушности”, они весьма прочны и способны выдерживать механическую нагрузку, в тысячи раз превышающую их собственный вес. Они являются отличными теплоизоляторами, что удачно сочетается с их высокой термостабильностью – температура плавления аэрогелей диоксида кремния составляет ~1200 °C. Это делает их чрезвычайно перспективными для применения в самых различных областях, от строительства до аэрокосмической отрасли.)Все эти исследования составляют в настоящее время одну из важнейших частей нанотехнологий. Научные основы этих технологий были заложены еще в первой трети прошлого века и весомый вклад в них внесли работы Петра Александровича Ребиндера, выдающегося ученого и потрясающего человека.

Глава 5 Био и Нано – близнецы-братья

Название главы навеяли строки из поэмы Владимира Маяковского. Немного перефразировав “лучшего и талантливейшего поэта советской эпохи”, продолжим:

“Био и Нано – близнецы-братья.

Кто более матери Природе ценен?

Мы говорим Био – подразумеваем Нано,

Мы говорим Нано – подразумеваем Био”.

Постараюсь доказать вам, что это сопоставление по меньшей мере столь же верно, как утверждение Маяковского о тандеме Партия – Ленин, и что привычные нам био технологии есть в основе своей не что иное, как нано технологии.

В качестве главного персонажа этой главы я выбрал человека, чей приоритет в рассматриваемой области признается всеми, включая гуру истории науки Айзека Азимова. Звали его Константин Готлиб Сигизмунд Кирхгоф, по-нашему, Константин Сигизмундович.

Константин Кирхгоф родился в 1764 году в местечке Тетеров немецкого герцогства Мекленбург-Шверин в семье аптекаря. Фармацевтическое и химическое образование он получал, помогая отцу в работе, после смерти которого продолжил семейную традицию и дослужился до звания гезеля – помощника провизора. В 1792 году Кирхгоф, как и многие немцы той поры, отправился в Россию, полагаю, что за “длинным” рублем, крепким и полновесным. Он устроился работать в Главную петербургскую аптеку, которой в то время управлял уже знакомый вам Товий Егорович Ловиц. Под его руководством Кирхгоф выполнил свою первую научную работу, опубликованную в 1795 году: “Об очистке хлебной водки (сивухи) при помощи древесных углей”.

Эта работа задала тон всей последующей научной деятельности Кирхгофа. Он не изучал явления, а решал практические задачи, которые ему в изобилии подбрасывали жизнь и правительство. По складу своего мышления он был технологом, а не ученым-естествоиспытателем. При этом Кирхгоф был, несомненно, наделен феноменальной научной интуицией, ведь он выдавал новые технологии на гора едва ли не ежегодно. Добиться такого результата лишь за счет немецкой основательности и методичности невозможно, они в какой-то мере даже мешают такой скорострельности, потому что исследователь надолго увязает в деталях и несущественных мелочах.

Одна из многих технологий, разработанных Кирхгофом, – получение киновари, сульфида ртути. Из нее делали ярко-алую краску, столь любимую на Руси, ввозили же киноварь, как и все сейчас, преимущественно из Китая. Предложенный Кирхгофом способ получения киновари привел бы в ужас современных специалистов по охране труда и экологов: ртуть смешивали с серой и перетирали пестиком в ступке, затем прибавляли крепкий раствор щелочи и, помешивая, грели до готовности. Но по тем временам способ считался вполне безопасным. В 1805 году Кирхгоф ходатайствует перед Министерством внутренних дел о выдаче ему разрешения на устройство фабрики по производству киновари и о привилегии (эквивалент патента) на это производство. Закона о привилегиях в России тогда не было, поэтому в этом Кирхгофу было всемилостивейше отказано, но фабрику построить разрешили. Академик Я.Д. Захаров, посетивший эту фабрику через несколько лет, писал в отчете: “Сию киноварь можно здесь сколько угодно купить по 10 рублей за фунт, и она отправляется по изящной ее доблести за море”. При отсутствии “привилегии”, способ стали быстро использовать и другие русские фабриканты.

Точно такая же схема была реализована Кирхгофом при создании технологии очистки постного масла, которой он стал заниматься по указанию министра внутренних дел Кочубея в 1805 году. Дело в том, что масленичные семена[12] составляли значительную долю общероссийского экспорта. Еще выгоднее было продавать масло из них, потребность в котором была огромна, ведь оно использовалось не только для приготовления пищи, но и для освещения – масляные лампы Карселя были широко распространены в России и за границей. Но масло, вырабатываемое на российских кустарных маслобойнях, для этой цели не подходило. В общем, извечная наша проблема: как сделать так, чтобы поставлять на экспорт не сырье (семена/нефть/ металл), а продукты его переработки (масло/бензин/трубы).

Технологию Кирхгоф разработал, но ее детали, наученный опытом, придержал. Известно лишь было, что он использовал для очистки серную кислоту. Кирхгоф попросил у правительства беспроцентную ссуду в двадцать пять тысяч рублей на пять лет для открытия фабрики по очистке масла с условием, что по истечении срока ссуда будет возвращена, а “секрет” будет опубликован. Вышло как по писаному, сначала заработала фабрика Кирхгофа, а через пять лет технология была передана всем заинтересованным лицам и вскоре стала широко применяться на русских маслобойных предприятиях.

В 1808 году Кирхгоф выполнил еще одну работу – “О сохранении молока и яиц путем высушивания”, которая, естественно, проходила по военному ведомству. В условиях безостановочных войн во всех странах разрабатывали способы снабжения войск питательными и транспортабельными продуктами длительного хранения. Француз Николя Аппер (1749–1841) изобрел в 1809 году консервы, за что получил награду из рук самого Наполеона Бонапарта. Вполне возможно, что и Кирхгоф получил “наградной лист” за подписью Александра I – разрешение на строительство фабрики по производству сухого молока и яичного порошка, но известные мне исторические источники об этом умалчивают.

Мы подошли к главным технологическим свершениям Кирхгофа, которые в значительной мере тоже были инициированы тогдашней международной обстановкой. Речь пойдет о производстве сахара. О важности проблемы свидетельствует нижеследующий образчик старой русской словесности, взятый из “Предуведомления” к сборнику “Способы заменить иностранный сахар домашними произведениями”, изданного российским правительством: “Хотя употребление сахара в физическом смысле не только безвредно, но еще приятно и полезно почитается, но судя о чрезвычайно возвысившейся цене его, ежегодно составляющей знатные суммы для Отечества нашего, можно почесть оный весьма вредным как для частных людей, так и для блага всего народа. Сие доказывается и тем, что во многих местах стараются возможнейшим образом приготовлять сахар из домашних произведений. Сие также есть единственное средство избавить себя от корыстолюбия иностранных народов”. Добавим, что затраты на покупку и ввоз сахара равнялись стоимости всех импортируемых в Россию машин, инструментов и металла в изделиях, вместе взятых. Положение усугубилось после восстания негров-рабов на Гаити, основном поставщике сахара в Европу, и введения Наполеоном континентальной блокады.

Именно в те годы был разработан способ получения сахара из свеклы, используемый поныне. Ловиц, как мы помним, пытался выделить сахар из меда. Кирхгоф пошел другим путем. Он исходил из известных всем наблюдений: что хлебные зерна при прорастании становятся сладкими, то же происходит и с кислыми плодами при созревании. Он предположил, что это связано с превращениями крахмала, содержащегося в зернах и плодах, и стал искать способы ускорения этого процесса. Наилучшим “ускорителем” оказалась серная кислота. 14 августа 1811 года на заседании Академии наук Кирхгоф сделал доклад “О получении сахара из различных мучнистых продуктов, картофельного крахмала, пшеницы, ржи, проса и гречихи”. Он также представил технологию получения крахмала из картофеля – Кирхгоф полагал его наиболее выгодным с экономической точки зрения, тем более что можно было использовать промерзший картофель, который употреблять в пищу можно только от полной голодухи.

Кирхгоф отдавал себе отчет в том, что он получил не сахар, а глюкозу, или виноградный сахар, который в несколько раз уступает в сладости тростниковому сахару. Но как верно было замечено в заключении академии, “если оный сахар весьма дешево обходится, то заслуживает всякого внимания”. Еще бы не дешево – ведь выход “сахара” по методу Кирхгофа составлял 77 % от веса использованного крахмала, что лишь немногим уступает современным технологиями. Для целей же нашей книги существенно другое: Кирхгоф установил, что серная кислота при этом процессе не расходуется, то есть она служит истинным “ускорителем” – катализатором превращения крахмала в глюкозу.

Исследователь на этом не остановился. Его по-прежнему интересовал вопрос, почему становятся сладкими зерна злаков при прорастании, ведь серной кислоты там не было и в помине. Из проросших семян ячменя (солода) Кирхгоф выделил “клейковатое вещество”, которое эффективно превращало крахмал в сахар[13]. Сейчас мы называем это вещество ферментом амилазой. 14 ноября 1814 года на заседании Академии наук Кирхгоф сделал доклад “О получении сахара при осолаживании злаков”. Этот день стал днем рождения новой науки энзимологии, изучающей биологические катализаторы белковой природы – ферменты, или энзимы.

Работы Кирхгофа были широко известны как в России, так и за границей. Высшее признание он заслужил со стороны отечественных заводчиков, которые беззастенчиво использовали разработанные им технологии. Кирхгофа избрали членом Бостонской академии, Венского экономического общества и Падуанской академии наук. А вот с “родной” академией, как это часто бывает, возникли проблемы.

В краткой биографии Кирхгофа указывают, что он с 1812 года был академиком Петербургской академии наук, опуская существенный нюанс. Кирхгоф был экстраординарным академиком, что-то вроде почетного члена, и кроме почета ничего от академии не имел. Ординарные (действительные) академики имели лаборатории с соответствующим “бюджетным” финансированием, Кирхгоф же выполнял некоторые свои исследования в лаборатории Главной петербургской аптеки, если они соответствовали тематике проводимых там работ, а другие, включая работы по превращению крахмала, “у себя на дому”, как писал Кирхгоф, за свой счет. В 1816 году освободилось место ординарного академика по технологии, Кирхгофа выдвинули на это место. И тут началось – интриги, тяжбы, доносы.

Показательно, что споры велись преимущественно вокруг превращения крахмала в сахар, то есть даже современники понимали, что это – главное открытие Кирхгофа. Один из академиков приписывал приоритет открытия себе, другой отдавал его французам, третий подвергал сомнению практическую реализуемость процесса, а академик Нассе отрицал его в принципе. Дело в том, что крахмал и клейковина, выделенные из плода, и тем более серная кислота были “мертвой” материей, лишенной “органической жизненной силы”, без которой превращение крахмала в сахар считалось невозможным. Такова была парадигма того времени, в рамках существовавших концепций работа Кирхгофа была лженаукой.

Устав от склок, Кирхгоф в 1818 году отказался от борьбы за место действительного академика и подал в отставку. Отставка во всех отношениях лучше инфаркта, которым обычно заканчиваются академические дрязги. Оставив занятия наукой де-юре и де-факто, Кирхгоф не уехал на родину, остался в России. Великий ученый скончался в Петербурге в 1833 году.

“Что принадлежит до умозрения, как образуется сахар из крахмала, о том я не могу ничего сказать решительно”, – откровенно писал Кирхгоф. Сделать какие-либо заключения было действительно трудно, не зная, что представляет собой исходное вещество – крахмал. Для понимания этого науке предстояло проделать долгий путь длиной в столетие. Лишь в 1920 году немецкий химик Герман Штаудингер (1881–1965) выдвинул гипотезу , что крахмал и целлюлоза представляют собой полимеры – длинные молекулы, составленные из фрагментов глюкозы, соединенных химическими связями[14].

Кирхгоф не понимал истинной сути открытых им процессов, он решал частную проблему и не замахивался на всеобщность, но при этом заложил первый камень сразу в два важнейших направления развития науки и техники – в катализ и биотехнологии.

Начнем с катализа. Конечно, не Кирхгоф открыл явление катализа. Многие историки отдают приоритет великому шведскому химику Карлу Вильгельму Шееле (1742–1786), который в 1782 году обнаружил, что реакция уксусной кислоты с этиловым спиртом с образованием сложного эфира протекает в присутствии небольших добавок соляной кислоты. Но несомненно, что именно Кирхгоф осуществил первый промышленный каталитический процесс.

Сам же термин “катализ” появился лишь спустя четверть века, его предложил в 1835 году другой великий шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848), который обобщил результаты исследований различных ученых, в том числе и Кирхгофа. Тогда же сложилось представление о катализаторе как веществе, которое влияет на протекание химической реакции, но само при этом не входит в состав конечных продуктов. О природе этого влияния ничего не говорилось, кроме обязательности контакта исходных веществ с катализатором. Не случайно предшественник Берцелиуса Митчерлих, первым на самом деле обобщивший все имевшиеся на тот момент данные, предложил термин “контактные реакции”. Берцелиус же говорил о некой “каталитической силе”.

Следующего прорыва в изучении катализа пришлось ждать еще полвека. В 1880-х годах Вильгельм Оствальд, уже встречавшийся нам на страницах книги, доказал, что катализатор влияет на скорость химической реакции, сам при этом оставаясь неизменным. Оствальд также первым обратил внимание на то, что если реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлении, то катализатор в равной степени ускоряет обе эти реакции, то есть конечное состояние системы – положение равновесия – не зависит от присутствия катализатора. Оствальд получил за эти исследования Нобелевскую премию по химии, но и он не смог ответить на вопрос, каким образом катализатор ускоряет реакцию. Камнем преткновения стал доказанный им же факт, что катализатор остается неизменным после проведения процесса. Проблему разрешил Поль Сабатье, он доказал, что в ходе процесса катализатор вступает в химическое взаимодействие с исходными веществами с образованием неустойчивых промежуточных соединений, которые превращаются в конечные продукты. На круг выходит легче и быстрее.

Собственно только после этих работ, выполненных в преддверии XX века, катализ вырос из детских пеленок и вышел на широкую дорогу жизни. Разработанная Кирхгофом технология гидролиза крахмала под действием серной кислоты, бывшая на протяжении многих десятилетий едва ли не единственным промышленно реализованным каталитическим процессом, дополнилась сотнями и тысячами других. В настоящее время катализаторы используются в подавляющем большинстве процессов нефтепереработки, нефтехимии и химической промышленности, но это уже другая история, которой посвящена отдельная глава.

Здесь же мы рассмотрим судьбу другого детища Кирхгофа – ферментов, история изучения которых была еще более долгой и трудной и которые ожидало столь же блестящее будущее.

Выше я лихо определил ферменты как биологические катализаторы белковой природы, и вы, не сомневаюсь, спокойно восприняли это знакомое со школьной скамьи определение. Парадокс ситуации заключается в том, что долгое время ферменты и белки рассматривали как соединения разной природы и “великое объединение” произошло сравнительно недавно, в 1926 году. И до этого момента нам, следуя исторической правде, придется рассматривать две независимые истории изучения одного и того же объекта.

Первыми перед учеными предстали белки, с них и начнем. В конце XVIII века французский химик Антуан Фуркруа[15] и другие ученые обратили внимание на то, что из различных биологических жидкостей при нагревании или действии кислот осаждается некая субстанция, которая составляет значительную долю органического вещества этих самых жидкостей и в целом разнообразных живых организмов и растений. Субстанции, извлеченные из различных биологических объектов, обладали похожими свойствами, что позволило выделить их в отдельный класс соединений.

Но лишь в 1838 году голландский химик Геррит Ян Мульдер (1802–1880) доказал, что все они обладают близким химическим составом и включают углерод, азот, водород и кислород с небольшой примесью серы. Тогда же этот класс веществ обрел название – протеины (ну а мы будем называть их по-нашему – белками). Его предложил Берцелиус, с которым Мульдер состоял в переписке. Берцелиус вообще был большим специалистом по названиям, но, возможно, все дело было в его высочайшем авторитете в научном сообществе.

Мульдер также выделил продукты разрушения белков и идентифицировал их как аминокислоты, но на этом дело надолго застопорилось. То есть роль белков как строительных материалов всех живых организмов не подвергалась сомнению, не случайно Фридрих Энгельс определил жизнь как способ существования белковых тел, но при этом строение белков оставалось тайной за семью печатями. Первый луч света блеснул лишь в начале XX века, когда великий немецкий химик-органик Эмиль Фишер[16] (1852–1919) определил, как аминокислоты связываются между собой – посредством так называемой амидной химической связи. Он начал с синтеза дипептида – соединения, состоящего из двух аминокислот, и к 1907 году дошел до олигопептида, составленного из восемнадцати различных аминокислот. Но окончательно представление о том, что белок представляет собой аминокислотный полимер , утвердилось лишь в 1920-х годах после работ Штаудингера, о котором я уже рассказывал выше.

История изучения ферментов прошла еще более извилистый и запутанный путь. Кирхгоф ничего не говорил о химической природе “клейковатого вещества”, которое он использовал для превращения крахмала в сахар, а, учитывая состояние химии того времени, и не мог ничего сказать. Лишь в 1833 году французские химики Ансельм Пайен и Жан Персо выделили из солода более или менее чистый препарат, который они назвали диастазой. Именно диастаза вызывала превращение крахмала в сахар, но ее химическая природа по-прежнему оставалась неясной, а словосочетание “более или менее чистый” стало кошмаром ученых, работающих в этой области, на многие десятилетия.

В те же годы из различных биологических объектов было выделено еще несколько похожих веществ, способных осуществлять превращения сложных химических соединений. В 1836 году Берцелиус высказал гениальную гипотезу, что “в живых растениях и животных в тканях и жидкостях протекают тысячи каталитических процессов, при которых происходит большое количество различных химических синтезов из общего исходного материала”. Открытые вещества как нельзя лучше подходили на роль этих природных катализаторов. В 1858 году немецкий ученый Маркус Траубе вы двинул предположение, что все они имеют белковую природу, а в 1877 году эта группа веществ обрела, наконец, общее название – энзимы, которое предложил немецкий физиолог Вильгельм Кюне.

Но тут история пошла на второй круг. Я уже рассказывал об обвинениях в “лженаучности”, которые выдвинул против Кирхгофа академик Нассе, и полагаю, что вы восприняли это как курьез. Но по прошествии десятилетий эти споры возродились на более высоком уровне. Инициатором их стал Луи Пастер. В числе его величайших научных заслуг было доказательство невозможности самозарождения живых организмов[17] и установление факта, что многие природные явления и процессы, включая заболевания, обусловлены деятельностью микроорганизмов. Обратной стороной медали была абсолютизация жизни и жизненной силы. Пастер был уверен, что брожение (превращение сахара в спирт или уксусную кислоту) могут осуществлять только живые клетки микроорганизмов – дрожжей. Именно к этим микроорганизмам он относил термин фермент – “закваска” по-латыни. Поэтому Пастер в штыки воспринял идею о ферментах как растворимых химических веществах природного происхождения. “Я не вижу никакой необходимости ни в существовании этих ферментов, ни в полезности их функционирования при брожении”, – писал он. Собственно, для того чтобы избежать возникшей путаницы в представлениях и был придуман термин “энзимы”.

Противостояли Пастеру великий немецкий химик-органик Юстус Либих (1803–1873) и уже встречавшийся нам на страницах книги Марселен Бертло. Последний сомневался в существовании молекул и отрицал атомы, но при этом непоколебимо верил во всемогущество химии и полагал, что в основе всех процессов, протекающих в живом организме, лежат химические реакции. В его системе научных ценностей не было места “жизненной силе”, хотя сам он, по свидетельству современников, был наделен этой самой силой в преизбытке. Вот Бертло и ввязался в яростный многолетний спор со своим коллегой по Французской академии.

Вышло по русской присказке: на колу мочало, начинай сначала. Бертло разрушил клетки дрожжей, получил бесклеточный экстракт, высадил из него спиртом некую субстанцию и показал, что она вызывает точно такое же брожение, как и дрожжи. Но авторитет Пастера был настолько велик, что различные исследователи были вынуждены раз за разом повторять этот эксперимент в надежде, что количество доказательств перейдет в качество убеждения. Спор был разрешен только после смерти Пастера. По всеобщему признанию точку в нем поставила статья немецкого исследователя Эдуарда Бухнера[18] “Спиртовое брожение без дрожжевых клеток”, опубликованная в 1897 году. В 1907 году благодарное научное сообщество увенчало Бухнера Нобелевской премией по химии ни много ни мало “за открытие внеклеточной ферментации”. С момента открытия Кирхгофа прошло почти сто лет.

Нельзя сказать, что все эти годы ученые были заняты лишь поисками аргументов в затянувшемся историческом споре. Именно тогда был установлен факт, имеющий принципиальное значение, – специфичность действия ферментов, их способность взаимодействовать со строго определенными веществами (субстратами) и катализировать одну конкретную реакцию. Кроме того, было доказано, что в ходе реакции образуется промежуточный комплекс фермента с субстратом, в этом отношении ферментативный катализ обогнал другие ветви катализа, на первый взгляд более простые.Все эти вопросы чрезвычайно занимали Эмиля Фишера. Для объяснения высокой специфичности ферментов он сформулировал в середине 1890-х годов свое знаменитое положение о том, что субстрат подходит к ферменту как ключ к замку, которое выдержало испытание временем и дожило до наших дней. Проблема заключалась в том, что Фишер не мог сказать ничего определенного об устройстве “замка”, ведь к изучению строения белков он приступил лишь десятилетие спустя.Собственно, давняя теория Траубе о том, что ферменты – вещества белковой природы, продолжала пребывать в статусе недоказанной гипотезы. Да, ферменты проявляли многие свойства белков, но из этого отнюдь не следовало, что именно белки обладают каталитическими свойствами ферментов. Многие специалисты, включая такого авторитетного ученого, как лауреат Нобелевской премии Рихард Вильштеттер, считали, что белки выполняют лишь функцию носителя для “истинного энзима” – небольшой каталитически активной молекулы. На фоне белка такая молекула выглядела незначительной примесью, что объясняло, по мнению этих специалистов, трудности ее обнаружения и идентификации.

В сущности, дело сводилось к чистоте ферментных препаратов и к вопросу о том, представляют ли они собой индивидуальное соединение или смесь двух веществ – белка и энзима. На этот случай у химиков есть простой и надежный тест: чистые вещества в большинстве своем образуют правильные кристаллы, если же вещество не кристаллизуется ни при каких условиях, то это почти наверняка смесь различных соединений. Так вот, в начале XX века были получены кристаллы многих известных на тот момент белков, но ни одного – фермента. Тут было о чем призадуматься.

То, что многим уже казалось невозможным, удалось американскому биохимику Джеймсу Бетчеллеру Самнеру (1887–1955). Он потратил несколько лет жизни на улучшение методик очистки фермента уреаза и на попытки закристаллизовать его. И он сделал это! Самнер получил препарат индивидуального вещества, которое по всем показателям было белком и при этом проявляло ферментативную активность. Это было действительно принципиальное открытие, после которого картина белкового мира обрела законченный вид: белки были строительными блоками живых организмов, они были ответственны за передачу наследственных признаков (так тогда полагали) и осуществляли все жизненно важные процессы, в общем, белки были квинтэссенцией мира живой природы. Неудивительно, что Самнер за эту работу получил в 1946 году Нобелевскую премию по химии.

Следствием этого объединения стало то, что ферменты на какое-то время отошли на второй план. Сначала надо было разобраться с внутренним устройством белков, а уж потом приниматься за их более сложных братьев. Об этом устройстве даже в 1930-е годы было известно крайне мало. Большинство ученых, основываясь на работах Фишера и Штаудингера, сходились в том, что белки – это полимерные молекулы, составленные из фрагментов аминокислот, соединенных пептидной связью. Доподлинно знали только состав белков – все известные на тот момент белки состояли из двадцати различных аминокислот. Оценки молекулярного веса белков показывали, что общее число аминокислот в различных белках может составлять десятки, сотни и даже тысячи. Это все.

В какой последовательности соединены аминокислоты в белке? Да и есть такая строго определенная последовательность? Как бы изобретательна ни была Природа, осуществить такую точную сборку из тысяч строительных блоков даже ей не под силу, считали многие ученые. Так, может быть, все дело в соотношении различных аминокислот в белке? Но почему небольшие различия в этом соотношении приводят к получению белков с совершенно разными свойствами? И чем вообще обусловлены уникальные и разнообразные биологические свойства белков – молекул чрезвычайно простых с химической точки зрения? Ответить на все эти вопросы было не под силу одному человеку, даже гениальному. Впрочем, без гениев дело не обошлось. О двух из них я расскажу.

Подчиняясь логике ответов на вопросы, начну с более молодого.

Биография Фредерика Сенгера по-своему уникальна. В его жизни не было нужды и лишений, мучительных поисков своего призвания, многократной смены видов деятельности, места жительства и жен, непризнания его открытий и травли со стороны завистливых коллег. Его жизнь – прямая как рельса, эталон “нормальной”, с точки зрения большинства людей, жизни, ее стоит описать хотя бы ради того, чтобы как-то уравновесить все остальные “ненормальные” биографии. И, конечно, потому, что Фредерик Сенгер – единственный в истории лауреат двух Нобелевских премий по химии.

Родился он в 1918 году в Англии во вполне благополучной и обеспеченной семье. Вскоре после этого его отец, практикующий врач, ударился в квакерство[19], что наложило неизгладимый отпечаток не только на воспитание, но и на всю жизнь Фредерика. В 1936 году Сенгер поступил в престижный колледж Св. Иоанна в Кембридже (в этом городе он живет и поныне). Окончил колледж в числе лучших в 1939 году, на следующий год женился. Тут его жизнь, как и жизнь всех современников, чуть было не пошла наперекосяк из-за разразившейся Второй мировой войны, но он был квакером и имел по закону право отказаться от несения воинской службы. Он и отказался, а в 1943 году защитил диссертацию по биохимии.

В сущности, первое же самостоятельное научное исследование принесло Сенгеру всемирную славу. Он установил точное строение одного из белков – бычьего инсулина. Почему был выбран именно инсулин? Во-первых, в то время уже понимали роль инсулина при диабете, во-вторых, бычий инсулин был одним из немногих белков, доступных в чистом виде, и, наконец, это был самый маленький из известных белков – как выяснилось, он состоял всего из 51 аминокислоты[20].

Сенгер придумал, как определить последовательность аминокислот в белке. Для этого он “разрезал” его на фрагменты – олигопептиды, состоявшие из небольшого количества аминокислот. Сделать это можно с помощью гидролиза кислотой или все тех же ферментов, выполняющих аналогичную роль в организме. Затем Сенгер разделял между собой и идентифицировал все эти фрагменты. У химиков для этого есть универсальный прием – сравнение с эталоном, специально синтезированным веществом с известной структурой. Понятно, что из двадцати различных аминокислот можно составить огромное количество, например, трипептидов (203=8000), но делать было нечего, пришлось синтезировать. И это было только первым этапом. Давайте представим, что каждая аминокислота обозначается своей буквой, и после анализа мы получили фрагменты ник и ель . Как они соединяются в белке? Это может быть никель или ельник , возможно также, что они далеко разнесены и между ними вклинились другие фрагменты: ник итасрубил ель . Чтобы прояснить это, надо взять другой фермент (каждый из них разрезает белок по-своему), повторить операцию и так до тех пор, пора все фрагменты, полученные во всех экспериментах, не сложатся в одну-единственную последовательность. Умопомрачительная работа, особенно если делать ее впервые в истории, не имея под рукой необходимых реактивов и отработанных методик. Сенгер затратил на нее семь лет.

Он установил, что инсулин состоит из двух полипептидных цепочек, составленных из 30 и 21 аминокислот, соединенных между собой двумя дисульфидными мостиками. Из его данных также следовало, что аминокислоты в белке располагаются в строго определенной последовательности, а не хаотически. Кроме того, разработанный им метод был универсален и мог быть использован для установления строения любого белка. По проторенной дорожке анализ делался намного быстрее, и вскоре было установлен еще один принципиальный факт – каждый белок характеризуется уникальной аминокислотной последовательностью.

Это был подлинный прорыв и триумф. В 1958 году Сенгер получил свою первую Нобелевскую премию по химии. Как признавал сам Сенгер в автобиографии, столь быстрое признание немало помогло ему в жизни. Звание нобелевского лауреата дает всякие приятные привилегии: не надо заботиться о хлебе насущном и заниматься преподаванием, можно забыть о всяческих нудных административных обязанностях и полностью сконцентрироваться на науке или почивать на лаврах, это кому как нравится. Сенгер был довольно молод и выбрал занятия наукой.

В это время он перешел работать в кембриджскую Лабораторию молекулярной биологии вместе с Максом Перуцем (1914–2002), Джоном Кендрю (1917–1997), Аароном Клюгом (род. в 1926 г.) и Фрэнсисом Криком (1916–2004), все сплошь свежеиспеченные или будущие нобелевские лауреаты. Наступала эра ДНК, и вполне естественно, что интересы Сенгера сместились в эту область. Тем более что первостепенная задача там была все той же – установление точной последовательности нуклеотидов в цепи. Поначалу Сенгер использовал подход, столь успешно зарекомендовавший себя при исследовании белков, но по мере развития работ он внес в него много принципиальных изменений и усовершенствований. Сенгер упустил приоритет в анализе РНК, но восполнил потерю при анализе ДНК. Руководимой им группе удалось впервые расшифровать структуру ДНК бактериофага (5386 нуклеотидов), а затем митохондриальной ДНК человека (16 569 пар оснований). Разработанные Сенгером методы секвенирования ДНК были затем использованы при анализе генома человека. А сам он в 1980 году получил за эти работы вторую Нобелевскую премию по химии.В 1983 году в возрасте 65 лет Сенгер, как принято в цивилизованных странах, вышел на пенсию и с тех пор занимается садоводством в своем небольшом поместье близ Кембриджа. По его собственному признанию, вера в Бога покинула его.Сенгер ответил на вопрос о последовательности аминокислот в белках, сейчас мы называем это первичной структурой белка. Но еще до исследований Сенгера было понятно, что первичной структурой дело не ограничивается, должна быть как минимум еще одна, вторичная структура. Вытекало это из простого наблюдения: белки при нагревании денатурируют, буквально – теряют свою природу, свои свойства, причем необратимо, безвозвратно. Пептидные связи в этих условиях не разрываются, то есть первичная структура сохраняется, следовательно, разрушается что-то еще. Разрешил проблему еще один гениальный ученый, также лауреат двух Нобелевских премий. Но с Сенгером его никто не сравнивает. По мнению многих ученых, он стоит в одном ряду с Эйнштейном и Ньютоном. Звали его Лайнус Карл Полинг.

Он родился в 1901 году в Портленде, США, в малообеспеченной семье. Вслед за ним родились две его сестренки, а в 1910 году их отец умер от прободения язвы желудка, оставив семейство практически без средств к существованию. Аттестат зрелости Полинг так и не получил (ему вручили его через сорок пять лет в знак уважения заслуг тогда уже дважды нобелевского лауреата), впрочем, у него были на то уважительные причины – вместо сдачи положенных экзаменов он зарабатывал деньги для продолжения образования. Потеряв год, Полинг поступил в колледж. Он еще не определился со своим призванием и слушал все курсы подряд, от математики до современной английской прозы и опять же непрерывно зарабатывал деньги на оплату учебы, житье-бытье и помощь матери. А на втором курсе Полингу несказанно повезло: ему предложили преподавать студентам количественный анализ, который он сам только что освоил. За сорок часов работы в неделю ему платили аж 25 долларов. Но жизнь постепенно налаживалась. Полинг определился с призванием – им стала химия, окончил университет, перебрался в Калифорнийский технологический институт, знаменитый Калтех, и в 1925 году защитил там диссертацию.

Его работа была связана с использованием метода рентгеноструктурного анализа, изобретенного за десятилетие до этого. При просвечивании кристалла рентгеновскими лучами на фотопластинке возникал сложный узор, состоящий из точек и дужек. Это было не изображение атомов или молекул, а образ плоскости, состоящей из атомов определенного сорта и расположенных в кристалле в строгой периодичности. Эта плоскость выступала в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей. Из этого узора путем неочевидных и сложных математических вычислений можно было выявить картину пространственного расположения атомов в кристалле и рассчитать расстояние между центрами атомов. Отсюда, исходя из предположения о плотнейшей упаковке атомов в кристалле, можно было с высокой точностью оценить размер атома. Если же кристалл состоял из молекул некоего вещества, то можно было определить геометрию этой молекулы и рассчитать длину химической связи между определенными атомами. Все эти данные вывели химию на новый уровень развития. Для успешной расшифровки рентгеновских дифрактограмм надо было обладать высокой интуицией и хорошей математической подготовкой. С этим у Полинга все было в порядке.

В 1926 году Полинг отправился на двухлетнюю стажировку в Европу к Арнольду Зоммерфельду (1868–1951), Нильсу Бору (1885–1962), к тому времени уже нобелевскому лауреату по физике за создание теории строения атома, и Эрвину Шрёдингеру (1887–1961). Попал Полинг, как говорится, к самой раздаче, ведь именно в 1926 году Шрёдингер предложил свое знаменитое уравнение, легшее в основу квантовой механики. Полинг немедленно включился в работы в этой новой области науки и большую часть стажировки провел в Цюрихе, вместе с его ровесниками Вальтером Гейтлером (1904–1981) и Фрицем Лондоном (1900–1954), которые занимались первым квантово-механическим анализом молекулы водорода.

Во всей этой славной компании отцов – основателей квантовой механики Полинг был единственным химиком, что несомненно давало ему некоторое преимущество. Физики были сосредоточены на атомах, а он – на молекулах. Так что именно Полингу было суждено продвинуться дальше всех в квантовомеханическом объяснении природы химической связи. Многое из того, что составляет теоретическую часть современного школьного курса химии, создано Полингом. Природа ионной и ковалентной связи, шкала электроотрицательности элементов, гибридизация атомных орбиталей, объяснение строения различных органических соединений, от метана до бензола, – это все Полинг. Результаты своих десятилетних упорных исследований он обобщил в монографии “Природа химической связи и структура молекул и кристаллов”, вышедшей в 1939 году (в СССР – в 1947 г.) и ставшей настольной книгой нескольких поколений ученых.

В 1954 году Полингу за эти работы присвоили Нобелевскую премию по химии. В это время он уже занимался совсем другим. Полинг был увлекающимся человеком. И если уж он увлекался каким-нибудь делом, то отдавался ему со всей страстью. Но больше всего поражало то, что таких “страстных” дел у него одновременно было несколько и на все хватало времени и сил.

В середине 1930-х годов Полинг увлекся белками и доказал, в частности, что структура гемоглобина изменяется при связывании молекулы кислорода. Вот тогда-то он и попытался установить строение белков, просвечивая их кристаллы рентгеновскими лучами. Но картинки получались слишком запутанными из-за сложности строения самих белков, размытыми из-за несовершенства аппаратуры, да и обсчитать их было просто физически невозможно из-за отсутствия электронно-вычислительных машин – все расчеты в то время делались вручную! И тогда Полинг призвал на помощь свой мощный интеллект и представил себе, как может быть устроен белок. Перед его мысленным взором возникла спираль, в которую закручивается полипептидная цепь белка. Эта спираль с шагом в 0,54 нм скрепляется так называемыми водородными связями, образующимися между фрагментами аминокислот, находящимися на разных участках цепи. Еще одним вариантом самоорганизации полипептидной цепочки было образование “гармошки” подобной сложенному листу бумаги, эти структуры так и назвали – бета-листами, по аналогии с предыдущей структурой, которая получила название альфа-спирали. Так возникло представление о вторичной структуре белков, и в скором будущем гипотеза Полинга получила прямые экспериментальные подтверждения.

Эту работу Полинг завершил в 1951 году, а на подходе была уже новая проблема – установление структуры ДНК. Мало кто сомневался, что именно Полинг сможет разрешить эту проблему в кратчайшие сроки, но судьба распорядилась иначе. Некоторые авторы объясняют эту относительную неудачу вмешательством политики, но все обстояло проще. Полинг какое-то время исходил из неверного предположения (такое случается даже с гениями) об образовании тройной спирали, в результате на финишной прямой его обошли Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон, молодые, да ранние. Но о перипетиях этой великой гонки – отдельная глава, здесь же расскажу о злодейке-политике.

Полинг стал пацифистом отчасти по внутреннему убеждению, отчасти под влиянием жены. Он отказался участвовать в Манхэттенском проекте, а в 1946 году вместе с Альбертом Эйнштейном, с чьей подачи, собственно, и началась разработка атомного оружия, выступил за ограничение работ в этой области. В 1952-м сенатская комиссия США во главе с Маккарти записала Полинга в коммунисты и постановила изъять у него паспорт для заграничных поездок. Но такие мелочи “увлекшегося” Полинга остановить не могли, и он продолжил свои выступления. В 1962 году за антивоенную деятельность ему была присуждена Нобелевская премия мира, а в 1970-м – аналогичная Ленинская премия, что возродило обвинения в коммунистических убеждениях. Полинг, конечно, не был коммунистом, он был просто честным и смелым человеком, пекущимся о будущем человеческой цивилизации.

Еще одно увлечение Полинга связано с медициной. К этому его подтолкнула жизнь – в 1941 году у него диагностировали хронический нефрит, тяжелое заболевание почек. Но его первое открытие в медицине было связано с другой болезнью – серповидноклеточной анемией. Полинг доказал, что она связана с нарушением строения белка гемоглобина, в сущности, это было первое выявленное “молекулярное” заболевание. А так как синтез белка в организме направляется генами, то открытие Полинга повлекло за собой резкую интенсификацию исследований в области генетических заболеваний. Полинг также много занимался изучением роли белков и ферментов в функционировании мозга и полагал, что возрастные изменения мыслительных способностей связаны с нарушением функций белков. Эти его мысли полувековой давности очень созвучны современным представлениям о причинах болезни Альцгеймера.

Но затем его медицинские интересы сместились в другую сторону. В книге “Как жить дольше и чувствовать себя лучше” Полинг предложил новую панацею от всех болезней – витамины. Особенной его любовью пользовался витамин С – аскорбиновая кислота, которую он рекомендовал принимать по три грамма в день. Полинг был убежден, что витамины способны победить даже рак. Независимые медицинские испытания не подтвердили эту его теорию, но так называемая “мегавитаминная терапия” приобрела в 1970-е годы вселенский масштаб, помню, как мы тогда ели горстями эти витамины, все какие могли достать. Затем психоз спал и при упоминаниях об этих работах Полинга мы крутили пальцем у виска, неполиткорректно намекая на старческий маразм – слова “Альцгеймер” мы тогда не знали.

А Полинг тем временем увлекся еще одной грандиозной идеей – созданием теории атомного ядра. Ею он занимался на протяжении тридцати лет до самой своей смерти. Несмотря на витамины, он все-таки заболел раком – раком простаты, который свел его в могилу в 1994 году.

То, что не удалось сделать Полингу, на новом этапе развития науки и техники совершили уже упоминавшиеся английские исследователи Макс Перуц и Джон Кендрю из Кембриджа. В 1959 году они расшифровали структуру белка гемоглобина, за что незамедлительно, в 1962 году, получили Нобелевскую премию по химии. Лиха беда начало, структуры разнообразных белков и ферментов посыпались как из рога изобилия, счет быстро пошел на сотни и тысячи. Эти исследования не только подтвердили гипотезу Полинга о вторичной структуре белка, но выявили существование третичной структуры – следующего этапа самоорганизации молекулы белка, при которой он сворачивается в глобулу (чаще всего) диаметром в десятки нанометров или формирует протяженные структуры толщиной в несколько нанометров , из которых состоят, например, наши мышцы[21].

Разобрались, естественно, и с внутренним устройством ферментов. Центральное место в них занимает так называемый активный центр, состоящий из нескольких фрагментов аминокислот и часто включающий в себя ион металла. На этом центре и происходит превращение молекулы субстрата, вся же остальная часть белка выполняет функции инфраструктуры: формирует “замочную скважину”, поддерживает определенную кислотность среды внутри белка и, наконец, фиксирует молекулу субстрата в определенном положении, наиболее удобном для тонкой хирургической операции, выполняемой активным центром. В сущности, “старики” во главе с Вильштеттером были не так уж и неправы, белок выступает в качестве своеобразного носителя собственно энзима – активного центра.

После этих исследований начался бум ферментативного катализа, который пришелся на 1970-е – начало 1980-х годов.Но прежде я предлагаю вам вернуться немного назад и послушать рассказ еще об одной работе, которая по праву считается одним из крупнейших достижений химии второй половины XX века, и о человеке, который сделал то, что многим казалось невозможным.Роберт Брюс Меррифилд родился в 1921 году в Форт-Уэрте, Техас. Его детство пришлось на годы Великой депрессии, семья, перебравшись в Калифорнию, переезжала с места на место, в поисках работы и лучшей доли. Сам Меррифилд как-то подсчитал, что он посещал в общей сложности около сорока разных школ. Тем не менее в нем пробудился интерес в науке и конкретно к химии. В 1938 году он поступил в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, но годы учебы затянулись – степень Ph.D. по химии Меррифилд получил лишь в 1949 году. Зато затем события последовали с калейдоскопической быстротой: 18 июня защитился, 19-го – женился, 20-го – отправился на другой конец Америки, в Нью-Йорк, в Рокфеллеровский институт медицинских исследований, где и провел все годы своей научной карьеры.

Меррифилду выпало работать в области синтеза пептидов, тогда такой “наработкой” занималось множество исследователей, включая Сенгера. При всем том идеология синтеза практически не изменилась со времен Эмиля Фишера. Пептид последовательно удлиняли, приставляя к нему новую аминокислоту. Проблема заключалась в том, что пептиды и аминокислоты – вещества одной природы, молекулы аминокислоты с не меньшей охотой реагировали между собой, чем присоединялись к пептиду. Чтобы избежать этого нежелательного процесса, химики используют разные ухищрения, в результате присоединение одной кислоты превращается в многостадийный процесс. Но это маленькая проблема, большая же заключается в выделении целевых веществ из реакционного раствора, содержащего множество других компонентов. Упаривание раствора, осаждение, перекристаллизация – при всех этих операциях теряется много вещества. Обычное дело: синтетик стартует с килограмма исходного вещества, а по прошествии месяца работы и множества стадий получает на выходе несколько маленьких крупинок продукта.

В 1959 году Меррифилд дозрел до мысли: “Необходим быстрый, количественный, автоматизированный метод синтеза длинных пептидных цепей”. Он придумал нетривиальную вещь: привить первую аминокислоту к твердой поверхности (полимеру), затем нарастить пептидную цепь “по Фишеру”, а по окончании процесса “отрезать” полученный полипептид от поверхности. Изюминка заключалась в том, что все трудоемкие операции выделения промежуточных веществ заменялись простой промывкой гранул полимера, при этом, понятно, никаких потерь вещества не происходило.

На отработку метода у Меррифилда ушло три года. В 1963 году в журнале Американского химического общества была опубликована его статья с изложением основных принципов и экспериментальных особенностей “твердофазного” синтеза пептидов. У статьи был только один автор, что даже в те времена считалось редкостью, а в наши так и вовсе чем-то невообразимым. Сейчас эта статья входит в пятерку самых цитируемых за всю историю существования этого престижнейшего журнала. У руководителей Института медицинских исследований было на сей счет, судя по всему, собственное мнение, и они прохладно отнеслись к идее Меррифилда о создании автоматического синтезатора пептидов. Возможно, просто не верили в осуществимость этой идеи, как не верили все остальные, за исключением самого Меррифилда и двух его друзей.

Они работали в подвале дома Меррифилда и через два года собрали первую автоматизированную установку. Гранулы полимера с растущим на его поверхности пептидом располагались в стеклянной колонке, через которую с помощью насоса прокачивались растворы аминокислот, других различных реагентов и промывные жидкости, которые в свою очередь засасывались по заданной программе из емкостей, расположенных вокруг установки. С тех пор в принципиальной схеме установки мало что изменилось, разве что добавились анализатор выходящего из колонки раствора, работающий в режиме обратной связи, и компьютер, управляющий работой всей системы.

Для начала Меррифилд с коллегами синтезировали на установке несколько пептидных гормонов, затем сразу перешли к синтезу белков – давней и тайной мечте Меррифилда, ради которой он, собственно, и затеял весь этот проект. Как вы уже наверно догадались, синтезировали они инсулин. В принципе его получали химическим путем и раньше, на это у группы профессиональных химиков-синтетиков уходило несколько месяцев. Меррифилд уложился в три недели.

В 1969 году Меррифилд вместе с Берндом Гутте синтезировал фермент рибонуклеазу А, состоящую из 124 аминокислот. Для этого им, а точнее говоря, автомату, пришлось осуществить 369 стадий химического синтеза[22] и около десяти тысяч различных технологических операций. При этом исследователи получили еще один принципиальный результат. Рибонуклеаза – это вам не инсулин, гормон по сути и строению. Рибонуклеаза – фермент со сложной третичной структурой и специфической каталитической активностью. Так вот оказалось, что синтезированная полипептидная цепочка при определенных условиях самоорганизуется в фермент, ничем не отличимый от природного аналога. Так был перекинут еще один мостик между неживой и живой природой.

Конечно, никто сейчас белки и ферменты так не синтезирует, природа справляется с этим намного лучше. И не все получается так гладко, как я вам только что описал, у метода твердофазного синтеза, как и у любого метода, есть свои недостатки и ограничения. “Сборка” полипептидов с длиной более 100 аминокислот признана в настоящее время экономически и технически нецелесообразной. Но ведь число “коротких” пептидов измеряется сотнями тысяч и многие из них востребованы в научных исследованиях, в медицине и биотехнологических процессах. Сейчас вам под заказ синтезируют за день любое из этих соединений, требуется лишь написать на листке последовательность аминокислот в нужном вам полипептиде, которую оператор затем введет в процессор автоматического синтезатора.

Меррифилд на этом не остановился. Он создал аналогичные установки для синтеза полисахаридов, в которых в цепочку соединяются различные молекулы углеводов и нуклеиновых кислот, фрагментов ДНК и РНК. Как мы увидим в следующей главе, сейчас без этих коротких олигонуклеотидных последовательностей, так называемых праймеров, не обходятся ни генные технологии, ни медицинская диагностика.В 1984 году Меррифилд был удостоен Нобелевской премии по химии. Будь моя воля, я бы присудил ему еще одну Нобелевскую премию за беспрецедентный поступок: ни он сам, ни Рокфеллеровский институт не запатентовали метод твердофазного синтеза, хотя имели для этого все возможности и основания. Они отдали его в безвозмездное пользование людям. Возможно, причина кроется в том, что Меррифилд был бойскаутом и до конца своих дней (он скончался в 2006 году) принимал активное участие в бойскаутском движении вместе с шестью своими детьми. Будь готов! Всегда готов!В настоящее время известно более 3700 ферментов, различающихся по катализируемым ими реакциям, установлена детальная структура большинства из них, многие используются в тонком органическом синтезе, фармацевтической промышленности, бытовой химии, сельском хозяйстве и защите окружающей среды. Между тем бум ферментативного катализа с очевидностью спал. В новостных лентах науки ферменты ушли в тень генных технологий, в промышленных же биотехнологиях, где ферменты работают де-факто, де-юре главенствуют микроорганизмы. Но можно сказать и так: ферменты стали настолько привычным элементом ландшафта науки, что при обсуждении “революционных” нанотехнологий о них зачастую просто забывают.

Падение общественного интереса к ферментам имеет и объективные причины. Эйфория 1970-х годов подогревалась верой во всесилие ферментов – без этапа “великих ожиданий” не обходится развитие ни одной новой области науки и техники.

Между тем ферменты не всесильны. За миллиарды лет эволюции Природа настроила их на осуществление строго определенных процессов, у людей же свои интересы. Нам для удовлетворения наших аппетитов нужно множество веществ и материалов, которые не значились в планах Природы, так что при их производстве природные катализаторы – ферменты нам не помощники. Высокая избирательность ферментов, их главное достоинство, сработала против них.

Кроме того, с нашей человеческой точки зрения ферменты нетехнологичны. Они слишком нежные создания и привыкли работать в тепличных условиях, при температуре живого организма. Стоит чуть поднять температуру (а это стандартный способ увеличения скорости процесса), как их активность падает, а то они и вовсе денатурируют. Да и работать они могут только в водных растворах, а воду технологи терпеть не могут – как растворитель она слишком активна и требует огромных затрат энергии на испарение – то ли дело органические растворители! И наконец, ферменты, по сути дела, катализаторы одноразового использования, их чрезвычайно трудно отделить от продуктов реакции без потери активности. Слишком дорогое получается удовольствие.Специалистам все эти недостатки были понятны с самого начала, просто они в своих полных оптимизма реляциях не акцентировали на них внимание. Но при этом значительную часть усилий направляли на преодоление этих недостатков. Именно энзимологи стали первыми химически “прививать” гомогенные катализаторы к поверхности твердого носителя. Так была решена проблема отделения от продуктов реакции (здесь энзимологи шли по пути, проторенному Меррифилдом) и многократного использования катализатора. В терминах сегодняшнего времени эти работы были примером конструирования нанообъектов. К поверхности неорганического материала – носителя – прививали органическую “ножку” длиной в несколько нанометров, а к ней в свою очередь молекулу фермента диаметром в десятки нанометров.Ученые стали также загонять ферменты в так называемые обращенные мицеллы. Это такие ассоциаты обычных поверхностно-активных веществ, растворенных в органических растворителях. В отличие от прямых мицелл, о которых я уже упоминал, в обращенных мицеллах полярные головки молекул ПАВ обращены внутрь, а углеводородные хвосты торчат наружу, как иглы ежа. И если прямые мицеллы способны поглощать органические вещества, то обращенные – воду, превращаясь, грубо говоря, в капельку воды диаметром в единицы и десятки нанометров, покрытую мономолекулярным слоем ПАВ. Если мы поместим в ядро обращенной мицеллы молекулу фермента, то он, находясь в привычной для него среде обитания, будет вести свойственные ему химические реакции, но формально процесс будет протекать в органическом растворителе, который служит резервуаром вещества, подвергаемого ферментативному превращению, и местом сбора продуктов реакции. В сущности, энзимологи придумали и впервые практически осуществили идею нанореактора , ключевую для современных нанотехнологий.

