Атом - это мельчайшая частица химического вещества, которая способна сохранять его свойства. Слово «атом» происходит от древнегреческого «atomos», что означает «неделимый». В зависимости о того, сколько и каких частиц находится в атоме, можно определить химический элемент .

Кратко о строении атома

Как можно вкратце перечислить основные сведения о является частицей с одним ядром, которое заряжено положительно. Вокруг этого ядра расположено отрицательно заряженное облако из электронов. Каждый атом в своем обычном состоянии является нейтральным. Размер этой частицы полностью может быть определен размером электронного облака, которое окружает ядро.

Само ядро, в свою очередь, тоже состоит из более мелких частиц - протонов и нейтронов. Протоны являются положительно заряженными. Нейтроны не несут в себе никакого заряда. Однако протоны вместе с нейтронами объединяются в одну категорию и носят название нуклонов. Если необходимы основные сведения о строении атома кратко, то эта информация может быть ограничена перечисленными данными .

Первые сведения об атоме

О том же, что материя может состоять из мелких частиц, подозревали еще древние греки. Они полагали, что все существующее и состоит из атомов. Однако такое воззрение носило чисто философский характер и не может быть трактовано научно.

Первым основные сведения о строении атома получил английский ученый Именно этот исследователь сумел обнаружить, что два химических элемента могут вступать в различные соотношения, и при этом каждая такая комбинация будет представлять собой новое вещество. Например, восемь частей элемента кислорода порождают собой углекислый газ. Четыре части кислорода - угарный газ.

В 1803 году Дальтон открыл так называемый закон кратных отношений в химии. При помощи косвенных измерений (так как ни один атом тогда не мог быть рассмотрен под тогдашними микроскопами) Дальтон сделал вывод об относительном весе атомов .

Исследования Резерфорда

Почти столетие спустя основные сведения о строении атомов были подтверждены еще одним английским химиком - Ученый предложил модель электронной оболочки мельчайших частиц.

На тот момент названная Резерфордом «Планетарная модель атома» была одним из важнейших шагов, которые могла сделать химия. Основные сведения о строении атома свидетельствовали о том, что он похож на Солнечную систему: вокруг ядра по строго определенным орбитам вращаются частицы-электроны, подобно тому, как это делают планеты.

Электронная оболочка атомов и формулы атомов химических элементов

Электронная оболочка каждого из атомов содержит ровно столько электронов, сколько находится в его ядре протонов. Именно поэтому атом является нейтральным. В 1913 году еще один ученый получил основные сведения о строении атома. Формула Нильса Бора была похожа на ту, что получил Резерфорд. Согласно его концепции, электроны также вращаются вокруг ядра, расположенного в центре. Бор доработал теорию Резерфорда, внес стройность в ее факты.

Уже тогда были составлены формулы некоторых химических веществ. Например, схематически строение атома азота обозначается как 1s 2 2s 2 2p 3 , строение атома натрия выражается формулой 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Через эти формулы можно увидеть, какое количество электронов движется по каждой из орбиталей того или иного химического вещества.

Модель Шредингера

Однако затем и эта атомная модель устарела. Основные сведения о строении атома, известные науке сегодня, во многом стали доступны благодаря исследованиям австрийского физика

Он предложил новую модель его строения - волновую. К этому времени ученые уже доказали, что электрон наделен не только природой частицы, но обладает свойствами волны.

Однако у модели Шредингера и Резерфорда имеются и общие положения. Их теории сходны в том, что электроны существуют на определенных уровнях.

Такие уровни также называются электронными слоями. При помощи номера уровня может быть охарактеризована энергия электрона. Чем выше слой, тем большей энергией он обладает. Все уровни считаются снизу вверх, таким образом, номер уровня соответствует его энергии. Каждый из слоев в электронной оболочке атома имеет свои подуровни. При этом у первого уровня может быть один подуровень, у второго - два, у третьего - три и так далее (см. приведенные выше электронные формулы азота и натрия).

