Лайнус Полинг – величайший химик XX столетия

П.М. Зоркий

(к 100-летию со дня рождения)

Лайнус Карл Полинг родился 28 февраля 1901 г. – в самом начале XX века – и умер 19 августа 1994 г., когда основные итоги этого века уже обозначились. В биографии этого уникального человека скрестились чуть ли не все важнейшие линии 20-го столетия.

В науке он занимался многим – и всегда выходил на высший уровень обсуждения центральных проблем всякой научной области, к которой был причастен. При этом в конечном итоге отнюдь не каждый раз он оказывался прав. Колоссальная энергия и экспрессия нередко мешали ему соблюсти меру. Но его участие в дискуссии неизменно стимулировало научный прогресс – он заставлял людей работать и думать.

Главное научное достижение Полинга – учение о химической связи, развитое им в конце 20-х – начале 30-х годов и нашедшее полное выражение в его книге The Nature of Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals. Эта книга впервые вышла в 1939 г., второе издание появилось в 1940 г. (в 1942 г. и 1944 г. были напечатаны дополнительные тиражи второго издания). Затем книга переиздавалась многократно и была переведена на десятки языков. К концу 40-х годов она стала всемирно известной, общепризнанной на долгие годы и легла в основу многочисленных курсов общей, неорганической и органической химии. Вряд ли в истории химии найдется другая книга, завоевавшая столь большую популярность.

Полный перевод книги Полинга на русский язык, сделанный М.Е. Дяткиной под редакцией Я.К. Сыркина (Л. Паулинг. Природа химической связи. Госхимиздат, 1947), по непонятным причинам был издан с урезанным названием – из него выпала структура молекул и кристаллов. И это обидно: сегодня представления Полинга о химических связях еще живут, но уже кажутся архаичными, и само выражение "природа химической связи" стало смутным и сомнительным, а структурная химия, в становление которой Полинг сделал столь значительный вклад, бурно развивается и завоевывает все новые и новые рубежи.

В 1954 г. Нобелевский комитет удостоил Полинга премии по химии "за изучение природы химической связи и его применение к объяснению строения сложных молекул". В своей Нобелевской лекции он говорил о том, что будущие химики станут "опираться на новую структурную химию, в том числе на точно определенные геометрические взаимоотношения между атомами в молекулах, и строгое применение новых структурных принципов" и о том, что "благодаря этой методологии будет достигнут значительный прогресс в решении проблем биологии и медицины с помощью химических методов".

В этих высказываниях Полинга примечательны два обстоятельства. Во-первых, широкое использование в химии точных количественных структурных данных тогда (в 1954 г.) он считал делом будущего, а не уже достигнутым уровнем. Во-вторых, не аппарат квантовой механики, а модельные структурные представления доминируют в его картине будущей химии.

Итак, в конце 20-х – начале 30-х годов XX века во многом благодаря проницательности и целеустремленности Лайнуса Полинга в химии произошли важные события:

Стало в общих чертах понятно, почему и как образуются химические связи. Основополагающими в этом отношении стали работы Гайтлера и Лондона, которые интерпретировали образование молекулы водорода, а также исследования Борна и Слейтера; Полинг распространил эти представления на гораздо более сложные системы, положив в основу своей теории концепцию резонанса.

Была создана квантовая химия с ее великолепным арсеналом новых понятий. Вклад Полинга состоял в разработке метода направленных валентных связей, представлений о гибридизации и перекрывании атомных орбиталей, концепции электроотрицательности атомов и частично-ионного характера связей. Многие из этих представлений благодаря их простоте и наглядности с успехом используются и поныне (с оговорками о существовании более строгих, более современных подходов). Следует, однако, иметь в виду, что практически одновременно с работами Полинга (или чуть позже) развивались и другие методы квантовой химии, такие, например, как метод молекулярных орбиталей (Леннард-Джонс, Малликен, Хюккель), оказавшийся более общим и более точным, чем метод валентных связей.

Возникла структурная химия, оперирующая модельными пространственными представлениями о строении атомно-молекулярных систем и принципиально отличавшаяся от предшествующих структурных теорий физической (точнее, квантовохимической) обоснованностью и использованием точных структурных данных, полученных с помощью экспериментальных физических методов. Будучи в основном теоретиком, Полинг постоянно принимал непосредственное участие и в экспериментальных работах; он приобщился к рентгеноструктурному анализу еще в начале 20-х годов, на старте своей научной карьеры, потом участвовал в электронографических работах.

