Борис Ляпунов - Химия завтра
Если так пойдет и дальше, то природное отступит перед синтетическим.
Что ж, оправдаются предсказания тех, кто одевает будущее человечество в искусственную одежду, поселяет его в дома из искусственных стройматериалов и потчует искусственной пищей.
Что ж, если и лишится когда-нибудь человек всего, что дает ему природа, он создаст свою природу, вероятно, даже лучшую. Ведь, в сущности, многие планы грядущей жизни в космосе имеют химическую основу во всем — от сооружений внеземных поселков до получения кислорода, воды и пищи лабораторным путем.
Прокладывая дорогу химику, теория не довольствовалась тем, что было открыто ею на первых порах. Вскоре стала ясной удивительная сложность микроархитектуры вещества.
Молекулы создаются, живут и действуют в пространстве. Пространственное расположение атомов строго определено. Из одного и того же количества одних и тех же атомов природа возводит разные здания. Раньше этого не знали, а петому не могли разгадать многие загадки.
Самое незначительное различие — и вещество уже получается иным. Достаточно одному атому оказаться не на месте, и молекула уже не та.
Такая «игра природы» отнюдь не всегда безобидна. В химии живого, например, это имеет наиважнейшее значение. Живой организм поразительно чувствителен к тому, как расположены атомы в его молекулах. Стоит чуточку измениться кислородно-водородно-углеродной постройке — и вместо одного вида сахара перед нами другой. Один крайне нужен человеку и животным, другой для них непригоден.
И уж конечно, создавая новые вещества, химики должны были теперь считаться с тончайшими особенностями пространственной структуры будущих молекул. Различия, о которых не подозревали раньше, ярко и отчетливо выступили на первый план. Это понятно: молекула трехмерна, ее изучать должна была бы с геометрической точки зрения не планиметрия, а стереометрия. Потому и появилась стереохимия, «пространственная» химия, и она стала компасом для синтеза новых соединений.
Направленное получение стереоизомеров — нужных нам разновидностей одного и того же молекулярного здания — вот едва ли не генеральная задача в создании второй природы теперь, во второй половине XX века.
Всего две разновидности атомов в углеводородных соединениях — углерод и водород. Чем больше «кирпичиков» в постройке, тем больше возможных вариантов-изомеров. Их может оказаться сотни тысяч, миллионы и даже триллионы. Когда соединение еще более сложное, как у белков, например, то изомерия так велика, что может быть выражена только очень большими числами. Здесь приходится прибегать уже к степеням.
А сколько все же получается изомеров? Оказывается, и показатель-то степени будет не двух- и не трех-, а четырехзначный.
Химик — архитектор своеобразный, он «кирпичиков» своих не видит и о здании может судить, лишь когда оно уже готово, когда реакция уже завершена. Он может только управлять ходом превращений, меняя те или иные условия, разрушая и образуя вновь химические связи. Добавим к этому, что и расположение атомов в молекулах, увы, совсем уж не просто. Будь бы иначе — умей мы получать именно тот стереоизомер, какой нужен, мы давно бы уже имели сахар из угля и воды.
Уже полученные стереоизомеры позволяют говорить об открытии новых резервов мира искусственных веществ. Чем дальше, тем их будет больше.
Для такой уверенности есть и иные основания. Они связаны с еще более глубоким проникновением в самые сокровенные секреты материи. Тут химия встречается с физикой, и надо говорить о всевластии не только химических, но и физических законов в недалеком будущем.
Знание структуры, хотя бы и самое глубокое, — далеко не всё. Если бы дело сводилось только к форме постройки, если бы молекулы походили на свои модели, которые иногда можно видеть на выставках или картинках, то задачи химического конструирования похожи были бы на любые другие инженерные задачи.
Но подлинная молекула не походит на сооружение из шариков и палочек, как не походит шарик на настоящий атом и как палочка не заменяет истинную химическую связь.
В дело вмешивается энергетика молекулы. В ней — атомы, состоящие из ядер и электронов, и потому проблема переводится не только на атомно-молекулярный, но и на ядерно-электронный уровень.
И ядра, и электроны, и группы атомов, возникающие либо распадающиеся в ходе реакции, — все эти «строительные детали» химии обладают энергией. При перестройках происходит своего рода энергетический обмен, происходят сложные, уже чисто энергетические процессы.
