Текст книги "Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий"

Таким образом, стратегия “прочность через разрушение” заключается в следующем: мы разрушаем некое твердое тело до минимально возможных частиц, затем максимально плотно заполняем ими заданный объем и дополнительно упрочняем контакты между частицами, например, за счет нагревания или специального клея. Это на бумаге. На практике все выглядит намного сложнее, но это работает. Давно и в промышленном масштабе.

А что мы имеем в наше время, в эпоху нанотехнологий?

Любая вводная лекция или научно-популярная книга по нанотехнологиям непременно включает описание методов получения наноразмерных объектов. Так как на шкале размеров эти объекты занимают промежуточное положение между атомами и макроскопическими телами, существует две наиболее общие стратегии их получения: мы можем собрать их из атомов (мысленно, конечно) или, наоборот, измельчить макроскопический объект. Образно эти стратегии называются “снизу-вверх” (bottom-up) и “сверху-вниз” (top-down).

При дальнейшем изложении проблемы лекторы и авторы книг испытают легкий дискомфорт. Единственным примером, который приходит им на ум при обсуждении “общего” метода получения нанообъектов методом “сверху-вниз”, служит банальное механическое измельчение. В рассказе о “революционных” технологиях оно выглядит как-то странно, отсюда и дискомфорт. У некоторых авторов это порождает желание “улучшить” ситуацию, и они записывают в технологии “сверху-вниз” методы, которые таковыми не являются. На руку им играет то, что во многих случаях при получении нанообъектов в качестве исходных используют макроскопические тела. Приведу один пример. Есть такая молекула – фуллерен С₆₀, вылитый футбольный мяч, составленный из шестидесяти атомов углерода (о ней более подробно – в двенадцатой главе). Изумительно красивая молекула и размер – в точности один нанометр, поэтому фуллерен С₆₀ часто используют в качестве символа или эмблемы нанотехнологий. Так вот, получают его сейчас нагреванием при высокой температуре куска графита – в одну стадию! Чем не технология “сверху-вниз”? Но ведь механизм этого процесса состоит в том, что графит испаряется с образованием атомов углерода, которые в газовой фазе “собираются” в молекулу фуллерена, то есть перед нами классический пример метода “снизу-вверх”.

На самом деле примеры технологий “сверху-вниз” существуют, и по крайней мере один из них мы рассмотрим в дальнейшем. Не разделяю я и несколько пренебрежительного отношения к механическому диспергированию, которое по-прежнему служит наиболее универсальным, а в некоторых случаях и единственным, методом получения многотоннажных количеств нанодисперсных неорганических материалов. Несмотря на кажущуюся простоту, в этом методе имеется множество подводных камней, обойти которые невозможно без использования достижений высокой науки, основы которой были заложены Ребиндером.

Начнем с главного недостатка метода механического диспергирования – высокого энергопотребления. Понятно, что разрыв химических связей в твердых телах требует затрат большого количества энергии, равно как и обеспечение функционирования самих мельниц. Более того, чем мельче мы измельчаем вещество, тем больше удельный расход энергии. Вы уже понимаете, в чем тут дело: вначале в ход идут крупные дефекты (в них число контактов, которые необходимо разрушить, невелико), а затем все более мелкие трещинки, расколоть по которым крупинку вещества становится все сложнее.

Как можно уменьшить расход энергии? Тут на помощь приходит эффект Ребиндера. Не поленимся рассмотреть его еще раз, на этот раз с энергетической точки зрения. Поверхность любого объекта обладает избытком энергии по сравнению с его объемом, при размоле образуются новые поверхности, на обеспечение их “избыточной” энергии идет значительная доля энергии, затрачиваемой на весь процесс. Сорбция любого вещества на поверхности уменьшает величину ее избыточной энергии и, следовательно, затраты энергии на ее образование. Понятно, что для этого оба процесса – образование “горячей” поверхности и ее “гашение” сорбирующимся веществом – должны протекать практически одновременно. Но это как раз представить очень легко: если есть дефект – углубление на поверхности, заполненное жидкостью, то при механической нагрузке дефект превращается в трещинку, в которую немедленно втягивается жидкость, смачивая образующуюся новую поверхность. Современная техника позволяет наблюдать сей процесс воочию, и, поверьте, это стоит потраченного времени: создается впечатление, как будто жидкость “силой” проникает внутрь вещества, раздвигая стенки наметившейся трещинки.

