Между физикой и биологией

Кандидат химических наук и президент Ассоциации коммуникаторов в сфере образования и науки Александра Борисова специально для нашего журнала написала колонку о месте химии среди естественных наук.

Никто не водится со мной

Химия — нелюбимое дитя в семействе естественных наук. Химию позже всех начинают изучать в школе (судя по знаниям, большинство вообще не начинает никогда). У химии плохой «пиар» по сравнению с «соседками». Физика фундаментальна, биология — естественна и тем полезна, а химия в лучшем случае ассоциируется с лобби фармкомпаний, а в худшем — с вредными производствами. Пользуясь своей репутацией, физика и биология периодически совершают эпистемологические набеги на смежные области химии, объявляя те или иные исследования «нехимическими» (а физическими либо биологическими).

Мне как химику по образованию и отчасти — по духу всегда были странны эти дискуссии, поэтому я логично задалась вопросом о том, как мы вообще отличаем одну область науки от другой. Оказалось, что решением этих вопросов на фундаментальном уровне занимаются не физики или химики, а философы науки. Почему? Потому что, замечают они, решать такой фундаментальный вопрос могут только те, кто находится «над схваткой», а называется он проблемой демаркации. Забегая вперед, я скажу, что ничего такого лучшие умы не решили. Наоборот, изучая границы между разными областями науки, они пришли к тому, что общего у них больше, чем различий, а вообще хорошо бы на фундаментальном уровне объяснить различия между наукой и ненаукой. Случилось это почти сто лет назад, так с тех пор и ищут, — и термин «проблема демаркации» теперь означает в том числе задачу поиска универсальных критериев разделения науки и ненауки. Что, впрочем, не мешает нам с вами посмотреть, как же пытались разграничить науку и где на этих весах будет лежать химия.

 

Красивые — направо, умные — налево

Самый очевидный путь — разделить науки по объекту изучения. Так появились нечетко определяемые группы: естественные, общественные и гуманитарные науки. Химия, конечно, наука естественная. Она изучает предметы и явления естественного мира вокруг нас. Однако попытка поделить науки по объекту исследования маловато говорит нам об их внутреннем устройстве. Кроме того, если задуматься, это деление непостоянное. Если раньше планеты изучала исключительно астрономия, то теперь, с развитием космической техники, их изучают и химики, и геологи, и даже в некоторых случаях климатологи. А есть объекты исследования, которые совершили еще более длинный прыжок, — из гуманитарных наук в естественные. Не удивляйтесь, если услышите, что лингвистика — это естественная наука, потому что она применяет формальные методы и модели к естественной среде, которой является язык. Создание таких моделей стало возможным из-за развития математики и вычислительной техники.

Есть несколько более изящное и менее интуитивное деление наук с помощью методов, которые они применяют. Все науки делятся на эмпирические («опытные») и формальные, в которых опыт невозможен, так что процесс познания строится на рассуждениях. К ним относятся математика, логика и философия. Однако и это деление не статично: например, квантовая космология — раздел физики — вплотную приближается к пределу, когда наблюдения и опыт станут невозможными.

О химии такого сказать нельзя. Возможно, химия — это главная эмпирическая наука, если под этим термином подразумевать именно сконструированный человеком опыт, а не наблюдение окружающего мира и выявление закономерностей. В химии созерцание и описание дает очень мало: чтобы разобраться в составе окружающих веществ и их устройстве, над ними нужно провести опыты. В детстве моим любимым химиком был Карл Шееле. Этот шведский ученый-самородок XVIII века, которому предлагали университетские кафедры и избрали в Шведскую академию наук, не имел даже высшего образования. Зато у него была аптека, в которой он работал, и руки. О том, как важно «иметь руки», знает каждый студент-химик, причем руки или есть, или нет. Можно выучить теорию, можно выучиться технике эксперимента, но руки так и останутся (я думаю, вы примерно поняли, о чем речь).

 

Так вот, руки в далеком XVIII веке открыли и выделили несколько десятков всем известных сегодня веществ — от хлора и перманганата калия («марганцовки») до мочевой и синильной кислот. Шееле также — опытным путем — установил два основных компонента воздуха (только называл он их по-другому — не кислород и азот, а «огненный воздух» и «флогистированный воздух». Но мое восхищение вызывало не это. Зрительная информация дает в химии крайне мало, и сейчас эта проблема преодолена с помощью десятков разнообразных физико-химических методов исследования вещества. Однако во времена Шееле этого не было, а потому в качестве дополнительного описания ученый использовал вкус и запах, которые он определял лично. Он так и умер: его нашли в лаборатории среди реактивов (по одной из версий, он описывал вкус синильной кислоты). По-моему, такая методологическая верность своей науке не может не очаровывать.

 

«Марки» Резерфорда

Думаю, что романтический пуризм — конечно, калька моего восприятия разделенных наук XX века. Наши предшественники пользовались теми методами, которыми владели сами, и видели себя, наверное, естествоиспытателями в целом, а не химиками или физиками. Эту классификацию мы «надели» на них сами гораздо позже. Однако как только классификация возникла, она сразу вызвала и попытки стратифицировать науки по шкале важности. В частности, первыми ощутили себя не в своей тарелке в химии физики.

Дверь в страдания физиков в химии открыл Эрнест Резерфорд — знаменитейший ученый, отец ядерной физики, учитель Петра Капицы, которого тот звал Крокодилом. Резерфорд в 1908 году получил Нобелевскую премию по химии: он объяснил радиоактивное превращение химических элементов, предложил планетарную модель атома. И даже если фраза «Вся наука — или физика, или коллекционирование марок» приписывается ему ошибочно, ее расхожесть демонстрирует распространенность снисходительного отношения к химии. В дальнейшем физики продолжали получать нобелевки по химии: они касались либо разработок особенно пригодившихся в химии методов, либо исследований химических элементов. Среди знаменитых физиков — «химиков» Мария Склодовская-Кюри, а также ее дочь и зять.

