Текст книги "Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева"

2. Почти близнецы и паршивая овца: генеалогия элементов

Как-то раз Шекспир решил выдумать самое длинное слово в английском языке. Он предложил слово «Honorificabilitudinitatibus» (хонорификабилитудинитатибус), которое может либо означать «преисполненный всяческих почестей», либо читаться как анаграмма, подсказывающая, что пьесы Шекспира написал не сам Бард, а Френсис Бэкон[13]13
  Более простое, но менее изысканное толкование слова «honorificabilitudinitatibus» – «с почестями». Анаграмма этого слова, указывающая на Бэкона, такова: «Hi ludi F. Baconis nati, tuiti orbi». Фраза переводится на русский язык так: «Эти пьесы созданы Ф. Бэконом и сохранены для мира».


[Закрыть]. Но в этом слове всего двадцать семь букв, и ему далеко до самого длинного английского слова.

Разумеется, попытка найти самое длинное слово напоминает попытку удержаться на ногах под ударом волн. Вы быстро запутаетесь, ведь язык непрерывно развивается и постоянно меняет направление. Более того, язык значительно отличается в разных контекстах. Слово Шекспира, произнесенное шутом в комедии «Бесплодные усилия любви», очевидно, происходит из латыни. Но мы, пожалуй, не должны учитывать такие заимствованные слова, даже если они употребляются в английских фразах. Кроме того, если учитывать слова, которые просто обрастают множеством приставок и суффиксов (например, «antidisestablishmentarianism», 28 букв, на русский язык переводится как «сопротивление отделению церкви от государства») или явную абракадабру («supercalifragilisticexpialidocious», 34 буквы)[14]14
  Название песни из фильма 1964 года «Мэри Поплине». Интересный вариант перевода на русский язык – «Суперархиэкстраультрамегаграндиозно». – Прим. пер.


[Закрыть], то писатель сможет водить читателей за нос еще довольно долго, пока у него не онемеют руки.

Но если искать осмысленное слово, то самым длинным будет считаться слово, которое было изобретено не с целью поставить рекорд по длине лексической единицы, а появилось в 1964 году в реферативном журнале Chemical Abstracts, который служит для химиков своеобразным справочником. Это слово обозначает важнейший белок, который считается первым из открытых вирусов. Этот белок вируса табачной мозаики был открыт в 1892 году и называется – набрали в грудь воздуха: ацетилсерилтиросилсерилизолейцилтреонилсерилпролилсерилглютаминилфенилаланилвалифенилаланиллейцилсерилсеривалитриптофилаланиласпартилпролилизолейцилглютамиллейциллейциласпарагинилвалилцистейнилтреонилсерилсериллейцилглициласпарагинилглютаминилфенилаланилглютаминилтреонилглютаминилглютаминилаланиларгинилтреонилтреонилглютаминилвалилглютаминилглютаминилфенилаланилсерилглютаминилвалилтриптофиллизилпролифенилаланилпролилглютаминилсерилтреонилвалиларгинилфенилаланилпролиглициласпартилвалилтирозиллизилвалилтирозиларгинилтирозиласпарагинилаланилвалиллейциласпартилпролиллейцилизолейцилтреонилаланиллейциллейцилглицилтреонилфенилаланиласпартилтреониларгиниласпарагиниларгинилизолейцилизолейцилглютамилвалилглютамиласпарагинилглютаминилглютаминилсерилпролилтреонилтреонилаланилглютамилтреониллейциласпартилаланилтреониларгиниларгинилвалиласпартиласпартилаланилтреонилвалилаланилизолейциларгинилсерилаланиласпаргинилизолейциласпаргиниллейцилвалиласпарагинилглютамиллейцилвалиларгинилглицилтреонилглициллейцилтирозиласпарагинилглютаминиласпарагинилтреонилфенилаланилглютамилсерилметионилсерилглициллейцилвалилтриптофилтреонилсерилаланилпролилаланилсерин.