Таким образом, правильный выбор адсорбирующегося (поверхностно-активного) вещества обеспечивает заметное снижение энергозатрат. Более того, измельчить твердые материалы механическим способом до частиц размером порядка десяти нанометров без добавления сорбирующихся на поверхности веществ никому пока не удалось.

И вряд ли это возможно в принципе. Ведь модификаторы поверхности выполняют еще одну важную функцию – они препятствуют плотному слипанию образующихся наночастиц. Даже если нам удастся расколоть частицу пополам в отсутствие модификатора, то половинки могут встретиться вновь и – слипнуться. Отчасти поэтому при механическом размоле независимо от его продолжительности всегда образуются порошки с очень широким разбросом по размерам частиц, например от двадцати до двухсот нанометров.

Надо сказать, что стремление наночастиц к слипанию и агрегации – едва ли не главная головная боль всех специалистов, работающих в области нанотехнологий. Причина заключается в упомянутой выше избыточной поверхностной энергии, которую частицы стремятся уменьшить за счет слипания. В сущности, это ничем не отличается от слияния двух капелек ртути. Как говорят ученые, – самопроизвольный процесс.

“Голая”, изолированная наночастица – редчайшее исключение из общего правила{4}4
  Здесь мы говорим о частицах неорганической природы – основном классе веществ, подвергаемых механическому измельчению. В то же время белки могут находиться в растворе в изолированном состоянии, но для этого Природе в ходе эволюции пришлось сильно постараться и выработать собственные защитные механизмы предотвращения агрегации.


[Закрыть]. Если исследователи хотят получить именно изолированные наночастицы, то независимо от использованного подхода – “сверху-вниз” или “снизу-вверх” – им приходится одевать их в защитную шубу из тех же поверхностно-активных веществ, препятствующих слипанию. Процедура эта обязательная, настолько обязательная, что многие даже не упоминают о ней как о чем-то само собой разумеющемся, и для простоты говорят, например, о наночастицах золота, забывая добавить “стабилизированных тем-то и тем-то”. Это порождает недоразумения даже в кругу специалистов, ведь одни и те же наночастицы золота, покрытые разными модификаторами, – по сути дела, разные вещества, отличающиеся по свойствам. И это составляет еще одну большую проблему нанотехнологий – зависимость свойств наночастиц от их предыстории, мало ли что они могут нахватать из раствора или атмосферы в процессе получения, выделения и очистки (последнее слово в этой связи звучит несколько двусмысленно).

Да, сложности есть, но они решаемые. Специалисты в области коллоидной химии за многие десятилетия накопили колоссальный опыт по стабилизации наночастиц, которые они на своем языке называют золями. Они научились также использовать во благо стремление частиц к слипанию, направляя этот самопроизвольный процесс в нужную им сторону, от максимально плотного заполнения пространства (это необходимо, например, для получения сверхпрочных керамик) до создания ажурных, воздушных структур.

(Эпитет “воздушный” – отнюдь не метафора. Есть такое вещество – аэрогель, представляющий собой пространственную сетку, составленную из наночастичек диоксида кремния. По своему химическому составу это тот же песок или всем известный силикагель, да и получают его так же, но с некоторыми технологическими ухищрениями, в которые мы углубляться не будем. Аэрогели диоксида кремния – одни из самых легких твердых веществ, существующих в природе. Их плотность достигает 1,9 кг/м³, что всего лишь в полтора раза больше плотности воздуха. При всей своей “воздушности”, они весьма прочны и способны выдерживать механическую нагрузку, в тысячи раз превышающую их собственный вес. Они являются отличными теплоизоляторами, что удачно сочетается с их высокой термостабильностью – температура плавления аэрогелей диоксида кремния составляет ~1200 °C. Это делает их чрезвычайно перспективными для применения в самых различных областях, от строительства до аэрокосмической отрасли.)

