Текст книги "Автостопом по науке. 70 фактов из истории великих открытий"

21
Первый среди вирусов

Вирус табачной мозаики долго был обычным вирусом с одноцепочечной РНК, свернувшейся внутри, как пружинка. Он проживал свой краткий век, бурно размножаясь внутри растительных клеток на тысячи частиц, которые снова безжизненно замирали до встречи с новой жертвой, заставляя бледнеть оккупированные клетки, словно вывешивая на них табличку «занято».

Так продолжалось миллионы лет. Вирус менялся, эволюционировал и влачил существование, приличествующее объекту из двух с небольшим тысяч молекул. У него была всего одна «книга» наследственной информации длиной в 6400 нуклеотидов, завернутых в белковую оболочку – капсид.

Вирус поражал культурные растения, хотя начал он это делать явно раньше, чем те стали таковыми. Но тут у его жертв появился новый защитник – человек. За тысячелетия Homo напал на его след, но остановился в недоумении, не видя того, кто этот след оставляет. Нетрудно быть незаметным, имея 300 нанометров в длину!

Но даже не видя вируса, человек пытался поймать заразную частицу. Первым, кто доказал инфекционную природу заболевания табачной мозаики у пасленовых, был немецкий агроном Адольф Майер. Он искал паразита или грибок, смотрел на корни растений, проверял свет, температуру и прочие факторы, а потом, в лучших традициях Роберта Коха, «внезапно сделал открытие, что сок зараженных растений, полученный, если их истолочь в ступке, был, несомненно, инфицирующей субстанцией для здоровых растений».

Майер пропускал сок через фильтровальную бумагу, капал им на чашки, чтобы выделить и вырастить патогенные бактерии, но все было тщетно. Частицы были так малы, что удержать легко ускользающего сквозь поры бумаги виновника было практически невозможно – разве что белок мог быть так мал. Разочарованный, он решил, что белок не может размножаться сам, и не смог найти настоящее объяснение.

В конце XIX века поисками занялся русский ученый Дмитрий Ивановский. Он подошел к делу обстоятельнее, приготовив фарфоровые фильтры, которые использовались для выделения бактерий. Ничто крупнее бактерии не могло просочиться сквозь такие поры. Но и они не могли задержать вирус табачной мозаики. Много раз перепроверив фильтр и не найдя там ни трещин, ни другого брака, Ивановский понял, что частицы слишком малы. Он предположил, что это могла быть очень маленькая бактерия, которая почему-то не хочет культивироваться в лаборатории.

Ивановский рассказал о своей работе в Санкт-Петербургской академии наук в 1892 году. Позже он также изучил таинственные кристаллические включения, которые образуются внутри клеток растений при заражении, и в 1903 году высказал гипотезу, что именно они и связаны с причиной заболевания. Но годом рождения вирусологии все равно считается 1892-й. Правда, само слово virus – «яд» – было придумано Ивановским только в 1898 году. Голландец Мартин Бейеринк, который воспроизвел эксперименты Ивановского, считал вирусы чем-то вроде инфекционной жидкости.

Так вирус табачной мозаики был «пойман с поличным» и постепенно стал знаменитым в микробиологическом мире. В 1908 году был открыт вирус полиомиелита, в 1911 – вирус саркомы Роуса (или саркомы кур), связанный с онкологическим заболеванием. Но лавры первого вируса (хоть и не из листьев пасленовых) принадлежали вирусу табачной мозаики безраздельно.

Ученым повезло, что структура вируса была не слишком сложной. Ровная белковая трубочка со спиральной симметрией и «пружинкой» РНК внутри (см. раздел «Иллюстрации»), никаких икосаэдрических структур и дополнительных «одежд» из украденных у клетки кусков мембраны. Расплести ее удалось вскоре после появления подходящих методов.

В 1935 году вирус табачной мозаики кристаллизовал Уэнделл Стенли. Но вирус продолжал заражать листья табака и после этого, как ни в чем не бывало. Накапливались подтверждения, что ни одна известная бактерия так себя не ведет. Стенли увидел, что объект, вызывающий заражение, состоит почти полностью из белка, и решил, что перед ним фермент, который катализирует собственное размножение. За первую кристаллизацию вируса он получил Нобелевскую премию по химии в 1946 году.