Еще более мелкие частицы

На данный момент, конечно, открыты еще более мелкие частицы, нежели электрон, протон и нейтрон. Известно, что протон состоит из кварков. Существуют и еще более мелкие частицы мироздания - например, нейтрино, который по своим размерам в сто раз меньше кварка и в миллиард раз меньше протона.

Нейтрино - это настолько мелкая частица, что она в 10 септиллионов раз меньше, чем, к примеру, тираннозавр. Сам тираннозавр во столько же раз меньших размеров, чем вся обозримая Вселенная.

Основные сведения о строении атома: радиоактивность

Всегда было известно, что ни одна химическая реакция не может превратить один элемент в другой. Но в процессе радиоактивного излучения это происходит самопроизвольно.

Радиоактивностью называют способность ядер атомов превращаться в другие ядра - более устойчивые. Когда люди получили основные сведения о строении атомов, изотопы в определенной мере могли служить воплощением мечтаний средневековых алхимиков.

В процессе распада изотопов испускается радиоактивное излучение. Впервые такое явление было обнаружено Беккерелем. Главный вид радиоактивного излучения - это альфа-распад. При нем происходит выброс альфа-частицы. Также существует бета-распад, при котором из ядра атома выбрасывается, соответственно, бета-частица.

Природные и искусственные изотопы

В настоящее время известно порядка 40 природных изотопов. Их большая часть расположена в трех категориях: урана-радия, тория и актиния. Все эти изотопы можно встретить в природе - в горных породах, почве, воздухе. Но помимо них, известно также порядка тысячи искусственно выведенных изотопов, которые получают в ядерных реакторах. Многие их таких изотопов используются в медицине, особенно в диагностике .

Пропорции внутри атома

Если представить себе атом, размеры которого будут сопоставимы с размерами международного спортивного стадиона, тогда можно визуально получить следующие пропорции. Электроны атома на таком «стадионе» будут располагаться на самом верху трибун. Каждый из них будет иметь размеры меньше, чем булавочная головка. Тогда ядро будет расположено в центре этого поля, а его размер будет не больше, чем размер горошины.

Иногда люди задают вопрос, как в действительности выглядит атом. На самом деле он в буквальном смысле слова не выглядит никак - не по той причине, что в науке используются недостаточно хорошие микроскопы. Размеры атома находятся в тех областях, где понятие «видимости» просто не существует.

Атомы обладают очень малыми размерами. Но насколько малы в действительности эти размеры? Факт состоит в том, что самая маленькая, едва различимая человеческим глазом крупица соли содержит в себе порядка одного квинтиллиона атомов.

Если же представить себе атом такого размера, который мог бы уместиться в человеческую руку, то тогда рядом с ним находились бы вирусы 300-метровой длины. Бактерии имели бы длину 3 км, а толщина человеческого волоса стала бы равна 150 км. В лежачем положении он смог бы выходить за границы земной атмосферы. А если бы такие пропорции были действительны, то человеческий волос в длину смог бы достигать Луны. Вот такой он непростой и интересный атом, изучением которого ученые продолжают заниматься и по сей день.

Теорию о "матрешечных" вселенных предложил М.А. Марков, отталкиваясь от некоторых выкладок в теориях А.А. Фридмана. Также эту идею поддержал английский ученый Роджер Пенроуз.

Фридмоны, или Вселенная в атоме (компиляция статей из различных источников)

В ясную, безоблачную ночь кто из нас, задрав вверх голову, не разглядывал усеянное звездами бездонное небо? Вот Большая Медведица, Полярная звезда, вон щедрая россыпь Млечного Пути... Созвездия, галактики, мир огромных, всевозрастающих расстояний. Где же конец этой веренице исполинов, когда за большим следует еще большее? Что там, за космическим, галактическим горизонтом? Бесконечна ли вселенная или ограниченна? Если размеры ее конечны, то как их измерить?.. Эти волнующие вопросы задавал себе, наверное, каждый.
Неожиданный, парадоксальный, ошеломляющий ответ предлагает советский физик-теоретик академик Моисей Александрович Марков. Бесконечно большое, казалось бы, неизмеримое он предлагает охватить... бесконечно малым!

