Нобелевская премия по химии в 2021 году: предсказание монаха XIII века
Жил в XIII-XIV веках монах Уильям Оккам. Сегодня его считают одним из величайших логиков в истории человечества. Он любил пофилософствовать и додумался до простой истины: "Среди множества решений одной проблемы лучшим является самый простой ответ". Этот принцип известен как "бритва Оккама". Воспользовавшись простой идеей, химики научились создавать новые молекулы, за что получили Нобелевскую премию.
Кирпичики "Лего"
Многие молекулы уже созданы самой природой. А сам принцип напоминает конструктор "Лего". Например, два атома кислорода, соединенные вместе, образуют молекулу кислорода (O2). В свою очередь, два атома кислорода и один водорода образуют молекулу воды (H2O).
Чем дольше происходит химическая эволюция, тем сложнее получаются молекулы. К примеру, ДНК, на основе которой формируется жизнь, тоже по сути одна большая молекула.
Но все ли возможные комбинации созданы природой? Оказывается, далеко не все. Предположим, они где-то существуют на просторах Вселенной, но под микроскоп исследователя с планеты Земля не попали.
Сделай сам
Изучив принцип работы конструктора, можно уже и самому создавать новые фигуры, отличные от тех, которые указаны в инструкции набора "Лего". Результат зависит от фантазии и знаний.
Собрав базу данных из уже существующих молекул, из них можно делать нечто новое, бесконечно упорядочивая и переупорядочивая. Это как шахматные комбинации. Хотя на игровой доске всего 32 фигуры, в шахматах примерно 10120 вариантов ходов.
Учитывая, что молекул гораздо больше 32, можете представить масштабы возможностей. Стратегии разборки и повторной сборки элементарных частиц обеспечивают основу для создания множества новых соединений.
Зачем это нужно
Новые молекулы являются ключом к созданию доселе невиданных веществ и материалов с уникальными свойствами. И если на уровне практического материаловедения возможности человечества ограничены существующими технологиями, на поприще создания новых химических соединений руки развязаны.
На данный момент технологического развития наибольший прогресс происходит в области синтеза новых лекарственных препаратов. Например, такие распространенные лекарства от гипертонии, как метопролол, лизиноприл и гидрохлоротиазид, когда-то были всего лишь плодом химического воображения, прежде чем они появились в лабораторных пробирках.
Если раньше ученым приходилось буквально вручную исследовать десятки тысяч образцов растений, грибов и живых существ, то сегодня утомительный процесс замещен компьютерным моделированием. За день работы специальный алгоритм на суперкомпьютере с участием искусственного интеллекта способен сконструировать бесчисленное количество новых молекул. И затем из этого вороха выбрать наиболее перспективные для практического исследования образцы.
"Бритва Оккама"
Но проблема с созданием новых искусственных соединений на практике заключается в том, что путь к их существованию часто неясен и сложен. Все элементы должны быть связаны вместе в уникальной пространственной конфигурации.
Традиционно было доступно только два метода: использование чрезвычайно сложных ферментов и металлических катализаторов. Но оба подхода требуют много времени, технологически сложны и токсичны.
Химия нуждалась в новом научном подходе. И в этот момент пригодился философский принцип, постулированный монахом-францисканцем Уильямом Оккамом 600 лет назад.
Его предсказание можно передать следующими словами: "Если у вас есть проблема и при этом несколько вариантов решений, каждое из которых ведет к одному и тому же ответу, какой из них считать правильным? Наилучшим является самый простой из правильных ответов".
Современные химики Бенджамин Лист из Института Макса Планка в Германии и Дэвид Макмиллан из Принстонского университета воспользовались принципом "бритва Оккама". Работая независимо друг от друга, они оба искали более простой способ создания новых молекул.
В 2000 году, изучив литературу и проведя множество экспериментов, они оба обнаружили небольшие органические молекулы, которые могли выполнять работу по созданию сложных молекул намного лучше, чем старые традиционные способы. Новый метод оказался дешевле, проще в применении, быстрее и имеет меньше вредных побочных эффектов.
За это открытие оба исследователя получили Нобелевскую премию по химии 2021 года. Ее стоило бы разделить с монахом, жившим в 13-м веке.