Исходные молекулы дают заготовки, из них собираются новые молекулы, в новых молекулах возникают опять-таки новые энергетические связи (я чуть было не сказал — химические, что было бы не так уж далеко от истины).
Именно энергия оказывается тем связующим звеном, которое удерживает детали в постройке. А энергия электронов и ядер находится уже в ведении физики, точнее — атомной физики. Ее можно подсчитать, и архитектура молекулы действительно становится похожей на инженерное сооружение, ибо поддается расчету.
Итак, воспользовавшись опытом физики и прибегнув к помощи математики, казалось бы, уже нетрудно вести синтез — во всяком случае, на бумаге. Возможности здесь открываются самые грандиозные.
Инженер-строитель, зная, чем располагает, проектирует будущее здание. Он может поступить и так: задавшись проектом, подобрать затем нужные для его исполнения материалы. Не сумеет ли химик сравняться с инженером, когда у него будут все данные для возведения молекулярной постройки?
Он ведь сумеет определить и размеры будущей молекулы, и прочность ее, и способность вступать в реакции. Короче говоря, в его распоряжении благодаря теории окажется полный химический паспорт будущего синтетического продукта.
Это ли не на грани фантастики? Даже не проводя никаких опытов, только вычисляя, химик-теоретик станет создавать фактически любое вещество. Более того, если он пойдет «с конца», руководствуясь свойствами будущего соединения, то на бумаге определит, какое для этого понадобится сырье и как его следует переработать.
Вы чувствуете, что здесь мы уже добрались до практики? Химический расчет мог бы стать путеводной звездой для химика-технолога. Блужданию в потемках, которое, увы, еще сопровождает поиски нового, пришел бы конец. Тогда-то химики обрели бы действительно полную власть над веществом.
— Но позвольте, — скажет каждый, кто хоть чуточку знаком с обыкновенной химией, той самой химией, которая буквально на наших глазах творит чудеса превращений, создает разнообразие форм и красок. Той самой химией, которая заставляет исследователя переживать в лаборатории волнующие минуты поиска неизведанного. — Позвольте!
«…Химик что-то кипятит, процеживает, помешивает, то и дело моет посуду, зажигает и тушит огонь под какими-то снадобьями, которые он варит в своей кухне.
Но химику не скучно. Даже когда в лаборатории нет никого, с кем он мог бы перемолвиться словом, он не один. Он ведет разговор с самым интересным, хотя и молчаливым собеседником — с природой, Он задает вопросы, а она отвечает, и отвечает только в том случае, если вопрос правильно поставлен…
Каждому понятно, что увлекает геолога, когда он разыскивает в горах прячущиеся от человеческих глаз руды. Снежные вершины над головой, темные пропасти под ногами — как тут не почувствовать себя лицом к лицу с природой!
Увлекательность работы химика, романтика химии не так бросается в глаза. Немного жидкости за стеклом колбы или нежный осадок кристаллов в пробирке — это не горный пейзаж, поражающий воображение, не ширь океана, не усеянное звездами ночное небо. Но химик видит и здесь природу во всем ее величии, во всей ее мощи. Он знает: в одной капле заключена целая Вселенная, бесчисленные миры атомов.
Краски, звуки, глина, мрамор принимают такие формы, образуют такие сочетания, какие мог создать лишь человеческий разум. Мы называем все это словом «творчество». И это слово одинаково подходит и к труду резчика по дереву, и к труду скульптора, и к тому, чем живет музыкант, и к тому, что заставляет химика проводить долгие часы в лаборатории».
Так писал М. Ильин, сам инженер-химик и писатель, о работе химика.
— Позвольте, — скажет каждый, кто пусть в маленькой школьной лаборатории на уроке химии хоть на минутку становился экспериментатором, творцом нового, — как же с опытом? Если все будет происходить на бумаге, то во что же превратится искусство химика?
Да, именно искусство! Писал же известный химик-органик Р. Вудворд: «Органический синтез увлекателен, полон приключений и опасностей, он часто требует высокого искусства». Так неужели химическая лаборатория будущего превратится в вычислительное бюро? Где же тут романтика поиска, «приключения и опасности»?