Еще одна амбициозная цель: создание новых ферментов, природных катализаторов, которых нет в природе. Сделать это стало возможным в результате глубокого проникновения в устройство ферментов и в механизм их формирования. Зная это, можно растянуть или сжать глобулу фермента, изменяя таким образом размер “замочной скважины” и настраивая фермент на новый субстрат. Можно дополнительно сшить полипептидную цепь фермента и застабилизировать его третичную структуру, препятствуя денатурации. Можно ввести в фермент новые аминокислотные фрагменты, повышающие, например, его термостабильность или способствующие фиксации на твердом носителе. Можно, наконец, внести изменения в состав активного центра фермента и тем самым создать катализатор принципиально новой реакции. Возможности такого тонкого конструирования на наноуровне практически безграничны, и это то, что с полным правом может называться нанотехнологиями.

Эти работы пока мало известны широкой общественности, но мне кажется, в ближайшие годы нас ждет вторая волна бума ферментативного катализа. Дело в том, что мы постепенно и неотвратимо возвращаемся к природе. Взлет цен на углеводородное сырье и экологические соображения заставляют уделять все большее внимание возобновляемым источникам сырья. А это в свою очередь повлечет за собой изменение всей идеологии химической промышленности. Так называемое биотопливо можно залить в бак автомобиля, и он после этого поедет. В химической промышленности это не проходит. В реактор, рассчитанный на углеводородное сырье, нельзя засыпать глюкозу, получаемую при гидролизе целлюлозы. То есть засыпать, конечно, можно, но ничего путного не получится. Необходимо разрабатывать новые технологии, причем принципиально новые, потому что все наше научное и технологическое мышление было заточено под углеводородное сырье, а что делать с кислородсодержащими природными соединениями, мы, честно говоря, понятия не имеем[23].

И вот здесь следует ожидать выхода на передний край ферментов, которые умеют управляться с природными веществами гораздо лучше химиков. Так что ферментативный катализ (=нанотехнологии) – это наше будущее с большой вероятностью. Поживем – увидим.

Глава 6 Жизнь одного химика

В предыдущей главе мы упомянули о катализе как об одном из важнейших химических явлений, но затем, увлекшись ферментами – образцовыми наноразмерными объектами, ушли далеко в сторону, сканируя поле биохимии. Теперь вернем иглу нашего исторического микроскопа назад и рассмотрим катализ в его наиболее распространенном, “классическом” варианте.

До систематических исследований катализа как явления наука доросла лишь через много десятилетий после его открытия – в конце XIX – начале XX века. Важность получаемых результатов была оценена быстро – одна из первых Нобелевских премий по химии была присуждена в 1909 году уже встречавшемуся нам на страницах книги Вильгельму Оствальду “за изучение природы катализа и основополагающие исследования скоростей химических реакций”. В 1912 году Нобелевскую премию получил французский химик Поль Сабатье (1854–1941) “за предложенный им метод гидрогенизации органических соединений в присутствии мелкодисперсных металлов, который резко стимулировал развитие органической химии”. Промышленная реализация каталитических процессов также не заставила себя долго ждать. Фриц Габер (1868–1934) и Карл Бош (1874–1940) разработали процесс каталитического синтеза аммиака из водорода и атмосферного азота при высоком давлении. За этой скучной формулировкой скрывается один из важнейших прорывов в истории человеческой цивилизации. Дело в том, что азот – необходимый элемент для построения клеток всех живых организмов, но ни растения, ни тем более мы, высшие животные, не способны усваивать азот напрямую из воздуха, так что все мы были заложниками жизнедеятельности и производительности специальных почвенных бактерий, ответственных в природе за этот процесс. Процесс Габера открыл путь к крупномасштабному производству азотных удобрений и резкому росту урожайности сельскохозяйственных культур. За это Фрицу Габеру присудили Нобелевскую премию по химии в 1918 году. Карл Бош также получил свою Нобелевскую премию в 1931 году “за заслуги по введению и развитию методов высокого давления в химии”.

Это были титаны с интересными, подчас драматическими судьбами. Но в этой главе речь пойдет не о них, а об их современнике, не просто титане, а – гении. Вот как аттестовал его на торжественном заседании Американского химического общества, посвященного семидесятипятилетию ученого, нобелевский лауреат Рихард Вильштеттер[24]: “Никогда за всю историю химии в ней не появлялся более великий человек, чем Ипатьев”. Ему вторил известный американский химик Фрэнк Уитмор: “Среди многих замечательных химиков Россия дала миру трех выдающихся. Это Ломоносов, Менделеев и Ипатьев. Ипатьев оказал гораздо большее влияние на мировую химию, чем оба его знаменитых соотечественника. Он был химиком-первооткрывателем и продолжает таким оставаться до сих пор”. Ипатьева называют отцом современной нефтепереработки и нефтехимии. К моему великому стыду, в студенческие годы, уже работая на кафедре химии и органического катализа, я слыхом не слыхивал о Владимире Николаевиче Ипатьеве. И то, что он был вычеркнут из официальной отечественной истории, не может служить мне оправданием. Историю своей страны надо знать, во всем ее величии и неприглядности.

“Жизнь одного химика” – автобиографическая книга Ипатьева, изданная в двух томах в Нью-Йорке в 1945 году на русском языке. Не оставляю надежды, что когда-нибудь ее все же издадут в полном объеме в России и люди будут читать ее как роман, ведь долгая жизнь, прожитая Ипатьевым, была удивительной сама по себе, даже безотносительно сделанных им научных открытий.

Владимир Ипатьев родился в 1867 году в дворянской семье. Отец – Николай Алексеевич, уже немолодой, известный московский архитектор. Мать – Анна Дмитриевна, в девичестве Глики, гречанка. Через два года родился брат Николай, который, сам того не желая, оказался косвенно причастен к одному из самых позорных деяний нашей истории. А еще через три года дети лишились матери. Во многих биографиях написано, что Анна Дмитриевна умерла, возможно, так говорили и мальчикам, но на самом деле она ушла к Александру Чугаеву, скромному учителю физики, в которого была влюблена с юности. В этом союзе родился сын Лев, также ставший известным ученым[25]. Тут поневоле задумаешься о существовании генов научной гениальности, которые передаются по женской линии.

О том, что у него есть младший брат, Владимир Ипатьев узнал лишь в сорокалетнем возрасте, а общественность – еще десятью годами поз же в результате курьезного случая. Дело в том, что В.Н. Ипатьев и Л.А. Чугаев одновременно баллотировались в Академию наук. Во время представления их академическому собранию прозвучала девичья фамилия их матери – одна и та же. Председательствующий даже попенял секретарю за небрежное составление “справки-объективки”, но никакой ошибки, как мы теперь знаем, не было. И высокое собрание решило “на первый раз” избрать в академики старшего из братьев.

Но до этой вершины Владимиру Ипатьеву предстояло пройти долгий и тяжелый путь. После разрыва родителей мальчики, по обычаям того времени, остались у отца, а тот, не желая, вероятно, обременять себя воспитанием отпрысков, отдал их в кадетский корпус, а затем в военные училища, Владимира – в артиллерийское, а Николая – в инженерное.

По собственным воспоминаниям В.Н. Ипатьева, он “запал” на химию еще в кадетском корпусе, прочитав раздел “химические явления” в учебнике физики Краевича, и тогда же решил посвятить свою жизнь этой молодой науке. Но признаем, что военное училище, при всем уважении к нашей доблестной армии, не лучшее место для овладения основами естественных наук и выработки творческого образа мышления. Многие годы Ипатьев самостоятельно изучал химию, читая книги и ставя химические эксперименты в домашней лаборатории, намного опережая в знаниях своих преподавателей. Он не оставил своих занятий даже в военном гарнизоне в Серпухове, где молодой офицер служил после окончания училища. Это была страсть, великая страсть к химии.

Но, однажды попав в военную колею, из нее уже трудно выбраться. Единственным шансом удовлетворить свою страсть к науке для Ипатьева было поступление в Петербургскую артиллерийскую академию. Артиллерия – это боеприпасы, а боеприпасы – не что иное, как химия. И после двадцати месяцев службы в гарнизоне Ипатьев сделал это! Лишь в академии в возрасте 23 лет он начал постепенно приобщаться к профессиональным занятиям химией. Но ему было суждено оставаться военным еще долгие годы. Погоны с его плеч сняла только революция 1917 года. Погоны были генеральские – генерал-лейтенантом русской армии и действительным членом Российской академии наук Ипатьев стал практически одновременно.

И, завершая эту “семейную” прелюдию, нельзя не рассказать о судьбе его брата Николая. Тот тоже отдал военной службе более 15 лет жизни и вышел в отставку в 1904 году в звании инженер-капитана. Николай Ипатьев с семьей обосновался в Екатеринбурге и организовал небольшую фирму по строительству железнодорожных путей. В частности, он получил подряд на прокладку путей дороги Пермь – Екатеринбург. По отсыпанному им полотну поезда ходят до сих пор.

А еще Николай Ипатьев приобрел одноэтажный, но просторный дом, в котором расположилась контора фирмы и жила его семья. Дом был обустроен по последнему слово техники того времени: электрическое освещение, телефон, горячая вода. Вероятно, поэтому Ипатьевский дом приглянулся в 1918 году большевикам, которые реквизировали его для размещения семьи бывшего русского царя Николая Второго. Именно в подвале этого дома вся царская семья, включая детей, была расстреляна в ночь на 17 июля 1918 года.

Николай Ипатьев с семьей покинул Екатеринбург, Россию и кружным путем добрался до Праги, где до самой кончины в 1938 году занимался строительством и преподавательской деятельностью.

Но вернемся к нашему главному герою. В академии его постигло очередное разочарование – уровень преподавания химии не отвечал его требованиям и ожиданиям. И вот слушатель первого курса пишет двухсотстраничное учебное пособие по качественному анализу для своих однокашников, на втором курсе – еще одно пособие по количественному анализу. Еще более удивительно, что руководство академии принимает их в качестве официальных учебных пособий и вообще создает для талантливого офицера все условия для занятия научной работой. Всего лишь год спустя Ипатьев докладывает результаты своих исследований кристаллической структуры особого сорта стали на заседании Императорского технического общества. Выводы начинающего исследователя шли вразрез с господствовавшими в то время воззрениями, а сам он удостоился одобрения от председательствовавшего Д.И. Менделеева, который вообще крайне редко снисходил до похвалы.

Такими ценными кадрами не разбрасываются. После окончания военной академии новоиспеченный штабс-капитан артиллерии Владимир Ипатьев приступил к чтению лекций по химии в своей alma mater и одновременно – к исследованиям по органической химии в Петербургском университете. Диссертация, защищенная им через два с половиной года, была посвящена изопрену – веществу, незадолго до этого выделенному из натурального каучука.

Это сейчас в школьном курсе разъясняют, что натуральный каучук – полимер изопрена, а в конце XIX века было неизвестно само понятие полимера. Кроме того, каучук практически не был востребован промышленностью, потому что его основных потребителей – автомобиле– и самолетостроения тогда просто не было. Здесь в полной мере проявился удивительный дар Ипатьева – он видел на десятилетия вперед, его фундаментальные исследования торили дорогу будущим поколениям.

В 1896 году академия направила Ипатьева на стажировку за границу. Германия, Мюнхен, лаборатория Адольфа фон Байера (1835–1917), ставшего вскоре одним из первых лауреатов Нобелевской премии по химии, – лучшее в то время место для продолжения образования в области органической химии. Впрочем, “господин тайный советник” (так надлежало обращаться к Байеру) редко лично занимался с “постдоками”, а выполненные под его руководством исследования публиковал исключительно под своей фамилией. Но вот Ипатьева взял под свое крыло, и статьи, посвященные синтезу изопрена, выполненному Ипатьевым впервые в мире, они опубликовали вместе. Байер верно угадал в этом напористом русском, плохо знавшем тогда немецкий язык, будущего генерала – и в жизни, и в науке. Дело дошло до беспрецедентного в истории мюнхенской лаборатории случая: Байер пригласил стажера на семейный ужин, а через несколько дней прибыл с ответным визитом к Ипатьеву и его жене.

После возвращения в Санкт-Петербург Ипатьев приступил к самостоятельным исследованиям, и открытия – действительно открытия! – последовали ошеломляющей чередой, едва ли не ежегодно.

Первое родилось, как это часто бывает, случайно. Ипатьев изучал разложение спиртов при высокой температуре, при шестистах градусах. Тогда считалось, что при такой температуре ничего хорошего из органических соединений получить невозможно, они просто разваливались на части, и, что хуже всего, разваливались непредсказуемым образом. Но химики традиционно работали в стеклянной посуде, а Ипатьев, истинный артиллерист, использовал железные трубки. В этих условиях он неожиданно получил из спиртов вполне определенные органические соединения – альдегиды и кетоны. Он догадался, что все дело в материале трубок, в железе, которое изменило направление реакции и выступало в качестве катализатора процесса.

Так Ипатьев впервые столкнулся с явлением катализа, которому он оставался верен на протяжении всей своей жизни. Чтобы оценить значимость открытия, вспомним, что катализ в те годы был совсем молодой областью науки, именно науки, потому что о его промышленном использовании даже речи не было. Было известно, что катализаторами некоторых реакций служат благородные металлы, платина или палладий. И вдруг – железо!

Открытие Ипатьева резко расширило круг возможных катализаторов, распространив его на неблагородные металлы. А вскоре Ипатьев показал, что окислы металлов обладают зачастую даже большей каталитической активностью, чем сами металлы. Так дело быстро, за считаные месяцы, дошло до окиси алюминия и алюмосиликатов, попросту говоря, глин, которые были несравненно дешевле платины и палладия. Расширил Ипатьев и перечень возможных реакций, которые можно проводить в присутствии катализаторов, и круг получаемых при этом органических соединений. Например, он впервые получил из этилового спирта, бывшего в то время одним из главных исходных веществ нарождающейся химической промышленности, этилен и бутадиен.

О последнем соединении следует сказать особо. Через четверть века Сергей Васильевич Лебедев (1874–1934), опираясь на работы Ипатьева, впервые в мире запустил промышленный процесс получения синтетического каучука. Делали его полимеризацией бутадиена.

Ипатьев же первым получил другой, не менее важный, полимер – полиэтилен. Это было еще одно открытие, ценность которого оценили по прошествии десятилетий и плодами которого мы пользуемся ежедневно до сих пор.

Ипатьев является также пионером применения высоких давлений в химии. В начале этой главы я упоминал, что Нобелевскую премию за это получил Карл Бош, усовершенствовавший в 1909–1913 годах процесс каталитического синтеза аммиака Фрица Габера. Но приоритет в этой области все ученые мира отдают Ипатьеву, сконструировавшему в 1903 году аппарат, позволявший осуществлять химические реакции при давлении до 450 атмосфер и температуре до 550 °С. Такие характеристики казались в то время несбыточными и даже невозможными. Ипатьеву весьма помогла его артиллерийская подготовка, ведь в канале ствола орудия при выстреле достигаются и не такие параметры. Аппарат был изготовлен по чертежам ученого и при его непосредственном участии и образно назван “бомбой”.

“Бомба Ипатьева” вошла в историю науки, с ее помощью были разработаны многие процессы, легшие в основу современной нефтехимии, – и бог с ней, с Нобелевской премией!

В 1911 году Ипатьев сделал еще одно открытие. В сконструированном им аппарате он получил из газообразного этилена “искусственную нефть”, а еще через тридцать лет, уже находясь в США, довел эту работу до промышленного применения. Именно из этилена во время Второй мировой войны получали высокооктановый бензин, которым заправляли самолеты союзников. Не случайно на обелиске, установленном на Свято-Владимирском кладбище в Нью-Джерси, США, написано: “В память о русском гении Владимире Николаевиче Ипатьеве, изобретателе октанового бензина”.

Но до Второй мировой войны была Первая. В начале 1915 года генерал-лейтенант Ипатьев возглавил Химический комитет, ведавший химической промышленностью всей страны. По сути, он создал ее заново.

Принято считать, что глобализация – примета нашего времени. При этом забывают о высочайшей интеграции стран, достигнутой в начале XX века. Достаточно сказать, что мировая торговля находилась на таком уровне, что ее объем после войн и революций удалось восстановить (в сопоставимых ценах) лишь к 80-м годам[26]. С началом Первой мировой войны выявились и недостатки тогдашней глобализации. Дело в том, что большинство химических продуктов, необходимых для производства взрывчатых веществ, Россия ввозила из-за границы, преимущественно из Германии. Речь шла о базовых веществах – толуоле, азотной кислоте, аммиаке, селитре, потребность в которых исчислялась миллионами тонн.

Ипатьеву пришлось озаботиться не просто строительством новых заводов, а организацией новых отраслей химической промышленности. Поразительно, но в этой пиковой ситуации ставка во многих случаях делалась не на апробированные, а принципиально новые технологии. Например, в Германии толуол (для производства тринитротолуола, тротила) выделяли из газов коксования угля, в России его впервые в мире стали получать из нефти. Ипатьев также разработал и внедрил процесс прямого получения селитры окислением аммиака. Вследствие его усилий уже к концу 1915 года производство взрывчатых веществ в стране возросло в 50 раз на частных предприятиях и вдвое на государственных.

В годы Первой мировой войны появилось еще одно новое оружие – боевые отравляющие вещества. Ипатьев по долгу службы занимался как созданием средств защиты от них, так и организацией их производства. Показательно, что это никогда не ставилось ему в вину, в отличие от Фрица Габера, отца немецкого химического оружия. Личное участие в его применении в боевых условиях стоило Габеру потери репутации и вообще жизненного краха.

Война породила революцию со всеми вытекающими последствиями: развалом всего и вся, анархией, массовым бандитизмом. Так что в определенной степени Ипатьев даже приветствовал захват власти большевиками, потому что, по его собственному признанию, в России в то время не было другой силы, способной остановить “разъяренную стихию, могущую бессознательно разрушить всю страну”[27]. Более того, Ипатьев с первых дней пошел на сотрудничество с новой властью, сохранив, по сути дела, пост, который он занимал в царском правительстве, – Ипатьев стал председателем технического управления при Военном совете республики и постоянным членом этого совета. Неоднократно встречался Ипатьев и с Лениным, который уважительно называл ученого “главой нашей химической промышленности”. Двигали Ипатьевым вполне понятные цели: “Я готов сделать все от меня зависящее, чтобы спасти созданную нами во время войны химическую промышленность”. Он болел душой за свое детище и свою страну.

В тех безумных условиях Ипатьев не только спасал и сохранял старое, но и созидал новое, глядя, по своему обыкновению, далеко вперед. По его инициативе в 1922 году был создан Радиевый институт, “призванный объединять и направлять все работы по радиоактивности”, а также Институт удобрений, Институт силикатов, Государственный институт прикладной химии. Для собственных же научных изысканий Ипатьев организовал лабораторию высоких давлений[28], преобразованную в 1929 году в одноименный институт. Уровень исследований был настолько высок, что Ипатьев получал много заказов от ведущих зарубежных фирм.

В Советской России, а затем в СССР Ипатьев пользовался большой свободой и, в частности, часто выезжал за границу как по государственным делам, так и для проведения совместных научных работ. Но ситуация вокруг него постепенно менялась к худшему. Большевики, провозглашая в теории наличие объективных законов развития общества, на практике зачастую скатывались в откровенный волюнтаризм. Они хотели всего и сразу и, не получая желаемого, начинали искать виноватых – вредителей и саботажников. Судя по сделанным открытиям, наука в СССР, в стране, только что пережившей революцию и Гражданскую войну, в 1920-е годы находилась на высшем мировом уровне (как такое было возможно, остается лично для меня величайшей загадкой XX века), а по темпам развития химической промышленности СССР превосходил не только сегодняшнюю Россию, что неудивительно, но и современный Китай. Но большевикам этого было мало, и они обрушили репрессии на “буржуазных” специалистов – никаких других специалистов в стране в то время не было, их еще не успели выучить.

Но Ипатьев до поры до времени даже не задумывался об отъезде из страны. Во время одной из командировок в Германию в 1927 году его пригласили в гости к нобелевскому лауреату Вальтеру Нернсту (1864–1941). Там во время обеда, вспоминал Ипатьев, “один из немецких профессоров спросил меня, почему я совсем не покину СССР и не переселюсь за границу для продолжения своих научных работ, где я найду, несомненно, гораздо больше удобств, чем у себя на Родине. Я не замедлил ответить, что как патриот своей Родины должен остаться в ней до конца моей жизни и посвятить ей все мои силы. Профессор Эйнштейн слышал мой ответ и громко заявил: “Вот этот ответ и я вполне разделяю, так и надо поступать”. И вот прошло 4–5 лет после этого разговора, и мы оба нарушили наш принцип: мы теперь эмигранты и не вернулись в свои страны по нашему персональному решению, а не потому, что были изгнаны нашими правительствами…”

Свое “персональное решение” Ипатьев принял в 1930 году, когда аресты начались в его ближайшем окружении. Немало способствовало ему и то обстоятельство, что Ипатьеву позволили поехать на Энергетический конгресс в Берлин вместе с женой. Впрочем, никаких решительных заявлений сделано не было. Прибыв в Берлин, Ипатьев попросил у советского правительства годичный отпуск для поправки здоровья за границей, и такой отпуск был ему предоставлен.

Ни о каком отпуске речь, конечно, не шла. Ипатьев, похоже, вообще не знал, что означает это слово. Он немедленно включился в научную работу на одном из баварских химических концернов. Но Германия того времени была слишком тесно связана с СССР, и вскоре Ипатьев перебрался во Францию. Русские эмигрантские круги встретили его враждебно. Ему припомнили и сотрудничество с большевиками, и даже то, что в доме его брата была расстреляна царская семья. Так что Ипатьев был вынужден перебраться за океан.

Не будем забывать, что ему было уже 63 года. Он считался классиком науки, и не случайно декан химического факультета Северо-Западного университета в Чикаго, узнав, что ему предстоит познакомиться с Ипатьевым, удивленно воскликнул: “Какой это Ипатьев? Тот давно умер!” Нормальные люди в этом возрасте выращивают розы и нянчат внуков, пребывая на заслуженном отдыхе. Ипатьеву же предстояло строить свою жизнь с нуля в чужой для него стране, язык которой он ко всему прочему практически не знал.

Обосновались Ипатьевы в Чикаго. В компании Universal Oil Products Ипатьеву была предоставлена полная свобода действий как в наборе персонала лаборатории, так и в выборе тематики исследований, лишь бы они касались применения катализа в нефтяной промышленности. Ситуация, с одной стороны, беспрецедентная, а с другой – легко объяснимая. По признанию Ипатьева, в те годы мало кто мог даже предполагать, что катализаторы понадобятся в этой области производства. Перед ученым простиралось непаханное поле, на котором он мог двигаться в любом направлении.

И началась обычная для Ипатьева жизнь: разработка новых процессов в компании, фундаментальные исследования в университетской лаборатории, лекции по катализу в университете, патенты, десятки патентов, запуск новых производств. Феноменальная работоспособность и научная эффективность Ипатьева привела к тому, что буквально на глазах рождалась новая отрасль американской промышленности. Это было по достоинству оценено – в 1937 году журнал “Тайм” назвал Ипатьева “Человеком года”. В 1939 году его избрали членом Национальной академии США, и в том же году в Париже ему вручили высшую награду Французского химического общества – медаль имени Антуана Лавуазье.

Это было своеобразной компенсацией за лишение его в 1937 году звания действительного члена Академии наук СССР. Решение, конечно, дурацкое, но отнюдь не скоропалительное. На протяжении всех предшествующих лет Ипатьев и Советское правительство поддерживали вполне благопристойные отношения. Ученый регулярно посылал в СССР отчеты о своих работах, выполненных в США, а в СССР в 1936 году вышла его фундаментальная монография “Каталитические реакции при высоких температурах и давлениях”. Ипатьеву периодически предлагали вернуться в СССР, но он вежливо отклонял приглашения, ссылаясь на великую занятость и контрактные обязательства, что полностью соответствовало действительности. В конце концов терпение правительства истощилось и оно рубануло с плеча, лишив Ипатьева не только звания академика, но и советского гражданства и навсегда запретив ему въезд на территорию СССР.

Последнее решение выглядит ненужным довеском, каким-то актом бессильной злобы, но оно имело свои последствия. Дело в том, что, начиная с 1944 года, уже выйдя на пенсию, Ипатьев неоднократно пытался вернуться на Родину, но неизменно получал отказ.

Несмотря на многие годы, проведенные в США, широкую известность и всеобщее признание, Ипатьев так и не прижился в этой стране и чувствовал себя в ней чужим. Благодаря своим патентам он мог считаться богатым человеком даже по американским меркам, но жил очень скромно, снимая с женой номер в отеле. Ни автомобиля, ни коттеджа, ни роз на клумбе. Все зарабатываемые им деньги он тратил на оснащение лаборатории, на научные исследования, которыми занимался до последних дней своей жизни.

Эта страсть к веществу, к работе руками – одна из самых поразительных черт Ипатьева. Нынешним академикам такое и в голову не придет. А вот Ипатьев работал руками всегда, невзирая на условия, мало подходящие для этих занятий, – в армейском гарнизоне, во время войны и революции, на пенсии. Он так и умер, работая, в возрасте 85 лет.

Завершим жизнеописание Ипатьева тем, с чего начали – рассказом о его семье. Женился Ипатьев сразу после окончания академии в 1892 году, на своей старинной московской приятельнице Варваре Дмитриевне Ермаковой и прожил с ней до конца своих дней, хотя, по воспоминаниям современников, был отнюдь не схимником и часто увлекался женщинами – у него и на это доставало времени и сил!В семье Ипатьевых было четверо детей – сыновья Дмитрий, Николай и Владимир и дочь Анна. Дмитрий погиб на германском фронте в 1916 году. Николай, также бывший офицером, после революции примкнул к Белому движению и навсегда порвал с отцом, которого считал ренегатом. Впоследствии он погиб в Африке при испытании изобретенного им средства против желтой лихорадки. Владимир пошел по стопам отца и работал в созданной им лаборатории высоких давлений. В 1936 году его, по обычаю того людоедского времени, заставили выступить на упомянутом заседании Академии наук с осуждением поступка отца. Владимир осуждать не стал, ограничившись общими словами о том, что не знает всех обстоятельств дела, но в принципе не одобряет тех, кто покидает Родину. Его тогда даже не арестовали. Впрочем, свой срок Владимир Ипатьев-младший все же получил, в 1941 году. Но срок был по тем временам символический – пять лет, его давали тогда “ни за что”. И отбывал его Владимир на “шарашке” в Москве. Впоследствии он стал профессором Ленинградского университета, потом – Лесотехнической академии, а в 1955 году скоропостижно скончался, пережив отца всего на три года. Дочь Анна тоже осталась в России и тоже хлебнула лиха после обструкции отца. В сущности, Ипатьевы потеряли детей и, живя в Америке, тяжело переживали это. Чтобы скрасить одиночество и утолить хоть как-то тоску по детям, они удочерили и воспитали двух русских девочек-сирот. Варвара Дмитриевна пережила мужа лишь на несколько месяцев…За время жизни Ипатьева и в значительной мере благодаря его работам катализ претерпел разительные перемены. Если в конце XIX века катализаторы были предметом сугубо академических исследований с туманными перспективами их применения в промышленности, то в середине века XX, наоборот, уже невозможно было представить химическую промышленность без использования катализа. В настоящее время каталитические процессы обеспечивают более 80 % продукции химических отраслей и около 20 % ВВП развитых стран. Вы только вдумайтесь в последнее число: ведь это больше, чем вклад электроники, автомобилестроения, строительства, любой другой отрасли материального производства!

Какое отношение это имеет к нанотехнологиям? Самое непосредственное! После прочтения главы о Ловице и сорбентах вы можете сами легко воссоздать эту прямую логическую связь. Упомянутые выше катализаторы, металлы и окислы металлов, представляют собой твердые вещества. Понятно, что превращения различных соединений происходят на их поверхности . Чем больше поверхность, тем выше производительность катализатора. А высокой удельной величиной поверхности обладают только структуры, характеризующиеся наноразмерами .

Об одном из таких веществ я уже рассказывал. Это – цеолиты с их поразительной по красоте структурой, состоящей из многогранных полостей размером чуть более нанометра, соединенных столь же геометрически правильными “окнами”, удивительный продукт природных нанотехнологий, расшифрованный, скопированный и усовершенствованный учеными. В настоящее время цеолиты используют, например, для получения высокооктанового бензина, для осуществления множества других реакций нефтехимического синтеза, для обессеривания нефтяных фракций, на их основе создают катализаторы дожигания отходящих газов автомобильных двигателей и т. д. Суммарная стоимость химической продукции и моторного топлива, производимых ежегодно с использованием цеолитов, давно превысила 1 триллион долларов. К слову сказать, именно в такую сумму оценивают перспективный рынок продукции всех нанотехнологий. Даже интересно, как при этих расчетах оценивали вклад цеолитных катализаторов? Или о них просто забыли?

Структура многих других катализаторов, в частности окиси алюминия, введенной в практику катализа Ипатьевым, не столь совершенна, как у цеолитов, но общий принцип сохраняется: все они обладают развитой поверхностью и разветвленной системой пор нанометровых размеров.

Но приставка нано “возникает” в катализе не только благодаря порам. Еще один важнейший класс промышленных катализаторов – так называемые нанесенные металлические катализаторы, в которых металл пребывает в виде наночастиц. Об этом стоит рассказать подробнее, потому что этот пример прекрасно иллюстрирует, каким извилистым путем меняются представления и предпочтения в науке и технологии.

Пальму первенства в открытии каталитических свойств металлов традиционно отдают немецкому химику Иоганну Вольфгангу Дёберейнеру (1780–1848), который в 1821 году получил уксусную кислоту окислением этилового спирта в присутствии платины. Сбраживание вина в уксус – классический пример биотехнологий , осуществляемых природными катализаторами – ферментами. Дёберейнер впервые получил его чисто химическим путем. Парадоксально, но формально металлы как катализаторы были открыты позже ферментов.

Еще через два года Дёберейнер обнаружил явление воспламенения струи водорода, направленной на так называемую губчатую платину, которая выступала в качестве катализатора окисления водорода кислородом воздуха с образованием воды. Реакция эта протекает с выделением большого количества тепла, за счет которого и происходит воспламенение водорода. Открытие немедленно нашло практическое воплощение в “водородном огниве” – устройстве, применявшемся для получения огня до изобретения спичек.

Впрочем, это было едва ли не единственным практическим приложением металлических катализаторов на протяжении нескольких десятилетий. В науке же шло постепенное накопление данных о свойствах и природе каталитического действия металлических катализаторов. Следующий прорыв в этой области связан с именем Поля Сабатье, который в первые годы XX века стал использовать в качестве катализаторов мелкораздробленные металлы. Возможно, после прочтения предыдущих глав книги эта идея представляется вам тривиальной – Сабатье за счет измельчения металла просто увеличил его поверхность и, следовательно, активность. К слову сказать, и Дёберейнер в своем огниве использовал губчатую платину, удельная поверхность которой в десятки раз больше, чем у платиновой проволоки.

Но работать с мелкими частицами чрезвычайно неудобно, их безвозвратно уносит поток газа. Если же реакцию проводить в жидкости, то потом намучаешься с осаждением тонкой устойчивой взвеси.

В лаборатории это еще проходит, но для промышленности никак не годится. Сабатье нашел изящный и универсальный способ преодоления этих трудностей – наносить металлы на поверхность других твердых веществ, которые стали, естественно, называть носителями или подложками. Палладий на угле – самый известный из предложенных Сабатье катализаторов, используемый, кстати, до сих пор.

Он же предложил и общий способ получения таких катализаторов. Зачем механически измельчать металл, если его можно просто растворить в кислоте, затем осадить соль на поверхность носителя и восстановить назад до металла. На стадии связывания соли металла носитель играет роль сорбента. Если эта роль ему не очень удается, то можно воспользоваться вечным армейским принципом “не умеет – научим, не хочет – заставим” и просто выпарить раствор соли металла над носителем.

Этот подход оказался хорош еще и тем, что позволял получать частицы металла размером в несколько нанометров, которые в принципе невозможно получить с помощью механического измельчения. Маленький размер, огромная поверхность – производительность катализаторов сразу выросла на порядки, что открыло им дорогу в промышленность.

То, что нанесенные частицы металла, получаемые этим способом, имеют размер в единицы и десятки нанометров, ученые установили много десятилетий назад. Они научились также получать частицы нужного размера в зависимости от поставленной задачи. Понятно, что для нанесения максимально возможного количества этих частиц исследователи использовали носители с высокой величиной поверхности, так что создаваемые ими катализаторы характеризовались сразу двумя величинами в диапазоне нано: размерами частиц металла и диаметром пор носителя.

Вопрос о том, как образуются эти частицы на поверхности, также не ставил исследователей в тупик, ведь в их распоряжении были прецеденты по получению золей металлов в растворах. Об этом я расскажу подробно в следующей главе, здесь же отмечу главное: при восстановлении на поверхности образуются единичные атомы металла, которые свободно мигрируют по поверхности вследствие теплового движения и, встретившись, слипаются между собой, потому что вместе им находиться энергетически выгоднее, чем по отдельности. Рост формирующейся частицы будет происходить до тех пор, пока в пределах досягаемости не иссякнут единичные атомы металла. Математическая модель этого процесса была предложена профессором МГУ Николаем Ивановичем Кобозевым еще в 1939 году.

Нанесенные металлические катализаторы успешно работали в промышленности, но души исследователей свербели: пусть наночастицы нанесенного металла невелики по размеру, но работают-то в них все равно только поверхностные атомы, да и то не все, это ж сколько драгметалла пропадает зря?! И исследователи не оставляли попыток получить лежащие на поверхности отдельные атомы, которые, как считалось, будут обладать наивысшей каталитической активностью. Но все попытки разрушало тепловое движение атомов по поверхности, которое многократно ускорялось при повышенных температурах, в условиях использования катализаторов.

И тут подул ветер перемен. Началось все с пионерской работы английского химика Джефри Уилкинсона (1921–1996), будущего нобелевского лауреата. Он был признанным специалистом в области комплексных соединений металлов – атомов или ионов металлов, окруженных “шубой” из органических молекул. В 1966 году он обнаружил, что один из синтезированных им комплексов родия обладает каталитической активностью в реакциях с участием водорода, которые были раньше прерогативой исключительно металлических катализаторов. И какой активностью! По многим параметрам “комплекс Уилкинсона” (под таким названием он вошел в историю науки) превосходил платину и другие благородные металлы; он, в частности, позволял осуществлять каталитические реакции в исключительно мягких условиях: в растворе при комнатной температуре и атмосферном давлении. А самое главное – это был вожделенный катализатор, содержащий один-единственный атом металла.

После выхода статьи Уилкинсона начался бум металлокомплексного катализа. Открывались новые комплексы, изучались новые реакции с их участием. Ажиотаж в этой области подогревался еще одним обстоятельством: новые катализаторы чрезвычайно напоминали ферменты, активными центрами которых служили все те же ионы металлов, упрятанные в глубь белковой оболочки. На горизонте замаячил призрак “великого объединения” разных ветвей катализа, разошедшихся полтора столетия назад.

Впрочем, раздавались и трезвые голоса. При многочисленных достоинствах новые катализаторы обладали и очевидным недостатком: после завершения каталитического процесса их было чрезвычайно трудно выделять из реакционной смеси для повторного использования, дело обстояло в точности как с ферментами, “одноразовые” катализаторы не представляли интереса для промышленности, вся экономия драгоценного металла при этом сходила на нет.

С другой стороны, ситуация была абсолютно идентична описанной выше для мелкораздробленных металлов. И выход из нее был точно таким же: нанесение комплексов металлов на поверхность твердых носителей. Работы в этой области начались почти незамедлительно – в начале 1970-х годов – и привнесли новый мощный импульс в бум металлокомплексного катализа.

За десять лет неустанной гонки было получено много интересных научных результатов, но переворота в технологии так и не произошло. Оказалось, что комплексы металлов не так всемогущи, как представлялось, и есть процессы, которые им не по зубам. Нанесение комплексов на поверхность носителя также не оправдало надежд. Да, исследователи получали часто очень активные катализаторы, но они быстро теряли свою активность. Образно говоря, они были хорошими спринтерами, но плохими стайерами. Они не могли конкурировать с использовавшимися тогда в промышленности металлическими и оксидными катализаторами, которые работали без замены месяцами и годами.

Эйфория спала, и начался этап “нормальной” науки по Томасу Куну. Множество металлокомплексных катализаторов довели “до ума”, и они нашли применение не только в лабораторной практике, но в промышленности, например в фармацевтической, где важна их способность осуществлять превращения в мягких условиях и строго определенным образом, а “одноразовость” и относительно высокая цена не имеют большого значения. В 2010 году исследования в этой области были отмечены Нобелевской премией по химии. Ее разделили американец Ричард Хек и японцы Эйити Негиси и Акира Судзуки, разработавшие методы получения сложнейших органических соединений с помощью палладиевых катализаторов. Кстати, выполнены эти исследования были в те далекие романтические годы. По признанию самих лауреатов, присуждение Нобелевской премии стало для них приятной неожиданностью. И это не просто фигура речи. В сущности, премией была увенчана обширная область химии и катализа, а поименный список лауреатов мог быть любым и включать, например, профессора МГУ, академика Ирину Петровну Белецкую, долго и плодотворно изучавшую применение в органическом синтезе именно палладиевых катализаторов.

Но вернемся в прошлое, на тридцать лет назад. В ходе исследований комплексов металлов выявилась одна пикантная деталь: оказалось, что единичные атомы неспособны катализировать протекание многих важных реакций, даже такой внешне простой, как гидрирование бензола. В определенном смысле атомы вели себя как люди – ведь есть дела, которыми мы можем заниматься только вдвоем, а с какими-то можно справиться лишь большой бригадой.

Так что химики стали создавать комплексы, ядро которых состояло из двух, трех и большего числа атомов металла. Их называли кластерами. Дело довольно быстро дошло до систем, содержащих сотни атомов металлов. Пионером в изучении таких “гигантских кластеров” был Илья Иосифович Моисеев, ныне академик, а тогда – просто заведующий лабораторией Московского академического института общей и неорганической химии.

В сущности, гигантские кластеры представляли собой частицы металла размером в несколько нанометров, покрытые оболочкой из органических молекул. Природа этих частиц была предметом яростных споров на научных конференциях. “Они же у вас черные, так? Металл! Факт!” – пренебрежительно говорили мы, уже списавшие традиционные металлические катализаторы в утиль. “Они темно-коричневые. Это комплексы!” – отвечали молодые сотрудники Моисеева, тоже боявшиеся слова “металл” как огня. Приступать с такими нападками к руководителю работ мы не рисковали, и отнюдь не из-за преклонения перед авторитетами – Илья Иосифович человек интеллигентный, но при случае жесткий и острый на язык, отбреет так, что мало не покажется. И ведь прав он оказался, точно предугадав главный вектор развития работ в катализе! Вот только термин “кластер” постепенно исчез из лексикона каталитиков, переместившись в другие сферы, в экономику, государственное управление, СМИ, где стал одним из самых модных словечек, в катализе же остались… наночастицы металлов.

Слухи о смерти металлических катализаторов оказались сильно преувеличенными, и именно наночастицы металлов были признаны лучшим классом катализаторов как с точки зрения стабильности, так и активности. Оказалось, что каталитическая активность нанокристаллов в расчете на один атом металла может быть даже выше, чем у изолированных атомов металла или их кластеров, состоящих из двух-трех атомов. Было также показано, что для каждой реакции существует оптимальный размер частицы металлического катализатора, при котором удельная активность катализатора в расчете на атом металла максимальна. Все эти закономерности были в основном выяснены в 70–80-х годах прошлого века и успешно реализованы на практике.

Если вдуматься, развитие представлений в катализе описало своеобразную синусоиду, вернувшись к давно известным наночастицам металлов, хотя, с другой стороны, и на более высоком уровне понимания. Но складывается впечатление, что люди, незнакомые с историей науки, уловили лишь последнюю восходящую ветвь синусоиды, подъем “снизу-вверх”, от комплексов, содержащих один атом металла, к металлическим наночастицам, и стали преподносить их как открытие последнего времени, как некий переворот в катализе, связанный с появлением нанотехнологий. И вот уже с высоких трибун звучат бодрые голоса, обещающие создание методами нанотехнологий новых катализаторов для экологически чистых процессов химической промышленности.В кругу специалистов все эти высказывания вызывают удивление, непонимание, обиду. А мы чем всю жизнь занимались – ромашки нюхали? Ситуация абсолютно идентична описанной ранее для сорбентов. И вывод из всего этого точно такой же: весь современный промышленный катализ – это и есть нанотехнологии, а разработанные учеными-каталитиками методы получения наночастиц металлов и результаты исследования их свойств составляют, несомненно, золотой фонд нанотехнологий.

Глава 7 Мал золотник, да дорог

Жил-был ученый. Звали его Гемфри Дэви (1778–1829). Он открыл натрий, калий, кальций, магний, стронций, барий и бор, явление электролиза и электрическую дугу, установил элементарную структуру хлора, предложил электрохимическую теорию химического сродства и тем самым заложил теоретические основы химии, а еще открыл “веселящий газ” – закись азота, долгое время использовавшийся в качестве наркоза при медицинских операциях, изобрел безопасную рудничную лампу и многое другое. Когда на склоне лет его спросили, какое из своих открытий он считает главным, Дэви ответил: “Я открыл Фарадея”.

Красивая легенда. Сегодня мы вкладываем в историческую фразу совсем не тот смысл, что Дэви, который делал, несомненно, ударение на слове “я”. Ему и в кошмарном сне не могло присниться, насколько ученик превзойдет учителя. Но именно так и случилось; Дэви, великий ученый и гениальный провидец, по сути оказался прав. Англичанин Фарадей – один из немногих ученых, чье имя знают во всем мире. Он – самый знаменитый из всех представленных в этой книге исследователей природы. И один из главных предтеч нанотехнологий.

Майкл Фарадей родился в 1791 году в пригороде Лондона в семье кузнеца. Из-за бедности он смог получить только начальное школьное образование, а в 13 лет пошел работать, сначала разносчиком книг и газет, затем подмастерьем в книжную лавку, где овладевал переплетным ремеслом. В этом “университете” Фарадей пробыл семь лет, с жадностью прочитывая все переплетаемые им книги. Наибольшее впечатление на него произвели статьи по электричеству в Британской энциклопедии и книга Джейн Марсе[29] “Беседы о химии”. Под их влиянием Фарадей стал посещать научно-популярные лекции в Городском философском обществе и воспроизводить увиденные и описанные опыты в домашней лаборатории, экономя буквально на всем. Вероятно, именно тогда выработался минималистский стиль экспериментов Фарадея. “Немного проволоки и несколько старых кусков дерева и железа дают ему возможность делать величайшие открытия”, – писал со смесью удивления и восхищения великий немецкий естествоиспытатель Герман фон Гельмгольц (1821–1894).

В двадцать один год Фарадей закончил обучение в лавке и получил звание мастера. Тут ему посчастливилось попасть на лекции Гемфри Дэви в Королевском обществе. И лекции, и сам лектор произвели на юношу неизгладимое впечатление, что предопределяло всю его последующую жизнь. Позже Фарадей вспоминал: “Желание уйти из торговли, которую я считал порочным и эгоистичным занятием, и посвятить себя служению науке, которая, как я представлял себе, делала своих последователей добрыми и свободными, заставило меня наконец сделать смелый и наивный шаг: написать письмо сэру Дэви”. К просьбе взять его на работу Фарадей приложил оригинальный подарок – сделанный им конспект лекций Дэви в искусном кожаном переплете. (Этот трехсотстраничный манускрипт до сих пор бережно сохраняется в Королевском обществе.) Дэви встретился с соискателем, поблагодарил за подарок, но просьбу отклонил.

Не было счастья, да несчастье помогло. При очередном взрыве в лаборатории Дэви поранил глаз, и ему потребовался помощник для записи результатов опытов. Тут он и вспомнил о Фарадее, о его хорошем почерке, аккуратности и готовности выполнять любую работу. Майкл приступил к своим обязанностям 1 марта 1813 года, а уже осенью Дэви предложил Фарадею сопровождать его в европейском турне, которое продлилось два года. Это была далеко не увеселительная поездка, по крайней мере для Фарадея. Он играл роль Фигаро: записывал мысли мэтра, таскал многочисленные баулы, чистил одежду и гулял с мопсом “мадам”. Но при этом жадно впитывал содержание бесед Дэви с Ампером, Вольтой, Гей-Люссаком и Шеврёлем, схватывая их мысли на лету, изучал хитроумные приборы в их лабораториях и помогал Дэви ставить его собственные эксперименты.

Один из них вошел в историю науки. Во Флоренции Дэви впервые доказал, что алмаз представляет собой чистый углерод. Для этого пришлось сжечь несколько алмазов, включая крупный бриллиант из перстня герцога Тосканы, но – наука требует жертв. В сущности, Дэви воспроизвел опыт средневековых флорентийских ученых, внеся в него существенное изменение. Он со своим валетом[30] помещал алмаз в заполненный кислородом стеклянный сосуд, запаивал его, а затем фокусировал на алмазе солнечный луч; алмаз при этом “испарялся”, а единственным веществом, которое удавалось обнаружить в сосуде, был углекислый газ.

По возвращении в Лондон Дэви стал доверять Фарадею проведение некоторых экспериментов, поручал ему самостоятельные исследования и способствовал публикации его первых научных статей. Все чаще случалось, что промышленники, не рискуя беспокоить сэра Гемфри, обращались к его помощнику с просьбой разрешить возникшие у них проблемы. Одна из них хорошо знакома и нам в наше высокотехнологичное время: железные изделия, увы, ржавеют. Подход, использованный Фарадеем при решении этой проблемы, характерен для всего его научного творчества: “наблюдать, изучать и работать”. Он шел от наблюдения: железные метеориты, хранившиеся в Британском музее, не ржавели. Фарадей провел их химический анализ и обнаружил значительную примесь никеля. Затем он ввел никель в расплав железа и получил то, что мы сегодня называем нержавеющей сталью. Аналогичный эффект наблюдался и при введении в железо других металлов, в частности хрома. Но, к сожалению, заказчик умер и результаты испытаний легли на полку на долгие десятилетия – для Фарадея это был незначительный эпизод, и он не занимался “торговлей” своими научными открытиями.

Дэви с Фарадеем еще проводили совместные исследования, но Дэви, естественно, слово “совместные” в голову не приходило, он был босс, а Фарадей – его помощник. Одно из этих исследований касалось сжижения газов. Идея для того времени была нетривиальной. Жидкость – это жидкость, а газ – это газ. Любая жидкость при испарении переходит в пар (или разлагается), но ниоткуда не следовало, что любой газ можно превратить в жидкость. Дэви придумал очень изящный экспериментальный прием, в результате чего им удалось получить жидкий хлористый водород.

Через несколько лет, развивая эти работы, Фарадей впервые получил в жидком состоянии хлор, сероводород, аммиак, диоксид азота, углекислый газ, этилен.

Споры из-за приоритета – самые жестокие в научном мире, особенно когда они происходят в паре учитель-ученик. Самая большая кошка, пробежавшая между Дэви и Фарадеем, носила имя электромагнетизм. В 1820 году датский физик Ханс Христиан Эрстед (1777–1851) опубликовал небольшую работу “Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку”. Работа привлекла внимание Дэви. Поразительно все же было устроено мышление ученых прошлого! Едва прочитав первое, довольно туманное сообщение о новом и неожиданном явлении, Дэви принялся размышлять ни много ни мало о том, как на его основе сделать двигатель, и даже выполнил со своим старинным другом Уолластоном[31] некоторые опыты, впрочем неудачные.

Фарадей принимал участие в их дискуссиях и, в свою очередь поэкспериментировав, заставил-таки проволочку непрерывно вращаться в поле магнита при пропускании через нее электрического тока от батареи. Так он изобрел то, что сейчас называют униполярным электродвигателем. В эйфории от собственного открытия Фарадей опубликовал полученные результаты, не поставив об этом в известность старших товарищей. Дэви пришел в ярость, грянула буря, надолго отбившая у Фарадея охоту заниматься электромагнетизмом.

В 1824 году Фарадея практически единогласно избирают членом Королевского общества. Нет сомнений, что единственный черный шар положил президент общества Гемфри Дэви, до голосования активно призывавший академиков отклонить кандидатуру Фарадея. Вскоре Дэви оставил занятия наукой. Работа с вредными химическими веществами подорвала его здоровье, он уехал лечиться в Швейцарию и в 1829 году, едва перевалив пятидесятилетнюю отметку, скончался. Звание первого английского химика перешло к Фарадею.

Именно так. Мы привыкли считать Фарадея великим физиком, но в его научной биографии был длительный “химический период”, он сделал ряд важнейших открытий в химии и, кстати, за эти работы был избран в 1830 году почетным членом Петербургской академии наук. Поразительно, но многие открытия он делал как бы походя, откликаясь на просьбы друзей, знакомых и промышленников и не придавая им, открытиям, большого значения.

Вот, например, история, произошедшая во времена, когда Лондон переводили на газовое освещение. Газ тогда получали из угольных шахт и собирали в железные баллоны, которые устанавливали в подвалах домов. Жители к новшеству относились настороженно, Вальтер Скотт язвительно писал, что теперь Лондон будет освещаться “угольным дымом”, да и сам Гемфри Дэви сомневался в жизнеспособности проекта. Но главная проблема заключалась в том, что с газом при перевозке что-то происходило и он уже не светил так ярко. В 1824 году промышленники попросили Фарадея разобраться в этом. Он довольно быстро установил, что в состав газа входят частицы, усиливающие его свечение при горении, но при перевозке и хранении осаждающиеся на стенках баллона в виде летучей маслянистой жидкости. Из нее Фарадей выделил новое вещество, которое заняло одно из центральных мест в теории и практике химии. Это был бензол. Фарадей установил состав бензола, споры же о строении этой простой молекулы продолжались, как мы помним, более столетия. Фарадей изучил некоторые химические свойства бензола и действием хлора получил из него гексахлоран. Эта реакция фигурирует во всех школьных учебниках. Он вообще первым получил хлорсодержащие органические соединения.

На следующий год Фарадей выполнил первый анализ каучука. Сок гевеи южноамериканские индейцы использовали с незапамятных времен, в Европе же патент на получение из него тканей для дождевиков получил в 1823 году шотландский предприниматель Чарльз Макинтош. При этом никто не знал, что представляет собой сок гевеи, – технологии и тут опережали науку. Макинтоша интересовало, с чем же он имеет дело, и он обратился за помощью к Фарадею. Тот установил, что сок гевеи на треть состоит из некоего вещества, собственно каучука, которое является “действующим началом”. Это вещество включало углерод и водород, оно было углеводородом, как и парафин. Фарадей довольно точно определил его состав – он соответствовал молекуле, которую мы сегодня называем изопреном. Ничего больше о строении каучука Фарадей сказать тогда просто не мог.