МАТРЕШКИ

Еще два с половиной тысячелетия назад философы стали задаваться вопросом: что будет, если дробить вещество все мельче и мельче? Есть ли пределы дробления и каковы наименьшие размеры вещества? Это была, пожалуй, одна из самых трудных, поистине головокружительных проблем.

Пока философы спорили, физики дробили материю на все более мелкие частицы. Вещество — на молекулы, молекулы — на атомы, атомы — на ядра и электроны, ядра — на протоны, нейтроны и другие элементарные частицы...

Сейчас физики хотят ввести еще более мелкие сущности — кварки. Правда, никто пока еще не знает, существуют ли кварки на самом деле. Но ученым очень хочется, чтобы они существовали. Кварки ныне единодушно признаны "истинными" кирпичиками, из которых сложено мироздание. Однако можно не сомневаться: если кварки будут "пойманы", то их тут же попытаются разложить на субкварки, те — на...

Это бесконечное деление напоминает куклу-матрешку. Разнимаешь ее — там оказывается матрешка поменьше, и так далее. Но должна же быть последняя матрешка, которую уже нельзя разнять... Или, может быть, не должна?

Эта игра в матрешки хоть кого заведет в тупик. В самом деле, если последней матрешки нет, если процесс деления бесконечен, то мы никогда не узнаем, как устроен мир... С таким выводом нелегко согласиться. Но еще труднее свыкнуться с тем, что делимость вещества на каком-то этапе должна прекратиться. Значит, дойдя до последней матрешки, мы исчерпаем все свойства мира? Чепуха, скажет философ, процесс познания бесконечен.

Таким образом, строгая логика матрешек завела нас вроде бы в тупик. Есть ли из него выход?

СЛОН В КАСТРЮЛЕ

Здравый смысл говорит нам: если мы разрежем яблоко пополам, то каждая половина будет в два раза меньше и легче целого плода. Сложим обе половины — и снова получим яблоко. И не может быть такого, чтобы каждая половинка весила больше целого яблока.

В макромире действительно такого быть не может, а вот в мире элементарных частиц... Разнимая матрешки до все более мелких частиц, физики вдруг обнаружили нарушение закона сохранения массы. Оказалось, что масса целой частицы всегда... меньше суммы масс частиц, ее составляющих.

Впрочем, физиков это не очень-то удивляет. Еще А. Эйнштейн показал, что масса и энергия эквивалентны. (Энергия Е = mс^2, где m — масса, а с — скорость света.) Значит, дефект масс (масса ядра гелия, к примеру, на 1 % меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов, составляющих это ядро; этот дефект масс и лежит в основе термоядерных превращений, с которыми энергетика связывает большие надежды) восполняется выделением соответствующего количества энергии, и никаких нарушений законов сохранения, лежащих в основе физики, не происходит.

Приведем еще один яркий пример парадоксов микромира. Протон, как сейчас полагают, состоит из трех кварков. А масса каждого кварка, по расчетам, во много раз превышает массу протона! Поэтому из 1 грамма кварков, будь они у нас в руках, можно получить лишь 0,05 грамма протонов Остальные 95% массы кварков выделяются в виде энергии.

Несложные подсчеты, основанные на соотношении Эйнштейна, показывают: при "утилизации" грамма кварков человек смог бы высвободить громадную энергию, эквивалентную сжиганию 2500 тонн нефти!

Может ли слон залезть в кастрюлю? Странный, казалось бы, вопрос. Но разве не столь же странно положение "толстых" кварков, втиснутых в чрево "худенького" протона? А ведь это в мире микрочастиц совсем не исключение, а правило.

Вот и получается: в микромире вместо старого принципа "большое состоит из малого" действует противоположный закон — "малое слагается из большого"! Может быть, тут и следует искать решения "матрешечной" проблемы?