Эта анаконда по-английски записывается 1185 буквами[15]15
  Мнения о том, каково самое длинное слово, появившееся в Chemical Abstracts, разнятся. Многие специалисты считают, что это действительно название белка вируса табачной мозаики – химическая формула этого белка записывается как С₇₈₅H₁₂₂₀N₂₁₂O₂₄₈S₂, но другие отдают пальму первенства белку а фермента триптофансинтетазы. Этот белок напоминает вещество, которое, по ошибочному обывательскому мнению, вызывает сонливость, когда ешь индейку (это распространенное заблуждение). Триптофансинтетаза имеет формулу C₁₂₈₉H₂₀₅₁N₃₄₃O₃₇₅S₈, а его название по-английски записывается 1913 буквами – это на 60 % длиннее, чем название белка вируса табачной мозаики. Во многих источниках – нескольких изданиях Книги рекордов Гиннеса, на сайте Urban Dictionary (www.urbandictionary.com), а также в «Словаре необычных, странных и нелепых слов миссис Бёрн» – самым длинным словом считается именно название триптофансинтетазы. Но я провел долгие часы, роясь в едва освещенных стеллажах Библиотеки Конгресса, и так и не нашел полного названия этой молекулы в Chemical Abstracts. Вероятно, ее просто ни разу не именовали полностью. Чтобы абсолютно в этом удостовериться, я отыскал академическую статью, в которой рассказано о расшифровке формулы триптофансинтетазы (в списках Chemical Abstracts ее не было), и даже там авторы решили сокращенно записать последовательность аминокислот. Итак, насколько я могу судить, полное название этого белка ни разу не появлялось в печати. Вероятно, именно поэтому составители Книги рекордов Гиннеса лишили его звания самого длинного слова.
  Но мне удалось найти целых два случая, когда белок вируса табачной мозаики был назван полностью. Первый раз – на странице 967F коричневатого фолианта Chemical Abstracts Formula Index, Jan.-June 1964, а потом на странице 6717А в Chemical Abstracts 7th Coll. Formulas, С 23H 32-Z, 56–65, 1962–1966. Обе книги представляют собой реферативные справочники, в которых собираются данные обо всех научных химических статьях, опубликованных в указанный на обложке период. Таким образом, что бы ни писали в других источниках о самом длинном слове в мире (особенно в Интернете), полное название белка вируса табачной мозаики встречается лишь дважды – в 1964 и 1966 годах, но не в 1972-м, как иногда утверждают.
  Более того: статья о триптофансинтетазе вышла в 1964 году, и в том издании Chemical Abstracts за 1962–1966 годы упоминается еще немало веществ, в молекулах которых содержится больше атомов С, H, N, О и S, чем в белке вируса табачной мозаики. Почему же их не записывали целиком? Дело в том, что большинство этих статей вышло после 1965 года, а именно в этом году компания Chemical Abstracts Service, расположенная в Огайо и собирающая все эти данные, пересмотрела свою систему номенклатуры новых соединений и отказалась от названий, которые просто невозможно охватить взглядом. Но почему же кто-то не поленился полностью записать название белка вируса табачной мозаики в справочнике от 1966 года? Его можно было сократить, но для него было сделано исключение. И последний нюанс: оригинал статьи о вирусе табачной мозаики от 1964 года был опубликован по-немецки. Но справочник Chemical Abstracts – это англоязычный документ, выдержанный в славных традициях компендиумов Сэмюэла Джонсона и Оксфордского словаря. Это название появилось в печати не ради рекорда, а с целью распространения знаний. Поэтому данное слово действительно может считаться самой длинной смысловой лексемой.
  Уф.
  Кстати, я выражаю признательность Эрику Шайвли из Crystal Poole Bradley и особенно Джиму Корнингу из Chemical Abstracts Service, которые очень помогли мне в сборе всей этой информации. Они были совершенно не обязаны отвечать на мои путаные вопросы вроде «Здравствуйте. Я тут ищу самое длинное английское слово, но не знаю, с чего начать», но тем не менее отвечали.
  Так случилось, что вирус табачной мозаики оказался не только первым открытым вирусом, но и первым из подобных существ, чьи форма и структура были тщательно проанализированы. Некоторые выдающиеся работы в этой области принадлежат перу Розалинд Франклин – специалисту по кристаллографии, которая благородно, но простодушно поделилась результатами своих исследований с Уотсоном и Криком (подробнее об этом – в главе 8). А буква «а» из выражения «белок а триптофансинтетазы» относится к кругу вопросов, рассмотренных в работах Лайнуса Полинга и посвященных тому, как белки «узнают», какую форму им следует принять. Об этом – опять же в главе 8.


[Закрыть], а по-русски – всего 1148 буквами.

Теперь, когда большинство из вас просто пробежали глазами приведенное название, возможно, восприняв только «ацетил» и «серин», давайте еще раз взглянем на это слово. Распределение букв в нем оказывается довольно интересным. Буква «е», самая распространенная в английском языке, встречается 65 раз, буква «у» – наименее распространенная – целых 183 раза. Всего на одну букву, «l», приходится 22 % слова (255 раз). Причем буквы «у» и «l» разбросаны не как попало, а зачастую встречаются рядом друг с другом – они образуют 166 пар, расположенных с интервалом около 7 букв. Все это неслучайно. Рассматриваемое нами длинное слово – это название белка, а белки построены на основе шестого, наиболее многофункционального элемента периодической системы – углерода.