Все эти исследования составляют в настоящее время одну из важнейших частей нанотехнологий. Научные основы этих технологий были заложены еще в первой трети прошлого века и весомый вклад в них внесли работы Петра Александровича Ребиндера, выдающегося ученого и потрясающего человека.

Глава 5
Био и Нано – близнецы-братья

Название главы навеяли строки из поэмы Владимира Маяковского. Немного перефразировав “лучшего и талантливейшего поэта советской эпохи”, продолжим:

 
“Био и Нано – близнецы-братья.
Кто более матери Природе ценен?
Мы говорим Био – подразумеваем Нано,
Мы говорим Нано – подразумеваем Био”.
 

Постараюсь доказать вам, что это сопоставление по меньшей мере столь же верно, как утверждение Маяковского о тандеме Партия – Ленин, и что привычные нам биотехнологии есть в основе своей не что иное, как нанотехнологии.

В качестве главного персонажа этой главы я выбрал человека, чей приоритет в рассматриваемой области признается всеми, включая гуру истории науки Айзека Азимова. Звали его Константин Готлиб Сигизмунд Кирхгоф, по-нашему, Константин Сигизмундович.

Константин Кирхгоф родился в 1764 году в местечке Тетеров немецкого герцогства Мекленбург-Шверин в семье аптекаря. Фармацевтическое и химическое образование он получал, помогая отцу в работе, после смерти которого продолжил семейную традицию и дослужился до звания гезеля – помощника провизора. В 1792 году Кирхгоф, как и многие немцы той поры, отправился в Россию, полагаю, что за “длинным” рублем, крепким и полновесным. Он устроился работать в Главную петербургскую аптеку, которой в то время управлял уже знакомый вам Товий Егорович Ловиц. Под его руководством Кирхгоф выполнил свою первую научную работу, опубликованную в 1795 году: “Об очистке хлебной водки (сивухи) при помощи древесных углей”.

Эта работа задала тон всей последующей научной деятельности Кирхгофа. Он не изучал явления, а решал практические задачи, которые ему в изобилии подбрасывали жизнь и правительство. По складу своего мышления он был технологом, а не ученым-естествоиспытателем. При этом Кирхгоф был, несомненно, наделен феноменальной научной интуицией, ведь он выдавал новые технологии на гора едва ли не ежегодно. Добиться такого результата лишь за счет немецкой основательности и методичности невозможно, они в какой-то мере даже мешают такой скорострельности, потому что исследователь надолго увязает в деталях и несущественных мелочах.

Одна из многих технологий, разработанных Кирхгофом, – получение киновари, сульфида ртути. Из нее делали ярко-алую краску, столь любимую на Руси, ввозили же киноварь, как и все сейчас, преимущественно из Китая. Предложенный Кирхгофом способ получения киновари привел бы в ужас современных специалистов по охране труда и экологов: ртуть смешивали с серой и перетирали пестиком в ступке, затем прибавляли крепкий раствор щелочи и, помешивая, грели до готовности. Но по тем временам способ считался вполне безопасным. В 1805 году Кирхгоф ходатайствует перед Министерством внутренних дел о выдаче ему разрешения на устройство фабрики по производству киновари и о привилегии (эквивалент патента) на это производство. Закона о привилегиях в России тогда не было, поэтому в этом Кирхгофу было всемилостивейше отказано, но фабрику построить разрешили. Академик Я.Д. Захаров, посетивший эту фабрику через несколько лет, писал в отчете: “Сию киноварь можно здесь сколько угодно купить по 10 рублей за фунт, и она отправляется по изящной ее доблести за море”. При отсутствии “привилегии”, способ стали быстро использовать и другие русские фабриканты.

