Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия

• Название: Нобелевские премии. Ученые и открытия
• Автор: Валерий Чолаков
• Издательство: Мир
• Жанр: Научпоп
• Год: 1987

Книга болгарского историка науки Валерия Чолакова рассказывает о выдающихся открытиях в естествознании (физике, химии, биологии, медицине), авторы которых были удостоены Нобелевской премии. Учрежденная в начале нынешнего века, эта премия откосится к числу самых почетных и авторитетных международных наград, и ее присуждение, безусловно, отмечает значительные вехи в истории мировой науки нашего столетия.

Адресована широкому кругу читателей, интересующихся историей науки и ее достижениями.

---

Впервой половине XIX в. возникла и обособилась в самостоятельную. науку органическая химия. С самого начала главным ее направлением было получение в чистом виде и исследование веществ, входящих в состав живых организмов. Постепенно, по мере накопления знаний и опыта, развивались методы анализа природных органических соединений. Эти вещества обычно встречаются в незначительных количествах, поэтому для их исследования необходимы специальные методы микроанализа. Больших успехов в этой области достиг австрийский химик Фриц Прегль. Впоследствии его метод был распространен и на неорганические вещества.

В начале нашего столетия методы анализа были столь несовершенны, что для проведения исследования вещества требовалось в количестве не менее нескольких десятых долей грамма. Фриц Прегль разработал специальную аппаратуру, которая повысила чувствительность эксперимента более чем в 50 раз: теперь для исследования можно было ограничиться образцом в тысячные доли грамма. Метод Прегля позволяет производить количественный анализ содержания углерода, водорода, азота, серы и других элементов, входящих в состав органических соединений. При этом определяются и функциональные группы молекул, участвующих в специфических реакциях.

Метод количественного микроанализа органических соединений, созданный австрийским ученым, создал предпосылки для быстрого развития исследований гормонов, витаминов и других важных биологически активных веществ. Определение состава этих веществ позволило осуществить синтез многих из таких соединений. В 20-е годы исследования подобного рода получили широкое распространение, и это привело Нобелевский комитет по химии к решению присудить премию в 1923 г. Фрицу Преглю за создание метода количественного микроанализа органических молекул.

Химия в двух измерениях

В начале XX в., когда физики благодаря теориям Эйнштейна «овладевали» четырехмерным пространством, молодой американский ученый занялся изучением поведения атомов и молекул в двумерном пространстве. Это был Ирвинг Ленгмюр.

В 1909 г. во время летних каникул этот? 28-летний преподаватель физики довольно случайно попал в лабораторию вновь созданной компании «Дженерал электрик» в Скенектади. Проводившиеся там лабораторные исследования увлекли его. С тех пор непрерывные кропотливые эксперименты стали его главным призванием.

В то время перед инженерами и экспериментаторами особенно остро стоял вопрос об усовершенствовании лампы накаливания. Ленгмюр провел серию экспериментов, желая проверить, в какой степени наличие газов в колбе влияет на свечение вольфрамовой нити. С помощью прецизионной аппаратуры он установил, что в лампе, несмотря на созданный там вакуум, накапливаются водяные пары. Вскоре он выяснил, что источником паров служит тонкий мономолекулярный слой воды, который остается на внутренней поверхности стеклянной колбы при выкачивании воздуха.

Ирвинг Ленгмюр предложил способ удаления воды из стеклянных колб. Однако самый важный итог этих исследований состоял в том, что ученый очень заинтересовался химическими явлениями, происходящими на поверхности веществ, и Наряду с практической работой занялся теоретическими исследованиями, которые в итоге привели к интересным открытиям.

Некоторые процессы, происходящие на поверхности твердых тел и жидкостей, были известны давно. В частности, было исследовано поверхностное натяжение жидкостей; его объяснили взаимодействием молекул. Американский ученый Джозайя Уиллард Гиббс разработал на этой основе теорию адсорбции (поглощения вещества из газовой или жидкой среды поверхностным слоем твердого тела или жидкости). Ленгмюр разработал совершенно новую теорию в области химии поверхностных явлений. Он связал эти явления с ненасыщенными валентностями атомов. Когда атом находится внутри вещества, он со всех сторон окружен другими атомами. На поверхности же он связан только с атомами, лежащими внутри, а над ним находится свободное пространство. В результате часть валентностей атома остается незаполненной, пока не адсорбируется какая-нибудь молекула. Насколько значительны эти силы притяжения, говорит хотя бы такой факт: чтобы удалить молекулы воды, прилипшие к внутренней поверхности колбы лампы накаливания, колбу приходилось длительное время нагревать при высокой температуре.