В 1939 году вирус табачной мозаики впервые удалось увидеть в электронный микроскоп, изобретенный восемью годами ранее. Так виновник неурожайности табака потихоньку раскрыл свою личность, но не все его секреты так легко поддались ученым.

Строение вируса смогли разгадать только позже, с помощью кристаллографии. А поскольку одним из самых талантливых кристаллографов середины XX века была Розалинда Франклин, благодаря данным которой Уотсон и Крик смогли понять структуру ДНК, вирусу табачной мозаики повезло, что она решила связать с ним годы изысканий. Она предсказала его внутреннюю пустоту, а позже поняла и то, что его РНК была одноцепочечной.

Параллельно с ней работала и другая группа: Ханс Френкель-Конрат и Робли Уильямс из Беркли. В том же 1955 году они смогли показать, что в вирусе ничего нет, кроме РНК и белка. Они вплотную подошли к пониманию того, как вирусы размножаются, превращая клетку в фабрику своих деталей, которые сами собираются воедино. В 1960 году Френкель-Конрат и Уильямс секвенировали состояющую из 158 аминокислот последовательность вируса – самую длинную из известных на тот момент.

Так небольшой вирус случайно найденный в соке растений, стал удобным объектом для изучения и обрел всемирную славу, превратившись в ключ к пониманию размножения и структуры всего своего царства. Для этого, как оказалось, не нужно быть выдающимся и сложным – ему достаточно было быть доступным для получения и вызывать большие проблемы у культивирующих табак агрономов, чтобы привлечь их внимание.

Екатерина Мищенко

22
Как химия утратила невинность

В апреле 1915 года под небольшим бельгийским городком Ипр германская армия начала наступление в ходе так называемой Второй битвы под Ипром. Согласно поздним данным английской разведки, главной целью немецкого командования было не собственно наступление – военные хотели испытать эффективность нового оружия, которое могло переломить ход позиционной войны.

В этот период войска и Антанты, и Германии окопались по обе стороны фронта. Развитие военных технологий того времени – артиллерии и пулеметов – сделало траншейную войну очень удобной, ведь малое количество обороняющихся, засев в хорошо продуманных укреплениях, могло сдерживать сильно превосходящего их числом противника. Война застопорилась, солдаты месяцами сидели в вырытых окопах, расширяя и углубляя их.

Немцы придумали, как «спасти» ситуацию. Вскоре в руки английской разведки стали попадать метеорологические сводки, касающиеся направления и устойчивости ветра. Позже стали попадаться пленные и дезертиры, рассказывавшие о разрушительном оружии, которое было спрятано во врытых в землю цилиндрах. Но союзники не обращали внимания на эти сообщения.

22 апреля погода наконец стала «благоприятной». Французские колониальные солдаты, находившиеся на позициях в северо-восточной части Ипрского выступа, увидели приближающееся зеленоватое облако. Многие любопытствовали, что же это такое, и мысли о том, что нужно бежать, у солдат не возникло. Пока облако не добралось до траншей.

Хлор, а это был он, вызывал отек слизистых оболочек, кашель и удушье. Те, кто не бежал, падали и умирали. «Лица, руки людей были глянцевого серо-черного цвета, рты открыты, глаза покрыты свинцовой глазурью, все вокруг металось, кружилось, борясь за жизнь. Зрелище было пугающим, все эти ужасные почерневшие лица, стенавшие и молящие о помощи… Воздействие газа заключается в заполнении легких водянистой слизистой жидкостью, которая постепенно заполняет все легкие, из-за этого происходит удушение, вследствие чего люди умирали в течение одного или двух дней», – вспоминали очевидцы событий. Французы потеряли в тот день около трех тысяч человек (по сообщениям немцев – пять тысяч). «В этот момент наука утратила свою невинность», – отметил историк науки Эрнст Петер Фишер.