Точно такая же схема была реализована Кирхгофом при создании технологии очистки постного масла, которой он стал заниматься по указанию министра внутренних дел Кочубея в 1805 году. Дело в том, что масленичные семена[8]8
  Речь идет не о подсолнечнике, а в первую очередь о конопле. Из ее стеблей вырабатывали также пеньку, которая шла на изготовление тросов и веревок для флота. Бескрайние поля конопли – и никакой наркомании!


[Закрыть] составляли значительную долю общероссийского экспорта. Еще выгоднее было продавать масло из них, потребность в котором была огромна, ведь оно использовалось не только для приготовления пищи, но и для освещения – масляные лампы Карселя были широко распространены в России и за границей. Но масло, вырабатываемое на российских кустарных маслобойнях, для этой цели не подходило. В общем, извечная наша проблема: как сделать так, чтобы поставлять на экспорт не сырье (семена/нефть/ металл), а продукты его переработки (масло/бензин/трубы).

Технологию Кирхгоф разработал, но ее детали, наученный опытом, придержал. Известно лишь было, что он использовал для очистки серную кислоту. Кирхгоф попросил у правительства беспроцентную ссуду в двадцать пять тысяч рублей на пять лет для открытия фабрики по очистке масла с условием, что по истечении срока ссуда будет возвращена, а “секрет” будет опубликован. Вышло как по писаному, сначала заработала фабрика Кирхгофа, а через пять лет технология была передана всем заинтересованным лицам и вскоре стала широко применяться на русских маслобойных предприятиях.

В 1808 году Кирхгоф выполнил еще одну работу – “О сохранении молока и яиц путем высушивания”, которая, естественно, проходила по военному ведомству. В условиях безостановочных войн во всех странах разрабатывали способы снабжения войск питательными и транспортабельными продуктами длительного хранения. Француз Николя Аппер (1749–1841) изобрел в 1809 году консервы, за что получил награду из рук самого Наполеона Бонапарта. Вполне возможно, что и Кирхгоф получил “наградной лист” за подписью Александра I – разрешение на строительство фабрики по производству сухого молока и яичного порошка, но известные мне исторические источники об этом умалчивают.

Мы подошли к главным технологическим свершениям Кирхгофа, которые в значительной мере тоже были инициированы тогдашней международной обстановкой. Речь пойдет о производстве сахара. О важности проблемы свидетельствует нижеследующий образчик старой русской словесности, взятый из “Предуведомления” к сборнику “Способы заменить иностранный сахар домашними произведениями”, изданного российским правительством: “Хотя употребление сахара в физическом смысле не только безвредно, но еще приятно и полезно почитается, но судя о чрезвычайно возвысившейся цене его, ежегодно составляющей знатные суммы для Отечества нашего, можно почесть оный весьма вредным как для частных людей, так и для блага всего народа. Сие доказывается и тем, что во многих местах стараются возможнейшим образом приготовлять сахар из домашних произведений. Сие также есть единственное средство избавить себя от корыстолюбия иностранных народов”. Добавим, что затраты на покупку и ввоз сахара равнялись стоимости всех импортируемых в Россию машин, инструментов и металла в изделиях, вместе взятых. Положение усугубилось после восстания негров-рабов на Гаити, основном поставщике сахара в Европу, и введения Наполеоном континентальной блокады.

Именно в те годы был разработан способ получения сахара из свеклы, используемый поныне. Ловиц, как мы помним, пытался выделить сахар из меда. Кирхгоф пошел другим путем. Он исходил из известных всем наблюдений: что хлебные зерна при прорастании становятся сладкими, то же происходит и с кислыми плодами при созревании. Он предположил, что это связано с превращениями крахмала, содержащегося в зернах и плодах, и стал искать способы ускорения этого процесса. Наилучшим “ускорителем” оказалась серная кислота. 14 августа 1811 года на заседании Академии наук Кирхгоф сделал доклад “О получении сахара из различных мучнистых продуктов, картофельного крахмала, пшеницы, ржи, проса и гречихи”. Он также представил технологию получения крахмала из картофеля – Кирхгоф полагал его наиболее выгодным с экономической точки зрения, тем более что можно было использовать промерзший картофель, который употреблять в пищу можно только от полной голодухи.

