Заглянем в будущее

О создании новых веществ и материалов будущего рассказывает профессор А. И. Китайгородский

Очень, конечно, хочется заглянуть в свое будущее, будущее своего коллектива, будущее людей. Крайне интересно делать всяческие прогнозы. Жаль лишь, что ввиду недолговечности жизни убедиться в справедливости их можно, только ограничившись началом третьего тысячелетия. Как будут жить люди на исходе нашего и в начале наступающего XXI века?

На этот вопрос пытаются дать ответ писатели-фантасты, а в последнее время и многие ученые. Первые фантазируют свободно, вторые стараются оставаться в рамках законов природы.

Что касается более или менее отдаленного будущего (в котором не придется жить ни мне, ни тебе, читатель), то рассуждения о грядущем должны быть предоставлены мечтателям. В тех же случаях, когда речь идет о ближайших десятилетиях, вступает в силу здравый научный подход.

Читая романы, публицистические сочинения и научные трактаты, псевдонаучные рассуждения и фантастические повести о будущем, видишь отчетливую возможность разбить их на три категории. Первая — это научные прогнозы, основанные на экстраполяции сегодняшнего положения мирских дел; их авторами являются специалисты в области прогнозов. В произведениях второй категории делается попытка заглянуть в отдаленное будущее, не изменяя сегодняшней науке; их авторы — научные работники, профессионально не занимающиеся прогнозированием. И наконец, третья — немногие фантастические произведение, авторы которых не связывают себя рамками законов природы. Как правило, сочинения такого типа выходят из-под пера профессиональных литераторов, но не деятелей науки.

Сейчас мы рассмотрим основные черты первого подхода к будущему и проиллюстрируем его на теме этой статьи.

Экстраполяция — математический термин, и означает он следующее. Написан ряд чисел 1, 3, 5, 7, 9, 11… Какие пойдут дальше? Можно ответить: «А откуда я знаю?», но можно сказать и иначе: «Если закон следования сохранится, то дальше пойдут числа 13, 15, 17…». В этом и состоит идея экстраполяционного предсказания будущего, основанного на изучении прошлого.

Особенно наглядной является экстраполяция графическая. По вертикальной оси будем откладывать, скажем, прирост населения за год, число заокеанских телефонных разговоров, автомобильных катастроф, урожай хлеба в миллионах тонн и т. д., а по горизонтальной оси — время. По точкам построим кривые. Разными темпами они будут вздыматься вверх, иногда идти вниз, а то и колебаться около какого-нибудь значения. Можно рискнуть продолжить кривую на будущее в предположении, что закон изменения останется тем же, каким был.

То, что этот метод рассуждения «работает» неплохо, известно из анализа прошлого. Темп изменения часто характеризуют временем удваивания или удесятерения. Оказывается, что в большом числе случаев время удваивания многих факторов, определяющих жизнь общества, остается неизменным на протяжении столетий.

Казалось бы, например, какие только события не происходили в мире, которые могли бы препятствовать росту, скажем, числа научных работников. Однако случайности сглаживаются, и в результате оказывается, что число деятелей науки в США начиная с 1800 года изменялось следующим образом: 1800 год — 1000 человек, 1850 год — в десять раз больше, то есть 10 000 человек, в 1900 году — 100 000 человек и в 1950 году — миллион. Значит, увеличение в десять раз за пятьдесят лет.

Первый вопрос, который, естественно, возникает: на сколько времени вперед можно экстраполировать ту или иную функцию? Ясно, что пророки ближайшего будущего будут ошибаться реже тех, кто осмеливается делать предсказание на много десятков лет вперед.

Также верно, что надежность предсказания тем большая, чем дольше наблюдалась закономерность в прошлом. Если вытащили из ящика десять белых шаров, то имеется достаточно большая вероятность, что и одиннадцатый шар будет белым. Если сто шаров оказались белыми, то вы удивитесь, обнаружив, что сто первый шар — черный. А если миллион испытаний приводил к одному и тому же результату, то нарушение правила покажется чудом.

Нечто в этом роде справедливо и для предсказания будущего, основанного на экстраполяции. Резкие изменения в ходе какой-либо кривой невероятны. Однако вдумчивый исследователь должен тщательно следить за едва заметными признаками, которые свидетельствуют о том, что началось изменение темпа.

Число кинопосещений в год до некоторого времени неуклонно вырастало. Но появилось телевидение, и зрители предпочли получать радости от искусства, посиживая у себя дома в удобном кресле, попивая чай. Темп роста кинопосещений замедлился, затем кривая перегнулась и пошла вниз. Можно было предугадать такое ее поведение?

Несомненно! Экстраполяция — это вовсе не наивное механическое продление сегодняшней ситуации на отдаленное завтра. Если бы суть метода сводилась к этому, то прогнозирование было бы элементарно простым делом. Для того чтобы ловить подобные, первоначально незаметные изменения в темпе роста различных жизненных факторов, нужны электронно-вычислительные машины, способные переработать огромное количество информации. Только тогда удастся провести надежную экстраполяцию.

Возможности технически оснащенного прогнозирования весьма велики. На какой-либо демографический показатель, — скажем, рождаемость — влияет огромное число факторов. Здесь и уровень культуры, и материальные основы жизни, и идейные стремления страны. Чем больше факторов будет учтено в анализе, тем больше срок действия и достоверность прогноза.

Но как бы то ни было, о сотнях лет речи быть не может. Открытия телевидения, лазеров, энергии атомного ядра, войны и революции могут свести на нет предсказания, основанные на экстраполяции. Научные прогнозы, по моему мнению, могут претендовать лишь на срок в 30–70 лет.

Предсказания изменений в науке, технике, искусстве, медицине, морали, образе жизни не сводятся к одним цифровым показателям. Заманчиво наметить грядущие революционные открытия, способные изменить жизнь общества.

Деятель науки в отличие от писателя-фантаста считает возможным предвидение лишь таких событий, зародыши которых можно разыскать сегодня.

Не так давно один из руководящих научных работников в области прогнозирования выступил со статьей, в которой поставил под сомнение содержательность самого термина «футурология». Автор этой статьи заметил, что, строго говоря, такой науки не существует, ибо уверенные прогнозы способен делать лишь узкий специалист в своей области. Это соображение справедливо. Но все же «уединенный прогноз» — вещь бессмысленная. Отдельные разделы науки и техники столь сильно переплелись в наше время, что кое-кто должен взять на себя обязанность суммировать мнения узких специалистов. Я перед собою такую задачу не ставил и, следуя совету уважаемого автора, на которого я только что сослался, остановлюсь на сравнительно узком круге вопросов, составляющем тему этой статьи.

Писателю-фантасту ничего не стоит вообразить вещество, построенное из особенных атомов, которые обладают свойством не притягиваться по закону всемирного тяготения к другим атомам, а отталкиваться от них. Литератор может беспредельно увеличивать силы сцепления между атомами, может спрессовать их так, чтобы один кубический миллиметр весил десять тонн. Писатель может изобрести атомы, способные излучать «пси»-лучи, при помощи которых возможно телепатическое общение между людьми.

Ученый — сухой рационалист, ползучий эмпирик, бескрылый футуролог, ограниченный, узкий, недальновидный и прочее (это эпитеты, которыми награждает научных деятелей писатель Артур Кларк) — не может разрешить себе предсказания подобных поразительных событий. Причина кроется в повышенном уважении к законам природы. Что касается устройства вещества при тех условиях температуры и давления, при которых мы существуем, то оно подчиняется строго установленным законам квантовой механики и статистической физики. Безупречное выполнение предсказаний, которые делаются с помощью этих законов природы, то обстоятельство, что практически вся современная цивилизация рухнула бы, если бы эти законы не были всеобъемлющими, позволяет специалисту в области строения вещества утверждать, что он доподлинно знает предельные возможности природы в отношении создания новых веществ. А раз так, то он может сказать, какие же свойства материалов возможны, а какие немыслимы и противоречат навечно завоеванному опыту науки.

Прежде чем приступить к экстраполяционным прогнозам, мне придется напомнить читателю некоторые азбучные истины, касающиеся строения вещества. Для наших целей будет вполне достаточно восстановить в памяти несколько общих правил и законов. Конкретное знание совершенно не обязательно. Честно говоря, и сам автор не возьмет на себя смелость рассказать, как расположены атомы в минерале мусковите или какова последовательность соединения частиц в нитрате альфа-нафтил-метилен-имидазолина, который мы капаем в нос, когда у нас насморк.

Итак, поговорим лишь об общих идеях, лежащих в основе строения тел.

Прежде всего дадим ответ на такой риторический вопрос: почему нельзя играть в футбол на склоне горы Эльбрус? Ответ: потому, что мяч покатится вниз. И долго это будет продолжаться? Ответ: до тех пор, пока мяч не попадет в глубокую лунку или яму, а если избежит такой судьбы, то очутится в долине.