Применением этого оружия мы во многом «обязаны» одному человеку – Фрицу Габеру. Этот видный немецкий химик, ученик Бунзена, до войны разработал процесс получения жидкого аммиака. Габер предложил свою разработку Баденской анилиновой и содовой фабрике (BASF). При помощи сотрудников BASF – Карла Боша, Пауля Митташа и других – процесс запустили в производство. Благодаря этому веществу Германия смогла вырабатывать красители, удобрения и… взрывчатые вещества. Но этим работа Габера на немецкую военную машину не закончилась.

Одним из главных преимуществ хлора была его дешевизна и доступность, а также то, что газ был достаточно тяжел: он не поднимался вверх, а стлался по земле, как раз над окопами, где засели вражеские солдаты.

С самого начала войны – 1914 года – химик работал в Военно-химическом департаменте. Говорят, что сам Габер на самом деле не был монстром, войну ненавидел и хотел всего лишь, чтобы она закончилась быстрее, ведь в траншеях гибло неимоверное количество солдат, причем не столько от пуль и снарядов, сколько от антисанитарии и сопутствующих ей болезней. Но, как и в случае с изобретателями ядерного оружия, благими намерениями оказалась устлана дорога в ад. Габер со своими сотрудниками разработал метод производства хлора в качестве отравляющего вещества, которое немцы решили испытать под Ипром.

Одним из главных преимуществ хлора была его дешевизна и доступность (газа было много в отходах немецкой промышленности), а также то, что газ был достаточно тяжел: он не поднимался вверх, а стлался по земле, как раз над окопами, где засели вражеские солдаты.

Страны Антанты оказались не готовы к новому оружию: эффективных методов химической защиты тогда просто не было. Маски в то время пропитывали гипосульфитом без добавления соды. Реакция нейтрализации хлора гипосульфитом идет следующим образом:

Na₂S₂O₃ . 5H₂O + 4Cl₂=Na₂SO₄ + H₂SO₄ + 8HCl

Серная и соляная кислота, которые образуются в результате этой реакции, еще раз реагируют с гипосульфитом:

Na₂S₂O₃ + 2HCl=2NaCl + H₂O + SO₂

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O + SO₂ + S

То есть даже если маска и спасала от попадания в легкие хлора, то от сернистого газа, который неизбежно попадал в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, она не спасала никак.

Впрочем, в дальнейшем ошибка была исправлена, и в маски стали добавлять соду, которая нейтрализовывала сернистый газ.

Несмотря на то что применение химического оружия осудили многие страны, прекращать его использовать немцы (да и союзники впоследствии) и не думали. На полях сражений появлялись один за другим новые отравляющие вещества: фосген, иприт (названный так по месту первого применения). Применяются они и до сих пор.

Кстати, изобретение нанесло удар и по самому изобретателю, причем с довольно неожиданной стороны. Его жена Клара, тоже химик, негативно относилась к военным заказам мужа. После одной из крупных ссор Клара, отчаявшись, покончила жизнь самоубийством. Против вручения Габеру Нобелевской премии по химии 1918 года – за изобретение метода синтеза аммиака – выступали многие ученые, но комитет решил, что важность открытия намного выше, чем вред, принесенный ученым на полях сражений.

Наиль Фарукшин

23
Неизвестный российский автомобиль

Вторая половина XIX века ознаменовалась настоящей гонкой среди инженеров, пытавшихся создать «безлошадный экипаж». За право называться первым изобретателем автомобиля боролись около четырехсот человек. Все они строили, конструировали в надежде первыми запатентовать свое изобретение. Опередили всех инженеры Готтлиб Даймлер и Карл Бенц. Даймлер в 1883 году разработал первый работоспособный двигатель внутреннего сгорания, а два года спустя Бенц создал автомобиль.

В России первым автолюбителем стал издатель газеты «Одесский листок» Василий Навроцкий. В 1891 году, возвращаясь из поездки во Францию, Навроцкий привез на родину машину марки Panhard & Levassor, основанной пятью годами ранее. По другой версии, первый импортный автомобиль, появившийся в Российской империи, принадлежал компании Benz. Вероятно, путаница произошла из-за того, что на автомобили обеих марок устанавливались двигатели Daimler. В Петербурге первый автомобиль появился в 1895 году. Сразу четыре машины моделей Benz Victoria и ее уменьшенной версии Benz Velo начали покорять улицы Северной столицы. Benz Velo подтолкнула российских конструкторов Евгения Яковлева и Петра Фрезе к мысли создать отечественный аналог машины и одновременно стала его прототипом.