По просьбе своего друга Джона Гершеля[32] Фарадей создал тяжелое (свинцовое) боросиликатное стекло с очень хорошими оптическими свойствами для применения в телескопах. В отличие от многих других его исследований, эта работа заняла много времени – около пяти лет.

И наконец, Фарадей создал новый раздел науки – электрохимию, которая в наше время имеет неисчислимые технологические применения, от источников питания наших мобильных телефонов и ноутбуков до блестящих бамперов автомобилей. Собственно, работы по электролизу, действию электрического тока на вещество, начал Дэви, это позволило ему стать мировым рекордсменом по количеству открытых химических элементов, которые он получал электролизом расплавов щелочей и солей. Но именно Фарадей стал заниматься электролизом водных растворов, установил количественные законы электролиза и с подачи Уильяма Уэвелла[33] внедрил знакомые всем нам термины: ион, катион, анион, катод, анод, электрод.

“Физический период” в жизни Фарадея, гораздо более известный, многократно и подробно описанный, начался лишь после смерти Дэви. В 1831 году Фарадей вернулся к своему давнему опыту по электромагнетизму и практически мгновенно открыл явление электромагнитной индукции. Две проволочки, накрученные на железный штырь, – с этого незамысловатого устройства, хранимого в музее Королевского общества, началась вся современная электротехника. Но что подвигло Фарадея собрать эту конструкцию, пропустить электрический ток через одну проволочку и проверить, а не появляется ли ток в другой? Непостижимый ход мысли! Гений – одно слово. По той же категории проходят опыты по возникновению электрического тока при движении магнита внутри кольца из проволоки. После этого кажется вполне естественным, что Фарадей быстро создал первый электрогенератор, прообраз динамо-машины, хотя практической реализации идеи пришлось ждать довольно долго, первый патент на динамо-машину получил Вернер Сименс в 1867 году, он же предложил и термин.

Фарадей изучал воздействие магнитов на самые разные вещества, что привело его к открытию диамагнетиков и парамагнетиков и соответственно явлений диа– и парамагнетизма. Свет согласно теории Ньютона, все еще удерживавшей господствующее положение в оптике, тоже представлял собой поток материальных частиц-корпускул, так что Фарадей изучил воздействие магнита и на него. Он пропускал поляризованный свет, открытый незадолго до этого в 1808 году французским физиком Этьенном Луи Малюсом, через созданные им свинцовые стекла и обнаружил, что под действием магнита плоскость поляризации света поворачивается. Так Фарадей получил первое свидетельство электромагнитной природы света, что привело к созданию теории Максвелла и смене парадигмы в физике.

Многие историки науки и биографы любят противопоставлять этих двух ученых, говоря, что Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) был гениальным мыслителем, описавшим электромагнитные явления точными математическими формулами, а Фарадей – “всего лишь” эмпириком, экспериментатором, пусть и лучшим в истории человечества. Современники зло шутили, что открытия Фарадея являются следствием его недостаточного образования, многие ученые заносчиво говорили о слабости математической подготовки Фарадея, которая ограничивалась начальными сведениями по тригонометрии и алгебре (что ж тут поделаешь, следствие тяжелого детства и юности!), да и мы, помнится, с улыбкой смотрели на “наивные” рисунки Фарадея с изображением силовых линий магнитного поля и восхищались изящной красотой уравнений Максвелла.

Но, как говорят художники, он так видел. И это видение помогало Фарадею проникать в суть явления, мы же, всецело полагаясь на математические уравнения и формализованные компьютерные расчеты, практически утратили эту способность. Да и что считать математикой? Сам Максвелл, например, к “наивным” рисункам Фарадея относился уважительно и называл их математикой очень высокого уровня, которую оценят лишь в будущем.Благодаря особенностям своего мировосприятия Фарадей видел связь вещей и явлений. Он довершил дело, начатое Франклином, и окончательно доказал, что между различными “видами” электричества, статическим, искусственным, “животным” и т. д., нет никакой разницы. Он утвердил связь между электрическими и магнитными явлениями, между электрическими и химическими процессами, между магнетизмом и оптикой. Фарадей способствовал созданию целостной картины мира, а точнее говоря, он видел эту картину во всем ее единстве и величии и смог донести это видение до нас. Что же касается вклада Фарадея в теорию, то об этом лучше всего сказал не кто иной, как Альберт Эйнштейн: “Надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами”. В работах Фарадея впервые возникло понятие поля , именно эту идею Эйнштейн считал самой оригинальной у Фарадея, самым важным открытием со времен Ньютона.Самое поразительное, что все эти эксперименты и открытия Фарадей делал в одиночку. В лаборатории ему помогал отставной солдат, человек рукастый и исполнительный, но совершенно чуждый науке. Учеников же и ассистентов у него не было. Возможно, Фарадей руководствовался тем, что от учеников одни проблемы, он сам был учеником и хорошо знал, чем все заканчивается. Но за пределами лаборатории Фарадей увлеченно занимался преподавательской деятельностью и популяризацией науки. Он прочитал огромное число публичных лекций с непременными демонстрациями экспериментов, в чем он был истинным виртуозом. Кстати, его цикл из шести лекций под названием “Химическая история свечи” издается до сих пор. Это поистине классика научно-популярного жанра.

Не менее известны в Англии того времени были и его воскресные проповеди, собиравшие множество людей из самых разных слоев общества, включая его коллег-ученых. Фарадей был глубоко верующим человеком и принадлежал к одной из самых ортодоксальных сект англиканской церкви – сандиманианской. В 1860 году он даже стал ее старейшиной. Как в одной голове могли укладываться занятия естественными науками и буквальная вера в тексты Ветхого Завета, понять трудно, но Фарадей все это прекрасно совмещал и, более того, считал, что вера в Бога помогает ему лучше проникать в тайны мироздания. Наверно, все дело в том, что он был гением, у гениев голова по-другому устроена.

Многолетние напряженные занятия наукой и общественной деятельностью привели к тому, что Фарадей просто-напросто надорвался, уже в пятидесятилетнем возрасте у него начались нелады с памятью. “Шесть недель работы для того, чтобы получить эти результаты, – записал он как-то в дневнике. – Самое скверное то, что, просматривая свои старые заметки, я обнаружил, что все эти результаты были уже получены мною восемь месяцев назад. Я совершенно о них забыл”.

12 марта 1862 года Фарадей сделал свой последний эксперимент. Все они были тщательно запротоколированы и пронумерованы. Последний имел номер 16041 – фантастическая производительность! Напоследок он переплел свои лабораторные журналы – пальцы помнили дело.

Он прожил еще пять лет. Они с женой не нажили ни детей, ни состояния. Поднявшись из низов в члены Королевского общества, Фарадей стал джентльменом, а, согласно тогдашним воззрениям, джентльмену не пристало получать деньги за занятия наукой. Даже если исследования проводились по заказу – “по просьбе” – промышленников. Подарки допускались – на усмотрение просителя. Но даже от многих таких работ Фарадей отказывался, предпочитая возиться с не сулящими никакой практической выгоды проволочками и магнитами. Ему еще повезло, что принц Альберт, муж королевы Виктории, восхищенный лекциями Фарадея, подарил ему дом в королевском поместье близ Лондона. Никаких других средств существования у четы Фарадеев не было. Как неоднократно говорил сам Фарадей: “Из праха вышел и в прах возвратишься, – и неизменно добавлял: – Бытие, 3: 19”.

Однако какое все это имеет отношение к нанотехнологиям? Можно было бы просто сказать, что Фарадей заложил основы современной физики и химии, открыл электрические, магнитные и оптические явления, без которых немыслимы нанотехнологии во всех своих многочисленных приложениях. Но я хочу сузить ответ и сосредоточиться лишь на одном эксперименте Фарадея, выполненном в 1847 году и продемонстрированном широкой публике в 1858 году на лекции “О связи золота со светом”.

Посмотреть действительно было на что. Фарадей растворил золото в царской водке и затем вновь восстановил его до металла фосфором. Частички металла были настолько малы, что их невозможно было разглядеть даже под микроскопом, они свободно плавали в растворе, который казался абсолютно прозрачным. А самое главное – он был вишнево-красным. Небольшое изменение условий восстановления, и вот уже перед зрителями представала взвесь “синего” золота. То, что это именно металлическое золото, показывал анализ осадка – “черни”, которая со временем выпадала из раствора. Если же Фарадей добавлял в раствор желатин, то прекрасные красные и синие растворы сохранялись неизменными на протяжении недель и месяцев. Еще тогда Фарадей предположил, что цвет золотых частиц зависит от их размера. Он был первым, кто получил в лаборатории наночастицы металла, и он же первым обнаружил так называемый размерный эффект .

Я не случайно оговорился: в лаборатории. Дело в том, что “цветное” золото было известно на протяжении веков, если не тысячелетий. С его помощью окрашивали стекла еще в Древнем Риме, затем на его основе делали витражи средневековых соборов, сохранивших свои яркие краски до наших дней. В XVI веке знаменитый алхимик и врач Парацельс использовал “питьевое” золото для лечения заболеваний – он считал его необходимым компонентом “эликсира жизни”. В XVII веке полагавшийся утерянным рецепт изготовления витражей был заново открыт гамбургским стеклодувом Андреасом Кассием. “Кассиев пурпур” получали восстановлением растворов соединений золота хлоридом олова, при его введении в расплавленную стеклянную массу получали великолепное “рубиновое стекло”, равномерно окрашенное по всему объему. “Кассиев пурпур” использовали также в росписях по стеклу и фарфору для создания всех оттенков красного – от слабо-розового до ярко-алого.

При желании историю нанотехнологий можно проследить в глубь веков, где они существовали в виде ремесла. Заслугой Фарадея было то, что он впервые посмотрел на это с точки зрения науки.

Я специально не использовал термины “золи золота” и “коллоидный раствор”, ведь они появились уже после экспериментов Фарадея. В свою очередь эти работы в значительной мере инициировали развитие коллоидной химии. Именно с золей золота начал через сорок лет после Фарадея свои исследования австрийский ученый Рихард Адольф Зигмонди (1865–1929), получивший за них в 1925 году Нобелевскую премию по химии. Зигмонди определил размер частиц золота, на учился получать золи с узким распределением частиц по размерам, самых разнообразных цветов – красного, зеленого, синего, фиолетового, коричневого, даже черного и установил, что частицы размером до 10 нанометров имеют красный цвет, а по мере увеличения размера частиц до 80 нанометров цвет постепенно сдвигается в синюю область. Были изучены также различные способы стабилизации золей золота.

В начале 1970-х годов наночастицы золота начали использовать в биохимии и медицинской диагностике. Дело в том, что некоторые аминокислоты, формирующие белок, содержат в своем составе серу, а сера обладает большим сродством к золоту. Таким образом, белок легко и прочно соединяется с золотой наночастицей. Это был один из первых примеров конструирования на наноуровне – целенаправленной сборки сложного объекта из наноразмерных блоков разной природы. Размер используемых при этом частиц золота был меньше размера белков, то есть прикрепляемая металлическая гирька выступала в качестве метки белка.

Здесь оказалось чрезвычайно полезным еще одно свойство золота. Экспериментальная техника того времени, и в первую очередь электронные микроскопы, не позволяла разглядеть сам белок, но прекрасно видела металлические частицы, причем чем тяжелее атомы металла, тем лучше разрешение. Тяжелое золото идеально подходило для целей визуализации белков, а точнее говоря, поведения белков, их перемещения в организме, концентрирования в каких-то частях клетки, связывания с другими биологическими объектами.

После провозглашения эпохи нанотехнологий наночастицы золота оказались в центре внимания. Благодаря их легкой доступности и хорошей изученности ученые стали совать их куда ни попадя и при этом, случалось, попадали точно в цель. Новостные ленты СМИ запестрели сообщениями об открытии новых уникальных свойств наночастиц золота и об их практическом использовании, реализованном или потенциальном. Золото наряду с углеродом стало одним из главных химических элементов нанотехнологий.

Золото также очень любимо популяризаторами нанотехнологий. Золото на слуху и известно всем, это вам не какой-нибудь экзотический арсенид галлия (который, между нами говоря, для современной техники в целом и нанотехнологий в частности поважнее золота). Кроме того, на примере золота чрезвычайно удобно объяснять основные принципы нанотехнологий. Действительно, при переходе от массивного золота к наночастицам мы наблюдаем кардинальное изменение свойств: на несколько сотен градусов уменьшается температура плавления, изменяются оптические характеристики вещества, а именно – цвет и его химические свойства – “благородное” золото превращается в довольно активный металл. Все это яркие и убедительные примеры возникновения новых качеств при переходе на наноуровень, проявления необычных и неожиданных свойств нанообъектов. После этого можно плавно перейти к рассказу о нанотехнологической революции.

Но вот о чем популяризаторы частенько забывают сказать: что все это давным-давно известно и “неожиданные” свойства наночастиц давно являются для специалистов, в первую очередь химиков, прописной истиной. Я вам попытаюсь объяснить все это на пальцах. Только пойдем мы к наночастицам не от массивного металла, а от атомов, так намного понятнее. К тому же это больше соответствует реальности. Ведь как получал золи золота Фарадей и как их продолжают получать в наше время? Ионы золота в растворе восстанавливают до атомов, которые затем самоорганизуются в наночастицу металла.

Возможно, для вас станет откровением, что атом золота – очень активная частица. Это общее свойство всех атомов, за исключением атомов инертных газов. Атомы способны пребывать в одиночестве только в вакууме или при очень низкой температуре, во всех остальных условиях они норовят вступить во взаимодействие с другими веществами окружающей среды или слипнуться с себе подобными, в этом смысле их поведение мало отличается от нашего. В школе об этом не рассказывают, не из злонамеренности, а за ненадобностью. Ведь химики имеют дело с веществом, с молекулами, атомы как химические реагенты стали использовать в технологиях сравнительно недавно, в конце 1960-х годов и для довольно экзотических целей. Чего об этом говорить?

При взаимодействии между двумя атомами образуется химическая связь, при этом выделяется энергия, соответственно энергия атомов уменьшается, они становятся “спокойнее”, как люди при вступлении в брак. Запомним это и начнем мысленно собирать наночастицу из атомов. Для этого возьмем один атом золота и облепим его со всех сторон слоем других атомов. Если мы сделаем это достаточно аккуратно и максимально плотно, то в этом слое окажется 12 атомов. Размер атома золота – 0,286 нм, таким образом, полученная нами частица имеет размер 0,86 нм, из 13 составляющих ее атомов 12, или 92,3 %, находятся на поверхности. Будем продолжать эту операцию. Когда мы нарастим третий слой, размер частицы достигнет 2 нм, общее число атомов составит 147, а доля атомов, находящихся на поверхности (во внешнем слое), – 62,6 %. На пятом слое эти величины составят, соответственно, 3 нм, 561 атом и 45 %, на сотом – 29 нм, 3 миллиона атомов и 3 %. Какова форма этих частиц? Интуитивно кажется, что она должна быть сферической, но на самом деле уже после нанесения пяти плотных слоев атомов частица приобретает форму сложного многогранника, называемого икосаэдром и составленного из двадцати правильных треугольников, – поразительно красивая структура, один из примеров идеальных Платоновых тел.

А что у нас при этом происходит с энергией атомов? Понятно, что наименьшей энергией обладают атомы, находящиеся во внутренних слоях частицы. Каждый такой атом находится в плотном окружении своих собратьев, он тих и смирен, ему некуда стремиться, все, что ему остается, это тихо колебаться в унисон с ближайшим окружением и вносить свою лепту в общую работу, например отдавать свой электрон для обеспечения электропроводности.

Атомы, находящие во внешнем слое, имеют меньше связей с соседями, чем внутренние, и они, соответственно, обладают большей энергией. Перед ними лежит открытый мир, и они рвутся туда, пытаясь разорвать связи с частицей. И еще они открыты влиянию окружающей среды, они, пусть и в меньшей степени, чем свободные атомы, стремятся вступить во взаимодействие с каким-нибудь компонентом внешней среды. Как мы видели, доля поверхностных атомов в составе наночастицы очень высока и поэтому именно они определяют реакционную способность наночастицы, которая закономерно уменьшается при переходе от сверхактивных атомов к массивному куску металла. С этой точки зрения ничего неожиданного в свойствах наночастиц нет. Наоборот, было бы крайне удивительно, если бы их свойства не отличались от массивных образцов.

Своей повышенной активностью поверхностные атомы оказывают влияние и на соседей, в том числе тех, которые находятся в следующем, внутреннем, слое, а те, с сильным затуханием, передают его все дальше вглубь. Если размер частицы невелик, то свойства даже внутренних атомов будут отличаться от свойств атомов, находящихся в массивном куске золота. Для того чтобы заставить все эти атомы двигаться поактивнее, чтобы разрушить их идеальный порядок, достаточно сообщить им довольно мало энергии, именно поэтому температура плавления коллоидного золота намного ниже температуры плавления массивного образца.

Почему при изменении размера наночастиц меняется их цвет? Боюсь, что это объяснить на пальцах я не смогу, а всякие мудреные формулы мы с вами договорились не использовать. Будем воспринимать цвет как данность, именно так испокон века поступали химики. У них вообще свой взгляд на мир и на те же наночастицы. Для них частицы, состоящие из тринадцати или пятидесяти пяти атомов золота, – разные химические соединения, а каждое соединение обладает своими свойствами, и в частности цветом. С этой точки зрения говорить о необычности свойств довольно бессмысленно, ибо что есть обычность?

Следуя этой логике, признаем, что цвет и другие свойства наночастиц возникают в процессе их образования и что они существенно отличаются от свойств как изолированных атомов, так и массивных образцов. И здесь Природа, несомненно, приготовила для нас множество сюрпризов, задача ученых – разглядеть их и научиться использовать для нашей общей пользы.

Об одном таком сюрпризе мой следующий рассказ. Золото – элемент уникальный во многих отношениях. В частности, оно не обладает каталитической активностью ни в какой форме – массивных образцов, комплексных соединений, содержащих один или несколько атомов золота, или ионов. Это тем более удивительно, что платиновые металлы, соседи золота по Периодической таблице и столь же благородные, относятся к числу наиболее активных катализаторов с широчайшим спектром действия. Как бы то ни было, в середине прошлого века тезис о неактивности золота вошел в учебники и научные монографии и утвердился настолько, что никому в голову не приходило проводить работы в этом направлении.

И вот в конце 1980-х годов японский исследователь Масатаке Харута рискнул (другого слова не подобрать для этого казавшегося безнадежным предприятия) применить золото для окисления оксида углерода. Для этого он использовал наночастицы золота, образующиеся при самопроизвольной ассоциации атомов золота на поверхности диоксида титана и имеющие форму оладий. Каталитическая активность наночастиц была нулевой вплоть до размера 4 нм. Но при размере 3,5 нм происходил резкий взлет и при 3 нм золото превосходило по активности даже платину. Однако при уменьшении размера такой наночастицы до 2,5 нм активность падала в 5 раз. Если вспомнить, что размер атома золота составляет 0,286 нм, становится очевидным, что все эти драматические изменения в свойствах происходят при добавлении или удалении слоя толщиной в один-два атома. Харута обнаружил еще одно неожиданное свойство изученных им наночастиц золота. При их толщине в три и более атомов они проявляли привычные металлические свойства. Но при меньшей толщине золото – один из лучших проводников электрического тока – превращалось в… диэлектрик.

После публикаций Харуты начался бум исследований каталитических свойств наночастиц золота, спектр которых оказался почти так же широк, как у платины. В настоящее время проводятся большие международные конференции, целиком посвященные катализаторам на основе золота.

Открытие Харута сделал выдающееся, за него могут и Нобелевскую премию дать, но, с другой стороны, немного курьезное. Как мы помним, все нанесенные металлические катализаторы, давно используемые в промышленности, представляют собой наночастицы. Но золото все это заслонило просто по причине новизны и массы публикаций. Ученые в своих лекциях часто апеллируют к золотым катализаторам, потому что их изучение проводится с использованием экспериментальной техники, недоступной исследователям даже недавнего прошлого, золото предоставляет хороший иллюстративный материал – “картинки”.

Бум “золотого” катализа практически совпал с бумом нанотехнологий, из чего люди, далекие от катализа и от науки вообще, сделали вывод, что катализаторы на основе золота были созданы благодаря новым революционным технологиям. Такие неспециалисты просто перепутали причину со следствием. Вполне вероятно, что именно эта путаница и породила упоминавшиеся уже громогласные заявления чиновников о том, что нанотехнологии позволят создать катализаторы нового поколения, заявления, вызывающие в кругу ученых недоумение и смех. При этом они сами продолжают вовсю разрабатывать “золотую” жилу, это актуально, под это дают гранты, и там действительно получаются интересные с научной точки зрения результаты. Во что все это выльется, пока сказать трудно. Бум, как водится, скоро спадет, наступит этап трезвой оценки результатов, агнцы будут отделены от козлищ, что-то, может быть, и дойдет до промышленности. После этого, полагаю, история пойдет на очередной круг. Экспериментальные методы, разработанные при изучении золотых катализаторов, будут использованы для повторного исследования платиновых, палладиевых и всех других металлических катализаторов. В нашей книге много примеров того, как новый взгляд на старую проблему и возврат к старым исследованиям с использованием новой экспериментальной техники, позволяющей глубже проникнуть в тайны вещества, приводит к неожиданным открытиям и сногсшибательным эффектам. В сущности, именно это и сделал Харута, пойдя против канона и очевидности, за что ему честь и хвала.

Если будущее золотых нанокатализаторов довольно туманно, то перспективы применения золотых наночастиц в медицине не вызывают сомнений. Они обладают достаточно высокой химической стабильностью и низкой собственной токсичностью, их легко получать и модифицировать, за ними довольно просто следить и воздействовать на них дистанционно с помощью различного рода излучений – по совокупности этих свойств золото оставляет далеко позади все остальные металлы. Вы, наверно, и сами обращали внимание, как часто в сообщениях о разработке новых средств медицинской диагностики и лечения упоминаются золотые наночастицы.

Описывать все это нет никакой возможности, потому что любая информация мгновенно устаревает. Я расскажу лишь об одном распространенном общем подходе. Наночастицу связывают с белком, который способен специфически распознавать раковые клетки. Этот агрегат путешествует с кровотоком по всему организму и, найдя раковую клетку, зацепляется за ее мембрану или проникает внутрь. Если при последующем сканировании организма мы обнаружим скопление золотых наночастиц в какой-то точке, то это будет указывать на наличие раковой опухоли. В принципе так можно обнаружить одну-единственную раковую клетку, что важно само по себе, ведь ранняя диагностика служит гарантией успешного излечения. Но золотые наночастицы и сами могут служить лекарственным средством, точнее говоря, средством уничтожения больной клетки. Ее можно просто выжечь, для этого надо нагреть золотую наночастицу с помощью, например, инфракрасного излучения, проникающего сквозь наши ткани. Как знать, может быть, на основе наночастиц золота когда-нибудь создадут современный вариант эликсира жизни, мечты Парацельса.И не будем забывать, что золото лишь один из десятков металлов Периодической таблицы, что из всех этих металлов могут быть сделаны наночастицы, множество различающихся по размеру, форме, составу и обрамлению наночастиц. У всех у них свои уникальные свойства, для каждой можно найти конкретное применение. Серебро уже наступает на пятки золоту в медицинских применениях, магнитные наночастицы железа, кобальта, никеля, стремительно уменьшаясь в размерах, способствуют повышению плотности записи информации, наночастицы платиновых металлов, адаптируясь к требованиям дня, помогают создавать безотходные производства и т. д. Из зерна, брошенного более полутора веков назад великим Майклом Фарадеем, выросло целое древо, которое стремительно разрастается на наших глазах и с каждым годом приносит все более щедрые плоды.

Глава 8 Молекула жизни, или Яблоко раздора

В этой главе речь пойдет об открытии, определившем развитие современной науки о живом и непосредственно касающемся нанотехнологий. Это открытие – расшифровка структуры ДНК – многие считают важнейшим в истории ХХ века. Моя задача облегчается тем, что почти все участники тех событий написали о них подробные воспоминания. Весь сюжет уложился в весьма короткий период времени – с осени 1951 года до весны 1953-го.

Удивительно, но с формальной точки зрения ДНК открыли раньше хромосом. В 1869 году швейцарский ученый Иоганн Фридрих Мишер, разглядывая под микроскопом гной на перевязочном материале, обнаружил в ядрах клеток неизвестное вещество и назвал его – по местонахождению – нуклеином. Хромосомы разглядели несколькими годами позже, когда научились подкрашивать их определенными красителями. Собственно, за это свойство поглощать красители их и назвали хромосомами (“хрома” по-гречески – “цвет”).

Долгое время о нуклеине было известно лишь то, что он является кислотой, обладает очень большой молекулярной массой, содержит фосфор и, в отличие от белков, химически инертен и стабилен. В 1919 году Фебус Левин[34] установил наконец его химический состав, в который входили остатки сахара (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты, а также четыре азотсодержащих органических основания – аденин, гуанин, тимин и цитозин. Вещество обрело привычное нам имя – дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК. Была высказана гипотеза о ее строении: органическое основание соединяется с остатком дезоксирибозы с образованием нуклеозида, тот присоединяет остаток фосфорной кислоты, давая нуклеотид, а уж те скрепляются между собой в длинную цепь. Гипотеза была в духе времени, ведь именно тогда родилось понятие о полимере. Косвенное экспериментальное подтверждение она получила в 1937 году, когда англичанин Уильям Астбери (1898–1961) получил первые рентгенографические изображения кристалла ДНК, из них следовало, что ДНК имеет регулярную структуру. Химики, в основном усилиями Александра Тодда (1907–1997), разобрались со строением и методами получения нуклеотидов и даже научились получать их короткие цепи – олигонуклеотиды – с заданной последовательностью[35]. В 1950–1951 годах американский биохимик Эрвин Чаргафф выполнил более скрупулезный анализ ДНК и установил, что в пределах экспериментальной погрешности содержание аденина совпадает с содержанием тимина, то же относится к паре гуанин-цитозин. Впрочем, погрешность была довольно высокой, да и сам метод анализа у многих исследователей вызывал сомнения. Вот, в сущности, и все, что знали ученые о ДНК к началу нашей истории.

С другой стороны, о роли ДНК в организме было известно еще меньше. Долгое время ученые отводили ей роль арматуры хромосом, хранилища фосфора, регулятора кислотности в ядре клетки, были и другие гипотезы. Идею о том, что ДНК служит носителем наследственной информации, никто из ученых всерьез не рассматривал. Сейчас можно найти ссылки на то, что выдающийся русский биолог Николай Константинович Кольцов (1872–1940) еще в 1928 году писал о присутствии в хромосомах гигантских молекул, ответственных за наследственность, состоящих из двух зеркальных цепочек, каждая из которых при удвоении играет роль шаблона (темплата) для синтеза второй цепочки. Прозрение из разряда гениальных, но, во-первых, ниоткуда не следует, что Кольцов говорил о ДНК, а во-вторых, идея в те годы прошла незамеченной.

Все внимание ученых было приковано к белкам, связанным с ДНК и образующим с ней хромосому.

Белки обладали заведомо более сложным строением (двадцать строительных блоков против четырех в ДНК) и множеством экспериментально подтвержденных биологических функций. ДНК в сравнении с ними смотрелась как унылый бесконечный забор, сложенный из четырех повторяющихся бетонных плит, рядом с затейливыми нарядными особняками. Впрочем, о строении белков тоже было известно очень мало. К моменту начала нашей истории было установлено лишь наличие первичной структуры белка (см. главу 5).

Считается, что первыми убедительно доказали определяющую роль ДНК в передаче наследственной информации американцы Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти в ходе изящного эксперимента, выполненного на бактериях в 1943 году. Их сообщение не потрясло основы генетики. Во-первых, время было неподходящее для научной революции – война, во-вторых, многие ученые просто пропустили эту публикацию, а ознакомившиеся высказали свои сомнения. Кроме того, для большинства биологов все эти исследования если и представляли интерес, то только досужий. Они привыкли оперировать с хромосомами, клетками, организмами, а уж что там служит действующим началом – дело второе. Они вполне комфортно чувствовали себя в рамках существовавшей методологии. Еще меньший интерес они проявляли к структуре ДНК. Все это была какая-то мудреная, незнакомая им химия, и они совершенно не представляли себе, как знание вышеозначенной структуры может помочь им в их работе.

Теперь о главных действующих лицах нашей истории. Перечисляю в порядке возраста.

Фрэнсис Крик, 35 лет, англичанин, физик по образованию, громогласный, многословный, заносчивый, человек увлекающийся и фонтанирующий идеями. Во время войны занимался разработкой магнитных мин. После прочтения книги Эрвина Шрёдингера “Что такое жизнь?” увлекся биологией, работал какое-то время в лондонском Королевском колледже у Джона Рэндалла, откуда его вышиб ли за несносный характер. С 1949 года работал в Кембридже в Кавендишской лаборатории в группе Макса Перуца, занимался рентгенографическим изучением белков, наскребывая материал для кандидатской диссертации. Неудачник по формальным показателям, непризнанный (пока) гений по сути.

Морис Уилкинс, 35 лет, уроженец новой Зеландии, в шесть лет переехавший с родителями в Англию, физик по образованию, хрестоматийный ученый – в очках, мягкий, податливый, скромный, погружен в науку. Во время войны работал над созданием экранов для радаров, затем участвовал в работах по Манхэттенскому проекту в Калифорнии. После войны перешел в биологию, чистую во всех смыслах науку. Все это время работал в Королевском колледже, где познакомился и подружился с Криком. Был одним из пионеров рентгенографического исследования кристаллов ДНК, которую считал одной из важнейших биологических молекул. Работал методично, основательно, без спешки, не думая о приоритете и громких открытиях. Характер Уилкинса лучше всего отражает название его воспоминаний – “Третий мужчина в истории двойной спирали”.

Розалинд Франклин, 31 год, из еврейской банкирской семьи, химик по образованию, резкая в суждениях, нетерпимая в спорах, зацикленная на идее женского равноправия. После защиты кандидатской диссертации в 1945 году в Кембридже переехала в Париж, где занималась рентгеноструктурным анализом углей и графита и достигла в этом высокого профессионализма. В 1950 году Джон Рэндалл пригласил ее на работу в Королевский колледж. Предполагалось, что Франклин будет заниматься исследованиями ДНК вместе с Уилкинсом, фактически в роли его ассистентки. Франклин настояла на том, что будет работать самостоятельно и потребовала, чтобы ей были переданы все новое оборудование и лучшие образцы кристаллической ДНК, имевшиеся в распоряжении лаборатории, к ней же в качестве аспиранта перешел и единственный сотрудник Уилкинса Раймонд Гослинг. Уилкинс ничего не смог противопоставить такому напору, он постенал и смирился, продолжив работать на том оборудовании, что у него было раньше, и с теми образцами, которые ему оставили. Стиль работы, впрочем, у них был одинаковый – последовательный и скрупулезный, “как доктор прописал”. К ДНК Франклин относилась как к объекту рентгеноструктурного анализа, довольно интересному с этой точки зрения.

Джеймс Уотсон, 23 года, американец, длинный, тощий, лохматый, по юношескому экстремизму считающий большую часть окружающих, включая коллег-ученых, недоумками разной степени тяжести, признанный гений с детства. В 15 лет поступил в Чикагский университет, в 22 года защитил кандидатскую диссертацию по зоологии. Был первым и, как часто бывает, любимым аспирантом Сальвадора Лурия (1912–1991), перебравшегося в США из Италии и ставшего в 1969 году нобелевским лауреатом по физиологии и медицине “за открытия, касающиеся механизма репликации и генетической структуры вирусов”. Уотсон подключился к этим исследованиям в самом их начале, собственно, именно этим он и занимался в своей аспирантской работе. Тогда он впервые услышал об эксперименте Эвери – Маклеода – Маккарти и безоговорочно уверовал в то, что ДНК служит носителем наследственной информации. Но ни он, ни его руководители ничего не понимали в нуклеиновых кислотах, так что Уотсона в 1950 году отправили на стажировку в Данию к известному биохимику Герману Калькару, который работал в этой области. Они не нашли взаимопонимания, Уотсон хотел заниматься структурой ДНК, у Калькара на его счет были свои планы, так что год стажировки прошел почти что впустую. Весной 1951 года Уотсон отправился на конференцию в Неаполь, где услышал доклад Уилкинса. Из него он впервые узнал, что для установления структуры ДНК может быть использован метод дифракции рентгеновских лучей. О самом методе он тоже знал понаслышке. Для освоения метода он стал добиваться перевода в Кембридж. Осенью 1951 года он прибыл в Кавендишскую лабораторию, в группу Макса Перуца, где встретил родственную душу – Фрэнсиса Крика. Они быстро сошлись.

Собственно, в этот момент и начинается наша история. В Кавендишской лаборатории царила нервная обстановка из-за недавнего сообщения Полинга о расшифровке вторичной структуры белков. Пусть это была всего лишь гипотеза, но приоритет в открытии альфа-спирали теперь принадлежал Полингу – американцу! Это понимал и Уильям Брэгг[36], директор лаборатории, справедливо считавший себя одним из отцов рентгеноструктурного анализа, и Макс Перуц, на протяжении нескольких лет совершенствовавший технику съемки дифрактограмм и методы их расчета и вплотную подошедший к расшифровке структуры белков. Они жаждали реванша, это стало их навязчивой идеей. Одержим ею был и Крик. И тут ему представился случай впервые проявить себя во всей красе. Буквально за два дня он вместе с двумя другими сотрудниками лаборатории, Стоуксом и Кокрэном, разработал математическую модель того, как спиральная структура должна отражаться в рентгеновских дифрактограммах. Написанную тут же статью немедленно послали в журнал “Nature”, а копию Полингу – знай наших!

Но это было лишь малой компенсацией. Никто почему-то не сомневался, что следующим объектом, за который примется Полинг, будет ДНК, а уж если он возьмется, то непременно сделает. Мы должны опередить его, это будет наш триумф! Крик с Уотсоном, отбросив все дела, стали размышлять, как подступиться к проблеме. Уотсон безоговорочно уверовал в спираль, как раньше уверовал в ДНК. Как биолог он знал, что спираль – самая простая из природных форм, поиск вначале надо было вести в этом направлении. Крик посоветовался с Уилкинсом, и тот показал полученные им дифрактограммы. Они сошлись в том, что в них явственно проступают черты спирали. Уилкинс предположил, что эта спираль состоит из трех полинуклеотидных цепей. Уотсон почитал отчет Франклин о работе, проделанной в Королевском колледже. Отчет был довольно туманным, Франклин явно не спешила выносить на суд слушателей свои выводы, кроме главного: “Бесспорные факты могут быть получены только после того, как будет накоплено достаточно данных, чтобы провести более тонкий кристаллографический анализ”.

На Уилкинса и Франклин было мало надежды, они могли получать свои улучшенные дифрактограммы и полгода, и год. Крик с Уотсоном решают идти путем Полинга: не дожидаясь экспериментальных результатов, попытаться собрать молекулярную модель ДНК из шариков, изображающих атомы, и стерженьков. Проблема заключалась в том, что с химией они оба были не в ладах. Пришлось опять обращаться за помощью к Полингу, из его срочно купленной книги “Природа химической связи” они почерпнули необходимые им сведения, включая данные о размере атомов и длине химических связей. Они остановились на варианте с тремя цепями, располагающимися внутри молекулы ДНК, и торчащими наружу азотистыми основаниями. Но как цепи скрепляются между собой? Наиболее вероятным им показалось предположение, что в этом участвуют ионы металла типа магния. Никакими экспериментальными данными по присутствию ионов магния в ДНК они не располагали, но ведь не было и данных, указывающих на их отсутствие. Они крутили свою модель и так и эдак, пока она вдруг не закрутилась сама в изящную спираль с шагом, почти в точности соответствующим параметрам кристаллической решетки, полученным Уилкинсом и Франклин. Задача была решена!

Уилкинса и Франклин пригласили посетить Кембридж для ознакомления с великим открытием. Франклин подвергла модель уничтожающей критике. По ее данным цепи должны располагаться на периферии молекулы, а не внутри. И при чем здесь спираль? Нет там никакой спирали! Она не собирается делиться с ними полученными ею данными. Она возмущена тем, что ей пришлось ехать за тридевять земель (70 км), чтобы посмотреть на эти детские игры в конструктор. Так открытия не делаются, открытия делаются правильно !

Ее мнение быстро донеслось (донесли) до Брэгга. И тот… запретил Крику и Уотсону заниматься впредь ДНК и настоятельно рекомендовал им вернуться к выполнению их прямых обязанностей. Исследования ДНК были объявлены вотчиной Королевского колледжа, Кавендишская лаборатория самоустранилась от участия в гонке. Столь ценимые в Англии правила “честной игры” превыше всего! Перед ними поблекли познание истины и конкуренция с Полингом. Крик с Уотсоном подчинились приказу начальства, у них не было выбора. Приближались рождественские каникулы. Первый акт продолжался чуть более трех месяцев. Наступил длительный антракт.

Крик занимался экспериментами по своей диссертации. Уотсон приступил к работе с вирусом табачной мозаики. Он решил наконец на практике освоить метод рентгенографического анализа. Через месяц он научился получать вполне сносные дифрактограммы. Уотсон был настолько поглощен идеей спирали, что быстро разглядел ее и в вирусе и представил, как она может образовываться. В такой ситуации частенько случается, что исследователь выдает желаемое за действительное, но Уотсон попал точно в цель. Это само по себе было важным научным результатом, но его-то интересовала структура ДНК!

Думать о ДНК ему с Криком никто запретить не мог. Если верить Франклин, то сахарные цепи располагались по краю молекулы, следовательно, спираль скреплялась за счет какого-то взаимодействия между азотистыми основаниями. Крик ненадолго увлекся идеей, что плоские основания уложены в подобие пачек, на это вроде бы указывали некоторые кристаллографические данные. Он даже попросил одного своего приятеля помочь ему с квантово-химическими расчетами такого взаимодействия. Уотсон же погрузился в изучение основ химии по книге Полинга, надеясь найти в ней ответы на мучившие его вопросы.

В мае в Лондоне прошла конференция по структуре белков. Все с замиранием сердца ждали приезда Полинга, но у него именно тогда американские власти отобрали паспорт. Впрочем, через месяц Полинг объявился на биохимическом конгрессе в Париже, где ни словом не обмолвился о ДНК. В Англии облегченно выдохнули. Тогда же в Кембридж приехал Чаргафф. Джон Кендрю, ближайший сотрудник Перуца, благоволивший Крику и Уотсону, устроил их встречу в неформальной обстановке. Уотсон знал о “правиле Чаргаффа”, но не придавал ему большого значения. Он как-то рассказал о нем Крику, но тот пропустил эту информацию мимо ушей. Чаргаффу не потребовалось много времени, чтобы понять это, и ему, естественно, это очень не понравилось. Как и то, что Крик, многословно объясняя Чаргаффу результаты квантово-химических расчетов, не смог без подсказки нарисовать формулы азотистых оснований. Эти парни, Крик и Уотсон, вообще ему не понравились. Несколько месяцев спустя Чаргафф в письме Кендрю поинтересовался, чем сейчас занимаются “его клоуны от науки”. По иронии судьбы, именно в тот момент Крик с Уотсоном наводили последний глянец на свою историческую модель.

Пока же они занимались другими делами. Уотсон вспоминал: “В конце октября Фрэнсис попробовал подбить меня на вторую попытку раскрыть структуру ДНК. Но мне показалось это бессмысленным. Никаких новых фактов, которые могли бы сгладить неприятные воспоминания о нашем позорном поражении прошлой зимой, не появилось”. Тогда же в Кембридж на стажировку приехал сын Полинга – Питер. Работать ему выпало в одной комнате с Криком и Уотсоном. В ходе дружеской беседы он разболтал, что отец поглощен идеей скручивания между собой самих альфа-спиралей в молекулах белка кератина, содержащегося в волосах. Это была хорошая новость для Уотсона и плохая для Крика, ведь близкой проблемой тот занимался в своей диссертации. Припертый к стене Крик набросился на работу с удвоенной энергией и вскоре создал вполне корректную математическую модель скручивания спиралей. Статья была незамедлительно отослана в “Nature” с надеждой, что она выйдет одновременно со статьей Полинга, а то и раньше.

История тихо катилась к печальному концу. Крик размышлял над предложением поработать год в США. Стажировка Уотсона была не вечной. Франклин объявила, что в марте она переходит на работу в Беркбек-колледж, где будет заниматься исследованиями вируса табачной мозаики, объекта с точки зрения рентгенографии более интересного, чем ДНК. Главным же было то, что руководитель тамошней лаборатории Джон Бернал был известным борцом за женское и всяческое другое равноправие. Он гарантировал Франклин полную самостоятельность в рамках сельскохозяйственного гранта и должность, в наших терминах, старшего научного сотрудника. Один Уилкинс пребывал в радужном настроении, предвкушая годы спокойной работы по установлению структуры ДНК.

Гром грянул опять же в канун Рождества. Питер Полинг обмолвился в разговоре, что отец прислал письмо, в котором среди прочих семейных новостей сообщил, что установил структуру ДНК. Об этом были немедленно извещены все, включая Брэгга и Перуца. Кендрю пытался утешить расстроенных Крика с Уотсоном, говоря, что Полинг мог и ошибиться. Полинг – не мог, отвечали те.

В первых числах февраля 1953 года Полинг прислал в Кембридж два экземпляра своей статьи, один – Брэггу, второй – сыну, который недолго думая показал ее Крику и Уотсону. Те не смогли скрыть радость, когда увидели тройную спираль ДНК, в которой обращенные внутрь цепи были скреплены водородными связями. Это они уже проходили, это была ошибка! Еще они поразились тому, что фосфатные группы в структуре Полинга были связаны с атомом водорода. “Как же так, ведь ДНК – это кислота, это экспериментальный факт, в кислоте нет никаких атомов водорода!” Это восклицание говорило скорее об их собственной химической малограмотности и неспособности понять оригинальный ход мысли Полинга. Как бы то ни было, они разнесли по лаборатории весть, что Полинг допустил элементарную химическую ошибку, за которую в колледжах ставят двойки на экзаменах по химии.

Все понимали, что это лишь временная передышка. Полинг, несомненно, обнаружит ошибку и тогда уж сделает все, как полагается. Но при этом без всяких на то оснований возродились надежды на реванш. Брэгг отменил свое вето на занятия ДНК и спустил Крика с Уотсоном с поводка. Делайте, что хотите, но сделайте это! С одной стороны, это свидетельствовало о некой мистической уверенности в том, что если кто и способен в кратчайшие сроки решить эту великую задачу, то только эти два самоуверенных шалопая. С другой стороны, в Кавендишской лаборатории просто не было других специалистов, достаточно знакомых с проблемой ДНК.

Перед лицом “американской угрозы” были преданы забвению все правила честной игры. Опуская малоприглядные детали, скажу лишь, что Крику с Уотсоном обеспечили доступ к результатам, полученным Франклин, без ее, естественно, ведома. Парадокс ситуации заключался в том, что Франклин, яростно отрицавшая саму идею спирали, приложила столь много усилий, чтобы развенчать ее, что в результате получила самые убедительные свидетельства ее правильности. Такое, впрочем, часто случается в науке. Уотсону хватило одного быстрого взгляда на показанную ему Уилкинсом дифрактограмму, чтобы “увидеть” спираль. Эта “фотография 51”, вошедшая в историю науки, лежала в столе Франклин с июля прошлого года.

Крик с Уотсоном вернулись к молекулярным моделям, заказав в мастерских комплект металлических пластинок, с геометрической точностью отображавших строение азотистых оснований. Уотсон настоял на построении двойной спирали. Его аргумент был неотразим даже для физика Крика: все важные биологические объекты бывают парными! Но начали они по-прежнему с осмеянной модели, где остов молекулы находился в центре. Никто не мог понять, почему Франклин настаивала на периферийном расположении цепей, из ее данных это явным образом не следовало. Но ничего хорошего у них не получилось. Тогда Уотсон решил попробовать раздвинуть цепи и обратить основания внутрь – с него не убудет. Но тут возникла опять же старая проблема – как основания из разных цепей связываются друг с другом и скрепляют таким образом молекулу. Ответ подсказал все тот же Полинг – водородные связи! Уотсон бросился в библиотеку читать статьи на предмет образования водородных связей между молекулами азотистых оснований.

Все равно не сходилось. Как ни крутили Уотсон с Криком пластинки, изображавшие азотистые основания, модель получалась какая-то кособокая, скучная, некрасивая, в общем, неправильная. Помощь пришла со стороны сотрудника, который вот уже полгода сидел за своим столом в их комнате, а до этого несколько лет проработал в Калифорнийском технологическом институте, рядом с Полингом. Он увидел структурные формулы оснований, которые Уотсон выписал из книги Дэвидсона “Биохимия нуклеиновых кислот”, и небрежно бросил: эти формулы, которые рисуют в учебниках, какие-то липовые, нутром чую, что на самом деле эти соединения существуют в другой таутомерной форме. Что такое таутомерные формы, для нас с вами не суть важно, главное, что они обладают разной геометрией.

С новыми формами дело пошло. Аденин вдруг идеально сложился с тимином, а гуанин с цитозином, и размеры у двух этих пар совпали. Из этого напрямую вытекало правило Чаргаффа, к которому оба конструктора продолжали испытывать недоверие. И еще: что любая данная последовательность оснований одной цепи автоматически определяла последовательность другой, это была своеобразная зеркальная или, как сейчас говорят, комплементарная симметрия, было легко представить, как одна цепь становится матрицей для синтеза другой. Ждать, пока механики изваяют новые металлические пластинки, не было сил, Уотсон принялся вырезать точные изображения оснований из толстого картона. Крик во время ланча помчался в паб “Орел”, любимое вместо встречи ученых из окрестных колледжей, и принялся рассказывать всем встречным и поперечным, что они с Уотсоном раскрыли секрет жизни. На календаре было 28 февраля, второй акт нашей истории продолжался менее четырех недель.

Через неделю Крик с Уотсоном закончили пайку окончательной модели двойной спирали ДНК. Приехал Уилкинс, бегло осмотрел конструкцию и тут же отправился обратно в Лондон – надо было проверить, насколько предсказываемые ею параметры соответствуют экспериментальным данным. Через несколько дней и Уилкинс, и Франклин подтвердили: все в точности совпадает. Валом валили сотрудники лаборатории, прослышавшие об открытии. Едва оправившись от гриппа, прибыл Брэгг. Он был удовлетворен. “А что думает по этому поводу Тодд?” – озаботился Брэгг. К Тодду, главному специалисту в мире по химии нуклеиновых кислот, работавшему буквально за стенкой, Крик с Уотсоном почему-то не обращались за консультациями. Позвали Тодда. “Отличная химическая работа”, – резюмировал он.

Показательно, что ни у кого не возникло ни малейших сомнений в правильности модели. Она была красива и совершенна, это не было творением рук или ума человеческого, такое могла сделать только Природа. Это была Истина, самоочевидная и самодостаточная, не требующая никаких других доказательств. Вот и Полинг был сразу покорен ею. Как выяснилось, он был в курсе проводимых в Англии исследований. В начале апреля Полинг намеревался посетить Королевский колледж по дороге в Брюссель на Сольвеевскую конференцию по белкам. Его интересовали некоторые детали рентгенографических исследований. Со структурой ДНК ему уже все было ясно.

Неясности были с публикацией. В эйфории от победы все стали добрыми и вспомнили о честной игре, не забывая при этом о приоритете. В конце концов, сошлись на том, что результаты будут опубликованы одновременно в трех статьях, написанных отдельно Уотсоном с Криком, Уилкинсом и Франклин. Уотсон с Криком уложились в 900 слов, в одну страницу журнального текста. “Скромненькое” название – “Строение дезоксирибозной нуклеиновой кислоты”. Первая ссылка была на Полинга.

Брэгг продавил публикацию в ближайшем номере журнала “Nature”, статьи вышли из печати 25 апреля 1953 года. В номере от 30 мая Уотсон с Криком опубликовали еще одну статью, на две с небольшим страницы, где они обсудили возможный механизм репликации (удвоения) ДНК в свете предложенной ими структуры. Статья носила чисто гипотетический характер, потому что никаких экспериментальных фактов тогда не было и в помине. Как показала дальнейшая история, в целом они не ошиблись.

Будет большим преувеличением сказать, что сообщение о расшифровке структуры ДНК произвело эффект разорвавшейся бомбы даже в рядах научного сообщества, не говоря уже о широкой общественности. Впервые об этом сообщил 8 апреля лично Брэгг на упомянутой уже конференции в Брюсселе. Ни одна британская газета не откликнулась на это событие. После публикации в Nature были инспирированы статьи в ряде ведущих английских и американских газет, но и они не вызвали большого ажиотажа. Тут смерть Сталина, грядущая коронация Елизаветы II – не до ерунды!

А как отразилось сделанное открытие на судьбе наших главных героев?

Начнем с Розалинд Франклин. Она, как вы помните, в марте 1953 года уже перешла на другую работу. Несколько недель спустя Франклин попросила Крика показать ей модель. Она Розалинд не впечатлила. Франклин сохранила как старую, непонятную неприязнь к молекулярным моделям, так и твердую убежденность в том, что так работать неправильно, так открытия не делаются. В изучении вируса табачной мозаики она вновь продемонстрировала свой высокий профессионализм, не только подтвердив предварительные результаты Уотсона, но и сильно продвинувшись вперед. К сожалению, в 1958 году Розалинд Франклин скончалась от рака.

Фрэнсис Крик в 1954 году защитил наконец кандидатскую диссертацию по дифракции рентгеновских лучей на белках, после чего уехал на год в Америку. В 1956 году они с Уотсоном опубликовали еще одну совместную статью, посвященную строению малых вирусов, после чего их научные пути разошлись. По возвращении из США Крик сконцентрировался на проблеме синтеза белков и сформулировал в 1958 году так называемую “центральную догму” молекулярной биологии, заключающую в том, что наследственная информация в живых организмах передается по цепочке ДНК – РНК – белок, но никак не наоборот. Он же утвердил в генетике всем хорошую известную концепцию триплетного генетического кода. Работы эти были чисто умозрительными, но впоследствии блестяще подтвердились. В 1962 году Крик вместе с Уотсоном и Уилкинсом получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие структуры ДНК. В 1976 году Крик перебрался в США, где занимался преимущественно проблемами мозга и сознания, увлекаясь периодически и другими идеями. Скончался в 2004 году.

