Юный техник, 2013 № 12

Такое усложнение представлений усложняло и моделирование химических реакций. С помощью простейших моделей представить себе, что именно происходит, химики уже не могли. Пришлось прибегнуть к помощи компьютеров.

Новые нобелевские лауреаты (слева направо): Ари Уоршел, Майкл Левитт и Мартин Карплюс. Карплюс родился в Вене, а сейчас работает в Университете Страсбурга (Франция) и Гарвардском университете (США). Левитт — уроженец Великобритании, сотрудник медицинской школы Стэнфордского университета, а Уоршел родился в Израиле и работает сейчас в Университете Южной Калифорнии.

Современные методы позволяют моделировать не только простые химические реакции, в которых участвуют так называемые малые молекулы, состоящие из небольшого числа атомов, но и реакции больших биологических молекул — белков, углеводов, ДНК и РНК, которые протекают в живых организмах.

Так вот: нынешние лауреаты еще в 70-х годах прошлого века стояли у истоков создания программ, которые используются для понимания и предсказания течения химических реакций. Методы, разработанные Карплюсом, Левиттом и Уоршелом, позволяют с точностью до миллисекунд описать течение многих химических процессов — от каталитической очистки выхлопных газов до фотосинтеза в зеленых растениях.

«Для моделирования химических реакций нужно использовать два совершенно различных аспекта науки — квантовую физику и классическую физику, — отметил представитель Нобелевского комитета на пресс-конференции. — Квантовая физика позволяет нам рассматривать химическую реакцию в больших подробностях: этот метод требует больших компьютерных систем. Ньютоновская физика довольно проста. Очень сложно совместить эти модели и сделать так, чтобы они пожали друг другу руки. Вклад трех лауреатов заключается в том, что они обеспечили это тайное рукопожатие и создали физико-химическую теорию как единое целое».

Исторически это направление в науке возникло в тот момент, когда появились первые ЭВМ. Первое, что стали на этих машинах моделировать, было поведение жидкостей. Это связано с тем, что развитой теории жидкости, в отличие от теории газа или твердого тела, в тот момент фактически не существовало. Именно поэтому моделирование жидкости было особенно интересно ученым.

Кстати, одна из первых компьютерных программ, которая позволила моделировать реакции полимеризации, была разработана в Институте прикладной математики АН СССР. Ее автором был тогдашний аспирант, Николай Кириллович Балабаев. Сейчас он работает в Пущино, заведует лабораторией молекулярной динамики. И сетует, что из-за проводившейся тогда борьбы с кибернетикой, как «лженаукой», советские исследователи были отброшены в развитии компьютерных технологий на много лет назад. И таким образом, как ныне выясняется, потеряли свой шанс стать нобелевскими лауреатами.

Вперед выдвинулись американские ученые. Именно в этот момент Мартин Карплюс и его коллеги стали развивать метод молекулярной динамики для исследования полимеров и биополимеров.

Системы, которые моделируются сейчас, включают в себя до миллиона атомов. Они могут представлять собой не отдельный белок, а, например, целый белковый комплекс в липидной мембране, да еще и окруженный огромным количеством молекул воды. Длительность процессов, которые можно моделировать, очень сильно выросла. Если прежде речь шла о пикосекундах (10¹²), то теперь это уже десятые-сотые доли секунды. А от характерного времени моделирования систем зависит область применимости результатов: пикосекунды — это еще только физика, микросекунды — это уже биология.

Если говорить о личном вкладе нынешних лауреатов, то роли тут распределились так. Группа Карплюса в Гарварде очень много сделала для калибровки потенциальных полей между атомами, между разными степенями свободы в молекуле. Созданная ими модель самая подробная.

Левитт и Уоршел тоже занимались динамикой химических реакций, но на разных объектах. Левитт много сделал для применения методов моделирования в области рентгеновской кристаллографии. Уоршел много работал над моделированием переноса протона. Это один из важнейших процессов в биологии, он задействован и в фотосинтезе, да и в «чистой» химии много где участвует. Для расчета таких процессов используют одновременно и классические, и квантовые вычисления, которые часто называются QM/MM-методами (quantum mechanics/molecular mechanics).