Тогда же на базе первых рентгеноструктурных исследований, начатых отцом и сыном Брэггами в 1913 г. и получивших значительное развитие в 20-х годах, возникла и кристаллохимия, ставшая одним из наиболее продвинутых разделов структурной химии и кристаллографии. Основоположниками этой науки считают У.Л. Брэгга (сына), Гольдшмидта и Полинга, который создал систему кристаллохимических радиусов (ковалентных, ионных металлических и ван-дер-ваальсовых), развил принципы описания кристаллических структур в терминах плотнейших шаровых упаковок и в виде совокупности координационных полиэдров с общими вершинами, сформулировал широко известное электростатическое правило валентности для ионных кристаллов, ввел понятие дефектной структуры. Весь этот материал был обстоятельно изложен и дополнен новыми структурными данными во втором издании книги Полинга, вышедшем в 1940 г. и в переводе на русский язык в 1947 г.

II мировая война задержала распространение идей Полинга, и все же к середине века они стали широко известны, впрочем, с опозданием, поскольку к этому времени с превеликим рвением он уже занимался совершенно иными проблемами. Интуиция подсказывала ему, что наиболее значительные успехи в химии XX века будут связаны с молекулярной биологией и молекулярной медициной (эти термины появились позже), что именно в этой области найдет наиболее эффективное применение рентгеновская кристаллография. Поэтому, не теряя интереса к квантовой химии, которую он продолжал курировать до конца своей жизни, Полинг с удивительной смелостью и энтузиазмом берется за биохимию.

С середины 30-х годов и вплоть до 1951 г. главным объектом исследований Полинга становятся белки. В 1934 г. он впервые попытался (совместно с А.Е.Мирски) сделать некоторые заключения о структуре белков на основании изучения их биохимических функций, затем исследовал (совместно с Ч.Д.Корвеллом) влияние оксигенирования на магнитные свойства гемоглобина, в 1936 г. развернул работы по рентгенографическому изучению аминокислот и белков в Калифорнийском технологическом институте. Именно тогда были определены (Р.Б.Кори и др.) кристаллические структуры простейших аминокислот, но до полного изучения строения белков было еще далеко.

Наиболее успешными оказались исследования в области иммунологии. В 1940 г. Полинг показал, что антигены могут играть роль матриц, на которых соответствующим образом укладываются полипептидные цепи. Это приводит к образованию специфических антител вместо обычных белков-глобулинов. Таким образом получила объяснение инструктивная функция антигена, обеспечивающая беспредельное разнообразие синтезируемых организмом антител. Идея комплементарности (взаимной структурной дополнительности) антигена и антитела обсуждалась в совместной работе Полинга и Дельбрука, выдающегося вирусолога и генетика, впоследствии, как и Полинг, ставшего Нобелевским лауреатом.

В 1949 г. Полинг начал работу по изучению серповидноклеточной анемии. Название этой наследственной болезни, приводящей к смерти, связано с тем, что эритроциты больного приобретают форму серпа, теряя при этом способность переносить кислород. Проявив незаурядную интуицию, Полинг предположил, что причина недуга кроется в нарушении аминокислотной последовательности в полипептидной цепи гемоглобина – белка, осуществляющего транспорт кислорода в организме. Спустя три года Полингу удалось с помощью электрофореза разделить нормальный и дефектный гемоглобин и доказать, что в структуре последнего имеется опечатка: один из аминокислотных остатков (остаток глутаминовой кислоты) заменен другим (остатком валина). Впоследствии было установлено, что в молекуле гемоглобина человека и высших животных в строго определенной последовательности соединены 574 аминокислотных остатка. И вот, как обнаружил Полинг, замена лишь одного из них приводит к тяжкой болезни. В настоящее время известно более 50 разновидностей аномальных гемоглобинов, вызывающих различные патологические состояния.

