Загадки современной химии. Правда и домыслы - Джордж Шварц

В Китае, где винная промышленность находится на подъеме, ученые решили подойти к проблеме по-другому, чтобы сэкономить на созревании вина. Цинь Ань Дзен, химик из Южно-Китайского технологического университета в Гуанчжоу, показал, что пропускание молодого вина по трубкам, окруженным электрическим полем, меняет его состав, и, при соблюдении определенных условий, можно таким способом имитировать процесс созревания вина. В отличие от ничем не подкрепленных утверждений о том, что вкус вина можно улучшить, поместив горлышки бутылок в кольца магнитов или установкой бутылок на магнитные платформы, этот метод, по отзывам экспертов, действительно может изменить вкус и аромат вина. Еще важнее, что эти изменения были выявлены в ходе химического анализа состава вина, обработанного электрическими полями.

Напряженность поля и время экспозиции тоже играют роль, правда, в данном случае, больше – не всегда значит лучше. Экспозиция в течение трех минут в поле напряженностью 600 вольт на один сантиметр дала наилучшие результаты. Повышение напряженности до 900 вольт на сантиметр делает вкус хуже. Если кто-то думает, что эти данные о влиянии электрических полей на протекание химических реакций можно использовать для поддержания идеи о том, что сотовые телефоны вредны для здоровья, то пусть вспомнит, что напряженность поля, создаваемого сотовым телефоном, равняется приблизительно 0,05 вольт на сантиметр.

В любом случае, страстные поклонники вина никогда не примут такое варварское обращение с вином, они всегда предпочтут рассуждать о том, как природные процессы делают вино «насыщенным», «деревенским», «вялым», «густым» или «похожим на сигарный табак». Мне очень хотелось бы прибегнуть к таким выражениям, но мои вкусовые сосочки не способны отличить «Чак» за два доллара от «Иль Бароне», который мне посчастливилось отведать в Кастеллоди-Амороза в Напе. Это дорогое вино знатоки описывают как «поразительное, богатое, полновесно насыщенное сладким таннином и отдающее копченым мясом, сочными фруктами, и отличающееся безупречной сбалансированностью». Для меня эти слова не значат ровным счетом ничего, но я искренне заинтересовался возможностью химической связи между вином «Иль-Бароне» и вкусом копченого мяса.

О чем вы думаете, когда рядом с вами произносят слово «кристалл»? Хрустальный шар[25] на моем письменном столе подсказывает, что можно подумать о винном бокале или о люстре. Вероятно, мало кто подумает о «тайне жизни». Однако позвольте мне начать.

Значит, винный бокал или подвеска люстры? Нет, ни то, ни другое не имеют никакого отношения к кристаллам. На самом деле стекло – это полная противоположность кристаллам. Все вещества состоят из атомов, молекул или ионов, и если эти частицы организованы в упорядоченные структуры, и если эти структуры имеют трехмерное строение, то мы имеем дело с кристаллами. Соль, леденцы и алмаз – все эти вещи состоят из регулярно повторяющихся ячеек, или решеток, и все они имеют кристаллическое строение, а стекло является веществом «аморфным», то есть составляющие его атомы кремния и кислорода не образуют упорядоченных повторяющихся структур. Кристаллы имеют определенную, неизменную точку плавления и раскалываются вдоль определенных плоскостей, а аморфные вещества не имеют определенной точки плавления, и при нагревании размягчаются и плавятся постепенно, в некотором диапазоне температур, а при раскалывании разбиваются случайным образом. Но почему тогда хрусталь называют хрусталем, то есть кристаллом? Потому что он сверкает, как алмаз – истинный кристалл. Этот эффект достигается добавлением в хрусталь оксида свинца, солей бария или цинка для изменения коэффициента преломления – свойства прозрачного вещества изменять направление проникшего в него светового луча.

Упоминание о «преломлении света» очень уместно в нашей истории о кристаллах и «тайне жизни». История эта начинается со знаменитого открытия в 1895 году Вильгельмом Рентгеном таинственной формы радиации, которую в Англии назвали икслучами, поставив по математической традиции литеру «Икс» на место неизвестной величины. Были и другие ученые, которые раньше Рентгена заметили это странное излучение, возникающее в катодной трубке, в которой ток высокого напряжения заставляет электроны перемещаться в вакууме от катода к аноду. Но именно Рентген описал и документально подтвердил эффект, который был не в состоянии объяснить.

«Не являются ли рентгеновские лучи особой формой невидимого света?» – заинтересовался немецкий физик Макс фон Лауэ. К тому времени уже было хорошо известно, что при прохождении через кристаллы световые лучи преломляются. Будут ли рентгеновские лучи вести себя так же? Фон Лауэ направил узкий пучок рентгеновских лучей на кристалл сульфата меди, окруженный фотографическими пластинками, чувствительными к воздействию рентгеновского излучения. Ученый заметил, что лучи действительно отклонялись, что доказывало, что они распространяются в пространстве в форме волн так же, как и свет. Дифракция волн создала на фотографических пластинках особую картину, узор, природу которого фон Лауэ не смог расшифровать. Но там, где потерпел неудачу фон Лауэ, преуспели Вильям Брэгг и Лоуренс Брэгг (отец и сын).

Они предположили, что рисунок, полученный на фотопластинках, был результатом отражения рентгеновских лучей от плоскостей атомов в кристалле. Рассуждая от противного, Брэгги предположили, что по этому дифракционному рисунку можно определить расположение атомов или ионов в кристалле. Если атомы объединены в молекулы, то рентгеновские лучи могут помочь установить их структуру.

Для наглядности представим себе следующую аналогию: рассмотрим тень, которую отбрасывает освещенный лучом света предмет неизвестной формы, помещенный в темную комнату. Изменяя положение источника света, можно менять форму тени, отбрасываемой предметом. Собрав все изображения теней, можно, путем расчетов восстановить трехмерную форму изучаемого предмета. Такова, в упрощенном виде, основная идея, лежащая в основе «рентгеновской кристаллографии», одного из мощнейших методов аналитической техники. Сведения о точной молекулярной структуре вещества являются ключом к предсказанию его химических и биологических свойств.

Этот рассказ подвел нас вплотную к «тайне жизни», которая заключается в ДНК и ее знаменитой двойной спиральной структуре. Определение этой структуры стало фундаментом открытия тайны генетики, открыло путь к технологиям рекомбинантной ДНК и к потенциальной возможности замены химиотерапии целенаправленными манипуляциями с генами. Имена Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона неразрывно связаны с открытием структуры ДНК, так как это именно они впервые использовали шарики и стержни для построения точной трехмерной модели молекулы. Не так широко известно, что Крик и Уотсон разделили Нобелевскую премию с физиком Морисом Уилкинсом, который первым высказал мысль о возможности рентгеноструктурного исследования ДНК, и чья лекция направила интерес Уотсона на исследование ДНК.

Еще меньше известна критически важная роль, которую сыграла в этих исследованиях Розалинд Франклин, коллега Уилкинса по Корорлевскому Колледжу в Лондоне. Именно Розалинд Франклин впервые получила фотографию № 51, фотографию дифракционной рентгеноструктурной решетки молекулы ДНК, фотографию, которая стала ключом к построению Криком и Уотсоном трехмерной молекулярной модели. Уилкинс показал эту фотографию Уотсону без разрешения Франклин, что привело к сильным трениям между ними. Франклин умерла от рака яичников в возрасте 37 лет в 1958 году, за четыре года до вручения Нобелевской премии Крику, Уотсону и Уилкинсу. Розалинд Франклин не могли номинировать на премию, потому что по статуту премии ее не присуждают посмертно.