В том же году ушел из жизни его ровесник Морис Уилкинс. Он единственный из всех остался верен ДНК и в течение нескольких лет методично накапливал экспериментальный материал, подтверждающий правильность созданной Уотсоном и Криком модели. Так что включение его “третьим” в список нобелевских лауреатов было абсолютно оправдано. Да и вся его дальнейшая научная карьера была образцово-показательной, хотя и без громких свершений.

Джеймс Уотсон, младший в этой тройке нобелевских лауреатов, здравствует и поныне. Он проводил исследования в самых различных областях молекулярной биологии и, в частности, приложил много усилий для выяснения генетической природы рака. Время от времени своими поступками и делами подтверждает свою репутацию enfant terrible современной генетики. В 1990 году по его инициативе был начат проект “Геном человека”, возможно, самый масштабный международный научный проект в истории человечества. В течение двух лет он руководил этими работами, покинул свой пост со скандалом, восстав против активно продавливаемой в то время идеи патентования генов.

В 2008 году Уотсон приезжал в Москву. На его публичную лекцию в Доме ученых пришло несколько тысяч человек, от маститых ученых до студентов и аспирантов, которые хотели увидеть и услышать живую легенду науки. Места в зале для всех не хватило, были установлены большие экраны в холле и громкоговорители в сквере. Молодые люди стояли на улице и слушали рассказ ученого о его жизни и об уроках, которые он из всего этого вынес.

Перейдем теперь к самой молекуле ДНК[37], о которой, я не сомневаюсь, вы и так знаете почти все, так что мне остается лишь акцентировать ваше внимание на некоторых моментах, которые существенны для целей этой книги. Главное – это то, что молекула ДНК представляет собой классический образец нанообъекта . Ее толщина составляет 2,2–2,4 нм, а длина доходит до сантиметров. Каждая молекула ядерной ДНК состоит из сотен миллионов нуклеотидных пар, что в сотни раз больше числа звеньев во всех других известных нам природных соединениях или синтезированных учеными полимерах. Две полинуклеотидные нити, составляющие двойную спираль, абсолютно идентичны по своему составу и строению, но выполняют принципиально разные функции. Одна из них служит собственно хранилищем генетической информации, каждый ее нуклеотид – это одна буква в длинном тексте, составляющем сборник инструкций по росту и функционированию всего нашего организма. Вторая цепочка выполняет вспомогательную функцию. Она идеально геометрически соответствует кодирующей цепочке, подходя к ней как ключ к замку, за это ее называют комплементарной, от латинского complementum – дополнение. Больше всего молекула ДНК похожа на перекрученную застежку-молнию. Такое ее устройство понадобилось Природе для лучшей сохранности генетической информации – молекула ДНК обладает феноменальной химической стабильностью, в подходящих условиях она не разрушается и сотни тысяч, и миллионы лет, благодаря чему мы сейчас можем воссоздавать генетический “портрет” организмов, живших в те незапамятные времена.

Аналогия с застежкой-молнией вообще очень плодотворна. Застежку можно легко расстегнуть – вот и цепи молекулы ДНК расходятся, например, при нагревании. Но при охлаждении они вновь сходятся и скрепляются, восстанавливая прежнюю структуру, это принципиально отличает ДНК от белков, которые при нагревании необратимо денатурируют. Стоит одному зубчику в застежке погнуться или выпасть – и вот уже молния не застегивается. Точно так же и молекулы ДНК “чувствуют” замену даже одного нуклеотида в длинной цепи и “отказываются” скрепляться. Застежка-молния остается таковой независимо от длины, все описанные свойства ДНК также не зависят от ее длины. Если мы бросим в водный раствор две цепочки, состоящие, например, всего лишь из десяти нуклеотидов, удовлетворяющих требованию комплементарности, то они рано или поздно встретятся и прочно соединятся между собой в молекулу ДНК, пусть и маленькую, состоящую всего из десяти пар нуклеотидов . И пусть при этом вокруг плавают хоть миллион других похожих цепочек, если в последовательности соединения их нуклеотидов есть хоть одно отклонение от требований комплементарности, но наши цепочки не обращают на них никакого внимания, они ищут своего единственного, зеркального близнеца. Поразительная избирательность!

Вернемся ненадолго к кодирующей цепочке. Ее, как мы помним, можно уподобить некоему тексту, записанному “буквами” входящих в ее состав нуклеотидов. В этом тексте можно вычленить предложения – точное описание того или иного белка живого организма. Последовательность из трех определенных нуклеотидов образует “слово”, обозначающее конкретную аминокислоту. В этом суть генетического кода. Часть молекулы ДНК, на которой записана инструкция по синтезу одного белка, называется ге́ном . Еще раз подчеркну, что часть молекулы ДНК сама по себе также является молекулой ДНК, это подобие части целому – один из основополагающих принципов организации как живой, так и неживой материи.

Сейчас нам легко говорить об этом, но в 50-х годах прошлого века, когда Уотсон и Крик впервые явили ученым и миру свою модель ДНК, ничего этого не было известно даже на уровне предположений. Ученые вообще впервые столкнулись с таким нанообъектом . Как к нему подступиться? Как его изучать? Как определить строение хотя бы одной молекулы ДНК, то есть выяснить в ней точную последовательность нуклеотидов, если число возможных комбинаций при длине молекулы в сотни миллионов пар превосходит число атомов во Вселенной?

Что делают ученые, попав в такую пиковую ситуацию? В первую очередь они начинают думать, даже, вернее, фантазировать, потому что в их распоряжении есть один-единственный факт, да и тот гипотетический, – модель молекулы ДНК. Давайте немного поиграем в ученых.

Из своего жизненного опыта мы знаем, что сколько ни смотри на неизвестную машину, в ее внутреннем устройстве не разберешься, пока не прочитаешь подробное описание или не разберешь машину на части. Химики так и поступают, у них есть в арсенале разные реагенты, которые разрезают сложные молекулы в строго определенных местах, например, они могут разорвать связь фосфатного остатка с дезоксирибозой, то есть разрезать цепочку ДНК, не затронув при этом связь дезоксирибозы с азотистым основанием. Но для нашей задачи эти реагенты слишком грубые, они будут перерезать молекулу ДНК случайным образом, это все равно, что колотить по машине тяжелой кувалдой, а потом пытаться разобраться в куче разнокалиберных осколков – бесполезное занятие! Нам нужно какое-то более сложное, чем кувалда, устройство, которое будет разрезать молекулу ДНК в строго определенных местах, назовем их условно швами. Это должно быть какое-то специальное устройство, способное обращаться с объектами молекулярных размеров. Понятно, что размер устройства не может быть намного больше молекулы ДНК. Опять же жизненный опыт: даже молоток и гвоздь должны иметь сопоставимые размеры, иначе ничего хорошего не выйдет. Чтобы разрезать в нужном месте молекулу ДНК диаметром 2,4 нм, устройство должно иметь размер в десятки, максимум сотни нанометров.

Итак, нам нужно устройство, способное обрабатывать молекулы и само имеющее молекулярные размеры, – молекулярная машина . Из чего она должна состоять? Из тестера для обнаружения “шва” и из собственно резака, затем необходима какая-то оснастка для самостоятельного передвижения машины, ведь вероятность того, что она обнаружит “шов” в ходе случайных блужданий, невелика. И наконец, нужен процессор, ведь напрямую управлять работой такой машины нам вряд ли удастся и она поневоле должна будет работать в автономном режиме. Все это складывается в образ некоего робота или с учетом его размера – наноробота .

Мы с вами путем незамысловатых рассуждений пришли к идее, приобретшей чрезвычайную популярность в наше время. С ней мы еще столкнемся в заключительной главе книги. Здесь же скажу, что люди, наделенные инженерным или механистическим складом мышления, снабжают в своих фантазиях такие роботы наношестеренками, наноредукторами и наноколесами, манипуляторами с зажатыми в них нанофонариками и наноскальпелями, антенной, передатчиком и бортовым компьютером.

Но ученые 50–60-х годов прошлого века пошли другим путем. С ДНК ведь работали преимущественно химики и биологи и они в силу своего склада мышления заключили, что нужная им молекулярная машина должна быть похожа на белок. И еще они предположили, что Природа непременно должна была создать что-то подобное в ходе эволюции, а иначе как она сама управляется с ДНК? Это задало направление поисков. Работа всегда спорится лучше, когда знаешь, что ты ищешь.

Поиски заняли длительное время, это была действительно трудная задача. Лишь в конце 1960-х годов американский микробиолог Гамильтон Смит и швейцарский микробиолог и генетик Вернер Арбер открыли фермент рестриктазу, которая играет в живых организмах роль ножниц для ДНК[38]. Важность открытия оценили быстро, уже в 1978 году ученым была присуждена Нобелевская премия по медицине и физиологии.

Собственно, это был не один фермент, а обширный класс ферментов, который в настоящее время насчитывает более трех тысяч различных рестриктаз. Столь большое, даже с учетом богатства мира живой природы, число рестриктаз объясняется их четкой специализацией – каждая вступает в дело только при наличии в молекуле ДНК определенных последовательностей нуклеотидов, называемых сайтами рестрикции.

Опишу лишь один, наиболее интересный для наших целей пример механизма действия рестриктаз. Итак, фермент находит в длинной молекуле ДНК определенную последовательность, состоящую из шести нуклеотидов, и разрезает молекулу ДНК внутри этого участка хитрым фигурным образом – одну цепочку в одном месте, другую в другом. В результате при разъединении двух кусков на их концах остаются короткие одноцепочечные хвостики, состоящие обычно из четырех нуклеотидов. Их называют “липкими” концами. Почему липкими? Представим себе, что мы подвели друг к другу разрезанные описанным образом фрагменты ДНК, они в этом случае непременно соединятся, слипнутся, ведь их хвостики комплементарны.

За счет этого фрагменты молекулы ДНК будут удерживаться вместе (как все та же застежка-молния с разрезанной основой), но это не будет прежняя молекула ДНК. Для полного восстановления структуры необходимо спаять разрезанные цепи. Для этого у Природы есть специальные молекулярные машины – ферменты лигазы. Их открыли в 1967 году.

Наука развивается очень затейливыми путями. Казалось бы, процесс разрезания и сшивки молекул ДНК намного проще ее копирования. Более того, это не просто кажется, так оно и есть. В своей статье, опубликованной в 1953 году, Уотсон и Крик сформулировали идею репликации ДНК в самом общем виде, не располагая ни одним экспериментальным фактом для ее доказательства. Тем не менее первой открыли молекулярную машину именно для сборки ДНК. Случилось это уже в 1956 году, когда американский биохимик Артур Корнберг (1918–2007) выделил фермент, названный впоследствии ДНК-полимеразой. За это он немедленно, в 1959 году, получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине, к слову сказать, раньше Уотсона с Криком.

Но это был лишь первый шаг на долгом пути, на расшифровку основных деталей механизма репликации ДНК ушло два десятилетия. Отмечу лишь некоторые моменты, которые нам понадобятся в дальнейшем. Специальная молекулярная машина, фермент хеликаза, движется вдоль молекулы ДНК, разрывая водородные связи между комплементарными нуклеотидами и разрезая двойную спираль на отдельные цепочки с образованием так называемой репликационной вилки. Основную созидательную функцию выполняет фермент ДНК-полимераза, который, двигаясь по цепочке, собирает из нуклеотидных блоков комплементарную ей цепь. Таким образом из одной молекулы ДНК получают две идентичные молекулы, каждая из которых содержит цепь исходной молекулы и вновь синтезированную цепь. Поражает точность копирования: частота ошибок при репликации ДНК не превышает 1 на 109–1010 нуклеотидов. Это обусловлено, в частности, тем, что молекулярная машина под названием ДНК-полимераза включает в свой состав специальный “отдел технического контроля”, который способен распознать ошибку и тут же исправить ее.

В работе ДНК-полимеразы есть один важный нюанс – она не может начать сборку, как говорится, на ровном месте. Для этого ей необходима затравка, называемая праймером, олигонуклеотид, состоящий приблизительно из 20 нуклеотидов и комплементарный определенному участку копируемой цепи ДНК. Праймер прочно связывается с цепью ДНК, как деталь конструктора “Лего”, а затем ДНК-полимераза начинает пристраивать к нему олигонуклеотидную последовательность.

Скорость копирования ДНК в клетках нашего организма составляет около 50 нуклеотидов в секунду. Нетрудно подсчитать, что для копирования одной цепи молекулы ДНК длиной, например, в 50 миллионов нуклеотидов ДНК-полимеразе потребуется около 12 суток, а на копирование всего нашего генома, состоящего из 3 миллиардов пар нуклеотидов – около 4 лет. Понятно, что это слишком долго, поэтому над копированием одной молекулы ДНК трудятся одновременно сотни и тысячи молекулярных машин, каждая на своем участке длиной от 30 до 300 тысяч нуклеотидов, они же обеспечивают состыковку синтезированных кусков цепи. Другие молекулярные машины собирают в это время копию второй цепочки молекулы ДНК и так одновременно во всех наших 46 хромосомах. Так продолжительность копирования генома снижается до минут.

ДНК выполняет также функцию базы данных о структуре всех белков нашего организма. Если клетка испытывает потребность в том или ином белке, она обращается за инструкцией по синтезу к ДНК и та выдает необходимую информацию в виде молекулы РНК. Этот процесс называется транскрипцией ДНК, его осуществляет специальная молекулярная машина – РНК-полимераза. Ее функции намного более разнообразны, чем у ДНК-полимеразы. Она прикрепляется к молекуле ДНК в определенном месте, указанном специальной сигнальной молекулой, расплетает спираль ДНК и начинает копировать ее кодирующую цепь, собирая на ней как на матрице цепочку РНК из отдельных нуклеотидов, переводя при этом код ДНК в код РНК. Для этого РНК-полимеразе не нужны никакие праймеры, а место, где необходимо остановиться, задается определенной последовательностью нуклеотидов в цепи ДНК. Так что молекулярная машина движется от исходной точки к конечной, расплетая спираль ДНК перед собой, восстанавливая ее за собой и одновременно выдавая все удлиняющуюся нить РНК. Длина расплетенного участка ДНК, где происходят все основные события, составляет примерно 18 нуклеотидных фрагментов. Скорость работы РНК-полимеразы несколько ниже, чем ДНК-полимеразы, и не превышает 20–30 нуклеотидов в секунду.

Впрочем, исследования в этой области проходили куда медленнее. Крик, как мы помним, сформулировал свою “центральную догму” молекулярной биологии в 1958 году. В 1961 году французские микробиологи Франсуа Жакоб и Жак Моно[39] высказали предположение о существовании специального фермента, ответственного за осуществление транскрипции, РНК-полимеразу выделили в 1965 году, тонкий молекулярный механизм ее действия выявили в 70–80-е годы, Нобелевскую премию по химии получил за это в 2006 году Роджер Корнберг (род. 1947 г.), сын Артура Корнберга. Поразительный пример преемственности в науке. Не менее удивительно и то, что два похожих природных объекта – ДНК– и РНК-полимеразы разнесены в листе Нобелевских премий на полвека. Но так развивается наука – неравномерно и отнюдь не последовательно.

Самая же совершенная из отрытых учеными природных молекулярных машин, на мой взгляд, это рибосома – завод по производству белка. В каждой клетке живого организма их насчитывается несколько десятков тысяч. Рибосомы универсальны в том смысле, что каждая из них может синтезировать любой белок, необходимый живому организму. Информация о том, какой белок следует синтезировать, поступает из “мозгового” центра клетки – ее ядра в виде линейной молекулы информационной РНК, продукта копирования кодирующей цепочки ДНК с помощью РНК-полимеразы. Рибосома захватывает один конец молекулы информационной РНК и шаг за шагом протягивает ее через себя. На каждом шаге рибосома считывает информацию с фрагмента участка РНК, как с компакт-диска, и в соответствии с этой информацией пристраивает к растущей цепи белка очередную аминокислоту, которая поступает из окружающей среды – цитоплазмы клетки. Скорость сборки или, как ее называют, трансляции составляет десятки аминокислотных фрагментов в секунду.

По окончании синтеза полипептидная цепь высвобождается из рибосомы и специальные белки сворачивают ее требуемым образом и осуществляют над ней другие операции, превращающие ее, собственно, в белок или фермент. Общее количество молекул белков и РНК, принимающих участие в синтезе одной молекулы белка составляет около трехсот. Можно только восхититься отлаженностью и согласованностью всего этого природного технологического процесса.

Каков же размер рибосомы? В это трудно поверить, но он составляет всего двадцать нанометров. При этом помимо считывания информации и конструирования сложного объекта из элементарных строительных блоков рибосома осуществляет притягивание молекулы РНК, то есть механическую работу. Молекулярные машины обходятся при этом без привычных нам колес и шестеренок, учиться нам еще у Природы и учиться.

Дело это не быстрое. Вот и рибосомы были открыты в середине 1950-х годов американским биологом румынского происхождения Георгом Паладе (1912–2008), механизм их функционирования более и менее прояснился через пятнадцать лет, за что Паладе вместе с бельгийцами Альбером Клодом (1899–1983) и Кристианом де Дювом (1917–1978) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Но к расшифровке структуры рибосомы на атомарном уровне ученые подобрались только в нашем веке, когда появилась соответствующая экспериментальная техника высокого разрешения. При этом был выявлен ряд новых важных деталей устройства и функционирования рибосом, за что в 2009 году британец Венкатраман Рамакришнан, американец Томас Стейц и израильтянка Ада Йонат получили еще одну Нобелевскую премию, на сей раз по химии.

Все это, конечно, очень интересно и расширяет знания ученых о природе, скажете вы. Но при чем тут нанотехнологии? Действительно, для многих ученых познание природы – самоцель, но в этом нет ничего плохого, потому что без фундаментальной науки прогресс человечества просто невозможен. При этом всегда были и есть ученые, наделенные практическим складом ума, которые во всяком открытом ими или коллегами новом явлении видят в первую очередь источник технических усовершенствований и изобретений. Они не ждут, пока будут выявлены всякие тонкие детали того или иного явления, подчас они даже не ждут безоговорочных подтверждений того, что оно на самом деле существует, они сразу же начинают размышлять над тем, как бы его приспособить к делу. Эти прикладные исследования зачастую опережают фундаментальные, создаются технологии, производятся новые материалы и устройства, а ученые все еще продолжают ломать голову над тем, почему эти устройства работают так, как они работают.

Вот и молекулярные машины для “обработки” ДНК ученые быстро стали использовать сначала для собственных, а потом и общечеловеческих нужд. Рестриктазы, разрезающие молекулу ДНК в строго определенных местах, весьма помогли известному уже нам Фредерику Сенгеру определить последовательность соединения нуклеотидов в цепи. Затем ученые научились вырезать из молекулы ДНК участок, соответствующий определенному гену. И почти сразу возникла мысль о том, а нельзя ли соединить между собой гены, принадлежащие разным живым организмам, и получить таким образом ДНК, не существующую в природе?

Как это можно сделать? Вспомним о “липких” концах, образующихся при разрезании ДНК. Мы вырезаем с помощью рестриктазы какой-нибудь ген из одной молекулы ДНК и выделяем его. Затем, используя ту же самую рестриктазу, вырезаем еще один ген из другой ДНК. Рестриктаза одна и та же, соответственно и липкие концы у этих двух фрагментов одинаковые, нам остается лишь смешать их, и они слипнутся между собой. А затем мы добавим фермент лигазу, которая намертво спаяет нити новой ДНК. Такой вот генный конструктор. В реальности все выглядит намного сложнее, есть множество подводных камней, о некоторых вы, возможно, и сами уже догадались. Например, с какой стати будут слипаться разнородные фрагменты, если с не меньшим успехом могут слипнуться и однородные? Могут, конечно, но это уже техническая проблема разделения различных молекул ДНК, ее ученые умеют решать.

Впервые идею генной инженерии воплотил в жизнь в самом начале 1970-х годов американский биохимик Пол Берг (род. 1926 г.). Он соединил в одно целое фрагменты ДНК вируса (бактериофага) SV40 и бактерии Escherichia coli . Это принесло ему в 1980 году Нобелевскую премию по химии, которую он разделил с Фредериком Сенгером. Берг проторил путь к генетически модифицированным организмам. Что интересно, он сам свернул работы в этой области, прислушавшись к мнению многих своих коллег и широкой общественности, что эти “игры в бога” могут привести к непредсказуемым результатам. Сначала жесткое государственное регулирование в этой области, а уж потом научные исследования, полагал Берг. Осторожность и трезвая оценка рисков, конечно, необходимы, вот только нельзя отдавать это на откуп чиновникам, которые мало того что ничего не понимают в науке, так еще вынуждены угождать наиболее громкоголосой части электората, на подсознательном уровне страшащегося всего нового и неизвестного.

Впрочем, такой осторожный подход разделяли далеко не все ученые. Джинн был выпущен из бутылки, более того, идея лежала на поверхности, ее могли реализовать и другие исследователи. В историю вошел Герберт Бойер.

Он был на десять лет моложе Берга и принадлежал, в сущности, к другому поколению ученых. Открытие ДНК случилось, когда он заканчивал школу. Крик и Уотсон стали его кумирами, а исследование ДНК – целью жизни. Его научная карьера шла по восходящей: защита кандидатской диссертации в Питсбургском университете, трехлетняя стажировка в Йеле, ассистент-профессор в Университете Калифорнии в Сан-Франциско. Занимался он рестриктазами.

В 1972 году на конференции на Гавайях Бойер познакомился со своим ровесником Стенли Норманом Коэном[40], работавшим вместе с Бергом в Стэнфордском университете. Коэна интересовал вопрос о том, как у бактерий вырабатывается иммунитет к действию антибиотиков и как гены передаются от бактерии к бактерии с помощью плазмид – замкнутых в кольцо молекул ДНК. Коэн и Бойер работали в разных областях науки, но в ходе непринужденной беседы на вечеринке нашли точку соприкосновения их научных интересов, где они могли быть взаимно полезными.

Идея, которую они реализовали в ходе совместной работы, заключалась в следующем: они разрезали в одном месте плазмиду, вставили в это место чужеродный ген – ген устойчивости к тетрациклину – и спаяли вновь образованную кольцевую молекулу. Затем они ввели ее в бактерию, точнее говоря, бактерия сама ее поглотила, есть у них такая характерная особенность – заглатывать из окружающей среды все молекулы, похожие на плазмиды. При размножении бактерии эта плазмида, вместе с введенным в нее чужеродным геном, была скопирована, давая начало штамму генетически модифицированных бактерий, устойчивых к действию антибиотика.

Так Бойер с Коэном получили в 1973 году первый генетически модифицированный живой организм. Это само по себе было важным научным результатом, но они держали в голове другую, далеко идущую практическую цель. Они, например, внедрили в плазмиду ген, ответственный за синтез соматостатина – пептидного гормона роста, состоящего из четырнадцати аминокислот. Ну а где пептиды, там и белки. Бойер внедрил в плазмиду бактерии ген, ответственный за синтез человеческого белка. Полагаю, вы уже догадались, какого белка – инсулина.

Молекулярные машины живых клеток, как мы помним, универсальны в том смысле, что им безразлично, что производить, лишь бы все было по правилам. Универсален и код ДНК, лежащий в основе всего живого. Поэтому ферменты бактерии ничтоже сумняшеся копируют введенный ген, переводят его в РНК, а затем синтезируют на ее основе чуждый ей белок, превращаясь в фабрику по производству нужного нам вещества. Остается только каким-то образом выделить его из бактерий, но это уже техническая проблема. Особенно приятно, что эти “фабрики” способны саморазмножаться. Все, что от нас требуется, – это снабжать их питательными веществами, необходимыми как для размножения, так и для производства белка.

Бойер использовал в своих исследованиях еще одну техническую новинку – разработанный Меррифилдом машинный метод синтеза, о котором я рассказывал в предыдущей главе. Возьмем тот же соматостатит, состоящий из четырнадцати аминокислот. Он кодируется последовательностью из сорока двух (14×3) нуклеотидов. Синтезировать такую цепочку из отдельных нуклеотидов было вполне по силам даже при тогдашнем уровне развития техники. На самом деле надо было синтезировать две комплементарных цепочки, а затем соединить их в молекулу ДНК, но это всего лишь увеличивает время и затраты вдвое, не меняя ничего по сути. Ген, ответственный за синтез инсулина, намного длиннее, но Бойер решил и эту проблему. И именно этот ген он вшивал потом в плазмиду. Вы только вдумайтесь: бактерии с введенным искусственным геном производят человеческий инсулин, который ежедневно спасает от диабетической комы сотни миллионов человек на планете! И все это было сделано в 70-х годах прошлого века, менее чем через четверть столетия после расшифровки структуры ДНК.

Многие полагают, что за все это Бойеру следовало дать Нобелевскую премию. Но он ее не получил. Почему – об этом чуть позже.

В этой истории есть еще два интересных момента. Коэн с Бойером получили патент на разработанную ими технологию. Но роялти по нему получали университеты, где были выполнены исследования. Выплаты превысили сорок миллионов долларов, для Университета Калифорнии в Сан-Франциско это были рекордные в истории выплаты по одному патенту. При чем здесь Коэн с Бойером? Правильно, ни при чем, они ведь выполняли эти работы в “плановом” порядке, получая за это зарплату. Это к вопросу о пресловутой интеллектуальной собственности, которая, как нас пытаются убедить, служит главным движителем научных исследований. Настоящими учеными двигает страсть к познанию, они работают не ради собственности, а за идею, они просто не могут не делать открытий, пусть мелких, как писатель не может не писать книги, а поэт – записывать рождающиеся в его душе стихи. Ученым, как и всем людям, свойствен дух соперничества, они, естественно, мечтают о приоритете, но это не имеет ничего общего с интеллектуальной собственностью. О ней они, да и то не все, задумываются лишь потом, наблюдая, как кто-то другой наживается на их разработках.

Впрочем, к Бойеру это не относится. С ним случилась другая история, которую любят описывать в учебниках по бизнесу, венчурному финансированию и “инновациям в хай-теке”. В 1976 году к Бойеру обратился двадцативосьмилетний предприниматель Роберт Свенсон, прослышавший о научных открытиях Бойера. Согласно легенде, профессор смог уделить бизнесмену пятнадцать минут, но за это время Свенсон ухитрился уговорить его основать биотехнологическую компанию, названную Genetic Engineering Technology, сокращенно Genentech. Они внесли по пятьсот долларов в уставной капитал компании, Свенсон привлек со стороны средства для покупки оборудования и оплаты труда персонала, через два года в компании была разработана упомянутая уже технология получения инсулина, еще через десять Бойер и Свенсон стали мультимиллионерами. В 2009 году фармацевтический концерн “Hoffmann-La Roche” купил компанию “Genentech” за 46,8 миллиарда долларов.Будучи вице-президентом компании, Бойер продолжал преподавать в университете, а в 1990 году сделал взнос в десять миллионов долларов на развитие Йельской школы медицины и создание Бойеровского центра молекулярной медицины. Но это уже не могло спасти его безнадежно погубленную научную репутацию: он предал идеалы науки и продал гены за презренный металл! То ли дело Коэн – он остался “чистым” профессором! Злые языки утверждают, что именно поэтому Бойер и не получил Нобелевскую премию. Ведь ученым не чуждо ничто человеческое, и многие из них ревниво относятся к доходам своих соседей и коллег.Я хочу рассказать вам еще об одном открытии, которое, на мой взгляд, входит в десятку важнейших открытий в химии за последние полвека. Речь пойдет о полимеразной цепной реакции – ПЦР. О ней слышали все, кому довелось посещать современные диагностические центры. Так что против обыкновения начну с технологии.

Представьте, что у вас в руках находится образец ДНК, выделенный из какой-нибудь окаменелости или из вашего собственного организма, вырезанный с помощью рестриктазы из ДНК бактерии или полученный искусственно с помощью автоматического синтезатора. Во всех этих случаях вы располагаете очень маленьким количеством ДНК, подчас одной только молекулой. Проанализировать ее нет никакой возможности – не хватает чувствительности самых мощных современных методов. Единственный выход – каким-то образом размножить эти молекулы ДНК. Но как это сделать?

Природа это делать умеет, удвоение ДНК происходит при каждом делении клетки. Процесс этот очень сложный, выше я описал лишь вершину айсберга, на самом деле в репликации ДНК помимо хеликазы и ДНК-полимеразы участвует множество других ферментов и белков, и нет никакой надежды на то, что нам удастся заставить их работать в пробирке так же слаженно, как в живой клетке. И тем не менее приведенных мною сведений более чем достаточно для осуществления этого процесса. Напомню главный момент: для начала работы ДНК-полимеразе необходима затравка, называемая праймером. В клетке праймеры синтезирует специальная молекулярная машина, а у нас для этого есть автоматический синтезатор.

Итак, для разъединения цепей нам не нужна никакая хеликаза, для этого достаточно просто нагреть водный раствор почти до кипения. Затем добавим в раствор праймеры, соответствующие концевым участкам обеих цепей[41], и начнем охлаждать раствор. В отсутствие праймеров цепи бы вновь соединились, но праймеров мы добавили много, они первыми успевают к концам цепей и прочно связываются с ними. Затем мы охлаждаем раствор до температуры, при которой хорошо работает ДНК-полимераза, добавляем ее в раствор вместе с набором нуклеотидов, и фермент немедленно начинает пристраивать их к праймеру, наращивая комплементарную цепь ДНК. В результате мы получим две точные копии исходной молекулы ДНК. А затем мы вновь нагреем этот раствор почти до кипения…

Так начинается своеобразный цепной процесс с удвоением количества молекул ДНК в каждом цикле, так называемое амплифицирование ДНК. Нетрудно подсчитать, что за 25 циклов образуется около 30 миллионов копий – количество, более чем достаточное как для анализа рутинными методами, так и для последующих превращений. Продолжительность цикла зависит, естественно, от длины молекулы ДНК. В основном копируют фрагменты длиной до 3000 пар нуклеотидов, на проведение одного цикла требуется 1–3 минуты. Но возможно копирование молекул ДНК с длиной до 40 тысяч пар нуклеотидов.

Для практических нужд чрезвычайно важно, что ПЦР позволяет скопировать определенный фрагмент молекулы ДНК. Праймеры при этом выполняют роль колышков, которые мы вбиваем в молекулу ДНК, говоря ДНК-полимеразе: строй от сих до сих. Таким образом, нет необходимости разрезать молекулу ДНК на части и выделять требуемый ген, можно его скопировать и размножить напрямую.

Теперь о человеке, который все это придумал. Зовут его Кари Маллис. Родился он в 1944 году в небольшом городке в штате Северная Каролина, с детства интересовался математикой, физикой и химией (в основном взрывчатыми веществами), образование получил химическое, увлекаясь тем же, чем и все студенты того времени, – ЛСД и все такое прочее. После окончания университета не много позанимался бизнесом, в 1972 получил степень Ph.D. по биохимии в Университете Калифорнии в Беркли, будучи аспирантом, увлекся астрофизикой и опубликовал статью с амбициозным названием “Космологические последствия обращения времени” в журнале “Nature”, ни много ни мало. После защиты диссертации бросил науку ради сочинительства романов, два года управлял пекарней, в 1979 году устроился работать химиком-синтетиком в небольшую биотехнологическую компанию “Cetus” в Калифорнии. Дважды разведен, трое детей. С точки зрения любого нормального человека – полный неудачник.Сам он так, естественно, не считал и продолжал размышлять над великими вопросами. И вот однажды весной 1983 года, в пятницу вечером, возвращаясь с работы, он задался тем же вопросом, что и мы: как размножить ДНК? Ответ пришел в виде озарения. Как рассказывал сам Маллис, он был потрясен красотой идеи, он даже остановился у придорожного киоска, купил бумагу и ручку и стал подсчитывать, сколько же в придуманной им реакции получается ДНК. Числа вы уже знаете, они большие. Весь уик-энд Маллис промучился сомнениями. Идея была хоть и красивой, но очень простой, она была суммой нескольких общеизвестных фактов, казалось невероятным, чтобы кто-то уже не попробовал ее реализовать. В понедельник ни свет ни заря Маллис поехал на работу, чего с ним отродясь не случалось, и все ради того, чтобы покопаться в библиотеке и убедиться в том, что ничего подобного в научной литературе нет.Идея была проста, но претворить ее в жизнь оказалось непросто – первую успешную реакцию ПЦР Маллис осуществил только по прошествии нескольких месяцев. На окончательную отработку методики ушло еще три года. Дело в том, что в описанной мною схеме есть существенный изъян, который вы, возможно, заметили. В начале каждого цикла водный раствор нагревают почти до кипения, ДНК-полимераза такого не выдерживает и денатурирует. Так что Маллису приходилось каждый раз добавлять после охлаждения свежую ДНК-полимеразу, а это лишний расход дорогого фермента и дополнительное загрязнение раствора. И тут Маллис обратил внимание на класс термостабильных ДНК-полимераз, выделенных незадолго до этого из бактерий Thermus aquaticus , обитающих, как понятно из названия, в горячих водах термальных источников.

Их описали несколько групп исследователей, в том числе советский биохимик Алексей Каледин в 1980 году[42]. Эти полимеразы выдерживали кипячение в водном растворе и работали при 70 °С. Так ПЦР обрела законченный вид.

Еще сложнее оказалось убедить научное сообщество в значимости новой реакции. Руководство и сотрудники родной фирмы отнеслись поначалу к идее Маллиса без энтузиазма. Журналы “Science” и “Nature” (на меньшее Маллис был не согласен) его статью отклонили со стандартной отговоркой: статья узкоспециальная, а они публикуют только статьи, имеющие общенаучное значение.

А по прошествии пары лет Маллису пришлось доказывать, наоборот, что это он придумал реакцию ПЦР. Пока он доводил свою методику до уровня Nature, руководство компании, оценившее наконец значимость ПЦР, поручило двум сотрудникам разработать диагностические тесты на ее основе. Их статья в “Science” вышла раньше статьи Маллиса в “Nature”. И тут же встрепенулись другие ученые. У победы много отцов, со всех сторон стали доноситься голоса ученых, утверждавших, что это они открыли ПЦР. Задним числом реакция выглядела тривиальной, основанной на общеизвестных фактах, вот людям и казалось, что они все этого уже делали.

В пользу Маллиса говорил патент, где он был единственным автором. С патентом вышла такая история. Так как Маллис выполнял исследования в рабочее время на оборудовании фирмы, то и патент был собственностью фирмы. За свою работу Маллис получил премию в десять тысяч долларов, а по прошествии нескольких лет компания “Cetus” продала этот патент за триста миллионов долларов.

Впрочем, Маллиса в компании тогда уже не было, он покинул ее сразу после того, как довел до ума реакцию ПЦР. Он занимался разного рода бизнесом до 1993 года, когда ему присудили Нобелевскую премию по химии. С тех пор он полностью отдался виндсерфингу и писательству, счастливо женился, да еще периодически эпатирует общественность заявлениями о том, что американцы на Луне не были, а знаменитые кадры сняты в Голливуде, что нет и СПИДа как болезни, вызываемой вирусом ВИЧ, что изменение климата из-за техногенных выбросов углекислого газа и озоновые дыры – это все выдумки политиков, экологов и ученых, стремящихся нагреть на этом руки. Его за это клеймят сумасшедшим. Так ли это, вам судить. Но внешность у него характерная – настоящий изобретатель, с сумасшедшинкой в глазах.

Вернемся ненадолго к самому методу. Почему ПЦР относят к крупнейшим достижениям химии последнего полувека? Из школьного курса мы помним огромное многообразие типов химических реакций: разложения, присоединения, замещения, изомеризации, полимеризации, поликонденсации и т. д. ПЦР явила первый пример реакций нового типа – размножения или синтеза по шаблону.

В сущности, мы имеем химический реактор, в котором находятся исходные вещества и молекулярная машина. Мы вносим в реактор одну молекулу образца, шаблона, затравки, называйте как угодно, и машина начинает сборку его точных химических копий. Что внесем, то и получим. Эх, распространить бы эту реакцию на всю химию. Да и вообще. Наша извечная беда: единичный экземпляр какого-нибудь устройства мы сделаем, и он будет лучшим в мире, но вот наладить его серийное производство – выше наших сил. Изобрести бы на этот случай какую-нибудь специальную машинку, вроде нанояпонца.

Метод ПЦР удивительно легко автоматизируется. Первые автоматические устройства поступили в продажу в начале 1990-х годов – пример рекордно быстрой промышленной реализации научно-технической разработки. В настоящее время ДНК-амплификатор – довольно рутинный прибор, которым оснащены все хорошие медицинские диагностические центры. Он немногим больше лазерного принтера, в нем можно одновременно осуществлять несколько десятков различных реакций ПЦР в маленьких пластиковых пробирках.

Поражает простота осуществления ПЦР. Не требуется никаких предварительных операций выделения или очистки исходной ДНК, иногда берут просто содержащий ее материал – каплю мочи, слюны, крови, кусочек ткани или кости. ПЦР-амплифицирование во многие тысячи раз упростило, ускорило и удешевило процесс выделения специфического фрагмента ДНК, например, какого-то гена. То, что раньше достигалось многомесячным трудом коллектива высокопрофессиональных специалистов, ныне осуществляет один работник со специальной подготовкой за один рабочий день.

За 25 лет, прошедшие с момента открытия ПЦР, были разработаны как множество ее вариантов, так и многочисленные ее применения в биологии, биотехнологии, медицине, криминалистике, популяционных исследованиях. В сущности, все эти области немыслимы сегодня без использования полимеразной цепной реакции. И неслучайно говорят, что история их развития четко разделяется на два периода: до открытия ПЦР и после.

Я рассказал лишь о двух направлениях практического использования исследований ДНК. Напомню еще о биочипах, описанных во второй главе. Их получают, прививая к поверхности носителя короткие (6–20 звеньев) олигонуклеотиды, а принцип действия основан на комплементарном связывании с фрагментами ДНК. Есть еще генетически модифицированные растения и животные. К ним можно относиться по-разному, но никуда не деться от факта, что это наше будущее, а если быть совсем точным, то уже настоящее. Есть множество и других применений, включая гипотетические ДНК-компьютеры.

В основе всего лежит манипулирование ДНК – нанообъектом – с помощью молекулярных машин, имеющих наноразмеры. Это не просто нанотехнологии, это нанотехнологии в квадрате.

Помню, как я пытался весной 2008 года убедить в этом ученых подмосковного Пущино, центра отечественной молекулярной биологии, на научном кафе, посвященном нанотехнологиям. Не убедил. Они так и остались при своем мнении, что нанотехнологии – это производство неорганических материалов и электроники. Мои ссылки на мировой опыт и призывы к здравому смыслу не произвели впечатления, у ученых был убойный аргумент: “нанотехнологические” гранты давали только в указанных областях, молекулярная биология не присутствовала в перечне спонсируемых тем ни в каком виде.

Ситуация с финансированием с тех пор изменилась, во вновь созданном отделении нанотехнологий Российской академии наук появились академики-биологи, но в общественном сознании генная инженерия и смежные области по-прежнему не ассоциируются с нанотехнологиями, а молекулярные биологи, даже получая соответствующие гранты, упорно отказываются именовать себя нанотехнологами. Научное сообщество в некоторых своих проявлениях удивительно консервативно, тут новое мышление зачастую пробивает себе дорогу намного медленнее, чем в умах широкой общественности. Впрочем, иногда это идет во благо. Ведь новое не всегда означает лучшее.

Глава 9 Живое или неживое?

В этой главе мы поговорим о вирусах (несомненно, объектах нанонауки) и о том, как вирусология порождает новые, конечно же, нанотехнологии.

Слово “вирус” знакомо, наверное, всем, но мало кто представляет себе, что это такое. Так вот, вирус – это ДНК (или РНК) в белковой оболочке, нечто пограничное между живым и неживым. А честь открытия вирусов принадлежит русскому ученому Дмитрию Иосифовичу Ивановскому (1864–1920). Готов поставить десять к одному, что фамилия эта до сего момента была вам неизвестна. Если я ошибся, то примите мои извинения, поздравление с выигрышем и восхищение вашей эрудицией. Внакладе же я не останусь, потому что девяносто девять других читателей с лихвой компенсируют мой проигрыш вам.

Дмитрий Ивановский родился в родовом поместье под Гдовом близ Санкт-Петербурга. Это имение стало последним осколком некогда огромного состояния. Земельная реформа Александра II и отмена крепостного права лишили Ивановских и этого источника существования, а ранняя смерть отца семейства довершила крах. Вдова с пятью детьми перебралась в столицу, где едва сводила концы с концами, получая маленькую пенсию. Хроническое безденежье наложило отпечаток на молодые годы Дмитрия Ивановского, да и потом преследовало его – видно, так ему на роду было написано. Плюс состоял в том, что он был просто вынужден уделять большое внимание учебе, чтобы оканчивать все курсы в числе первых учеников и получать стипендии для продолжения образования, а беспрестанное репетиторство, которым он стал заниматься еще в гимназии ради заработка, приучило к самодисциплине и закалило характер.

После гимназии Ивановский поступил на отделение естественной истории физико-математического факультета Петербургского университета. Под “естественной историей” понимались тогда химия и биология, а преподавали их в университете такие корифеи отечественной и мировой науки, как Дмитрий Иванович Менделеев, ботаник Андрей Николаевич Бекетов[43] и Андрей Сергеевич Фаминцын, один из пионеров исследований фотосинтеза, введший в научный оборот хорошо всем известный термин “обмен веществ” применительно к растениям. Под их руководством Ивановский грыз гранит науки, параллельно подрабатывая лаборантом в лаборатории физиологии растений и анатомии и приобщаясь там к самостоятельной научной деятельности.

После окончания университета Ивановского вместе с его однокурсником В. Половцевым отправили “в поле” на юг России (теперешнюю Украину и Молдавию) изучать болезни табака, которые причиняли большие убытки. В первый же сезон молодым исследователям удалось установить, что местный табак поражен двумя болезнями совершенно разной природы. Одна из них, которую они назвали “рябухой”, вызывалась микроскопическим грибком-паразитом, распространение которого было связано с климатическими условиями местности. Вторая имела похожие внешние симптомы: у больного растения некоторые участки листа теряли зеленое красящее вещество, хлорофилл, а другие, наоборот, накапливали его более энергично, вследствие чего лист становился пятнистым. Болезнь была заразной и передавалась от растения к растению неведомым образом. Буквально за год до этого ее описал голландский ботаник Адольф Майер, давший ей название “мозаичной болезни”.

Фаминцын предложил Ивановскому продолжить исследования, чтобы выявить возбудителя болезни. Нельзя сказать, что Ивановский с радостью ухватился за это предложение, более того, он от него упорно отказывался, боясь завалить порученное дело и не оправдать высокого доверия учителей. Он был классическим русским интеллигентом, скромным, неуверенным в себе, вечно сомневающимся, в общем, рефлектирующим.

Признаем, что основания для сомнений были. Микробиология – наука о микробах – находилась тогда в самом начале своего бума, непрекращающегося по сей день. Стараниями Луи Пастера (1822–1895) было окончательно установлено, что заразные болезни вызываются мельчайшими живыми организмами – микробами или бактериями, которые проникают в тело человека или животных. Параллельно Роберт Кох (1843–1910) разработал основные методы исследования бактерий, после чего открытия новых бактерий – возбудителей разных болезней – посыпались как из рога изобилия. Но возбудители некоторых болезней, причем таких распространенных, как оспа, бешенство и корь, никак не давались в руки ученых.

Пастер элегантно обошел это препятствие, создав вакцину от бешенства без проникновения в тайну того, что же, собственно, вызывает эту болезнь. А несколькими десятилетиями раньше то же самое сделал Дженнер с оспой. Можно сказать, что и в этих случаях технологии шли впереди науки. Но проблема между тем оставалась. В случае растений она усугублялась тем, что необходимо было обнаружить именно возбудителя болезни, половинчатый результат в виде создания вакцины не проходил, ибо вакцин для растений не существует. Надежда на то, что начинающий исследователь преуспеет там, где потерпели фиаско его более опытные коллеги, была весьма призрачной.

Как бы то ни было, Ивановский взялся за исследования, деля время между Петербургским университетом, табачными плантациями Никитского ботанического сада в Ялте и Ботанической лабораторией Академии наук. Квинтэссенцией его работы был эксперимент, который задним числом кажется элементарным и даже самоочевидным. Ивановский пропустил сок больного растения через фильтр – так называемую свечу Шамберлена, ученика Пастера, который ввел ее в употребление для отделения микробов от жидкости. Она представляет собой полый цилиндрик из пористой глины, “фарфора”, закрытый с одного конца. Его вставляют в просверленную пробку, а ту плотно вгоняют в горлышко стеклянной колбы. Затем через верхний открытый конец в цилиндрик наливают жидкость, содержащую бактерии. При откачке из колбы воздуха жидкость проходит через стенки цилиндрика и стекает вниз, бактерии же не могут пройти через мелкие поры и остаются на стенках.

Классики науки утверждали, что отфильтрованная жидкость уже не содержит бактерий и, следовательно, не является заразной. Но в случае с соком растений, больных табачной мозаикой, это оказалось не так. “Сверх всякого ожидания, – писал Ивановский, – оказалось, что и после фильтрования через глиняные фильтры Шамберлена способность сока передавать болезнь не уничтожалась”. Эта простая, ничем не примечательная для неспециалиста фраза означала переворот в науке. Ивановский впервые в истории обнаружил нечто сверхмалое, способное вызывает инфекционное заболевание.

О природе этого нечто Ивановский высказался довольно осторожно. Это могла быть “бактерия, способная проходить через фильтр благодаря своим ничтожным размерам, или выделяемый ею растворимый яд, способный сам по себе вызвать всю внешнюю картину заболевания”. Кроме того, Ивановский установил, что заболевшее от фильтрованного сока растение способно передать заразу другому – здоровому, то в свою очередь – третьему и т. д. Все указывало на то, что заразное начало в организме растения размножается, а это было весомым аргументом в пользу бактериальной версии. Но дальнейшего развития этих исследований не последовало.

14 февраля 1892 года Ивановский сделал в Академии наук доклад “О двух болезнях табака”, в котором обобщил результаты пятилетних исследований. Именно эта дата считается в мировой науке днем рождении вирусологии. Европейская научная общественность была оповещена об открытии через статьи, опубликованные в немецких журналах. Департамент земледелия получил от Ивановского практические рекомендации по мерам борьбы с болезнями табака, которые сводились к обязательному введению севооборота и повышению культуры земледелия. Ивановскому была присуждена ученая степень доктора философии. Этим все и закончилось.

Новоиспеченному доктору философии была предложена новая тема для исследований, гораздо более важная с народно-хозяйственной точки зрения, – процесс спиртового брожения под действием дрожжей. Причина столь резкой смены курса была довольно прозаичной. Дело в том, что российская наука в те годы практически не финансировалась государством. Д.И. Менделеев, находившийся в привилегированном положении, получал из казны на всю свою лабораторию триста рублей в год. Конечно, тогдашний рубль и нынешний ни в какое сравнение не идут, но, по какому курсу ни считай, все равно выходит очень мало. Другие не получали и того, зачастую оплачивая расходы на исследования из собственного кармана. И естественно, при возможности добывали, говоря современным языком, гранты и выполняли хоздоговорные работы.

В те годы считалось, что с научной точки зрения процесс спиртового брожения под действием дрожжей не представляет большого интереса, потому что на все значимые вопросы (или почти на все уже) ответил Пастер. Но Ивановский с его склонностью все подвергать сомнению воспроизвел описанные эксперименты и обнаружил ряд фактов, противоречивших господствовавшим тогда взглядам. Он, в частности, показал, что продуктивность дрожжей зависит не только от недостатка кислорода в системе, но и от присутствия азотсодержащих веществ, а кроме того, от используемой линии дрожжей, культивирование которых он ввел в практику лабораторий. Все это имело самое непосредственное отношение к промышленности. Ивановский организовал на базе Технологического института специальные курсы по подготовке экспертов для спиртовой отрасли, на которые приезжали слушатели даже из-за рубежа. А еще он защитил в 1896 году квалификационную диссертацию “Изучение спиртовой ферментации”, которая позволила ему получить должность приват-доцента в Петербургском университете, а вскоре и должность заведующего кафедрой.

В сущности, последнюю он получил авансом с условием, что в пятилетний срок защитит докторскую диссертацию. Это побудило его вернуться к изучению возбудителя табачной мозаики. Оказалось, что всего лишь за несколько лет его вынужденного отсутствия в открытой им области науки произошли существенные изменения. Прежде всего возбудитель болезни обрел имя – “фильтрующийся вирус”. Так его назвал голландский микробиолог и ботаник Мартин Виллем Бейеринк[44] (1851–1931), воспроизведший опыты Ивановского. Слово “вирус” было известно много столетий и означало по-латыни всего-навсего “яд”. Именно этот прямой смысл придавал ему Бейеринк, который считал, что возбудителем табачной мозаики служит “живая ядовитая жидкость”. Лишь с течением времени термин “вирус” приобрел самостоятельный смысл и утратил поясняющее прилагательное “фильтрующийся”.

Впрочем, Бейеринк признавал, что вирусная жидкость – живая, то есть способна к размножению. Он установил, что этот процесс протекает только в растущих органах табака, то есть там, где происходит деление клеток растения. Кроме того, он показал, что вирус может быть дезактивирован путем кипячения, а при высушивании при комнатной температуре его активность сохраняется.

Отталкиваясь от обнаруженных Бейеринком фактов, Ивановский заново проанализировал результаты своих старых исследований и проделал множество экспериментов для установления природы вируса. Они свидетельствовали в пользу того, что вирус – не жидкость, не токсин, не какое-то химическое вещество, а частицы в сто раз меньшего размера, чем бактерии. От бактерий их отличало то, что они не размножались в культуральной жидкости, то есть вне живого организма. Впрочем, ученые к таким “отрицательным” доказательствам относятся очень настороженно. То, что не удалось сделать одному исследователю и даже сотне исследователей, может оказаться под силу сто первому. Собственно, пример самого Ивановского с его опытом по фильтрации вирусов подтверждает эту простую максиму.