В частности, атомы углерода образуют каркасы аминокислот, которые соединяются друг с другом как бусины, образуя белки. Белок вируса табачной мозаики состоит из 159 аминокислот. Поскольку биохимикам зачастую приходится подсчитывать множество аминокислот, они следуют простому лингвистическому принципу. Принято отсекать от названия аминокислоты суффикс «ин» – как в словах «серин» или «изолейцин» – и заменять на «ил», чтобы получался компонент «серил» или «изолейцил». Если расположить эти «илы» в правильном порядке, они точно описывают структуру белка. Мы с вами, не будучи лингвистами, легко понимаем значение составных слов. Так и биохимики в 1950-е годы и начале 1960-х годов давали молекулам официальные наименования вроде «ацетил…серин», чтобы можно было воссоздать формулу молекулы по ее названию. Это точная, хотя и сложная система. Тенденция к соединению корней и созданию составных слов исторически сложилась из-за того, что в развитии химии важнейшую роль сыграли немецкие ученые и немецкий язык, богатый сложными и длинными словами.

Но почему же аминокислоты связываются в первую очередь друг с другом? Дело в том, какое место углерод занимает в периодической системе. Для заполнения своего внешнего энергетического уровня атому углерода требуется восемь электронов – это универсальное правило называется «правилом октета». Напористость разных атомов и молекул в поиске пары у разных веществ отличается, и аминокислоты относятся к более-менее «цивилизованным» соединениям. На одном конце каждой молекулы аминокислоты находятся атомы кислорода, на другом – атомы азота, а в середине – ствол длиной в два атома углерода. Кроме того, в аминокислотах содержится водород, а от главного ствола могут отходить разные веточки, в результате чего могут образоваться 20 разных молекул, но нас это пока не интересует. И углероду, и азоту, и кислороду требуется по восемь электронов для заполнения внешнего энергетического уровня, но одним элементам легче набрать такие комплекты, чем другим. У кислорода, элемента № 8, всего восемь электронов. Два из них находятся на нижнем энергетическом уровне, который заполняется в первую очередь. На внешнем уровне остается шесть – итак, до полного комплекта атому кислорода не хватает двух электронов. Найти два электрона не так сложно, а агрессивный кислород может диктовать условия и обирать другие атомы. Но та же арифметика подсказывает, что бедный углерод, потратив два электрона на заполнение первой оболочки, остается всего при четырех электронах на втором уровне – и до октета ему недостает еще четырех. Сделать это не так просто, поэтому углерод не слишком привередлив при создании химических связей. Он готов соединяться практически с кем угодно.

Такая неприхотливость углерода – это огромное благо. В отличие от кислорода, углероду приходится образовывать связи с другими атомами во всех возможных направлениях. На самом деле, углерод может делиться своими электронами даже с четырьмя атомами одновременно. Таким образом, углерод способен образовывать длинные цепочки и даже объемные сети молекул. Поскольку углерод делится электронами, а не ворует их, углеродные связи получаются надежными и стабильными. Азоту также требуется создавать многочисленные связи для приобретения октета, но не в такой степени, как углероду. Белки, включая упомянутый выше белок табачной мозаики, используют эти простые правила. Атом углерода на конце одной аминокислоты делится электроном с атомом азота на конце другой аминокислоты. Образуются белки, в которых такие связи углерода и азота тянутся почти до бесконечности, как буквы в длинном-длинном слове.

На самом деле, сегодня ученые способны «декодировать» гораздо более длинные молекулы, чем «ацетил…серин». В настоящее время рекорд принадлежит гигантскому белку, название которого, записанное полностью, насчитывало бы 189 819 букв. Но в 1960-е годы, когда в распоряжении ученых появились инструменты для быстрого определения последовательностей аминокислот, биохимики осознали, что вскоре им придется иметь дело с названиями соединений, каждое из которых занимает целую книгу (проверка их правописания была бы адской пыткой). Итак, было решено отказаться от неуклюжей немецкой системы и оперировать более краткими и удобными названиями, даже в научной литературе. Например, вышеупомянутая молекула с названием из 189 819 букв сегодня именуется милосердным словом «титин»[16]16
  Несколько химиков-подвижников не поленились и опубликовали в Интернете название полной последовательности аминокислот в молекуле титина: это слово занимает сорок семь страниц, набранных в программе Word с одинарным интервалом, шрифт Times New Roman, кегль 12. Белок состоит более чем из 34 000 аминокислот, в слове 43 781 раз встречается буква «l», 30 710 раз – буква «у», 27 120 – суффикс «yl» и всего лишь 9229 раз – буква «е».


[Закрыть]. Сомневаюсь, что какое-нибудь печатное слово окажется длиннее полного названия белка табачной мозаики или даже приблизится к нему.