Кирхгоф отдавал себе отчет в том, что он получил не сахар, а глюкозу, или виноградный сахар, который в несколько раз уступает в сладости тростниковому сахару. Но как верно было замечено в заключении академии, “если оный сахар весьма дешево обходится, то заслуживает всякого внимания”. Еще бы не дешево – ведь выход “сахара” по методу Кирхгофа составлял 77 % от веса использованного крахмала, что лишь немногим уступает современным технологиями. Для целей же нашей книги существенно другое: Кирхгоф установил, что серная кислота при этом процессе не расходуется, то есть она служит истинным “ускорителем” – катализатором превращения крахмала в глюкозу.

Исследователь на этом не остановился. Его по-прежнему интересовал вопрос, почему становятся сладкими зерна злаков при прорастании, ведь серной кислоты там не было и в помине. Из проросших семян ячменя (солода) Кирхгоф выделил “клейковатое вещество”, которое эффективно превращало крахмал в сахар[9]9
  Более точно – в дисахарид мальтозу, составленный из двух молекул глюкозы.


[Закрыть]. Сейчас мы называем это вещество ферментом амилазой. 14 ноября 1814 года на заседании Академии наук Кирхгоф сделал доклад “О получении сахара при осолаживании злаков”. Этот день стал днем рождения новой науки энзимологии, изучающей биологические катализаторы белковой природы – ферменты, или энзимы.

Работы Кирхгофа были широко известны как в России, так и за границей. Высшее признание он заслужил со стороны отечественных заводчиков, которые беззастенчиво использовали разработанные им технологии. Кирхгофа избрали членом Бостонской академии, Венского экономического общества и Падуанской академии наук. А вот с “родной” академией, как это часто бывает, возникли проблемы.

В краткой биографии Кирхгофа указывают, что он с 1812 года был академиком Петербургской академии наук, опуская существенный нюанс. Кирхгоф был экстраординарным академиком, что-то вроде почетного члена, и кроме почета ничего от академии не имел. Ординарные (действительные) академики имели лаборатории с соответствующим “бюджетным” финансированием, Кирхгоф же выполнял некоторые свои исследования в лаборатории Главной петербургской аптеки, если они соответствовали тематике проводимых там работ, а другие, включая работы по превращению крахмала, “у себя на дому”, как писал Кирхгоф, за свой счет. В 1816 году освободилось место ординарного академика по технологии, Кирхгофа выдвинули на это место. И тут началось – интриги, тяжбы, доносы.

Показательно, что споры велись преимущественно вокруг превращения крахмала в сахар, то есть даже современники понимали, что это – главное открытие Кирхгофа. Один из академиков приписывал приоритет открытия себе, другой отдавал его французам, третий подвергал сомнению практическую реализуемость процесса, а академик Нассе отрицал его в принципе. Дело в том, что крахмал и клейковина, выделенные из плода, и тем более серная кислота были “мертвой” материей, лишенной “органической жизненной силы”, без которой превращение крахмала в сахар считалось невозможным. Такова была парадигма того времени, в рамках существовавших концепций работа Кирхгофа была лженаукой.

Устав от склок, Кирхгоф в 1818 году отказался от борьбы за место действительного академика и подал в отставку. Отставка во всех отношениях лучше инфаркта, которым обычно заканчиваются академические дрязги. Оставив занятия наукой де-юре и де-факто, Кирхгоф не уехал на родину, остался в России. Великий ученый скончался в Петербурге в 1833 году.

“Что принадлежит до умозрения, как образуется сахар из крахмала, о том я не могу ничего сказать решительно”, – откровенно писал Кирхгоф. Сделать какие-либо заключения было действительно трудно, не зная, что представляет собой исходное вещество – крахмал. Для понимания этого науке предстояло проделать долгий путь длиной в столетие. Лишь в 1920 году немецкий химик Герман Штаудингер (1881–1965) выдвинул гипотезу, что крахмал и целлюлоза представляют собой полимеры – длинные молекулы, составленные из фрагментов глюкозы, соединенных химическими связями[10]10
  Герман Штаудингер считается основоположником химии высокомолекулярных соединений. Его работы в этой области были отмечены Нобелевской премией по химии 1953 г.


