Силуэты: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Я стоял не очень близко к пню и отделался в основном испугом, — только несколько капель серной кислоты брызнуло на руку. Но тут уже я совершенно убедился; что наука — не враки. И вот, эти два случая, вместе взятые, и дали мне начальный толчок в науку, хотя в Ирландии стать ученым было тогда делом непростым, и много еще минуло лет, прежде чем я уяснил химическое действие серной кислоты и осознал, что посвящу себя исследованию строения кристаллов посредством рентгеновых лучей. По странному совладению позднее я работал лаборантом в Лондонском Королевском институте — как встарь Фарадей, и в том же подвале, где и он когда-то.

Работать как исследователь я начинал у сэра Уильяма Брегга в Королевском институте, где занимался структурой всевозможных кристаллов. Затем я переехал в Кембридж и через несколько лет заинтересовался там работой Хопкинса; ученый этот — почти что основоположник биохимии — поднял вопросы, на которые структура кристаллов, подумалось мне, способна дать ответ. Особенно заинтересовало меня вещество, являющееся основой всего живого, — белковое вещество. Но чтобы понять строение белка, надо было прежде структурно понять нечто еще более общее всему живому — то, в чем возникает жизнь, — я говорю о воде.

А именно вода, эта древнейшая из всех стихий (Фалес считал, что мир сотворен из воды) вечно ставила в тупик физиков и химиков. Хотя в известном смысле вода — типичнейшая жидкость, но при ближайшем рассмотрении она оказывается весьма отличной от наших представлений о нормальной жидкости. Многие из этих ее отличий имеют для нас громадное значение.

К примеру, естественно бы ожидать, что когда жидкость переходит в твердое состояние, то ее частицы располагаются тесней и вещество делается тяжелее, плотнее; многие жидкости так себя и ведут — скажем, большинство металлов при затвердевании. Но с водой происходит как раз обратное. Охлаждаясь, вода плотнеет, но точка наибольшей плотности находится в районе 4 °C, а ниже этой температуры вода становится несколько легче. Замерзая же, она делается еще — и намного — легче и образует лед, плавающий на поверхности воды. Понятно, что вся география, да и биология тоже, перевернулась бы вверх тормашками, если бы вода не обладала этим аномальным свойством, — если бы все реки и пруды замерзали не сверху, а со дна.

Мы так свыклись с этим свойством, что оно вроде бы само собою разумеется. А тем не менее объяснения ему не было. Да и другое свойство воды взять, еще даже обыденней: почему вода вокруг нас — жидкость, а не газ? Молекулы ее очень невелики — атом кислорода и два атома водорода. У сероводорода, Н₂S, молекула гораздо тяжелей, однако сероводород — газ; между водяными же молекулами, легчайшими из малых молекул, силы сцепления почему-то достаточны, чтобы при обычных температурах вода была жидкостью. Химики обходили это затруднение с помощью довода, что вода — жидкость не обычная, а ассоциированная. Молекулы ее ассоциируются, объединяются в большие, дигидрольные молекулы и т. п. Для меня как физика все это звучало весьма туманно и неудовлетворительно, и я чувствовал, что для понимания роли воды в живом веществе необходимо существенно уточнить ее структуру.

Я все еще думал над этим вопросом, когда поехал в 1932 году с группой английских физиков и химиков в Советский Союз, чтобы принять там участие в научных дискуссиях. Часть времени мы провели в Москве, часть в Ленинграде. До этого я приезжал уже однажды в Советский Союз, но впервые вошел теперь в тесный контакт с советскими учеными; должен сказать, что для всех нас этот контакт послужил большим творческим стимулом. Особенно сильное впечатление произвела на меня работа профессора Френкеля, чья смерть в 1952 году была такой утратой для физики. Мы с ним обсудили многие из проблем твердого и жидкого состояний, которые его особенно занимали. Но понятно, пребывание в Советском Союзе было так заполнено встречами, посещениями, осмотрами, что у нас просто не было возможности и времени для разработки фундаментальных теорий. И все же такая возможность в конце концов представилась, причем именно в Советском Союзе.

Наш визит близился к концу; мы уже все увидели, истратили все деньги, оформили все документы, чтобы выехать в самый последний момент, исчерпав полностью возможности визита, — и вернуться в начале октября к преподаванию в Кембридже.