Правда, никто не запрещает лексикографам время от времени просматривать биохимические статьи. Медицина всегда была богатым источником уморительно длинных слов. Оказывается, самое длинное нетехническое слово, содержащееся в Оксфордском словаре английского языка, связано с ближайшим «родственником» углерода – кремнием. Считается, что этот элемент, расположенный в таблице Менделеева под номером 14, может быть альтернативным источником иной, неуглеродной жизни, которая может существовать где-нибудь в других галактиках.

Вспомним, как выглядит генеалогическое древо. На его верхушке находятся родители, а ниже – дети, похожие на них. Подобным образом, углерод имеет больше общих черт с кремнием, расположенным непосредственно под ним, чем со своими соседями слева и справа – бором и азотом. Мы уже знаем, чем это объясняется. Углерод – элемент № 6, кремний – элемент № 14. Их разделяет промежуток в восемь клеток (еще один октет), и это неслучайно. У кремния два электрона заполняют первый энергетический уровень, еще восемь – второй. Остается четыре электрона, поэтому кремний претерпевает те же неудобства, что и углерод. Конечно, в такой ситуации кремний приобретает и некоторую химическую гибкость, подобно углероду. Поскольку именно это свойство углерода непосредственно связано с тем, что из него строится живая материя, заметное химическое сходство кремния с углеродом дало любителям научной фантастики богатую пищу для воображения. Возможно ли, что кремний является основой альтернативных – то есть чужеродных – форм жизни, которая существует по иным, внеземным законам? Но генеалогия не определяет судьбу, и дети никогда не бывают полными копиями своих родителей. Действительно, между углеродом и кремнием очень много общего, но это разные элементы, которые образуют несхожие соединения. И, к сожалению для всех читателей фантастических романов, кремний просто неспособен на такое, на что способен углерод.

Забавно, но мы можем оценить, насколько ограничены возможности кремния по сравнению с углеродом, просто разобрав еще одно слово-рекордсмен. Это английское слово из Оксфордского словаря достигает удивительной длины по той же причине, что и упомянутое выше название белка табачной мозаики. Честно говоря, название белка – своего рода слово-формула, интересное в первую очередь своей новизной. Точно так же интересно бывает рассчитать значение числа «пи» до триллионного знака. А самое длинное нетехническое слово, присутствующее в Оксфордском словаре, – это «pneumonoultramicroscopic silicovolcanoconiosis», буквально переводимое как «воспаление легких, вызванное обильным вдыханием кварцевой вулканической пыли» и состоящее всего из 45 букв. Внимательные читатели могли заметить в этом слове компонент «silico», означающий «кремний». Любители лингвистических курьезов между собой именуют это заболевание «р45», но с медицинской точки зрения неясно, можно ли считать этот недуг отдельной болезнью. Дело в том, что упомянутое слово обозначает лишь частный случай неизлечимого легочного заболевания пневмокониоз. Это слово (в английском языке его можно условно назвать «р16») означает болезнь, напоминающую пневмонию. Пневмокониоз относится к целому классу заболеваний, связанных с вдыханием асбестовой пыли. Пневмокониоз может развиваться и при вдыхании диоксида кремния, основного компонента песка и стекла. Строители, которым приходится целыми днями работать с пескоструями, а также рабочие сборочных линий, занятые в арматурно-изоляторном производстве, часто вдыхают наждачную пыль и заболевают кремниевой разновидностью пневмокониоза. Но поскольку диоксид кремния (SiO₂) – самый распространенный минерал в земной коре, есть еще одна группа риска, подверженная пневмокониозу: люди, живущие поблизости от активных вулканов. Самые мощные вулканы превращают силикаты в тончайшую пыль и выбрасывают в воздух мегатонны такого вещества. Эта пыль постоянно проникает в легкие и накапливается в них. Поскольку наши легкие все время имеют дело с диоксидом углерода (углекислым газом), организм с готовностью всасывает и диоксид кремния – очень похожее на углекислый газ вещество. Последствия этого могут быть фатальными. Возможно, именно из-за этого заболевания вымерли многие динозавры, когда астероид или комета размером с мегаполис столкнулся с Землей около 65 миллионов лет назад.

Зная все это, мы можем с легкостью разобрать по составу слово р45, со всеми его приставками и суффиксами. Легочное заболевание, развивающееся в результате вдыхания мельчайшей вулканической кремниевой пыли, которая попадает в легкие к людям, в спешке спасающимся от извержения, пыхтя на бегу, называется «пневмония-обусловленная-микроскопическими-кусочками-вулканических-соединений-кремния». Но прежде, чем вы попытаетесь использовать это слово в разговоре, учтите, что многие борцы за чистоту языка его терпеть не могут. Кто-то придумал его, чтобы выиграть словесную викторину в 1935 году, и многие до сих пор насмешливо замечают, что это не лексема, а конкурсная придумка. Даже почтенные редакторы «Оксфордского словаря английского языка» нелестно характеризуют р45, называя его «вздорным словом», которое лишь «предположительно имеет лексическое значение». Вся эта критика объясняется тем, что р45 – просто расширенный вариант реального слова, переводящегося на русский язык как «пневмокониоз». Р45 было создано на кончике пера, а не возникло в языке в ходе естественных лингвистических процессов.