[Закрыть].

Кирхгоф не понимал истинной сути открытых им процессов, он решал частную проблему и не замахивался на всеобщность, но при этом заложил первый камень сразу в два важнейших направления развития науки и техники – в катализ и биотехнологии.

Начнем с катализа. Конечно, не Кирхгоф открыл явление катализа. Многие историки отдают приоритет великому шведскому химику Карлу Вильгельму Шееле (1742–1786), который в 1782 году обнаружил, что реакция уксусной кислоты с этиловым спиртом с образованием сложного эфира протекает в присутствии небольших добавок соляной кислоты. Но несомненно, что именно Кирхгоф осуществил первый промышленный каталитический процесс.

Сам же термин “катализ” появился лишь спустя четверть века, его предложил в 1835 году другой великий шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848), который обобщил результаты исследований различных ученых, в том числе и Кирхгофа. Тогда же сложилось представление о катализаторе как веществе, которое влияет на протекание химической реакции, но само при этом не входит в состав конечных продуктов. О природе этого влияния ничего не говорилось, кроме обязательности контакта исходных веществ с катализатором. Не случайно предшественник Берцелиуса Митчерлих, первым на самом деле обобщивший все имевшиеся на тот момент данные, предложил термин “контактные реакции”. Берцелиус же говорил о некой “каталитической силе”.

Следующего прорыва в изучении катализа пришлось ждать еще полвека. В 1880-х годах Вильгельм Оствальд, уже встречавшийся нам на страницах книги, доказал, что катализатор влияет на скорость химической реакции, сам при этом оставаясь неизменным. Оствальд также первым обратил внимание на то, что если реакция может протекать как в прямом, так и в обратном направлении, то катализатор в равной степени ускоряет обе эти реакции, то есть конечное состояние системы – положение равновесия – не зависит от присутствия катализатора. Оствальд получил за эти исследования Нобелевскую премию по химии, но и он не смог ответить на вопрос, каким образом катализатор ускоряет реакцию. Камнем преткновения стал доказанный им же факт, что катализатор остается неизменным после проведения процесса. Проблему разрешил Поль Сабатье, он доказал, что в ходе процесса катализатор вступает в химическое взаимодействие с исходными веществами с образованием неустойчивых промежуточных соединений, которые превращаются в конечные продукты. На круг выходит легче и быстрее.

Собственно только после этих работ, выполненных в преддверии XX века, катализ вырос из детских пеленок и вышел на широкую дорогу жизни. Разработанная Кирхгофом технология гидролиза крахмала под действием серной кислоты, бывшая на протяжении многих десятилетий едва ли не единственным промышленно реализованным каталитическим процессом, дополнилась сотнями и тысячами других. В настоящее время катализаторы используются в подавляющем большинстве процессов нефтепереработки, нефтехимии и химической промышленности, но это уже другая история, которой посвящена отдельная глава.

Здесь же мы рассмотрим судьбу другого детища Кирхгофа – ферментов, история изучения которых была еще более долгой и трудной и которые ожидало столь же блестящее будущее.

Выше я лихо определил ферменты как биологические катализаторы белковой природы, и вы, не сомневаюсь, спокойно восприняли это знакомое со школьной скамьи определение. Парадокс ситуации заключается в том, что долгое время ферменты и белки рассматривали как соединения разной природы и “великое объединение” произошло сравнительно недавно, в 1926 году. И до этого момента нам, следуя исторической правде, придется рассматривать две независимые истории изучения одного и того же объекта.