Полагая, что вирус табачной мозаики является мельчайшим микробом, Ивановский прилагал все усилия, чтобы разглядеть его. Для этого он изучал под микроскопом тончайшие срезы листьев больных растений, а для увеличения контрастности использовал специальные вещества, применявшиеся для окраски бактерий. В результате ему удалось разглядеть в пораженных клетках растения какие-то бесцветные кристаллы и скопления окрашенных палочек и точечек. Первые иногда называют “кристаллами Ивановского”, но сам ученый не придал им значения, он полагал, что искомый вирус – это окрашенные палочки и точечки.

Тут интуиция подвела его: именно кристаллы и представляли собой скопления самого вируса. В оправдание Ивановскому скажем, что правильный вывод был далеко не таким очевидным, каким он представляется нам с высоты наших теперешних знаний. До него науке предстояло пройти долгий путь. Кристаллическую природу вируса табачной мозаики американский биохимик Уэнделл Стэнли установил лишь в 1935 году, и только тогда же, кстати, была окончательно похоронена “жидкостная” теория Бейеринка. А сам Стэнли в 1946 году получил Нобелевскую премию по химию.

Ивановский же пока не наработал даже на докторскую диссертацию. Виноват в этом он был отчасти сам, если, конечно, считать виной избыточную скрупулезность в работе и многократный повтор одних и тех же экспериментов – для большей уверенности. Он не выполнил поставленного условия, и в 1901 году университетское начальство отстранило его от должности заведующего кафедрой, пригласив на это место из Варшавы известного ботаника и биохимика Владимира Ивановича Палладина, избранного вскоре членом-корреспондентом, а затем и академиком Петербургской академии наук. Интересно, что студенты, любившие Ивановского как лектора и прогрессивного, свободомыслящего человека, при сем известии взбунтовались и объявили бойкот Палладину. Но это уже ничего не могло изменить.

Ивановский переехал в Варшаву, совершив своеобразную рокировку с Палладиным. В 1903 году он защитил-таки докторскую диссертацию по мозаичной болезни табака и получил должность профессора Варшавского университета. За эти несколько лет вирусология сделала еще один впечатляющий рывок. Немецкий бактериолог Фридрих Август Лёффлер в 1898 году обнаружил еще один “фильтрующийся вирус” – возбудитель ящура крупного рогатого скота, а американский врач Уолтер Рид в 1901 году установил первое вирусное заболевание человека – желтую лихорадку.

Постепенно становилось ясно, что вирусы – явление для мира живой природы вполне обычное. Но сам Ивановский, выпустивший джинна из бутылки, уже не принимал участия в этих исследованиях. В Варшаве он занимался изучением фотосинтеза. К этому его побудило наблюдение, сделанное при изучении табачной мозаики: в пораженных, желтых частях листьев табака содержалось не только мало хлорофилла[45], но и мало крахмала. Хлорофилл – зеленый пигмент растений – изучали самые разные ученые на протяжении десятилетий, но Ивановскому и здесь удалось сделать важные открытия. Было известно, что после экстракции спиртом из листьев растений устойчивость хлорофилла к действию света существенно падает. Ивановский “всего-навсего” добавил к спиртовому экстракту воду, в результате чего молекулы хлорофилла слиплись в коллоидные частицы размером в десятки нанометров. Но при этом стабильность хлорофилла возросла в 15–30 раз, приблизившись к его стабильности в листьях растений. Из этого, в частности, следовал вывод, что в процессе фотосинтеза участвуют не изолированные молекулы хлорофилла, а собранные из них “пачки”.

Выявил Ивановский и роль желтого пигмента, выделенного из листьев растений. Оказалось, что он не принимает прямого участия в процессе фотосинтеза, но служит защитой хлорофиллу от разрушающего воздействия ультрафиолетового света. Для этих экспериментов Ивановскому нужны были образцы чистых пигментов, и тут не обошлось без “помощи друга”.

Другом был еще один гений российской науки – Михаил Семенович Цвет. Он родился в Италии в 1872 году (его мать была итальянкой), учился в Швейцарии и получил степень бакалавра в Университете Женевы. Швейцарцы числят его, естественно, своим, да и сам Цвет считал себя больше швейцарцем, чем русским. Тем не менее в 1897 году он переехал в Санкт-Петербург, где преподавал физиологию растений на Курсах воспитательниц и руководительниц физического образования, возглавляемых Петром Францевичем Лесгафтом, и изучал химию хлоропластов в Биологической лаборатории Академии наук. Тогда-то Ивановский и познакомился с ним. Дружба окрепла, когда волею судьбы они оказались вместе в Варшаве.

Именно там в 1906 году Цвет изобрел метод разделения веществ, названный им хроматографией. Он пропустил раствор, содержащий смесь различных хлорофиллов, через стеклянную колонку, заполненную мелкоизмельченным мелом, в результате пигменты “расползлись” по колонке, сформировав четко отделенные друг от друга слои. Нечто подобное вы могли наблюдать и сами при попытке отмыть пятно, посаженное на скатерть или на одежду. Серо-буро-малиновое пятно, как назло, не исчезает, а только пуще расплывается, являя яркие цвета – всю гамму красителей, которыми напичканы современные продукты питания.

Хроматография – наиболее универсальный метод разделения веществ, без него сейчас невозможно представить химический и биохимический анализ, а ботаник Михаил Цвет, как я уже отмечал ранее, включен в юбилейный список ста самых выдающихся химиков всех времен. Начиналось все с опытов по разделению различных хлорофиллов, которые Цвет, вполне возможно, делал по просьбе Ивановского. Допускаю также, что название метода было изящной шуткой Цвета, ведь “хрома” по-гречески означает “цвет”. Но на лекциях студентам мы, конечно, говорим, что “хрома” в названии метода происходит из цветной окраски слоев, полученных Цветом в ходе его первых экспериментов.

Плодотворное сотрудничество прервалось в 1915 году. Учебные заведения Варшавы эвакуировали из-за начавшейся войны. Ивановский при этом лишился всего оборудования для научных исследований, которое было в значительной степени приобретено на его собственные средства или сделано его руками, обширной личной библиотеки и многих из его лабораторных журналов. Все надо было начинать с чистого листа в Ростове-на-Дону, где был основан новый университет. Затем последовали революции и Гражданская война. Все усугубилось смертью единственного сына Ивановского.

Можно только поражаться, как в этих условиях Ивановский сумел создать главный педагогический труд своей жизни – фундаментальный учебник “Физиология растений”.Скончался Ивановский в 1920 году. Годом раньше умер от голода в Воронеже Михаил Цвет. Сделанные ими открытия не принесли им славы, академических званий и счастья, кроме, конечно, единомоментного счастья самого открытия, которое не зависит ни от последующего признания, ни от значимости открытия, ни даже от его правильности. По большому счету и на мировую науку эти открытия не оказали существенного влияния. Метод хроматографии был открыт, по сути дела, заново в 30–40-е годы. Ситуация с Ивановским несколько иная. Параллельно с ним работали Бейеринк, намного более известный ученый, и другие исследователи, внесшие объективно не меньший вклад в развитие вирусологии. Ивановскому по складу его характера и в голову не могло прийти вылезать вперед и кричать на всех углах: “Это я! Это я сделал! Я – первый!” Мне вообще кажется, что он не придавал своему приоритету в открытии вирусов большого значения и ставил выше его свою “Физиологию растений”. Как ни парадоксально это звучит, но сделать открытие, особенно если оно назрело, способны многие, а вот написать хороший учебник могут единицы. Ивановскому удалось и то и другое.За сто двадцать лет, прошедших с открытия Ивановского, вирусология превратилась в обширнейшую область науки в точном соответствии с местом, которое занимают вирусы в иерархии органической материи на нашей планете. Оказалось, что по численности вирусы могут претендовать на звание одной из самых распространенных форм существования этой материи. Достаточно сказать, что в одном литре морской воды содержится 250 миллиардов вирусов, что на порядок больше количества содержащихся там же бактерий и сопоставимо с количеством людей, когда-либо живших на Земле. Ученые детально изучили около пяти тысяч различных видов (штаммов) вирусов, но общее их количество оценивается в несколько миллионов. Это приблизительно соответствует числу химических веществ, синтезированных химиками за всю историю их науки, что свидетельствует, с одной стороны, о большей изобретательности Природы, а с другой – о малости наших знаний о вирусах и о том, что работы впереди непочатый край.

Нет, знаем мы уже, конечно, много, даже очень много. Например, о том, как устроены вирусы. Тут ученым помогли приборы и методы исследования, о которых даже не подозревали во времена Ивановского. Так, только после изобретения в 1931 году электронного микроскопа удалось наконец-то разглядеть вирусы. Сделал это упоминавшийся выше Уэнделл Стэнли.

Размер большинства вирусов составляет от 10 до 300 нм, то есть они являются классическими нанообъектами. Говоря современным языком, вирусы представляют собой контейнер для хранения генетической информации в виде ДНК или РНК[46]. Сам контейнер – защитная оболочка вирусной частицы (вириона) – состоит из белков и называется капсидом. У некоторых вирусов это один-единственный белок, за счет чего достигается большая экономия генетической информации. При этом вирусу не требуется никакого дополнительного механизма формирования капсида – он образуется путем самоорганизации молекул белков. Поэтому многие вирионы имеют правильную геометрическую форму – например, вирионы полиомиелита, ящура, гепатита А – форму икосаэдра. Это роднит вирусы с другими известными нам нанообъектами – наночастицами золота, представляющими мир неорганической природы.

А вот вирус табачной мозаики, открытый Ивановским, имеет форму цилиндра. Его оболочка образуется путем самосборки из 2130 молекул одного белка, которые закручиваются спиралью вокруг молекулы РНК. (Это, как мы помним, впервые обнаружил Джеймс Уотсон, а детально изучила Розалинд Франклин.)

Более сложные вирусы, в частности вирусы гриппа и ВИЧ, заключены в дополнительную оболочку – “конверт”, составленный из компонентов, которые вирус выхватывает из мембран клеток атакуемого им организма. В их число входят и специальные метки (маркерные белки), сигнализирующие: я – свой. Поэтому нашей иммунной системе так сложно справляться с таким вирусом, проникшим в наш организм и размножившимся там.

Отдельного и подробного описания достойны бактериофаги – вирусы, поражающие бактерии, один из примеров идеальных молекулярных машин, созданных Природой.Чтобы дать вам небольшую передышку в этом потоке научной информации, расскажу об открытии бактериофагов. Первым их обнаружил английский бактериолог Фредерик Туорт в 1915 году. Пришел он к этому открытию весьма извилистым путем. Занимался он вирусом оспы и, следуя Ивановскому и другим предшественникам, пытался размножить вирус в питательном растворе с тем же, впрочем, отрицательным результатом. Вакцины оспы, которые использовались в то время для прививок, были сплошь загрязнены стафилококком, вызывавшим всякие побочные эффекты, но Туорта заинтересовало другое. Он предположил, что эти бактерии выделяют некое вещество, способствующее существованию вирусов оспы, – так он переключился на исследование стафилококка.В ходе экспериментов по выращиванию культур бактерий Туорт обнаружил некую “заразу”, которая поражала колонии бактерий, проходила через фарфоровый фильтр и размножалась только в присутствии бактерий. Не сомневаюсь, что вы после прочтения предыдущего текста не затруднитесь с выводом: вирус! А вот Туорт этого вывода не сделал. Это тем более удивительно, что сам он занимался именно вирусами. Это пример того, как даже хороший специалист может пройти мимо открытия, не заметив его. Настолько велика сила стереотипа: Туорт твердо знал, что вирусы вызывают заболевания растений, животных и человека, но он-то занимался бактериями! И поэтому в статье, опубликованной в журнале “Ланцет” в 1915 году, Туорт, описав все свойства новой заразы, определил ее как некий фермент, или токсин, выделяемый самими бактериями.

Все это было очень туманно, и научное сообщество сообщения не заметило. В отличие от статьи канадского микробиолога Феликса Д’Эреля, который в 1917 году независимо от Туорта сообщил об обнаружении вирусов, поражающих бактерии, и приписал им корпускулярное строение. Именно ему долгое время приписывали приоритет открытия. Справедливость восстановил француз Жюль Борде (1870–1961), сам много сделавший для изучения бактериофагов и раскопавший старую статью Туорта. Нобелевский лауреат по физиологии и медицине мог позволить себе высшую степень принципиальности – признать преимущество англичанина перед французом.

Что же представляет собой бактериофаг? Он состоит из уже знакомого нам икосаэдрического контейнера, внутри которого хранится нуклеиновая кислота – РНК или ДНК, на которую приходится около половины веса бактериофага. К контейнеру присоединен полый стержень из белковых молекул, замкнутый снизу пластинкой. От конца стержня отходят несколько нитей-фибрилл. Все в целом это вызывает ассоциацию со спускаемым аппаратом космического корабля, предназначенного для мягкой посадки на поверхность далеких планет. Собственно, первая стадия атаки бактериофага на бактерию чем-то напоминает этот процесс.

У бактериофагов нет внутренних источников энергии для самостоятельного движения, поэтому на первый взгляд бактерия сама случайно наталкивается на бактериофаг, как корабль на мину. Тем не менее бактериофаг способен передвигаться, используя микроконвективные потоки в жидкости и свои длинные хвостовые фибриллы в качестве “парусов”. Сигналом к поднятию “парусов” служат некоторые продукты метаболизма бактерии, которые она выбрасывает в окружающую среду. Эти вещества воздействуют на нити фага, заставляя их “распушаться”. Поэтому бактериофаг преимущественно поражает бактерии в определенной стадии их жизненного цикла – незадолго до деления. В этот период они наиболее активны, много едят и много выделяют. В зоны с высокой концентрацией продуктов метаболизма и устремляются бактериофаги, устраивая там “минное поле”.

Поток жидкости подносит бактериофаг к бактерии или наоборот. Фибриллы “ощупывают” поверхность бактерии на предмет того, а подходящий ли это объект для атаки, ведь каждый бактериофаг настроен на определенный вид бактерий – чужого им не надо! Наткнувшись на нужные им рецепторы, фибриллы прочно связываются с ними, заякориваются, а затем изгибаются и прижимают конец стержня к поверхности. В пластинке находится специальный фермент лизоцим, он “прожигает” отверстие в мембране бактерии, в которое входит стержень. Через этот стержень внутрь бактерии “впрыскивается” нуклеиновая кислота из головки бактериофага.

После этого начинается обычный вирусный беспредел, детали которого, кстати, удалось выяснить в значительной мере при помощи все тех же бактериофагов, ведь бактерии – намного более удобный объект для исследований, чем растения и животные. Генетическая информация, поступающая в виде ДНК (РНК) от вируса, перепрограммирует клетку хозяина и подчиняет всю ее жизнедеятельность задаче производства компонентов вируса, то есть его размножения. Используя инфраструктуру бактерии, нуклеиновая кислота бактериофага направляет синтез необходимых ему белков и при этом еще сама реплицируется. Ученые называют это автокаталитическим процессом с ускорением. Образующиеся белки и нуклеиновые кислоты “самособираются” в новые бактериофаги числом от 200 до 1000, а произведенный фермент лизоцим растворяет оболочку бактерии, выпуская этих “убийц” на свободу.

На все про все уходит около 30 минут. Возникает естественный вопрос: почему же бактериофаги, и вирусы в целом, при такой гигантской скорости размножения не заполонили уже всю Землю? Ответ очень прост: недостаток ресурсов. Например, бактериофаги уничтожают в неком пространстве целевой для них вид бактерий, а потом сами превращаются в добычу или “вымирают” естественным образом. Как мы увидим в дальнейшем, у Природы есть и другие способы сдерживать агрессивность вирусов, да и сами вирусы умеют умерять свои аппетиты. Природа устроена очень рационально, нам есть чему у нее поучиться, в том числе у безмозглых вирусов.

Завершая этот раздел, еще раз скажем о том, что мы многое знаем о строении вирусов и о механизме их действия на различные живые организмы. Но при этом многие важные вопросы остаются непроясненными. То есть каждый отдельно взятый ученый считает, что он знает точный ответ, но научное сообщество в целом пребывает в состоянии непрекращающегося спора.

И первый вопрос: являются ли вирусы живыми организмами? Им задавались еще основоположники – Ивановский и Бейеринк, они дали на него диаметрально противоположные ответы, сопроводив их, впрочем, многочисленными оговорками, стершими резкую грань. Вопрос этот философский (в прямом и переносном смысле), поскольку сначала нужно определить, что есть жизнь. Вирусы несут наследственную информацию, они видоизменяются, эволюционируют и подвергаются действию естественного отбора. В этом смысле они ничем не отличаются от живых организмов. С другой стороны, живые существа потребляют из окружающей среды энергию и различные вещества, пьют, едят, дышат, перерабатывают все это и выбрасывают отходы назад в окружающую среду. Никакого подобного метаболизма у вирусов нет и в помине, в своем нативном виде, вне клетки хозяина, они ничем не отличаются от обычных химических веществ – мертвой материи. В общем, ядовитая жидкость, как писал Бейеринк.

Многие ставят во главу угла неспособность вирусов к самостоятельному размножению. Но ведь размножаются! В природе достаточно паразитов, которые могут размножаться только в организме хозяина, а, например, бактерии хламидии, не к ночи будут помянуты, проникают при этом именно в клетки человека, совсем как вирусы. Никто при этом не отрицает, что хламидии – живые организмы. Такими же паразитами являются мужчины, относящие себя к особому, высшему, биологическому виду, ведь они тоже не способны к самостоятельному размножению и вынуждены использовать для этого организм женщины, существа другой биологической природы[47]. Это, конечно, шутка, но она показывает, до какого абсурда можно довести любую дискуссию. По существу, спор о вирусах – бесконечный спор о терминах, и определения типа “вирусы – организмы, стоящие на пороге жизни”, конечно, красивые и образные, но мало что прибавляющие к пониманию проблемы.

Гораздо интереснее вопрос о происхождении вирусов. Помимо того что это просто любопытно, есть и важный для всех нас практический аспект. С тем, что вирусы ежегодно видоизменяются, мы уже смирились, но не может ли вдруг “народиться” какой-то принципиально новый вирус с необычными страшными, естественно, свойствами, как это случилось с вирусом ВИЧ, о существовании которого до 1981 года ученые даже не подозревали, а теперь мы имеем глобальную пандемию?

К сожалению, в этой области царит полная неопределенность. Теорий происхождения вирусов множество, так что я остановлюсь на трех основных.

Согласно первой, вирусы на Земле появились одновременно с одноклеточными организмами. Почему не раньше? А кто бы синтезировал им необходимые комплектующие, ведь сами они на это неспособны. Так что вирусы, может быть, и стоят на пороге жизни, но стоят там уже пару миллиардов лет, не переступая его. Чего нельзя отрицать, так это того, что некоторые вирусы возникли на заре жизни и тогда же обособились от одноклеточных. Дело в том, что некоторые вирусные белки совершенно непохожи на белки живых организмов, а Природа такой расточительности не терпит, все найденные ею удачные решения она бережно хранит и передает по наследству.

Все было бы хорошо, если бы в вирусах присутствовала только РНК – генетический материал первых живых организмов. ДНК появилась на более высоких ступенях эволюции, тогда же, вероятно, возникли и соответствующие вирусы. Согласно “регрессивной” гипотезе, вирусы – продукты де градации бактериальных клеточных паразитов типа тех же хламидий, которые отбросили все лишнее, ненужное для размножения.

Согласно третьей теории, вирусов породили клетки хозяина, грубо говоря, мы сами, своей собственной ДНК. Дело в том, что молекула ДНК не есть нечто застывшее и неизменное, она подвержена непрерывным трансформациям, – фрагменты молекулы, представляющие собой отдельные гены или даже группы генов, меняются местами. Они так и называются – мобильными генетическими элементами или “прыгающими генами”. Такой осколок ДНК вполне может “заблудиться”, облечься в цитоплазме в оболочку из белков и вырваться через клеточную мембрану на волю.

Ни одна из этих теорий не может объяснить всех известных фактов. Вполне вероятно, что всеобъемлющую теорию нельзя создать в принципе. Проблема заключается в том, что для вирусов, в отличие от всего остального живого мира, невозможно построить единую родословную, сходящуюся к общему предку. К примеру, генетики установили, что все мы, люди, в многообразии рас и национальностей, являемся потомками одной женщины, жившей приблизительно 150 тысяч лет назад в Восточной Африке. Конечно, “митохондриальная Ева” – так ее прозвали – появилась не из пены морской, у нее были родители и прочие родственники, но она – ближайший к нам общий предок, именно ее потомки расселились из маленькой африканской деревушки по всей Земле.

Так вот, для вирусов такое древо установить не удается. Они слишком различаются по строению, геному, “поведению”, чтобы можно было провести четкую эволюционную нить от одной группы вирусов к другой. Из этого следует вывод, что они возникали независимо друг от друга, в разных местах и – в разное время. А наше время ничем не лучше и не хуже других…

И еще один вопрос: зачем Природа создала вирусы и пестовала их на протяжении сотен миллионов лет? На него тоже есть множество ответов. Согласно одной из версий, вирусы необходимы как инструмент так называемого горизонтального переноса генов. Природа сама наложила довольно жесткие ограничения на межвидовое скрещивание, так что удачные генетические решения, найденные одним видом, стали недоступны для других. Вирусы позволяют обойти это препятствие. В процессе размножения в одном организме вирус может “прихватить” один из генов хозяина, а затем перенести и внедрить его в ДНК другого организма. Таким образом вирусы способствуют генетическому разнообразию и ускорению эволюции.

Вирусы могут участвовать в эволюционном процессе и напрямую вследствие своей быстрой изменчивости. Можно только предполагать, сколько незадействованных пока Природой генов находится в вирусах, геном которых не расшифрован учеными, а то и вовсе неизвестных им. Вполне возможно, что вирусы – это генетическая кубышка Природы, которую она хранит про черный день.

Вирусы можно рассматривать также как один из инструментов поддержания биологического равновесия в Природе, прореживания слишком расплодившихся видов, угрожающих существованию других. Тут можно было бы сразу перейти к людям, но поговорим сначала о бактериях и микроорганизмах. В океане, например, они составляют более девяноста процентов биомассы, но, дай им волю, они могли бы вытеснить все остальные виды. Вы и сами могли наблюдать это в водоемах с “цветущей” водой. Так вот, роль санитаров водоемов выполняют вирусы, в первую очередь бактериофаги, которые, по оценкам ученых, уничтожают каждый день до двадцати процентов всей биомассы океана. Тем самым они не только сдерживают распространение бактерий, но и ускоряют оборот органических веществ в природе.

Мы рассмотрели научные ответы на поставленный нами вопрос. Есть и ненаучные – например, такой: вирусы – бич Божий. Анализировать такие версии бессмысленно. Я вам лучше расскажу историю открытия одного из таких “бичей”.

Фрэнсис Пейтон Роус родился в Техасе в 1879 году. Его отец умер рано, оставив вдову с тремя маленькими детьми практически без средств к существованию. Тем не менее она переехала на север, в Балтимор, потому что там дети могли получить лучшее образование. (Поразительно, как часто этот сюжет повторяется в биографиях ученых, представленных в нашей книге! Тут есть о чем задуматься.)

В 1900 году Роус окончил Университет Джона Хопкинса и продолжил образование в одноименной Медицинской школе. Тут его подстерегала неприятность: во время проведения практических занятий по аутопсии он поцарапал палец туберкулезной костью, этого хватило для того, чтобы он заболел.

По совету врачей Роус уехал к своему дяде в Техас, где изгонял заразу работой на ранчо от зари до зари и беспробудным сном прямо на земле. Изгнал.

Роус вернулся в Балтимор, окончил школу и стал интерном Госпиталя все того же Джона Хопкинса. Он быстро убедился в том, что “настоящим врачом” ему не стать, поэтому переключился на медицинские исследования и устроился инструктором по патологии в Университет Мичигана. Зарплата была нищенской, но еще хуже было то, что в университете практически не было фондов для научных исследований. Даже на короткую стажировку в госпиталь Дрездена Роус отправился на собственные средства, заработанные в летней школе, где он, помимо преподавания, усердно учил по ночам немецкий – язык науки того времени.

Он был очень упорен и целеустремлен, этот Фрэнсис Пейтон Роус, что не могло не принести своих плодов. Он получил грант Рокфеллеровского института медицинских исследований для самостоятельной работы и уже через год, в 1909-м, сделал главное открытие своей жизни. Роус изучал болезнь, поражавшую домашних кур, – саркому, рак, который является бичом не только людей. Считалось, что болезнь возникает спонтанно. Но Роус показал, что ее можно инициировать, если ввести здоровым цыплятам фильтрат биологической жидкости больных особей. Он использовал фарфоровый фильтр, в фильтрате не было никаких больных клеток, там могли быть только вирусы. Так впервые было установлено, что вирусы способны вызывать раковые заболевания.

Сейчас этот вирус называют вирусом саркомы Роуса. Но в 1911 году, когда вышла статья Роуса, на нее не обратили никакого внимания. Это тем более удивительно, что в те времена публиковалось не так много статей и их все-таки читали. Это в наши дни переварить огромный вал информации стало просто невозможно. Значительная часть, если не большинство статей, публикуемых в научных журналах, не находит ни одного читателя. Из этого отнюдь не следует, что исследование было проведено впустую, а статью не нужно было публиковать. Наука развивается очень извилистыми путями, и невозможно предсказать, что, когда и как аукнется. Случай Роуса подтверждает эту мысль. А также ту, что не только сам исследователь может проглядеть открытие, как это случилось с Туортом, но и другие исследователи могут не заметить открытия, сделанного их коллегой.

Тем более если этот коллега – никому не известный исследователь из страны, находившейся тогда на обочине микробиологии. В течение нескольких лет никому даже в голову не пришло воспроизвести эксперимент Роуса. Впрочем, и у самого исследователя дела в дальнейшем не заладились, он долго и безуспешно пытался выделить вирусный возбудитель рака у мышей, а в 1915 году бросил заниматься опухолями и обратился к другим проблемам физиологической патологии.

Лишь в 1934 году Роус вернулся к раковой тематике. Произошло это отчасти случайно. К нему обратился его молодой коллега по Рокфеллеровскому институту медицинских исследований Ричард Поуп (1901–1966), прославившийся незадолго до этого тем, что впервые выделил вирус гриппа, конкретно – штамм “испанки”, унесшей во время пандемии 1918–1919 годов около ста миллионов жизней (по уточненным современным оценкам). Но в тот момент Поупа интересовал менее глобальный вопрос: являются ли раковыми образованиями бородавки, которые часто встречаются на коже диких кроликов, обитающих на юго-западе США? Этой и похожими проблемами Роус занимался до самой своей смерти, которая последовала в 1970 году, когда ученый перевалил девяностолетнюю отметку.

Между тем параллельно и независимо разворачивались еще две захватывающие истории. Первая – это история его открытия. Пусть не сразу, но оно было признано научным сообществом и стимулировало дальнейшие исследования. Одну из наиболее ярких страниц в их историю вписал Лев Александрович Зильбер[48] (1894–1966). Он стал заниматься проблемами рака в начале 40-х годов, находясь в заключении, в “шарашке”, и ставил эксперименты на мышах и крысах, которых другие заключенные ловили ему за махорку. Там же Зильбер сформулировал основные положения своей вирусной теории рака.

К счастью или нет[49], но эта теория оказалась не всеобъемлющей. Считается доказанным, что многие формы рака у птиц и животных вызываются вирусами. Но применительно к человеку выводы существенно осторожнее. Действительно, обнаружены онковирусы человека, что дало основание специалистам утверждать, что целую группу онкологических заболеваний следует считать в некоторой степени инфекционными. Например, вирус гепатита В может вызывать карциному печени, вирус папилломы человека может вызывать рак шейки матки, а вирус Эпстайна – Барр может вызвать лимфому Беркитта. Характерные оговорки “в некоторой степени” и “может вызывать” отражают как комплексную природу раковых заболеваний, так и неутихающие споры в научном сообществе.

Вторая история связана с присуждением Роусу Нобелевской премии по физиологии и медицине. Впервые его номинировали в 1926 году – нашлись достаточно известные и дальновидные, в обе стороны, люди, которые смогли оценить значение его давней единственной публикации. Номинации продолжали следовать с завидной регулярностью, но получил свою премию Роус лишь в 1966 году, через 55 лет после открытия, – долготерпение, достойное Книги рекордов Гиннесса. Этот рекорд смог повторить только Эрнст Руска (1902–1988), который в 1986 году получил Нобелевскую премию по физике за изобретение электронного микроскопа, сделанное им в 1931 году. Мне почему-то кажется, что первым поздравил Роуса с премией муж его дочери Алан Ходжкин, он не мог не испытывать определенной неловкости и неудобства из-за того, что у него-то Нобелевская премия есть, а у тестя – нет. Вот так счастливо завершилась эта история.

Если о вирусном происхождении рака ученые еще спорят, то в том, что многие болезни, от гриппа до СПИДа, вызываются вирусами, никаких сомнений нет. Возникает вопрос: как с этим бороться? На первый взгляд никак невозможно, ведь вирус сам по себе ничего не потребляет и не синтезирует, в нем не идет никаких жизненных процессов, на которые мы могли бы воздействовать. А как поется в известной песне: “Если вы не живете, то вам и не умирать”. Вирус сам по себе неуязвим для лекарств. Поэтому если уж вы “подцепили” где-то вирус, например, гриппа, то ложитесь в постель под одеяло, пейте горячий чай с лимоном и уповайте на свой организм – потому что природа в отличие от ученых и врачей умеет бороться с вирусами. Пока они гуляют на свободе, она их не трогает, ведь вирусы – это часть природы. Но как только вирус попадает в организм, немедленно активируются специальные механизмы противовирусной защиты, входящие в систему иммунитета. В первую очередь это так называемые антитела – специальные белки, вырабатываемые клетками иммунной системы.

Они гирями виснут на вирусах и подставляют их под удар лимфоцитов-киллеров[50].

Проблема заключается в том, что антитела, как и вирусы, да и почти все в природе, специфичны, то есть могут распознавать только строго определенный вид вирусов. Если их этому не научили заранее, то они не будут видеть “чужака” в упор. Организму нужно время, чтобы идентифицировать неизвестный вирус, разработать новый белок для защиты от него и произвести партию антител. То, что мы называем хорошим (сильным) иммунитетом, это сочетание быстрого распознавания инфекции и создания средств защиты с наработкой такого количества антител, которое достаточно для подавления болезни в зародыше.

Еще одна проблема состоит в том, что антитела, как спецподразделения ГРУ или ЦРУ, имеют право действовать только за границей клетки. Если вирус прорвался через клеточную мембрану, то в дело вступают внутренние войска – интерфероны. Это тоже специальные белки, которые выделяют уже сами клетки в ответ на вторжение вируса. Уничтожить вирус они неспособны, но могут подавить синтез вирусных белков или, в крайнем случае, сборку и выход вирусных частиц за пределы пораженной клетки. Кроме того, интерфероны сразу после вторжения вируса отправляются гонцами к соседним клеткам и предупреждают их об опасности, так что те встречают вирусы во всеоружии. Такая система “раннего оповещения” приводит к неожиданному эффекту, называемому по аналогии с оптикой интерференцией: если вирус попадает в организм, который незадолго до этого уже подвергся атаке другого вируса, то болезнь не развивается, первый вирус как бы препятствует размножению второго. Так что иногда легкая вирусная инфекция оказывается даже благом, потому что “защищает” нас от более серьезного заболевания.

Кстати, интерфероны были открыты именно при изучении этого странного явления. Впервые это сделали в 1954 году японские вирусологи Я. Нагано и Я. Коджима, изучавшие подавление размножения вируса оспы. Но научное сообщество не обратило внимания на их публикацию, по одной из версий потому, что статья была опубликована на непривычном, малораспространенном в науке языке – на французском. Так что приоритет достался сотрудникам Лондонского национального института вирусологии Алику Айзексу и Жану Линденману, опубликовавшим результаты своего независимого исследования в 1957 году. Они же предложили и название – интерферон.

У нашего организма есть еще один вариант защиты от вирусов. Некоторые повреждения, вызываемые размножением вируса в клетке, могут быть обнаружены специальными системами внутреннего клеточного контроля, которые запускают механизм так называемого апоптоза, или программируемой смерти. Понимая, что не может справиться с врагом, клетка совершает самоубийство, жертвуя собой для блага организма в целом и препятствуя таким образом дальнейшему распространению болезни.

Я не случайно использую военную терминологию. В организме при вторжении вируса происходит самая настоящая нановойна: вирусы атакуют ДНК, прорываясь через клеточную мембрану, этому препятствуют белки, все это, подчеркну лишний раз, классические нанообъекты.

Вирусы используют весь арсенал уловок и военных хитростей, известных нам из истории человеческой цивилизации. Они, как диверсанты, могут пробраться в глубокий тыл противника и там затаиться в ожидании времени “Ч”. Глубокий тыл – это ДНК клетки хозяина. Ожидание может занять месяцы, годы, даже много поколений. За это время гены вируса могут претерпеть мутацию и потерять свою патогенность. Они так и останутся в ДНК клетки хозяина, пойдут и в род, и в потомство ненужным балластом. Его доля в нашей ДНК составляет около 95 %, многие ученые полагают, что большая часть этого “мусора” – остатки вирусов, которые наши предки подцепили в ходе эволюции.

Гораздо неприятнее, когда затаившийся диверсант вдруг проявляет себя и приступает к активным действиям. Таков, например, вирус герпеса, который, к сожалению, сидит почти в каждом из нас – по различным оценкам, доля инфицированных вирусом герпеса составляет во всем мире от 65 до 90 %. Живешь не тужишь, но вдруг при небольшом переохлаждении или недостатке витаминов – “лихорадка” на губах или где похуже. Вывести эту заразу до конца не под силу ни Природе, ни врачам, удается только подавить ее внешние проявления в момент обострения.

Вирусы могут отсидеться на нейтральной территории. Такова тактика всех паразитов, помимо целевой аудитории они обычно имеют про запас еще одного хозяина, в организме которого они сохраняются и понемножку размножаются, не нанося ему заметного вреда. Например, вирус лошадиного энцефалита хоронится в птицах, а переносится комарами, для тех и других он безопасен. Возможно, и мы с вами служим носителями чьих-то “чужих” вирусов, но нам это хлопот не добавляет.

Природа вообще устроена очень рационально, каждому овощу – свой фрукт, каждому живому организму – свой вирус. Вирус птичьего гриппа поражает птиц, свиного – свиней. Но иногда в результате мутаций эти вирусы приобретают способность инфицировать и животных других видов, например человека. Конечно, любой взбрык природы неприятен, потому что не сулит ничего хорошего. И реагировать на него надо незамедлительно, в первую очередь ученым. Но без истерии, которую мы наблюдали на протяжении нескольких последних лет на примере “птичьего” и “свиного” гриппов. Ниоткуда не следует, что такой грипп будет опаснее человеческих штаммов. Это, собственно, и подтвердилось на практике: число заболевших гриппом, равно как и умерших от осложнений, вызванных вирусной инфекцией, в год разгула его “свиного” собрата было меньше, чем в предшествующие годы. А сотни миллионов доз вакцин, закупленных органами здравоохранения по всему миру у нескольких компаний-производителей, так и остались невостребованными. Полагаю, что вы с вашим жизненным опытом сами поймете, почему, зачем, кому и сколько, и впредь будете спокойнее относиться к “страшилкам”, несущимся с экрана телевизора.

Вклад в раздувание истерии внесли и ученые своими неопределенными заявлениями и многочисленными оговорками: “с одной стороны, нельзя не заменить, а с другой стороны, нельзя не отметить”. Но ведь ученые тоже люди и им нужны средства для проведения научных исследований, а угроза нашествия неизвестного ранее вируса – прекрасная возможность привлечь внимание власть имущих к проблемам науки. Да и то сказать: вакцину они, как и обещали, создали.

Таким кружным путем мы вернулись к вопросу о том, как бороться с вирусами. В сущности, большая часть из того, что мы сейчас имеем, не является лекарством в обыденном смысле этого слова – оно не убивает вирус напрямую. Вакцина – это учебное пособие для иммунной системы, на основе которого она отрабатывает навыки борьбы с потенциальным врагом. Интерфероны, наиболее эффективные при первых симптомах заболевания, играют роль кнута для организма, мобилизующего его на борьбу с захватчиком[51]. Многие другие широко рекламируемые средства содействуют в той или иной степени лишь “повышению иммунитета” или общего тонуса нашего организма, который борется с вирусами своими методами.

Создать вещество, разрушающее вирус, действительно очень сложно, ведь вирусы состоят из белков и нуклеиновых кислот, которые мало чем отличаются от наших собственных белков и ДНК, так что агент, убивающий вирус, будет, скорее всего, смертельно опасен и для клеток нашего организма. И тем не менее ученые научились использовать имеющиеся тонкие различия и, детально изучив все стадии “жизни” вируса, создали антивирусные препараты.

Первым был ацикловир, средство от герпеса, действующее начало зовиракса, который давно продается в аптеках. Сконструировала его Гертруда Белл Элайон, что дает мне приятный повод рассказать еще об одной ученой даме. Тем более приятный, что Элайон – наш человек, пусть и во втором поколении. Ее отец эмигрировал в США из Литвы, а мать – из России, из зоны оседлости.

Гертруда Элайон родилась в 1918 году в Нью-Йорке во вполне благополучной и обеспеченной семье: ее отец был дантистом, его приемная располагалась в большом помещении на Манхэттене, в котором также жила его семья. Через шесть лет после Гертруды родился ее брат, и вскоре семья перебралась в Бронкс, в то время – вполне респектабельный район. По воспоминаниям самой Гертруды, у нее было счастливое детство и она получила хорошее образование в школе и женском колледже Хантер. Она одинаково успевала по всем предметам, но выбрала занятия наукой, и в частности химией. На решение повлияло то, что дед Гертруды скончался от рака и она мечтала найти средство борьбы с этой болезнью.

К сожалению, она не смогла продолжить образование, потому что материальное положение семьи сильно пошатнулось после Великой депрессии. С работой поначалу тоже не заладилось, потому что в то время женщин в исследовательские институты брали неохотно даже на должности лаборантов. Но Гертруда была готова трудиться бесплатно, единственно ради приобретения опыта. На таких условиях ей удалось пристроиться в одну химическую лабораторию. Там она проработала полтора года, под конец ей даже платили зарплату – целых двадцать долларов в неделю.

В 1939 году ей удалось все же поступить в Университет Нью-Йорка. Гертруда была единственной девушкой на химическом факультете, но в то время это воспринималось как должное, не женское это дело – наука, тем более химия. Все необходимые курсы Гертруда прошла за год и приступила к выполнению дипломной работы. Проблема заключалась в том, что исследованиям она могла уделять только ночи и уик-энды, потому что в остальное время зарабатывала на жизнь, преподавая химию и физику в школе. Но все трудности были преодолены, и в 1941 году Гертруда получила магистерский диплом по химии.

Начавшаяся Вторая мировая война освободила много вакансий в промышленных лабораториях, на которые волей-неволей стали брать женщин. Элайон поработала в одном месте, во втором, пока ей не посчастливилось устроиться ассистентом к Джорджу Хитчингсу в исследовательский центр фармацевтической компании “Wellcome”. Это решило ее судьбу и в определенной мере определило пути развития медицины.Элайон занималась синтезом различных биологически активных соединений. Хитчингс быстро разглядел ее выдающийся талант и всячески способствовал расширению ее научного кругозора. Посещая по вечерам Бруклинский политехнический институт, Элайон освоила биохимию, фармакологию, иммунологию и вирусологию. Но, к слову сказать, диссертации она так и не защитила. По существовавшим правилам ей для этого необходимо было перевестись на очное отделение и оставить работу, а на это Элайон не могла пойти по многим причинам. Главной из которых была та, что она любила свою работу, а работа любила ее, вознаграждая результатом.Именно в те годы был создан ацикловир. Даже с высоты нашего сегодняшнего знания эта работа выглядит гениальной. Элайон под руководством Хитчингса синтезировала довольно простое соединение на основе пурина, которое внешнее чрезвычайно напоминает нуклеозид – строительный блок ДНК. Настолько напоминает, что эта “обманка” вводит в заблуждение даже ферменты, размножающие ДНК вируса в клетке. Они автоматически вставляют эту молекулу в растущую цепь ДНК, и на этом процесс обрывается. Вирус не может размножиться в клетке, он не может “собрать себя сам”, он превращается в груду обломков, которые ферменты клетки постепенно истирают в молекулярную пыль.

Красивая идея, не так ли? Проблема заключалась в том, что, когда исследователи начинали эту работу, они понятия не имели о механизме размножения вирусов, не знали структуру ДНК и даже то, что именно ДНК является носителем генетической информации. Они работали в полном смысле этого слова в потемках, в своих прикладных изысканиях опережая на несколько шагов фундаментальную науку. Это было сочетание гениальной интуиции с огромным трудом.

Помимо ацикловира, первого антивирусного препарата, Элайон разработала меркаптопуринол – первое лекарство от лейкемии, азатиоприн – первый иммуносупрессор, применяемый при трансплантации органов, антималярийный препарат пириметамин, алопуинол для лечения подагры и триметоприм для лечения менингита. Феноменальная научная продуктивность!

В 1988 году Элайон и Хитчингс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Это было справедливо во всех отношениях. Причем все знали, что Элайон не была всего лишь тенью своего шефа; общепризнано, что именно она внесла решающий вклад в создание перечисленных выше лекарств. С 1967 по 1983 год Элайон возглавляла отдел экспериментальной терапии, который представлял собой, по сути, небольшой институт с подразделениями, занимающимися исследованиями в области химии, энзимологии, фармакологии и вирусологии. Успех Элайон зиждился именно на таком комплексном подходе к изучаемым проблемам и на ее собственной высочайшей компетенции во всех перечисленных областях знания.

В краткой автобиографии Гертруда Элайон писала: “По прошествии лет моя работа стала для меня и профессией, и хобби. Я так наслаждалась ею, что не видела нужды отвлекаться от нее для отдыха. Разве что для посещения оперы, балета, концертов и театральных постановок”. А в последние годы Элайон много путешествовала по миру, удовлетворяя свою неуемную любознательность и давнюю страсть к фотографии. Замуж она так и не вышла и жила одной семьей со своим братом, его четырьмя детьми и внуками. Скончалась она в 1999 году, пережив на год Хитчингса.

С открытия ацикловира прошло уже несколько десятилетий, но, к сожалению, успехи науки в деле борьбы с болезнетворными вирусами не столь впечатляющи, как нам всем хотелось бы. Нет, научных публикаций по антивирусным препаратам пруд пруди, уже и к ВИЧ, самому заковыристому из вирусов, подобрались, вот только до аптек, то есть до нас с вами, практически ничего не доходит. Несмотря на то что исследователи невероятно продвинулись в понимании механизма инфицирования и размножения вирусов, создание эффективного антивирусного средства, как, впрочем, и других лекарств, по-прежнему является делом случая и удачи.

Это иллюстрирует пример из практики замечательного российского ученого Марии Николаевны Преображенской, работающей ныне в московском Институте по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе. В конце 1980-х годов в ее лаборатории были синтезированы антибиотики нового поколения, проявляющие высокую цитостатическую (противоопухолевую) активность. Глядя на их строение, которое своей сложностью потрясает даже специалистов, никто и подумать не мог, что они способны проявить антивирусную активность. Проводить же биологические испытания без надежды на успех, как говорится “до кучи”, никто не любит, потому что это отнимает много времени, сил и денег. Так что эти препараты протестировали в значительной мере случайно и неожиданно обнаружили, что один из них, бывший по всем прочим параметрам ничем не лучше и не хуже других, подавляет распространение вируса гриппа. Впоследствии оказалось, что новый препарат останавливает вторжение вируса на самой первой стадии, препятствуя его проникновению в клетку.

Это открытие положило начало новому направлению в вирусологии, которым сейчас активно занимаются во многих лабораториях по всему миру. Впрочем, все пока ограничивается научными публикациями и международным патентом, который М.Н. Преображенская получила еще в 1995 году вместе с ведущим бельгийским вирусологом Эриком де Клерком[52]. Зарубежные фармацевтические компании по каким-то своим соображениям медлят с приобретением лицензии на патент – необходимой стадии для проведения полномасштабных клинических испытаний. А в нашей стране это вообще никого не интересует, ведь вся инфраструктура фармацевтических исследований и производства была до основания разрушена в 90-е годы.

Но не будем о грустном, о разрухе и болезнях. Вирусы предоставляют нам множество позитивной информации, ведь они только в одной из своих ипостасей – яд, зато в других оказываются чрезвычайно полезными. Об их положительной роли в природе я уже писал выше, теперь рассмотрим, как их используют для своих нужд ученые.

В первую очередь вирусы для ученых – это одновременно модель и инструмент научных исследований. Расскажу лишь одну историю. Из главы, посвященной ДНК, мы помним, что первое убедительное доказательство того, что именно ДНК служит хранилищем генетической информации, было получено в 1944 году в экспериментах по трансформации бактерий. Пришло время сказать правду: это доказательство убедило далеко не всех, вплоть до 1952 года многие специалисты продолжали считать, что наследственная информация передается белками. Переубедил их эксперимент с вирусами, ставший классикой биологии. Его выполнили американский генетик Альфред Херши (1908–1997), будущий лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1969 г.) и его молодая ассистентка Марта Чейз (1927–2003)[53].

Эксперимент чрезвычайно изящен. Исследователи получили бактериофаги, белковые оболочки которых были помечены радиоактивным изотопом серы, а содержащаяся в них ДНК – радиоактивным изотопом фосфора. С помощью этих меток удалось доказать, что при атаке бактериофага внутрь бактерии попадает только ДНК, а белковый контейнер остается снаружи. Именно ДНК запускает внутри бактерий синтез всех компонентов будущих частиц вируса, включая синтез белков.

Помимо этого, ученые приспособили вирусы для решения практических задач, прежде всего в генной инженерии. Опять же из главы, посвященной ДНК, мы помним, что генная инженерия родилась в 1972 году, когда Пол Берг собрал первую рекомбинантную ДНК, содержащую фрагменты ДНК вируса SV40 и бактерии E.coli. Вирусы в этом случае использовались исключительно как удобная модель. Несколькими годами позже Бойер синтезировал рекомбинантную ДНК с геном человека, ответственным за синтез инсулина, и внедрил его в бактерию. Это была уже технология. Но для внедрения гена в бактерию вирус не требуется, это можно сделать гораздо проще. Другое дело – клетки высших организмов, тут не обойтись без вирусов с их всепроникающей способностью и умением внедрять свой геном в ДНК клетки-хозяина, отточенными до совершенства за миллиарды лет эволюции.

Поразительно, но первое исследование в этой области было выполнено практически одновременно с описанной выше работой. Эта история началась в 1973 году, когда тридцатилетний немецкий биолог Рудольф Яниш приехал на стажировку в Принстонский университет (США). Его интересовал вопрос, который не давал покоя ученым на протяжении уже нескольких десятилетий: почему при заражении взрослых мышей различными вирусами развиваются только определенные формы рака? Для проверки некоторых своих предположений Яниш решил заразить вирусом SV40[54] эмбрионы мышей на самой ранней стадии развития и посмотреть, что из этого выйдет и будут ли у выросших особей появляться опухоли. Поэтому он обратился за помощью и руководством к Беатрис Минц, признанному специалисту в области мышиных эмбрионов. После года экспериментов им удалось доказать, что ДНК вируса внедряется в геном эмбриона и передается по наследству. Сам факт внедрения ДНК вируса в геном млекопитающего был открытием. Но я хочу подчеркнуть другое: в сущности, Минц и Яниш получили первое генетически модифицированное животное. Случилось это почти одновременно с получением первой генетически модифицированной бактерии и намного раньше получения первого генетически модифицированного растения.

То, что Яниш внедрил в организм млекопитающего потенциальный онкоген, не имеет никакого значения. Тут дело принципа. Лиха беда начало.

Ученые научились вырезать из ДНК вирусов все вредные гены и вставлять на их место полезные, например здоровые человеческие гены, и с помощью вирусов переносить их в клетки нашего организма. Это, как вы уже догадались, путь к генной терапии. Но об этом – в главе, посвященной адресной доставке лекарств, – “Волшебная Пуля”.

И, наконец, ученые научились создавать вирусы, как говорится, с нуля, из обычных химических веществ[55]. Работы в этой области начались более десяти лет назад, когда техника автоматизированного синтеза олигонуклеотидов и их копирования достигла такого уровня, что появилась возможность собрать “молекулу жизни” – ДНК, из элементарных строительных блоков. Выбор, естественно, пал на вирусы с их самым коротким геномом, расшифрованным к тому же от первой до последней “буквы”. Тон исследованиям задавал Институт Вентера. Его сотрудники синтезировали геном бактериофага ФХ-174 длиной в пять тысяч пар нуклеотидов и ввели его в клетку бактерии. Однако фаг “отказывался” там работать и не запускал сборку новых вирусных частиц.

Результат был обескураживающим. Но, с другой стороны, откуда вообще следует, что синтетическая ДНК будет вести себя точно так же, как природная? Возможно, для ее правильной работы недостаточно точной последовательности нуклеотидов? Ведь у белков, например, последовательность аминокислот задает лишь первичную структуру белка, который становится собственно белком лишь на более высоких стадиях самоорганизации. Впору было вспомнить о “жизненной силе”, без которой, по уверению теологов и даже некоторых “исследователей”, функционирование живых систем невозможно.

Похожая ситуация существовала в химии два века назад. Тогда господствовало убеждение, что органические вещества – продукт жизнедеятельности живых организмов, химики могут заниматься лишь превращениями органических веществ, но синтезировать их из неорганических веществ невозможно. Лишь в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер (1800–1882) синтезировал органическое вещество мочевину из неорганических сульфата аммония и цианата калия, нанеся первый удар по теории витализма.

Результатам группы Крейга Вентера удалось найти рациональное объяснение: просто в синтез вкралась небольшая ошибка, несколько неправильно поставленных нуклеотидов. После исправления ошибок синтетический геном заработал как надо! Но на этом повороте Вентера обошел Экарт Уиммер из Университета Стони Брук, штат Нью-Йорк. В 2002 году он опубликовал работу по синтезу вируса полиомиелита из органических реактивов. Синтетические вирусные частицы оказались совершенно неотличимы от естественных по всем параметрам – размеру, поведению, заразности. Эта работа принесла Уиммеру приоритет в создании синтетических вирусов и, полагаю, чувство глубокого морального удовлетворения: обставить Крейга Вентера, великого и ужасного, дорогого стоит.

