ВЕЛИКИЕ ЗАДАЧИ ХИМИИ

Филипп БОЛЛ

Иногда возникает ощущение, что в химии уже не осталось никаких фундаментальных, специфически химических задач и проблем (тех, которые по-английски называют challenge — вызов, стимулирующий деятельность и развитие). В результате она постепенно превращается в удобный инструмент, с помощью которого ученые разного профиля формулируют и решают свои важные задачи. Отношения и границы раздела между ведущими естественными науками всегда были непростыми, а сегодня они продолжают осложняться. Легко заметить, что в последние десятилетия физиков "слышно" довольно хорошо и свои задачи они формулируют очень емко: как возникла наша Вселенная? Каким образом время и пространство переплетаются на разных уровнях, от атомов до космоса? Похожая ситуация сложилась и в биологии, которая как бы поставила своей главной целью поиски ответа на великий вопрос, сформулированный в названии знаменитой книги Э.Шредингера "Что такое жизнь?". Это позволяет биологам легко планировать и организовывать такие грандиозные проекты, как "расшифровка" молекулы ДНК, картирование генома или расшифровка белковых структур и их взаимодействие. Можно привести другие примеры постановки красивых и глобальных задач, приводящих к запуску серьезных проектов.

Выступления химиков в средствах массовой информации выглядят гораздо скромнее, а решаемые ими задачи редко отличаются величием и грандиозностью. Создается даже впечатление, что эпоха химии закончилась, хотя бы потому, что в ней не осталось великих загадок. Крупные проблемы или даже сверхзадачи сформулировать очень важно, поскольку классическая ("университетская") химия переживает сейчас не лучшие времена, а общие тенденции ее развития выглядят неопределенными, в частности, из-за постоянного сокращения финансирования. Например, химический факультет известного английского университета в Сассексе (где много лет работал нобелевский лауреат и один из первооткрывателей фуллере-нов Гарри Крото) последние годы находится под угрозой закрытия. Пока сотрудникам факультета удается противостоять попыткам преобразования его в отдел "химической биологии" (при отделении "наук о жизни"), однако многие другие, менее знаменитые химические факультеты и учреждения с трудом борются против сокращений или даже ликвидации. Аналогичная тенденция прослеживается в США. Например, недавно редактор журнала "Chemical and Engineering News", издаваемого Американским химическим обществом (ACS), даже предложил сменить его название на Общество молекулярных наук и технологий.

На фоне закрытия факультетов и сокращения общего числа студентов многие химики и сами перестают воспринимать родную науку как одну из ведущих. Проблема осложняется тем, что важные направления все чаще превращаются в "химические разделы" других наук.

Журнал "Nature" попытался оценить перспективы, для чего спросил ведущих специалистов, что же можно считать великими проблемами химии? В этой статье — некоторые характерные ответы и мнения. Цель публикации — заставить химиков задуматься над тем, нужны ли вообще химии какие-то собственные, специфические великие задачи и каким образом они могут быть сформулированы.

Сложность этих вопросов обусловлена прежде всего тем, что химия действительно отличается от других наук именно своей объединяющей, синтетической ролью, тогда как многие научные дисциплины (например, физика, биология, астрономия, геология и другие) нацелены скорее на открытие чего-то нового в конкретной области. Это отличие принципиально и существенно, ведь еще в 1860 году великий французский физикохимик Марселей Бертло указывал, что "химия сама создает себе объекты изучения".

Многие химики считают, что главное преимущество их науки в том, что она пронизана творчеством. Например, известный химик-органик Рон Бреслоу из Колумбийского университета в Нью-Йорке (бывший президент Американского химического общества) считает, что химия способна ставить перед собой цели и задачи, решать которые другие науки не могут. Он даже ехидно спрашивает: "А существует ли синтетическая астрономия, способная регулировать гравитационную постоянную и изменять ее воздействие на свойства Вселенной или даже как-то улучшать эти свойства?"