Давайте подробнее познакомимся с кремнием и поговорим о том, насколько реалистичны гипотезы о существовании кремниевой жизни. Эта тема в научной фантастике не менее заезжена, чем лазерные пушки, но сама идея очень важна, так как расширяет наши «чисто углеродные» представления о живой материи. Энтузиасты этой гипотезы даже могут рассказать вам о некоторых вполне земных существах, жизнедеятельность которых серьезно зависит от кремния. Таковы, например, морские ежи, чьи иглы содержат этот элемент, а также радиолярии (одноклеточные организмы), которые в ходе эволюции обзавелись настоящими кремниевыми доспехами. Успехи современной науки в области вычислительной техники и искусственного интеллекта также позволяют предположить, что на основе кремния можно создать не менее сложные «мозги», чем на базе углерода. Теоретически вполне возможно заменить все нейроны вашего мозга кремниевыми транзисторами.

Но р45 преподает нам урок практической химии, перечеркивающий многие надежды на встречу с кремниевой жизнью. Разумеется, «кремниевым существам» потребовалось бы каким-то образом поглощать соединения кремния и выводить их из организма – например, для восстановления поврежденных тканей. Ведь в обмене веществ у земных существ всегда принимает участие углерод. На Земле почти все создания, которые находятся у основания пищевой цепи (во многих отношениях это самые важные организмы), питаются газообразным диоксидом углерода. Кремний в природе также активно связывается с кислородом, образуя диоксид кремния SiO₂. Но диоксид кремния совсем не похож на углекислый газ – это даже не газ, а твердый порошок (пусть даже такой мелкий, как вулканическая пыль). При любой температуре он весьма неблагоприятен для живых организмов. Диоксид кремния переходит в газообразное состояние только при 2200 °C! Клеточное дыхание с участием твердых частиц попросту невозможно, поскольку такие частицы сцепляются друг с другом. Они не текут, сложно захватывать отдельные молекулы таких веществ, а это очень важно для клеток. Даже самые примитивные формы кремниевой жизни, не сложнее ряски, едва могли бы дышать, а у более крупных форм жизни со многими слоями клеток дела обстояли бы еще хуже. Не имея возможности газообмена с окружающей средой, растительные формы кремниевой жизни голодали бы, а животные задыхались бы от отходов собственной жизнедеятельности. Достаточно вспомнить, насколько губительна р45 для наших легких, привыкших иметь дело с углекислым газом.

Смогли бы гипотетические кремниевые микроорганизмы всасывать кремний и избавляться от него какими-то иными способами? Возможно, но соединения кремния не растворяются в воде, а это самая распространенная жидкость во Вселенной. Таким образом, подобные существа были бы сразу лишены тех эволюционных преимуществ, которые нам дает кровь и другие жидкости, обеспечивающие циркуляцию питательных веществ и утилизацию отходов. Кремниевые формы жизни должны были бы выстраивать обмен веществ только на твердых соединениях, которые плохо смешиваются. Таким образом, сложно себе представить, как кремниевые существа могли бы делать что-либо.

Более того, поскольку в атоме кремния содержится больше электронов, чем в атоме углерода, этот атом гораздо массивнее. Порой это не проблема. Кремний вполне мог бы заменить углерод в марсианских аналогах жиров или белков. Но углерод также способен образовывать кольцевые молекулы, которые мы называем сахарами. Кольцо – это форма, для которой характерно значительное напряжение. Именно поэтому в кольцевых молекулах заключено много энергии. Кремниевые молекулы попросту недостаточно гибки, чтобы образовывать кольца. Существует и другая подобная проблема: атомы кремния не могут так тесно располагать свои электроны, чтобы из них создавались двойные связи, присутствующие практически во всех сложных биохимических соединениях. Если два атома совместно используют два электрона, то между ними возникает одинарная связь. Если электронов не два, а четыре, связь двойная. Соответственно, у кремниевой жизни было бы в сотни раз меньше возможностей

для хранения химической энергии и синтеза гормонов. В общем, только радикальная биохимия допускает существование таких кремниевых форм жизни, которые способны расти, реагировать на раздражители, размножаться и нападать. Даже морские ежи и радиолярии используют кремний лишь в качестве опорного элемента, а не для дыхания или хранения энергии. Тот факт, что на Земле развилась именно углеродная жизнь, несмотря на то что кремния на нашей планете гораздо больше, чем углерода, по-видимому, все объясняет[17]17
  В одном из выпусков передачи Frontline на американском телеканале PBS, которая называлась «О будущем грудных имплантатов», было сделано интересное замечание: «Содержание кремния в живых организмах снижается по мере усложнения этих организмов. Соотношение кремния и углерода в земной коре – 250:1, в гумусе (перегное) – 15:1, в планктоне – 1:1, в папоротниках – 1:100, в организме млекопитающих – 1:5000».