Футбольный мяч слушается закона. Ему положено природой успокоиться в такой ситуации, которой соответствует минимум его энергии. Если мяч докатился до самого подножия горы, то он устроился наиболее удобно. Выкатиться из долины ему не удастся. Мы скажем, что речь идет о стабильном, или, по-русски, устойчивом, состоянии равновесия. Если мяч застрял по дороге даже в относительно глубокой яме, то ветром или при землетрясении в районе Эльбруса (они, кажется, там не бывают, но географы меня простят!) он может выбраться из состояния временного равновесия (научные деятели испытывают исторически сложившееся пристрастие к греческому языку и латыни и поэтому такое состояние равновесия называют метастабильным) и в конце концов скатится в долину.

Атомы и частицы, из которых они построены, то есть ядра и электроны, ведут себя схожим образом: они стараются устроиться поудобнее, то есть занять такое взаимное расположение, при котором энергия их сообщества была бы наименьшей.

Теперь представим себя первосоздателями веществ. В нашем распоряжении огромное пространство — большой котел. Мы бросаем туда миллиарды миллиардов атомных ядер и электронов. Следить будем при этом за тем, чтобы число плюсов (на ядрах) и минусов (на электронах) казалось бы равным. Дело в том, что мы хотим создать электрически нейтральные тела, каковыми и являются все окружающие нас предметы.

Начнем понижать температуру в нашем котле. Движение частиц будет становиться все медленнее, и ядра начнут захватывать электроны (минус и плюс притягиваться; эту истину вы наверняка помните). При этом возможны следующие варианты: ядру удобно притянуть к себе как раз столько электронов, сколько надо, чтобы образовался нейтральный атом; ядру удобно забрать число электронов меньше «нормы» — тогда образуется положительный ион; ядро захватило электронов больше «нормы» — образуется отрицательный ион. Может оказаться и так, что скольким-то электронам окажется выгодно остаться непристроенными и находиться, так сказать, в общем пользовании. Наконец, возможно, что ядрам удобнее всего создать микроколлективы и поделить между собой часть электронов. В этом случае говорят: образовалась молекула. Итак, когда температура снижена до минимума, мы можем встретиться со следующими видами твердых тел.

Первый: положительные ионы, сцементированные некоторым количеством «неприкаянных» электронов. Эти тела называются металлами.

Второй вид: шарообразные положительные и отрицательные ионы в виде плотных упаковок. Хотите зрительный образ? Пожалуйста. Упакуйте горкой бильярдные шары (отрицательные ионы), а в пустоте разместите шарики от пинг-понга (положительные ионы). Так построено множество неорганических соединений, например силикаты. Такие тела называют ионными кристаллами.

Могут возникнуть группы объединившихся атомов с обобщенными электронами, тогда про твердое тело говорят, что оно построено из молекул. Если группки атомов относительно невелики, то химики называют соответствующие соединения низкомолекулярными. Напротив, если атомы объединились в очень длинные цепи или клубки, то говорят о высокомолекулярных соединениях, или макромолекулах.

Составляя этот маленький словарик, без которого все наши дальнейшие прогнозические рассуждения невозможны, я воспользовался словом «кристалл». По опыту лектора знаю, что со словом «кристалл» большей частью ассоциируется что-то совершенное, а потому, увы, редкое. На самом же деле все обстоит как раз наоборот. Редкостью являются некристаллические твердые тела.

Как же так? Кристалл имеет совершенную структуру — безупречно правильные грани!.. Именно поэтому такие образцы мы видим только в минералогических музеях!

Противоречие снимается с помощью обычного микроскопа. Оказывается, твердые тела состоят, как правило, из небольших (меньше микрона) кристаллических зерен. Если одно такое зернышко выделить и дать ему возможность расти, то можно получить из любого вещества (так, по крайней мере, утверждают энтузиасты-специалисты по росту кристаллов, работающие в Институте кристаллографии имени академика А. В. Шубникова) крупный и как бы превосходно ограненный кристалл, ничуть не уступающий по красоте сапфирам и яхонтам.

Как же устроен кристалл?

Идеально упорядоченно, как забор, как обои, как пчелиные соты, как кирпичная кладка. Металлический кристалл — это трехмерная решетка атомов, утопленных в электронном газе. Ионный кристалл — решетка из бильярдных шаров и шариков пинг-понга. Наконец, молекулярный кристалл — плотная упаковка причудливых по форме частиц, закономерно повторяющаяся в любом направлении.

Кристалл — символ идеального порядка, так же как газ — символ хаоса.

Но — и это очень важно для наших прогнозов — нет в мире идеального порядка, не существует и идеально упорядоченных кристаллов.

Кажется, общепризнанно, что наилучшей в мире является шотландская шерсть. Когда мне удавалось найти отрез такой шерсти, я приходил к портному Николаю Васильевичу, и между нами обычно происходил такой диалог.

Н. В. (восхищенно). Да, материал первый сорт, тут уж ничего не скажешь.

Я. Костюм должен получиться великолепным. Хороший материал и ваша работа — тому залог.

Н. В. (без восхищения). Работа тут, прямо скажем, дьявольская. Клетку-то надо к клетке подогнать. Вот, скажем, спинка в рукав переходить будет. Тут уж, понимаете, как надо! Чтоб ни одного миллиметра ошибки!..

Я (просительно). Уж постарайтесь, Николай Васильевич.

Н. В. Да уж не в первый раз…

И действительно, делал так, что линия переходила в линию, клетки образовали правильный узор.

Природа работает хуже Николая Васильевича и при создании трехмерной решетки довольно часто ошибается. Образуются различного рода дефекты — неправильные смещения соседних слоев, пустоты, трещинки.

То, что такие дефекты наверняка существуют и они оказывают решающее влияние на применение твердых тел, было установлено еще в начале нашего века.

Прочность тела — одно из важнейших его качеств. Создавая изделие, всякий раз необходимо уверяться в том, что металл, стекло, кирпич или ткань не подведут — не разорвутся или не сломаются в неожиданный момент, поставив под угрозу жизнь людей. Даже если речь не идет о драматических последствиях, все равно неохота иметь дело с вещами, которые могут тебя подвести.

Нет, вероятно, ни одного промышленного предприятия, которое не испытывало бы материалы, полупродукты или изделия на прочность. Часто для этой цели готовят образец цилиндрической формы, имеющий вид, если посмотреть сбоку, римской единицы. Основания единицы захватываются цапфами специальной разрывной установки, включается моторчик, и цапфы начинают расходиться. Стрелка прибора показывает силу растяжения, которую испытывает образец. Сотни килограммов, тысячи… Раздается треск — образец разорван на две половинки. Число килограммов, отнесенное к единице площади сечения, называется сопротивлением на разрыв. Чем больше это число, тем лучше материал.

Борьба за прочность ведется многие десятилетия. Разумеется, она приобретает все большее и большее значение по мере бурного роста населения. Пока общество обходилось небольшим числом жилых зданий с толстыми стенами — строили их. Проблем не только прочности, но и теплопроводности, звуконепроницаемости не было. В городе Коломне, где мне приходится бывать время от времени, еще действует давным-давно построенная гостиница. Комфорта никакого, номера как клетушки. Но зато тишина абсолютная, летом прохладно и тепло зимой. Секрет элементарный: толщина стен не меньше метра, и простоять она может века.

Но в наше время такой подход не годится: это расточительство. А потому борьба за прочность, за звуконепроницаемость, за теплозащитные свойства тонких стенок ведется непрерывно.

Нет сомнения, что успехи, достигнутые в борьбе за прочность, немалые. Но придется признаться: они не столь уж велики.

Почему же так? В чем причина, что выигрыш всего лишь в 10–20 процентов считается важным достижением? Нет ли линии исследования, которая привела бы к тысячекратным увеличениям прочности? Может быть, достаточно бросить клич вроде: «Товарищи физики, поднажмите и придумайте способ усиления связи между атомами! Дело-то ведь, конечно, в этом. Чем крепче будут связаны атомы, тем прочнее будет предмет!» Казалось бы, так!

В начале этого века очень хорошему физику М. Борну удалось рассчитать силы связи между атомами. Правда, теория была создана не для металлов. Первым объектом для применения теории послужила поваренная соль. Причина такого выбора заключалась в том, что поваренная соль состоит из положительных ионов натрия и отрицательных ионов калия. Притягиваются эти шарики по закону Кулона (читатель помнит, конечно, этот простой закон: сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению электрических зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними).

М. Борн придумал, как просуммировать взаимодействия между всеми парами частиц, учел силы отталкивания между атомами, которые возникают, когда они подходят друг к другу на близкие расстояния, и вычислил теоретическое значение прочности поваренной соли (кстати, когда соль находят в природе, а не берут щепотку из солонки, то ее называют каменной).

Итак, теория готова. Дело за проверкой. Большой кристалл природной каменной соли не редкость. А выточить из него цилиндрик, в профиле похожий на римскую единицу, — дело пустяковое. Остается вставить в разрывную машину и посмотреть, до какого деления доберется стрелка регистрирующего прибора в момент разрыва образца.