Вторая половина XIX века ознаменовалась настоящей гонкой среди инженеров, пытавшихся создать «безлошадный экипаж». За право называться первым изобретателем автомобиля боролись около четырехсот человек.

Идея создать автомобиль у русских инженеров появилась во время участия на Всемирной промышленной выставке в Чикаго в 1893 году, где они и познакомились. Отставной лейтенант военно-морского флота Яковлев основал в 1891 году небольшой машиностроительный и меднолитейный завод в Петербурге. Предприятие производило нефтяные, керосиновые, газовые, а с 1893 года – и бензиновые моторы. Некоторые из своих двигателей Яковлев продемонстрировал на чикагской выставке. Горный инженер по образованию, Павел Фрезе, дальний родственник «нижегородского Архимеда» Ивана Кулибина, организовал каретную мастерскую, где с 1876 года производил конные экипажи.

На выставке в Чикаго Яковлев представлял газовые двигатели, а его новый товарищ – образцы конных повозок. Оба изобретателя были награждены бронзовыми медалями. Кроме того, предприниматели познакомились с самим Готтлибом Даймлером. Тогда же внимание наших героев привлек и автомобиль марки Benz Velo. Воодушевленные изобретатели скрупулезно изучили немецкую новинку и решили создать в России автомобиль близкой, но более передовой конструкции.

В следующем году император Александр III распорядился провести летом 1896 года новую Всероссийскую промышленную выставку в Нижнем Новгороде. Наши герои решили в мероприятии участвовать и быстро взялись за разработку автомобиля.

Подробности работы конструкторов неизвестны. Пожалуй, первое детальное описание автомобиля содержится в одном из выпусков «Журнала новейших открытий и изобретений», вышедшем незадолго до начала выставки. Специалисты отметили, что еще не оконченный экипаж по внешнему виду не сильно отличался от аналогичных зарубежных конструкций, однако российским изобретателям удалось усовершенствовать машину. Яковлев и Фрезе приделали складной верх, что было очень кстати в условиях российского климата. Кожаные передаточные ремни уступили место резиновым, что уменьшило скольжение на шкивах. Девятого июня 1896 года в Нижнем Новгороде начала работу Всероссийская промышленная и художественная выставка. В одном из павильонов очень близко к входу можно было увидеть первый отечественный автомобиль, о котором воодушевленно рассказывал Фрезе. Продемонстрировать машину в движении были решено 1 июля в присутствии Николая II и его семьи. Пока машина ездила на площадке около экипажного отдела, ее запечатлел популярный фотограф Максим Дмитриев.

По своему внешнему виду автомобиль напоминал извозчицкие дрожки, оснащенные двигателем внутреннего сгорания. На заводе Яковлева были сконструированы двигатель и трансмиссия. Экипажный завод Фрезе отвечал за корпус, ходовую часть и колеса. У автомобиля было целых две передачи: одна была холостой, другая позволяла ехать вперед. Тормозов также было два: ножной – для коробки передач, ручной – для задних колес. Двигатель мощностью две лошадиные силы (мощность автомобилей Benz тогда составляла 1,5 л. с.) позволял машине развивать скорость до 21 км/ч и ехать без дозаправки 20 км. Длина автомобиля составляла почти 2,5 метра, вес – 300 кг.

Благодаря огромным колесам – передним радиусом 780 мм и задним радиусом 836 мм – машина могла передвигаться по бездорожью. Сами колеса, деревянные и обтянутые резиной, вращались на бронзовых втулках.

Четырехтактный двигатель Яковлева получился легче европейских аналогов. Система охлаждения было устроена следующим образом: вода непрерывно кипела и испарялась, и лишь часть ее охлаждалась, поступая в конденсатор. Поэтому воду приходилось постоянно подливать, и автомобиль всегда возил с собой 30-литровый запас жидкости в двух боковых латунных баках. Важно, что машина было оснащена новаторским по тем временам электрическим зажиганием.