[Закрыть]. Я не рискну утверждать, что кремниевая биология принципиально невозможна. Но кремниевые твари должны были бы испражняться песком и жить на планете с постоянно извергающимися вулканами, ежесекундно выбрасывающими в атмосферу мельчайшую кремниевую пыль. В других условиях маловероятно, что четырнадцатый элемент мог бы стать основой для жизни.

Правда, кремний обеспечил себе бессмертие, так и не породив жизни. Подобно вирусу – квазиживому существу, – кремний занял свою эволюционную нишу, паразитируя на другом элементе, расположенном в таблице прямо под ним.

В том столбце таблицы, где находятся углерод и кремний, можно заметить и другие интересные примеры генеалогии элементов. Под кремнием находится германий. Под германием мы неожиданно обнаруживаем олово. Спускаемся еще на период – под оловом располагается свинец. Итак, двигаясь прямо вниз по четырнадцатому столбцу периодической системы, мы сначала встречаем углерод – основной элемент живых организмов, потом кремний и германий, на которых построена вся современная электроника. Далее идет олово – непримечательный серый металл, из которого делают баночки для кукурузы. Замыкает эту последовательность свинец – элемент, более или менее губительный для всего живого. Каждый шаг, казалось бы, невелик, но наш путь демонстрирует, что небольшие изменения постепенно накапливаются, и разница между элементами становится огромной.

Еще один генеалогический урок заключается в том, что во многих семействах есть своя паршивая овца – кто-то, на кого остальная родня махнула рукой. В четырнадцатом столбце таблицы Менделеева таков, несомненно, германий – элемент с совершенно незавидной судьбой. Кремний сегодня применяется в компьютерах, микросхемах, автомобилях и калькуляторах. Благодаря кремниевым полупроводникам люди долетели до Луны, благодаря кремнию функционирует Интернет. Но если бы около шестидесяти лет назад сложилась немного иная ситуация, в Северной Калифорнии сегодня раскинулась бы не Кремниевая, а Германиевая долина.

Современная полупроводниковая индустрия начала развиваться в 1945 году в корпорации Bell Labs в штате Нью-Джерси, всего в нескольких милях от места, где семьюдесятью годами ранее основал свою «фабрику изобретений» Томас Алва Эдисон. Уильям Шокли, инженер-электротехник и физик, попытался сконструировать небольшой кремниевый усилитель, чтобы заменить вакуумные трубки в мейнфреймовых компьютерах. Инженеры очень не любили такие трубки, поскольку эти длинные стеклянные сосуды, похожие на огромные лампочки, были неудобными, хрупкими и к тому же быстро перегревались. Тем не менее без вакуумных трубок было не обойтись, поскольку ни одно другое устройство не могло решать таких двойных задач. Вакуумные трубки одновременно и усиливали электронные сигналы, так что самые слабые из них не затухали, и служили для тока «воротами с односторонним движением» – электроны в них не могли пойти вспять по электрической цепи. Если когда-нибудь канализационные трубы у вас дома начинали пропускать стоки назад, вы вполне можете представить себе масштабы возможных проблем. Шокли решил поступить с вакуумными трубками так же, как Эдисон в свое время поступил со свечами. Инженер понимал, что решение связано с элементами-полупроводниками. Только они могли обеспечить нужный баланс, при котором в электрическую цепь попадало бы достаточно электронов для возникновения тока («проводник»), но не слишком много, чтобы процесс не становился неуправляемым («полу»). Правда, Шокли оказался замечательным новатором, но неважным инженером, и его «кремниевый усилитель» так ничего и не усиливал. Тщетно промучившись над проблемой два года, он отдал эту задачу двум своим подчиненным, Джону Бардину и Уолтеру Браттейну.

По замечанию одного биографа, Бардин и Браттейн «испытывали друг к другу такую любовь, какая только может быть между двумя лучшими друзьями. Казалось, они образовывали единый организм, в котором Бардин был мозгом, а Браттейн – руками»[18]18
  Эта фраза взята из документального фильма Transistorized, показанного на канале PBS.