1951 год был ознаменован важным событием: вышла в свет статья Полинга и Кори о структуре белков, подводящая итоги многолетних исследований. Используя данные рентгеноструктурых исследований аминокислот (значения характерных межатомных расстояний и валентных углов, величины ван-дер-ваальсовых радиусов), Полинг и Кори провели конформационный анализ полипептидной цепи, представляющей собой основу структуры всякой белковой молекулы, и показали, что:

1) цепь состоит из относительно жестких плоских пептидных единиц –CO–NH– (возникающих при спаривании аминокислотных остатков), и соединяющих их шарниров –CHR–, причем способ соединения двух последовательных единиц можно охарактеризовать углами и ; угол  – это поворот данного звена цепи вокруг ковалентной связи C–C, а угол  – поворот вокруг следующей за ней связи C–N :

2) для описания пространственного строения (конформации) основной цепи полипептида достаточно знать и для каждого аминокислотного остатка;

3) имеются два наиболее выгодных способа соединения пептидных единиц (им свойственны определенные значения углов и); периодическое повторение первого типа сочленения приводит к образованию спирали, второго – к вытянутой структуре, причем параллельно расположенныецепи, соединяясь водородными связями, образуют слой; в стабилизации спирали также принимают участие водородные связи: группа CO n-ого аминокислотного остатка связана с группой NH (n+3)-его остатка.

Тогда же Полинг ввел в научный обиход четыре уровня описания строения молекулы белка: первичная структура – последовательность аминокислотных остатков, вторичная структура – наличие и соотношение характерных фрагментов (таких как спираль и структура), третичная структура – точная картина пространственного расположения атомов (или хотя бы аминокислотных остатков), задаваемая их пространственными координатами, четвертичная структура – наличие субъединиц (подглобул, из которых формируется молекула белка-глобулина). Эти понятия, сформулированные до того, как появились первые данные полного рентгеноструктурного анализа белков, вскоре получили экспериментальное подтверждение (структура гемоглобина, Перутц, 1960; структура миоглобина, Кендрю, 1960) и поныне составляют основу кристаллографии белка.

Впрочем, отнюдь не все научные начинания Полинга оказывались успешными. В начале 50-х годов он пытался установить общий принцип строения молекулы ДНК и в 1953 г. опубликовал статью, в которой ошибочно описал эту структуру как тройную спираль. Однако Уотсон и Крик, которые несколько месяцев спустя нашли правильное решение в виде общеизвестной ныне двойной спирали, говорили о том, что опасение оказаться позади Полинга немало способствовало быстрому продвижению их исследования.

В конце 60-х годов Полинг заинтересовался биологическим воздействием витамина C и вскоре стал активно рекламировать его как радикальное средство от простудных заболеваний, опираясь при этом на личный опыт – свой и жены, и даже написал книгу "Vitamin C and the Common Cold". В начале 70-х годов он сформулировал концепцию "ортомолекулярной медицины", согласно которой витамины и аминокислоты могут создавать особую оптимальную среду для деятельности мозга. Эти теории, получившие в то время широкую известность, не нашли подтверждения в результатах последующих исследований и в значительной мере были отвергнуты специалистами по медицине и психиатрии. В 1979 г. Полинг опубликовал книгу "Cancer and Vitamin C", в которой утверждал, что прием витамина C в значительных дозах способствует продлению жизни и улучшению состояния больных определенными видами рака. Однако авторитетные исследователи раковых заболеваний не находят его аргументы убедительными.

По-видимому, в этом периоде и в этом аспекте своей научной деятельности Полинг пошел по пути недостаточно серьезных, слишком поверхностных суждений и рекомендаций, и очень обидно, что это дало возможность в последнее время использовать его имя в коммерческих целях – для сомнительной, а иногда и явно недобросовестной рекламы лекарственных средств. Впрочем, наверное, следует отметить и то, что активность, бодрость, энтузиазм, огонь в сердце и в глазах (см. фото), которые сумел сохранить до весьма преклонного возраста этот человек, с 38 лет страдавший тяжкими хроническими болезнями, заставляет поверить, что он знал "How to Live Longer and Feel Better" (это название его последней книги, вышедшей в 1986 г.).

Совершенно сознательно мы обращаемся к биографии Полинга лишь в заключительной части настоящего очерка. Слишком часто подробности жизнеописания ученого, обстоятельно излагаемые в начале посвященной ему статьи, отвлекают внимание от сути дела – от анализа его научных заслуг, оценки их значимости. Но пройти мимо некоторых совершенно необычных, иногда даже парадоксальных обстоятельств жизни Полинга никак невозможно.

Согласно данным анкетирования, проведенного британским журналом "New Scientist" среди нескольких сот выдающихся ученых современности, Полинг вошел в число двадцати величайших деятелей науки всех времен – наряду с Галилеем, Ньютоном, Дарвином, Эйнштейном. А между тем он – единственный из нобелевских лауреатов – не имел аттестата об окончании средней школы. Он не получил его, потому что категорически отказался посещать занятия по общественным дисциплинам, заявив при этом, что все необходимые знания в этой области он сумеет приобрести самостоятельно.