Первой ласточкой физических методов в химии стал Фрэнсис Уильям Уэстон, он изобрел масс-спектрограф, с помощью которого открыл много нерадиоактивных изотопов. Эта традиция продолжается всю историю нобелевки. Так, в 2017 году ее получили два биофизика — Жак Дюбоше и Иоахим Франк (а с ними биолог Ричард Хендерсон), которые применили и усовершенствовали криоэлектронную микроскопию высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворе. Вся Россия ждет, что тех же почестей будет удостоен научный руководитель Флеровской лаборатории в ОИЯИ Юрий Цолакович Оганесян — один из отцов синтеза сверхтяжелых элементов, которые сейчас продляют Периодическую таблицу. Физик, конечно. Оганесян делал доклад на открытии Года Периодической таблицы в Париже в ЮНЕСКО. Возможно, в 2019 году и не Нобелевский комитет все-таки решит обратить внимание на таблицу, а сами потенциальные лауреаты не будут столь категоричны, как когда-то Резерфорд.

 

Есть и обратные примеры: Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили в 2010 году нобелевку по физике за открытие графена. Его можно рассматривать и как химическую работу: графен — одна из аллотропных модификаций углерода, наряду с графитом, алмазом и другими. Однако вряд ли какое открытие аллотропной модификации, пусть и редкой, может оказаться достойным такой высокой награды в сфере химии. А физики оценили эту работу (выполненную, кстати, физиками), потому что графен с физической точки зрения обладает поразительными, почти невозможными свойствами.

 

Страсти по биохимии

Биологические тематики тоже отмечались нобелевками по химии практически с момента основания премии. Эдуард Бухнер получил в 1907 году Нобелевскую премию по химии за биохимические исследования внеклеточной ферментации и выделение зимазы. 111 лет спустя, в 2018 году Фрэнсис Арнольд, Джордж Смит и Грег Уинтер получили премию за исследование ферментов и антител. Химия это или нет? Думаю, да, потому что везде, где речь идет о реакциях и превращениях молекул, окажутся люди, прошедшие сильную химическую, а не чисто биологическую школу. Другое дело, что чем больше мы погружаемся в познание человеческого и других живых организмов, тем чаще, даже в медицинских исследованиях, мы доходим до этого фундаментального молекулярного уровня. Так что химия, на словах оставаясь за кулисами, насаждает свои методы там, где 500 лет назад был в лучшем случае анатомический театр, а в худшем — совсем уж гуманитарная молитва. Как когда-то физика принесла фундаментальное понимание в химические процессы, теперь химия аналогичным образом углубляет понимание биологических процессов и заставляет говорить на своем языке.

«Сожмется» ли химия, «вырастут» ли биология или физика? Ставить вопрос таким образом побуждает нас привычный рубрикатор наук. Знаний становится больше, сами предметные области дробятся, а число подходов к исследованию одного и того же объекта — растет, так как разные подходы позволяют получить разные данные. В идеальном мире одно и то же сердце изучают физик, физиолог, молекулярный генетик, биохимик, врач, и этот список можно продолжать. Каждый из них прошел свою школу и владеет своим методом, а ключевая сложность — собрать полученную информацию воедино и понять, что и как нужно применить для решения поставленных задач. Уметь понять научный язык, работу и результаты коллеги, при этом сохраняя свой собственный подход и понятийный аппарат, сопоставить чужие данные со своими и увидеть общую картину — один из ключевых вызовов для современного ученого.

 

Послесловие

А что же Дмитрий Иванович Менделеев? Почему именно он удостоился чести быть отмеченным целым годом празднования под эгидой ЮНЕСКО? Я думаю, внимание к его персоне и к Периодическому закону совершенно заслуженно. Менделеев — главный химик человечества. Потому что он смог без привлечения каких-либо физических данных или математического аппарата сформулировать теорию, по уровню фундаментальности не уступающую Стандартной модели элементарных частиц. Это не значит, что Менделеев был химиком-теоретиком: в его времена и понятия такого не существовало. Менделеев был химиком-экспериментатором, химиком-преподавателем, химиком-технологом. Его перу принадлежат учебник по органической химии, важные работы в сфере физической химии, прикладные разработки. Невероятная сила его была в том, что изо всех этих деталей своей работы и данных других людей — частных, продиктованных практическими задачами, — он одной силой мысли создал полную картину. «Химическая интуиция», известная каждому химику: вот так реакция пойдет, а так — вряд ли, вот такая конфигурация молекулы возможна, а такая — нет — была, наверное, развита в нем как ни в ком другом. Настолько, что все обрывочные, противоречивые и недостаточные сведения о химических элементах сложились у него в общую картину.

Во времена Менделеева не знали строения атома, понятия изотопов, не знали благородных газов как класса и вообще доброй половины элементов современной периодической таблицы, причем неизвестные элементы были иногда легче по атомному весу, чем известные, тем самым сбивая с толку исследователей. Несмотря на это, Менделеев отметил периодичность свойств элементов, связал их с весом, собрал в визуальную картину, а затем указал, какие элементы еще нужно искать. С тех пор и физики, и химики-синтетики подтверждают и подтверждают подход Менделеева. Но он сделал открытие, не обладая для этого ни аппаратом ядерной физики, ни достаточными химическими данными. Интуиция!