[Закрыть]. Этот альянс получился очень плодотворным, ведь Бардин, которого за глаза, наверное, называли «ботаником», был скорее теоретиком, чем практиком. И вот двое ученых вскоре пришли к выводу, что кремний слишком хрупок, чтобы собирать из него усилители, а также плохо поддается очистке. Кроме того, они знали о свойствах элемента германия, расположенного на один период ниже, прямо под кремнием. Поскольку германий имеет на один энергетический уровень больше, его электроны связаны слабее и лучше проводят электричество. На основе германия Бардин и Браттейн сконструировали первый в мире твердотельный (а не вакуумный) усилитель. Это произошло в декабре 1947 года. Они назвали свой прибор «транзистором».

Вероятно, новость поразила Шокли – правда, то Рождество он встречал в Париже, и ему некогда было заявить, что он тоже приложил руку к этому изобретению (пусть и начал работать не с тем элементом). Шокли решил во что бы то ни стало отхватить свой кусок почестей за работу Бардина и Браттейна. Нет, он не был плохим человеком, но вел себя совершенно беззастенчиво, убедившись в верности своих догадок и будучи абсолютно уверен, что заслужил славу «отца всех транзисторов». Подобную безапелляционность Шокли проявил и гораздо позже, уже на склоне лет, когда отверг всю физику твердого тела и занялся евгеникой – «наукой» о выведении совершенных людей. Он верил в касту «благословенной интеллигенции», подобную индийским жрецам-брахманам, стал собирать средства на «банк спермы гениев»[19]19
  Этот банк спермы, созданный по инициативе Шокли в Калифорнии, официально назывался «Репозиторий для выбора зародышей», но более известен как «Банк спермы Нобелевских лауреатов». Правда, Шокли был единственным Нобелевским лауреатом, официально признавшим свой вклад в этот банк, хотя основатель учреждения – Роберт К. Грэм – утверждал, что и некоторые другие лауреаты следовали этому примеру.


[Закрыть] и выступать за стерилизацию бедняков и представителей различных меньшинств за денежное вознаграждение – так он предлагал предотвратить «снижение коллективного общечеловеческого интеллектуального уровня».

Спешно вернувшись из Парижа, Шокли стал без преувеличения встревать в компанию изобретателей транзистора. В Bell Labs сохранились фотографии для прессы, на которых запечатлены трое ученых, как будто находящихся за работой. На таких снимках Шокли всегда стоит между Браттейном и Бардином, словно вклиниваясь в их живую связку и возложив свои руки на лабораторные приборы. Молодые сотрудники вынуждены выглядывать у него из-за спины, как будто они всего лишь скромные ассистенты. Эти фотографии и стали началом новой реальности, в которой научное сообщество признало изобретение транзисторов заслугой троих, а не двоих исследователей. Вскоре Шокли повел себя как мелочный князек в своей вотчине и вынудил Бардина, своего основного интеллектуального соперника, перейти на работу в другую лабораторию, не связанную с исследованиями полупроводников. Теперь именно Шокли мог разработать второе поколение германиевых транзисторов, более привлекательное с коммерческой точки зрения. Неудивительно, что Бардин вскоре покинул Bell Labs и перебрался на работу в Университет Иллинойса. Он был настолько уязвлен, что начисто забросил исследования полупроводников.

Германий также оказался невостребованным. К 1954 году транзисторные производства размножились, как грибы после дождя. Процессорные мощности компьютеров выросли на порядки, появились целые классы новых приборов – например, карманные радиоприемники. И на протяжении этого бума инженеры продолжали расточать комплименты кремнию. В частности, это было обусловлено тем, что германий оказался капризным элементом. Он, конечно, очень хорошо проводил электричество, но при этом сильно разогревался, и при высоких температурах германиевые транзисторы начинали барахлить. Существенное достоинство кремния заключалось и в том, что он является основным компонентом песка и поэтому в буквальном смысле «дешевле грязи». Ученые по-прежнему верили в германий, но тратили огромное количество времени, придумывая применение кремнию.

В том же 1954 году состоялось собрание, посвященное перспективам полупроводникового бизнеса. После очередного сложного доклада о том, что создание транзисторов на основе кремния представляется невозможным, встал какой-то дерзкий техасский инженер и заявил, что у него в кармане есть рабочий кремниевый транзистор, после чего поинтересовался, не желают ли коллеги посмотреть на прибор в действии. Этот новый Барнум[20]20
  Финеас Тейлор Барнум (1810–1891) – знаменитый американский антрепренер и шоумен, известный своими мистификациями. – Прим. пер.