Теория Ленгмюра, объяснявшая адсорбцию как проявление ненасыщенных валентных связей, явилось крупным достижением. За ее создание Ирвинг Ленгмюр был удостоен в 1932 г. Нобелевской премии по химии. Выводы этого ученого, касающиеся химии поверхностных явлений, были подтверждены такими мощными методами, как рентгеновская и электронная дифракция. Идеи Ленгмюра нашли применение в гетерогенном катализе, где в качестве катализатора обычно используется твердое вещество и реакции происходят на его поверхности, при этом оно играет роль адсорбента. Теория поверхностной адсорбции оказала благоприятное влияние и на развитие техники, позволив выяснить механизм действия смазки и флотационных процессов при обогащении руд.

На явлении адсорбции основан ряд экспериментальных методов в химии. В 1903 г. русский ученый Михаил Семенович Цвет, ботаник из Варшавского университета, использовал угольные фильтры и другие пористые вещества для разделения растительных пигментов. Он установил, что составные части смеси проходят через фильтр с различной скоростью и адсорбируются на разных его участках. Таким образом, зеленый растительный пигмент разделяется на различные виды хлорофилла и другие составляющие его соединения, образуя слои различной окраски. Этот метод, получивший название хроматографии, в 40-х годах стал широко использоваться в биохимии. По мнению большинства ученых, М.С. Цвет непременно получил бы Нобелевскую премию за это открытие, если бы не его преждевременная смерть в 1919 г.

Методы разделения молекул на основе их физико-химических свойств были в дальнейшем усовершенствованы шведским биохимиком Арне Тиселиусом, учеником Теодора Сведберга. Тиселиус распространил эти методы на бесцветные вещества, а также осуществил количественный анализ компонентов сложных растворов.

Вследствие своих больших размеров биомолекулы образуют растворы типа коллоидов. Тиселиус решил воспользоваться для их исследования методом электрофореза, который позволял разделить различные частицы в соответствии с их электрическим зарядом и размерами.

За свои разработки методов электрофоретического и адсорбционно-хроматографического анализа для исследования биополимеров Арне Тиселиус был удостоен в 1948 г. Нобелевской премии по химии. Четыре года спустя Нобелевская премия по химии была присуждена за дальнейшее усовершенствование биохимических методов анализа. На сей раз лауреатами стали Арчер Джон Портер Мартин и Ричард Лоренс Миллингтон Синг, награжденные за создание метода распределительной хроматографии, а главное — за теорию хроматографических процессов.

Принцип хроматографии довольно прост. Если капля какого-либо раствора попадает на фильтровальную бумагу, образовавшееся пятно постепенно расползается; при этом некоторые из компонентов «отстают», так как их молекулы с большим трудом проходят через микрокапилляры фильтра. Чтобы исследуемые вещества распределялись в соответствии с их растворимостью и их можно было бы максимально точно идентифицировать, использовали соответствующие растворители.

Создание в 1939 г. метода распределительной хроматографии и особенно (в 1944 г.) метода хроматографии на бумаге оказалось исключительно ценным для современной биохимии. Оба метода помогли выяснить структуру многих сложных биомолекул.

Развитие экспериментальных методов, связанных с адсорбционным анализом, — это лишь часть химии поверхностных явлений. Кажется, природа отдает предпочтение реакциям в двумерном пространстве. Действительно, два атома значительно легче встречаются и вступают в реакцию на поверхности, нежели в объеме.

Коллоиды

В 1926 г. ученые Шведской королевской академии наук продемонстрировали исключительное единомыслие. Нобелевские премии по физике и химии были присуждены ученым, занимавшимся исследованием коллоидов. Эти исследования, представлявшие для химии чисто теоретический интерес, способствовали вместе с тем выяснению атомно-молекулярного строения вещества и, кроме того, заложили основы метода, который сыграл важную роль в исследовании живой клетки.

Коллоиды давно известны в химии. Еще Парацельс (Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогейгейм) говорил об аурум потабиле (золотом напитке), который в сущности есть не что иное, как коллоидный раствор золота. В XVII—XVIII вв. исследователи наблюдали свертывание и коагуляцию белковых и других растворов. В XIX в. коллоидами занимались Берцелиус, Фарадей и другие крупные ученые. В 1861 г. английский химик Томас Грэм ввел термин «коллоид» (от греческого «кола», что значит «клей»). Он вообще делил вещества на две группы: кристаллоиды и коллоиды. Согласно представлениям Грэма, кристаллоиды образуют обычные растворы, а коллоиды — коллоидные растворы, которые характеризуются малой устойчивостью, склонностью к образованию гелей, низким осмотическим давлением и т. д. Эта теория оказалась ошибочной, и к правильным представлениям о коллоидах пришли лишь в конце прошлого века благодаря исследованиям ряда ученых, среди которых особо следует отметить австрийского ученого Рихарда Зигмонди (Жигмонди). Он первым выяснил гетерогенную природу коллоидных растворов.