Прибыли мы из Англии морем, в Ленинград, а возвращались воздушным путем, из Москвы. В московском аэропорту, лишь недавно тогда открывшемся, расписание полетов отличалось суровостью. От нас потребовалась явка в аэропорт к четырем часам утра. Так что возникла проблема — как бы не проспать. Возможно, русский человек решил бы ее очень просто, не стал бы вообще ложиться. Я, однако, ухитрился раздобыть будильник — единственный, кажется, во всем Институте физики — и, благополучно им разбуженный, вовремя прибыл в аэропорт, но обнаружил там, что улететь нет никакой возможности. Все было окутано густым осенним туманом, и неизвестно было, когда он разойдется.
Оставалось одно — ждать. А для ожидания в те времена не было предусмотрено никаких удобств. Негде было поесть, негде посидеть, оставалось лишь ходить взад-вперед в тумане и надеяться, что он рассеется. А если не рассеется, то нас ожидали немалые заботы: смена маршрута, переоформление выездных документов, добывание еще какого-то количества денег — и сотня других затруднений, неминуемо связанных с переменой планов. Но как бы ни было, надо было чем-то занять время ожидания, и, прохаживаясь у аэродрома, мы с профессором Р. Х. Фаулером, ныне покойным, повели разговор о том, о сем и в конце концов свернули на научную тему. Больше всего прочего нас занимал туман, и естественно, что о нем и пошла речь. Туман состоит из воды, из водяных капелек размером в какую-нибудь тысячную долю миллиметра, и странно прежде всего то, что, образовавшись, эти капельки затем уж не крупнеют, иначе бы туман, разумеется, превратился в дождь; однако туман обычно в дождь не обращается, упрямо продолжает быть туманом, и капельки его оседают медленно — до неприметности медленно.
Итак, речь у нас шла о воде, и профессор Фаулер, большой знаток термодинамики, но не очень сведущий в структурной теории, попросил меня объяснить структуру воды, как я эту проблему понимаю. И тут-то я задумался над нею заново — в свете наших московских дискуссий. Меня вдруг осенило, что, быть может, ключ ко всей природе воды — в структуре самой молекулы. Хотя обычно мы обозначаем молекулу воды как Н2О, не уточняя, как размещены в ней атомы водорода, но проще всего, конечно, расположить их на бумаге так:
Н О Н — то есть на прямой линии. Однако водяная молекула подобным образом построена быть не может, ибо при такой структуре молекула, содержащая два положительных атома водорода и отрицательный атом кислорода, была бы электрически нейтральная, не обладала бы определенной направленностью, моментом. А вода обладает весьма сильным электрическим моментом, и этим, возможно, объясняются ее особенности. Такой электрический момент может образоваться, только если оба атома водорода примыкают с одной и той же стороны:
И мелькнула мысль, что именно такое «однобокое» расположение частиц водорода и способно объяснить чрезвычайно свободный способ межмолекулярного сцепления в воде (см. рисунок); отсюда становится, быть может, объяснимым и правильный порядок водяных молекул льда.
Структуру льда раскрыл за много лет до того мой старый учитель сэр Уильям Брегг. Он обнаружил, что каждую водяную молекулу льда окружают четыре других, образуя тетраэдр (треугольную пирамиду). Как именно размещены там атомы водорода, он не мог установить, да и никто тогда не мог. Сперва предполагали, что атомы водорода размещены посредине между атомами кислорода. Однако если мы предположим, что атомы водорода размещаются не между атомами кислорода, а внутри их, тогда каждая водяная молекула окажется совершенно естественно связанной с четырьмя другими молекулами: с двумя свяжут ее собственные атомы водорода, а с остальными двумя — водородные атомы соседних молекул. И тогда парадоксальный факт, что лед легче воды, получит объяснение. Если та или иная группа связана с четырьмя другими группами, то обычно возможен ряд различных способов расположения, поскольку структура по своей рыхлости напоминает скорее кружево, чем плотно упакованную дробь или горох. А нам известно уже кое-что о таких четверо частных кружевных структурах — известно по структуре кварца, которую раскрыл Гиббо в лаборатории, где я незадолго до этого работал.