МИР ЭЛЕКТРОНА

В каждой частице, какой бы малой она ни была, "есть города, населенные людьми, обработанные поля, и светит солнце, луна и другие звезды, как у нас". Греческий философ Анаксагор утверждал это в V веке до нашей эры.

Трудно согласиться с подобными утверждениями. Здравый смысл, весь наш чувственный, житейский опыт противится. В жизни наш удел — малые скорости, ничтожно малые по сравнению со скоростью света, и массы вещества, в неизмеримое число раз превышающие массу атомов и исчезающе малые по сравнению с массами звезд.

Да, меру огромного дает нам космос. Даже невооруженным глазом можно различить на всем (оба полушария) небе 6 тысяч звезд. Но это число начинает бешено расти, если наше зрение усилить астрономическими трубами, оптическими телескопами, радиотелескопами.

Тут уж в одном лишь Млечном Пути человеку удалось бы различить, как показывают оценки, примерно 200 миллиардов звезд. Надо еще учесть, что галактик, подобных нашей, в космосе, утверждают астрономы, можно насчитать до 10 миллиардов!.. Неудивительно поэтому, что для нас малое — это атом, а большое — "толщи" вселенной. И по старинке мы упрямо строим большое из малого. Пока так думает большинство людей. И только немногие — ученые, поэты, философы, мечтатели — восставали и восстают против "упрямой" очевидности.

Скажем, некоторые биологи полагали, что яблочное семечко заключает в себе крошечную яблоню — целое дерево с плодами, внутри которых опять-таки находятся еще более крохотные яблоньки. И так до бесконечности.

Подобной игре воображения предавались и физики. Когда Нильс Бор в начале нашего века объяснял планетарную модель строения атома, ход его мысли был таков: электроны — планеты атомной системы — населены чрезвычайно малыми живыми существами, которые возводят свои домики, обрабатывают свою почву и изучают свою атомную физику. А на каком-то этапе они обнаруживают, что и их атомы также являются маленькими планетными системами...

А русский поэт Валерий Брюсов в начале нашего века в стихотворении "Мир электрона" писал:

Как относиться к подобным представлениям? Объявить вздором, нелепицей? Не будем спешить! Ученые уже много раз показывали, как относительны понятия "большого" и "малого". Продолжение разговора тут.

Добавить сайт в закладки

Понятие атом. Строение атома и атомного ядра

Атом является наименьшей частицей элемента, сохраняющей его характеристики.

Атомы различных элементов отличаются друг от друга. Поскольку существует свыше 100 различных элементов, то существует и свыше 100 различных видов атомов.

Рис 1-2. Части атома.

Каждый атом имеет ядро, расположенное в центре атома. Оно содержит положительно заряженные частицы – протоны и незаряженные частицы – нейтроны.

Электроны, отрицательно заряженные частицы, вращаются вокруг ядер (см. Рис. 1-2).

Количество протонов в ядре атома называется атомным номером элемента.

Рис. 1-3. Электроны, расположенные на оболочках вокруг ядра.

Атомные номера позволяют отличить один элемент от другого. Каждый элемент имеет атомный вес. Атомный вес - это масса атома, которая определяется общим числом протонов и нейтронов в ядре. Электроны практически не дают вклада в общую массу атома, масса электрона составляет только 1/1845 часть массы протона и ею можно пренебречь.

Электроны вращаются по концентрическим орбитам вокруг ядра. Каждая орбита называется оболочкой. Эти оболочки заполняются в следующей последовательности: сначала заполняется оболочка К, затем L, М, N и т.д. (см. Рис. 1-3). Максимальное количество электронов, которое может разместиться на каждой оболочке, показано на Рис. 1-4.

Внешняя оболочка называется валентной, и количество электронов, содержащееся в ней, называется валентностью. Чем дальше от ядра валентная оболочка, тем меньшее притяжение со стороны ядра испытывает каждый валентный электрон. Таким образом, потенциальная возможность атома присоединять или терять электроны увеличивается, если валентная оболочка не заполнена и расположена достаточно далеко от ядра.