Интересно, что именно сейчас, когда мировая наука стала сложным сочетанием научных дисциплин, химики вновь заявляют о своей особой роли. Например, заговорили о том, что "синтетическая биология" — это лишь ветвь прикладной химии, поскольку только с помощью химических методик можно синтезировать ДНК, проектировать белки и тому подобное. Специалистка по нуклеиновым кислотам Жаклин Бартон из Калифорнийского технологического института в Пасадене отмечает, что "химия — единственная наука, способная создавать никогда ранее не существовавшие вещества и объекты".

С другой стороны, возможно, именно нацеленность на создание и изучение новых типов вещества привела к тому, что химиков стали рассматривать как ремесленников (англичане говорят — лудильщиков), способных из любопытства или просто для забавы лишь отщипывать и изучать "крошки" молекулярного мира. Иногда такое изучение приносит пользу и прибыль, что подтверждает размытость границы между академической химией и ее практическим применением. Потребность в конкретных товарах и приложениях часто бывала в прошлом необходимым стимулом, приводящим к новым открытиям.

"Промышленность всегда питалась плодами химических исследований, — пишет Бартон, — и не стоит забывать, что они стали основой не только нефтехимии и фармацевтической промышленности, но также биотехнологии и даже производства кремниевых чипов для электроники". Профессор Бреслоу пишет, что химии сейчас нужны не грандиозные теоретические проекты, а крупные практические задачи, "создание прямых преобразователей солнечного света в энергию; сверхпроводящих материалов для передачи мощных потоков тока; обеспечение экологической безопасности крупномасштабных производств".

Разумеется, прикладная и промышленная химии очень важны, но если химики будут продолжать увлекаться лишь новыми методами получения новых веществ, а не поиском знании, то их специальность действительно может выродиться и потерять свою особенность. Сами химики рискуют превратиться в инженеров-технологов, постоянно занятых поиском частных решений для конкретных производственных задач. Оказалось, что по этому сложному вопросу исследователям трудно выработать общую точку зрения.

Известный специалист по неорганической химии, Джон Мериг Томас из Королевского института в Лондоне, полагает, что химия по своей внутренней природе обречена быть наукой о частностях и особенностях. В качестве примера он приводит фундаментальную для химии проблему обобщения типов связи. Несколько неожиданно Томас отмечает, что этой проблемой, по его мнению, не стоит заниматься вообще, поскольку для химии гораздо важнее изучение конкретных связей в конкретных типах молекул. Было бы смешно, считает Томас, "если бы химики стали слишком обобщать свои проблемы, стремясь, например, создать всеобщую теорию катализа, применимую одновременно ко всем типам химических реакций (от ферментации до синтеза материалов и процессов на поверхностях раздела фаз)".

На практике многие химики с удовольствием занимаются прикладными и практическими проблемами и не обижаются, когда специалисты из других областей науки "крадут" у них наиболее интересные и важные направления. Это снова заставляет нас задуматься о том, существуют ли еще чисто химические великие проблемы, способные пробудить интеллектуальный азарт и интерес молодых исследователей? Почему нет красивых и интересных проектов, наподобие глобальных "вызовов" современной физики и биологии?

При этом в распоряжении химиков остаются собственные методы, с помощью которых можно прояснить темные места многих других наук. Например, по мнению большинства ответивших на вопросы журнала "Nature" специалистов, важнейшие перспективы развития современной химии связаны с биологией. Известный физикохимик Ричард Заре из Стенфордского университета полагает, что "великие вопросы химии — это понять процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организмов", и Жаклин Бартон соглашается, что "реально описать биологические процессы можно, только поняв их химическую природу".

Химик Джордж Уайтсайд из Гарвардского университета развивает эту мысль до конца: "Изучение природы биологических клеток целиком относится к химии и не имеет ничего общего с биологией". По его мнению, при биологическом подходе (когда пытаются описать, как работают отдельные органы внутри организма) теряются количественные и молекулярные аспекты работы клеток. К этому можно добавить мнение нобелевского лауреата, молекулярного биолога Сиднея Бреннера (Институт Салка в Сан-Диего), который считает, что изучение клеток вообще не предмет биологии (хотя, разумеется, биологи будут возражать). С другой стороны, дискутировать на эту тему бессмысленно, поскольку другой ученый, например физик, всегда может сказать, что всю химию можно рассматривать лишь в качестве раздела квантовой механики...