Результат опыта был поразительным. Теоретические предсказания отличались от фактов на три порядка величины. Вычисленное значение сопротивления на разрыв оказалось в тысячу раз больше того числа, которое «выдал» испытательный прибор.

Справедливость расчетов М. Борна находится вне всякого сомнения, и поэтому для объяснения расхождения «практики и математики» требовалась какая-то новая идея. Она пришла в голову одновременно нескольким исследователям, в том числе одному из основателей советской физики, академику А. Иоффе.

М. Борн произвел расчеты для идеальной кристаллической решетки. Но если предположить, что внутри кристалла тьма трещин, пустот, дефектов, то взаимодействие между атомами будет во много раз меньше, чем у идеального кристалла.

Ряд остроумных опытов с полной несомненностью показал, что дело обстоит именно так. Известен знаменитый «опыт Иоффе» по растяжению образца каменной соли в воде.

Вода растворяет поверхность образца, рассуждал ученый, а потому должна устранять внешние трещины.

Так оно и оказалось. А. Иоффе показал, что прочность резко возрастает при растягивании образца соли в воде.

В течение ближайшего десятилетия стало ясно, что борьба за прочность не столько борьба за увеличение сил взаимодействия между атомами, сколько борьба с внутренними дефектами кристаллических зерен.

Это и предопределило идею создания прочных материалов. Кристаллическое зерно должно быть мелким, а отдельные зерна надо сцементировать аморфной стекловидной прослойкой. Много шансов за то, что прочность возрастет, если комбинировать зернышки разной формы и разных механических свойств, скажем хрупкие и твердые с пластичными.

Можно предполагать, что будущее за комбинированными материалами из металлов и керамики, о чем мы поговорим поподробней чуть ниже.

Экстраполяционный прогноз таков: силы взаимодействия между атомами увеличить не удастся, поэтому надо стремиться к тому, чтобы улучшить микроструктуру материала, создать бездефектные крошечные зернышки и научиться их спаивать прочной и опять-таки бездефектной межкристаллической прослойкой.

Шансы на получение маленьких кристаллических частичек, лишенных дефектов, достаточно велики. В последние годы физики научились получать кристаллические «усики» — тончайшие кристаллы, практически лишенные дефектов. Прочность таких «усиков» достигает теоретического значения, рассчитанного М. Борном. Нам кажется, что вырастить крупные «усищи» в ближайшее время вряд ли удастся. Но без этого можно обойтись — маленькие бездефектные кристаллики смогут послужить великолепной основой для создания высокопрочных материалов.

Напряженно вглядываясь в туманную даль будущего техники и держась изо всех сил за ариаднову нить экстраполяционного прогноза, можно видеть две дороги, двигаясь по которым человечество получит в свое распоряжение нужные ему вещества.

Первым путем как раз и является попытка впрячь в одну телегу коня и трепетную лань, то есть создание комбинированных материалов. Уже производятся «усики» карбида ниобия, которые внедряются в металл ниобий. Электрические свойства ниобия выше всех похвал, но прочность его чрезвычайно мала. Комбинированный материал из карбида ниобия и иниобия воплощает в себе только положительные их качества.

Употребляются также в промышленности тончайшие нити бора, залитые расплавом алюминия. В этом случае легкость алюминия объединяется с прочностью бора, образуя новый легкий и прочный материал.

Однако, предсказывая описываемый путь создания новых материалов, никто не может похвастаться выдающейся фантазией. По нему уже давно, собственно говоря, следует сама природа. Действительно, что, скажем, представляет собой дерево? Не что иное, как комбинированный материал, в котором нити целлюлозы внедрены в матрицу лигнина. Так природа объединила крепость одного компонента и гибкость другого.

Вот почему большинство исследователей, сочиняющих новые материалы и мечтающих о том, чтобы получить нечто прочное, легкое и не поддающееся коррозии, идут по пути создания всяческих смешанных систем.

Необходимо заметить, что на этом пути сделаны лишь первые шаги. И за стеклянными нитями, внедренными в резину, последуют тысячи других подобных находок.

Сколько веков можно пользоваться чугуном и сталью? Спору нет, прочность их выше всякой критики. Однако они тяжелы, а чугун вдобавок и хрупкий. Нет, в будущем этим труженикам придется уступить место комбинированным материалам. Может быть, заменителями станут алюминий, бор, магний, в которые будут внедрены бездефектные кристаллики железа или кобальта. А еще лучше, если будет преодолена хрупкость керамических материалов. Не исключено, что будут созданы тела, состоящие из керамических или стеклянных зерен, отделенных друг от друга тончайшими оболочками металлов.

Разумеется, по этому же пути сочетания чистых веществ с разными свойствами пойдут и те творцы новых веществ, которые озабочены получением, скажем, прозрачного материала, обладающего магнитными свойствами, или прозрачной резины, или легкой, гибкой и немнущейся ткани (от прозрачности в этом случае можно отказаться).

В зависимости от конечной цели будут применяться самые различные способы смешения разных веществ. Способы эти уже все известны. Прежде всего можно предложить перемешать атомы или молекулы известных веществ. За эту идею патент, правда, не дадут, так как и этот способ составления смесей известен не одну тысячу лет и называется сплавлением.

Нанесение поверхностных слоев, увы, также давно известно. Но изобретатель, конечно, не должен этим огорчаться, поскольку наряду с хромированием или никелировкой он может предложить нанесение на поверхность любого вещества любое другое.

Идея перемешивания зернышек разных материалов также не блещет новизной. Более свежей придумкой является внедрение нитей в пластическую матрицу.

Если учесть то число интересных по своим качествам веществ, которым располагает человечество, то нетрудно сообразить, что количество смесей и комбинаций, используемых доселе, составляет лишь ничтожную часть того, что можно придумать. Так что число патентов, которые будут выданы на новые комбинированные материалы, будет расти в геометрической прогрессии еще многие годы.

Путь создания комбинированных материалов, объединяющих в себе твердость алмаза, гибкость резины, прозрачность хрусталя, электропроводность меди, магнитные свойства железа, легкость алюминия, является, думается нам, столбовой дорогой в технике.

Однако есть еще одна дорожка, даже не дорожка, а тропинка. Шагают по ней не техники, а физики. Речь идет о способах изменения сил взаимодействия между атомами одного и того же вещества.

Свойства тела определяются характером связи между составляющими его атомами. Эти силы, как говорилось выше, могут быть силами электрического притяжения и отталкивания, как в ионных кристаллах; это могут быть силы, возникающие при цементировании ионных остатков электронным газом, как в металлах; это могут быть силы направленной (валентной) связи между атомами.

Самые слабые силы — межмолекулярные. Если твердое тело построено из молекул, то разрушить его ничего не стоит. Яркий пример — нафталин, который «испаряется» при комнатной температуре. Крепче всего тела, атомы которых связаны валентными силами. Таков алмаз — символ твердости.

А нельзя ли сделать так, чтобы слабые силы взаимодействия заменить сильными? В принципе (а раз в принципе, наверное, и на практике) возможно.

Известно, что одно и то же вещество может существовать в разных модификациях. Прозрачный и твердый алмаз и черный, пачкающий руки графит построены из одних и тех же атомов углерода. Существуют желтая и красная сера, сильно отличающиеся своими свойствами. А сортов фосфора имеется целых пять. Молекулы воды при замерзании устраиваются шестью разными способами.

В Советском Союзе научились изготовлять искусственные алмазы, превращая в них дешевый графит. Такими превращениями мы меняем характер связи между атомами. Так что имеется возможность заставить атомы разных элементов соединяться по-разному.

Можно, к примеру, предсказать большое будущее еще одной модификации углерода.

В алмазе каждый атом протягивает четыре руки к своим соседям. Таким способом образуется трехмерная постройка, в которой атомы связаны одними лишь валентными силами. Ничего более крепкого не выдумаешь.

В графите каждый атом соединен валентными силами с тремя соседями. При такой связке создаются слои атомов. А как же ведут себя слои? Они притягиваются друг к другу самыми слабыми силами — такими, как в кристалле нафталина. По этой-то причине графит является хорошим смазочным материалом и идет на изготовление карандашей: его слои соскальзывают друг с друга от малейшего усилия.

Но из атомов углерода можно создать и цепочки. Часть атомов в таких цепочках будет иметь только двухвалентных соседей. Такой материал существует и представляет собой нити поразительной крепости. В отличие от хорошо известных капрона, нейлона и полиэтилена они, не разрушаясь, выдерживают огромные температуры. Исследователи возлагают на эти нити большие надежды. Сочетая их с какими-либо легкими пластическими материалами, удастся создать легкие, прочные и пластичные конструкционные материалы, которые будут пригодны для изготовления всевозможных приборов, аппаратов и даже необыкновенно легких самолетов. И, несмотря на то, что результаты исследований станут ясны лет через двадцать, работать в этом направлении необходимо неустанно.