Рис. 1-4 и 1-5. Состав атома.

Электроны валентной оболочки могут получать энергию. Если эти электроны получат достаточно энергии от внешних сил, они могут покинуть атом и стать свободными электронами, произвольно перемещающимися от атома к атому. Материалы, содержащие большое количество свободных электронов, называются проводниками.

Рис. 1-6. Валентность меди.

На Рис. 1-5 сравниваются проводимости различных металлов, используемых в качестве проводников. В таблице серебро, медь и золото имеют валентность, равную единице (см. Рис. 1-6). Однако серебро является лучшим проводником, поскольку его валентные электроны слабее связаны.

Изоляторы, в противоположность проводникам, препятствуют протеканию электричества. Изоляторы стабильны благодаря тому, что валентные электроны одних атомов присоединяются к другим атомам, заполняя их валентные оболочки, препятствуя, таким образом, образованию свободных электронов.

Рис. 1-7. Диэлектрические свойства различных материалов, используемых в качестве изоляторов.

Материалы, классифицируемые как изоляторы, сравниваются на Рис. 1-7. Слюда является наилучшим изолятором, потому что она имеет наименьшее число свободных электронов на своих валентных оболочках.

Промежуточное положение между проводниками и изоляторами занимают полупроводники.Полупроводники не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами, но они важны, потому что их проводимость можно изменять от проводника до изолятора. Кремний и германий являются полупроводниковыми материалами.

Об атоме, который имеет одинаковое число электронов и протонов, говорят, что он электрически нейтрален. Атом, получающий один или более электронов, не является электрически нейтральным. Он становится отрицательно заряженным и называется отрицательным ионом. Если атом теряет один или более электронов, то он становится положительно заряженным и называется положительным ионом. Процесс присоединения или потери электронов называется ионизацией. Ионизация играет большую роль в протекании электрического тока.

О современных научных воззрениях об образовании Вселенной, ее прошлом, нынешнем и будущем состоянии в прямом эфире видеостудии сайт рассказал специалист в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц, космологии, академик Российской академии наук, доктор физико-математических наук Валерий Рубаков.

Квантовая физика и происхождение Вселенной

— Валерий Александрович, расскажите, пожалуйста, о теориях образования Вселенной. Что такое теория развития космологических возмущений?

— Начинал я как теоретик в области физики элементарных частиц и примыкающей к ней области квантовой теории поля. Как раз тогда начало выясняться, что физика элементарных частиц и физика очень больших масштабов, космологии, Вселенной, - очень тесно связанные между собой вещи. Это удивительно, но это факт.

И чем дольше я живу, тем больше это видно, тем больше это проявляется и в теории, и теперь уже в эксперименте. Вот я так потихонечку "сдрейфовал" в космологию. Она сейчас особенно интересной стала, потому что за последние четверть века стала точной наукой. Раньше можно было о Вселенной думать самые разные вещи и очень мало было экспериментальных фактов, очень мало было достоверно известного о том, как устроена наша Вселенная, как она развивается, эволюционирует.

А сейчас есть гигантское количество экспериментальных данных, которые из самых разных областей. Появляются, конечно, многие новые астрономические данные, разными способами полученные, на спутниках и на телескопах. Сегодня мы про Вселенную знаем очень много. Поэтому сейчас очень интересно заниматься космологией как наукой, а не просто как мировоззрением.

— Насколько поменялись представления о Вселенной в последние годы?

— Поменялось довольно много. Стало совершенно ясно, что наша Вселенная не статична, она расширяется, пространство в разные стороны растягивается. Соответственно, в прошлом вещество во Вселенной было гораздо более плотным и горячим. Эта картина осталась.

Более того, она получила новые подтверждения, и сегодня мы понимаем в деталях, как была устроена Вселенная через одну секунду после того, как это вот быстрое расширение началось. Сравнивая с теорией экспериментальные данные, можно сказать, что вот так Вселенная существовала, развивалась через одну секунду после первоначального толчка.

