Лайнус Полінг - видатний хімік XX століття
П.М. Зоркий
(до 100-річчя від
дня народження)
Лайнус Карл Полінг народився 28 лютого 1901 р. - в
самому початку XX століття - і помер 19 серпня 1994 р., коли основні підсумки цього
століття вже позначилися. У біографії цього унікального людини скористалися трохи
Чи не всі найважливіші лінії 20-го століття.
У науці він займався багато чим - і завжди виходив на
вищий рівень обговорення центральних проблем будь-яких наукових області, до якої
був причетний. При цьому в кінцевому підсумку аж ніяк не кожен раз він опинявся
прав. Колосальна енергія та експресії нерідко заважали йому дотримати міру. Але
його участь у дискусії незмінно стимулювало науковий прогрес - він змушував
людей працювати і думати.
Головне наукове досягнення Полінга - вчення про
хімічного зв'язку, розвинене ним наприкінці 20-х - початку 30-х років і що знайшло
повне вираження в його книзі The Nature of Chemical Bond and the Structure of
Molecules and Crystals. Ця книга вперше вийшла в 1939 р., друге видання
з'явилося в 1940 р. (у 1942 р. і 1944 р. були надруковані додаткові наклади
другого видання). Потім книга перевидавалася багато разів і була переведена на
десятки мов. До кінця 40-х років вона стала всесвітньо відомою, загальновизнаною
на довгі роки і лягла в основу численних курсів загальної, неорганічної та
органічної хімії. Навряд чи в історії хімії знайдеться інша книга, яка завоювала
настільки велику популярність.
Повний переклад книги Полінга на російську мову, зроблений
М.Є. Дяткіной під редакцією Я.К. Сиркін (Л. Паулінг. Природа хімічного зв'язку.
Госхимиздат, 1947), з незрозумілих причин був виданий з урізаним назвою - з
нього випала структура молекул і кристалів. І це прикро: сьогодні подання
Полінга про хімічні зв'язки ще живуть, але вже здаються архаїчними, і саме
вираз "природа хімічного зв'язку" стало невиразним і сумнівним, а
структурна хімія, у становлення якої Полінг зробив такий значний
внесок, який бурхливо розвивається і завойовує все нові і нові рубежі.
У 1954 р. Нобелівський комітет удостоїв Полінга премії
з хімії "за вивчення природи хімічного зв'язку і його застосування до
пояснення будови складних молекул ". У своїй Нобелівської лекції він
говорив про те, що майбутні хіміки стануть "спиратися на нову структурну
хімію, у тому числі на точно певні геометричні взаємини між
атомами в молекулах, і суворе застосування нових структурних принципів "і про
те, що "завдяки цій методології буде досягнутий значний прогрес
у вирішенні проблем біології і медицини за допомогою хімічних методів ".
У цих висловлюваннях Полінга примітні два
обставини. По-перше, широке використання в хімії точних кількісних
структурних даних тоді (у 1954 р.) він вважав справою майбутнього, а не вже
досягнутим рівнем. По-друге, не апарат квантової механіки, а модельні
структурні подання домінують у його картині майбутньої хімії.
Отже, наприкінці 20-х - початку 30-х років XX століття у
чому завдяки проникливості і цілеспрямованості Лайнуса Полінга в хімії
відбулися важливі події:
Стало в загальних рисах зрозуміло, чому і як утворюються
хімічні зв'язки. Основними в цьому відношенні стали роботи Гайтлера і
Лондона, які інтерпретували утворення молекули водню, а також дослідження
Борна і Слейтера; Полінг розповсюдив ці подання на набагато більше
складні системи, поклавши в основу своєї теорії концепцію резонансу.
Була створена квантова хімія з її прекрасним
арсеналом нових понять. Вклад Полінга полягав у розробці методу спрямованих
валентних зв'язків, уявлень про гібридизації та перекривання атомних
орбіталей, концепції електронегативності атомів і частково-іонного характеру
зв'язків. Багато хто з цих уявлень завдяки їх простоті й наочності з
успіхом використовуються і понині (із застереженнями про існування більш суворих,
більш сучасних підходів). Слід, однак, мати на увазі, що практично
одночасно з роботами Полінга (або трохи пізніше) розвивалися й інші методи
квантової хімії, такі, наприклад, як метод молекулярних орбіталей
(Леннард-Джонс, Маллікен, Хюккель), що виявився більш загальним і точнішим, ніж
метод валентних зв'язків.
Виникла структурна хімія, що оперує модельними
просторовими уявленнями про будову атомно-молекулярних систем і
принципово відрізнялася від попередніх структурних теорій фізичної
(точніше, квантовохіміческой) обгрунтованістю та використанням точних
структурних даних, отриманих за допомогою експериментальних фізичних методів.
Будучи в основному теоретиком, Полінг постійно брав безпосередню
участь і в експериментальних роботах; він долучився до рентгеноструктурного
аналізу ще на початку 20-х років, на старті своєї наукової кар'єри, потім
брав участь у електронографіческіх роботах.