[Закрыть] – а звали инженера Гордон Тил – вытащил германиевый записывающий проигрыватель, подключил его к внешним динамикам, а потом вскипятил масло и картинно погрузил прибор в бурлящую жидкость. Неудивительно, что аппарат мгновенно перегрелся и заглох. Выудив вареный проигрыватель, Тил извлек оттуда германиевый транзистор и заменил его своим, кремниевым. Потом он повторил фокус с маслом. Музыка как ни в чем ни бывало лилась из динамиков. В тот момент, когда толпа бизнесменов домчалась до платных наушников, установленных у задней стены конференц-зала, германий был забыт.

К счастью для Бардина, этот акт драмы имел счастливый, пусть и нескладный конец. Его работа с германиевыми полупроводниками была признана столь важной, что он, Браттейн и (эх!) Шокли в 1956 году были удостоены Нобелевской премии по физике. Бардин узнал эту новость однажды утром по радио (к тому времени, вероятно, это был приемник на кремниевых транзисторах), поджаривая яичницу на завтрак. Он так разволновался, что случайно опрокинул сковородку на пол. Знал бы он, что это не последний его «нобелевский прокол». За несколько дней до торжественной церемонии, которая, как известно, проводится в Швеции, он постирал свой белый галстук-бабочку и смокинг вместе с цветными вещами, так что они приобрели зеленый цвет (так мог сделать какой-нибудь из его студентов!). А в день церемонии он и Браттейн так нервничали перед встречей с королем Швеции Карлом Густавом, что наглотались хинина, чтобы успокоить желудки. Вероятно, лекарство не помогло, поскольку, когда Густав пожурил Бардина, что тот оставил своих сыновей в Гарварде (Бардин опасался, что они могут провалить экзамен), а не взял их в Швецию с собой, Бардин прохладно отшутился, что обязательно исправит оплошность, когда приедет за Нобелевской премией в следующий раз.

Если не считать подобных промахов, церемония стала настоящим триумфом для полупроводников, хотя и очень кратким. Руководители Шведской академии наук, которая присуждает Нобелевские премии по химии и физике, в дальнейшем предпочитали вознаграждать исследования в области чистой науки, а не инженерии. Высокая честь, оказанная изобретателям транзисторов, была редким реверансом в адрес прикладной науки. Тем не менее уже в 1958 году в транзисторной индустрии разразился новый кризис. А поскольку Бардин уже не работал в этой области, дверь в нее оказалась открыта для нового героя.

Через эту дверь и прошел Джек Килби, хотя ему, наверное, пришлось при этом немного нагнуться – наш герой был высокого роста, примерно метр восемьдесят. Килби был типичный розовощекий канзасец и говорил медленно, как принято в тех краях. Он около десяти лет проработал в высокотехнологичном захолустье на заводе в городе Милуоки, пока не устроился на работу в компанию Texas Instruments. Килби имел диплом инженера-электротехника, но его первой задачей стало решение известной проблемы компьютерного оборудования, которая называется «тирания чисел». В принципе, дешевые кремниевые транзисторы работали хорошо, но для тонких компьютерных схем требовалось множество таких транзисторов. Таким образом, технологическим компаниям, включая Texas Instruments, приходилось отводить целые ангары, в которых трудились низкооплачиваемые рабочие (в основном – женщины). Эти труженицы и труженики целыми днями сутулились над микроскопами, ругались, исходили потом в защитных спецовках и паяли мелкие кремниевые детали. Такой процесс был не только дорогостоящим, но и неэффективным. В любой такой схеме обязательно попадались какие-то контакты, которые были повреждены при сборке или работали плохо. Но инженеры не могли сократить количество транзисторов – в этом и заключалась тирания чисел.

Килби прибыл на работу в Texas Instruments знойным июньским днем. Поскольку он был новичком, ему не полагался отпуск. И когда в июле тысячи сослуживцев отправились в обязательный отпуск, Джек остался практически в одиночестве. Несомненно, получив такую передышку и поработав в тишине, он убедился, что держать тысячи рабочих, клепающих транзисторные схемы, – это нонсенс. При почти полном отсутствии начальства у Килби было достаточно свободного времени, чтобы развить идею нового устройства, которое он назвал «интегральной схемой». В обычных схемах приходилось собирать вручную не только транзисторы, но и другие детали. Углеродные резисторы и керамические конденсаторы также требовалось аккуратно сплетать медными проводками. Килби отказался от такой сборочной фазы, решив просто вырезать все детали – резисторы, транзисторы и конденсаторы – из цельного куска полупроводникового материала. Это была превосходная идея – представьте себе художественную и структурную разницу между высечением статуи из мраморной глыбы и постепенным тщательным ваянием каждого мускула, которые потом приходится связывать проволокой. Килби решил не полагаться на кремний, который мог оказаться не совсем чистым, и изготовил прототип своей схемы из германия.