Строго говоря, большинство фундаментальных проблем молекулярной биологии (сворачивание белков, генетическое кодирование биомолекулярных функций, избирательное молекулярное распознавание и так далее) — это специфические химические задачи. К тому же биологам и биохимикам, несмотря на все их успехи, пока не удается предсказывать структуру и создавать по заказу новые соединения, поэтому даже разработка и синтез новых биологических препаратов и лекарств — по-прежнему удел химиков.

С другой стороны, по мнению инженера-химика Мэтью Тиррела из калифорнийского университета Санта-Барбара, химию можно рассматривать даже в качестве одного из разделов информатики! Основание для такого утверждения — природа многих важных биомолекулярных процессов (например, передача нервных сигналов). На первый взгляд такое утверждение кажется забавным, однако вспомним о молекулярном распознавании веществ по принципу "ключ—замок", предложенным немецким химиком Эмилем Фишером еще в 1894 году. В наши дни эту теорию возродил один из создателей супрамолекулярной химии, нобелевский лауреат Жан-Мари Лен, который называет химию "наукой об информационном веществе". В этой связи очень важное значение для химии вообще приобретает идея самоорганизации вещества, в основе которой лежит представление о запрограммированной способности молекул сближаться друг с другом и взаимодействовать по очень сложным механизмам.

Методы искусственной репликации молекул — это тоже способность передавать и усиливать информацию. Рассматривая такие системы, Лен приходит к выводу, что "химия может существенно помочь в решении одной из важнейших задач науки вообще: каким образом возникает самоорганизация вещества и как процесс самовоспроизведения привел к появлению во Вселенной новой формы вещества, способной даже размышлять о собственном происхождении?". Лен полагает, что следующий этап развития науки — появление химических "обучающихся систем", а точнее, запрограммированных на самосборку ансамблей, способных к накоплению "жизненного опыта". Кстати, в качестве еще одной принципиальной проблемы химической биологии он называет механизм процесса запоминания. "Как только мы узнаем ответы на эти вопросы, мы сможем создавать новые мысли и целые массивы памяти или научимся восстанавливать старые", — предполагает Жаклин Бартон.

Уайтсайд усомнился в том, может ли химия связать кремниевую электронику и нервную систему, то есть можно ли подключить компьютер к серому веществу работающего мозга? На первый взгляд кажется, что эту задачу, как и сейчас, должны решать нейропсихологи и инженеры-электронщики. Однако стоит вспомнить, что сигналы между нейронами в нервной системе человека передают химические вещества-медиаторы, поэтому и общение между двумя системами (мозг/компьютер) должно осуществляться на языке химии.

Читатель вправе засомневаться, а стоит ли считать такие задачи чисто химическими? Именно так полагает Уайтсайд: "В настоящее время все самое интересное в науке относится к химии". Он предлагает рассматривать в рамках химии даже те вопросы, которые традиционно относятся, например, к астрономии. Ведь существование планет, похожих на Землю, или строение спутников Сатурна в конечном счете сводится к фундаментальным проблемам молекулярного строения.

Все, о чем мы говорили, справедливо для большинства междисциплинарных исследований, ведь решение научной задачи — это почти всегда определение механизмов на молекулярном уровне. Кроме того, на стыке наук химики сталкиваются с проблемой, которую можно назвать глобальной, а именно с определением, пониманием и объяснением зависимостей "молекулярная структура - функциональные особенности".

Связи "структура - свойства" особенно важны при создании новых лекарств. Жаклин Бартон отмечает, что только после изучения этих зависимостей мы сможем придать молекулам высокую специфичность (характерную для клеток, органелл и тканей живых существ) и научимся направлять лекарства точно в нужные участки организмов. При такой формулировке легко заметить, что проблемы биохимии очень похожи на классические задачи, которые всегда приходилось решать химикам при создании катализаторов и промышленных процессов. К сожалению, успехи химии в этом главнейшем направлении пока невелики и мы можем определять связи "структура - свойства" лишь для очень простых и малых по размеру молекул, причем даже в этих случаях задача довольно трудна.

