Для чего нужны модели молекул

СТАРТ В ХИМИЮ

7 класс

Продолжение. Начало см. в № 1, 2/2006

Глава 1.
Химия в центре естествознания

§ 3. Моделирование

Кроме наблюдения и эксперимента в познании естественного мира и химии большую роль играет моделирование.

Мы уже говорили о том, что одна из главных целей наблюдения – поиск закономерностей в результатах экспериментов.

Однако некоторые наблюдения неудобно или невозможно проводить непосредственно в природе. Естественную среду воссоздают в лабораторных условиях с помощью особых приборов, установок, предметов, т.е. моделей. В моделях копируются только самые важные признаки и свойства объекта и опускаются несущественные для изучения. Слово «модель» имеет франко-итальянские корни и переводится на русский как «образец». Моделирование – это изучение некоторого явления с помощью его моделей, т.е. заменителей, аналогов.

Например, для того чтобы изучить молнию (природное явление), ученым не нужно было дожидаться непогоды. Молнию можно смоделировать на уроке физики и в школьной лаборатории. Двум металлическим шарикам нужно сообщить противоположные электрические заряды – положительный и отрицательный. При сближении шариков до определенного расстояния между ними проскакивает искра – это и есть молния в миниатюре. Чем больше заряд на шариках, тем раньше при сближении проскакивает искра, тем длиннее искусственная молния. Такую молнию получают с помощью специального прибора, который называется электрофорной машиной.

Изучение модели позволило ученым определить, что природная молния – это гигантский электрический разряд между двумя грозовыми облаками или между облаками и землей. Однако настоящий ученый стремится найти практическое применение каждому изучаемому явлению. Чем мощнее электрическая молния, тем выше ее температура. А ведь превращение электрической энергии в теплоту можно «укротить» и использовать, например, для сварки и резки металлов. Так родился знакомый сегодня каждому процесс электросварки.

Каждая естественная наука использует свои модели, которые помогают зримо представить себе реальное природное явление или объект.

Самая известная географическая модель – глобус. Это миниатюрное объемное изображение нашей планеты, с помощью которой вы можете изучать расположение материков и океанов, стран и континентов, гор и морей. Если же изображение земной поверхности нанести на лист бумаги, то такая модель называется картой.

Моделирование в физике используется особенно широко. На уроках по этому предмету вы будете знакомиться с самыми разными моделями, которые помогут вам изучить электрические и магнитные явления, закономерности движения тел, оптические явления.

При изучении биологии модели также широко используются. Достаточно упомянуть, например, модели – муляжи цветка, органов человека и т.д.

Не менее важно моделирование и в химии. Условно химические модели можно разделить на две группы: материальные и знаковые (или символьные).

Материальные модели атомов, молекул, кристаллов, химических производств химики используют для большей наглядности.

Вы, наверное, видели изображение модели атома, напоминающее строение Солнечной системы (рис. 30).

Рис. 30.
Модель строения атома

Для моделирования молекул химических веществ используют шаростержневые или объемные модели. Их собирают из шариков, символизирующих отдельные атомы. Различие состоит в том, в шаростержневых моделях шарики-атомы расположены друг от друга на некотором расстоянии и скреплены друг с другом стерженьками. Например, шаростержневая и объемная модели молекул воды показаны на рис. 31.

Рис. 31.
Шаростержневая и объемная
модели молекулы воды

Модели кристаллов напоминают шаростержневые модели молекул, однако изображают не отдельные молекулы вещества, а показывают взаимное расположение частиц вещества в кристаллическом состоянии (рис. 32).

Рис. 32.
Модель кристалла меди

Однако чаще всего химики пользуются не материальными, а знаковыми моделями – это химические символы, химические формулы, уравнения химических реакций.

Разговаривать на химическом языке, языке знаков и формул, вы начнете уже со следующего урока.

1. Что такое модель и что – моделирование?

2. Приведите примеры: а) географических моделей; б) физических моделей; в) биологических моделей.

3. Какие модели используют в химии?

4. Изготовьте из пластилина шаростержневые и объемные модели молекул воды. Какую форму имеют эти молекулы?

5. Запишите формулу цветка крестоцветных, если вы изучали это семейство растений на уроках биологии. Можно ли назвать эту формулу моделью?

6. Запишите уравнение для расчета скорости движения тела, если известны путь и время, за которое он пройден телом. Можно ли назвать это уравнение моделью?