— Получается, что теории Большого взрыва, которые разрабатывал Хоккинг, остаются в силе?

— Ну, они остаются в силе, значит, у него есть просто свои взгляды на еще более ранние стадии эволюции Вселенной. Про первую секунду мы знаем вот откуда. Значит, в это время во Вселенной температуры достигали примерно десяти миллиардов градусов. Гигантские температуры! Происходят термоядерные реакции, в которых образуется поистине вселенская энергия.

Зная ядерную физику, теорию гравитации, общую теорию относительности, можно вычислить концентрацию элементов, которые образуются. До этого в основном был водород, а потом образовались гелий, дейтерий в этом раннем "супе". С одной стороны, мы можем это вычислить, а с другой стороны, мы теперь можем это измерить. Астрономы научились эти концентрации измерять. Поэтому мы уверены в том, как была устроена Вселенная через секунду после Большого взрыва.

Теперь есть независимая совершенно история, связанная с космологическими возмущениями. Вселенная неоднородна. Есть более плотные области, есть менее. Есть галактики, там гораздо большая плотность вещества, чем в среднем по Вселенной. Есть Земля, где вообще плотность невероятная, огромная, по сравнению со средней плотностью, а есть набор больших пустот.

Вселенная такая комкастая. Спрашивается, откуда это все взялось? Значит, были в те самые первые времена зародыши. Где-то было вещества чуть больше, где-то чуть поменьше. Потом потихонечку в результате эволюции там, где было побольше, образовались галактики. Оттуда, где поменьше, вещество растащилось гравитационными силами, и получились пустоты.

Мы сегодня довольно хорошо представляем, как были устроены эти первичные возмущения. Их свойства однозначно говорят нам, что они появились еще до этой горячей стадии, еще до того, как во Вселенной появился "суп" из элементарных частиц. А до этого Вселенная была совсем другой. И вот здесь находится сейчас передний край, потому что об этой самой-самой ранней стадии, предшествующей горячей стадии, мы можем узнать, изучая в деталях, как устроены первичные возмущения.

Одна из популярных гипотез - это инфляционная теория. Инфляция — это ситуация, когда Вселенная безумно быстро расширялась. Так стремительно, что в обычных терминах даже сказать нельзя. Она за микроскопические доли секунды разрослась от размеров меньше атомного ядра до размеров больше, чем видимый размер современной Вселенной.

Гипотеза инфляции первый раз появилась в работе Алексея Александровича Старобинского, замечательного космолога, академика Российской академии наук. Потом появились разные версии, большой вклад внесли Андрей Дмитриевич Линде, Алан Гут, Стайнхард. Я тоже немножко принимал участие в этой деятельности.

— Есть частицы, которые могут находиться одновременно в разных частях Вселенной. И только в момент, когда наблюдатель посмотрел, их положение в пространстве зафиксировано. Как так?

— Правильно, и это ничему не противоречит. Раньше это было непонятно, противоречило человеческому опыту. Вы вроде бы не можете сидеть за рабочим столом и одновременно обедать в ресторане. Но это вовсе не означает, что природа на более фундаментальном уровне устроена именно так.

Действительно, частица может находиться одновременно в одном и в другом месте. Такова квантовая физика. Это уже активно используется при разработке квантовых компьютеров, на этом квантовый компьютер отчасти сидит. Это вполне объективная вещь, так устроена природа. И теперь благодаря тому же компьютеру и интернету это вполне понятно и на повседневном уровне.

— Можно ли согласиться с теми физиками, которые говорят, что наступит некий предел расширения, дилатация, и Вселенная схлопнется?

— Это еще один интересный непонятный вопрос. И, наверное, долго будет оставаться неясным, что будет со Вселенной, скажем, через 40 миллиардов лет. Сейчас возраст Вселенной — 14 миллиардов лет. Значит, в ближайшие 10-15 миллиардов лет можно жить спокойно, никаких катаклизмов не произойдет. Вселенная растянется раза в 2-2,5 за это время.