Прибыли мы из Англии морем, в Ленинград, а возвращались воздушным путем, из Москвы. В московском аэропорту, лишь недавно тогда открывшемся, расписание полетов отличалось суровостью. От нас потребовалась явка в аэропорт к четырем часам утра. Так что возникла проблема — как бы не проспать. Возможно, русский человек решил бы ее очень просто, не стал бы вообще ложиться. Я, однако, ухитрился раздобыть будильник — единственный, кажется, во всем Институте физики — и, благополучно им разбуженный, вовремя прибыл в аэропорт, но обнаружил там, что улететь нет никакой возможности. Все было окутано густым осенним туманом, и неизвестно было, когда он разойдется.

Оставалось одно — ждать. А для ожидания в те времена не было предусмотрено никаких удобств. Негде было поесть, негде посидеть, оставалось лишь ходить взад-вперед в тумане и надеяться, что он рассеется. А если не рассеется, то нас ожидали немалые заботы: смена маршрута, переоформление выездных документов, добывание еще какого-то количества денег — и сотня других затруднений, неминуемо связанных с переменой планов. Но как бы ни было, надо было чем-то занять время ожидания, и, прохаживаясь у аэродрома, мы с профессором Р. Х. Фаулером, ныне покойным, повели разговор о том, о сем и в конце концов свернули на научную тему. Больше всего прочего нас занимал туман, и естественно, что о нем и пошла речь. Туман состоит из воды, из водяных капелек размером в какую-нибудь тысячную долю миллиметра, и странно прежде всего то, что, образовавшись, эти капельки затем уж не крупнеют, иначе бы туман, разумеется, превратился в дождь; однако туман обычно в дождь не обращается, упрямо продолжает быть туманом, и капельки его оседают медленно — до неприметности медленно.

Итак, речь у нас шла о воде, и профессор Фаулер, большой знаток термодинамики, но не очень сведущий в структурной теории, попросил меня объяснить структуру воды, как я эту проблему понимаю. И тут-то я задумался над нею заново — в свете наших московских дискуссий. Меня вдруг осенило, что, быть может, ключ ко всей природе воды — в структуре самой молекулы. Хотя обычно мы обозначаем молекулу воды как Н₂О, не уточняя, как размещены в ней атомы водорода, но проще всего, конечно, расположить их на бумаге так:

Н О Н — то есть на прямой линии. Однако водяная молекула подобным образом построена быть не может, ибо при такой структуре молекула, содержащая два положительных атома водорода и отрицательный атом кислорода, была бы электрически нейтральная, не обладала бы определенной направленностью, моментом. А вода обладает весьма сильным электрическим моментом, и этим, возможно, объясняются ее особенности. Такой электрический момент может образоваться, только если оба атома водорода примыкают с одной и той же стороны:

И мелькнула мысль, что именно такое «однобокое» расположение частиц водорода и способно объяснить чрезвычайно свободный способ межмолекулярного сцепления в воде (см. рисунок); отсюда становится, быть может, объяснимым и правильный порядок водяных молекул льда.

Структуру льда раскрыл за много лет до того мой старый учитель сэр Уильям Брегг. Он обнаружил, что каждую водяную молекулу льда окружают четыре других, образуя тетраэдр (треугольную пирамиду). Как именно размещены там атомы водорода, он не мог установить, да и никто тогда не мог. Сперва предполагали, что атомы водорода размещены посредине между атомами кислорода. Однако если мы предположим, что атомы водорода размещаются не между атомами кислорода, а внутри их, тогда каждая водяная молекула окажется совершенно естественно связанной с четырьмя другими молекулами: с двумя свяжут ее собственные атомы водорода, а с остальными двумя — водородные атомы соседних молекул. И тогда парадоксальный факт, что лед легче воды, получит объяснение. Если та или иная группа связана с четырьмя другими группами, то обычно возможен ряд различных способов расположения, поскольку структура по своей рыхлости напоминает скорее кружево, чем плотно упакованную дробь или горох. А нам известно уже кое-что о таких четверо частных кружевных структурах — известно по структуре кварца, которую раскрыл Гиббо в лаборатории, где я незадолго до этого работал.

Кварц — общераспространенная форма двуокиси кремния. В двуокиси кремния частица тоже соседствует с четырьмя другими — у каждого атома кремния четыре соседних с ним атома кислорода, и каждый кислородный атом связывает два атома кремния. Существует несколько возможных способов такого размещения, и один из них весьма отчетливо выражен в кварце; а кремниевая вулканическая порода тридимит демонстрирует нам другой способ размещения. Любопытно, что строение тридимита сходно со строением льда.

Кварц структурно плотней, тяжелей тридимита. И мне подумалось, что если вода сходна по структуре не с тридимитом, а скорее с кварцем, то понятно тогда, почему она тяжелей льда.