Первыми перед учеными предстали белки, с них и начнем. В конце XVIII века французский химик Антуан Фуркруа{5}5
  Антуан Фуркруа (1755–1809) – известный химик, участвовавший вместе с Антуаном Лораном Лавуазье (1743–1794) в создании новой химической номенклатуры и ниспровержении теории флогистона. Но он был также и политическим деятелем и в этом качестве оказался невольно причастен к смерти Лавуазье – того гильотинировали по приговору Конвента, депутатом которого от якобинской партии был Фуркруа. Сам же Фуркруа продемонстрировал выдающуюся политическую изворотливость, вовремя переметнувшись на сторону термидорианцев, свергнувших якобинцев. При Наполеоне занимал пост генерального директора по народному образованию и получил графский титул. В 1802 г. был избран иностранным почетным членом Петербургской академии наук.


[Закрыть] и другие ученые обратили внимание на то, что из различных биологических жидкостей при нагревании или действии кислот осаждается некая субстанция, которая составляет значительную долю органического вещества этих самых жидкостей и в целом разнообразных живых организмов и растений. Субстанции, извлеченные из различных биологических объектов, обладали похожими свойствами, что позволило выделить их в отдельный класс соединений.

Но лишь в 1838 году голландский химик Геррит Ян Мульдер (1802–1880) доказал, что все они обладают близким химическим составом и включают углерод, азот, водород и кислород с небольшой примесью серы. Тогда же этот класс веществ обрел название – протеины (ну а мы будем называть их по-нашему – белками). Его предложил Берцелиус, с которым Мульдер состоял в переписке. Берцелиус вообще был большим специалистом по названиям, но, возможно, все дело было в его высочайшем авторитете в научном сообществе.

Мульдер также выделил продукты разрушения белков и идентифицировал их как аминокислоты, но на этом дело надолго застопорилось. То есть роль белков как строительных материалов всех живых организмов не подвергалась сомнению, не случайно Фридрих Энгельс определил жизнь как способ существования белковых тел, но при этом строение белков оставалось тайной за семью печатями. Первый луч света блеснул лишь в начале XX века, когда великий немецкий химик-органик Эмиль Фишер[11]11
  Эмиль Фишер был вторым лауреатом Нобелевской премии по химии (1902 г.), которую он получил за работы по синтезу сахаров и пуриновых производных.


[Закрыть] (1852–1919) определил, как аминокислоты связываются между собой – посредством так называемой амидной химической связи. Он начал с синтеза дипептида – соединения, состоящего из двух аминокислот, и к 1907 году дошел до олигопептида, составленного из восемнадцати различных аминокислот. Но окончательно представление о том, что белок представляет собой аминокислотный полимер, утвердилось лишь в 1920-х годах после работ Штаудингера, о котором я уже рассказывал выше.

История изучения ферментов прошла еще более извилистый и запутанный путь. Кирхгоф ничего не говорил о химической природе “клейковатого вещества”, которое он использовал для превращения крахмала в сахар, а, учитывая состояние химии того времени, и не мог ничего сказать. Лишь в 1833 году французские химики Ансельм Пайен и Жан Персо выделили из солода более или менее чистый препарат, который они назвали диастазой. Именно диастаза вызывала превращение крахмала в сахар, но ее химическая природа по-прежнему оставалась неясной, а словосочетание “более или менее чистый” стало кошмаром ученых, работающих в этой области, на многие десятилетия.

В те же годы из различных биологических объектов было выделено еще несколько похожих веществ, способных осуществлять превращения сложных химических соединений. В 1836 году Берцелиус высказал гениальную гипотезу, что “в живых растениях и животных в тканях и жидкостях протекают тысячи каталитических процессов, при которых происходит большое количество различных химических синтезов из общего исходного материала”. Открытые вещества как нельзя лучше подходили на роль этих природных катализаторов. В 1858 году немецкий ученый Маркус Траубе вы двинул предположение, что все они имеют белковую природу, а в 1877 году эта группа веществ обрела, наконец, общее название – энзимы, которое предложил немецкий физиолог Вильгельм Кюне.