§ 4. Химические знаки и формулы

К символьным моделям в химии относят знаки или символы химических элементов, формулы веществ и уравнения химических реакций, которые лежат в основе «химической письменности». Ее основоположником является шведский химик Йенс Якоб Берцелиус. Письменность Берцелиуса строится на важнейшем из химических понятий – «химический элемент». Химическим элементом называют вид одинаковых атомов.

Берцелиус предложил обозначать химические элементы первой буквой их латинских названий. Так символом кислорода стала первая буква его латинского названия: кислород – О (читается «о», т.к. латинское название этого элемента oxygenium). Соответственно водород получил символ H (читается «аш», т.к. латинское название этого элемента hydrogenium), углерод – С (читается «цэ», т.к. латинское название этого элемента carboneum). Однако латинские названия хрома (chromium), хлора (chlorum) и меди (cuprum) так же, как и углерода, начинаются на «С». Как же быть? Берцелиус предложил гениальное решение: такие символы записывать первой и одной из последующих букв, чаще всего второй. Так, хром обозначается Сr (читается «хром»), хлор – Cl (читается «хлор»), медь – Cu (читается «купрум»).

Й.Я.Берцелиус
(1779–1848)

Русские и латинские названия, знаки 20 химических элементов и их произношения приведены в табл. 2.

В нашей таблице уместилось всего 20 элементов. Чтобы увидеть все 110 элементов, известных на сегодняшний день, нужно посмотреть в таблицу химических элементов Д.И.Менделеева.

Названия и символы некоторых химических элементов

Чаще всего в состав веществ входят атомы нескольких химических элементов. Изобразить мельчайшую частицу вещества, например молекулу, можно с помощью моделей-шариков так, как вы это делали на предыдущем уроке. На рис. 33 изображены объемные модели молекул воды (а), сернистого газа (б), метана (в) и углекислого газа (г).

Рис. 33.
Объемные модели молекул воды (а),
сернистого газа (б), метана (в)
и углекислого газа (г)

Чаще для обозначения веществ химики пользуются не материальными моделями, а знаковыми. С помощью символов химических элементов и индексов записываются формулы веществ. Индекс показывает, сколько атомов данного элемента входит в состав молекулы вещества. Он записывается внизу справа от знака химического элемента. Например, формулы упомянутых выше веществ записывают так: Н₂О, SO₂, CH₄, CO₂.

Химическая формула – основная знаковая модель в нашей науке. Она несет очень важную для химика информацию. Химическая формула показывает: конкретное вещество; одну частицу этого вещества, например одну молекулу; качественный состав вещества, т.е. атомы каких элементов входят в состав данного вещества; количественный состав, т.е. сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы вещества.

По формуле вещества можно определить также, простое оно или сложное.

Простыми веществами называют вещества, состоящие из атомов одного элемента. Сложные вещества образованы атомами двух или более различных элементов.

Например, водород Н₂, железо Fe, кислород О₂ – простые вещества, а вода Н₂О, углекислый газ СО₂ и серная кислота H₂SO₄ – сложные.

1. Знаки каких химических элементов содержат заглавную букву С? Запишите их и произнесите.

2. Из табл. 2 выпишите отдельно знаки элементов-металлов и элементов-неметаллов. Произнесите их названия.

3. Что такое химическая формула? Запишите формулы следующих веществ:

а) серной кислоты, если известно, что в состав ее молекулы входят два атома водорода, один атом серы и четыре атома кислорода;

б) сероводорода, молекула которого состоит из двух атомов водорода и одного атома серы;

в) сернистого газа, молекула которого содержит один атом серы и два атома кислорода.

4. Что объединяет все эти вещества?

Изготовьте из пластилина объемные модели молекул следующих веществ:

а) аммиака, молекула которого содержит один атом азота и три атома водорода;

б) хлороводорода, молекула которого состоит из одного атома водорода и одного атома хлора;

в) хлора, молекула которого состоит из двух атомов хлора.

Напишите формулы этих веществ и прочитайте их.

5. Приведите примеры превращений, когда известковая вода является определяемым веществом, а когда – реактивом.

6. Проведите домашний эксперимент по определению крахмала в продуктах питания. Какой реактив вы использовали при этом?

7. На рис. 33 изображены модели молекул четырех химических веществ. Сколько химических элементов образуют эти вещества? Запишите их символы и произнесите их названия.

