Книга Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров

лет назад до биологии дошла с запозданием на полвека революция, зародившаяся в начале XX века в физике и частично в химии. Биологи вкупе с физиками и химиками начали проникать во внутренние физико-химические основы удивительных явлений жизни. За 15 лет уже получены интереснейшие научные результаты, причем темпы работ непрерывно нарастают. Как в свое время при изучении строения атома, эти крупнейшие научные достижения не имеют сейчас и, быть может, не будут иметь еще некоторое время серьезных практических результатов. Но нет сомнения, что рано или поздно они приведут к революционным сдвигам в медицине и отчасти в сельском хозяйстве. Так, например, я уверен, что проблема лечения рака может быть решена лишь на основе развития этого направления биологии. Я уверен, что работы по выяснению механизма физико-химических процессов в жизнедеятельности приведут также к подлинной революции в химии».

Это ли не отповедь тем, кто любую попытку углубиться в теорию аттестует как «отрыв от жизни, от практики»?

«Теория наиболее практична. Она — квинтэссенция опыта». Эти слова Людвига Больцмана как нельзя лучше характеризуют квантовую химию.

Тысячи вопросов. Сотни загадок. Они не дают спокойно спать биологу и химику. Но если бы не было все новых проблем, значит наука остановилась бы в своем развитии!

…Почему из кедровой шишки не вырастает баобаб? Отчего у кошки всегда рождаются котята, а не тигрята, у собаки — щенята, а не волчата? Где те сокровенные пружины, которые управляют наследственностью?

Вопросы могут показаться сугубо теоретическими. Но так ли уж они оторваны от практики? Выведение высокоурожайных сортов растений, высокопродуктивных пород домашнего скота, даже, быть может, лечение раковых опухолей — все упирается в природу наследственности. Недавние исследования в этой области привели к расшифровке «генетического кода», в соответствии с которым строятся белковые молекулы. Но еще не все детали процесса, называемого переносом генетической информации, выяснены учеными. И чем глубже теоретический поиск, тем богаче практические плоды его.

Каким образом действуют лекарства на больной организм? Какова роль ничтожных добавок элементов к пищевому рациону человека, домашних животных и культурных растений? Какова химическая технология процессов жизнедеятельности?

Исследование химизма явлений внутри живой клетки — верный путь к здоровью, долголетию, изобилию.

И не будь квантовой химии, насколько затормозился бы прогресс биологии, медицины и сельского хозяйства!

С другой стороны, проникновение в физико-химические принципы живой природы — это путь к совершенствованию химической технологии.

Получение азотных удобрений — сложный производственный процесс, где не обойтись без высоких давлений и температур. А клубеньковые бактерии легко усваивают азот из воздуха даже в холодную погоду и при любых показаниях барометра. Вот что значит ферменты! Поразительна их активность и избирательность. Микроскопичны дозы этих живых катализаторов, но колоссально количество «сырья», которое они способны переработать.

Разобравшись в механизме действия ферментов, ученые создадут эффективные катализаторы, которые избавят производство от трудоемких, дорогостоящих и далеко не безопасных химических процедур.

Управлять составом и пространственной структурой синтезируемых полимеров — это по собственному усмотрению придавать пластикам электропроводность, прочность, жаростойкость. Самое тонкое регулирование вполне осуществимо с помощью так называемых стереоспецифических катализаторов. Именно такие процессы и вещества создают сложнейшие внутриклеточные постройки. Изучение их принесет переворот в технологию полимеров.

Теоретические и практические успехи каталитической химии не оставляют сомнения в том, что создание подобных веществ вполне реально. Конечно, вовсе не обязательно копировать до тонкостей ферменты. Уже сегодня удается моделировать их устройство и принципы действия с хорошей степенью близости к реальным явлениям. Так, недавно открыты комплексные катализаторы процессов полимеризации. Они чем-то напоминают ферменты. Во всяком случае, с их помощью можно проводить синтез этилена, пропилена и других мономеров при атмосферном давлении и комнатной температуре. А ведь раньше это казалось несбыточной мечтой!

Созданы катализаторы, содержащие ванадий, которые похожи своей изумительной производительностью на микроэлементы. Каждый грамм ванадия позволяет получить до тонны полимера.

Мышца. Замечательный аппарат, способный превращать химическую энергию непосредственно в механическую работу с кпд втрое большим, чем у паровых машин. Маршрут обходится без пересадок: без паровых котлов, турбин и электромоторов. Подобные движители внесут революционные изменения в технику. Полимерные мускулы неузнаваемо изменят облик теперешних машин: экскаваторов, лебедок, блоков. Вместо колес появятся ноги-рычаги, шагающие через ухабы и ползающие по дну моря. Самолеты еще больше будут походить на птиц, обзаведясь машущими крыльями вместо неподвижно распластанных в воздухе. И все это без электромоторов и двигателей внутреннего сгорания!

Мышечный белок миозин — высокомолекулярное соединение, сотворение которого покамест является монопольной прерогативой живого организма. Но уже созданы первые полимерные ленточки — аналоги этой чудесной могучей ниточки. Они сокращаются при изменении кислотности среды. Этот эксперимент, поставленный в лаборатории советского академика Владимира Александровича Энгельгардта, открывает перед конструкторами совершенно новые перспективы.

Мозг. Это не просто грандиозное скопление клеток, хитросплетение нервных волокон и кровеносных сосудов. Это уникальное счетно-решающее и логическое устройство, состоящее из 15 миллиардов ячеек. Но оно весит всего около полутора килограммов. Потребляемая им мощность такая же, как и у небольшой электрической лампочки. Ему нужно всего 5 граммов глюкозы и около 3 литров кислорода ежечасно. Таких машин еще не создали человеческие руки. Мозг до сих пор остается клубком неразгаданных тайн. Но этот клубок уже начали распутывать ученые — ниточку за ниточкой, методично, скрупулезно. И здесь на помощь физиологам пришла квантовая биология и кибернетика.

Так в тесном взаимодействии, бок о бок, с обоюдной заинтересованностью ведут ученые нелегкий поиск на стыках наук. Лучше понять друг друга им помогает математика. И прежде всего могучий аппарат квантовой механики.

Еще не скоро появятся белково-электронные роботы, повторяющие (а может, и превосходящие?) функции мозга со всей их эффективностью. Но уже сегодня вторжение счетной техники в сферу умственной деятельности изменяет облик химических лабораторий. Оказалось, что в принципе можно в некоторых случаях обойтись без традиционного инструмента химических исследований — колбы. Даже без самих реагирующих веществ. Как это делается, вы прочитаете в следующей главе.

Квантовая химия продолжает наступление на твердыни природы. Трудности — где их нет? — не смущают ученых. Настанет день, и лабораторный сложнейший эксперимент будет сначала проводиться не в колбе, а на бумаге. На смену интуиции и эмпирике всюду придет точный расчет. Квантовая химия будет не просто проверять и поправлять экспериментаторов, она сама станет мощным орудием химического синтеза. Материалы с невиданными свойствами будут конструироваться с помощью чертежей и математических уравнений.

Этот день не за горами. Ибо все шире фронт работ на стыках наук. Все дальнобойней дерзкие рывки научной мысли. Все теснее смычка теории с практикой.

Наука у нас становится непосредственной производительной силой общества, сказано в Программе