Другой парадокс заключается в том, что великий химик-теоретик, уровень физических знаний которого обеспечивал ему полное доверие крупнейших физиков того времени, начал свое образование в сельскохозяйственном колледже, закончив его со степенью бакалавра по химической технологии. Затем в возрасте 24 лет он закончил Калифорнийский технологический институт, получив степень доктора (PhD) по химии – "с наивысшим отличием" – и степень бакалавра по математической физике. Стипендия Гуггенхейма дала ему возможность провести 1926/27 учебный год в Европе, где он изучал квантовую механику у Зоммерфельда в Мюнхене, у Шредингера в Цюрихе и у Бора в Копенгагене.

После начала II мировой войны движимый гражданским долгом Полинг переключается на военную тематику (расшифровка структуры белка была приостановлена). Он создает несколько видов мощной взрывчатки и ракетного топлива, разрабатывает измеритель содержания и генератор кислорода для подводных лодок и самолетов (позже этот прибор нашел применение для поддержания нужного уровня содержания кислорода в капсулах для недоношенных младенцев и при хирургических операциях под анестезией). В лаборатории Полинга был синтезирован заменитель кровяной плазмы для срочных переливаний в полевых условиях. Вклад Полинга в победу над фашизмом был отмечен медалью "За выдающиеся заслуги перед Соединенными Штатами", которую ему лично вручил президент.

Но в мирное время он видел свой долг в том, чтобы бороться против угрозы новой войны, против ядерной опасности, против радиоактивного заражения окружающей среды и делал это со всей силой присущего ему напора и таланта.

Вскоре после того, как США сбросили атомные бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки, Полинг начал кампанию против нового вида оружия и в 1945-46 гг., являясь членом Комиссии по национальной безопасности, читал лекции об опасностях ядерной войны. В 1946 г. он стал одним из основателей Чрезвычайного комитета ученых-ядерщиков, учрежденного Альбертом Эйнштейном и другими прославленными учеными для того, чтобы добиваться запрещения испытаний ядерного оружия в атмосфере. В 1957 г. Полинг составил проект воззвания, в котором содержалось требование прекратить ядерные испытания, его подписало более 11 тыс. ученых из 49 стран мира, и среди них свыше 2 тыс. американцев.

Из-за активной миротворческой деятельности он нередко наталкивался на политические препятствия, в частности из-за приписываемых ему просоветских симпатий. В начале 50-х гг. пришлось преодолевать трудности с получением паспорта (для выезда за рубеж); он получил паспорт без всяких ограничений только после того, как был награжден Нобелевской премией.

В июне 1961 г. Полинг и его жена созвали конференцию в Осло (Норвегия) против распространения ядерного оружия. Вскоре после этого он начал вести дозиметрический контроль над уровнем радиоактивности и в октябре 1962 г. сделал достоянием гласности информацию, которая показывала, что из-за проводимых в предыдущем году испытаний уровень радиоактивности в атмосфере поднялся вдвое по сравнению с предшествующими 16 годами, и составил проект договора о запрещении таких испытаний. В июле 1963 г. США, СССР и Великобритания подписали договор о запрещении ядерных испытаний, в основе которого лежал проект Полинга.

В 1963 г. Полинг был награжден Нобелевской премией мира.

Заслуги Лайнуса Полинга поистине велики и многообразны и все же в истории науки он останется в первую очередь как создатель квантовой химии. Тем более замечательна та мудрость и сдержанность, которую он продемонстрировал в год своего 90-летия, когда очень точно определил место квантовой теории в современной системе химических наук:

"Химии, вероятно, повезло, что огромное количество эмпирических знаний о свойствах химических веществ было получено до развития квантовой механики. Химики стремились понять эти свойства, и в результате разработали классическую теорию химического строения. Если бы вся эта масса информации о свойствах веществ не была накоплена до возникновения квантовой механики, вполне возможно, что теория химического строения так и не была бы создана. Фактически в настоящее время, в 1991 году, химики мало используют квантовую механику, разве что широко применяются принципы образования химической связи, сформулированные на языке квантовой механики. В какой-то степени употребляется химиками точная квантовомеханическая трактовка молекулярного строения, но гораздо чаще они используют классическую модель теории химического строения".