НЕВЕРОЯТНО - НЕ ФАКТ

РАДОСТИ И ОГОРЧЕНИЯ СТРУКТУРЩИКОВ

Есть большое семейство исследователей, которое называется структурщиками. Такого слова в словаре нет, так как оно жаргонное, лабораторный слэнг, но

распространенное. Физики, химики, биологи называют так тех, кто занят определением атомной структуры ве­щества, кто всей своей работой пытается ответить на вопрос: как вещество построено из атомов ( как устро­ен сам атом интересует людей другой специальности).

В своей работе структурщики используют явление, открытое Максом Лауэ: наблюдают дифракцию рент­геновских лучей от кристалла, структуру которого хо­тят определить.

Как уже говорилось, при прохождении луча через кристалл на фотопластинке обнаруживается картина со множеством пятен — следов отклоненных (диафраг­мированных) лучей. Если ставить кристалл под разны­ми углами к лучу, то каждый раз мы будем фиксиро­вать другие пятна. Всего от кристалла средней слож­ности можно получить несколько сот или даже несколь­ко тысяч разных дифракционных пятен. Расстояния между пятнами, а также их интенсивность хранят богатейшую информацию о структуре всего кристалла и составляющих его молекул. Но извлечь из таких кар­тин сведения о пространственной конфигурации одной молекулы и о взаимном расположении всех оказы­вается задачей совсем нелегкой и, естественно, тем бо­лее трудной, чем сложнее химическая формула моле­кулы.

Насколько задача определения структуры кристал­ла (трехмерное тело) сложнее нахождения расстояния между щелями дифракционной решетки (двухмерный объект), простейшего примера использования дифрак­ционного опыта для определения геометрии объекта, поясним на таком сравнении.

Аналогом кристалла в двумерном мире, очевидно, будет «решетка» обоев. Пусть на обоях в детской ком­нате изображены девочки, играющие с мячом. Все де­вочки и все мячи, разумеется, совершенно одинаковы. Художник мог по-разному расположить этих девочек: либо одну над другой, либо с каким-то сдвигом, либо по три девочки в вершинах треугольника и т. д. Короче говоря, девочки могут быть расположены, или, как го-, ворят в отношении молекул, упакованы по-разному. Вполне понятно, что при описании обоев вовсе недоста­точно лишь указать расстояния между девочками и их взаимное расположение; нужно знать, как нарисована девочка: какое у нее платье, какие кудряшки, какой мя­чик и где он находится. Так и для кристаллического вещества нужно знать не только упаковку молекул, но и знать, как построена молекула. А получить эти сведе­ния во много раз труднее, чем измерить расстояние между девочками на обоях и описать их вид. Кристалл построен из молекул, которые вполне аккуратно, то есть периодически, заполняют пространство, образуя трех­мерную пространственную «решетку». В какой же связи находятся пятна на рентгенограмме (так называется пластинка, на которой зафиксированы дифракционные пятна) с упаковкой молекул и строением каждой мо­лекулы?

Если говорить о принципиальной стороне дела, то ответить на этот вопрос легко. Только что при помощи простого рисунка мы пояснили, как появляются соот­ношения между углом отклоненного луча и расстоянием между щелями дифракционной решетки. Природа связи между рентгеновской дифракционной картиной и струк­турой вещества та же самая.

Но количественное усложнение — переход от простой линейной последовательности рассеивающих объектов (щелей) к сложнейшему пространственному рисунку атомов, берущих на себя роль рассеивающих центров,— воистину грандиозное.

Уже давно решение математических задач поручено вычислительным машинам. Сотрудничая с математика - ми-программистами, я не раз пытался объяснить сущ­ность радостей и горестей структурщиков.

Как правило, такие собеседования выглядели при­мерно так. Прежде всего я выписывал на листе бумаги основные математические уравнения (они были получе­ны уже самим Лауэ).

— Данные опыта, — пояснял я программисту, — это сведения о направлении отклоненного луча и его интенсивности. Вот соответствующие символы.

— Ясно, — следовал ответ.

— Нам нужны данные о структуре.

— В каком виде?

— Конечно, нужны координаты атомов. А еще луч­ше, если бы машина рисовала трехмерную картину; есть же аналоговые машины. Пусть картина будет условная: атомы — это точки, а силы связи — штрихи.

— Но позвольте! — вглядываясь в написанные мной уравнения, говорит программист. — Не морочьте мне голову рисунками, у вас тут дела по'сложнее: урав­нения-то не решаются!

— Ну, не совсем так, — говорю я со вздохом. — Все же решаются, но не в нужную вам сторону.