Замечу, что непосредственно синтез молекулы ДНК, состоящей из 7741 пары нуклеотидов, занял у группы Уиммера три года. В настоящее время скорость машинной сборки ДНК увеличилась в десятки раз, что дало возможность получить множество синтетических вирусов.Процесс их получения отражает квинтэссенцию нанотехнологий – технологий будущего. Мы синтезируем некий шаблон (молекулу ДНК, можно в единственном экземпляре), затем размножаем его (в случае вирусов роль копировального аппарата играют бактерии), при необходимости используем его как матрицу для получения других частиц (в случае вирусов – белков), а затем создаем условия, при которых полученные частицы самоорганизуются – формируют требуемый нам материал или целое устройство.Это глава по объему уступает только предыдущей главе о ДНК. Ничего удивительного, ведь вирусы касаются всех и каждого. Кроме того, по своему размеру и численности они занимают центральное место в природе. Они все без исключения представляют собой сложно организованные объекты наноразмеров, составленные из молекул ДНК и белков, имеющих в свою очередь наноразмеры. Все данные о строении и функционировании вирусов, полученные учеными с момента их открытия Д.И. Ивановским в 1892 году, являются неотъемлемой частью нанонауки и одновременно фундаментом для прогресса нанотехнологий.

Глава 10 “Волшебная пуля”

Это словосочетание сейчас употребляют столь часто, что вы, конечно, сразу догадались, о чем пойдет речь: не о военных применениях нанотехнологий, а, на оборот, о делах сугубо мирных и гуманных, о медицине, об адресной доставке или, другими словами, направленном транспорте лекарств[56]. Наверняка знакомо вам и имя человека, придумавшего концепцию “волшебной пули”, – Пауль Эрлих.

Согласно легенде, случилось это так. Эрлих слушал оперу Карла Марии фон Вебера “Вольный стрелок”. Сюжет там завязан вокруг волшебных пуль, которые всегда попадают в цель и добыть которые можно, только продав душу дьяволу. Вот тогда-то Эрлиху и пришла в голову мысль о лекарстве, которое способно самостоятельно найти источник болезни или очаг заболевания и поразить их, не затрагивая здоровые органы и ткани организма. Озарение – почти непременный атрибут открытия, в этой книге много примеров такого рода, которые я не подвергаю со мнению. Но в данном случае дело, как мне кажется, обстояло по-другому. Благодаря опере Вебера Эрлих нашел образное название, действительно удачное и запоминающееся, для концепции, которую он разрабатывал на протяжении многих лет, в сущности всю жизнь.

Родился Пауль Эрлих в 1854 году в еврейской семье на востоке Германии, в Силезии, в маленьком городке Штрелен, который многие биографы за незнанием правил немецкого произношения называют Стрехленом, а поляки после присоединения этих земель в 1945 году и вовсе переименовали в Стшелин. Отец его был далек от науки – он содержал большой трактир, зато другие члены семьи увлекались всяческими исследованиями. Наибольшее влияние на юного Пауля оказал его двоюродный брат Карл Вейгерт (1845–1904), микробиолог, один из пионеров применения синтетических анилиновых красителей для избирательного окрашивания определенных элементов живых тканей и приготовления биологических препаратов для микроскопических исследований. Он-то и приохотил мальчика к такой раскраске; этому увлечению Эрлих оставался верен всю свою жизнь, и оно же как научный метод позволило ему сделать добрую половину его выдающихся открытий. Обратной стороной медали стало то, что Пауль был с детства погружен в микромир, окружающая природа с населяющими ее макрообъектами, включая людей, интересовала его в гораздо меньшей степени.

Тогда же сложился и стиль его мышления – конкретный, естественно-научный, химико-биологический. Как-то раз учитель словесности в гимназии задал ученикам сочинение на тему “Жизнь как мечта”, ожидая, вероятно, увидеть сплав немецкой чувствительности с немецкой же классической философией. Вот что написал Эрлих: “Основа жизни заключается в нормальных процессах окисления. Мечты являются результатом функционирования нашего мозга, а функции мозга есть не что иное, как то же самое окисление. Мечты – это нечто вроде фосфоресценции мозга”.

Казалось бы, с такими мыслями ему было самое место на медицинском факультете Страсбургского университета, куда Эрлих поступил после окончания гимназии. Тем не менее по отзывам преподавателей он был “отвратительнейшим из студентов”, с ними солидаризировались коллеги из Университетов Бреслау, Фрейбурга и Лейпцига, где Эрлих учился в порядке очередности. Преподаватели хотели приобщить его к медицине в том виде, как они сами ее понимали, Эрлиха же тянуло в сторону химии и микробиологии, его воодушевляли идеи Луи Пастера и Роберта Коха, и он упорно отказывался зазубривать десять с половиной тысяч длинных латинских терминов, знание которых считалось обязательным для каждого выпускника медицинского факультета. Диплом врача он все-таки получил, и случилось это в Лейпциге, в 1878 году.

Тогда же Эрлих устроился работать врачом, а затем заведующим отделением в известной берлинской университетской клинике Шарите. Проработал он там формально – в прямом и переносном смысле – девять лет. Дело в том, что к своим обязанностям врача и к самим больным Эрлих относился добросовестно, иначе и быть не могло, но формально. Лечить людей – не его призвание, он был исследователем, в клинике в любую свободную минуту Эрлих занимался тем же, чем и в университете, – неустанно совершенствовал технику окраски биологических препаратов.

Это далеко не забава. Помните, как была открыта ДНК? Мишер увидел ее в микроскоп в ядре клетки, а вот хромосому, в которой находится ДНК, не разглядел. Произошло это, только когда ученые научились окрашивать хромосомы. Они использовали для этого различные синтетические красители, открытые, к слову сказать, тоже незадолго до этого. Было обнаружено, что разные клетки и даже разные части клеток – внутриклеточные органеллы – одними красителями окрашиваются, а другими нет. Поныне бактерии делят на грам-положительные и грам-отрицательные в зависимости от того, удается ли их окрасить по методике, которую придумал в 1884 году датский бактериолог Ганс Грам.

Ассортимент красителей непрерывно расширялся, предоставляя исследователям, и в частности Эрлиху, обширное поле деятельности. Необходимо было выяснять, в каких тканях, клетках или частях клетки концентрируется новый краситель. Это иногда приводило к открытию новых клеточных структур, которых раньше просто не видели. В сущности, именно так Эрлих впервые обнаружил гематоэнцефалический барьер между кровеносной и центральной нервной системами, который защищает наш мозг от циркулирующих в крови микроорганизмов, токсинов и факторов иммунной системы, воспринимающих ткань мозга как чужеродную[57]. Еще он обнаружил лейкоциты – белые кровяные клетки, потом научился различать разные виды лейкоцитов, в конце концов это позволило Эрлиху сформулировать теорию кроветворения в наших организмах.

А однажды Эрлих взял свою любимую краску – метиленовую синь – и ввел ее в ушную вену кролика. Кровь разнесла краску по всему телу животного, но окрасились в голубой цвет при этом только чувствительные нервные окончания и больше ничего! Удивлению Эрлиха не было предела, но мысль его тут же устремилась дальше. Ведь краситель, связываясь с нервными окончаниями, не может не оказывать на них какого-то действия, он вполне может подавлять болезненные ощущения. Увлеченный идеей, Эрлих стал вводить краситель своим страдающим пациентам. Единственный доподлинно известный результат этих экспериментов – это то, что их быстро прекратили. Но идея, идея “волшебной пули”, осталась!

То, что Эрлих постоянно возился с красителями, с химическими соединениями, все больше укрепляло его в мысли о важнейшей роли этих соединений как в функционировании организма, так и в лечении заболеваний. В сущности, именно Эрлих вернул химию в медицину, и не случайно его называют отцом химиотерапии. В то время в медицине главенствовали микробиологи, исследователи концентрировались на микроорганизмах – источниках разнообразных заболеваний и одновременно средствах борьбы с ними. Благодаря усилиям в первую очередь Пастера и Коха в этой области были достигнуты феноменальные результаты, которые еще недавно казались фантастикой. Тогда же наш великий соотечественник Илья Ильич Мечников (1845–1916), многие годы проработавший в Париже, приступил к исследованию клеток, ответственных за иммунитет, – тех самых лейкоцитов. Так что Эрлих, утверждая, что иммунитет обусловлен действием химических соединений, пошел против мейнстрима тогдашней науки.

Эта его теория “боковых цепей” была впервые изложена в докторской диссертации с названием “Потребность организма в кислороде”, которую Эрлих защитил в 1885 году. Его построения были чисто умозрительными. Он предположил, что на поверхности живых клеток есть некие короткие “цепочки”, похожие на функциональные группы в молекулах красителей, которые способны специфически связываться с определенным токсином (впоследствии, используя метафору Эмиля Фишера, Эрлих говорил, что они подходят друг к друг как ключ к замку). При этом на поверхности клетки вырастают дополнительные “цепочки”, которые отрываются, превращаясь в антитела, циркулируют по всему организму и связывают токсин. Все это было очень расплывчато. Немудрено, что бо́льшая часть научного сообщества теорию не приняла. Самое поразительное, что Эрлих многое угадал верно. “Цепочки” превратились в рецепторы на поверхности мембраны клетки – короткие олигосахаридные цепи разнообразной формы, а антитела действительно оказались молекулами – молекулами белков, иммуноглобулинов.

Помимо этого Эрлих экспериментировал и с открытой Кохом в 1882 году туберкулезной палочкой. В результате заразился сам. Пришлось ему на два года уехать в Египет. В сухом климате туберкулезный процесс вроде бы остановился, но зато по явился диабет. По возвращении из Египта оказалось, что его место в клинике занято. Эрлих организовал небольшую частную лабораторию, в которой продолжил свои исследования крови и иммунитета против растительных ядов. Через три года Роберт Кох предложил ему возглавить лабораторию в созданном им Институте инфекционных болезней.

В те годы там работал Эмиль фон Беринг (1854–1917), который получил первое экспериментальное подтверждение теории иммунитета Эрлиха. Беринг обнаружил, что в крови переболевших дифтерией образуются “антитоксины”, которые обеспечивают иммунитет к этой болезни как самим переболевшим, так и тем, кому такая кровь будет перелита. Однако сыворотка, созданная Берингом, оказалась малоэффективной. И тут к исследованиям подключился Эрлих. Он разработал метод получения высококонцентрированной и очищенной противодифтерийной сыворотки и определил правильную дозировку. В 1894 году с помощью усовершенствованной сыворотки были спасены 220 больных детей, и уже через несколько лет смертность от этой страшной болезни резко пошла на убыль. Берингу удалось каким-то образом отодвинуть Эрлиха в сторону, и лавры спасителя человечества достались ему одному: в 1901 году Беринг стал первым лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине именно за создание антидифтерийной сыворотки.

Впрочем, к этому времени они уже давно не работали вместе. В 1896 году Эрлих стал директором своей собственной лаборатории, носившей весьма звучное название – Прусский королевский институт разработки и контроля сывороток. Располагался институт в Штеглице под Берлином и состоял всего из двух комнат, в одной из которых раньше размещалась пекарня, а в другой – конюшня. В этой лаборатории Эрлих выполнил одну внешне неброскую, но чрезвычайно важную работу. “Причина всех наших неудач заключается в недостаточной точности работы, – говорил он, вспоминая как собственный опыт работы с Берингом над антидифтерийной сывороткой, так и многочисленные провалы пастеровских вакцин, – обязательно должны быть какие-то математические законы, управляющие действием ядов, вакцин и сывороток”. Установлению этих законов, а также стандартизации всех указанных веществ Эрлих посвятил три года жизни. Разработанная им система международных единиц действует по сию пору[58].

В 1899 году Эрлих перебрался во Франкфурт-на-Майне, где богатая еврейская диаспора выделила щедрое финансирование для созданного им Королевского института экспериментальной терапии. Там Эрлих первым бросил вызов еще одной страшной болезни – раку. Он получил много важных сведений о развитии злокачественных опухолей, но разрабатываемые им методы химиотерапии не привели к положительным результатам. Как мы теперь понимаем, только для того, чтобы приблизиться к решению этой проблемы, нужно было не несколько лет, а несколько десятилетий работы, и не одного института, а всего научного сообщества.

В 1908 году Эрлиху на пару с И.И. Мечниковым присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за создание теории иммунитета. Это было поистине соломоново решение. Их теории противопоставляли, считали взаимоисключающими, ученых пытались столкнуть лбами, но они сохраняли вполне доброжелательные отношения. Они прекрасно дополняли друг друга, как и их теории. Эрлих с Мечниковым смотрели на одну и ту же проблему с разных сторон, и оба в результате оказались правы.

Незадолго до этого произошло еще одно знаменательное событие. Франциска Шпейер, вдова крупного банкира, решила увековечить память мужа самым достойным образом – она пожертвовала крупную сумму на строительство научно-исследовательского института “Дома Георга Шпейера”, на покупку оборудования, создание вивария и приглашение высококвалифицированных химиков, способных синтезировать любое химическое соединение, какое только придет в голову директору института – доктору Эрлиху.

Мне неоднократно попадались высказывания, что концепция “волшебной пули” была мечтой Эрлиха, которую он завещал последующим поколениям ученых, и только сейчас мы с помощью методов нанотехнологий сумеем воплотить ее в жизнь. На самом деле это не так, и все врачи прекрасно знают об этом. Едва созрели условия, в первую очередь финансовые, Эрлих бросил все наличные силы на поиски “волшебной пули”. И он нашел ее! В 1909 году Эрлих сделал самое важное, по мнению многих, свое открытие – он создал знаменитый “препарат 606” – сальварсан, лекарство от сифилиса. О деталях этого открытия я расскажу чуть позже, пока же о событиях, что последовали за ним.

Препарат поступил на рынок уже в 1910 году. Его синтезировали непосредственно в институте, за первый год было реализовано шестьдесят тысяч доз. Интерес к нему был огромный, ведь единственным средством лечения этой чрезвычайно распространенной болезни был прием ртути и ртутных препаратов внутрь и наружно; помогало не всегда, не всем и только на ранних стадиях развития болезни. О побочных действиях ртути никто не заикался, потому что куда уж хуже.

На этом фоне сальварсан обладал поистине волшебным действием, были зафиксированы случаи излечения на последних стадиях болезни при единичном приеме лекарства. Счет исцеленных шел на тысячи. Но при этом сообщалось также о негативных проявлениях – судорогах, параличе ног, даже смерти людей непосредственно после инъекции сальварсана. Причины этого оставались неясными. Возможно, дело было в том, что клинических испытаний в современном понимании тогда просто не было, испытания, в сущности, проводились лечащим врачом при применении средства, при отсутствии подробных рекомендаций и недостатке квалификации могли действительно случаться проколы. Сообщений этих было не так много (может быть, несколько десятков), тем не менее они послужили основанием для дискредитации препарата в печати и травли его создателя.

Не обошлось без антисемитских выпадов, некоторые специалисты, воспользовавшись случаем, обрушились с критикой на теоретические воззрения Эрлиха и утопическую концепцию “волшебной пули”. А в одной из франкфуртских газет вышла статья ее главного редактора с обвинениями Эрлиха и сотрудников института в шарлатанстве, принудительном лечении проституток и опытах на людях. Дело дошло до суда, и после пятнадцатичасового разбирательства было вынесено решение о невиновности Эрлиха по всем пунктам, а редактора газеты присудили к году тюрьмы за клеветническую публикацию “с целью сенсации и рекламы своего издания”. Впрочем, толку от этих репрессий никакого, вот и травля Эрлиха продолжилась. Откликаясь на протесты общественности, рейхстаг в марте 1914 года провел слушания по “делу сальварсана”. Было принято решение о необходимости дальнейшего изучения препарата, а врачей призвали к осторожности в его применении.

Лишь в 1922 году научное общество дерматовенерологов Германии единодушно подтвердило “ценность препарата как наиболее эффективного в борьбе с таким народным бедствием, каким является сифилис”. Сальварсан применялся еще три десятилетия, пока ему на смену не пришел пенициллин.

Вся эта история, несомненно, повлияла на здоровье Эрлиха, и так не очень крепкое. В 1914 году у него случился микроинсульт, от которого он довольно быстро оправился и продолжил работу. В августе 1915 года он поехал на курорт Бад-Хомбург, где скоропостижно скончался от повторного инсульта.Люди запомнили его немного рассеянным, как и подобает настоящему ученому, погруженным в свои эксперименты, размышления и чтение научных журналов на нескольких языках. В то же время он был человеком веселым и открытым, мог выпить кружку пива со своим давним лабораторным служителем и десяток-другой кружек с немецкими и зарубежными коллегами. Излагая им свои идеи, рисовал формулы на всем, что подвернется под руку, – столе, стене, салфетках, манжетах, как своих, так и собеседника. Много курил, в конце жизни – до двадцати пяти сигар в день, самых лучших, что пробивало большую брешь в семейном бюджете. В свободное время играл в карты, читал детективы, особенно уважал Артура Конан Дойла, с которым состоял в переписке. При этом мог спутать Шиллера с Шекспиром и вообще не любил серьезное искусство. Вот и в опере, куда его выводила жена, размышлял, как мы помним, о науке.Пришло время рассказать об открытии сальварсана. Самое забавное в этой истории то, что Эрлих отнюдь не собирался создавать лекарство от сифилиса, он решал сугубо научную задачу: он пытался доказать и себе, и коллегам, что “волшебная пуля” может быть создана, что это не его фантазия, как полагали все окружающие. Для этого Эрлиху нужна была модель, все равно какая, лишь бы удобная с точки зрения постановки опытов. Он выбрал открытые незадолго до этого трипанозомы – одноклеточных паразитов, вызывавших заболевания половых органов у лошадей. Их было удобно наблюдать в микроскоп, а главное, при введении мышам они вызывали заболевание, неизбежно заканчивающееся смертью.

За три года Эрлих исследовал действие на трипанозомы почти всех имевшихся в его распоряжении красителей, числом более пятисот, – он верил в лекарственную силу красителей. Но даже те из них, что концентрировались в трипанозомах, не убивали их. В 1906 году Эрлих, просматривая научные журналы, наткнулся на сообщение о новом лекарстве от сонной болезни под названием атоксил, представлявшем собой довольно простое органическое производное мышьяка. Атоксил излечивал большую часть лабораторных мышей, зараженных сонной болезнью, но вот люди – испытания проводились в Африке – от него только слепли и потом все равно умирали.

И тем не менее атоксил заинтересовал Эрлиха. В нем присутствовало очевидное действующее начало – ядовитый мышьяк. В то же время химическая структура атоксила позволяла получить его многочисленные модификации. Химикам прекрасно знакома такая ситуация, когда “ядро” молекулы остается неизменным, а изменяется лишь периферия молекулы, находящиеся там группы, которые потому и называются заместителями, что их можно заместить. Именно так химики добиваются изменения цвета красителей. Опять же по аналогии с красителями Эрлих предположил, что можно создать такую комбинацию заместителей, при которой препарат будет концентрироваться исключительно в трипанозомах, не затрагивая клетки организма. Атоксил был очень перспективной моделью . Эрлих нарисовал первые возможные химические структуры, синтетики встали к своим колбам, работа закипела.

Большую помощь в работе оказал японский стажер Сахатиро Хата. Он с самурайской невозмутимостью рубил хвосты мышам, вводил им возбудителя болезни, а по прошествии времени – очередной препарат, который мог принести им излечение. Особенностью медицинских исследований является то, что эксперименты всегда выполняют не с одним животным, а с группой (чем группа больше, тем лучше), чтобы нивелировать индивидуальные различия между организмами. Тут очень важно, чтобы все операции проводились абсолютно одинаково, строго по прописи, в этом деле если кто и может конкурировать с немцами, то только японцы.

Еще три года непрерывных экспериментов. Одни препараты быстро уничтожали трипанозомы, но при этом наносили вред самим мышам; другие уничтожали трипанозомы слишком медленно, и те успевали выработать иммунитет; третьи были вовсе неэффективны. В точку попали с шестьсот шестым синтезированным препаратом. Его единичное вливание в кровь мышонка полностью очищало организм от трипанозом, при этом сам препарат был абсолютно безвреден. Этот “препарат 606” и получил впоследствии название сальварсан – “спасающий мышьяк”. Для Эрлиха он стал воплощением мечты, это была его “волшебная пуля”.

Только после завершения этой части исследований на сцене появился призрак сифилиса. Тут Эрлиху в который раз помогли его эрудиция и постоянный мониторинг научной литературы. В 1906 году немецкие микробиологи Фриц Шаудин и Эрих Гофман сообщили об открытии спиралевидного микроба, который они назвали бледной спирохетой. Шаудин и Гофман доказали, что она служит возбудителем сифилиса, и в заключение статьи высказали предположение, что новый микроб родственен трипанозомам и при определенных обстоятельствах может даже превращаться в них. Предположение было неверным, но оно натолкнуло Эрлиха на счастливую мысль – испытать действие “препарата 606” на возбудителя сифилиса.

Соответственно величию задачи и подопытные животные были выбраны покрупнее, в институт потянулись подводы с кроликами и петухами. Вскоре все они превратились в безнадежных сифилитиков: петухи сникли, на нежной коже кроликов выступили безобразные язвы. И тут им начали вводить сальварсан. Анализы показывали, что после этого бледные спирохеты в крови животных полностью пропадали, да и внешне они преобразились. Петухи бодро разгуливали по вольеру, высматривая кур, а язвы на коже кроликов затягивались на глазах. И, еще прежде чем язва у первого счастливца успела зарубцеваться, Эрлих передал “препарат 606” знакомым врачам для испытаний на людях.

Но исследователи на этом не остановились. Еще через три года был создан “препарат 914”, получивший название неосальварсан, более эффективный и безопасный; собственно, он преимущественно и использовался в дальнейшем. На все про все ушло десять лет.

О том, что было потом, вы уже знаете. Но это история препарата и история его создателя, а есть еще история идеи. Идея, конечно, не была забыта, найти свою “волшебную пулю” мечтал каждый исследователь, но вечно не хватало ресурсов, знаний, времени, возникали новые задачи борьбы с различными заболеваниями, ради спасения жизни пациентов врачи закрывали глаза на отрицательные побочные действия создаваемых лекарств.

В этом смысле показательна история пенициллиновых антибиотиков. Их открытие – несомненно, одно из самых замечательных достижений медицины XX века, невозможно даже приблизительно подсчитать, сколько миллионов жизней они спасли. Но все мы на собственном опыте знаем отрицательные последствия их применения: они уничтожают не только болезнетворные бактерии, но и микрофлору кишечника, без которой невозможно пищеварение. Приходится восстанавливать, долго и мучительно. Кроме того, возбудители заболеваний быстро адаптируются к антибиотикам и те перестают действовать. Исследователи вынуждены создавать новые антибиотики, еще более мощные, а бактерии отвечают созданием новых штаммов, еще более изощренных. Эта гонка вооружений продолжается вот уже полвека, одним из ее результатов стал резкий рост смертности от внутрибольничных инфекций – наш собственный иммунитет уже не способен справиться с новыми напастями.

Еще один круг проблем связан с тем, что список “врагов человеческих” со времен Эрлиха сильно расширился. Тогда врачи боролись с внешними инфекциями и болезнетворными микробами, потом появились вирусы, уничтожить которые, как мы помним, практически невозможно, затем выяснилось, что причина многих заболеваний гнездится в самом человеке, в ядре клеток его организма, где располагается ДНК с дефектными генами. Добраться до источника заболевания становилось все труднее, врачи шли по пути уничтожения больных или зараженных клеток, доставалось, естественно, и здоровым. Прием первых антираковых препаратов на основе платины приводил к быстрому разрушению печени (и тем не менее их использовали, потому что альтернативой была смерть пациента), да и сейчас химиотерапия сопровождается выпадением волос и другими малоприятными последствиями.

Между тем жизнь менялась. Развивались наука и техника, возрастали требования общества, военные перешли от ковровых бомбардировок к тактике точечных ударов, аналогичные изменения идеологии произошли и в медицине. Идею “волшебной пули” возродили на новом уровне, заговорили об адресной доставке лекарств в пораженные болезнью клетки организма.

Вал работ в этой области накатил только в последнее время, и отнюдь не случайно он совпал с бумом нанотехнологий. Дело в том, что “волшебная пуля” должна иметь наноразмеры, чтобы беспрепятственно “пролетать” по мельчайшим капиллярам кровеносной системы. Кроме того, она должна иметь довольно сложное устройство и состоять из нескольких фрагментов, каждый из которых обеспечивает выполнение определенной задачи. Методы конструирования таких структур были разработаны лишь в последнее время и являются по сути нанотехнологиями.

Для выполнения своей миссии “волшебная пуля” должна преодолеть различные барьеры (стенки желудочно-кишечного тракта, стенки капилляров, гематоэнцефалический барьер между кровью и клетками мозга, мембраны клеток и мембраны клеточных органелл), доставить лекарственное средство в клетку, выгрузить его там, а потом самоуничтожиться, распавшись на нетоксичные компоненты, и покинуть клетку и организм. Это в идеале. Реальная система должна содержать как минимум следующие компоненты: во-первых, наноразмерный контейнер для собственно лекарственного средства; во-вторых, оболочку, предотвращающую слипание наночастиц между собой, обеспечивающую их защиту от воздействия окружающей среды, а также биосовместимость – когда клетки иммунной системы организма не воспринимают эти объекты как чужака; в-третьих, систему распознавания, “молекулярный адрес”.

Вариантов здесь множество. В качестве контейнера используют липосомы – полые пузырьки, образованные молекулами фосфолипидов, мицеллы – полые сферы из диоксида кремния или органического полимера и т. п., внутрь которых упрятывают антибиотик. С другой стороны, это могут быть сплошные наночастицы, например, золота, алмаза, графита, или недавно открытые соединения углерода – фуллерены и углеродные нанотрубки, о которых речь пойдет впереди. Лекарственное средство сорбируют на их поверхности или химически прививают к ней. Еще один вариант – когда лекарственное средство само представляет собой наночастицу, например, магнитного оксида железа или того же золота для гипертермии раковых опухолей.

Оболочка может состоять из слоя диоксида кремния, молекул ПАВ, органических гидрофильных полимеров или белков, а в общем случае – из нескольких этих компонентов, образующих полислойную структуру.

В качестве “молекулярного адреса” могут быть использованы закрепленные на внешней поверхности оболочки белки иммунной системы – иммуноглобулины, или короткие олигонуклеотидные последовательности – аптамеры, или другие лиганды, способные идентифицировать специфические рецепторы на мембране больной клетки.

В настоящее время в лабораториях ученых создано множество таких систем, включающих различные комбинации из перечисленных выше элементов. Их описанием можно заполнить (и заполняют) не одну толстую научную монографию. Сейчас новостные ленты едва ли не ежедневно сообщают о создании нового лекарства от того или иного заболевания, но что-то мы не видим этих лекарств на полках аптек – не так ли?

Дело в том, что триумфальные заявления ученых и журналистов, как правило, несколько опережают события. Лекарство приобретает это высокое звание только тогда, когда поставлена последняя печать на разрешительных документах. Клинические испытания – традиционно длительный процесс, занимающий несколько лет (здесь со времен Эрлиха тоже многое изменилось). Сквозь сито этих испытаний прорывается менее 0,1 % от заявленных препаратов, притом что на предварительной стадии научных исследований все они показали прекрасные результаты и заслужили одобрительные отзывы специалистов. Насколько мне известно, ни одна система адресной доставки лекарств, созданных на основе изложенных выше принципов, не прошла пока полный цикл клинических испытаний и не была рекомендована к практическому применению. Так что я обойдусь без описания конкретных примеров. Честно говоря, я просто боюсь промахнуться и расписать вам в красках препарат, о котором вы никогда больше не услышите. Вероятность точного попадания в цель, как вы понимаете, менее 0,1 %.

Между тем у меня нет ни малейших сомнений, что такие лекарства будут созданы (возможно, уже созданы). Понятно, как они должны быть устроены, а это уже полдела, путь же их создания наметил еще Эрлих. Для того чтобы найти “волшебную пулю”, нужно, по Эрлиху, четыре больших “G”: Geld – деньги, Geduld – терпение, Geschick – ловкость и Gluck – удача.

Метод поиска лекарств по большому счету не сильно изменился со времен Эрлиха.Сейчас очень много разговоров о компьютерном моделировании лекарств, о том, что благодаря современным методам мы знаем с атомарной точностью структуру белков, ДНК, вирусов – мишеней лекарств. Это, в свою очередь, позволяет смоделировать с той же точностью строение молекулы лекарства, а уж синтез его не представляет большого труда – современная органическая химия действительно может все. Но на самом деле с помощью метода компьютерного моделирования не было пока получено ни одного лекарства . Компьютерное моделирование – вещь, несомненно, хорошая, но оно дает лишь предварительную наводку, подобную атоксилу, который Эрлих выбрал интуитивно. Основная работа начинается потом, когда “активное начало” постепенно обрастает фрагментами, необходимыми, собственно, для его адресной доставки к мишени. И тут не обойтись без многочисленных проб и ошибок, без метода, как говорят сами ученые, “научного тыка” и, конечно, без удачи. Но везет тому, кто везет.Адресная доставка лекарств становится все более популярной среди пропагандистов нанотехнологий. На ее примере удобно объяснять, зачем нужны новые технологии, ведь без лекарств, увы, никто не обойдется – и сейчас, и в будущем. Удобно объяснять, зачем нужны золотые наночастицы, фуллерены, углеродные нанотрубки и другие новомодные нанообъекты – их используют в качестве носителей для адресной доставки. Кроме того, это служит хорошей иллюстрацией необычных свойств нанообъектов. Действительно, не совсем понятно, почему, например, углеродные нанотрубки способны проникать сквозь клеточные мембраны или гематоэнцефалический барьер, которые служат непреодолимой преградой для меньших по размеру и сравнительно более простых молекул лекарственных веществ. И не просто проникать, но и протаскивать вслед за собой эти самые молекулы.

Акцентируя внимание на наночастицах, пропагандисты совершенно упускают из виду генную терапию. Возможно, это объясняется тем, что генные технологии – осознанно или по непониманию – долгое время не признавали частью нанотехнологий. Между тем технические приемы, используемые в генной терапии, ничем, по существу, не отличаются от методов создания “колесниц” для адресной доставки лекарств, более того, в генной терапии есть ряд оригинальных идей, которые могут быть полезны для разработки новых средств доставки лекарств.

Идея генной терапии проста и прозрачна: так как большинство тяжелых хронических болезней имеет генетическую природу, то для излечения необходимо исправить поломку в геноме, заменить дефектный ген на правильно работающий. С этой точки зрения генная терапия представляется универсальным методом лечения, причем, единственно правильным, поскольку лечит причину, а не следствия, как другие методы. Почему ученые пошли по пути введения целых генов, а не исправления точечных дефектов – мутаций? Ответ понятен всем, кто хоть раз сталкивался с ремонтом бытовой техники: проще, дешевле и надежнее заменить неработающую плату целиком.

Работы в этой области начались сразу же после того, как ученые научились выделять отдельные гены, составлять из них сборную, рекомбинантную ДНК и доставлять эту ДНК в клетки. Напомню, что произошло все это в начале 1970-х годов благодаря пионерским работам Берга, Бойера и Коэна. Первым средством доставки трансгена в клетку стали плазмиды – замкнутые в кольцо молекулы ДНК, имеющие, как нетрудно догадаться, наноразмеры. Специалисты в этой области назвали средства доставки векторами – прекрасный образ для обозначения направленного переноса гена или любого другого вещества.

Плазмиды – удобные векторы для доставки генов в бактерии, но для целей генной терапии они малопригодны. Мы, люди, устроены сложнее бактерий, и клетки нашего организма лучше защищены от проникновения “чужаков”. Кроме того, доставка трансгена в клетку – это только полдела, необходимо встроить его в ДНК, иначе вся затея теряет смысл. Отсюда, в частности, следует, что генная терапия сложнее адресной доставки лекарств. Тем не менее путь решения этой проблемы ученые нашли почти незамедлительно – в 1974 году Беатрис Минц и Рудольф Яниш предложили использовать в качестве векторов вирусы, об истории этого открытия я уже рассказывал. Гениальное решение! В ходе эволюции вирусы выработали способность проникать в клетки млекопитающих и встраивать свой геном в ДНК хозяина – то, что нужно!

Конечно, недостаточно просто ввести трансген в геном вируса. Необходимо еще лишить вирус возможности наносить вред нашему организму. Для этого надо как минимум удалить из его генома гены, которые кодируют синтез белков, формирующих вирусную оболочку. Но это ученые делать научились.

Этим не исчерпывается список проблем. На самом деле далеко не каждый вирус способен встраивать свой геном в ДНК хозяина, многим вирусам для размножения это просто не нужно. Этой способностью обладают так называемые ретровирусы, но вот незадача: простые ретровирусы не способны проникать в ядро неделящихся клеток, а ведь большинство клеток в организме взрослого человека делятся крайне редко или вообще не делятся. Но существуют и сложные ретровирусы, которые способны проникать в ядро неделящихся клеток. К ним относятся, в частности… вирус иммунодефицита человека ВИЧ и родственные ему вирусы. Что ж, делать нечего, исследователи пытаются получить векторы для генной терапии и на базе этих вирусов.

Еще две перспективные группы – это аденовирусы и аденоассоциированные вирусы. Последние представляют особый интерес, поскольку присутствуют в организме 90 % людей и считаются безвредными – в их геноме отсутствуют необходимые для размножения гены и поэтому для размножения им требуется совместное заражение аденовирусом или вирусом герпеса, которые несут недостающую генетическую информацию. В отсутствие заражения вирусом-помощником ДНК модифицированного аденоассоциированного вируса может интегрироваться в ДНК хозяйской клетки, где вводимый нами трансген будет работать, как ему и положено.

Это лишь некоторые примеры того, как ученые создают векторы для переноса генов на основе вирусов. Но давайте посмотрим на эти средства доставки под другим углом зрения. Они представляют собой сложенный из белков контейнер, внутри которого заключено действующее начало – молекула нуклеиновой кислоты с введенным трансгеном. Контейнер в большинстве случаев покрыт сверху дополнительной оболочкой, составленной, например, из фосфолипидов, входящих в состав клеточных мембран клеток хозяина. Эта оболочка нужна для введения в заблуждение клеток иммунной системы. Кроме того, оболочка может включать некие рецепторы, необходимые для распознавания клеток, наиболее пригодных для атаки вирусом. Не случайно ведь каждый вирус поражает определенные органы. Знакомые мотивы, не так ли? Вирусные векторы по своей конструкции практически идентичны описанным выше средствам адресной доставки лекарств, они состоят из множества нанообъектов – белков, нуклеиновых кислот, липидных слоев, и сама их сборка (само сборка) включает наиболее совершенные процессы нанотехнологий, как природные, так и созданные учеными.

Если в получении векторов для доставки генов достигнуты впечатляющие успехи, то самой генной терапии похвастаться пока особо нечем, несмотря на многолетнюю историю исследований.

В 90-е годы прошлого века внимание всех СМИ было приковано к попыткам излечения методом генной терапии тяжелого комбинированного иммунодефицита (ТКИД) – наследственного заболевания, проявляющегося в раннем возрасте. Излечения добиться не удалось, но ученые до сих пор упорно продолжают искать генетическое лекарство от этой редкой болезни. Гуляющая в медицинских кругах шутка, что число исследователей превышает число больных ТКИД, недалека от истины.

К сожалению, ситуация характерная. Во всем мире уже осуществлено или завершается более тысячи клинических испытаний различных методов генной терапии. Большинство из них нацелены на контроль и лечение рака и проводятся на смертельно больных пациентах. Другие разрабатываемые методики предназначены для лечения СПИДа. Имеются ободряющие экспериментальные результаты по лечению многих распространенных заболеваний, таких как муковисцидос, серповидноклеточная анемия, мышечная дистрофия, но ничего подобного полному или долговременному исцелению достигнуто не было.

Причина этого довольно очевидна: для излечения необходимо доставить правильно работающий ген во все дефектные клетки, в случае наследственных заболеваний это – все клетки организма. Такой своеобразный предельный случай адресной доставки лекарств, который на практике, скорее всего, реализовать не удастся.

Несколько более оптимистично (если здесь уместно такое выражение) выглядит ситуация с онкологическими заболеваниями. Ведь “раковый мятеж” клеток носит локальный характер, особенно на ранних стадиях течения болезни, кроме того, нам не нужно лечить клетку, нам нужно ее уничтожить. Применительно к генной терапии это означает внедрение в геном раковой клетки гена, который нарушит работу клетки, предотвратит ее безудержное деление или вызовет апоптоз – ее “самоубийство”. В этом случае задача, в сущности, сводится к описанному выше направленному транспорту, но с одним жестким требованием – трансген должен быть доставлен во все пораженные клетки, что опять же представляется проблематичным. В противном случае неизбежен рецидив болезни.

Кроме того, необходимо исключить попадание трансгена в здоровые клетки, которые без него работают нормально, а вот будут ли с ним – большой вопрос. В связи с этим многие специалисты полагают, что наиболее поддающимися лечению методом генной терапии будут нарушения системы кроветворения, поскольку клетками периферической крови можно манипулировать вне организма и возвращать их в организм пациента.

Несколько скептическое отношение к генной терапии обусловлено также тем, что на самом деле в большинстве случаев трансген не встраивается на место поврежденного, а пристраивается где-то рядом, так что тот может продолжать производить дефектный белок. Более того, гены, как известно, не функционируют независимо друг от друга, поэтому локализация трансгена в ДНК пациента может иметь принципиальное значение как для работы других генов, так и для его собственной экспрессии.

Так что нерешенных проблем в генной терапии предостаточно, причем многие из них носят принципиальный характер. Удастся ли их преодолеть, покажет будущее.

Более перспективными выглядят попытки объединения двух “модных” направлений – генной терапии и стволовых клеток. Стволовые клетки могут быть выделены, “исправлены” на уровне небольшой популяции, размножены и введены обратно в организм пациента.

От стволовых клеток мысль исследователей логично движется дальше – к эмбриональным стволовым клеткам, к эмбриону, к оплодотворенной яйцеклетке. Ведь сейчас мы можем установить наличие дефектных генов на самых первых этапах развития человеческого организма, так почему бы нам сразу и не исправить их? Задача доставки трансгена во все клетки организма при этом невероятно упрощается, в пределе она сводится к доставке трансгена в одну-единственную клетку.

Эта задача выглядит вполне решаемой. При экстракорпоральном оплодотворении, которое используется все шире (счет в мире идет на миллионы), можно манипулировать клетками вне организма, а количество этих клеток – меньше некуда. Можно даже проконтролировать, насколько успешно прошел процесс внедрения трансгена.

Речь уже идет не только об исправлении дефектных генов – потенциальных источников наследственного заболевания, – но и о внедрении “улучшающих” генов, ответственных, как полагают генетики, за проявление тех или иных способностей, черт характера или деталей внешности. Перспективы так называемого “генетического выбора потомства” обсуждаются вполне серьезно. По оценке экспертов американской РЭНД Корпорейшн, самой авторитетной организации по прогнозу путей развития науки и технологий, методы такого выбора могут быть доведены до практической реализации в ближайшие десять лет. И препятствием на этом пути послужат даже не научные проблемы, а этические возражения значительной части общества. Будем надеяться также на здравый смысл будущих родителей, которые предпочтут довериться Природе, как это делали их предки. Недаром народная мудрость гласит: не родись красивой, а родись счастливой. Генов счастья нет.

Нет также генов гениальности. В лучшем случае гениальность обусловлена сочетанием множества генов, в хитросплетении которых нам не разобраться никогда. Это счастливая комбинация складывается случайно в ходе бесконечной игры Природы или каких-то высших сил, в существование которых, впрочем, мы, материалисты, не верим.К чему я это говорю? В своей лекции при вручении Нобелевской премии Пауль Эрлих сказал: “Ученые начали понимать механизм действия терапевтических веществ. Я надеюсь, что, если эти исследования будут систематически развиваться, вскоре нам станет легче, чем до сих пор, разрабатывать рациональные пути синтеза лекарств”. Очень актуально! Сегодня мы питаем ту же надежду, что вскоре… А ведь сто лет прошло. По законам теории вероятностей пора бы уж генам вновь удачно сложиться и явить миру нового гения, подобного Паулю Эрлиху. И тогда мы получим целую обойму “волшебных пуль”.

Глава 11 Атомный конструктор

Вот мы и добрались до атомов. Многие убеждены, что манипулирование атомами и сборка различных объектов из атомов составляют квинтэссенцию нанотехнологий, то, что отличает их от “старых” технологий и служит основой революционных технологий будущего. Убеждение это ложное, оно сложилось в значительной мере благодаря публикациям в научно-популярной литературе и СМИ. Откуда здесь ноги растут, я расскажу вам в следующей главе, это довольно занимательная история. Но все это нисколько не умаляет значимости самого открытия. То, что ученые научились напрямую манипулировать атомами, действительно определяет одну из важнейших вех в истории развития науки.

Для того чтобы научиться манипулировать атомами, их надо было для начала увидеть. Долгое время считалось, что эту задачу невозможно решить в принципе. Размер атомов очень мал. Оценили его еще в XIX веке, исходя из данных по размеру молекул, опять же оценочных, и структуры молекулы, которую представляли образованной из сферических атомов. Он составил что-то около одной десятой нанометра. Чтобы не заморачиваться с лишними знаками после запятой, ученые стали использовать эту величину в качестве специальной единицы измерения, названной ангстремом по имени предложившего ее в 1868 году шведского физика Андерса Ангстрема, или, точнее, Онгстрёма (1814–1874).

Разглядеть столь малые объекты с помощью оптических микроскопов – единственных имевшихся тогда в распоряжении ученых приборов – было действительно невозможно, как ни умножай количество линз и ни улучшай их качество. Законы оптики положили нашим желаниям так называемый дифракционный предел, мы не можем разглядеть по отдельности два объекта, если они находятся на расстоянии, меньшем двухсот-трехсот нанометров. Некоторую надежду подарило открытие в 1895 году рентгеновских лучей с длиной волны порядка одного нанометра и приблизительно таким же дифракционным пределом. Но как сфокусировать рентгеновские лучи? В природе просто не было веществ, из которых можно было изготовить необходимые линзы.

Ученые в конце концов научились использовать рентгеновские лучи для исследования структуры вещества. О методе рентгеноструктурного анализа, созданном в 1912 году, я уже рассказывал в пятой главе. При просвечивании кристалла рентгеновскими лучами на фотопластинке возникал сложный узор, состоящий из точек и дужек. Но это не было изображением атомов, это был образ плоскости, состоящей из атомов определенного сорта и расположенных в кристалле в строгой периодичности.

Рентгеновские лучи находились на нижней границе электромагнитного излучения, ученые полагали, что спуститься ниже уже невозможно, и проблема визуализации атомов зашла в тупик. Прорыв произошел в 1924 году, когда француз Луи де Бройль[59] (1892–1987) сформулировал гипотезу о двойственной природе электрона: в одной из своих ипостасей электрон был волной, в сущности, электромагнитным излучением. Научному сообществу потребовалось некоторое время, чтобы переварить эту ересь, в 1929 году де Бройлю присудили Нобелевскую премию по физике, еще через два года пришла пора практического приложения.

По легенде, немецкие физики Макс Кнолль (1897–1969) и Эрнст Руска (1906–1988) натолкнулись на идею электронного микроскопа случайно. Они разрабатывали системы фокусировки и управления пучком электронов и при этом получили изображение объекта, оказавшегося на пути пучка. Возможно, все так и было, но, честно говоря, к тому времени идея уже созрела и лежала на поверхности. Подтверждением этому служит тот факт, что ее реализовали практически одновременно несколько исследователей. В историю по разным причинам вошел Эрнст Руска.

Он родился в Гейдельберге в профессорской семье. После окончания Технического университета в Мюнхене и короткой стажировки в компании “Siemens” Руска в 1928 году приступил к выполнению диссертации в Техническом университете Берлина под руководством Макса Кнолля. Темой работы было воздействие магнитного поля на пучки электронов. Диссертацию Руска защитил лишь в 1934 году – ему пришлось на пару лет отвлечься на создание прототипа электронного микроскопа, а кроме того, в 1933 году он перешел работать в одну из берлинских фирм, где занимался разработкой телевизионных передатчиков и приемников.

В 1937 году Руску пригласили в “Siemens”, где его назначили главным по электронным микроскопам. Руска поразительно быстро превратил созданный за пять лет до этого прототип в коммерческую модель. Уже в 1939 году компания “Siemens” выпустила на рынок электронные микроскопы с разрешающей способностью в десять нанометров. Существенно, что “в комплекте” предлагались методики применения электронной микроскопии в медицине и биологии, их разработкой в компании занимался брат Эрнста Руски – Гельмут, врач по образованию. “Siemens” долгое время была мировым лидером в этой области, соответственно, Руска стал крупнейшим в мире специалистом по электронной микроскопии.В 1955 году Руска возглавил вновь созданный Институт электронной микроскопии в Западном Берлине и одновременно стал преподавать в Техническом университете. Руске посчастливилось дожить до присуждения ему в 1986 году Нобелевской премии по физике. С момента его изобретения миновало пятьдесят пять лет.Первый прибор, собранный Кноллем и Руской, давал увеличение всего в четыреста раз, то есть был ничем не лучше оптических микроскопов. Но это не имело никакого значения, дело было в принципе. Они заменили световой луч пучком электронов. Кроме того, предложили принципиальную схему устройства, которая не претерпела изменений по сей день.

Эта схема чрезвычайно напоминает схему оптического микроскопа, а устройство просвечивающего электронного микроскопа в определенном смысле даже проще, чем у оптического. Во-первых, оптические линзы заменены катушками индуктивности, магнитное поле которых поддается легкой регулировке, по аналогии эта часть устройства получила название магнитных линз. Во-вторых, чрезвычайно упростилась задача получения “света” с определенной длиной волны. Эта величина для электрона зависит от его энергии: разгоняя электроны в электрическом поле, можно плавно регулировать их энергию и соответствующую ей длину волны, вплоть до значений порядка тысячных долей нанометра. Регистрация изображения также не представляла труда, это мог быть и экран, покрытый люминесцирующим составом, и фотопластинка.

Улучшение характеристик просвечивающих электронных микроскопов было делом техники. Сейчас созданы приборы сверхвысокого разрешения, обеспечивающие увеличение в миллион раз. С их помощью, например, мои аспиранты получают фотографии синтезированных ими наночастиц различных солей, на которых видны ровные ряды шариков – составляющих их атомов. Они показывают эти фотографии бестрепетно, как нечто само собой разумеющееся.

В 30–40-е годы о таком разрешении никто даже не мечтал, а если и мечтал, то молча, чтобы не подвергнуться насмешкам со стороны коллег. У просвечивающей электронной микроскопии при ее несомненных достоинствах есть и вполне очевидные, естественные ограничения. Для получения и манипулирования пучками электронов необходим высокий вакуум, таким образом, исследовать можно только твердые и сухие образцы. Кроме того, из самого названия метода следует, что образец должен быть хотя бы частично прозрачен для пучка электронов, для большинства веществ это соответствует толщине образца порядка десятков и сотен нанометров.

Поэтому в просвечивающей электронной микроскопии часто используют косвенный метод исследования. Для этого получают так называемую реплику – тонкий слепок с поверхности изучаемого объекта. Это напоминает процесс получения гипсовых масок или слепков, используемый в других областях человеческой деятельности. Для изготовления, например, углеродных реплик в вакуумированной камере испаряют углерод с угольных стержней, нагретых пропусканием электрического тока, пары углерода конденсируют на поверхность изучаемого объекта, а затем аккуратно отделяют полученную пленку. Толщина такой пленки составляет около десяти нанометров, ее получение само по себе служит воплощением нанотехнологий. Методика эта стала для исследователей настолько привычной, что они зачастую забывают об этом упомянуть, когда демонстрируют полученные фотографии, полагая, что слушателям это и так понятно. Понятно бывает не всем, и это приводит к разного рода недоразумениям.

Необходимо также учитывать, что электроны, используемые в методе просвечивающей электронной микроскопии, разгоняют до очень высоких скоростей. Зависимость тут простая: чем меньшую длину волны мы хотим получить, тем сильнее нам надо разогнать электрон. Понятно, что эти высокоэнергетические электроны оказывают сильное воздействие на вещество. Кристаллы неорганических веществ они прошивают без катастрофических последствий, но вот на органическую молекулу могут подействовать подобно разрывной пуле. Что уж говорить об единичных атомах или небольших молекулах – те просто отлетят в сторону.

Альтернативу методу просвечивающей электронной микроскопии стали искать сразу. Можно даже сказать, что исследования проходили параллельно и независимо, ведь главным тут было использование электронных пучков для получения изображения, а эта идея была довольно очевидной. Один из таких методов был разработан в конце 1930-х – начале 1940-х годов и получил название растровой электронной микроскопии. Массовое производство соответствующих приборов для научных исследований началось в 1960-х годах.

Принципиальное отличие растровой микроскопии от просвечивающей состоит в том, что регистрируют не прошедшие через образец, а отраженные под определенным углом электроны. (Кроме собственно отраженных электронов регистрируют еще вторичные электроны, “выбитые” из атомов анализируемого объекта, а также рентгеновское и другое излучение, порожденное взаимодействием высокоэнергетических электронов с веществом, – это дает много дополнительной информации об изучаемом объекте.)

Тонкий сфокусированный электронный пучок диаметром в несколько нанометров используют в качестве зонда , которым сканируют поверхность объекта, совершая возвратно-поступательные движения по линии или развертывая движение в растр – совокупность близкорасположенных параллельных линий, по которым пучок электронов обегает выбранный для исследования участок поверхности. Последнее что-то напоминает, не так ли? Действительно, аналогичный принцип заложен в конструкции электронно-лучевых трубок старых телевизоров. В этом нет ничего удивительного, ведь оба устройства изобрел один и тот же человек – Владимир Козьмич Зворыкин[60] (1888–1982).