Но никакой катастрофы в этом нет. А что дальше будет происходить со Вселенной — это вопрос. Сейчас сильно поменялся гипотетический ответ на этот вопрос в связи с тем, что в 1998-1999 годах был открыт факт ускоренного расширения Вселенной. Это удивительная история, потому что, вообще-то, гравитационные силы стремятся подзадержать расширение. Поэтому раньше думали, что происходит замедление расширения Вселенной.

Выяснилось, что ничего подобного. Кстати сказать, это открытие было отмечено Нобелевской премией. Вселенная расширяется ускоренно, темпы увеличиваются. И не очень понятно, что это все значит, откуда это и что за этим стоит. Фактически речь идет об антигравитации, потому что ускоренное расширение — это именно антигравитация. Ее называют темной энергией, хотя термин крайне неудачный, тем не менее он прижился.

Будущее нашей Вселенной определится ее свойствами. Вселенная будет расширяться все быстрее и быстрее, и не исключено, что ее вообще разорвет через 40 миллиардов лет. Может быть, Вселенная остановится в своем расширении и начнется сжатие, разогрев, и мы опять попадем в предельно сжатую точку невероятно горячей плазмы.

А если это постоянное состояние, то Вселенная будет расширяться вечно. Сегодня мы не настолько хорошо знаем свойства этой самой темной энергии, чтобы сказать, что нас ждет. Но можно быть спокойным, потому что у нас еще 20 миллиардов лет точно есть. Я надеюсь, что если человечество, дай Бог, доживет до этого, то оно придумает, как выйти из этого положения.

Беседовал Александр Артамонов

К публикации подготовил Юрий Кондратьев

В школе все науки понятно и привычно делили сферы влияния. В домашних заданиях явления требовали отнести либо к физическим, либо к химическим. В реальной жизни это уже давно не так, и Нобелевская премия по химии 2017 года - очередное тому доказательство. На престижнейшую научную награду для химиков номинированы трое учёных, работающих в сфере биологии и открывших способ, как увидеть структуру отдельных биомолекул в их естественной среде обитания - водном растворе.

При чём тут химия?

Уже не первый год Нобелевскую премию по химии присуждают за биологические открытия. И на этот раз Ричард Хендерсон, Иоахим Франк и Жак Дубоше были номинированы на Нобелевку за "развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворе". Неужели в науке о превращениях веществ за последние десятилетия не случилось ничего прорывного? А если случилось, то почему с химиками обходятся так несправедливо?

На самом деле несправедливости тут нет. Современная наука мультидисциплинарна. Каждый уважающий себя исследователь подходит к интересующей его проблеме с самых разных сторон, используя солидный набор методов для её изучения. Теперь уже недостаточно провести какую-нибудь одну химическую реакцию или вывести линию мух с определённым геном. Статью об исследовании, в котором использованы один-два метода, приличный научный журнал не примет. Необходимо использовать и физические, и химические, и биологические подходы к одному и тому же вопросу. В конце концов, всё живое состоит из молекул, традиционных объектов изучения химии, а эти молекулы и их группы подчиняются физическим законам.

К тому же наука о жизни давно уже ушла от препарирования лягушек и наблюдения за цветением растений. Многие современные биологи в ходе работы ни разу не сталкиваются с живыми объектами. Огромные силы брошены на фронт биоинформатики - анализа последовательностей нуклеотидов ДНК и аминокислот в белках с использованием компьютерных алгоритмов. Классической биологии в этом, прямо скажем, нет. Для биоинформатических изысканий не нужны ни пробирки, ни микроскопы, ни другие предметы, на фоне которых журналисты и телевизионщики обычно снимают учёных.

