Нобелевская жатва: выдающиеся химики в процессе познания природы

Когда химиков спрашивают, каков предмет их исследований, они чаще всего отвечают, что занимаются изучением свойств вещества на атомном и молекулярном уровнях. Вы подумаете, что это определение слишком узко, - и ошибетесь. Именно такой подход позволяет познавать природу многих явлений и процессов окружающего мира - происхождения жизни, функционирования человеческого организма, изменения земной атмосферы под влиянием крошечных молекул - и, конечно, создавать новые вещества, которых нет в природе.

Цепь открытий и достижений на этом поприще протянулась на столетие с лишним, о чем свидетельствует длинная череда нобелевских лауреатов, получивших высшую научную награду за химические исследования. Этим летом обладатели премии собрались вместе с уже известными учеными и только начинающими свой путь в науке молодыми людьми в Линдау (Германия) на очередную, 63-ю конференцию с тем, чтобы поделиться последними достижениями, вспомнить прошлое и обсудить перспективы на будущее.

Не удивляйтесь, что иногда рассуждения об атомах и молекулах имеют спекулятивный характер и не располагают строгой экспериментальной базой под собой. Эту базу удалось создать лишь в начале XX в. Статья, написанная Теодором Сведбергом (Theodor (The) Svedberg) в 1913 г., повествует о работе Эрнеста Резерфорда по изучению альфа-частиц (ядер атома гелия), которая наряду с другими исследованиями поставила точку в дискуссиях о существовании атомов и молекул. Прошло 100 лет, и новые методы - прежде всего силовая атомная спектроскопия - позволили получить изображения молекул и атомов, из которых они состоят, а также связей между ними. Такие картинки не могли не убедить последнего скептика.

Но вернемся к началу XX-го в. Разработанный к этому времени метод рентгеновской кристаллографии впервые дал возможность увидеть пространственное расположение атомов в молекулах различных веществ. В своей статье английский биохимик Джон Кендрю (John С. Kendrew) сравнивает получение трехмерного изображения молекулы миоглобина, белка, который участвует в переносе кислорода в организме живых существ, с открытием Америки европейцами. Рентгеноструктурный анализ и сегодня служит одним из основных инструментов в определении структуры белков и других биологических молекул. Два из четырех нобелевских лауреатов по химии за 2009 и 2012 гг. получили высшую награду за исследования этим методом целых ансамблей молекул внутри клетки: речь идет о рибосомах и рецепторах G-белка (GPCR). Что касается рибосом, то рентгеноструктурный анализ не только позволил увидеть, как работает эта "фабрика" по сборке белков, но и помог найти эффективные антибиотики, которые воздействуют на бактериальные рибосомы. Детальное изучение свойств GPCR может способствовать созданию лекарственных препаратов новых поколений: известно, что треть используемых ныне лекарственных веществ функционируют при участии этих вездесущих мембранных белков. В 2011 г. с помощью рентгеноструктурного анализа удалось впервые наблюдать, как именно работает GPCR, какие перестройки, отточенные до хореографического совершенства, происходят в этой молекуле при передаче ею сигнала через клеточную мембрану.

Итак, рентгеноструктурные и другие исследования во многом приблизили биологов к пониманию биохимии живых организмов. В то же время происхождение самой жизни оставалось загадкой. В 1952 г. американский физхимик Гарольд Юри (Harold С. Urey) и его студент Стэнли Миллер (Stanley Miller) провели эксперимент по воссозданию в лабораторных условиях атмосферы, близкой к таковой на первобытной Земле, и показали, что аминокислоты - "строительные кирпичики" белков - могут образовываться из простых соединений. Исследования, посвященные раскрытию тайны зарождения жизни, продолжаются по сей день. Согласно сторонникам одной из точек зрения, на первобытной Земле царствовала РНК, а не ДНК, как сегодня. Она служила матрицей для воспроизводства самой себя, и она же выполняла каталитическую функцию при синтезе белков.

В том же году, когда Юри провел эксперимент, имитирующий возникновение простейших биологических молекул, он опубликовал в Scientific American статью о происхождении земной атмосферы. Со временем становилось все более ясно, что человек своей деятельностью вносит существенный вклад в ее изменение, "обогащая" не существовавшими ранее веществами. Так, хлорфторуглероды (ХФУ) причастны к истончению озонового слоя атмосферы, который защищает живые организмы от жесткого УФ-излучения. Сложность земной атмосферы не перестает удивлять ученых. Так, в одной из работ, опубликованных в прошлом году, сообщается об открытии содержащихся в ней ранее неизвестных веществ, которые способны превращать диоксид серы в серную кислоту - основной компонент кислотных дождей. Обнаружение подобных соединений в атмосфере помогает ученым уточнять модели, которые описывают протекающие в ней процессы, и предвидеть будущие изменения.

Нашу повседневную жизнь уже невозможно представить без искусственно созданных веществ и материалов. Усилиями химиков-синтетиков их разработано в XX в. огромное количество. Прежде всего это синтетические полимеры. Названия многих из них у всех на слуху: полиэтилен, тефлон, пенопласт, кевлар и др. За разработку стереоспецифических методов полимеризации из простых асимметричных молекул углеводородов, например пропилена, Карл Циглер (Karl W. Ziegler) (Германия) и Джулио Натта (Giulio Natta) (Италия) были удостоены в 1963 г. Нобелевской премии по химии. Пластмассы, получаемые с использованием их метода, производят в промышленном масштабе и сегодня. Химия - настолько широкая наука, что будущие нобелевские лауреаты могут быть специалистами в самых разных областях. Возможно, это будут биохимики, создавшие искусственную живую клетку либо материал, использующий энергию солнечного света более эффективно, чем растения, или фармацевты, нашедшие чудодейственное лекарство против рака, или химики других специальностей. В любом случае их открытия позволят создавать нечто новое, столь необходимое нам, людям.

Автор публикации: Стюарт Кантрилл (Stuart Cantrill), главный редактор журнала "Natural Chemistry"