8. Возьмите пластилин четырех цветов. Скатайте самые маленькие шарики белого цвета – это модели атомов водорода, синие шарики побольше – модели атомов кислорода, черные шарики – модели атомов углерода и, наконец, самые большие шарики желтого цвета – модели атомов серы. (Конечно, цвет атомов мы выбрали условно, для наглядности.) С помощью шариков-атомов изготовьте объемные модели молекул, показанных на рис. 33.

Источник

Изваяние невидимого

Изваяние невидимого

Скульптуры, посвящённые молекулам — это прекрасный образчик понимания того, что мир, в котором мы сейчас живём, создан всё-таки не телевизионными реалити-шоу, не шоппинг-центрами и не грязными политтехнологиями

Автор

Редакторы

Размер молекул, как правило, несоизмеримо меньше того предела, который можно разглядеть глазом, даже используя самый лучший оптический микроскоп — ведь длина волны видимого света существенно превосходит характерные размеры большинства молекул. Поэтому для изучения фундаментальных основ жизни приходится прибегать к упрощениям — молекулярным моделям, — чтобы биологические молекулы из области, доступной исключительно интеллекту, перенеслись в область чего-то видимого (на дисплее или листе бумаги) или даже осязаемого. Однако молекулы оказались не только желанным объектом для изучения: сама их суть стала для многих учёных и художников объектом вдохновения — и появилась молекулярная скульптура.

Удивительно стремление разума человеческого
к построению моделей и к совершенствованию оных,
пока они не станут всё ближе и ближе к реальности.
Людвиг Больцман
Поистине невероятно, как малó взаимное проникновение
науки XX века и искусства этого же века.
Чарльз Сноу. Две культуры

Историческая справка

Понятие об атомарной структуре материи восходит к античности — их приписывают философу Демокриту, рассуждавшему об организации всего сущего. Однако внимание научного мира заострилось на проблеме строения вещества уже в средние века, когда Иоганн Кеплер размышлял о проблемах симметрии снежинок и симметричной же упаковке сферических объектов (задаче, известной также как 18-я проблема Гильберта, которая получила решение лишь недавно [1]). В начале 19 века Джон Дальтон уже говорил об атомах как о реальных частицах разной массы и размера, а ближе к середине столетия австрийский учёный Йозеф Лошмидт изображал различные молекулы в виде набора соприкасающихся окружностей. Создание первой пространственной модели молекулы (это был метан) приписывается Августу Вильгельму Хофману, однако важнейшая концепция химической науки — стереохимия — была заложена Якобом Хендриком Вант-Гоффом, обратившим внимание на тетраэдрическое строение электронной оболочки атома углерода в метане. Развитие химии и рентгеновской кристаллографии привело к важнейшим открытиям в биологии XX века — установлению пространственной структуры молекул ДНК и белков, — и задача адекватного представления структуры биологических молекул, особенно сложных, встала весьма остро. Были разработаны «конструкторы» для сборки молекулярных моделей (некоторые из них до сих пор являются отраслевым стандартом), а одновременное развитие вычислительной техники и компьютерных дисплеев привело появлению программ, направленных на визуализацию и изучение биомолекул [2].

Несмотря на невиданный прогресс в области молекулярной графики, произошедший за последние 10–20 лет, «физические» модели молекул не утратили своей значимости. Эдгар Мейер, один из «персонажей» этого рассказа, хорошо подметил некоторую ущербность компьютерной графики: «Моё первое знакомство c биомолекулами научило меня благоговению перед Природой на молекулярном уровне. Компьютерная графика, хотя и привлекает своей цветной динамичностью, неспособна полностью передать всей трёхмерной прелести молекул».

1600

Трёхмерное прототипирование

Первые модели структуры белков конструировали из большого числа шариков, проволочек, втулок, винтиков и других деталей [2]. Они были очень громоздки, хрупки и требовали огромного времени и усердия для изготовления, даже при условии использования специальных «конструкторов» — наборов стандартных деталей для сборки. В настоящее время компьютеры почти полностью заменили такие конструкторы, но ведь иметь возможность взглянуть на модель молекулы не только на компьютерном экране, но и «в реале» означает лучше понять её функцию и оценить красоту!