Химики-теоретики знают, что эволюция реагирующей системы напоминает движение точки по сложной, многомерной поверхности в энергетическом пространстве. В такой модели описание сворачивания белков требует расчета траектории отдельных пептидных цепочек на энергетическом "ландшафте", а завершение маршрутов в некоторых "долинах" соответствует возникновению правильных конформаций. По мнению Джона Томаса, в современной биологии уже недостаточно, как раньше, установить точные связи типа "структура - свойства", а необходимо дополнительно учитывать особенности элементов структуры по энергетическим ландшафтам. Другими словами, в биохимических процессах важнейшую роль начинает играть динамика процесса.

Знаменитый химик, нобелевский лауреат Ахмад Зевайль мыслит еще более масштабно - он полагает, что динамические свойства соединений могут оказаться в химических процессах даже важнее их молекулярной структуры. Сегодня уже ясно, что взаимодействия биологических молекул не могут быть описаны в рамках простой модели "ключ - замок" (даже при хорошем согласовании геометрических и иных параметров), нужно также обязательно учитывать динамику поведения реагентов и растворителей. Динамические особенности - вот что для Зевайля становится основной задачей химии. Он предлагает химикам не только определять молекулярную структуру реагентов, но и научиться управлять реакцией непосредственно при передвижении химической системы по энергетическим поверхностям. Иногда это уже удается осуществить, например воздействуя нужными импульсами лазерного излучения на молекулу в заданных квантовых состояниях. К сожалению, такое управление химическим процессом возможно лишь для очень простых молекул и систем, а интересные биологические структуры пока остаются слишком сложной задачей.

Сказанное открывает перед химиками не только новые перспективы, но и создает новые проблемы. На протяжении столетий заветной целью химиков был "молекулярный дизайн", а современная наука показывает, что этого умения уже недостаточно и в будущем придется научиться еще и управлять создаваемыми структурами. Бартон комментирует эту ситуацию в следующих выражениях: "Выясняется, что, даже если мы когда-нибудь научимся очень быстро создавать любые молекулы заданного типа со 100%-ной чистотой (на что раньше студенты и аспиранты тратили годы напряженного труда), это еще не будет означать реального решения задач химического синтеза. Проблема современной химии - в понимании природы и законов, позволяющих эффективно и целенаправленно управлять сборкой атомов в новые молекулы".

Ученые разных специальностей обычно просто используют разные атомы и молекулы, но только химики представляют себе, насколько трудно на практике создавать новые вещества. Легко вообразить, как охотно займутся физики новыми высокотемпературными сверхпроводниками или биологи — какими-то новыми синтетическими бактериями. Все любят изучать и применять новые вещества и материалы, но создавать эти объекты приходится именно химикам. Если когда-нибудь другие дисциплины "раздробят" и поглотят химию по частям, то, возможно, в результате этого постепенно исчезнет и ценное искусство создания сложных новых веществ или объектов.

Более того, мне кажется, что основное направление развития классической химии (то, что принято называть целенаправленным синтезом) теряет в последнее время свою интеллектуальную привлекательность и обаяние. Некоторые специалисты также полагают, что химики должны перестать заниматься простым описанием и созданием объектов: им необходимо расширить круг интересов и (подобно физикам!) задуматься о познании возможных миров, возникающих на основе всех соединений. Бреслоу пишет по этому поводу: "Химия имеет высокую практическую ценность, но сейчас она не может считаться фундаментальной наукой, обладающей собственной базой. Новое качество она приобретет лишь тогда, когда химики начнут сознавать, что огромное количество существующих в природе молекул и реакций - лишь ничтожная часть всего немыслимого числа веществ и процессов, которые еще могут быть созданы, придуманы и изучены".