Характер связи между атомами кардинально меняет свойства вещества, состоящего из этих атомов. Газ кислород, которым мы дышим, построен из двухатомных молекул. Но нет ничего противоречащего законам природы в допущении возможности синтеза кольчатых молекул кислорода, состоящих, скажем, из шести, а то и шестнадцати атомов. Вещество, построенное из таких молекул, будет жидким. Его можно будет налить в бутылку и взять с собой в альпинистский лагерь на вершину Эвереста.

Строго научная фантазия позволяет предположить, что будет найдена подходящая «искра», превращающая кольчатые молекулы в двухатомные, то есть в такие, из которых состоит тот кислород, которым мы дышим. Если так, то проблема кислородного голодания будет решена.

Создание не вполне стабильных атомных систем (вспомните наше сравнение нестабильной молекулы с мячом, застрявшим по дороге в долину во встречной яме) — увлекательная задача для физика. Вероятно, основными способами получения жидкого кислорода, металлического водорода, твердой, как алмаз, серы и так далее и тому подобное будет использование сверхвысоких давлений и сильных электромагнитных полей.

Срок жизни неустойчивых атомных построений может быть самым разным. Их существование зависит прежде всего от давления и температуры. При комнатной температуре олово может быть белым и серым. Оба сорта олова обладают разными свойствами и, разумеется, разной структурой. Но при низкой температуре происходит превращение. Об этом узнали на своем горьком опыте участники экспедиции Скотта на полюс Земли. При больших морозах сосуды, спаянные оловом, разрушились… Оловянная чума — такое название получил переход серого олова в белое — сыграла с ними свою роковую роль. При комнатной температуре эта болезнь развивается бесконечно медленно. Чем ниже температура, тем быстрее идет превращение. А при совсем низких температурах процесс может произойти мгновенно.

Итак, разные конструкции из одних и тех же атомов и молекул ведут себя по-разному. И физикам, которые занимаются поисками разных «ям» для одних и тех же веществ, предстоит еще много работы.

Каждое десятилетие приносит огромные успехи в создании новых материалов с замечательными магнитными свойствами. Одно из них — магнитную проницаемость — техники улучшают быстрыми темпами. Кажется, в два раза возрастает это важное для промышленности свойство каждые пять лет.

Магнитные свойства материалов характеризуют так называемой петлей гистерезиса, вид которой приведен в любом учебнике физики. Ученых, связанных с техникой, интересует как длина, так и ширина петли.

Варьируя их, они стремятся к двум целям. Чтобы, во-первых, в зазоре подковообразного магнита поле было как можно более однородным, то есть строго одинаковым во всех точках зазора. Во вторых, чтобы поле было сильным.

Нельзя сказать, что для достижения этих результатов еще имеются большие резервы. Исследователи уже близки к тому, чтобы выстроить параллельно магнитные «стрелочки» всех атомов сплавов кобальта, железа, никеля и марганца. И тогда будет получен предельно сильный постоянный магнит. Правда, есть одно «но». Теоретические расчеты показывают, что и в этом случае магнит будет не столь уж сильным. И чтобы усилить его, надо прибегнуть к электромагниту, то есть магниту с обмоткой, через которую идет ток.

Однако и постоянные магниты, пусть даже не очень сильные, нужны для разных областей техники. Достаточно напомнить, что качество микрофонов определяется качеством магнитов.

Все это довольно известные вещи; и поэтому стоит рассказать об одной линии действия науки, занимающейся улучшением качества магнитов, о которой читатель, возможно, не слыхал. Большие (многотонные) магниты высокого качества нужны для ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Что это за резонанс и зачем он нужен?

ЯМР — это мощный способ исследования структуры вещества. Если будет создан очень сильный и очень однородный магнит, то с помощью ЯМР удастся за какую-нибудь минуту узнать строение молекулы вещества и изобразить на экране, в какой последовательности связаны друг с другом ее атомы. Суть дела состоит в следующем.

У большинства атомных ядер (Я) имеется магнитный момент, то есть ядро ведет себя как магнитная стрелка (М). В зависимости от того, в каком окружении находится тот или иной атом, «магнитная стрелка» его ядра по-разному защищена от воздействия поля большого магнита, о котором идет речь. Это значит, что разные ядра находятся в отличающихся друг от друга собственных полях. Проведем мысленный эксперимент.

На исследуемое вещество, находящееся в зазоре магнита, наложим радиочастотное поле и начнем менять его частоту (сканировать — называют это действие). Все «магнитные стрелки» атомных ядер колеблются со своей собственной частотой, зависящей от того, в каком поле они находятся. А когда частота внешнего радиочастотного поля совпадает с собственной частотой ядра — стрелки, возникает резонансное (Р) поглощение. У каждого атома поглощение происходит при своей частоте. А она может быть зафиксирована приборами. Таким образом, зная изменение частоты внешнего поля, удается распознать все атомы.

Итак, хорошие сильные магниты — вещь полезная. Но, чтобы создать сильное магнитное поле, естественными магнитами не отделаешься. Нужны электромагниты, и притом со сверхпроводящей обмоткой.

Что такое сверхпроводимость, наверное, многие знают. Явление это открыто много десятилетий назад, но объяснить, почему при очень низких температурах электрический ток не испытывает никакого сопротивления в своем движении по проводу, удалось относительно недавно. При этом оказалось, что для создания теории не требуются новые принципы. Объяснение содержалось в законах квантовой механики, открытых, как известно, в 1926 году. Однако логическая дорожка, которая вела от генерал-закона к частному явлению сверхпроводимости, была покрыта густыми зарослями. Несмотря на то, что множество великолепных умов занимались ее поисками, удача открытия теории пришла более чем через тридцать лет. Американские физики Бардин и Купер, получившие Нобелевскую премию за создание теории сверхпроводимости, — люди высокоталантливые. Поэтому сказать, что им просто повезло, было бы несправедливо. Но нельзя забывать и того, что многие ученые (трудно, например, переоценить вклад, внесенный в проблему сверхпроводимости советскими физиками Л. Ландау, Н. Боголюбовым, В. Гинзбургом) подготовили почву, на которой выросла теория сверхпроводимости. Продолжая нашу аналогию со скрытой от глаз тропинкой, можно сказать, что исследователи, занимавшиеся проблемой сверхпроводимости до Бардина и Купера, обнаружили несколько несвязанных участков дорожки, а на долю будущих лауреатов выпало соединить эти отдельные участки в одну дорогу.

То обстоятельство, что создание теории явления оказалось таким сложным делом и потребовало труда целого поколения ученых, показывает, что объяснить его на страницах издания «Эврики» — вещь очень трудная. Кроме того, нельзя сказать, что теория завершена. Пока что она не способна дать инженерам конкретные рецепты, по которым они смогли бы добиться такого успеха, чтобы это свойство проявлялось при комнатной температуре.

Борьба за повышение температуры сверхпроводимости ведется неустанно. Рекорд, правда, сегодня невысок: пока еще минус 250 градусов. Таким образом, для использования сверхпроводимости на практике осталось сделать немало — повысить точку перехода в сверхпроводящее состояние, по крайней мере, на 300 градусов.

Ученые-теоретики усиленно заняты поисками систем, сверхпроводящих при комнатной температуре. Есть сырая идея о том, что такими системами могут быть «сандвичи» — вещества, состоящие из чередующихся молекулярных слоев диэлектрика и проводника.

Надо ли доказывать, сколь величественной является проблема поиска сверхпроводников, работающих при обычной температуре? Ведь какая будет получена огромная экономия при передаче энергии по проводам — ясно каждому!

Но стоит обратить внимание на другую вещь. Человечеству надоели выхлопные газы. Бензиновые и дизельные двигатели не доведут нас до добра. В Токио регулировщики уличного движения дежурят уже в противогазах. В больших городах в буквальном смысле слова нечем дышать. Неудивительно, что именно в Японии, плотно населенной и технически высокоразвитой стране, разрабатываются идеи магнитного транспорта, использующего даже существующие сверхпроводники, работающие только при температуре жидкого гелия. Японцы считают, что, несмотря на огромную дороговизну транспортной трубы-тоннеля, омываемого жидким гелием, за это дело стоит взяться. Каков же принцип действия «магнитного» транспорта?

Он хорошо известен. Помещенные на определенных расстояниях электромагниты «перебрасывают» небольшой вагончик друг к другу. Пройдя один магнит, вагончик по инерции и под действием тяжести устремится вперед и чуть вниз. Тут его подхватит второй магнит. Правда, движение будет происходить по слегка волнистой кривой, однако пассажиру это не причинит особых неудобств. Огромная скорость и практически отсутствие затрат энергии на движение окупят, по мнению японцев, расходы по поддержанию сверхнизкой температуры в минус 270 градусов.

Теперь ясно, что открытие сверхпроводников, работающих при обычных температурах, произвело бы революцию не только в технике электропередачи, но и на транспорте.