Пространственное разрешение растрового (сканирующего) электронного микроскопа зависит в первую очередь от диаметра электронного пучка. Лучшие современные приборы обеспечивают разрешение порядка десятых долей нанометра, что вплотную приближается к размеру атомов. В целом разрешение сканирующих электронных микроскопов хуже, чем у просвечивающих. Но у них есть и свои достоинства: визуализация сравнительно большой области образца, возможность прямого исследования массивных образцов, а не только тонких пленок, а также бо́льшая резкость изображения, позволяющая получать “объемные” изображения. При этом желательно присутствие тяжелых атомов с высоким коэффициентом эмиссии вторичных электронов, которые обеспечивают наилучшее изображение. Поэтому перед исследованием на образец часто наносят тонкую (15–20 нм) однородную пленку металла, предпочтительно золота. Это делается путем вакуумного испарения или ионного распыления. Об этом, кстати, тоже забывают сказать, но зато фотографии получаются замечательные, особенно разных микроскопических живых существ.В те же 30-е годы прошлого века Эрвин Мюллер изобрел еще один микроскоп – полевой эмиссионный, или автоэлектронный.Эрвин Мюллер родился в 1911 году в Берлине, там же окончил Технический университет, в 1936 году защитил диссертацию по физике. Работал Мюллер в исследовательской лаборатории компании “Siemens” еще до прихода туда Руски. И принцип действия разработанного им микроскопа был совершенно иным, чем у Руски. Мюллер предположил, что если взять металлическую (электропроводящую) иглу и подать на нее большой отрицательный потенциал, то с кончика иглы будут эмитироваться электроны, которые полетят к положительно заряженной пластинке, покрытой люминесцирующим составом, и воспроизведут на ней увеличенное изображение кончика иглы вплоть до атомарного уровня. Если кто и мечтал увидеть атом воочию, так это Эрвин Мюллер, он на это жизнь положил.

Уже первый вариант микроскопа, созданный Мюллером в 1936 году, обеспечивал разрешение в два нанометра. Это было лучше параметров просвечивающего микроскопа Руски, но Мюллер был недоволен: получить изображение атомов не удавалось.

Он продолжал упорно работать над совершенствованием своего прибора, но тут в дело вмешалась война. После ее окончания Мюллер, как и Руска, оказался в Западном Берлине, где проводил свои исследования в Институте физической химии и электрохимии, одновременно преподавая в Техническом университете. И тут на помощь Мюллеру пришел случай, вернее, две досадные случайности. В высоковакуумную установку по недосмотру попало небольшое количество водорода, а сам исследователь ненароком поменял полярность напряжения между иглой и пластинкой. Пучок заряженных частиц состоял теперь не из электронов, а из положительно заряженных ионов водорода (протонов), и под их действием на пластинке появилось изображение кончика иглы с куда лучшим разрешением, чем в случае электронов. Так был создан ионный полевой микроскоп. С его помощью Мюллер впервые разглядел небольшие молекулы, но ему этого было мало.

Позже Мюллер заменил водород на гелий и неон. Как образуются ионы в случае инертных газов? Мюллер полагал, что атомы инертных газов предварительно адсорбируются на поверхности иглы. Но впоследствии оказалось, что адсорбция здесь ни при чем и при высоком положительном потенциале иглы электрон с внешней электронной оболочки атома инертного газа туннелирует через вакуум к поверхности металлического образца.

Выяснилось это уже в США, куда Мюллер эмигрировал в 1952 году. В Пенсильванском университете Мюллер вместе со своими студентами и аспирантами занимался усовершенствованием нового микроскопа. Для получения качественных изображений они стали использовать сверхнизкие температуры, но чувствительности все равно не хватало. Оказалось, что корень проблем был в предварительной подготовке иглы. Традиционно все твердые поверхности перед проведением физических исследований очищают от адсорбированных примесей нагреванием в глубоком вакууме. Но при этом все острые выступы оплавляются, то же происходило и с кончиком иглы. Аспирант Мюллера Канвар Баадур предложил новый способ очистки иглы, и дело пошло на лад.

11 октября 1955 года Баадур поместил в установку вольфрамовую иглу и получил на флуоресцентном экране первое в истории изображение атома, находившегося на самом кончике иглы. Очевидцы потом вспоминали, что у присутствовавшего при эксперименте Мюллера от волнения из головы вылетели все английские слова и он начал кричать по-немецки: “Я вижу атом! Да, атом!” Его мечта сбылась.

Бывшие сотрудники Мюллера вспоминали, что все они с момента получения первого изображения атома жили в ожидании, когда же шефу присудят Нобелевскую премию по физике. Но этого так и не произошло. Отчасти это связано, на мой взгляд, с настороженным отношением научного сообщества к немецким ученым, работавшим в Германии во время Второй мировой войны, – а ну как они занимались военными разработками. Подозрения эти имели под собой основания, и кому как не ученым из стран-победительниц было это знать – они сами во время войны именно этим и занимались. Должно было пройти много времени, чтобы затянулись раны войны. Руске в этом смысле повезло больше: он дожил до своей Нобелевской премии. Мюллер не дожил. Он скончался в 1977 году.

Заметим также, что сообщение Мюллера о получении изображения атома было встречено научным сообществом с изрядным скепсисом. Нет, против самой “картинки” никто не протестовал, она была принята как экспериментальный факт. Возражали против ее интерпретации. Фотография представляла собой довольно сложный симметричный узор, в центре которого располагался небольшой круг. Мюллер увидел в нем атом, то, что давно мечтал увидеть. У коллег, не разделявших его маниакальной страсти, были на этот счет другие мнения.

Более того, сообщение Мюллера возродило в среде физиков-теоретиков давний спор о том, можно ли вообще увидеть атом. Ведь электроны в атоме подчиняются законам квантовой механики и определить их точное местоположение невозможно. Атом – это зыбкое нечто, не имеющее четких границ, необходимых для формирования любого изображения. Отсюда следовал куда более глобальный вывод, что и манипулировать атомами, как частицами твердого тела, тоже невозможно. В 1959 году по этому поводу высказался гуру теоретической физики Ричард Фейнман (1918–1988): “Законы физики, насколько я их понимаю, не запрещают манипулирование атомами”. Это было “ощущение”, не подкрепленное никакими математическими выкладками, на которые горазды квантовые механики. Но уже в то время физики поняли, что ощущениям этого неординарного ума можно доверять, так что споры постепенно ушли в песок, так ничем и не разрешившись. Дело было отдано на откуп экспериментаторам.

А те продолжали работать. Следующий важный прорыв связан с именем американского исследователя Рассела Янга. Его путь в науку был долог. Юность Янга пришлась на Вторую мировую войну. Три года он прослужил в войсках противовоздушной обороны и лишь в 1953 году смог окончить Политический институт Ренсселира. Диссертацию защитил в Пенсильванском университете в 1959 году. Возможно, вы уже догадались, кто был его научным руководителем, – Эрвин Мюллер, который вообще воспитал очень много высококлассных специалистов. В 1961 году Янг перешел на работу в Национальное бюро стандартов, которое в США не только плодит бумаги, но и разрабатывает новые методы анализа и соответствующее оборудование. Янгу выпало заниматься изучением характеристик поверхности различных материалов. В 1969 году он вместе со своими сотрудниками Джоном Уордом и Фредериком Скайром сконструировал прибор, названный ими топографинером.

Янг объединил в одном устройстве принципы и элементы, опробованные в других описанных выше электронных микроскопах: зонд, сканирование, игла, туннелирование электрона. Но если для Мюллера игла была объектом исследования, то Янг превратил ее в инструмент исследования, в зонд, который перемещался над поверхностью анализируемого образца. На иглу подавали отрицательный потенциал и измеряли силу электрического тока между поверхностью и иглой, обусловленного полевой эмиссией электронов с кончика иглы. В ходе экспериментов Янг также обнаружил, что при приближении иглы к поверхности все больший вклад в электрический ток вносит туннелирование электронов. Этот эффект имеет квантовую природу и выражается в “перескоке” электрона с кончика иглы-зонда на поверхность образца. Величина туннельного тока экспоненциально зависит от расстояния между иглой и поверхностью и при изменении расстояния всего лишь от полутора до одного нанометра увеличивается в тысячи раз.

Впрочем, Янг установил лишь предварительный вид этой зависимости, над ним довлела другая проблема – как обеспечить точное позиционирование кончика иглы над поверхностью образца. Для этого он использовал пьезоэлементы, сделанные на основе кристаллов, способных изменять свои линейные размеры под действием электрического напряжения. Три таких пьезоэлемента обеспечивали перемещение иглы в трех направлениях с точностью до одной сотой нанометра – уму непостижимо!

Кроме того, Янг предложил оригинальную технику сканирования. Казалось бы, чего тут выдумывать, закрепи образец строго горизонтально и проведи над ним иглу. Но на любой поверхности неизбежно присутствуют выступы, о которые игла может сломаться, и ямки. Так как сила тока резко зависит от расстояния, то глубокие и мелкие ямки будут малоразличимы. Янг проводил иглу над поверхностью таким образом, чтобы сила электрического тока оставалась постоянной. Это обеспечивалось разработанной им системой обратной связи, которая непрерывно перемещала иглу в вертикальном направлении над поверхностью образца, поднимая ее над выступами и опуская над ямками. Траектория движения кончика иглы в точности повторяла профиль поверхности.

Дополнительные технические сложности привнесло использование сверхнизких температур и высокого вакуума. На решение всех проблем ушло два года, в 1971 году Янг представил работающий образец топографинера, который обеспечивал определение шероховатости поверхности с разрешением по вертикали в три нанометра. Этого было явно недостаточно, чтобы разглядеть атомы на поверхности, но Янг на это и не замахивался. Он планировал продолжить работы по совершенствованию прибора, но у его начальства на этот счет было другое мнение. Работы по топографинеру были свернуты, а Янга перебросили на создание калибровочных стандартов для микроэлектронной промышленности.

Проблема анализа поверхности между тем становилась все более насущной. Особенно остро она стояла в компании IBM, производившей разнообразные микроэлектронные устройства. В Базеле, в Швейцарии, у IBM было специальное исследовательское подразделение, которое занималось, в частности, разработкой методов анализа полупроводниковых материалов. Руководил этими работами Генрих Рорер. В 1978 году он пригласил на работу молодого немецкого физика Герда Биннига, которому было суждено вписать одну из ярчайших страниц в развитие мировой науки.

Впрочем, этого ничто поначалу не предвещало. Родился Бинниг в 1947 году во Франкфурте-на-Майне, физикой увлекся в десятилетнем возрасте, но потом еще сильнее увлекся музыкой, футболом, плаванием. Физический факультет Франкфуртского университета он окончил без отрыва от выступлений со своей рок-группой. Эта веселая жизнь продолжилась и в аспирантуре, не образумила Биннига и ранняя женитьба. Занимался он в аспирантуре туннельной спектроскопией полупроводников, эта работа все больше приводила его к мысли, что он сильно ошибся с выбором профессии. Схоластика, рутина, никакого творчества!

Взялся за ум Бинниг, по его собственному выражению, под влиянием личного психоаналитика – жены Лоры. В 1978 году он таки защитил диссертацию и принял предложение Рорера поступить на работу в швейцарское отделение IBM. Биннигу было поручено придумать что-нибудь, что позволяло бы обнаруживать дефекты в сверхтонких пленках, нанесенных на поверхность металла или полупроводника. “Придумать” – это слово было для Биннига самым важным, он понял, что попал в нужное место. Он предложил использовать хорошо знакомый ему туннельный эффект и после детального изучения научной литературы принялся измерять величину туннельного тока в зависимости от удаления кончика иглы от поверхности. Многие сотрудники отделения сочли эту идею бредовой, некоторые прямо говорили Рореру, что он сделал ставку не на того человека, но Рорер идею поддержал и даже выделил Биннигу на подмогу молодого талантливого инженера Кристофа Гербера.

Можно сказать, что они повторили работу Рассела Янга, но на более высоком научном и техническом уровне. Они взяли у него идею иглы-зонда, пьезоэлектрическую систему позиционирования и систему обратной связи. Но Бинниг сделал ставку на туннельный эффект, он приблизил иглу к поверхности на расстояние менее одного нанометра, что сразу привело к увеличению разрешения. Впрочем, не сразу, для этого исследователям пришлось решить ряд сложнейших технических проблем, до которых у Янга просто не дошли руки. Да и техника за десятилетие далеко продвинулась вперед.

Одна из проблем заключалась в изоляции от акустических и механических вибраций. В первой модели сканирующего туннельного микроскопа (так был назван новый прибор) для этого использовали новейшую разработку того времени – сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла.

Большим подспорьем оказался прогресс в области ЭВМ, но тут, как говорится, все козыри были на руках у IBM. Как и в создании быстродействующей малошумящей электроники. Задача разглядеть структуру непременно с атомарным разрешением не ставилась, это стало для исследователей неожиданным и потому вдвойне приятным бонусом. Они и сами поначалу не поняли, что это за бугорки торчат ровными рядами на поверхности золотой фольги, которую они поместили в свой прибор в один из дней 1981 года. По всему выходило, что это атомы, но исследователи не верили собственным глазам. Фотографию эту Бинниг с Рорером опубликовали только через два года. Более убедительным им показалось следующее полученное ими изображение – поверхности монокристалла кремния с четко видными шариками атомов. Но это нам сейчас четко видно, а в 1982 году ученые высказали привычный уже скепсис.

Сам же новый прибор для изучения поверхности вызвал большой интерес. Немало способствовали этому изобретатели, которые рекламировали его где только можно и с готовностью принимали посетителей в своей лаборатории в Цюрихе. Что ни говори, а IBM в плане пиара даст сто очков вперед Национальному бюро стандартов США.

Но среди всей этой суеты Бинниг, по его собственному признанию, загрустил. Приложив невероятные усилия, он создал выдающийся прибор, ничего подобного ему в будущей жизни, скорее всего, создать не удастся. По сравнению со сканирующим туннельным микроскопом все это будет рутиной. К счастью, он ошибся. Для смены обстановки Бинниг перебрался в Калифорнию, в головную исследовательскую лабораторию IBM, и там его посетила новая идея.

Бинниг, как никто другой, знал главный недостаток сканирующего туннельного микроскопа: его применение ограничено электропроводящими образцами или веществами, нанесенными на поверхность проводника. Вот если бы обойтись без измерения силы электрического тока… Бинниг стал анализировать различные типы взаимодействия между кончиком иглы и поверхностью образца и пришел к выводу, что для его целей лучше всего подходят пусть слабые, но зато универсальные ван-дер-ваальсовы взаимодействия между атомами. Вот только как измерить силу этого взаимодействия между атомом, находящимся на самом кончике иглы зонда, и ближайшим атомом поверхности образца?

Идея выглядит еще более сумасшедшей, если знать, во что она в конце концов воплотилась. В созданном Биннигом атомно-силовом микроскопе в качестве зонда используют не просто тончайшую иглу, а балку (консоль) из монокристалла кремния с размерами порядка долей миллиметра, называемую кантилевером, на которой укреплена собственно игла. А измеряют степень изгиба этой балки под действием сил притяжения или отталкивания между двумя атомами. Это все равно, что измерять изгиб торчащего из бетонной стены стального швеллера, на конец которого опустилась пылинка. Невозможно, скажете вы. Соглашусь. Но Бинниг это сделал, экспериментальный факт.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп – поистине универсальный прибор. С его помощью можно изучать объекты любой физической и химической природы. Кроме того, измерения можно проводить не только в вакууме, но и других средах, вплоть до водных растворов (при этом, естественно, изучают молекулы, адсорбированные на твердой поверхности). Все это особенно важно для исследования биологических объектов – белков, нуклеиновых кислот, клеток, вирусов, бактерий и т. д.

Разработал его Бинниг в 1986 году. В том же году пришла награда – за сканирующий туннельный микроскоп Бинниг получил Нобелевскую премию по физике. Вместе с Рорером и Руской. С последним Биннига с Рорером объединяло только слово “микроскоп”, но Нобелевский комитет пошел на это, чтобы воздать должное патриарху. Лауреатов может быть максимум три, так что Кристоф Гербер остался за чертой призеров. Он получил в виде компенсации множество других премий, но кто о них знает, кроме узких специалистов? Нобелевский комитет отметил также специальным коммюнике вклад Рассела Янга в создание сканирующего туннельного микроскопа. Кто сейчас помнит о Расселе Янге? Его фамилия, как и фамилия Гербер, все реже упоминается в историях создания зондовых микроскопов. Все придумал Бинниг, а Рорер был его начальником. Тут действует общее правило: победитель получает все.Победителем был Бинниг. Но он не стал почивать на лаврах и увлекся новой идеей – как на учить компьютер мыслить так же, как он, креативно и дедуктивно. В 1994 году Бинниг основал компанию “Definiens”, которая занимается, в частности, разработкой программного обеспечения для распознавания образов. Пожелаем ему удачи.Зондовые микроскопы – конечно, выдающееся творение ума человеческого, я не побоюсь поставить их в один ряд с орбитальной космической станцией, телескопом “Хаббл” и компьютером. Они чрезвычайно расширили наши возможности в познании тайн вещества и живой материи.

Только не следует думать, что до их изобретения ученые блуждали в потемках, как это зачастую представляют. У ученых было достаточно других методов исследования структуры вещества плюс развитое пространственное воображение, так что большинство из них хорошо представляли себе, как выглядят изучаемые ими объекты. Глядя на современные фотографии сверхвысокого разрешения, они зачастую лишь удовлетворенно кивают головой: да, все верно, именно так мы себе это и представляли. Более того, такие фотографии далеко не всегда принимаются в качестве убедительного доказательства в научном споре, если они противоречат другим данным.

Как же так, скажете вы, как же можно спорить с очевидностью в прямом смысле этого слова? Но разве после прочтения этой книги вы не поняли, что ученых хлебом не корми – дай опровергнуть очевидное, именно так открытия и делаются. А если без шуток, то основания для сомнений действительно есть почти всегда. Объекты фотографируют в условиях, далеких от условий их существования в реальной среде, при подготовке образцов к съемке их подвергают различным воздействиям, которые могут повлиять на их структуру. В результате фотография соотносится с оригиналом в лучшем случае как тело в гробу с живым человеком, которого мы хорошо знали при жизни.Кроме того, исследования обычно ограничиваются единичным объектом или микроскопическим участком. Насколько эти данные показательны? Представьте себе, что вы выхватили наугад человека из толпы в произвольной части земного шара и из его внешности и характера делаете вывод о всем человечестве в целом. Конечно, по правилам нужно, как говорят, набрать статистику, изучить репрезентативную группу и усреднить параметры, но это требует времени и денег, которых, как водится, всегда не хватает. Поэтому изучают единичный объект, а из нескольких полученных фотографий выбирают ту, которая в наилучшей степени иллюстрирует тезис, который хочет доказать исследователь.Необходимо также помнить, что в добрый старый оптический микроскоп мы объект действительно видим, тогда как картинка, получаемая с помощью современных зондовых микроскопов, представляет собой, по сути, компьютерную реконструкцию, результат математической обработки регистрируемых устройством сигналов. В существе используемых при этом программ не разбирается даже большинство специалистов, работающих на этих микроскопах, что уж говорить о пользователях. Вот почему так ценятся классные специалисты, которые могут разъяснить, что в полученной картинке соответствует, скорее всего, действительности, чему не следует придавать большого значения и на что вовсе не стоит обращать внимания как на ложный, приборный, компьютерный артефакт, который они зачастую тут же и “стирают”, используя все те же компьютерные программы.

Что из этого следует? Только то, что ученым есть еще над чем работать в плане совершенствования техники исследований. Чем они и занимаются, упорно и последовательно. И все это нисколько не затмевает того факта, что создание зондовых микроскопов с атомарным разрешением привело к феноменальному прогрессу науки и техники и выходу их на новый уровень, который мы сейчас обобщенно называем нанотехнологиями. Структура многих объектов была впервые изучена именно с помощью зондовых микроскопов, потому что другие методы были бессильны. А это, в свою очередь, создало основу для целенаправленного конструирования новых объектов, материалов, устройств, обладающих разными полезными для нас с вами свойствами.

Все описанные в этой главе устройства были предназначены и используются для исследования строения различных материалов и объектов. Никто не предполагал, что когда-нибудь они станут инструментами созидания – создания новых структур, материалов, объектов, тем более путем физического манипулирования атомами и молекулами. Открыли это случайно. Сделал это Дональд Эйглер, последний герой нашей истории.

Они были чем-то похожи – Дон Эйглер и Герд Бинниг времен начала своей блистательной научной карьеры. В середине 1980-х годов Эйглеру было уже за тридцать и он тянул лямку в исследовательской лаборатории IBM в Калифорнии, занимаясь на досуге дрессировкой служебных собак, в чем он впоследствии достиг истинного профессионализма и прославился на всю Америку. К тому времени Бинниг уже изобрел сканирующий туннельный микроскоп, а потом и сам объявился в Калифорнии, что, естественно, интенсифицировало исследования по применению нового метода.

Сканирующий туннельный микроскоп был предназначен для исследования поверхности металлов и других проводников, а любая поверхность, как мы помним, обладает свойством адсорбировать разные вещества из окружающей среды. Свойством зачастую неприятным, особенно с точки зрения микроэлектронщиков, которые жаждали узнать, как ведут себя адсорбированные молекулы и нельзя ли как-нибудь если не побороть, то хотя бы уменьшить это зло. С другой стороны, адсорбированные молекулы могли оказаться и полезными. С третьей – почему бы не замахнуться на получение фотографии единичной молекулы с атомарным разрешением. Еще недавно это казалось фантастикой, но если посадить молекулу на поверхность металла, то почему нет? Так что применение сканирующего электронного микроскопа для изучения адсорбированных молекул было вполне естественным шагом, тут не было места случайности.

Эйглер занимался изучением взаимодействия атомов инертного газа ксенона с поверхностью металлов. Дело было гиблым. Это Мюллеру и Биннигу было хорошо, они получали изображение атомов, входящих в состав кристаллической решетки образца и потому неподвижных, а адсорбированные атомы ксенона смещались при малейшем толчке, при нечувствительной вибрации, и вообще атомы склонны ползать по поверхности вследствие теплового движения.

Да и сами сканирующие туннельные микроскопы были, конечно, высшим на тот момент достижением технической мысли, но, с другой стороны, техникой “сырой” и далекой от совершенства. Вот ее совершенствованием применительно к своей задаче и занялся Эйглер, особенно напирая на виброизоляцию и термостатирование.

На доводку прибора ушло три года напряженного труда. Каково же было разочарование Эйглера, когда даже на созданном им “идеальном” приборе он не смог получить стабильной картинки, одно изображение переходило в другое. И дело тут было не в самопроизвольном перемещении атомов – дрожала проклятая иголка! Но в одну прекрасную ночь, когда вокруг не было топающих и разговаривающих коллег, а по улицам не ездили автомобили, Эйглер вдруг заметил, что перемещение атомов на картинке совпадает с направлением отклонения иглы. После этого озарения потребовались считаные часы, чтобы выяснить, как можно управлять перемещением атомов, варьируя удаление кончика иглы от поверхности, подаваемое напряжение и величину туннельного тока.

Оказалось, что лучшее изображение атома ксенона получается, если иголка находится на расстоянии чуть большем 0,2 нм от атома, что приблизительно соответствует размеру самого атома. Если же это расстояние становится меньшим, то игла вступает во взаимодействие с атомом, одновременно ослабляя его взаимодействие с поверхностью. “Зацепив” таким образом атом и поддерживая постоянным оптимальный промежуток, атом можно перетащить на некоторое расстояние и поставить в определенное место.

Эйглер завершил свои ночные штудии созданием композиции из 35 атомов ксенона на поверхности кристалла никеля, восславив в ней название фирмы, которая три года терпеливо ждала результатов его изысканий, – IBM.

Эта фотография была опубликована в 1989 году, но вплоть до середины 1990-х годов никто не мог воспроизвести результаты Эйглера по той простой причине, что ни в одной лаборатории мира не было столь совершенного прибора. Лишь с развитием техники сканирующих зондовых микроскопов исследования в этой области посыпались как из рога изобилия. Исследователи научились манипулировать не только отдельными атомами, но и молекулами, что в большинстве случаев даже сложнее из-за их более прочного связывания с поверхностью.

Открытие этих неожиданных свойств зондовых микроскопов настолько поразило современников, что стало символом наступающей эпохи нанотехнологий и надолго затмило все остальные достижения физики, химии и молекулярной биологии в этой области. Эйглер подарил нам атомный конструктор и продемонстрировал возможность сборки из атомов различных структур. Это отвечало самым смелым мечтам ученых и, в еще большей степени, людей, от науки далеких. Ведь, в конце концов, Природа собрала весь этот мир из атомов, родившихся в результате Большого взрыва. Вот и мы – не хуже! Мы тоже будем собирать из атомов все, что нам нужно.

Интересно, что сам Дон Эйглер высказывается о перспективах атомного конструктора очень осторожно: может быть, когда-нибудь, для некоторых специальных задач. Одной из таких задач он занимается сейчас в IBM. Речь идет о поиске новых способов выполнения вычислительных операций, связанных, в частности, с использованием свойств единичных атомов и молекул их взаимодействий. Будем надеяться, что когда-нибудь это приведет к созданию нового поколения компьютеров.В чем Эйглер не сомневается, так это в огромном потенциале нанотехнологий, понимаемых в самом широком смысле, в том, что уже в обозримом будущем они изменят нашу жизнь, и изменят к лучшему. Согласимся с ним, но с маленькой оговоркой: уже меняют.

Глава 12 Символ нанотехнологий

Он родился в небольшом городке в американском штате Огайо ровно за год до высадки союзников в Нормандии. По настоянию матери его назвали Ричардом в честь ее любимого английского короля-крестоносца. Она хотела, чтобы у сына было такое же львиное сердце. Мальчик оправдал ее надежды, он был упорен в поиске своего Священного Грааля и не истов в отстаивании идей, в которые верил. А верил он в Бога, науку, нанотехнологии и светлое будущее. Как и его древний тезка, он слишком рано ушел из жизни. Сраженный смертельным недугом, он мужественно боролся с ним и до конца своих дней выполнял возложенную на него высокую миссию, не уставая призывать молодых людей: “Будьте учеными, спасайте мир”. И звали его Ричард Смолли.

Семья была хорошо обеспеченной и интеллигентной – счастливое сочетание, жаль, что редкое.

Когда Ричард немного подрос, его мать продолжила образование в колледже, так что мальчик уже тогда начал приобщаться к физике и биологии, сидя на коленях матери и слушая ее дискуссии с однокурсниками. У его матери вообще был чрезвычайно широкий круг интересов – музыка, рисование, скульптура, архитектура и, конечно, история с литературой, любовь ко всему этому она привила и сыну. От отца Ричард научился конструировать разные механические и электрические устройства, а также умению четко планировать свою деятельность и доводить начатое дело до конца. Решение стать ученым он принял после успешного запуска первого спутника в 1957 году – это событие действительно поразило и подвигло к занятиям наукой очень многих как в нашей стране, так и в США. Но выбрал Ричард не космонавтику с физикой, а химию. Сказалось влияние младшей сестры матери, Сары Роудс, одной из первых женщин – профессоров химии в США. В летние школьные каникулы она пригласила Ричарда поработать в ее лаборатории органической химии в Университете Вайоминга, и это решило дело.

После окончания школы Смолли поступил в Хоуп-колледж в Мичигане. Название колледжа следует понимать в самом прямом смысле: hope – надежда. Которая на Бога. В колледже царила довольно строгая христианская атмосфера с обязательным присутствием на церковных службах. Возможно, здесь лежат истоки обращения Смолли к религии в последние годы жизни. В свободомыслящей Америке вообще не поощряются открытые проявления атеизма, здесь принято демонстрировать веру в Господа, к которому апеллируют по любому поводу. Вот и долларовые купюры постоянно напоминают: “In God we trust”. Но Смолли демонстрировал свою приверженность к религии как-то уж чересчур даже для Америки, тем более для научного сообщества. Впрочем, вера Смолли была не такой ортодоксальной, как у Майкла Фарадея. Он не принимал как безусловную истину каждое библейское слово: Земля, естественно, была создана не семь с половиной тысяч лет назад, а несколько миллиардов лет назад, но создана все же Богом. Он же создал Вселенную с параметрами, предопределившими появление на Земле человека – венца творения. В общем, такой специальный вариант креационизма, который оставляет место эволюции и согласуется с большей частью научных данных.

Но все это было много позже. Проведя около двух лет в Хоуп-колледже, Смолли перевелся в Мичиганский университет в Энн-Арборе, где получил степень бакалавра химии в 1965 году. Перед Смолли была открыта дорога к магистерской диссертации, но он принял неординарное решение – пошел работать в промышленность. По его собственным воспоминаниям, он хотел немного пожить в “реальном” мире, чтобы осмотреться и понять, что же он хочет делать в науке. Смолли проработал два года в отделе контроля качества продукции на заводе компании “Shell” в Нью-Джерси, производящем полипропилен и различные изделия из него, а затем перебрался в подразделение, занимавшееся разработкой методов аналитического контроля.

Смолли очень тепло вспоминал об этих годах, говоря, что это было “живое” дело и он очень многому научился. Тем не менее в начале 1968 года он дозрел до мысли, что пора продолжить образование. Это стремление окрепло после женитьбы на очаровательной девушке – секретаре в компании “Shell”. У нас в стране все сейчас происходит наоборот: стоит молодому человеку жениться, как он бросает занятия наукой и переходит на какую-нибудь фирму, где платят существенно больше. Впрочем, есть между нашими странами и много общего. Так, летом 1968 года правительство США отменило для студентов отсрочку по призыву в армию, который тогда практически неизбежно приводил к отправке во Вьетнам. Для работавших на производстве отсрочка сохранялась, так что Смолли благоразумно решил немного повременить с возвращением в университет.

Лишь в конце 1969 года Смолли с женой и новорожденным сыном перебирается в Принстон. К своему главному открытию он приближался методично, географически и идейно. В магистратуре и аспирантуре Смолли занимался микроволновой спектроскопией чистых и смешанных молекулярных кристаллов при температуре жидкого гелия. Постдоковскую стажировку проходил в Чикагском университете, где объектом исследований стали уже газы. Их охлаждение до температур, близких к абсолютному нулю, достигалось за счет сверхзвукового расширения, а для получения спектров применяли новейшее достижение того времени – перестраиваемые лазеры на красителях. Все это требовало создания сложнейших экспериментальных установок, в этом Смолли проявил себя истинным виртуозом. Разработанные методы позволили получать информацию о характеристиках многоатомных молекул с такой степенью точности, которая была доступна ранее только для атомов и двухатомных молекул. Это был переворот в молекулярной физике, понятный и интересный, впрочем, только узким специалистам. И уже тогда были обнаружены совершенно необычные соединения, например, пары, состоящие из атома натрия и атома аргона, то, чего не может быть согласно “школьной” химии.

В 1976 году Смолли получает место ассистента-профессора химии, физики и астрономии на химическом факультете Университета Райса в Хьюстоне и перебирается в Техас. Университет был небольшой и малоизвестный, это в будущем и в значительной мере благодаря Смолли он превратится в Мекку нанотехнологий, тем не менее выбор Смолли определили все же профессиональные соображения – там работал Роберт Кёрл, один из крупнейших специалистов в области лазерной спектроскопии. Смолли собрал усовершенствованный вариант своей чикагской установки, снабдив ее дополнительно масс-спектрометром для измерения массы молекул, образующихся в газовой фазе (нечто подобное сделал незадолго до этого Эрвин Мюллер со своим ионным микроскопом).

За несколько лет Смолли с Кёрлом научились испарять с помощью лазерного луча практически любое вещество, превращая его в газ, состоящий из атомов, и охлаждать этот газ до сверхнизких температур; они смотрели, как атомы взаимодействуют между собой, образуя кластеры – агрегаты, состоящие из нескольких атомов, и определяли их строение. Все это представляло, конечно, большой интерес для теоретической химии, но мир, скорее всего, никогда бы не услышал о Смолли, если бы в один прекрасный день об этих работах не узнал английский химик Гарольд Крото. Он изучал в то время возможность образования простейших соединений углерода и мельчайших углеродных частиц в межзвездном пространстве. Установка Смолли позволяла в какой-то мере смоделировать эти условия, и Крото обратился за помощью в Университет Райса.

В Хьюстоне все немного помешаны на космосе, ведь там располагается штаб-квартира Национального аэрокосмического агентства США (NASA), так что Смолли с Кёрлом с готовностью откликнулись на это предложение. В сентябре 1985 года в ходе нехитрого, по сравнению с предыдущими, эксперимента они испарили углерод и стали изучать масс-спектры, ожидая увидеть целую россыпь кластеров, содержащих два, три и более атомов углерода, соединенных в цепочки. Но вместо этого обнаружили кластер, состоящий из шестидесяти атомов углерода, – C60.

Факт удивительный, но не беспрецедентный. Вот и на страницах этой книги я уже рассказывал о чем-то подобном. Помните спонтанную самосборку молекул поверхностно-активных вещества в мицеллу? Ну а тут атомы углерода самоорганизуются в некую структуру, которая с энергетической точки зрения намного выгоднее других возможных структур. Самое поразительное, что и эту структуру вы знаете, этот объект вы держали в руках, пинали ногами или, в крайнем случае, видели, как это делают другие, на экране телевизора. Это – со временный футбольный мяч, склеенный из пяти-и шестиугольных фрагментов, в нем ровно шестьдесят “вершин”, точек соединения трех фрагментов.

Ничего более совершенного и симметричного, чем этот многогранник, из шестидесяти атомов составить просто невозможно, поэтому обнаруженному кластеру приписали именно эту структуру. И то, что она не противоречила полученным спектральным данным, лишь укрепило уверенность исследователей. Никакими другими доказательствами они не располагали, они не могли даже выделить и “подержать в руках” это вещество, потому что их эксперимент по сути своей выполнялся в очень разреженных условиях, а выход вещества был мизерным. Тем не менее они послали статью в Nature, она вышла 14 ноября 1985 года. Так началась новая эпоха в науке. У нее еще не было названия, но был символ – завораживающе красивый объект, то ли органическая молекула, то ли неорганическая частица размером ровно в один нанометр!

Смолли с Кёрлом и несколькими студентами и аспирантами выполнили серию экспериментов, в ходе которых было обнаружено еще более экзотическое соединение. Представьте себе, что в футбольный мяч при изготовлении вложили теннисный мяч. Тут произошло то же самое, только вложили атом лантана. Причем новое соединение образовывалось “само собой” при одновременном испарении углерода и лантана под действием лазера. Это составило предмет второй опубликованной статьи, ну а третья была посвящена роли кластеров углерода в образовании сажи. За эти три статьи в 1996 году Смолли, Кёрлу и Крото была присуждена Нобелевская премия по химии.

Полагаю, что осенью 1985 года они не задумывались ни о Нобелевской премии, ни о том, что открывают новую страницу в развитии науки, и даже приблизительно не предполагали, какое будущее ждет их детище. Иначе бы не дали ему такое несуразное имя – бакминстерфуллерен. Согласно канонической версии, его структура напоминает купол павильона США на выставке EXPO-67 в Монреале, сконструированный американским архитектором и дизайнером Ричардом Бакминстером Фуллером (1895–1983), отсюда и название. Но в том-то и дело, что лишь напоминает, ведь тот купол Фуллер собрал из тетраэдров, а наш красавец состоит из пяти– и шестиугольников. Скорее всего, первооткрыватели хотели просто почтить память Фуллера, скончавшегося незадолго до того. Фуллер был в США культовой фигурой, не только архитектором и дизайнером, он написал много книг, и ему принадлежит, в частности, такой прекрасный образ, как “Космический корабль Земля”. Так что в Хьюстоне культ Фуллера должен был быть особенно силен.

Научное сообщество быстро сократило название до фуллерена. Интересно, что сам Смолли по возможности избегал пользоваться этим вариантом и предпочитал свой – баки-бол, а открытые позднее углеродные нанотрубки (о них – ниже) именовал баки-трубками.

После открытия фуллерена научные интересы Смолли стали постепенно смещаться от теории к практике. Он разработал один из первых полупромышленных методов получения углеродных нанотрубок и изучал возможности их применения в энергетике. Например, при изготовлении проводов для линий электропередачи. Смолли полагал, что более легкие и хорошо проводящие электрический ток нанотрубки вытеснят в будущем алюминий и медь. Он предлагал также использовать углеродные нанотрубки как наноконтейнеры для хранения водорода, решая таким образом самую больную проблему водородной энергетики. Для внедрения своих разработок Смолли основал компанию “Carbon Nanotechnologies”, а для интенсификации научных исследований – Центр нанонауки и технологии Университета Райса.

А еще он был одним из отцов-основателей Национальной нанотехнологической инициативы США, которая быстро переросла во всемирный нанотехнологический проект. О перипетиях этой долгой истории я поведаю чуть позже, пока же скажу, что одним из ее ключевых моментов стало выступление Смолли в Конгрессе США. В Америке, в отличие от современной России, принято консультироваться с учеными при обсуждении практически любого вопроса, тем более имеющего отношение к технологическому развитию страны. Процедура эта не формальная, к мнению ученых прислушиваются, рекомендации экспертов ложатся в основу принимаемых решений. Конечно, без шарлатанов и проходимцев дело, как и в любой стране, не обходится, но большинство ученых-экспертов выполняют свою работу добросовестно, имея в виду в первую очередь интересы страны, а не пытаются урвать от будущей программы увесистый кусок для своего института или университета и для себя лично. Лучшими экспертами считаются Нобелевские лауреаты, – как люди, достигшие материального благополучия и пика славы и пекущиеся разве что о своей репутации, они могут говорить без оглядки на кого бы то ни было и посему объективны.

Так что Смолли конгрессмены слушали очень внимательно. Блестящий лектор, он доходчиво объяснил этим далеким от науки людям, что могут принести в будущем нанотехнологии. Он проиллюстрировал это, в частности, описанными выше примерами потенциального применения нанотрубок в энергетике. Закончил же медициной – созданием методами нанотехнологий “волшебных пуль”, способных избирательно поражать раковые клетки без побочных эффектов. “Возможно, я уже не увижу этого, – сказал он в заключение, – но я уверен, что с вашей помощью это обязательно произойдет. Рак навсегда останется в прошлом”.

Многие конгрессмены знали, что Смолли болен лейкемией, – в Америке об этом объявляют незамедлительно и говорят открыто. А кто не знал, тот догадался по явным последствиям химиотерапии. Так что эмоциональная концовка выступления произвела вдвойне сильное впечатление. Конгрессмены одобрили проект.Затем Смолли принял деятельное участие в выработке стратегии и тактики проекта. Он привнес в него свою широту, здравый смысл, трезвый расчет и стремление сделать жизнь людей лучше. Смолли сам в какой-то мере стал символом нанотехнологий. Он ушел из жизни 28 октября 2005 года, в возрасте 62 лет.Вернемся к фуллерену. Неужели никто никогда не предполагал существование такой молекулы? Конечно, предполагали, ученые – большие фантазеры. Такую идею высказал, например, японец Еижи Осава в 1970 году. Но статья была опубликована на японском языке, еще менее понятном для научного сообщества, чем русский. Возможно, эту структуру рисовали на бумаге и другие ученые, но потом отвергали как невозможную. Дело в том, что каждый атом углерода в ней соединен с тремя соседями и больше ни с кем, так устроены ароматические соединения, ароматические соединения – плоские. Согласно традиционным воззрениям, молекула фуллерена не имеет права на существование. Это утверждение проверили советские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин в 1973 году. Выполненные ими квантово-химические расчеты указывали, наоборот, на высокую стабильность структуры, составленной из шестидесяти атомов углерода. Но все это было чистым теоретизированием, лишенным практического основания.

Открытие Смолли подхлестнуло фантазию ученых. Фуллерен был сложен из двенадцати пятиугольников и двадцати шестиугольников. Почему именно из них, было понятно, это вытекало из свойств атома углерода: наибольшей устойчивостью обладают циклические структуры, составленные из пяти и шести атомов. Но откуда следует, что соотношение между многоугольниками может быть только таким? Ведь великий математик Эйлер еще в середине XVIII века доказал, что из пяти– и шестиугольников можно составить множество различных многогранников. И ученые принялись увлеченно складывать эти структуры. Сейчас аналогичную задачу предлагают решить школьникам во многих американских школах с помощью специального конструктора. Они довольно быстро обнаруживают, что минимальная структура складывается из двенадцати пятиугольников и двух шестиугольников и содержит, таким образом, двадцать четыре атома углерода, верхнего же предела фантазии нет, размер многогранника можно увеличивать до бесконечности. И каждая из этих структур имела не меньшее право на существование, чем открытый Смолли и Кёрлом фуллерен, хотя и не была такой изысканно красивой.

Когда ученые знают, что и где искать, они находят это с поразительной быстротой. Следуя путем, проложенным Смолли, варьируя условия синтеза, исследователи за десятилетие получили множество различных молекул углерода, дойдя до отметки в 960 атомов. Это был уже целый класс родственных соединений, который назвали обобщенно фуллеренами, а для обозначения каждой отдельной структуры стали добавлять число, указывающее на количество атомов углерода, так что молекула, впервые полученная Смолли, обрела свое окончательное название – фуллерен С60.

Посмотрим на фуллерены под другим углом зрения. Все они состоят только из атомов углерода, химики называют такие соединения простыми. Из школьного курса все мы помним, что у углерода есть два простых соединения – алмаз и графит[61]. И тут вдруг ученые получили целую россыпь – несколько десятков – новых простых соединений углерода, каждое из которых обладало своими, уникальными свойствами.

Феноменальный прогресс был достигнут и в методах получения фуллеренов. Как вы уже поняли, ученым стоит только намекнуть, что какое-то вещество можно получить в принципе, и вскоре они будут синтезировать его в своих лабораториях граммами и килограммами и доведут дело, если потребуется, до промышленного производства. То же случилось и с фуллеренами. Оказалось, что они образуются при дуговом разряде на графитовых электродах, просто раньше никому в голову не приходило искать их в образующейся при этом саже.

За фуллеренами стояла очередь из представителей самых разных фирм, готовых платить за них наличными, – “черный” рынок есть и в науке. Фуллерены еще толком не научились синтезировать, но при этом все были уверены, что в будущем они найдут множество практических применений – поразительный пример массовой прозорливости. Так что фирмачи стремились как можно быстрее испытать это удивительное вещество, чтобы в будущем не остаться с носом.

Нельзя сказать, что фуллерены ценились на вес золота, ведь золото, в сущности, не такой уж дорогой металл. По прошествии нескольких лет выход фуллеренов достиг умопомрачительной величины – двадцать процентов от массы сожженного графитного электрода, а себестоимость производства наиболее распространенного фуллерена С60 опустилась до нескольких долларов за грамм – сущие копейки по сравнению со стоимостью большинства других химических реагентов. Сегодня фуллерены доступны в любом количестве и могут быть использованы в технологических проектах любого масштаба.

Один из таких проектов запущен американской компанией “Konarka Technologies”[62] в 2008 году. Ее специалисты разработали конструкцию гибких солнечных батарей на основе фуллерена С60 и еще одного выдающегося изобретения последнего времени – проводящих органических полимеров. Их КПД составляет около пяти процентов, что заметно ниже, чем у привычных нам кремниевых батарей, но они и намного дешевле. Планы у компании амбициозные – производство батарей суммарной мощностью порядка гигаватт ежегодно.

Фуллерены – лишь одна группа новых простых соединений углерода. Вторая представлена углеродными нанотрубками (УНТ), о которых я уже упоминал выше, да и вы, несомненно, многократно слышали и читали о них раньше, ведь по частоте упоминания в научно-популярной литературе и СМИ они едва ли не главный продукт нанотехнологий.

“Собрать” нанотрубку даже проще, чем фуллерен, ведь при этом используются только шестиугольные фрагменты. Выкладываем из них длинную плоскую полоску, а затем сворачиваем ее в трубку, соединяя между собой противоположные края. Минимальный диаметр трубки, которую можно получить таким образом, составляет четыре десятых нанометра. Верхнего предела нет (реально получают УНТ с диаметром до ста нанометров), как нет ограничений и на длину трубки, которая в пределе бесконечна, но реально варьируется от одного до ста микрон. Школьники, поднаторев в конструировании нанообъектов, возводят на конце такой трубки фуллереноподобный купол из шести– и пятиугольников, придавая ей законченный вид. Что ж, ученые научились получать и такие трубки.

Но ваша фантазия летит дальше. Если мы можем получить трубки разного диаметра, то почему нам не вложить трубки одну в другую на манер матрешки? И это возможно! Только для этого нет необходимости получать нанотрубки разного диаметра по отдельности, проще сразу вырастить так называемую многостенную углеродную нанотрубку. К слову сказать, это даже проще, чем вырастить одностенную.

Самое поразительное во всей этой истории то, что углеродные нанотрубки были известны очень давно. Отечественные исследователи Л.В. Радушкевич и В.М. Лукьянович опубликовали их фотографию еще в 1952 году, но не факт, что это была первая фотография. Я видел эти углеродные “усы” в свои студенческие годы, их получали на кафедре, где я работал, и демонстрировали как курьез Природы. Ученые, конечно, строили разные предположения о том, как устроены эти странные образования, но держали свои гипотезы при себе или обсуждали их в узком кругу с коллегами. Ни один журнал не принял бы к публикации такую статью, ведь в подтверждение гипотезы нельзя было привести ни одного экспериментального факта – тогда еще не были созданы приборы, способные решить эту задачу.

И в сущности, никого это особо не интересовало. Углеродные трубки, или “усы”, были не просто бесполезными, но и вредными созданиями, ведь они вырастали на поверхности различных металлических катализаторов как побочный продукт превращения углеродсодержащих веществ. Они засоряли поверхность катализатора и снижали тем самым производительность процесса. Боролись с ним просто и кардинально – выжигали в самом прямом смысле слова кислородом.

Интерес к углеродным нанотрубкам возник лишь после открытия фуллеренов. Можно сказать, что “открытие” углеродных нанотрубок было предопределено и поэтому не вызвало большого ажиотажа. Собственно, научное сообщество его даже не заметило, ученые долго спорили, кому же принадлежит приоритет, но спорили как-то вяло, несообразно значимости открытия. В конце концов, большинством голосов пальму первенства в их синтезе отдали Сумио Ииджиме из японской компании “NEC”, который в 1991 году сообщил о получении многостенных нанотрубок при распылении графита в электрической дуге, то есть при модификации метода синтеза все тех же фуллеренов.Ажиотаж начался, когда ученые изучили свойства этих ранее бесполезных и вредных образований, в первую очередь их электрические свойства. Чтобы вам лучше было понятно дальнейшее, давайте вернемся ненадолго к нашему конструктору. Опять сложим длинную плоскую полоску и свернем ее в трубку. И вот тут-то обнаружится, что соединить противоположные стороны листа можно по-разному, сдвигая эти стороны относительно друг друга на длину, кратную длине одного шестиугольника. Во всех случаях будут получаться цилиндрические трубки с одинаковыми по размеру шестиугольниками на поверхности, но трубки при этом будут разными! Чтобы убедиться в этом, достаточно разрезать трубку по линии, перпендикулярной ее оси.Так вот, это незначительное на первый взгляд различие в структуре имеет драматическое влияние на электрические свойства углеродных нанотрубок. Если трубка свернута “ровно”, то она обладает “металлическими” свойствами и хорошо проводит электрический ток. Оценочно плотность тока может доходить до миллиарда ампер на квадратный сантиметр. Для сравнения: медный провод плавится и выходит из строя при миллионе ампер на квадратный сантиметр. Это обусловлено практическим отсутствием в нанотрубке дефектов, рассеивающих электроны, и, как следствие, очень низким сопротивлением. Кроме того, нанотрубки обладают высокой теплопроводностью, что способствует эффективному рассеянию тепла, выделяющемуся при прохождении электрического тока. Если же трубка “перекручена”, то она становится полупроводником. При этом электрические свойства зависят как от строения трубки, так и от ее диаметра: чем меньше диаметр трубки, тем сильнее выражены полупроводниковые свойства.

Стало понятно, что на основе углеродных нанотрубок различного строения можно создать все основные компоненты микроэлектроники – диоды, транзисторы, соединительные провода и т. п. А с учетом размера нанотрубок речь шла уже о наноэлектронике[63]. Более того, это стало предвестием смены парадигмы в материаловедении и химии в целом. Раньше исследователи шли по пути синтеза все более сложных соединений, состоящих из атомов множества элементов, и введения разных экзотических, дорогостоящих добавок. Теперь они добивались тех же и даже лучших результатов, изменяя структуру молекул вещества, состоящего из атомов одного-единственного элемента – доступного и дешевого углерода.

Уникальными оказались и механические свойства углеродных нанотрубок. Упругость различных материалов характеризуют модулем Юнга, который показывает, насколько материал сопротивляется растяжению под действием приложенной силы. Например, модуль Юнга стали в 30 тысяч раз больше, чем резины. А у одностенных нанотрубок – в десять раз больше, чем у стали, то есть они практически не деформируются при растяжении.

При этом одностенные трубки очень упруги при изгибе. Их можно сгибать, как каучуковый стержень, а потом они сами распрямятся без повреждений. Их высокая прочность на излом при сгибе и на разрыв при растяжении обусловлена все тем же отсутствием дефектов. Одностенные нанотрубки приблизительно в двадцать раз прочнее стали (на разрыв), к тому же они в шесть раз легче. Какие тросы из них можно свить!

И это отнюдь не фантазия, нацеленная в далекое будущее. Нанотрубки сейчас вполне доступны. Один из основных методов их синтеза был разработан как раз Ричардом Смолли – он выращивал нанотрубки на поверхности металлического катализатора при подаче на него окиси углерода или углеводородов. Круг замкнулся, процесс, который считался раньше безусловно вредным, стал основой новой технологии. И это далеко не единственный пример того, как ученые, используя новые методы, возвращаются к изученным ранее процессам и обнаруживают неожиданные эффекты или продукты, на которые раньше не обращали внимания или отбрасывали за ненадобностью. Так что все же не круг, а спираль – бесконечная спираль познания мира.

В настоящее время получение нанотрубок – довольно рутинная процедура. Действуют промышленные установки по их производству мощностью в несколько сотен тонн в год. При покупке тонны нанотрубок (конечно, смеси, а не индивидуальных) килограмм обойдется покупателю приблизительно в 100 евро. До тросов, электрических кабелей и “наноэлектроники” дело пока не дошло, так что углеродные нанотрубки добавляют, например, в качестве наполнителя в резину вместо сажи, износоустойчивость автомобильных покрышек возрастает процентов на тридцать при той же цене. Или в алюминий – так получают легкие и прочные сплавы для авиационной промышленности. И это только начало.

