П.М. Зоркий
(До 100-річчя від дня народження)
Лайнус Карл Полінг народився 28 лютого 1901 р. - на самому початку XX століття - і помер 19 серпня 1994 р., коли основні підсумки цього століття вже позначилися. У біографії цього унікального людини схрестилися мало не всі найважливіші лінії 20-го сторіччя.
У науці він займався багато чим - і завжди виходив на вищий рівень обговорення центральних проблем будь-якої наукової області, до якої був причетний. При цьому в кінцевому підсумку аж ніяк не кожен раз він виявлявся правий. Колосальна енергія і експресія нерідко заважали йому знати міру. Але його участь у дискусії незмінно стимулювало науковий прогрес - він змушував людей працювати і думати.
Головне наукове досягнення Полінга - вчення про хімічний зв'язок, розвинуте ним наприкінці 20-х - початку 30-х років і яка знайшла повне вираження в його книзі The Nature of Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals. Ця книга вперше вийшла в 1939 р., друге видання з'явилося в 1940 р. (в 1942 р. і 1944 р. були надруковані додаткові наклади другого видання). Потім книга перевидавалася багато разів і була перекладена на десятки мов. До кінця 40-х років вона стала всесвітньо відомою, загальновизнаною на довгі роки і лягла в основу численних курсів загальної, неорганічної та органічної хімії. Навряд чи в історії хімії знайдеться інша книга, яка завоювала таку велику популярність.
Повний переклад книги Полінга на російську мову, зроблений М.Є. Дяткіной під редакцією Я.К. Сиркина (Л. Паулінг. Природа хімічного зв'язку. Госхіміздат, 1947), з незрозумілих причин був виданий з урізаним назвою - з нього випала структура молекул і кристалів. І це прикро: сьогодні подання Полінга про хімічних зв'язках ще живуть, але вже здаються архаїчними, і саме вираз "природа хімічного зв'язку" стало невиразним і сумнівним, а структурна хімія, у становлення якої Полінг зробив такий значний внесок, бурхливо розвивається і завойовує все нові і нові рубежі.
У 1954 р. Нобелівський комітет удостоїв Полінга премії з хімії "за вивчення природи хімічного зв'язку і його застосування до пояснення будови складних молекул". У своїй Нобелівській лекції він говорив про те, що майбутні хіміки стануть "спиратися на нову структурну хімію, в тому числі на точно визначені геометричні взаємини між атомами в молекулах, і суворе застосування нових структурних принципів" і про те, що "завдяки цій методології буде досягнутий значний прогрес у вирішенні проблем біології і медицини за допомогою хімічних методів ".
У цих висловлюваннях Полінга примітні дві обставини. По-перше, широке використання в хімії точних кількісних структурних даних тоді (у 1954 р.) він вважав справою майбутнього, а не вже досягнутим рівнем. По-друге, не апарат квантової механіки, а модельні структурні уявлення домінують в його картині майбутньої хімії.
Отже, в кінці 20-х - початку 30-х років XX століття багато в чому завдяки проникливості і цілеспрямованості Лайнуса Полінга в хімії відбулися важливі події:
Стало в загальних рисах зрозуміло, чому і як утворюються хімічні зв'язки. Основоположними у цьому відношенні стали роботи Гайтлера і Лондона, які інтерпретували освіта молекули водню, а також дослідження Борна і Слейтера; Полінг розповсюдив ці уявлення на набагато більш складні системи, поклавши в основу своєї теорії концепцію резонансу.
Була створена квантова хімія з її прекрасним арсеналом нових понять. Внесок Полінга полягав у розробці методу спрямованих валентних зв'язків, уявлень про гібридизації та перекривання атомних орбіталей, концепції електронегативності атомів і частково-іонного характеру зв'язків. Багато хто з цих уявлень завдяки їх простоті і наочності з успіхом використовуються і понині (із застереженнями про існування більш суворих, більш сучасних підходів). Слід, однак, мати на увазі, що практично одночасно з роботами Полінга (або трохи пізніше) розвивалися й інші методи квантової хімії, такі, наприклад, як метод молекулярних орбіталей (Леннард-Джонс, Маллікен, Хюккеля), що виявився більш загальним і більш точним , ніж метод валентних зв'язків.
Виникла структурна хімія, що оперує модельними просторовими уявленнями про будову атомно-молекулярних систем і принципово відрізнялася від попередніх структурних теорій фізичної (точніше, квантовохімічної) обгрунтованістю та використанням точних структурних даних, отриманих за допомогою експериментальних фізичних методів. Будучи в основному теоретиком, Полінг постійно брав безпосередню участь і в експериментальних роботах; він долучився до рентгеноструктурному аналізу ще на початку 20-х років, на старті своєї наукової кар'єри, потім брав участь у електронографіческіх роботах.