Сверхпроводимость — это еще в большой степени мечта. И, несмотря на то, что перспективы этой отрасли науки совершенно фантастичны, на развитии ее не сосредоточены такие силы, как на усовершенствовании полупроводников.

Создание новых полупроводящих материалов остается по-прежнему в центре внимания техники. Работы ведутся как в области улучшения свойств полупроводников типа кремния и германия, так и в области поисков поля у проводниковых сплавов типа арсенида галлия. Казалось бы, что делать исследователю с таким материалом, как кремний? Кремний — он кремний и есть!

Но оказывается, что полупроводниковые свойства чувствительны ко всему на свете. Мельчайшие дефекты, ничтожнейшие примеси могут существенно изменить свойства материала. Так что страницы научных и технических журналов остаются заполненными исследованиями, посвященными давно известным материалам.

Основной целью в поисках лучших полупроводников является миниатюризация. Радиоприемники и магнитофоны уменьшились на глазах даже самого юного нашего читателя. Уже находятся в продаже карманные электронные вычислительные машины, правда обладающие пока что небольшими возможностями.

По мере усовершенствования полупроводниковой техники ЭВМ появятся во всех библиотеках, а затем и во всех квартирах наряду с телевизором и холодильником. Кстати, о телевизорах. Работа в области создания крупных кристаллов полупроводников приведет к сверхплоским безвакуумным телевизорам, которые можно будет вешать на стене, как картину.

В недалеком будущем появятся индивидуальные радиостанции, позволяющие связаться с любым знакомым, где бы он ни был — в Индии или в Австралии. Осуществление этой задачи не за горами. За границей уже сейчас продаются «токи-воки» (talky-walky), что в переводе на русский язык означает примерно «гуляй-болтай». «Токи-воки» — это два маленьких передатчика-приемника, настроенных на одну волну. В лесу вы можете с приятелем искать грибы и не бояться потерять друг друга. А в ГУМе при наличии «токи-воки» вы будете знать, что ваша подруга находится в отделе готового платья в то время, когда вы выбираете себе подходящую удочку.

Мы живем в пору бурного научно-технического прогресса. Конечно, как справедливо было замечено в одном научно-фантастическом романе, «не всякий прогресс прогрессивен».

Страна, которая уверенно шествует к коммунистическому обществу, планирует научно-технический прогресс, отбрасывает в сторону то, что человеку не надо, подчиняет технику его интересам, памятуя, что главная цель коммунизма — это создание условий для полнокровной радостной жизни людей, населяющих планету.

Не надо об этом забывать, планируя деятельность в области создания новых материалов.

Как уже говорилось, современная физика может предсказать предельные свойства тел. Не может быть тела более прочного, чем бездефектный кристалл алмаза. Намагниченность определяется числом атомов в единице объема и будет максимальной в том случае, если «магнитные стрелки» всех атомов будут смотреть в одну сторону. Электрическое сопротивление проводника может быть практически доведено до нуля, если понизить температуру.

Наука не только указывает дороги, которыми надо следовать для достижения важных целей. Она помогает распознать и тупики. Можно привести примеры невозможного, противоречащего законам науки. Не будет создана тонкая нитка, с помощью которой можно было бы вытащить застрявший в грязи грузовик. Не будет изобретена тончайшая ткань, предохраняющая тело от холода…

Итак, природа сама ставит пределы возможного и невозможного, но они нисколько не мешают нам создавать великолепно устраивающий нас мир. Так что нет причин огорчаться этим пределам. А если будут найдены новые атомы? — спросит читатель, не признающий пределы дерзания человеческой мысли.

Не получается. Таблица Менделеева заполнена, и все стабильные атомы с временами жизни, достаточными для того, чтобы их использовать в производстве, уже открыты. Появление нового стабильного атома означало бы крушение закона Менделеева и уравнений квантовой механики. Такого не будет.

Но ведь будут найдены новые молекулы?!

Без сомнения, и тут читатель имеет право фантазировать безудержно. В его распоряжении вся сотня атомов таблицы Менделеева, и никто не вправе поставить под сомнение возможность получения самой удивительной атомной конструкции.

А как же законы валентности?

Действительно, как правило, те простые законы валентности, которые все мы изучали в школе, работают безотказно. Углерод может быть сцеплен с двумя, тремя и четырьмя атомами; кислород — с одним или двумя; водород — только с одним атомом и т. д. Но в последние годы химики синтезировали огромное число занятнейших «уродов», которые напоминают нам, что правила валентности весьма условны. Молекула может быть построена как угодно, лишь бы образующие ее электроны и ядра заняли такую конфигурацию, которая соответствует достаточно глубокой ложбинке на склоне горы (прошу вернуться назад и прочитать еще раз метаспортивное отступление).

Химики были совершенно ошарашены открытием ферроцена. Оказалось, что валентные черточки можно проводить не только от атома к атому, но от «центра» одной группы атомов к «центру» другой группы атомов.

Большим событием было открытие семейства молекул, части которых скреплены без участия валентных связей. Эти молекулы носят название катенанов, и они в точности напоминают обыкновенную цепочку: колечки из валентносвязанных атомов продеты друг в друга. Наверное, в дальнейшем на этом же принципе будут созданы двухмерные и трехмерные сетки.

Пока что эти вещества получены в субмикроскопических количествах, и кольца построены из атомов углерода. Но в принципе возможны катенаны, содержащие атомы азота, кислорода, серы, фосфора… Если бы удалось решить задачу создания таких материалов в промышленном масштабе, то мы получили бы в свое распоряжение ткани любых цветов, обладающие предельной крепостью и совершенной гибкостью; ткани, которые абсолютно не мнутся и которые невозможно порвать. Как видите, есть о чем мечтать, не изменяя законам природы.

Сенсацией явилось получение соединений благородных газов. По правилам валентности им не полагалось бы образовывать какие-либо вещества. Поскольку по таблице Менделеева эти атомы (аргон, неон) обладают нулевой валентностью, они не должны вступать в связь с атомами другого сорта. По этой причине их и называют благородными, или инертными.

В соответствии со сказанным можно придумывать молекулы, в которых углерод выступает как бы пятивалентным, фосфор — восьмивалентным, а сера соединяется с тремя соседями. Законам природы это не противоречит. А правилам валентности?..

Ну что ж, простимся с ними, как со строгими законами, но не лишим их нашего превеликого уважения, так как все же подавляющее большинство химических соединений подчиняется этим правилам с полной покорностью.

— Ага, — восторжествует наш оппонент, — значит, будут новые, построенные самым неожиданным образом молекулы! Почему же нельзя допустить создание веществ со свойствами, выходящими за рамки сегодняшней фантазии ученого-скептика?

По той причине, что, как бы причудливо ни были бы построены новые молекулы, силы взаимодействия между ними будут подчиняться известным нам законам. А свойства материалов — суть следствия межмолекулярных и межатомных сил. Так что никакие атомные конструкции не приведут нас к кевориту и к излучателям телепатических «пси»-лучей.

Но не надо расстраиваться. Синтез новых молекул принесет нам немало замечательных открытий, ничуть не менее романтических, чем полюбившаяся многим журналистам антигравитационная материя.

— Это вы просто хотите подсахарить пилюлю, — хмуро заявляет оппонент. — Сами же только что сказали, что законы взаимодействия атомов не изменить.

Сказал. Некоторая доля скепсиса небесполезна. Нет сомнения в том, что будут получены очень нужные человечеству новые вещества. Но в то же время, зная предельные свойства веществ, нужно направлять деятельность синтетиков (так называют ученых, изготовляющих новые вещества) в определенное русло, нужно планировать науку.

Число уже синтезированных веществ исчисляется миллионами. Продолжать эту работу можно до бесконечности. Но нельзя закрывать глаза и на то, что большую часть новых веществ, полученных химиками, можно вместить в крошечные пробирки, и они мирно покоятся на полках шкафов.

Без сомнения, кончилось то время, когда всякий новый синтез был интересен по той причине, что он открывал новые закономерности связывания атомов. Открытие ферроцена, о котором только что шла речь, практического значения не имело и скорее всего иметь не будет. Однако важно было узнать, что валентные черточки могут соединять не только атомы, но и группы атомов. Эти сведения пригодятся тому химику, который примется за новый синтез, преследуя определенную практическую цель.

Поговорим теперь о синтезе макромолекул.

Макромолекулы — это, попросту говоря, большие молекулы. Не станем обсуждать, начиная с какого числа атомов молекулу надо назвать большой. Это так же бесполезно, как назвать число волос на голове, отделяющее лысых дядей от молодых людей с богатой шевелюрой. Во всяком случае, когда число атомов начинает измеряться тысячами, говорят о макромолекулах. Самые большие макромолекулы могут достигать размера сотых долей микрона (в мире атомов это Хеопсовы пирамиды).