По самой грубой оценке, из известных химических элементов может получиться около 1040 разных типов молекул с обычными размерами (как стандартные лекарственные препараты). Бреслоу отмечает, что "мы знаем лишь 1% от этого обилия соединений, включая природные и те, которые химикам уже удалось синтезировать". Кстати, фантастическое изобилие возможных вариантов химических веществ само по себе отвергает любую попытку свести химию к достижению ограниченного числа целей. Нобелевский лауреат Роальд Хофманн также считает, что "Вселенная не может ограничиваться лишь несколькими фундаментальными частицами и сотней типов атомов разных химических элементов. Она должна включать и все немыслимое число синтезируемых из этих элементов соединений, отличающихся бесконечным разнообразием структур и функций".

Большинство химиков, конечно, спокойно продолжает работать, не думая о формулировке великих задач. Однако многие ученые полагают, что наличие фундаментальных проблем и целей просто необходимо для идентификации любой научной дисциплины. С другой стороны, известно, что излишняя конкретизация задач и привлечение внимания научного сообщества (или широкой публики) к "великим" проблемам часто не приносят пользы. Например, повышенный интерес общественности к созданию "Теории всего" или реализации проекта "Геном человека", говоря откровенно, не сильно помог развитию физики и биологии.

Наконец, можно вспомнить, что в химии (как, впрочем, и во всех остальных науках) важнейшие прорывы и открытия происходят совершенно неожиданно. Известный химик-неорганик из Мюнхенского технического университета Губерт Шмидбаур с некоторой иронией замечает: "За полвека занятий химией я не припомню, чтобы какое-то важное открытие состоялось именно на тех направлениях, которые в данный момент считались приоритетными или ключевыми. Думаю, что ситуация не изменится и в следующие пятьдесят лет". С ним соглашается Роальд Хофманн, мнением которого я хочу закончить эту статью: "В химии нет ничего похожего на целенаправленные поиски Святого Грааля. Творческий поиск (или творчество в научной работе вообще) напоминает скорее процесс охоты за зверями в темном лесу, где удача чаще сопутствует вольному стрелку, а не специалисту по ловушкам и сложным капканам. Совершенно случайно некоторые проблемы вдруг привлекают всеобщее внимание, однако такие задачи обычно похожи на яркие, но бесполезные елочные игрушки. Я лично всегда в роскошном саду природы старался заниматься не "большими деревьями", а предпочитал тщательно изучать "маленькие цветы".

Перевод статьи ("Nature" (442, 2006))кандидата физико-математических наук А.В.Хачояна

Комментарий переводчика

В статье Филипа Болла речь прежде всего идет о классификации наук и научных дисциплин. Эта проблема всегда была достаточно сложной (вспомним хотя бы химическую физику и физическую химию), но в последние годы она существенно обострилась в связи с развитием нанотехнологий и появлением совершенно новых методов формирования состава и структуры веществ (фотоника, лазерная химия и им подобных), которые все шире и быстрее внедряются в производство. Речь идет не только о формальном определении научных направлений, поскольку из определения "зон влияния" неизбежно вытекают административные и практические действия, прежде всего связанные с подготовкой научных кадров, структурой научных заведений или финансированием научных проектов по различным ведомствам. Эти проблемы никак нельзя назвать формальными и теоретическими.

Более того, новые науки и направления (точнее, их определение в академической и университетской системах) уже сейчас создают серьезные проблемы в преподавании. Например, совершенно неясно, в каком объеме, как и на каких факультетах должны читаться многие учебные курсы, относящиеся к физике и химии нанообъектов и наноматериалов, не говоря уже о технологических дисциплинах, связанных с новейшими производствами.

Более формальным и теоретическим можно считать вопрос формулировки сверхзадач, специфических для химии, но нельзя забывать, что многие науки появились при решении именно таких глобальных задач и вызовов, причем абстрактный "выбор цели" часто приводил к совершенно неожиданным и замечательным результатам. Например, термодинамика возникла из длительных и бесплодных попыток создания вечных двигателей разного типа, а сама химия практически выросла из алхимии, попыток синтеза философского камня и многого другого.