Автомобиль Фрезе и Яковлева стоил 1500 рублей, что было вдвое ниже цены европейских машин. Российская машина не уступала иномаркам по техническим характеристикам. Однако, несмотря на относительно «демократичную» цену автомобиля, позволить его себе могли лишь богатые люди. Для сравнения: хорошую лошадь можно было купить за 50 рублей, а зарплата рабочего составляла примерно 25 рублей в месяц.

Автомобиль Фрезе и Яковлева стоил 1500 рублей, что было вдвое ниже цены европейских машин. Российская машина не уступала иномаркам по техническим характеристикам. Однако, несмотря на относительно «демократичную» цену автомобиля, позволить его себе могли лишь богатые люди.

Невзирая на все достоинства первого русского автомобиля, серьезно им никто не заинтересовался. «Смотреть не на что, за границей лучше» – так в своем дневнике резюмировал Николай II впечатления от изобретения Фрезе и Яковлева. Интересно, что сам император, приобретая свои первые два автомобиля, отдал предпочтение французской марке Delaunay-Belleville. В 1905 году Николай II заплатил за каждый 9200 рублей. В историю автомобили вошли под аббревиатурой «SMT», которая расшифровывается как «Sa Majeste2 le Tsar» – «Его Величество Царь».

Но вернемся к автомобилю Фрезе и Яковлева. Итак, императора машина не впечатлила, возможно, поэтому и пресса, и техническая комиссия выставки решили про изобретение умолчать. Так или иначе, после ярмарки надежды талантливых изобретателей рухнули. За двигатель и экипаж Яковлев и Фрезе были удостоены лишь серебряных медалей. О главном же их труде практически никто нигде не упоминал. Богачи не рискнули вкладывать средства в развитие нового вида транспорта. Автомобиль пришлось забрать обратно в Петербург, где он канул в небытие.

Завод двигателей из-за больших расходов оказался на грани разорения. Трудности возникли и в связи со смертью Яковлева в 1898 году. Фрезе с трудом удержался на плаву. Без своего надежного партнера инженер начал покупать заграничные моторы. Постепенно предприниматель открыл предприятия в Петербурге, Москве и Варшаве, где наладил производство первых грузовиков, пожарных машин и карет скорой помощи. В 1910 году Фрезе продал дело новому рижскому заводу «Руссо-Балт». Долгие десятилетия считалось, что автомобиль Яковлева и Фрезе утрачен навсегда. Но спустя 100 лет, в 1996 году, первый отечественный автомобиль вновь предстал перед публикой в московском автосалоне. Коллектив инженеров-энтузиастов смог отреставрировать машину.

В архивах реставраторы отыскали единственный дошедший до наших дней негатив и изучили на нем каждую просматриваемую деталь. При помощи специальной программы ученых из Института прикладной математики им. М.В. Келдыша реставраторы построили проекционные виды сбоку, спереди и сверху. Учитывая размеры среднего человека конца XIX века, исследователи определили наиболее возможные размеры видимых деталей машины. Инженеры разработали общие чертежи автомобиля, собственноручно ковали, сваривали и окрашивали металл для него, а также строгали древесину и кроили кожу. Год спустя реконструкция была готова. Сейчас копию машины можно посмотреть в экспозиции Политехнического музея.

Анастасия Ковалева

24
Планета, прожившая 176 дней

Обычно заметки посвящены успехам: удачным изобретениям, находкам, созданию чего-то, о чем помнят и несколько веков спустя. Вот один из тех случаев, когда внимания заслуживает ошибка. Тем более что обнаружилась она не после смерти автора открытия, а он сам нашел ее. Это лишающее славы признание заслуживает одобрения – не только его коллег, но и нашего с вами.

В 1967 году британский астроном Эндрю Лайн готовил свою диссертацию в Обсерватории Джодрелл-Бэнк. В тот же год объявили об открытии нового класса объектов – пульсаров. Это известие впечатлило нашего героя, Лайн отложил свой труд и занялся поисками нейтронных звезд. Его группа исследователей оказалась довольно удачливой: выпущенная ими статья, которая была посвящена поиску пульсаров, стала второй в истории, выйдя всего на несколько недель позже статьи Джоселин Белл – одной из первооткрывателей этих астрономических объектов.