Законы логики и в этом случае могут быть положены в основу вывода о создании всех возможных макромолекул. Большие молекулы могут быть построены из одинаковых кусочков и из разных. Отдельные звенья могут образовывать линейные последовательности, двухмерные сетки, а также трехмерные каркасы. Труднее придумать невозможную комбинацию, чем предложить невероятную, которую нельзя было бы осуществить на опыте.

Макромолекулы существуют в природе, кроме того, их изготовляют в лабораториях и на фабриках. Уже давно химики знали, что молекулы целлюлозы, каучука, белков состоят из многих тысяч атомов. И так же давно искусственные макромолекулы считались «грязью» — отходами, которые полагалось выплескивать в раковину. Но в 40-х годах положение дел изменилось. На сцену вышли нейлон, капрон, полиэтилен и другие синтетические полимеры.

Всякая полимерная молекула является макромолекулой, но не всякая макромолекула является полимерной. Приставка «поли», означающая «много», говорит сама за себя. Полимерными называют такие молекулы, которые построены из повторяющихся единиц. Нитка с нанизанными одинаковыми бусинками — вот подходящий зрительный образ для молекул вроде нейлона.

Долгое время синтез полимерных молекул заключался в создании таких условий, при которых одна бусинка присоединялась к другой любым способом. В каком смысле — любым?

Представьте себе, что бусинка не круглая, а овальная. Тогда можно собрать цепочку из бусинок, надетых на нитку в одинаковых положениях (скажем, все бусинки нанизаны длинной осью вдоль нити или, напротив, все — поперек). Так вот, на первых порах нанизывание бусинок происходило по закону случая (одна вдоль, другая поперек, третья под углом к оси молекулы). Однако затем был открыт способ получения упорядоченных молекул. Благодаря этому резко улучшились механические свойства синтетических материалов (чулки стали рваться пореже).

Стремление к упорядоченному программированному автоматическому синтезу длинных молекул является, как мне кажется, основной тенденцией химии больших молекул. В идеале синтез нужных макромолекул (нужного нового вещества) мог бы выглядеть так. В котел бросают частички А, Б, В, Г… Составляется программа построения нужных молекул, допустим, АВ АВГ. БАВГАБВАГВАГАГАБВА… Включается установка, и… синтез идет сам по себе. Лавры Артура Кларка, безудержного фантазера, меня не волнуют, и я остерегусь называть год и даже десятилетие, когда такой план действия станет реальностью. Но думаю, что это будет довольно скоро.

Нетрудно сообразить, что число новых молекул, которые можно создать, практически равно бесконечности. Может быть, когда-либо конструкцию новых молекул будут рассматривать как нечто вроде игры в шахматы. Скажем, выигрывает тот, кто составит более прочную молекулу, состоящую из одного «короля», одного «ферзя» и восьми «пешек»…

Но не стоит, наверное, считать, что человечество будет без конца придумывать все новые и новые вещества. Синтез макромолекул будет проводиться до тех пор, пока в этом будет иметься практический смысл. И все же надо заметить, что ждать каких-либо грандиозных событий в области производства синтетических тканей, видимо, не приходится. Конечно, чулки, джемперы и брюки из перлона, дакрона, кримплена каждый год становятся несколько лучше. Но прогресс не столь значителен, как хотелось бы, и, что самое интересное, все же хлопок, шелк и шерсть остаются вне конкуренции. Однако, пожалуй, не в этом будущее макромолекулярной химии. Тогда в чем же? В совершенствовании технических приемов?

Без сомнения, еще масса дела у технологов, озабоченных получением различных масел, присадок, покрытий, заменителей, металлов. И все же я сомневаюсь в том, что на этой дороге нас ждут революционные открытия. Да и, честно говоря, разве столь уж велика нужда в новых тканях, новых строительных материалах? Если как следует призадуматься, то придешь к заключению, что наука и техника дали человечеству все материалы, которые требуются ему для комфортабельной и интересной жизни.

Но есть одна область науки, которая находится еще в младенческом состоянии. Имеется в виду биология.

В то же время доказывать, что понимание биологических закономерностей позарез нужно людям, — значит ломиться в открытую дверь. Поэтому мне кажется, что будущее макромолекулярной химии в служении биологии. Человечество вплотную подошло к производству живого. Дело «за небольшим» — надо научиться изготовлять кирпичи, из которых построено живое. А оно построено из макромолекул.

Но прежде чем приступить к решению этой важнейшей и увлекательной проблемы, надо изучить, как работает фабрика жизни. Только тогда нам станут ясны те задачи, которые стоят перед химией больших молекул. Только тогда мы сможем прогнозировать создание новых веществ.

Можно ли методами химического синтеза создать живой организм?

Всего лишь несколько десятков лет назад даже постановка такого вопроса казалась святотатственной. Опытное же доказательство того, что жизнедеятельность есть сумма химических процессов, является важнейшим подтверждением основной идеи диалектического материализма, утверждающего единство мира.

Доказательства, о которых идет речь, получены в последние годы. Они революционизировали мышление людей, в том числе и тех, кто вроде бы нехотя «в принципе» соглашался, что живая материя состоит из тех же электронов и атомов, из которых состоят железные балки и каменные колонны. Это и понятно. Одно дело — некий абстрактный принцип, с которым ты миришься в полной уверенности, что реализация его практически невозможна. И совсем иначе начинаешь мыслить, когда узнаёшь механизм химического производства живого организма и видишь пусть на самом элементарном примере, что принцип работает.

История науки свидетельствует: если удалось осуществить какое-то явление хоть в самом незначительном масштабе, если продемонстрирована справедливость закона природы для простейшего случая, то экстраполяция является наизаконнейшим приемом. Из слабо мерцающей лампочки с угольной нитью рождаются лампы ярче солнца. Детская игрушка, состоящая из двух слабеньких магнитных полюсов и вращающейся между ними проволочной рамки, приводит к электрификации мира. От крошечного лабораторного экрана, светящегося под действием радиоактивных частиц, недолгим оказывается путь к высвобождению энергии, запрятанной в недрах атомов…

Поэтому нет сомнения в том, что первые удачные опыты по синтезу ДНК (мы расшифруем эти буквы чуть ниже), проведенные в 60-х годах, открыли дорогу к синтезу живой материи химическими методами.

Если еще каких-нибудь двадцать лет назад даже среди хороших биологов можно было найти таких, которые считали, что существуют «особые законы», справедливые только для живого, и возводили непреодолимую стену между живым и неживым, то теперь, мне кажется, трудно найти ученого, который не верил бы в возможность синтеза живой клетки.

Уверенность в том, что создание «фабрики живого» не является предметом, достойным внимания одних лишь авторов фантастических романов, основана прежде всего на достаточно ясном понимании механизма передачи наследственности и схемы производства белковых молекул-кирпичей, из которых строится живой организм. История этого достижения разыгралась на глазах одного поколения.

Классический период развития генетики, когда ген рассматривался как некая формальная, абстрактная и неделимая единица, закончился всего лишь лет тридцать назад. Результаты опытов по скрещиванию различных пород животных и сортов растений, находящиеся в превосходном согласии с законами, установленными Грегором Менделем в 1865 году, не позволяли грамотному и объективному исследователю сомневаться в существовании некоего носителя наследственности. Разумеется, большое число биологов задумывалось над тем, что же такое ген. Многие из них понимали, что надо перекинуть мост через овраг, разделяющий генетику и химию.

В конце 30-х годов удалось показать, что имеется прямая связь между цветом глаз мутантных разновидностей мушки дрозофилы и биохимическим синтезом пигмента, обеспечивающего мушкам цвет их очей. Поскольку этот биохимический синтез направлялся и контролировался определенной молекулой белка (такие «контролеры» называются энзимами), то отсюда был сделан вывод, что мутация, то есть изменение гена, влечет за собой потерю способности образовывать соответствующий энзим.

С каждым годом становилась все яснее важность этого направления исследований. Мушки дрозофилы оказались чересчур сложным объектом, и биохимики стали прослеживать идею связи генной структуры с синтезом вещества, который выполняет живая фабрика, на микроорганизмах.

В 40-х годах теория «один ген — один энзим» получила достаточно широкое признание. Сущность ее сводилась к следующему. Что бы там ни представляли собой пока что таинственные гены, но ответственность каждого из них за тот или иной наследственный признак (цвет глаз, форму крыльев и т. д.) однозначно связана с его химической функцией производства молекул белка.

Таким образом, выходило, что гены имеют исключительно узкую специализацию: каждый из них производит одну огромную молекулу — молекулу белка, которая, в свою очередь, выполняет строго определенную задачу, а именно: контролирует и направляет в нужную сторону биохимическую реакцию.

Изящная гипотеза, не правда ли? Четкая и основанная на представлении о единстве природы. В ядре клетки имеются гены, каждый ген есть машина по производству молекулы белка, а молекула белка является контролером и управителем одной из химических реакций, необходимых для роста организма и его нормальной жизнедеятельности. Но как все это происходит? Каким образом ген производит молекулы белков? И, в конце концов, что же такое ген?