Дело в том, что характер этих уравнений таков, что, решив их, можно представить себе интенсивность и на­правление лучей (то есть можно составить суждение о виде рентгенограммы), если известна структура. Но нам-то надо решить обратную задачу — по виду рентгенограммы установить расположение атомов. А это вот и не получается. Проблема «квадратного кор­ня» — так называл я в лекциях эту проклятую труд­ность, мешающую превратить богатейшую опытную ин­формацию в четкие картины структуры.

Уравнение у2 = х решается только в одну сторону. Если известен у (скажем, плюс пять), то недвусмыслен­но вычисляется х (будет 25). Если же имеются сведе­ния об х (25), то у может равняться плюс 5 и минус 5. У структурщиков же не одно такое уравнение, а тыся­ча, и с помощью рентгенограммы можно найти тысячу разных игреков с точностью до знака.

Ситуация досадная, и, несмотря на то, что этим ме­тодом были определены структуры простейших моле­кул, специалистам в области рентгеноструктурного анализа стало понятно, что, если проблема решения этих уравнений повиснет в воздухе, толку от метода не будет.

Пока задачи были несложными, трудность обходили самым простым способом. Так, если уравнения не поз­воляют переходить от рентгенограммы к структуре, то они неплохо прокладывают путь от структуры к рентге­нограмме. Этим обстоятельством мы и пользовались.

— Вот эта структура кажется мне весьма логичной, произведите, пожалуйста, расчет рентгенограммы, — про­шу я сотрудника.

На следующий день сопоставляем полученный расчет с опытными данными.

— Ничего похожего! — с нескрываемым удоволь­ствием говорит коллега. — Я ведь говорил, что этот атом кристалла надо посадить вот сюда.

— Посадите,— говорю я мрачно.

Так, внося небольшие изменения в рисунок «обоев» (подвинув мяч, изменив форму кудряшек, удлинив платьице) и сравнивая расчеты с опытом, пытаемся при­близиться к истине. Действуя этим методом, который англичане назвали образно методом «проб и ошибок», в конце концов добиваемся удовлетворительного совпаде­ния расчетов с опытом. Минусов в такой работе два, и значительных. Во-первых, даже мало-мальски сложные случаи требуют колоссальных расчетов. Во-вторых, все время остается сомнение, что есть и другие решения, ко­торые не хуже сходятся с опытом, но остались нами не замеченными.

Было придумано множество математических ухищре­ний, которые облегчали задачи. Но довольно долгое вре­мя проблема казалась почти неразрешенной. Значитель­ный шаг вперед был сделан в середине тридцатых годов. Теоретически было показано, что уравнения решаются более или менее достоверно в нужную нам сторону (от рентгенограммы к структуре) в случае, если исследу­емая молекула содержит один тяжелый атом, и тогда проблему «квадратного корня» удается обойти. Но что делать, если интересующая нас органическая молекула не содержит таких атомов? Ввести?! Химики, если захо­тят, легко могут провести эту операцию. Но вводить та­кой атом надо умело, чтобы не испортить вид молекулы.

В разных случаях это приходится делать по-разному: один раз тяжелый атом-метку выгодно крепить в одном месте молекулы, другой раз — в другом. Так получаются «меченые» вещества, которые обычно и решают задачу.

Метод «тяжелого атома» и метод «проб и ошибок» могут применяться совместно. Первый подсказывает ис- следователю-структурщику, какие модели молекул имеет смысл пробовать, а второй — позволяет ему более уве­ренно угадывать знаки квадратных корней.

Метод «тяжелого атома» довольно простой и автома­тичный, и его выполнение' может быть легко запрограм­мировано для электронно-вычислительной машины. Но у него есть и недостаток — он не нагляден. Второй метод более творческий, требует хорошего знания всех законо­мерностей, наличия развитой интуиции и использует для наглядности модели. Кроме того, они по силам бедной лаборатории, не имеющей еще ЭВМ.

Не приходится удивляться, что среди представителей класса структурщиков — в настоящее время их число во всем мире наверняка перевалило за десяток тысяч в зависимости от способностей, темперамента и характера мы находим как сторонников игры на моделях, то есть любителей «угадать» структуру, так и лиц, полагающих необходимым следовать некоторой строгой процедуре, не содержащей в себе произвольных выдумок.

Сказать, какой из этих двух характеров «лучше», ра­зумеется, нельзя. Можно привести примеры великолеп­ных успехов, достигнутых на обеих дорогах. Превосход­ной иллюстрацией могут быть как раз работы по изуче­нию структуры биологических веществ. Нобелевская пре­мия за первое определение структуры белковой молеку­лы была присуждена Максу Перутцу, который потратил почти четверть века на расшифровку рентгенограмм раз­личных производных белка, помеченных тяжелыми ато­мами. И та же Нобелевская премия за открытие струк­туры гена была дана Уотсону и Крику, которые достиг­ли успеха, угадав структуру, играя на моделях.