Есть еще одно простое соединение углерода, знакомое нам со школьной скамьи. В нашем мысленном конструкторе ему соответствует плоскость, составленная из шестиугольников. Именно из таких слоев углеродных атомов сложен графит. Единичный же слой назвали по аналогии графеном. И вот удивительное дело: все знали об этом веществе, из него сложено одно из самых распространенных природных соединений, физики-теоретики наперед рассчитали все его характеристики, но – око видит, да зуб неймет. “Живьем” графен получили позже фуллеренов и углеродных нанотрубок, впервые это удалось сделать лишь в 2004 году нашим соотечественникам Андрею Гейму (род. 1958 г.) и Константину Новоселову (род. 1974 г.), выпускникам Московского физико-технического института, давно, впрочем, перебравшимся в Манчестерский университет. Вы можете повторить их эксперимент и тоже получить графен. Для этого надо взять подходящий кристалл графита, приклеить к нему скотч и рвануть. Все гениальное просто. Остается придумать для этого какое-нибудь броское название – например, технология микромеханического скалывания.

Ученые неспроста так долго маялись с получением графена. С этим тончайшим блином толщиной в доли нанометра может в любой момент случиться все что угодно – склеится, слипнется, скрутится в рулон, пойдет складками. В сущности, графен может существовать только на какой-нибудь подложке, на скотче, на поверхности кристалла кремния и, естественно, на поверхности материнского кристалла графита. Так что Гейм с Новоселовым перенесли графен со скотча на поверхность кремния и экспериментально определили его характеристики, рассчитанные до этого теоретиками. Этого хватило для присуждения им в 2010 году Нобелевской премии по физике. Премия, на мой взгляд, немного курьезная, но это нисколько не умаляет гордости за наших соотечественников и восхищения их изобретательностью. Главный же урок, который всем нам, и особенно молодым читателям, следует вынести из этой истории, состоит в том, что открытия, достойные присуждения Нобелевской премии, можно сделать в областях, казалось бы, паханых-перепаханых, что супернавороченные приборы – всего лишь инструмент исследования, а открытия рождаются по-прежнему в голове ученого, и все зависит от его эрудиции, смекалки и неординарности мышления, способности посмотреть на вещи и явления с неожиданной для всех стороны.

Сейчас о графене много говорят и пишут, с ним связывают будущее наноэлектроники. Отчасти этот шум обусловлен нетерпением журналистов и общественности, которые устали ждать обещанных чудес от углеродных нанотрубок, им потребовался новый герой. Кто победит в этой гонке, предсказать невозможно, лично я поставил бы на нанотрубки просто потому, что ими легче оперировать и они обладают большим многообразием свойств. Но, возможно, первой на финише окажется какая-нибудь “темная лошадка”, о которой можно с уверенностью сказать только одно – она придет из наномира, будет создана методами нанотехнологий. Другого не дано.

Напоследок я расскажу вам об истории возникновения проекта под названием “Нанотехнологии”. Сия длинная комедия состояла из нескольких актов, первый из которых пришелся на заседание сенатской комиссии конгресса США. Это было не то заседание, где выступал Смолли, оно состоялось намного раньше, в 1992 году, и было посвящено актуальной теме “Новые технологии для устойчивого развития”. Что такое устойчивое развитие, никто толком не понимает, так что сейчас это словосочетание используют все реже, но в те годы эта идея была очень популярной. Руководил слушаниями сенатор Альберт Гор[64], большой поборник любых экологических программ. Он-то и пригласил в сенат на слушания в качестве одного из научных экспертов Эрика Дрекслера.

Дрекслер (род. в 1955 г.) получил образование в Массачусетском технологическом институте по специальности “аэрокосмическая инженерия” и какое-то время занимался созданием солнечных батарей. В 1986 году он опубликовал футурологическую книгу “Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии”, которая быстро стала бестселлером. Книга безусловно талантливая, потому что зацепила она многих и зацепила крепко, на всю жизнь. В значительной мере труд Дрекслера проложил дорогу нанотехнологиям и в то же время нанес им огромный вред, потому что многие изложенные там идеи читатели восприняли буквально. (Это можно сравнить с воздействием чтения Ветхого Завета на неподготовленные умы. Не случайно чтение Библии в Средние века было запрещено, а издавали ее “для служебного пользования” на латыни, доступной пониманию только посвященных и просвещенных.)

Речь в книге шла о том, что в далеком будущем различные материалы и устройства будут производить не так, как сейчас, а путем прямой сборки из атомов. Тут Дрекслер проявил себя истинным провидцем масштаба Жюля Верна, ведь в момент написания книги ученые даже не заикались о манипулировании атомами, а Дон Эйглер сложил свою первую композицию из атомов через три года после выхода книги. С другой стороны, отсутствие каких-либо научных зацепок оставляло полный простор для фантазии.

Выросший, как все люди его поколения, на фантастических романах Айзека Азимова, Дрекслер предложил использовать для манипулирования атомами и сборки из них различных устройств машины соответствующих размеров – нанороботы, они же сборщики, или ассемблеры. Помнится, мы с вами размышляли о чем-то подобном применительно к созданию молекулярных машин для операций с ДНК. Дрекслер был инженером, и его подход был чисто механическим: сборщик был оснащен манипуляторами длиной в несколько десятков нанометров, двигателем для перемещения манипуляторов и самого робота, автономным источником энергии и бортовым компьютером, который управлял работой всех механизмов, определял, какой атом или какую молекулу следовало захватить манипулятором и в какое место будущего устройства их поставить. Размер сборщика составлял сто-двести нанометров.

Откуда сборщики брали атомы для манипулирования? Для этого Дрекслер придумал антиподов сборщиков – разборщиков. Они разбирали на атомы попавшиеся им на пути объекты, записывая при этом в память своего бортового компьютера поатомную структуру разбираемого объекта – а ну как сборщикам в будущем потребуется собрать нечто подобное.

Еще один тип устройств – созидатели, или репликаторы. Их основные задачи: поточное производство сборщиков и разборщиков, а также сборка себе подобных репликаторов, то есть размножение. По Дрекслеру, репликаторы – намного более сложные устройства, чем простые сборщики, они должны состоять из сотни миллионов атомов (на два порядка меньше, чем в молекуле ДНК) и соответственно иметь размер около тысячи нанометров. Если продолжительность их репликации будет измеряться минутами, то, размножаясь в геометрической прогрессии, они за сутки создадут триллионы репликаторов, те произведут квадрильоны специализированных сборщиков, которые приступят к сборке макрообъектов, домов или ракет.

Сильно сокращенный вариант этой концепции Дрекслер и изложил на заседании сенатской комиссии. Американские сенаторы, как и подавляющая часть чиновников в других странах мира, далеки от науки, о химии и физике со школьной скамьи они сохранили лишь самое общее впечатление: есть атомы, которые непонятным образом объединяются в молекулы, которые еще более непонятным образом взаимодействуют между собой с образованием разных продуктов, по большей части вредных. Но они сразу ухватили суть предложенной на их рассмотрение идеи: атомы можно просто слепить между собой и получить таким образом любую нужную нам структуру, материал или устройство. И при этом – никаких отходов! Откуда брать атомы? Не вопрос, со склада, конечно. В одном отсеке хранятся атомы водорода, в другом – кислорода, в третьем – ну как там бишь его… Действительно, в чем проблема? Все вокруг состоит из атомов, так утверждают ученые, бери – не хочу. Но вот как манипулировать атомами? И вообще, возможно ли это?

Дрекслер развеял все сомнения, приведя уже известное вам высказывание Ричард а Фейнмана. Он не стал уточнять, что прославленная впоследствии речь Фейнмана была произнесена в неформальной обстановке предновогоднего ужина Американского физического общества в Калифорнийском институте технологии, не сказал ничего и о реакции собравшихся. Как вспоминал один из участников того собрания американский физик П. Шликта: “Реакцию зала в общем и целом можно назвать веселой. Большинство подумало, что докладчик валяет дурака”. Для этого у них были основания, ведь Фейнман был известен как большой шутник. Недаром его автобиографическая книга носила название: “Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман?” Однако Фейнман через несколько лет опубликовал эту речь, а что написано пером, то не вырубишь топором.

Мнение нобелевского лауреата, пусть уже и скончавшегося, – весомый аргумент для сенаторов. Дрекслер рассказал также об эксперименте Эйглера, который в тот момент был единственным и невоспроизведенным, и прозрачно намекнул на то, что аналогичными исследованиями занимаются японцы. Японцы – еще один весомый аргумент, они ребята серьезные, а ну как еще раз обставят американцев.

В общем, нанотехнологии заслужили одобрительную оценку сенаторов. Никаких оргвыводов, однако, сделано не было, но идея пустила корни.

Наступил длинный антракт, в котором я продолжу рассказ о Дрекслере и его концепции. В истории развития любой технической идеи есть период мечтателей – чистых душой, бескорыстных людей, чьи мысли устремлены в будущее. Реализовать пропагандируемые ими идеи они не могут из-за недостаточного уровня развития техники, вот они ничего и не делают. И соответственно ничего с этого не имеют, кроме разве что гонораров за написанные ими книги, по сути научно-фантастические. Таким мечтателем был, например, в космонавтике Константин Эдуардович Циолковский. Дрекслера я бы к мечтателям не отнес, потому что из идеи нанотехнологии он выжал все, на что был способен.

В 1991 году он защитил диссертацию о возможности использования молекулярных нанотехнологий для решения вычислительных задач, столь же умозрительную, как и его книга. А в 1986 году он вместе со своей женой основал Институт форсайта, главной миссией которого была подготовка общества к эре нанотехнологий. Дело в том, что у Дрекслера, как и у большинства пророков, идея светлого будущего идет в связке с идеей конца света, к которому всем и надлежит готовиться.

В своем бестселлере Дрекслер рассмотрел ситуацию, когда функционирование сообщества нанороботов перейдет в режим производства ради производства, безудержного накопления средств производства – самих нанороботов, когда вся их деятельность сведется к увеличению собственной популяции. Идея, впрочем, не нова и почерпнута у того же Айзека Азимова, такой вот бунт машин эпохи нанотехнологий. Атомы для собственного строительства нанороботы могут получить только из окружающей среды, поэтому разборщики начнут разбирать на атомы все, что попадется под их хваткие манипуляторы. В результате по прошествии какого-то времени вся материя и, что самое обидное для нас, биомасса превратятся в скопище нанороботов, в “серую слизь”, как образно назвал ее Эрик Дрекслер.

Идея эта, именно из-за своей образности и апокалипсичности, очень понравилась журналистам и кинематографистам и при отсутствии реальных достижений в манипулировании атомами постепенно вышла на первый план как в выступлениях самого Дрекслера, так и журналистов СМИ о будущих нанотехнологиях.

Между тем начался второй акт нашей истории. Одну из ключевых ролей в нем сыграл Михаил Роко, биоинженер по образованию, защитивший в 1976 диссертацию в Политехническом университете Бухареста и перебравшийся в 1981 году в США, в Университет Кентукки, где он занимался изучением наночастиц. Вследствие широты образования и научных интересов у Роко сложилось свое представление о нанотехнологиях как новой области знания, лежащей на стыке физики, химии и биологии и имеющей огромный потенциал применения в самых разных областях – здравоохранении, сельском хозяйстве, химической промышленности, информационных технологиях, энергетике и т. д. Перейдя в 1995 году на работу в Национальный научный фонд США, Роко постепенно собрал группу единомышленников, и они стали готовить план программы, получившей в будущем название Национальной нанотехнологической инициативы. Роко же принадлежит счастливая идея привлечь к работе над программой такого научного “тяжеловеса”, как Ричард Смолли.

Смолли для начала в пух и прах разнес концепцию Дрекслера. Впрочем, для этого не надо быть нобелевским лауреатом, любой грамотный химик увидит все “проколы”, если даст себе труд немного подумать. Первый аргумент Смолли назвал “липкими пальцами” – по части образности он мог потягаться с Дрекслером. Суть его состоит в следующем: манипулятор, “захвативший” атом, соединится с ним навеки вследствие химического взаимодействия. Дрекслер не учел, что большая часть атомов – чрезвычайно активные частицы, немедленно вступающие в реакцию со всем, что попадется им на пути. (Истоки этой распространенной ошибки мы с вами рассматривали в главе, посвященной Фарадею и наночастицам золота.) Укрепил его в этом заблуждении эксперимент Эйглера. Но ведь Эйглер использовал атомы ксенона, те действительно инертны, попробовал бы он сделать что-нибудь подобное с атомами водорода или кислорода – у него бы ничего не получилось.

Второй аргумент формулируется также очень коротко: число Авогадро. Возьмем уже привычный нам объект – золото. В одном кубическом сантиметре золота содержится приблизительно 6×1022 атомов золота. За сколько времени можно собрать такой кубик из атомов? В восьмой главе я специально указал производительность совершенных природных молекулярных машин по сборке ДНК и белков – за секунду они укладывают не более нескольких десятков блоков. Но предположим, что нам удалось создать наноробот, который может укладывать по миллиону атомов в секунду. В этом случае на сборку кубика объектом в один кубический сантиметр он затратит… два миллиарда лет. Даже если мы поставим к станку миллион таких нанороботов, нам не хватит жизни, чтобы дождаться результата их трудов.

Невозможен, к счастью, при ближайшем рассмотрении и сценарий “серой слизи”. Если, несмотря на все сказанное выше, вы еще верите в возможность сборки чего-либо существенного из атомов, задумайтесь над двумя обстоятельствами. Во-первых, у описанных Дрекслером репликаторов не хватает сложности для создания себе подобных устройств. Так как вы уже наверняка устали от химии, давайте обратимся к аргументу из более близкой сердцу каждого области информатики. Репликатор Дрекслера состоит приблизительно из ста миллионов атомов. Этого мало даже для создания управляющего процессом сборки компьютера, даже для его памяти. Если предположить недостижимое – что каждый атом несет один бит информации, – то объем этой памяти будет 12,5 мегабайта, а этого, как вы понимаете, слишком мало – едва хватит на одну хорошую “картинку”. Во-вторых, у репликаторов возникнут проблемы с сырьем. Элементный состав электромеханических устройств принципиально отличается от состава объектов окружающей среды, и в первую очередь от биомассы. Поиск, извлечение и доставка атомов необходимых элементов, требующие огромных затрат времени и энергии, – вот что будет определять скорость воспроизводства. Если спроецировать ситуацию на макроразмер, то это то же самое, что собирать станок из материалов, которые необходимо найти, добыть, а потом доставить с различных планет Солнечной системы. Недостаток жизненных ресурсов ставит предел безудержному распространению любых популяций, куда более приспособленных и совершенных, чем мифические нанороботы.

Покончив навсегда, как им казалось, с концепцией Дрекслера и вычистив всю “дрекслеровщину” из проекта программы, инициативная группа приступила к продавливанию проекта во властных структурах; упомянутое ранее выступление Смолли перед палатой представителей конгресса США было лишь одним из этапов. Ситуация им благоприятствовала. Экономика США находилась в фазе роста и готовности к инвестициям в новые технологии. У Билла Клинтона подходил к концу срок его президентства, запомнившегося в основном скандалами, связанными с его амурными похождениями, попытками импичмента, покаянием со слезами на глазах перед всей нацией, несколькими “маленькими победоносными войнами” в республиках распавшейся Югославии и бомбардировками Белграда, предпринятыми с очевидной целью отвлечения внимания американской общественности от всего предыдущего. Клинтону хотелось сделать напоследок что-то позитивное и эпохальное. Отдадим ему должное: он сделал правильный выбор. 21 января 2000 года, выступая в Калифорнийском технологическом институте, Клинтон официально объявил о выделении в 2001 году пятисот миллионов долларов на программу Национальной нанотехнологической инициативы (ННИ) – беспрецедентное финансирование для научно-технологического проекта.

Но этот проект и не был в чистом виде научно-технологическим, он включал разделы, затрагивающие многие сферы жизни американского общества – образование, законодательство, пропаганду и т. п. В соответствии с программой государство осуществило значительные инвестиции в развитие инфраструктуры научных исследований. Были созданы нанотехнологические центры в 60 университетах страны. За первые три года реализации программы было выдано 2500 грантов приблизительно 300 академическим организациям и приблизительно 200 предприятиям малого бизнеса и некоммерческим организациям во всех пятидесяти штатах.

К исследованиям было привлечено около сорока тысяч специалистов, имеющих опыт работы по крайней мере в одном аспекте нанотехнологий. Открылись курсы переподготовки специалистов, работающих в других отраслях промышленности. Параллельно началась расширенная подготовка молодых специалистов в университетах по новым программам, ориентированным на нанотехнологии. Более того, началась реорганизация всей системы образования в стране, включая школьное. Цель этой реорганизации – значительное повышение уровня образования молодого поколения Америки, которое на настоящий момент признается несоответствующим новым задачам. Многое делается для изменения менталитета американских школьников, интерес которых к науке и технологиям устойчиво падал на протяжении многих лет. Вся система образования выстраивается вокруг нанотехнологий. Так как они объединяют в себе физику, химию и биологию, то эти дисциплины необходимо преподавать не в отдельности, а в некоем гармоничном комплексе. (Отголоски этого процесса можно увидеть в планах российского Министерства образования, собирающегося ввести в школах курс “естественных наук” вместо отдельных дисциплин.) Существенно, что вокруг этого же ядра предлагается строить и преподавание социальных наук. В широком плане реализация программы предполагала изменение всего строя мышления, переход от редукционистского подхода, характерного для западного человека, к холистическому, целостному.

А как же экономика? Рынок нанотехнологической продукции в ближайшей перспективе оценивался в один триллион долларов – хорошее круглое число, завораживающе действовавшее на многих, в том числе на российских чиновников. Но при этом перспективы экономического роста США оценивались гораздо сдержаннее, предполагалось, что реализация ННИ позволит увеличивать производительность национальной экономики “как минимум на 1 % в год”. Суть дела не в валовых показателях (на которых мы несколько зациклены), а в структурной перестройке экономики.

Собственно, процесс идет давно, его верно подметил еще Элвин Тоффлер в “Третьей волне” (1980 г.). Это – “демассификация” производства. На смену индустриальным гигантам приходят небольшие наукоемкие производства. Переход к нанотехнологиям, при которых происходит непропорциональное, но все же существенное снижение потребностей в производственных площадях, рабочей силе, ресурсах и энергии, очистных сооружениях и т. п., завершает этот процесс. В принципе ничто не препятствует размещению исследовательской лаборатории и производства у себя дома. С учетом дальнейшего развития информационных и коммуникационных технологий все это порождает совершенно иной образ жизни.

С чем авторы программы промахнулись, так это с оценкой безопасности нанообъектов – на это были выделены считаные миллионы долларов. Впрочем, понять их можно. Они, как люди хорошо и широко образованные, знали, что весь мир вокруг нас от своего сотворения был наполнен нанообъектами, что мы сами есть не что иное, как ходящий агломерат различных нанообъектов, так что мысль об опасности нанообъектов в целом просто не могла прийти им голову. Такое огульное утверждение – очевидная глупость. Да, конечно, необходимо проверять безопасность продукции нанотехнологий, но ведь точно так же тестируют любой товар, производимый промышленностью. Здесь не было нужды изобретать ничего принципиально нового – так им казалось. Но они не учли психологического эффекта от навязчивых утверждений некоторых горе-пропагандистов, что сами нанотехнологии есть нечто принципиально новое, а вот нового люди-то и боятся.

Ошиблись они и с убеждением, что с концепцией Дрекслера покончено навсегда. В 2003 году, когда программа уже вовсю шла, подхлестываемая еще более щедрыми вливаниями со стороны администрации Джорджа Буша-младшего, Дрекслер вновь появился на сцене. Он написал открытое письмо Ричарду Смолли, в котором пожаловался, что тот необоснованно обвинил его в незнании основ химии. Мол, Смолли ориентировался лишь на раннюю работу Дрекслера, да и ту извратил, ни о каких механических манипуляторах, конечно, и речи идти не может, а он, Дрекслер, всегда полагал, что это должно быть нечто похожее на ферменты и рибосомы. Смолли ответил, так начался знаменитый “роман в письмах” на страницах журнала Chemical and engineering news.

Я не буду утомлять вас аргументами, с помощью которых Смолли разбил и модифицированную концепцию Дрекслера, тем более что тот вернулся после этого на исходные позиции и спор пошел вокруг возможности получения путем сборки из атомов всего, чего только наша душа ни пожелает. Дрекслер упорно следовал идее, озвученной Фейнманом в его знаменитой лекции: “И наконец, размышляя в этом направлении (возможности манипулирования атомами. – Г.Э. ), мы доходим до проблем химического синтеза. Химики будут приходить к нам, физикам, с конкретными заказами: “Слушай, друг, не сделаешь ли ты молекулу с таким-то и таким-то распределением атомов?” Сами химики используют для приготовления молекул сложные и даже таинственные операции и приемы. Обычно для синтеза намеченной молекулы им приходится довольно долго смешивать, взбалтывать и обрабатывать различные вещества. Как только физики создают устройство, способное оперировать отдельными атомами, вся эта деятельность станет ненужной… Химики будут заказывать синтез, а физики – просто “укладывать” атомы в нужном порядке”. Более того, Дрекслер “творчески” развил идею, распространив на взаимодействие молекул. Он утверждал, что для получения новой молекулы достаточно просто приставить в правильной ориентации друг к другу молекулы исходных веществ.

Меня восхищает ответ Смолли: “Как любовь между юношей и девушкой не возникнет, если их просто поставить рядом, так и молекулы не будут взаимодействовать по нашему желанию, если их просто придвинуть друг к другу. Химия, как и любовь, гораздо более тонкая штука”. Ну что тут добавишь?

В последнем письме Смолли рассказал очень показательную историю. Незадолго до этого он выступал перед большой аудиторией из семисот старшеклассников и студентов с лекцией о нанотехнологиях и энергетике. Затем слушателей попросили написать эссе о нанотехнологиях. Читая их, Смолли был неприятно поражен: половина авторов эссе по-прежнему верила в возможность существования саморазмножающихся нанороботов и бо́льшая часть из них была обеспокоена тем, что в будущем они могут распространиться на всю планету. (История эта показательна, в частности, тем, что ничего за прошедшие годы не изменилось, многие старшеклассники и студенты, с которыми мне доводилось общаться, думают точно так же. Лженаучные и апокалипсические идеи обладают поразительной живучестью!) В заключение Смолли призвал Дрекслера прекратить вводить в заблуждение и “пугать наших детей”.

Многие впоследствии обвиняли Смолли в том, что он убил мечту о безотходном производстве путем сборки из атомов, пойдя на поводу у промышленного лобби[65]. Не соглашусь с этой точкой зрения. Да, Смолли, Роко иже с ними не были мечтателями в описанном выше духе. Они, согласно той же классификации, были романтиками, они думали о светлом будущем и работали ради его приближения. Прагматиками были пришедшие вслед за ними, так всегда бывает.Нанотехнологический проект докатился до России. Денег на эту программу выделили очень много, не меньше, чем в США. В срочном порядке в 2007 году была создана госкорпорация “РОСНАНОТЕХ” (с 2011 года – РОСНАНО). Очень хочется верить, что государственные деньги будут потрачены не зря и с помощью РОСНАНО российским ученым удастся разработать настоящие нанотехнологии…

Заключение

Я рассказал лишь часть из заготовленных историй. Ничего не могу с собой поделать, увлекаюсь, и то кажется интересным, и это, обо всем хочется рассказать, и тут вдруг обнаруживаешь, что оговоренный объем книги не только исчерпан, но и превышен. А сколько, честно говоря, и вовсе упустил. Беда с этими сканирующими микроскопами: рассматриваешь в деталях какой-то небольшой фрагмент, а обширную область неподалеку не замечаешь. Я лишь вскользь упомянул электронику, лазеры и магнитные элементы памяти, ни слова не сказал о молекулярных переключателях, квантовых точках и колодцах, “умных материалах” и “жидкой броне”, о конструировании органов из собственных клеток человека на замену пришедшим в негодность, о нейрокомпьютерных интерфейсах, о метаматериалах, из которых можно сделать плащ-невидимку, и о многом другом. Но чтобы описать все это, потребуется серия книг, бесконечная, как сам наномир, как история познания мира и развития технологий.

Возможно, обо всем перечисленном выше вы уже слышали, вас это не удивляет, вы ждете еще чего-то нового, революционного, что перевернет наши представления о мире и изменит всю нашу жизнь. “Будет ли сделано такое открытие? И когда?” – в нетерпении спрашиваете вы. Кто ж его знает, открытие по заказу не делается. А может быть, оно уже сделано и описано много лет назад в научной статье, на которую никто не обратил внимания, или обратили, да пока не поняли, как все это можно использовать. Нужно гениальное озарение. Сейчас принято считать, что науку делают большие коллективы, но озарение по-прежнему приходит в одну голову. Так что если вы занимаетесь наукой или еще только учитесь, то не тушуйтесь, размышляйте, стройте гипотезы, какими бы безумными они ни казались, быть может, именно вам повезет верно угадать сокрытую доселе тайную суть вещей и явлений. Берите пример с ученых, о которых я рассказал в этой книге. Дерзайте! Удачи!

Библиография

Ниже приведены издания, которые помогут узнать больше о жизни и научном творчестве главных персонажей этой книги.

Глава 1

1)  Франклин Б. Автобиография. М.—Л.: Государственное изд-во политической литературы, 1956. 224 с. (http://amstd.spb.ru/Library/sources/franklin.htm)

2)  Иванов Р.Ф. Франклин (Жизнь замечательных людей). М.: Молодая гвардия, 1972. 256 с.

3)  Уилсон М. Американские ученые и изобретатели / Пер. с англ. В. Рамзеса; под ред. Н. Тренёвой. М.: Знание, 1975. 136 с.

Глава 2

1)  Фигуровский Н.А., Ушакова Н.Н . Товий Егорович Ловиц, 1757–1804. М.: Наука, 1988. 183 с.

2)  Ловиц Т.Е. Избранные труды по химии и химической технологии / Редакция, статьи и примечания Н.А. Фигуровского. М.: Издательство АН СССР, 1953. 618 с.

Глава 3

1) Биография И. Ленгмюра // Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ. В 2 т. М.: Прогресс, 1992. (http://n-t.ru/nl/hm/langmuir.htm)

2)  Уилсон М. Американские учёные и изобретатели / Пер. с англ. В. Рамзеса; под ред. Н. Тренёвой. М.: Знание, 1975. 136 с.

3)  Ленгмюр И. Наука о явлениях, которых на самом деле нет // Наука и жизнь. 1963. № 12. С. 108–114; 1964. № 1. С. 38–42.

4)  Ковальчук М.В., Клечковская В.В., Фейгин Л.А. Молекулярный конструктор Ленгмюра-Блоджетт // ПРИРОДА. 2003. № 12. (HTTP://VIVOVOCO.rsl. ru/VV/JOURNAL/NATURE/11_03/FILMS.HTM)

Глава 4

1)  Гарбер Ю.И. Академик Петр Александрович Ребиндер. М., 1998. 356 с.

2)  Горюнов Ю.В., Перцов Н.П., Сумм Б.Д. Эффект Ребиндера. М.: Наука, 1966, 128 с.

Глава 5

1)  Осинкин А.А. Жизнь и деятельность академика Кирхгофа. Труды Института истории естествознания и техники АН СССР. 1960, Т.30. С. 252–287.

2) Биография Л. Полинга // Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия / Пер. с англ. В 2 т. М.: Прогресс, 1992. (http://n-t.ru/nl/hm/pauling.htm)

3)  Паулинг 1 Л. Природа химической связи / Пер. с англ. М.Е. Дяткиной; под ред. Я.К. Сыркина. М.: Химическая литература, 1947. 438 с.

4) Биография Ф. Сенгера // Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия / Пер. с англ. В 2 т. М.: Прогресс, 1992. (http://n-t.ru/nl/hm/sanger.htm)

5) Автобиография Ф. Сенгера: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1980/sanger.html

6) Биография Р.Б.Меррифилда // Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия / Пер. с англ. В 2 т. М.: Прогресс, 1992. (http://n-t.ru/nl/hm/merrifield.htm)

7) Автобиография Р.Б. Меррифилда: http:// www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1984/merrifield-bio.html

Глава 6

1)  Ипатьев В.Н. Жизнь одного химика. В 2 т. Нью-Йорк, 1945. (Фрагменты этой книги опубликованы, в частности, в журнале “Химия и жизнь”, 1989, с. 26–39.)

2)  Зальцберг М. Три жизни академика Ипатьева // Химия и жизнь. 1992. № 10. С. 78–84; № 11. С. 25–30; № 12. С. 17–24.

1 Так транскрибировали фамилию Полинга в 1950-е годы.

3)  Разуваев Г.А. Рассказы без подробностей // Химия и жизнь. 1988. № 2. С. 15–19.

Глава 7

1)  Радовский М.И. Фарадей. (Жизнь замечательных людей). М.: Журнально-газетное объединение, 1936. 176 с. (http://www.reeed.ru/lib/books/faradei/)

2)  Williams L.P. Michael Faraday: a biography. N.-Y.: Basic books, 1965. 531 p.

3)  Фарадей М. История свечи. М.: Терра, 2008. 176 с.

Глава 8

1)  Уотсон Дж. Двойная спираль / Пер. с англ. М. Брухнова и А. Иорданского. М.: Мир, 1969. (http://bookz.ru/authors/djeims-uotson/dvoinaa-_337.html; Химия и Жизнь. 1968. № 7, с.77–85, № 8, с. 71–78, № 9, с. 62–66; № 10, с. 62–67; 1969, № 1, с. 69–79; № 2, с. 78–85; № 3, с. 61–70; № 4, с. 66–73).

2)  Крик Ф. Безумный поиск. Личный взгляд на научное открытие / Пер. с англ. Л. Газизуллиной, М.: Институт компьютерных исследований, 2004. 192 с.

3)  Wilkins M. The Third Man of the Double Helix: The Autobiography of Maurice Wilkins. Oxford: Oxford Univ. Press, 2003.

4)  Watson J.D., Crick F.H. A structure for deoxoribose nucleic acid. Nature, 1953. V. 171 (4356). P. 737–738. (http:// www.nature.com/nature/dna50/watsoncrick.pdf)

5)  Уотсон Дж. Избегайте занудства. Уроки жизни, прожитой в науке / Пер. с англ. П. Петрова. М.: Астрель, 2010. 464 с.

6)  Крик Ф. Жизнь как она есть, ее зарождение и сущность / Пер. с англ. Е.В. Богатыревой. М.: Институт компьютерных исследований, 2002. 160 с. (http://evolution.powernet.ru/library/crick_life_itself.html)

7) Автобиография К. Маллиса: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1993/mullis-autobio.html

Глава 9

1)  Овчаров К.Е. Дмитрий Иосифович Ивановский. М.; Изд-во АН СССР, 1952.

2)  Lechevalier H. Dmitri Iosifovich Ivanovski. Bacteriological Reviews, 1972. V.36. № 2. P. 135–145. (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC408320/)

3) Биография Ф.П. Роуса: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1966/rous-bio.html

4) Автобиография Г. Б. Элайон: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1988/elion-autobio.html

Глава 10

1) Биография П. Эрлиха: http://www.nobelprize.org/ nobel_prizes/medicine/laureates/1908/ehrlich-bio. html, а также в книге: Лауреаты Нобелевской премии: / Энциклопедия. Пер. с англ. В 2 т. М.: Прогресс, 1992. (http://n-t.ru/nl/mf/ehrlich.htm)

2)  Де Крюи П. Охотники за микробами / Пер. с фр. О. Червонского. М.: Амфора, 2006. 368 с.

Глава 11

1) Автобиография Э. Руска: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/ruska.html

2) Воспоминания об Э. Мюллере: Jacoby M. Atomic imaging turns 50. Chemical and engineering news, 2005. V. 83. № 48. P. 13–16 (http://pubs.acs.org/cen/coverstory/83/8348atoms.html)

3) Автобиография Г. Биннига: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/binnig.html

4)  Жоаким К., Плевер Л. Нанонауки. Невидимая революция / Пер. с фр. А. Кавтаскина. М.: Колибри, 2009. 240 с.

Глава 12

1) Автобиография Р. Смолли: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/smalley-autobio.html

2)  Drexler K.E. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Anchor Books, 1986. (http://edrexler.com/p/06/00/EOC_Cover.html). Русский перевод: Дрекслер Э. Машины созидания: грядущая эра нанотехнологий, см., например: http:// www.mista.ru/nano/

3) Дискуссия Р. Смолли и Э. Дрекслера // Chemical and engineering news. 2003. V. 81. № 48. P. 37–42. (http://pubs.acs.org/cen/coverstory/8148/8148counterpoint.html)

Примечания

1

Губернаторствовал Уильям 13 лет и проявил себя прекрасным администратором, но в отличие от отца он сохранил верность присяге и английской короне, за что неблагодарные сограждане во время революции посадили его в тюрьму. После освобождения Уильям переехал в Англию и не поддерживал с отцом никаких отношений, считая его ренегатом.

2

Аналог этой Декларации в США – Билль о правах, составленный Джеймсом Мэдисоном и принятый в 1789 г. опять же без участия Франклина.

3

Напомню, что нет никакой нужды измерять толщину этой пленки. Достаточно знать объем разлитого масла и площадь пятна.

4

См., например, http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=2335 или http://www.membrana.ru/particle/10845

5

Для специалистов: из производных имидазола.

6

Это не опечатка. Шеврёль действительно прожил 102 года – и никакого Альцгеймера! Пост директора Национального музея естественной истории он оставил в возрасте 93 лет, продолжая при этом читать лекции и выполнять экспериментальные исследования. Возможно, в этом заключается секрет активного долголетия: надо непрерывно работать руками и, главное, головой.

7

Правда, в физике ПАВ – это поверхностные акустические волны, и открыл их вездесущий лорд Рэлей.

8

Так в то время называлась область, в состав которой входил город Кисловодск.

9

Но как такое может быть?! Разве вода не должна мгновенно испаряться с горячей поверхности? В том-то и дело, что может. Ребиндер опроверг очевидность, и в этом состоит его величие. Адсорбция вообще дело страшное, с поверхности силикагеля воду откачивают при 250°С в глубоком вакууме в течение нескольких часов. Не испаряется она, хоть ты тресни.

10

Ребиндер использовал раствор сапонина в воде – глюкозида, извлекаемого из многих растений, например мыльного корня.

11

Здесь мы говорим о частицах неорганической природы – основном классе веществ, подвергаемых механическому измельчению. В то же время белки могут находиться в растворе в изолированном состоянии, но для этого Природе в ходе эволюции пришлось сильно постараться и выработать собственные защитные механизмы предотвращения агрегации.

12

Речь идет не о подсолнечнике, а в первую очередь о конопле. Из ее стеблей вырабатывали также пеньку, которая шла на изготовление тросов и веревок для флота. Бескрайние поля конопли – и никакой наркомании!

13

Более точно – в дисахарид мальтозу, составленный из двух молекул глюкозы.

14

Герман Штаудингер считается основоположником химии высокомолекулярных соединений. Его работы в этой области были отмечены Нобелевской премией по химии 1953 г.

15

Антуан Фуркруа (1755–1809) – известный химик, участвовавший вместе с Антуаном Лораном Лавуазье (1743–1794) в создании новой химической номенклатуры и ниспровержении теории флогистона. Но он был также и политическим деятелем и в этом качестве оказался невольно причастен к смерти Лавуазье – того гильотинировали по приговору Конвента, депутатом которого от якобинской партии был Фуркруа. Сам же Фуркруа продемонстрировал выдающуюся политическую изворотливость, вовремя переметнувшись на сторону термидорианцев, свергнувших якобинцев. При Наполеоне занимал пост генерального директора по народному образованию и получил графский титул. В 1802 г. был избран иностранным почетным членом Петербургской академии наук.

16

Эмиль Фишер был вторым лауреатом Нобелевской премии по химии (1902 г.), которую он получил за работы по синтезу сахаров и пуриновых производных.

17

Доказательство это убедило не всех. В 1940-х годах в СССР изучением новообразования живых клеток занималась О.Б. Лепешинская (1871–1963) при поддержке Т.Д. Лысенко. Ее воззрения были признаны на самом высоком уровне – в 1950 г. она получила Сталинскую премию и была избрана действительным членом Академии медицинских наук. Впрочем, подавляющее большинство ученых ее идеи отвергали и ернически называли их “теорией самозарождения вшей в грязном белье”.

18

Э. Бухнера (1860–1917) ждала трагическая судьба. Во время Первой мировой войны нобелевский лауреат, разменявший шестой десяток, служил в чине майора в полевом госпитале в Румынии. Он был ранен при артиллерийском обстреле и через девять дней скончался от ран.

19

Квакеры – христианское движение, возникшее во времена английской революции XVII в. Исповедовали всеобщее равенство, честность, простой образ жизни, отвергали официальную Церковь, присяги, клятвы и насилие во всех видах. За эти “не удобные” черты характера квакеров не любили как власть имущие, так и многие окружающие.

20

Многие исследователи отказывают инсулину в высоком звании белка, называя его пептидным гормоном. Граница эта весьма условна, ведь с химической точки зрения белок – это длинный полипептид. Сколько аминокислот нужно соединить между собой, чтобы полипептид превратился в белок? Ученые договорились, что межевой камень лежит на количестве в 50 аминокислот. Подозреваю, что это было сделано отчасти для того, чтобы в число белков попал инсулин.

21

Ученые обнаружили также существование четвертичной структуры, которая образуется в результате взаимодействия нескольких белков, обладающих собственной третичной структурой. Эти сложные наноструктурированные объекты могут включать как идентичные, так и разные белки и ферменты. Например, АТФ-синтезный комплекс включает более тридцати различных единиц.

22

К слову сказать, стандартная курсовая работа по органической химии на химическом факультете МГУ состоит из трехстадийного синтеза. Как говорится, почувствуйте разницу.

23

Создание новых технологий требует времени, чего многие не понимают, в первую очередь активисты экологических движений, которые хотят всего и сразу.

24

Р. Вильштеттер получил Нобелевскую премию в 1915 г. за изучение хлорофилла – зеленого пигмента растений, играющего в процессе фотосинтеза важнейшую роль преобразователя энергии солнечного света в энергию химического превращения углекислого газа в органические соединения. Молекула хлорофилла похожа на теннисную ракетку и представляет собой плоский диск диаметром около 1 нм с “ручкой” длиной около 2 нм – еще один поразительный пример нанообъекта, созданного Природой. Он входит в состав сложной наноструктуры – хлоропласта, в котором собственно и протекает процесс фотосинтеза. К сожалению, объем книги не позволяет нам более подробно остановиться на строении и свойствах этих интереснейших объектов.

25

Лев Александрович Чугаев (1873–1922) известен работами в области химии и биохимии, он, в частности, основал в Москве Институт по изучению платины и других благородных металлов. Скончался от тифа в Вологодской области.

26

См.: Хантингтон С. Столкновение цивилизаций. М.: АСТ, 2003.

27

Здесь и далее цитаты из книги В.Н. Ипатьева “Жизнь одного химика”.

28

Интересная деталь: за отсутствием помещений лаборатория первоначально была организована в квартирах, принадлежавших Ипатьеву и другому известному химику, академику Н.С. Курнакову (1860–1941). По воспоминаниям академика Г.А. Разуваева (1895–1989), начинавшего там свою долгую научную карьеру, “от обеих квартир отделили кухни, Ипатьев еще отдал комнату для прислуги и коридорчик, ведущий в уборную. На этом небольшом пространстве устроили два вытяжных шкафа (трубы от них вывели прямо в форточку), да лабораторные столы, роль каковых исполняли столы кухонные с дверцами и ящиками внизу”.

29

Джейн Марсе(1769–1858) – английская писательница, автор серии научно-популярных книг по самым разным областям знания, супруга швейцарского физика Александра Марсе. Ее роль в становлении английской науки можно сравнить с вкладом Якова Исидоровича Перельмана (1882–1942), чьи книги пробудили интерес к науке в нескольких поколениях российских школьников. Вот и Джейн Марсе многие британские ученые считали своей первой учительницей. “Когда бы я ни обращался мыслью к прошедшему, сравнивая его с настоящим, – писал Фарадей, – я неизменно думал о моей первой учительнице и всегда считал долгом посылать ей свои сочинения как выражение благодарности, и эти чувства меня никогда не покинут”.

30

От англ. valet – камердинер, лакей, слуга.

31

Уильям Хайд Уолластон (1766–1828) открыл палладий и родий, впервые получил в чистом виде платину, открыл ультрафиолетовое изучение и изобрел рефрактометр.

32

Английский астроном и физик Джон Гершель (1792–1871) был сыном Уильяма Гершеля, открывшего планету Уран.

33

По разносторонности Уильяма Уэвелла (1794–1866) можно сравнить разве что с самим Фарадеем, но его интересы были направлены в гуманитарную сферу – философию, теологию, историю науки. Собственно, именно Уэвелл придумал в 1840 г. этот термин – наука (science). А еще он писал: “Нам крайне нужно подобрать название для занимающегося наукой. Я склонен называть его Ученым (scientist)”.

34

Фебус (Фишель) Левин (1869–1940) вырос и получил медицинское образование в Санкт-Петербурге, в 1893 г. эмигрировал в США.

35

За эти исследования Тодд в 1957 г. получил Нобелевскую премию по химии.

36

Уильям Лоренс Брэгг (1890–1971), будучи студентом-исследователем в Кембридже, предложил в 1912 г. уравнение, описывающее дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах и позволяющее рассчитывать положение атомов в кристалле. За это открытие он вместе со своим отцом Уильямом Генри Брэггом получил в 1915 г. Нобелевскую премию по физике, став самым молодым лауреатом за всю историю премии.

37

Мы настолько привыкли к словосочетанию “молекула ДНК”, что зачастую забываем, что в ядре каждой клетки нашего организма содержится как минимум 46 различных молекул ДНК, по числу хромосом. Кроме того, в каждой клетке имеются сотни и тысячи митохондрий – специальных структур, органелл, обеспечивающих клетки энергией. Каждая митохондрия включает молекулу ДНК, отличающую по строению (она замкнута в кольцо) от ДНК хромосом. В дальнейшем я буду говорить преимущественно о “ядерной” ДНК.

38

Разрезание молекулы ДНК на фрагменты – один из примеров получения нанообъектов методом “сверху-вниз”.

39

Франсуа Жакоб (род. 1920 г.) и Жак Моно (1910–1976) получили в 1965 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине “за открытия, касающиеся генетического контроля синтеза ферментов и вирусов”, которую они разделили с французским микробиологом Андре Львовым (1902–1994), выходцем из еврейской семьи, эмигрировавшей из Российской империи.

40

Не путать с американским биохимиком Стенли Коэном (род. 1922 г.), лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине 1986 г. за работы в области гормонов – факторов роста.

41

А откуда мы знаем, какие праймеры надо взять, спросите вы. Отвечу коротко: из сочетания огромного опыта, накопленного молекулярными биологами, и интуиции исследователя. И в конце концов, могут же ученые иметь свои маленькие секреты?

42

К чести Маллиса, он сослался на эту работу, опубликованную в советском журнале “Биохимия” на русском, естественно, языке. И вообще, как полезно следить за новинками научной литературы, в том числе в смежных областях.

43

Не путать с его братом Николаем Николаевичем Бекетовым (1827–1911), одним из основоположников физической химии.

44

Бейеринк, помимо всего прочего, был иностранным членом-корреспондентом Российской академии наук (1924 г.) и иностранным почетным членом АН СССР (1929 г.).

45

Напомню, что молекула хлорофилла похожа на теннисную ракетку и представляет собой плоский диск диаметром около 1 нм с “ручкой” длиной около 2 нм. Впрочем, Ивановскому это не было известно. Химическое строение хлорофилла было установлено Гансом Фишером в 1940 г.

46

Заметим, что во времена не только Ивановского, но и Стэнли эта фраза звучала чистейшей тарабарщиной. Не случайно Стэнли писал о том, что вирусы представляют собой “практически чистый” кристаллический белок.

47

Многие женщины называют паразитами всех мужчин, добавляя к этому эпитет “одноклеточные”. Отличительные черты одноклеточных – нацеленность только на секс, алкоголь и футбол и неспособность понимать душевные терзания высших, многоклеточных, существ.

48

Между прочим, родной брат замечательного писателя Вениамина Каверина (1902–1985), автора романов “Два капитана”, “Исполнение желаний” и “Открытая книга”, где описана история отечественного пенициллина, Каверин был прекрасно осведомлен обо всех ее перипетиях, ведь прототипом главной героини Татьяны Власенковой послужила Зинаида Виссарионовна Ермольева (1898–1974), первая жена Л.А.Зильбера.

49

К счастью потому, что рак в большинстве случаев – заболевание не инфекционное. С другой стороны, с вирусами можно довольно успешно бороться, о чем я расскажу чуть позже. Но вот старость можно только отодвинуть, а не отменить вовсе, не отменишь также солнечное излучение и другие факторы окружающей среды, которые, как полагают, и служат причиной большей части онкологических заболеваний.

50

Это не метафора, именно так называется один из видов лимфоцитов – подвижных клеток иммунной системы.

51

Если история вакцинации насчитывает уже более двух веков, то интерфероны стали производить в заметных количествах лишь в начале 1980-х гг. после создания методов генной инженерии. Помню, как в те годы мы вовсю закапывали в нос этот чудодейственный препарат, не прошедший еще клинических испытаний, – нам его давали друзья из Института биоорганической химии, принимавшие участие в разработке. А мы им в знак благодарности сообщали результаты испытаний: помогает!

52

История работ по созданию антивирусных препаратов описана в эпической саге де Клерка, опубликованной в нескольких номерах журнала “Medical Research Reviews”: 2008, том 28, с. 929–953; 2009, том 29, с. 571–610 и 611–645; 2010, том. 31, с. 118–160. К сожалению, осилить этот текст могут только очень узкие специалисты.

53

Жизнь Марты Чейз-Эпштейн сложилась трагически. В 60-е гг. молодую женщину поразила болезнь Альцгеймера, потеря памяти, и ее научная карьера, начавшаяся столь блестяще, прервалась.

54

Этот вирус, обнаруженный в клетках обезьяны и человека, способен вызывать образование опухолей. С ним связан один из самых громких скандалов в истории медицины: в 1960-х гг. обнаружили, что им была заражена вакцина от полиомиелита, произведенная в США и применявшаяся по всему миру. По одной из версий, вирус попал в вакцину из клеток почек инфицированных обезьян, которые использовали для выработки вакцины, а применявшийся метод инактивации собственно вируса полиомиелита не затронул вирус SV40. Точное число инфицированных во всем мире не установлено, но счет идет на миллионы.

55

Это не имеет никакого отношения к созданию бактериологического оружия нового поколения. Уверен, что вы, знакомые с широкими возможностями трансформации вирусов методами генной инженерии, спокойно отнесетесь к термину “синтетический вирус”, в отличие от некоторых журналистов и групп истерических и обычно малообразованных граждан, которые во всяком научном открытии видят предвестие конца света.

56

Путаница в терминах связана, в частности, с особенностями перевода. Точно так же волшебную пулю часто называют магической. Первый вариант лично мне нравится больше. Не люблю я магию, ни черную, ни белую, а вот волшебство – это сказка, сказки мы любим.

57

Концепция гематоэнцефалического барьера, включая сам термин, была окончательно сформулирована в 1921 г. Линой Соломоновной Штерн (1878–1968), первой женщиной-профессором Женевского университета. В 1925 г. Штерн вернулась в СССР, возглавила Институт физиологии АН СССР, в 1939 г. стала первой женщиной – действительным членом АН СССР. Несколько лет провела в лагере, не без этого.

58

В частности, широко употребляется количественная характеристика токсичности LD50 – доза токсичного вещества, необходимая для того, чтобы погибла половина членов испытуемой популяции.

59

Вообще-то это его псевдоним, произносимый к тому же на английский манер. На самом деле его звали Луи Виктор Пьер Раймон, герцог Брольи. Ему принадлежит одно высказывание, прекрасно ложащееся в канву книги: “Ученый часто чувствует себя погребенным под массой статей и монографий, выходящих во всех уголках земного шара. Он все время рискует запутаться в мелочах и упустить главное”.

60

В.К. Зворыкин– человек замечательный и жизнь прожил удивительно интересную, не говоря уж о сделанных им изобретениях. Будь в этой книге глава, посвященная телевидению, Зворыкин был бы в ней главным персонажем. Рассказывать же о нем вкратце и между прочим просто не хочется, из большого уважения. Так что как-нибудь в следующий раз, не обессудьте.

61

Окончившие спецшколы и химические институты назовут еще карбин, но он был и остается экзотикой.

62

Эта компания примечательна тем, что была организована в 2001 г. как отделение Массачусетского университета и являет пример успешного симбиоза науки и производства, к которому не устают призывать лидеры нашей страны.

63

Заметим, однако, что вся современная кремниевая микроэлектроника уже давно по сути является наноэлектроникой, ведь размер всех ее элементов составляет несколько десятков нанометров. Но наноэлектронику продолжают упорно связывать с новыми “революционными” нанотехнологиями, что вводит людей в заблуждение. Большинство просто не видит продукта реальных нанотехнологий в постоянно используемых ими устройствах – компьютерах, мобильных телефонах, плеерах и т. д.

64

Осенью того же года Альберт Гор был избран вице-президентом США, по должности отвечал в администрации Билла Клинтона за развитие науки и продолжал заниматься экологическими проблемами, что принесло ему в 2007 г. Нобелевскую премию мира.

65

Такого мнения придерживаются и многие члены научного сообщества, например известный французский физик Кристиан Жоаким. Его книга “Нанонауки. Невидимая революция” была издана на русском языке издательством “КоЛибри” в 2009 г.

Content

Эрлих Генрих Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Генрих Эрлих Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий Введение

Глава 1 Первый

Глава 2 О величии и юбилейных рейтингах

Глава 3 Мисс Марпл коллоидной химии

Глава 4 Прочность через разрушение

Глава 5 Био и Нано – близнецы-братья

Глава 6 Жизнь одного химика

Глава 7 Мал золотник, да дорог

Глава 8 Молекула жизни, или Яблоко раздора

Глава 9 Живое или неживое?

Глава 10 “Волшебная пуля”

Глава 11 Атомный конструктор

Глава 12 Символ нанотехнологий

Библиография

Примечания