Но есть и те, кто стоит к живому чуть ближе. Они работают не с целыми организмами и даже не с конкретными органами, а с отдельными биологическими молекулами. Кстати, эти молекулы не такие уж и мелкие. Как правило, они состоят из сотен тысяч атомов - особенно если говорить о белках и нуклеиновых кислотах. Способов соединить эти атомы великое множество, а ведь от них зависят форма и поведение молекулы. Ферменты - биологические катализаторы - потому и помогают проводить биохимические реакции, что способны менять форму своих молекул.

Как увидеть отдельную молекулу?

Конечно, молекулы белков и нуклеиновых кислот крупнее, чем какой-нибудь глюкозы. Но всё же они недостаточно большие, чтобы их было видно в обычный, световой микроскоп. Его разрешение ограничено длиной световой волны, падающей на исследуемый объект. Как правило, она составляет не более 250 нанометров . Соответственно, все объекты размером меньше 250 нанометров в световой микроскоп видны не будут.

Обойти эту проблему в 1930-х годах позволили электронные микроскопы. В них на исследуемый объект не светит солнце или лампочка - на него обрушивается поток электронов. В остальном принцип работы электронного микроскопа похож на принцип самого простого светового микроскопа, но длина волны электронов существенно короче длины волны видимого света. Поэтому теоретическое разрешение электронной микроскопии в теории позволяет различать чуть ли не отдельные атомы.

Есть способы увидеть структуру молекул и без использования электронного микроскопа. Это рентгеноструктурный анализ и спектроскопия ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Но ЯМР-спектроскопия, к сожалению, подходит только для сравнительно небольших белков, а более крупные, в сотни тысяч аминокислот длиной, она "не берёт". Рентгеноструктурный анализ требует, чтобы молекулы находились в форме кристаллов. С этим есть трудности, так как далеко не все белки просто кристаллизовать. Ко всему прочему, когда биомолекулы находятся в кристаллической форме и/или в вакууме, как это часто бывает при электронной микроскопии, их свойства могут заметно отличаться от тех, что проявляются в натуральных условиях. А "натуральные условия" в данном случае - это водный раствор, потому что живые организмы по большей части состоят из воды.

Стекло и пачки фотографий

натыкаться" на препятствия до встречи с образцом, картинка получится зашумлённой. В воздушной атмосфере электроны пролетят всего несколько сантиметров, прежде чем полностью рассеяться.

Один из сегодняшних нобелевских лауреатов, швейцарский биофизик Жак Дубоше , придумал способ обойти эту проблему и при этом сохранить исследуемые молекулы в том виде, в котором они "плавают" в водном растворе цитоплазмы клеток. С помощью жидкого этана и азота он сильно охлаждал воду , окружающую образцы, так быстро, что она приобретала свойства стекла - витрифицировалась. Витрифицированная твёрдая вода по свойствам отличается ото льда. Её молекулы не выстраиваются в характерные для льда кристаллические решётки, а остаются практически на тех же местах, что и в момент начала охлаждения. Благодаря этому растворённые в такой воде молекулы "застывают" с той же структурой, какую они имеют и в живых клетках. На них точно так же, как и при "обычной" электронной микроскопии, могут налетать электроны, и "тени" от них будут всё так же видны. Фактически Дубоше добавил "крио-" (что значит "заморозка") к электронной микроскопии.

Казалось бы, все проблемы на этом закончились. Мы сохранили белок в первозданном виде, вот мы получили его "отпечаток", чего же ещё? Проблема в том, что крупные молекулы трёхмерны и при этом имеют очень сложную форму, а отдельные изображения проекций содержат очень много шума. Стало быть, по одной-единственной проекции белка его строение не вычислишь даже близко. Нужно много "фотографий" одинаковых молекул, сделанных с разных сторон, чтобы создать двухмерную реконструкцию. Первым задачу реконструкции трёхмерной структуры из двухмерной проекции решил Аарон Клуг ещё в 1962-м на примере симметричного хвоста бактериофага, за что в 1982 году получил Нобелевскую премию по химии.

— The Nobel Prize (@NobelPrize)