Беседы о рентгеновских лучах

Постепенно выяснилось, что так можно исследовать и не обладающие геометрически правильной структурой материалы, частично упорядоченные и даже аморфные объекты. Причем не только твердые, но также жидкие и газообразные. Что дал этот "всевидящий глаз" науке и технике, лучше всего проиллюстрировать работами, заложившими краеугольные камни молекулярной биологии.

В 30-е годы настоящую сенсацию вызвала находка Д. Бернала и Д. Кроуфут-Ходжкин. На удивление коллегам, английские ученые взялись за рентгеноструктурный анализ веществ, для которых он казался неприменимым, белков. Считалось, что эти длинные органические молекулы, сворачиваясь в клубки, образуют бесформенную, бесструктурную массу. И вот сюрприз:

съемка обнаружила у них столь ярко выраженную внутреннюю упорядоченность, что заставила говорить об их кристаллоподобном состоянии.

Но когда английский биохимик М. Перуц в 1937 году вознамерился разобраться таким путем в "архитектуре"

гемоглобина, эта затея прослыла бесперспективной. "Мои товарищи не могли смотреть на меня без сожаления, - вспоминает ученый. - В ту пору самым сложным органическим веществом, чье строение было установлено с помощью рентгеноструктурного анализа, оставался краситель фталоцианин, состоящий из 58 атомов. Как мог я надеяться выяснить расположение тысяч атомов в молекуле гемоглобина?"

Проблема оказалась действительно архитрудной, но все же была решена, хотя и не скоро, через 20 с лишним лет. Так появилась широкоизвестная ныне трехмерная модель этого важного биополимера, состоящего из 10 тысяч атомов водорода, углерода, азота, кислорода, серы и железа. Оправдалась ставка на рентгеноструктурный анализ; собственно, он только и подавал надежды на удачу.

Благодаря ему стала возможной и пространственная модель ДНК дезоксирибонуклеиновой кислоты, содержащей сотни тысяч атомов. Эту знаменитую "двойную спираль" предложили в 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик, воспользовавшись исключительно четкими дифракционными картинами ДНК, полученными М. Уилкинсом. Именно тогда, по мнению специалистов, произошел "гигантский взрыв, изменивший лицо генетики":

была установлена молекулярная природа наследственности.

В 1962 году все трое, а заодно с ними М. Перуц и Д. Кендрю, расшифровавший структуру миоглобина (мышечного белка), удостоились Нобелевской премии.

Интересно: из пяти лауреатов только Д. Уотсон - биолог, остальные, по сути дела, физики.

Да, своим нынешним рывком наука о жизни во многом обязана именно физике, ее арсеналу идей и методов. В частности, рентгеновской кристаллографии применительно к биополимерам.

Конечно, просвечивать их можно и гамма-радиацией.

Но для нее они слишком прозрачны. Да и она для них слишком разрушитгльна. Способна вызвать, например, денатурацию бглка - его необратимые изменения (структурные!), наподобие тех,которые наблюдал каждый из нас, поджаривая яичницу.

Понятно, было бы желательно использовать самое безобидное проникающее излучение. Значит, как можпь более мягкое? Нет, годится лишь такое, у которого дли на волны близка к поперечнику атома (около 10^-8 сантиметра). То есть именно рентгеновское, пусть не самоо жесткое (10^-12 сантиметра), но и не самое мягкое (10^-5 сантиметра). Ясно, почему ультрафиолет здесь тем более не гадится, не говоря уж о видимом свеге.

Представьте: ветер гонит волны по воде. Мы сразу замечаем, если они набегают на какое-то препятствие, даже когда оно скрыто от нас. И могут кое-что рассказать нам о его форме, величине. Наиболее полной информация будет тогда лишь, когда они по своим размерам несколько меньше огибаемого ими объекта. Так и при рассеянии рентгеновских волн веществом. Ведь их пропускают именно затем, чтобы как можно больше узнать о расположении атомов и расстояниях между ними в кристаллоподобном материале.

Разумеется, существует не только рентгено-, но также электроно- и нейтронография. У каждой свои преимущества. И свои недостатки. Чтобы получить столь же четкую дифракционную картину с помощью нейтронов, нужна более сложная техника: их пучок, выпущенный даже из самого мощного ядерного реактора, в тысячу раз менее плотен, чем поток рентгеновских квантов* из обычной трубки. С другой стороны, есть объекты, которые лучше исследовать нейтронографически. Пример - сплавы железа, кобальта, никеля.

Дело тут вот в чем. Рентгеновская радиация рассеивается электронными оболочками (а они у многих элементов настолько схожи, что для нее практически к1 одно лицо). Нейтроны же рассеиваются атомными ядрами. И способны "нащупать" разницу даже между близнецами - изотопами одного элемента, которые абсолютно неразличимы рентгенографически.

Словом, каждому свое. То же можно сказать и со э-лектронографии. Но нельзя не отметить, что при топ же плотности потока и прочих равных условиях частицы опасней, чем кванты, для исследуемого образца, особенно для хрупких биохимических структур. Если нужен неразрушающий анализ, то именно рентгеновские волны подойдут скорее, чем что-либо иное.