Тоді ж на базі перших рентгеноструктурних досліджень, розпочатих батьком і сином Брегг у 1913 р. і отримали значний розвиток у 20-х роках, виникла та кристалохімія, що стала одним з найбільш просунутих розділів структурної хімії та кристалографії. Основоположниками цієї науки вважають У.Л. Брегга (сина), Гольдшмідт і Полінга, який створив систему кристалохімічних радіусів (ковалентних, іонних металевих і ван-дер-ваальсових), розвинув принципи опису кристалічних структур у термінах плотнейших кульових упаковок і у вигляді сукупності координаційних поліедрів з загальними вершинами, сформулював широко відоме електростатичне правило валентності для іонних кристалів, ввів поняття дефектної структури. Весь цей матеріал був докладно викладено і доповнений новими структурними даними у другому виданні книги Полінга, що вийшов в 1940 р. і в перекладі на російську мову в 1947 р.
II світова війна затримала поширення ідей Полінга, і все ж до середини століття вони стали широко відомі, втім, із запізненням, оскільки до цього часу з превеликим завзяттям він вже займався зовсім іншими проблемами. Інтуїція підказувала йому, що найбільш значні успіхи в хімії XX століття будуть пов'язані з молекулярною біологією і молекулярної медициною (ці терміни з'явилися пізніше), що саме в цій області знайде найбільш ефективне застосування рентгенівська кристалографія. Тому, не втрачаючи інтересу до квантової хімії, яку він продовжував займатися до кінця свого життя, Полінг з дивовижною сміливістю та ентузіазмом береться за біохімію.
З середини 30-х років і аж до 1951 р. головним об'єктом досліджень Полінга стають білки. У 1934 р. він вперше спробував (спільно з А. Є. мирського) зробити деякі висновки про структуру білків на підставі вивчення їх біохімічних функцій, потім досліджував (спільно з Ч. Д. Корвеллом) вплив оксігенірованія на магнітні властивості гемоглобіну, у 1936 р . розгорнув роботи по рентгенографіческом вивчення амінокислот і білків у Каліфорнійському технологічному інституті. Саме тоді були визначені (Р. Б. Корі та ін) кристалічні структури найпростіших амінокислот, але до повного вивчення будови білків було ще далеко.
Найбільш успішними виявилися дослідження в області імунології. У 1940 р. Полінг показав, що антигени можуть грати роль матриць, на яких відповідним чином укладаються поліпептидні ланцюги. Це призводить до утворення специфічних антитіл замість звичайних білків-глобулінів. Таким чином отримала пояснення інструктивна функція антигену, що забезпечує безмежне розмаїття синтезованих організмом антитіл. Ідея комплементарності (взаємної структурної додатковості) антигену та антитіла обговорювалася у спільній роботі Полінга і Дельбрук, видатного вірусолога і генетика, згодом, як і Полінг, що став Нобелівським лауреатом.
У 1949 р. Полінг почав роботу з вивчення серповидноклеточной анемії. Назва цієї спадкової хвороби, що приводить до смерті, пов'язане з тим, що еритроцити хворого набувають форму серпа, втрачаючи при цьому здатність переносити кисень. Проявивши неабияку інтуїцію, Полінг припустив, що причина недуги криється в порушенні амінокислотної послідовності у поліпептидному ланцюзі гемоглобіну - білка, що здійснює транспорт кисню в організмі. Через три роки Полінгом вдалося за допомогою електрофорезу розділити нормальний і дефектний гемоглобін і довести, що в структурі останнього є помилка: один з амінокислотних залишків (залишок глутамінової кислоти) замінений іншим (залишком валіну). Згодом було встановлено, що в молекулі гемоглобіну людини і вищих тварин у суворо визначеній послідовності з'єднані 574 амінокислотних залишку. І ось, як виявив Полінг, заміна лише однієї з них призводить до тяжкої хвороби. В даний час відомо більше 50 різновидів аномальних гемоглобінів, що викликають різні патологічні стани.