Неясностей было очень много. Скептики полагали, что химическая интерпретация биологических процессов если вообще и возможна, то, во всяком случае, является делом далекого будущего.

Основания для такого отношения были весьма солидны. Что значит дать химическую интерпретацию биологических явлений? Ответ ясен: надо подробно описать атомно-молекулярный механизм производства молекулы белка геном. Для этого, в свою очередь, нужно знать, как устроен ген, требуется также заиметь данные о структуре молекулы белка. То есть получить сведения о деталях конструкций, состоящих из десятков тысяч атомов; установить, как эти атомы скреплены между собой, в какой последовательности расположены, какую форму образует цепь атомов, связанных валентными силами! Но разве возможно решить задачу такой сложности? В конце 40-х годов лишь слабо мерещился путь к ее решению. И только несколько зорких людей отправились за синей птицей.

Прошло всего лишь двадцать лет с той поры. За это время относительно небольшая армия исследователей — физиков и биохимиков совершила научный подвиг, который сравнивают с открытием Ч. Дарвином теории эволюции. Установлена структура гена; определено атомное строение нескольких десятков белковых молекул; выяснен механизм передачи наследственных признаков; стало известно, каким образом гены производят молекулы белков; на языке атомов интерпретированы мутации; осуществлено вмешательство в биохимический синтез и, наконец, намечены пути синтеза живого вещества. И это за двадцать лет! За каких-нибудь двадцать лет! Если темп развития наших знаний в области молекулярной биологии останется тем же — а скорее всего так оно и будет, — то выращивание живых организмов в колбах и поправка генных дефектов (то есть неселекционное управление наследственностью) станет реальностью на рубеже XX и XXI веков!

Многие биологи полагают, что романтический период в молекулярной генетике уже закончился. Принципы этой науки установлены, остается труд. Работа предстоит огромная — нужно выяснить механизм множества процессов, протекающих в живом организме, определить структуру тысяч биологических макромолекул…

Последний термин приобрел права гражданства лишь в начале 50-х годов, но возник он значительно раньше.

Д. Берналл и В. Астбюри — ученики отца и сына Бреггов, открывших рентгеноструктурный анализ (основной метод изучения структуры вещества), — были, вероятно, первыми исследователями, предпринявшими в 20-х и 30-х годах попытки определить пространственное расположение атомов в структурах нуклеиновых кислот и белков. Они предполагали, что только на этом пути будут найдены разгадки функционирования живого организма, и выразили уверенность в принципиальной возможности интерпретации биологических фактов на молекулярном уровне. И оказались правы.

Перешагнем через несколько десятилетий и в телеграфной форме сообщим читателю, как говорится, положение на сегодняшний день. Начать надо со структуры белковых молекул.

Уже давно известно, что молекулы белка представляют собой цепи, построенные из 20 различных «кирпичей» — аминокислот. Не станем приводить их названия, хотя некоторые из них, например метионин или глутамин, знакомы лицам, вынужденным прибегать к услугам аптек. Аминокислоты связаны друг с другом одинаковыми «колечками» (химики называют эту связь пептидной). Так что найти структуру молекулы белка — это значит прежде всего определить порядок следования аминокислот. Но это не все. Нужны сведения и о форме молекулы.

Сейчас этой нелегкой работой занято большое число лабораторий. Вероятно, биологам нужно знать структуру всех белков. Так что в некотором обозримом будущем на книжных полках библиотек будет стоять толстая книга, содержащая сведения о последовательностях аминокислот во всех белковых молекулах.

Важность этих сведений не подлежит сомнению. Достаточно одной или двух перестановок в следовании аминокислот, чтобы произошли коренные изменения в жизни организма. Врожденная болезнь или тяжелое уродство может быть следствием совершенно пустякового изменения в структуре того или иного белка.

Исключительно интересным является сопоставление структуры одних и тех же белков разных организмов. Сравнивая, скажем, последовательность аминокислот в молекулах гемоглобина человека, лошади, быка, комара, мы с изумлением убеждаемся, что различия эти совершенно незначительны. Небольшие перестановки в следовании аминокислот сопровождали эволюцию живых существ от низших к высшим. Изучая первичную структуру белковых молекул разных животных, можно безошибочно проследить пути эволюции.

Так что, занимаясь экстраполяцией сегодняшнего хода науки, нам придется допустить, что на книжных полках библиотек будет стоять не одна книга «Структуры белка», а многотомное издание.

Трудности структурного анализа не останавливают бурного темпа развития молекулярной биологии в деле выяснения связи структуры белков с механикой управления деятельностью живого существа.

Хочется обратить внимание на совершенно новые черты в организации научных работ в этой области.

Гемоглобин — важный белок: этого не надо доказывать даже и тому, кто не ведает, что эта молекула выполняет важнейшую функцию переноса кислорода. Читатель, беспокоящийся о здоровье своих близких, знает, сколь худо, если анализ дает малый процент гемоглобина в крови.

Гемоглобин — важный белок, но вряд ли имеется в организме сколь-нибудь значительное число «неважных» белков, без которых можно было бы обойтись. Среди белков бездельников нет. Знать механизм действия каждого из них — задача, которая рано или поздно должна быть и будет решена. И ее решением будут заниматься поколения ученых, которые сейчас сидят на школьных и вузовских скамьях и которые сегодня уже в рядах армии исследователей.

До большинства белков у молекулярных биологов еще не дошли руки. А вот за гемоглобин взялись как следует. В мире существует примерно 100–200 человек, которые занимаются изучением связи структуры и свойств гемоглобина. Гемоглобин — это их профессия.

Поскольку нет преград для международных общений ученых, работающих в области структуры и свойств гемоглобина, — это вещество не взрывчато и в качестве материала для атомной бомбы не подходит, люди, занимающиеся одной проблемой, тянутся друг к другу. Им не приходится рыться в журналах для того, чтобы найти статьи друг друга. Они часто встречаются на симпозиумах и конференциях, ведут активную переписку и, таким образом, всегда в курсе последних событий.

Эта международная коллективность работы является характерной приметой сегодняшних фундаментальных (или, как говорят на Западе, «чистых») наук.

Не приходится и говорить, сколь дотошно знают эти 100–200 человек свой предмет. Не так давно мне пришлось присутствовать на докладе, посвященном гемоглобину. Докладчик помнил наизусть, какой аминокислотный остаток расположен за каким. «Обратите внимание, — говорил он, — вот на это место молекулы гемоглобина. Здесь расположен триптофан номер 93, вот здесь, где 48-й остаток сопряжен с 54-м, основная цепь молекулы изгибается…» Рассказ о молекуле гемоглобина шел в тех же тонах и был похож на рассказ географа, прожившего с десяток лет на крошечном острове, где он изучил расположение каждой кочки и толщину ствола каждого дерева.

Нет никакого сомнения, что, «навалившись» таким образом на гемоглобин, это дружное интернациональное общество откроет в течение ближайших лет все секреты его деятельности. А затем отправится на штурм других белков так, как это делает группа строителей, построившая Братскую ГЭС и отправляющаяся после этого на Усть-Илим.

Можно допустить, что, изучив в деталях связь структуры, форму завитков всех белков с их функцией в организме, наука составит рецепты подправки скверно работающих молекул.

Однако представляется более вероятным, что через несколько десятилетий научная медицина будет заниматься исправлением директора клетки — молекулы ДНК. Эта молекула занята фабрикацией белков. Так что вместо того, чтобы подправлять недоброкачественную продукцию, выпускаемую заводом, не лучше ли заменить его директора и парк машин и автоматов?..

Структура молекулы ДНК — дезоксирибонуклеиновой кислоты — была скорее угадана, чем экспериментально найдена. Авторы этого замечательного открытия Д. Уотсон и Ф. Крик широко пользовались сведениями из родственных областей — химии, генетики, кристаллографии. Разумеется, без эксперимента они не смогли бы обойтись. Но тем не менее можно без преувеличения сказать, что они придумали двойную спираль, а когда придумали, то сразу же увидели, как легко и непринужденно эта модель объясняет все известные факты. Такая изящная гипотеза не могла оказаться неверной. И не оказалась. Серия исследований, последовавших за работой Д. Уотсона и Ф. Крика, показала безошибочность модели двойной спирали.

Молекула ДНК командует живым организмом. Она выполняет две функции. Во-первых, служит матрицей для синтеза другой тождественной молекулы ДНК — это процесс, лежащий в основе деления клетки. Во-вторых, ДНК фабрикует белки. Эту операцию она выполняет в две стадии. Молекула ДНК матрицирует молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты), а уж эти молекулы по кусочкам изготовляют разные белки.

Молекула ДНК ответственна за передачу наследственных признаков. Значит, молекула ДНК — это и есть ген? Нет, не так. Генами являются участки молекулы ДНК. Но об этом чуть позже.