Я развил эту мысль и многие другие в течение тех часов, что мы прохаживались взад-вперед. Собственно, за всю нашу поездку это было единственное незанятое время — ходи, думай, говори, все равно делать больше нечего. А я склонен думать и говорить на ходу, и, как видно из последующего, иногда это дает неплохие результаты. В этот раз все бы разговором и кончилось, не будь моим собеседником Фаулер. Я уж не помню, до какого момента довел изложение, как вдруг, словно по волшебству, туман рассеялся, засветлел погожий октябрьский день и, хотя утро давным-давно миновало — беседовать мы начали в четвертом часу ночи, а сейчас было четыре часа дня, — но самолет вылетел.

Он доставил нас недалеко, в Кенигсберг. Но так или иначе, а отъезд наш состоялся и теория родилась. Фаулер сказал мне: «Непременно изложите на бумаге». (Мне это как-то не пришло самому в голову.) Письменное изложение оказалось делом очень скучным, но полезным. Занявшись им, я обнаружил, разумеется, что порядочный процент светлых мыслей, осенивших меня в это мглистое утро, нуждается в существенной переработке и консолидации, что рассуждения требуется одеть в математический наряд. Но прежняя основа не поколебалась, и в итоге через несколько месяцев наша с Фаулером работа о структуре воды вышла в свет. Как ни удивительно, вот уже третий десяток лет теория держится. И до сих пор я думаю, что вряд ли она возникла бы, если бы не стимул пребывания в СССР и не этот лишний проведенный там денек.

Вторая часть моего рассказа — о том, как, оттолкнувшись от исследования структуры простых веществ, я занялся структурой самых сложных — белков. Произошло это два года спустя.

Проблема структурного анализа белков и теперь еще не решена, мы начинаем лишь проникать в ее суть. А в те годы она была почти полностью загадкой. Значение белка было уже общепризнанно. Энгельс говорит о жизни как о способе существования белковых тел. И белки эти — вещества невероятной сложности, с десятками тысяч атомов в каждой молекуле — представляли неустранимую проблему не только для химиков, но и для кристаллографов.

Белки — вещества кристаллические, они рассматривались как таковые еще в начале девятнадцатого века; было обнаружено, что многие простые семенные экстракты дают, постояв, очень хорошие кристаллы. Кристаллы гемоглобина (кровяного красящего вещества) известны издавна. А когда современный, вооруженный рентгеном, кристаллограф видит кристалл, он тут же стремится раскрыть его структуру — хочет, поместив в рентгеновскую камеру, получить на снимке дифракционную картину. Можно уверенно предположить, что с 1913 года, со времени открытия Брегга, многие уже пытались получить рентгенограмму белков — но совершенно безрезультатно. Белковые кристаллы — отличные с виду кристаллы, с плоскими гранями и острыми ребрами, — вместо картины, отражающей кристаллическую решетку, давали на снимке мутное пятно. Я чувствовал, что в этот странный результат требуется внести ясность. Но у меня не было кристаллов. Хотя мне и случалось порой увидеть под микроскопом мельчайший кристаллик белка, но действительно годных кристаллов не попадалось. Я часто слышал о хороших белковых кристаллах, но всякий раз оказывалось, что кристаллы растворились или выброшены — что их уже нет.

У белковых кристаллов отмечена и другая странность, дававшая повод утверждать, что они, собственно, вовсе не кристаллы. Дело в том, что они нарушают первейший закон кристаллографии — о постоянстве углов между гранями кристаллов. В белковых кристаллах угол способен меняться: иногда он острый, иногда тупой. Кристалл то так, то этак расширяется, сжимается в различных направлениях; многие поэтому считали, что имеют дело с лжекристаллами, мнимыми кристаллами, и, стало быть, неудивительно, что снимок не дает желанного результата. Я же продолжал держаться мнения, что результат достижим, и твердил об этом встречному и поперечному во всех лабораториях, где я бывал, — но сам не ждал, что из этих разговоров выйдет толк. Однако толк вышел.

В нашей первой поездке в Советский Союз (в 1931 году) участвовал молодой химик Глен Милликэн — альпинист, парень очень предприимчивого склада. К большой нашей печали, он позднее погиб при восхождении. Было крайне трудно обуздывать его туристские порывы, он то и дело пропадал куда-то, но в критический момент всегда оказывался налицо. Ему, одному среди немногих, удалось даже, по-моему, в те времена пройти в Кремль без пропуска! Он был так мило напорист, что ему почти всегда все удавалось. Ярый любитель странствий, Милликэн путешествовал обычно налегке, с одним рюкзаком.