1951 був ознаменований важливою подією: вийшла в світ стаття Полінга і Корі про структуру білків, що підводить підсумки багаторічних досліджень. Використовуючи дані рентгеноструктура досліджень амінокислот (значення характерних міжатомних відстаней і валентних кутів, величини ван дер ваальсових радіусів), Полінг і Корі провели конформаційний аналіз поліпептидного ланцюга, що представляє собою основу структури всякої білкової молекули, і показали, що:
1) ланцюг складається з відносно жорстких плоских пептидних одиниць-CO-NH-(виникають при паруванні амінокислотних залишків), і з'єднують їх шарнірів-CHR-, причому спосіб з'єднання двох послідовних одиниць можна охарактеризувати кутами і ; кут - це поворот даного ланки ланцюга навколо ковалентного зв'язку C-C, а кут - поворот навколо наступної за нею зв'язку C-N:
2) для опису просторової будови (конформації) основний ланцюга поліпептиду досить знати і для кожного амінокислотного залишку;
3) є два найбільш вигідних способу з'єднання пептидних одиниць (їм властиві певні значення кутів і ); періодичне повторення першого типу зчленування призводить до утворення спіралі, другого - до витягнутої структурі, причому паралельно розташовані ланцюга , з'єднуючись водневими зв'язками, утворюють шар; у стабілізації спіралі також беруть участь водневі зв'язки: група CO n-ого амінокислотного залишку пов'язана з групою NH (n +3)-його залишку.
Тоді ж Полінг ввів у науковий обіг чотири рівні опису будови молекули білка: первинна структура - послідовність амінокислотних залишків, вторинна структура - наявність і співвідношення характерних фрагментів (таких як спіраль і структура), третинна структура - точна картина просторового розташування атомів ( або хоча б амінокислотних залишків), що задається їх просторовими координатами, четвертинна структура - наявність субодиниць (подглобул, з яких формується молекула білка-глобуліну). Ці поняття, сформульовані до того, як з'явилися перші дані повного рентгеноструктурного аналізу білків, незабаром отримали експериментальне підтвердження (структура гемоглобіну, Перутца, 1960; структура міоглобіну, Кендрю, 1960) і понині складають основу кристалографії білка.
Втім, аж ніяк не всі наукові починання Полінга виявлялися успішними. На початку 50-х років він намагався встановити загальний принцип будови молекули ДНК і в 1953 р. опублікував статтю, в якій помилково описав цю структуру як потрійну спіраль. Однак Уотсон і Крик, які кілька місяців по тому знайшли правильне рішення у вигляді загальновідомою нині подвійної спіралі, говорили про те, що побоювання опинитися позаду Полінга чимало сприяло швидкому просуванню їх дослідження.
В кінці 60-х років Полінг зацікавився біологічним впливом вітаміну C і незабаром став активно рекламувати його як радикальний засіб від простудних захворювань, спираючись при цьому на особистий досвід - свій і дружини, і навіть написав книгу "Vitamin C and the Common Cold". На початку 70-х років він сформулював концепцію "ортомолекулярной медицини", згідно з якою вітаміни і амінокислоти можуть створювати особливу оптимальне середовище для діяльності мозку. Ці теорії, що у той час широку популярність, не знайшли підтвердження в результатах наступних досліджень і значною мірою були відкинуті фахівцями з медицини та психіатрії. У 1979 р. Полінг опублікував книгу "Cancer and Vitamin C", в якій стверджував, що прийом вітаміну C в значних дозах сприяє продовженню життя і поліпшення стану хворих певними видами раку. Однак авторитетні дослідники ракових захворювань не знаходять його аргументи переконливими.
Мабуть, в цьому періоді і в цьому аспекті своєї наукової діяльності Полінг пішов по шляху недостатньо серйозних, занадто поверхневих суджень і рекомендацій, і дуже прикро, що це дало можливість останнім часом використовувати його ім'я у комерційних цілях - для сумнівною, а іноді і явно недобросовісної реклами лікарських засобів. Втім, напевно, слід відзначити і те, що активність, бадьорість, ентузіазм, вогонь в серці і в очах (див. фото), які зумів зберегти до дуже похилого віку ця людина, з 38 років страждав тяжкими хронічними хворобами, змушує повірити, що він знав "How to Live Longer and Feel Better" (це назва його останньої книги, що вийшла в 1986 р.).
Абсолютно свідомо ми звертаємося до біографії Полінга лише у заключній частині цього нарису. Занадто часто подробиці життєпису вченого, докладно викладені на початку присвяченій йому статті, відволікають увагу від суті справи - від аналізу його наукових заслуг, оцінки їх значимості. Але пройти повз деяких зовсім незвичайних, іноді навіть парадоксальних обставин життя Полінга ніяк неможливо.
Згідно з даними анкетування, проведеного британським журналом "New Scientist" серед кількох сотень видатних учених сучасності, Полінг увійшов до числа двадцяти найбільших діячів науки всіх часів - поряд з Галілеєм, Ньютоном, Дарвіном, Ейнштейном. А тим часом він - єдиний з нобелівських лауреатів - не мав атестата про закінчення середньої школи. Він не отримав його, тому що категорично відмовився відвідувати заняття з суспільних дисциплін, заявивши при цьому, що всі необхідні знання в цій області він зуміє придбати самостійно.