Дописав диссертацию, Лайн снова вернулся к нейтронным звездам. На телескопах Джодрелл-Бэнк он с коллегами смог найти несколько пульсаров. В 1985 году они впервые увидели PSR 1829–10. Немного позже астрономы заметили, что в регулярности всплесков его излучения есть отклонения, которые они не могут объяснить. Рассмотрев разные варианты, ученые пришли к выводу, что эти колебания вызывает обращающаяся вокруг пульсара планета.

В 1967 году британский астроном Эндрю Лайн готовил свою диссертацию в Обсерватории Джодрелл-Бэнк. В тот же год объявили об открытии нового класса объектов – пульсаров.

По расчетам, масса новооткрытого небесного тела должна была быть не больше массы Урана, но беспокоило астрономов другое: период обращения планеты – около шести месяцев, то есть половина земного года.

Как искали эту планету и в чем проблема с таким периодом? Предположение о том, что вокруг пульсара вращается небесное тело, строилось на отклонениях в «режиме» всплесков его излучения. Такие отклонения могут быть вызваны вращением нейтронной звезды вокруг общего с планетой центра тяжести (и движениями то к Земле, то от нее), из-за чего, в соответствии с эффектом Доплера, частота импульсов периодически изменяется.

Так, может быть, колебания яркости были связаны с движением Земли по своей орбите, а не пульсара вокруг его общего с планетой центра тяжести? Ошибиться здесь было несложно, и астрономы очень старались, чтобы исключить такую возможность. Результат зависел от точности измерений и вычислений. К счастью, считали тогда уже компьютеры, на основе разработанной модели, а вот с измерениями дела обстояли сложнее. Чтобы заявить об обнаружении планеты, требовались точность данных на пределах возможностей того времени и большой период наблюдений. Неудивительно, что астрономы сомневались и проверяли результаты несколько месяцев, прежде чем решились заявить об открытии.

О планетах в системах пульсаров не говорили с 1979 года, когда подобное заявление не подтвердилось, так что открытие Лайна и его соавторов в 1991 году попало на обложки и первые полосы: найдена первая экзопланета! Впрочем, довольно быстро нашлись скептики, которые также обратили внимание на подозрительный период обращения планеты, но дотошность Лайна убедила большинство из них в правильности расчетов.

О планетах в системах пульсаров не говорили с 1979 года, когда подобное заявление не подтвердилось, так что открытие Лайна и его соавторов в 1991 году попало на обложки и первые полосы: найдена первая экзопланета!

Прошло почти полгода после выхода статьи. В конце декабря 1991 года Лайн решил вернуться к своим расчетам. Что-то в записях вызвало у него сомнения, и астроном заново просмотрел данные и прогнал вычисления на компьютере, немного скорректировав модель. И результат расчетов однозначно показал: никаких отклонений нет. Причина расхождения результатов оказалась в том, что модель, которую Лайн использовал для вычислений, не учитывала отличие орбиты Земли от правильного круга – то, чем иногда можно пренебречь, повлекло за собой серьезную ошибку.

Осознав значение нового результата, Лайн решил как можно быстрее признаться в том, что прошлое громкое открытие было ошибкой. Удобным случаем стала конференция в Атланте.

«15 января 1992 года Эндрю Лайн поднялся на сцену и начал свою речь. За исключением нескольких приглушенных голосов в зале стояла тишина, тишина разочарования. Британец закончил доклад, попросив прощения у всего научного сообщества. Он едва успел договорить, как зал разразился аплодисментами. Очевидно, слушатели по достоинству оценили мужество своего несчастного коллеги», – описали это выступление авторы одной из книг, посвященных поиску экзопланет.

На той же конференции выступал и польский астроном Александр Вольжан. Он рассказал о двух (а может, и трех) экзопланетах в системе пульсара PSR 1257+12. Одна из них стала первой обнаруженной планетой за пределами Солнечной системы, существование которой потом подтвердилось. С этого доказательства, полученного в 1995 году, завершился этап бесплодных поисков и ошибок. На август 2020 ученые нашли уже более 4300 экзопланет и не собираются на этом останавливаться.

Алёна Манузина