Одним из современных методов производства «твёрдых» моделей молекул (про «конструкторы» мы тут подробно говорить не будем, потому что про них уже достаточно было сказано ранее [2]) является трёхмерное прототипирование — способ изготовления объёмных макетов любых объектов, используемый, в частности, в промышленном дизайне. Изготовление моделей производится на автоматизированных установках (в том числе управляемых через интернет), входными данными для которых является CAD-файл или файл с координатами атомов белка в общепринятом формате pdb. Одна из компаний, предлагающих изготовить «твёрдую» модель белка — 3D Molecular Designs, — располагает целым арсеналом технологий прототипирования: стереолитография, избирательное спекание лазером, производство посредством ламинирования, моделирование путём последовательного наплавления и трёхмерная печать. Последняя технология аналогична обычной струйной печати с той лишь принципиальной разницей, что вместо чернил такой принтер использует специальные полимеризующиеся композиты вроде гипса или смолы, и печать объекта происходит слой за слоем, пока модель не будет готова. Трёхмерная печать лидирует среди других технологий прототипирования по скорости (хотя несколько проигрывает в качестве) и, кроме того, она единственная, которая позволяет печатать цветные объёкты (за счёт использования разноцветных «чернил»). Модели, полученные с помощью других технологий, необходимо после изготовления дополнительно красить, ведь специфическая окраска атомов очень важна для «макетов» молекул.

Учёные отмечают, что подобные модели чрезвычайно полезны в обучении, ведь если студент сможет в собственных руках подержать молекулу хемотрипсина, гемоглобина или рибосому, он немедленно, на интуитивном уровне, почувствует, как структура белка связана с его функцией — а ведь это один из самых важных аспектов молекулярной биологии!

Русские идут в 3D

Не следует думать, что вопросы визуального представления молекул и наукоёмкого материала вообще занимают умы исключительно зарубежных учёных. Московская компания Visual science предлагает свои услуги по созданию научных иллюстраций, трёхмерных моделей биологических объектов, мультимедийных презентаций и пластиковых моделей биомолекул и других медико-биологических объектов (изготавливаемых с помощью технологии трёхмерной печати). Среди своих целей компания называет:

Белковые кристаллы

Обычно под белковыми кристаллами подразумевают специальным образом приготовленные образцы белка, за счёт своей высокоупорядоченной структуры способные давать чёткую дифракционную картину при рентгеновском облучении (этот эффект используется для экспериментального исследования структуры белков (см., например, [3])). Однако есть и другие кристаллы — своеобразные миниатюрные произведения искусства на тему структуры белка, выполненные прямо в толще стеклянного блока.

Бэтшиба Гроссман (Bathsheba Grossman) работала то программистом, то машинисткой, то техническим писателем, по совместительству со своей главной страстью — скульптурой, основанной на законах симметрии, математике и науках о жизни. Несколько лет назад она столкнулась с технологией лазерной гравировки в массиве стекла, которая позволяет внутри геометрически идеального блока оптического кристалла создавать картины с помощью лазерного «выжигания» микродефектов. Конический луч иттрий-алюминий-гранатового лазера точно фокусируется на определённой точке внутри кристалла, и создаёт там микроскопический (

0,1 мм) дефект, видимый, как белая точка. (По некоторым данным, эту технологию разработали ещё в СССР.) Множество таких точек (до миллиона!), последовательно «расставляемых» в стеклянном блоке под управлением компьютера, создаёт видимость целостной картины (рис. 1).

Рисунок 1. ДНК-полимераза — фермент, участвующий в репликации молекул ДНК. (Белок показан элементами вторичной структуры и полупрозрачной поверхностью, ДНК изображена в «проволочном» виде.)

Bathsheba Grossman, публикуется с разрешения автора

Увлечение белкáми возникло после того, как один друг-биолог, увидев эксперименты Гроссман с лазерной гравировкой, попросил её сделать изображение белка. В результате она заинтересовалась визуализацией биомолекул и начала писать собственные программы для управления лучом лазера: ведь заставить «облако» точек выглядеть как структура белка — крайне непростая задача! Будучи сначала невинным увлечением, «стеклянная» скульптура переросла в бизнес — на принадлежащем Бэтшибе сайте crystalprotein.com идёт бойкая торговля различными белковыми молекулами, «запечатанными» в кристаллы, как древнее насекомое в янтарь.

Справедливости ради надо отметить, что белки — не единственный интерес Гроссман. Другие её скульптуры напоминают загадочные топологические клубки, и изготовляются они по технологии трёхмерной печати металлическим порошком. Одна из её скульптур — «Metatrino» — даже попала в популярный в Америке сериал про учёных — «Numb3rs» [4].

Памятник антибиотику

Перед главным входом в Институт биоорганической химии РАН имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова (где я работаю — А. Ч.) стоит своеобразное изваяние. «Скульптура изображает комплекс антибиотика валиномицина с ионом калия. Общий принцип связывания ионов металлов и их перенос через мембраны с помощью ионофоров был открыт в институте в 1963 году», — гласит надпись на постаменте.