Как-то он со своим рюкзаком отправился из Москвы в Ленинград ночным экспрессом, не делающим в пути остановок. В те годы ездить было сложно, Милликэн ехал в жестком общем. Приняв меры предосторожности — застропив рюкзак за стойку полки, — он подмостил его под голову и уснул. Ночью вскинулся — рюкзака нет! Кто-то стащил, перерезав рюкзачный ремень бритвой. Другие отнеслись бы к пропаже философски, махнули рукой — но не Милликэн. Он поднял на ноги проводников, обошел, обыскал с ними весь поезд от первого вагона до последнего, тревожа среди ночи пассажиров. Переполоха было много, но рюкзака — ни следа. Однако Милликэна это не обескуражило; раз в вагонах нет, сказал он, значит надо искать на вагонах. И через окно взобрался на крышу. Там действительно рюкзак нашелся — вместе с другими крадеными вещами оказался привязан к вентилятору. Этот эпизод хотя и не имеет отношения к белковым кристаллам, но говорит кое-что о человеке, который мне их раздобыл, об его упорстве и предприимчивости.

Лето 1934 года Милликэн провел в горном походе, в северной Лапландии. Возвращаясь через Стокгольм, он задержался там в лаборатории Сведберга, великого создателя ультрацентрифуги, позволяющей определять размеры белковых молекул. Разговаривая с кем-то из сотрудников и, по своей привычке, оглядывая лабораторию, Милликэн заметил, что на стеллаже наверху что-то блеснуло.

— Что в той склянке? — поинтересовался он. Никто не помнил уже; взглянули на ярлык. Там оказался пепсин — пищеварительный желудочный фермент, которым занимался в свое время Павлов. Этот пепсин давно стоял на полке, позабытый, и достоялся до кристаллизации, причем кристаллы образовались не микроскопические, а крупные, издали заметные глазу. Милликэн вспомнил, что мне нужны хорошие кристаллы, и попросил несколько штук. Ему извлекли оттуда несколько кристаллов, опустили в пробирку, залили пепсинной жидкостью из склянки, и Милликэн сунул пробирку в карман.

В Кембридже он прямиком явился ко мне и вручил пробирку с кристаллами. Я крайне обрадовался и подумал: «Ну, теперь добьюсь рентгенограммы!» Вынув один кристалл, я поместил его в рентгеновскую камеру, сделал снимок. И ничего не увидел на снимке — ровно ничего нужного мне! Сейчас-то я не сомневаюсь, что, пристально всмотревшись, я заметил бы кое-что; но я не знал тогда, во что и всматриваться. Велико было мое разочарование. А ведь на этот раз есть все требуемое. Есть кристаллы; кристаллы вызывают дифракцию рентгеновых лучей; дифракции не обнаружилось. Что-то, значит, у меня не так. Что же именно? Разве лишь то, что я вынул кристалл из его естественной среды. Мелькнула мысль, что надо исследовать кристалл в жидкости, где он растет. Выбрав тоненькую пробирку, я принялся выуживать этим странным сачком — вернее, черпаком — один из кристаллов. Зачерпнул его вместе с жидкостью, закупорил пробирку, сделал снимок — и, к моему изумлению и восторгу, получил прекрасную дифракционную картину.

Это явилось лишь началом очень длинной истории, но уже оно показало, что белковые молекулы обладают вполне правильным пространственным порядком. Теперь, когда мы знаем это, десятки исследователей пытаются разрешить загадку расположения атомов. Дело это долгое, продвигается оно усилиями многих. Мы, в нашей лаборатории, помогаем двигать его, решать проблему расположения атомов в кристалле. Но не о том мой рассказ. Я хотел только проиллюстрировать, как возникают научные открытия. Может показаться, что это целиком вопрос удачи, случая, — и, в известном смысле, так оно и есть. Но, как в притче об отце, сыновьях и зарытом среди поля золоте, удача приходит лишь тогда, когда знаешь, где искать, и когда ты готов копать без устали и не теряя надежды.

На время войны я полностью оставил свою обычную научную работу и занялся практическим применением науки к различным аспектам военного дела. Вначале деятельность моя сводилась к мерам защиты от немецких воздушных атак. Да и сама война тогда сводилась к тому, что на нас сыпались немецкие авиабомбы, и моей задачей было, изучив их действие, по возможности ослабить это действие.