Но тут история пошла на второй круг. Я уже рассказывал об обвинениях в “лженаучности”, которые выдвинул против Кирхгофа академик Нассе, и полагаю, что вы восприняли это как курьез. Но по прошествии десятилетий эти споры возродились на более высоком уровне. Инициатором их стал Луи Пастер. В числе его величайших научных заслуг было доказательство невозможности самозарождения живых организмов{6}6
  Доказательство это убедило не всех. В 1940-х годах в СССР изучением новообразования живых клеток занималась О.Б. Лепешинская (1871–1963) при поддержке Т.Д. Лысенко. Ее воззрения были признаны на самом высоком уровне – в 1950 г. она получила Сталинскую премию и была избрана действительным членом Академии медицинских наук. Впрочем, подавляющее большинство ученых ее идеи отвергали и ернически называли их “теорией самозарождения вшей в грязном белье”.


[Закрыть] и установление факта, что многие природные явления и процессы, включая заболевания, обусловлены деятельностью микроорганизмов. Обратной стороной медали была абсолютизация жизни и жизненной силы. Пастер был уверен, что брожение (превращение сахара в спирт или уксусную кислоту) могут осуществлять только живые клетки микроорганизмов – дрожжей. Именно к этим микроорганизмам он относил термин фермент – “закваска” по-латыни. Поэтому Пастер в штыки воспринял идею о ферментах как растворимых химических веществах природного происхождения. “Я не вижу никакой необходимости ни в существовании этих ферментов, ни в полезности их функционирования при брожении”, – писал он. Собственно, для того чтобы избежать возникшей путаницы в представлениях и был придуман термин “энзимы”.

Противостояли Пастеру великий немецкий химик-органик Юстус Либих (1803–1873) и уже встречавшийся нам на страницах книги Марселен Бертло. Последний сомневался в существовании молекул и отрицал атомы, но при этом непоколебимо верил во всемогущество химии и полагал, что в основе всех процессов, протекающих в живом организме, лежат химические реакции. В его системе научных ценностей не было места “жизненной силе”, хотя сам он, по свидетельству современников, был наделен этой самой силой в преизбытке. Вот Бертло и ввязался в яростный многолетний спор со своим коллегой по Французской академии.

Вышло по русской присказке: на колу мочало, начинай сначала. Бертло разрушил клетки дрожжей, получил бесклеточный экстракт, высадил из него спиртом некую субстанцию и показал, что она вызывает точно такое же брожение, как и дрожжи. Но авторитет Пастера был настолько велик, что различные исследователи были вынуждены раз за разом повторять этот эксперимент в надежде, что количество доказательств перейдет в качество убеждения. Спор был разрешен только после смерти Пастера. По всеобщему признанию точку в нем поставила статья немецкого исследователя Эдуарда Бухнера[12]12
  Э. Бухнера (1860–1917) ждала трагическая судьба. Во время Первой мировой войны нобелевский лауреат, разменявший шестой десяток, служил в чине майора в полевом госпитале в Румынии. Он был ранен при артиллерийском обстреле и через девять дней скончался от ран.


[Закрыть] “Спиртовое брожение без дрожжевых клеток”, опубликованная в 1897 году. В 1907 году благодарное научное сообщество увенчало Бухнера Нобелевской премией по химии ни много ни мало “за открытие внеклеточной ферментации”. С момента открытия Кирхгофа прошло почти сто лет.

Нельзя сказать, что все эти годы ученые были заняты лишь поисками аргументов в затянувшемся историческом споре. Именно тогда был установлен факт, имеющий принципиальное значение, – специфичность действия ферментов, их способность взаимодействовать со строго определенными веществами (субстратами) и катализировать одну конкретную реакцию. Кроме того, было доказано, что в ходе реакции образуется промежуточный комплекс фермента с субстратом, в этом отношении ферментативный катализ обогнал другие ветви катализа, на первый взгляд более простые.

Все эти вопросы чрезвычайно занимали Эмиля Фишера. Для объяснения высокой специфичности ферментов он сформулировал в середине 1890-х годов свое знаменитое положение о том, что субстрат подходит к ферменту как ключ к замку, которое выдержало испытание временем и дожило до наших дней. Проблема заключалась в том, что Фишер не мог сказать ничего определенного об устройстве “замка”, ведь к изучению строения белков он приступил лишь десятилетие спустя.