Шарики-лошарики

Необычные модели молекул должны конструироваться из необычных материалов. Однако у некоторых энтузиастов молекулярной скульптуры, видимо, нет средств на необычные строительные блоки — они используют. обычные надувные шарики-«лошарики»! (Это такие длинные надувные трубочки, скручивая которые, клоуны на сцене создают фигурки животных.) На специальном сайте, посвящённом созданию моделей молекул из таких шариков, размещены подробные инструкции по узлам, которые понадобится освоить для постройки, например, «надувной» молекулы ДНК, и приведены фотографии большого количества моделей. Создатели сайта — трое кандидатов наук (Ph.D.) из Германии — уверяют, что их технология незаменима в учебном процессе — на лекциях и семинарах.

Молекула своими руками

Вдохновение, вызываемое биологическими молекулами у учёных, сподвигло их дерзнуть на большее, нежели создание абсолютно точных «физических» моделей — даже несмотря на свой завораживающий внешний вид, дотошно скопированные со структурных файлов модели остаются всего лишь моделями. Романтическая душа исследователей требовала большего, и некоторые из них начали создавать произведения искусства «по мотивам» структуры белков.

Байрон Рубин (Byron Rubin), исследователь-кристаллограф, в 1970-х сконструировал устройство, способное по заданной программе сгибать толстую медную проволоку, «упаковывая» её в пространстве аналогично белковой цепи [2]. Модели, созданные на «сгибателе», широко использовались в своё время, поскольку, хотя и показывали лишь укладку «остова» белковой молекулы, давали общее представление о структуре белка и были легки и портативны. Позже он дал своим идеям развиться и увлёкся молекулярной скульптурой, создавая модели молекул из лент нержавеющей стали (как, например, «скульптура» человеческого гормона роста, рис. 2) или такого мало подходящего на первый взгляд материала, как автомобильные выхлопные трубы.

Такие фармацевтические гиганты, как Merck и Pfizer, заказали у Рубина скульптуры значительных в истории этих компаний молекул — интерферона-β и ВИЧ-протеазы с ингибитором.

Рисунок 2. Соматотропин (гормон роста) выделяется передней долей гипофиза у детей, подростков и молодых людей

Byron Rubin, 2003, публикуется с разрешения автора

Неслучайные молекулы

Химия и биология оказали чрезвычайное влияние на современное общество и на весь уклад жизни людей. Чтобы наглядно проиллюстрировать это, а также привлечь внимание широкой публики к проблемам восприятия и понимания естественных наук, с сентября 2007 по апрель 2008 года Учебным музеем Танг и Галереей искусств Skidore College (Нью-Йорк) проводится выставка-турне «Неслучайные молекулы» (Molecules that matter). В рамках выставки специальной комиссией было тщательно отобрано 10 органических молекул (по одной на каждое десятилетие XX века), наиболее сильно повлиявших на жизнь всего человечества, а также на культуру; каждой из них была посвящена отдельная секция. Демонстрация моделей этих молекул в комбинации с документальными свидетельствами их значимости, дополненная произведениями искусства и электронными информационными ресурсами, лучше слов рассказывает о прогрессе в химической и биологической науке.

Был поленом, стал скульптурой

Рисунок 3. Антоцианы придают радующую глаз окраску лепесткам цветов и плодам фруктовых деревьев

Эдгар Мейер (Edgar Meyer) — учёный с богатым прошлым, пионер компьютерной графики в биомолекулярных исследованиях, основатель Брукхейвенского депозитария пространственных структур белков (Protein Data Bank) [5] и кристаллограф, на счету которого десятки структур белковых молекул.

Со страниц своего сайта — http://molecular-sculpture.com — он заявляет: «Природа, изучаемая науками о жизни, наглядно демонстрирует нам разнообразие форм живого. Функции молекулярных систем, на которых основывается жизнь, находятся у нас перед глазами, но их структура ускользает от нас в глубины наномира. Однако строение молекул всё же можно увидеть с помощью кристаллографии, ЯМР-спектроскопии или криоэлектронной микроскопии. На моём сайте вы увидите, как атомы и молекулы могут быть воплощены в ценных породах дерева или в металле. Для человека, далёкого от науки, это может показаться эзотерической формой абстрактного искусства; даже для учёного, далёкого от молекулярных исследований, эти формы будут выглядеть крайне причудливыми и непонятными. Так или иначе, нам предстоит увидеть красоту, являемую самой природой».