Тоді ж на базі перших рентгеноструктурних
досліджень, розпочатих батьком і сином Брегг в 1913 р. і отримали
значний розвиток у 20-х роках, виникла і Кристалохімія, що стала одним з
найбільш просунутих розділів структурної хімії та кристалографії.
Основоположниками цієї науки вважають У.Л. Брегга (сина), Гольдшмідт і Полінга,
який створив систему крісталлохіміческіх радіусів (ковалентних, іонних
металевих і ван дер Ваальсових), розвинув принципи опису кристалічних
структур в термінах дуже ретельним шарових упаковок і у вигляді сукупності
координаційних поліедров із загальними вершинами, сформулював широко відоме
електростатичне правило валентності для іонних кристалів, ввів поняття
дефектної структури. Весь цей матеріал було докладно викладено і доповнений новими
структурними даними у другому виданні книги Полінга, що вийшов в 1940 р. і в
перекладі на російську мову в 1947 р.
II світова війна затримала поширення ідей
Полінга, і все ж таки до середини століття вони стали широко відомі, втім, з
запізненням, оскільки до цього часу з превеликим завзяттям він уже займався
зовсім іншими проблемами. Інтуїція підказувала йому, що найбільш
значні успіхи в хімії XX століття будуть пов'язані з молекулярною біологією і
молекулярної медициною (ці терміни з'явилися пізніше), що саме в цій області
знайде найбільш ефективне застосування рентгенівська кристалографія. Тому,
не втрачаючи інтересу до квантової хімії, яку він продовжував займатися до кінця
свого життя, Полінг з дивовижною сміливістю і ентузіазмом береться за біохімію.
З середини 30-х років і аж до 1951 р. головним
об'єктом досліджень Полінга стають білки. У 1934 р. він вперше спробував
(спільно з А. Є. Мирський) зробити деякі висновки про структуру білків на
підставі вивчення їх біохімічних функцій, потім досліджував (спільно з
Ч. Д. Корвеллом) вплив оксігенірованія на магнітні властивості гемоглобіну, в
1936 розгорнув роботи по рентгенографічне вивчення амінокислот і білків
в Каліфорнійському технологічному інституті. Саме тоді були визначені
(Р. Б. Корі та ін) кристалічні структури найпростіших амінокислот, але до
повного вивчення будови білків було ще далеко.
Найбільш успішними виявилися дослідження в області
імунології. У 1940 р. Полінг показав, що антигени можуть відігравати роль матриць,
на яких відповідним чином укладаються поліпептидні ланцюга. Це
призводить до утворення специфічних антитіл замість звичайних білків-глобулінів.
Таким чином отримала пояснення інструктивно функція антигену,
забезпечує безмежне розмаїття синтезуються організмом антитіл.
Ідея комплементарності (взаємної структурної додатковості) антигену і
антитіла обговорювалася в спільній роботі Полінга і Дельбрука, видатного
вірусолога і генетика, згодом, як і Полінг, що став Нобелівським
лауреатом.
У 1949 р. Полінг почав роботу з вивчення
серповидноклітинної анемії. Назва цієї спадкової хвороби, що призводить до
смерті, пов'язане з тим, що еритроцити хворого набувають форму серпа, втрачаючи
при цьому здатність переносити кисень. Виявивши неабияку інтуїцію, Полінг
припустив, що причина недуги криється в порушенні амінокислотної
послідовності в поліпептидного ланцюга гемоглобіну - білка, що здійснює
транспорт кисню в організмі. Через три роки Полінгом вдалося за допомогою
електрофорезу розділити нормальний і дефектний гемоглобін і довести, що в
структурі останнього є помилка: один з амінокислотних залишків (залишок
глутамінової кислоти) замінений іншим (залишком Валина). Згодом було
встановлено, що в молекулі гемоглобіну людини і вищих тварин в строго
певній послідовності з'єднані 574 амінокислотних залишку. І ось,
як знайшов Полінг, заміна лише одного з них призводить до тяжкої хвороби. У
даний час відомо більше 50 різновидів аномальних гемоглобіном,
що викликають роботи серця.
1951 був ознаменований важливою подією: вийшла в світ
стаття Полінга і Корі про структуру білків, що підводить підсумки багаторічних
досліджень. Використовуючи дані рентгеноструктурих досліджень амінокислот
(значення характерних міжатомних відстаней і валентних кутів, величини
ван дер Ваальсових радіусів), Полінг і Корі провели конформаційної аналіз
поліпептидного ланцюга, що представляє собою основу будь-якої структури білкової
молекули, і показали, що:
1) ланцюг складається з відносно жорстких плоских
пептидних одиниць-CO-NH-(виникають при спарюванні амінокислотних залишків),
і з'єднують їх шарнірів-CHR-, причому спосіб з'єднання двох послідовних
одиниць можна охарактеризувати кутами