Інший парадокс полягає в тому, що великий хімік-теоретик, рівень фізичних знань якого забезпечував йому повну довіру найбільших фізиків того часу, почав свою освіту в сільськогосподарському коледжі, закінчивши його зі ступенем бакалавра з хімічної технології. Потім у віці 24 років він закінчив Каліфорнійський технологічний інститут, отримавши ступінь доктора (PhD) з хімії - "з найвищою відзнакою" - і ступінь бакалавра з математичної фізики. Стипендія Гуггенхейма дала йому можливість провести 1926/27 навчальний рік в Європі, де він вивчав квантову механіку в Зоммерфельда в Мюнхені, у Шредінгера в Цюріху і в Бора в Копенгагені.
Після початку II світової війни рухомий громадянським обов'язком Полінг перемикається на військову тематику (розшифровка структури білка була призупинена). Він створює кілька видів потужної вибухівки та ракетного палива, розробляє вимірювач змісту і генератор кисню для підводних човнів і літаків (пізніше цей прилад знайшов застосування для підтримки потрібного рівня вмісту кисню в капсулах для недоношених немовлят і при хірургічних операціях під анестезією). У лабораторії Полінга був синтезований замінник кров'яної плазми для термінових переливань в польових умовах. Внесок Полінга в перемогу над фашизмом був відзначений медаллю "За видатні заслуги перед Сполученими Штатами", яку йому особисто вручив президент.
Але в мирний час він бачив свій обов'язок у тому, щоб боротися проти загрози нової війни, проти ядерної небезпеки, проти радіоактивного зараження навколишнього середовища і робив це з усією силою властивого йому напору і таланту.
Незабаром після того, як США скинули атомні бомби на японські міста Хіросіму і Нагасакі, Полінг почав кампанію проти нового виду зброї і в 1945-46 рр.., Будучи членом Комісії з національної безпеки, читав лекції про небезпеки ядерної війни. У 1946 р. він став одним із засновників Надзвичайного комітету вчених-ядерників, заснованого Альбертом Ейнштейном і іншими прославленими вченими для того, щоб добиватися заборони випробувань ядерної зброї в атмосфері. У 1957 р. Полінг склав проект відозви, в якому містилася вимога припинити ядерні випробування, його підписала більше 11 тис. вчених з 49 країн світу, і серед них понад 2 тис. американців.
З-за активної миротворчої діяльності він нерідко наштовхувався на політичні перешкоди, зокрема через приписуваних йому прорадянських симпатій. На початку 50-х рр.. довелося долати труднощі з отриманням паспорта (для виїзду за кордон); він отримав паспорт без усяких обмежень тільки після того, як був нагороджений Нобелівською премією.
У червні 1961 р. Полінг і його дружина скликали конференцію в Осло (Норвегія) проти поширення ядерної зброї. Незабаром після цього він почав вести дозиметричний контроль над рівнем радіоактивності й у жовтні 1962 р. оприлюднив інформацію, яка показувала, що з-за що проводяться у попередньому році випробувань рівень радіоактивності в атмосфері піднявся вдвічі в порівнянні з попередніми 16 роками, і склав проект договору про заборону таких випробувань. У липні 1963 р. США, СРСР і Великобританія підписали договір про заборону ядерних випробувань, в основі якого лежав проект Полінга.
У 1963 р. Полінг був нагороджений Нобелівською премією миру.
Заслуги Лайнуса Полінга воістину великі й різноманітні та все ж в історії науки він залишиться в першу чергу як творець квантової хімії. Тим більше чудова та мудрість і стриманість, яку він продемонстрував у рік свого 90-річчя, коли дуже точно визначив місце квантової теорії в сучасній системі хімічних наук:
"Хімії, певно, пощастило, що величезна кількість емпіричних знань про властивості хімічних речовин було отримано до розвитку квантової механіки. Хіміки прагнули зрозуміти ці властивості, і в результаті розробили класичну теорію хімічної будови. Якби вся ця маса інформації про властивості речовин не була накопичена до виникнення квантової механіки, цілком можливо, що теорія хімічної будови так і не була б створена. Фактично в даний час, в 1991 році, хіміки мало використовують квантову механіку, хіба що широко застосовуються принципи утворення хімічного зв'язку, сформульовані мовою квантової механіки. У якоюсь мірою вживається хіміками точна квантовомеханічна трактування молекулярної будови, але набагато частіше вони використовують класичну модель теорії хімічної будови ".