Кварц — общераспространенная форма двуокиси кремния. В двуокиси кремния частица тоже соседствует с четырьмя другими — у каждого атома кремния четыре соседних с ним атома кислорода, и каждый кислородный атом связывает два атома кремния. Существует несколько возможных способов такого размещения, и один из них весьма отчетливо выражен в кварце; а кремниевая вулканическая порода тридимит демонстрирует нам другой способ размещения. Любопытно, что строение тридимита сходно со строением льда.
Кварц структурно плотней, тяжелей тридимита. И мне подумалось, что если вода сходна по структуре не с тридимитом, а скорее с кварцем, то понятно тогда, почему она тяжелей льда.
Я развил эту мысль и многие другие в течение тех часов, что мы прохаживались взад-вперед. Собственно, за всю нашу поездку это было единственное незанятое время — ходи, думай, говори, все равно делать больше нечего. А я склонен думать и говорить на ходу, и, как видно из последующего, иногда это дает неплохие результаты. В этот раз все бы разговором и кончилось, не будь моим собеседником Фаулер. Я уж не помню, до какого момента довел изложение, как вдруг, словно по волшебству, туман рассеялся, засветлел погожий октябрьский день и, хотя утро давным-давно миновало — беседовать мы начали в четвертом часу ночи, а сейчас было четыре часа дня, — но самолет вылетел.
Он доставил нас недалеко, в Кенигсберг. Но так или иначе, а отъезд наш состоялся и теория родилась. Фаулер сказал мне: «Непременно изложите на бумаге». (Мне это как-то не пришло самому в голову.) Письменное изложение оказалось делом очень скучным, но полезным. Занявшись им, я обнаружил, разумеется, что порядочный процент светлых мыслей, осенивших меня в это мглистое утро, нуждается в существенной переработке и консолидации, что рассуждения требуется одеть в математический наряд. Но прежняя основа не поколебалась, и в итоге через несколько месяцев наша с Фаулером работа о структуре воды вышла в свет. Как ни удивительно, вот уже третий десяток лет теория держится. И до сих пор я думаю, что вряд ли она возникла бы, если бы не стимул пребывания в СССР и не этот лишний проведенный там денек.
Вторая часть моего рассказа — о том, как, оттолкнувшись от исследования структуры простых веществ, я занялся структурой самых сложных — белков. Произошло это два года спустя.
Проблема структурного анализа белков и теперь еще не решена, мы начинаем лишь проникать в ее суть. А в те годы она была почти полностью загадкой. Значение белка было уже общепризнанно. Энгельс говорит о жизни как о способе существования белковых тел. И белки эти — вещества невероятной сложности, с десятками тысяч атомов в каждой молекуле — представляли неустранимую проблему не только для химиков, но и для кристаллографов.
Белки — вещества кристаллические, они рассматривались как таковые еще в начале девятнадцатого века; было обнаружено, что многие простые семенные экстракты дают, постояв, очень хорошие кристаллы. Кристаллы гемоглобина (кровяного красящего вещества) известны издавна. А когда современный, вооруженный рентгеном, кристаллограф видит кристалл, он тут же стремится раскрыть его структуру — хочет, поместив в рентгеновскую камеру, получить на снимке дифракционную картину. Можно уверенно предположить, что с 1913 года, со времени открытия Брегга, многие уже пытались получить рентгенограмму белков — но совершенно безрезультатно. Белковые кристаллы — отличные с виду кристаллы, с плоскими гранями и острыми ребрами, — вместо картины, отражающей кристаллическую решетку, давали на снимке мутное пятно. Я чувствовал, что в этот странный результат требуется внести ясность. Но у меня не было кристаллов. Хотя мне и случалось порой увидеть под микроскопом мельчайший кристаллик белка, но действительно годных кристаллов не попадалось. Я часто слышал о хороших белковых кристаллах, но всякий раз оказывалось, что кристаллы растворились или выброшены — что их уже нет.