Какому главному условию должна удовлетворять молекула, ответственная за передачу наследственности? Принципиальный ответ на этот вопрос был дан еще в 1945 году одним из первооткрывателей квантовой механики Э. Шредингером в своей маленькой книжке «Что такое жизнь?», которая оказала огромное влияние на тех, кто через десятилетие стал называть себя молекулярными биологами. Э. Шредингеру было ясно, что молекула, ответственная за передачу наследственности, должна быть апериодическим кристаллом. Сочетанием этих двух слов, звучащих примерно как «сладкая горечь», поскольку периодичность является признаком кристалла, Э. Шредингер хотел подчеркнуть, что ген должен каким-то образом (каким именно, он не имел представления) сочетать в себе упорядоченность с беспорядком.

Упорядоченность необходима по той причине, что имеется огромное множество одинаковых генов, входящих в состав разных клеток. Но строгий порядок несовместим с идеей хранилища наследственной информации. Упорядоченная система может быть описана десятком, ну сотней параметров, что свидетельствует об информативной бедности ее. Мы не можем послать сколько-нибудь содержательную телеграмму при помощи одних точек, или одних тире, или точек, регулярно чередующихся с тире.

Напротив, система, в которой точки и тире следуют друг за другом в произвольной последовательности, имеет неограниченные возможности для передачи информации.

До того как Д. Уотсон и Ф. Крик приступили к работе, уже было известно, что молекула ДНК представляет собой длинную цепь с боковыми привесками четырех типов. Эти привески, называемые нуклеотидами, суть тимин, цитозин, аденин и гуанин. Первые два привеска поменьше размером, хоть и разные, но очень похожи друг на друга. Два других, побольше, также отличаются друг от друга совсем незначительно.

Незадолго до того, как два будущих нобелевских лауреата приступили к своему поиску, химики стали подозревать, что нуклеотиды молекул ДНК разных особей следуют друг за другом в разном порядке. Длинная молекула, в которой похожие друг на друга, но все же разные нуклеотиды расположены в произвольном порядке, вполне соответствует идее Э. Шредингера об апериодическом кристалле.

Молекула ДНК простейшей бактерии имеет огромную длину. Число привесков измеряется 6 миллионами. Нетрудно прикинуть, что с помощью 6 миллионов слов четырехбуквенного алфавита мы сможем составить книгу объемом в 3 тысячи страниц. Так что концы с концами сходятся великолепно. Трех тысяч страниц вполне хватит, чтобы обрисовать во всех тончайших деталях строение бактерии.

Задачей Д. Уотсона и Ф. Крика являлось придать идее длинной апериодической молекулы конкретные черты и предложить такую модель, которая объяснила бы две основные функции молекулы ДНК — репликацию, то есть способность производить свои копии, и производство молекул белка, строго специфичных для каждого организма.

Д. Уотсон и Ф. Крик показали, что при сближении двух молекул ДНК существует лишь единственный удобный способ сплетения в одно целое двух тождественных молекул. Оказалось, что маленькому привеску тимину удобно подойти к большому аденину, а маленькому привеску цитозину удобно подойти к гуанину.

Природа пошла по пути механика, изготовляющего замок. Замок открывается лишь тогда, когда все выступы ключа попадут в соответствующие впадины замка. Так же точно существует единственная возможность сплетения молекул в двойную спираль: маленькие привески играют роль скважин, а большие — выступов ключей. Достаточно в одну из спариваемых молекул внести изменения, как свивание в двойную спираль станет невозможным.

Принцип «ключ-замок» непредвзято объясняет деление клеток. Двойная спираль расплетается, и каждая из половинок «собирает из имеющегося сырья» вторую молекулу, тождественную родительской.

Это объяснение представляется настолько естественным, что справедливость его была единодушно признана до получения прямых доказательств, которые, впрочем, не заставили себя долго ждать.

Механизм производства белковых молекул выглядел значительно сложнее. «Единицей» передачи наследственности оказалась последовательность примерно тысячи нуклеотидов. Она получила название цистрона. Каждый цистрон ответствен за производство полипептида — цепочки аминокислот, связанных пептидными связями. На смену формуле «один ген — один фермент» пришло правило «один цистрон — один полипептид».

Ген оказался не молекулой, а частью молекулы.

Командиром производства является молекула ДНК В любом крупном промышленном предприятии директор осуществляет руководство производством не непосредственно, а через своих помощников, скажем главного металлурга, главного конструктора и т. д. Как правило, директор сам назначает своих помощников. Так же поступает и молекула ДНК, с тем, однако, различием, что она не только выбирает, но и изготовляет своих сотрудников. Ближайшими исполнителями воли начальства являются молекулы рибонуклеиновых кислот, играющие роли посланцев (м-РНК). Молекула м-РНК (буква «м» — обозначение слова messenger, что значит «посланец») является точной копией участка молекулы ДНК длиной в один цистрон.

Таким образом, производство белков поручается молекулам м-РНК. И правильно. Ибо в противном случае около молекулы ДНК происходила бы нежелательная толчея, приходилось бы распутываться в потоке «сырья», нужного для изготовления разных полипептидов, производство шло бы медленнее и всякого рода ошибки были бы весьма вероятными.

Молекула ДНК производит большое число молекул м-РНК. В принципе столько, сколько она содержит генов-цистронов. Молекулы м-РНК отправляются фабриковать белковые молекулы в цехи, которые называются рибосомами.

Но к этим цехам надо доставить сырье! Это выполняют молекулы-транспортеры — рибонуклеиновые кислоты, но другого сорта. Их обозначают т-РНК. Транспортеров столько, сколько аминокислот. Каждый транспортер тащит свою аминокислоту. Так происходит функционирование организма.

Справедливость этой модели доказана прямыми опытами. Разумеется, нет возможности дать представление обо всем комплексе доказательств, лежащем в основе гипотезы. Мы рассказали о механизме работы живой клетки лишь в самых общих словах. В последние годы даже тонкие детали этого процесса изучены биологами. Секреты производства живой материи стали достоянием науки.

Любое познание вызывает вопросы: зачем, для чего, увеличит ли это счастье на Земле?

Ответы на них достаточно очевидны. Во-первых, зная кухню изготовления живого, можно вмешаться в ее работу и подправлять повара, если он плохо справляется с задачей. Во-вторых, голова кружится лишь от одной мысли о возможности создавать искусственные существа по заданному плану. Обе задачи еще очень далеки от осуществления и сегодня могут быть названы фантастическими. Однако только что сказанное показывает, что если речь и идет о фантастическом плане действия, то все же оба пункта программы являются реалистическими и не противоречат законам природы. И далее, достаточно ясно, чему надо учиться! Одной из важнейших проблем науки должна быть названа задача синтеза белков и нуклеиновых кислот.

Трудно еще сейчас сказать, в какой форме это умение будет использовано для решения обоих пунктов программы вмешательства в производство живой материи. Есть основания предполагать, что зачастую можно будет «обманывать» клетку, подсовывая ей искусственную нуклеиновую кислоту и меняя таким образом процесс изготовления того или иного белка.

При изучении тонких эффектов работы клетки исключительно важным для биологии является моделирование отдельных стадий процессов, протекающих в живом организме. Для этой цели также нужно научиться изготовлять по заданному плану молекулы белков, молекулы РНК и другие биологические макромолекулы.

Наиболее отдаленной мечтой является, видимо, изготовление самого командира производства — молекулы ДНК. Если эта задача станет реальной, то весь процесс создания живого удастся осуществлять в колбе.

Однако автор этих строк не заносится в своих мыслях столь далеко. Ему хотелось бы, чтобы его ближайшие потомки стали очевидцами превращения медицины в точную науку. А это возможно лишь в том случае, если биохимики и физики научатся определять структуру белков и нуклеиновых кислот каждого индивидуума, сумеют понять молекулярный механизм любой болезни и овладеют техникой вмешательства в жизнедеятельность организма, которая заключается в замене «больных» молекул на «здоровые».

Все перечисленные задачи требуют грандиозных усилий. Но они по плечу современной науке. Автор полагает, что любое химическое исследование оправдано, если оно вносит какой-либо вклад в решение проблем биологии. Мне кажется, что все другие задачи по производству новых молекул и новых веществ являются второстепенными по сравнению с теми задачами, которые ставит перед синтетиками молекулярная биология.

В конце концов, наука, как я уже говорил, выполнила почти все, что от нее требуется для того, чтобы обеспечить человеку комфортабельную жизнь. Но достижение мечты человечества — построение коммунизма — не сводится к успехам техники. Новое общество должно быть содружеством счастливых, здоровых людей. Уничтожение болезней и воспитание гармоничного человека — задачи не менее важные, чем создание новых средств связи, транспорта и жилья. Эти проблемы еще не решены, и здесь наука в долгу у человечества.

Вот по этой причине я и полагаю, что главный прогноз статьи, посвященной будущему науки о веществе, звучит так: будут прежде всего развиваться все области физической химии, которые в той или иной степени содействуют нашему пониманию природы жизнедеятельности и преследуют цель овладения способами вмешательства в святая святых — в производство живой материи.