Выйдя на пенсию, Мейер (видимо, в память о своём первопроходстве в области молекулярной визуализации) увлёкся изготовлением скульптур молекул, используя различные породы дерева — несколько сортов дуба, орех-пекан, клён, мескитовое дерево и другие, более редкие древесины. Для автоматизации процесса он использует контролируемый компьютером с его собственной программой фрезерный станок по дереву, который слой за слоем обрабатывает деревянные монолиты. В результате получаются такие скульптуры как антоцианин (рис. 3) или более сложные — например, сайт связывания аспирина в белке циклооксигеназе.

Музей неосязаемого

Мир молекул традиционно считается областью, доступной исключительно учёным в силу того, что его ультрамикроскопическая природа неподвластна чувственному восприятию. Подобно Платоновской «Республике», в которой жители аллегорической пещеры судят о реальном мире лишь по теням, отбрасываемым на стены своего обиталища, виртуальный музей «Неосязаемое» представляет собой коллекцию «теней», отбрасываемых из мира молекул на наше повседневное существование.

Кеннет Эвард (Kenneth Eward), смотритель этой галереи, неожиданно увлёкся искусством в процессе научных исследований в области физиологии клетки, и после окончания университета он открыл в Манхеттене свой арт-салон BioGrafx, посвящённый научным достижениям. Виртуальная коллекция Эварда состоит из скульптур молекул и «молекулярных ландшафтов», выполненных в «пустынной» эстетической манере, характерной для фотографов начала XX века. «Законы физики не обязательно действуют в виртуальном мире, что делает возможным творчество, освобождённое от естественных ограничений», — пишет он о своих инсталляциях.

Одна из скульптур в виртуальной VRML-галерее — зелёный флуоресцентный белок (рис. 4) — немного вибрирует, слегка сжимается и расширяется, одновременно говоря зрителю о динамической природе белковых молекул и напоминая медузу — организм, из которого был выделен этот важнейший для современной молекулярной биологии и биоинженерии объект.

Рисунок 4. Зелёный флуоресцентный белок призрачно светится в темноте Это свойство активно используется в генетической инженерии.

Kenneth Eward, 1998, публикуется с разрешения автора

α-спираль для Полинга

Эстетический заряд, содержащийся в изображениях и скульптурах молекул, оказался настолько значительным, что в некоторых колледжах изящных искусств уже защищают диссертации по этой теме. Вот что пишет Джулиан Восс-Андре (Julian Voss-Andreae) в аннотации к своей работе под названием «Скульптуры белков»: «Я представляю новый взгляд на основу всего живого, создавая скульптуры белковых молекул. Более важным, чем буквальное копирование молекулы со всей возможной подробностью, мне представляется найти базовый принцип существования этой молекулы и выявить в нём художественное начало. В основе моего метода изготовления скульптур лежит аналогия между угловым соединением конструкционных элементов и сворачиванием белка. Я ощущаю, что нахожусь ближе к истине, когда использую алгоритмы, применяемые самой природой, нежели когда я просто копирую внешний вид молекулы. Мою работу можно назвать алгоритмичной, поскольку я рассчитываю необходимые для построения скульптуры разрезы из данных о структуре белка, используя собственную компьютерную программу. Однако кроме детерминистической стороны, в моей работе присутствует равная ей по величине иррациональность, которая превращает научные модели в объекты искусства. Мои скульптуры дают почувствовать субмикроскопический мир, обычно постижимый только с помощью интеллекта».

Белки увлекли Джулиана, когда он был ещё студентом-физиком; после того, как он перешёл на факультет искусств, они стали основным его источником вдохновения. Изучая трёхмерный дизайн, он решил выбрать их как центральный объект для своих работ. Его методика заключается в том, чтобы, разрезая погонный материал (такой как металлические балки или древесину) практически без отходов, соединять его заново, создавая уникальные формы, навеянные структурами белковых молекул. Именно безотходность делает его методику близкой к феномену сворачивания белка, считает Джулиан. Написанная им самим компьютерная программа позволяет рассчитать геометрические параметры разрезов, которые необходимо сделать в исходном материале, чтобы, будучи собранным заново, бездушный материал преобразился в уникальное произведение искусства. Так, например, один из его экспонатов — «Высокая еловая α-спираль» — создан из цельного девятиметрового ствола дугласовой пихты. Небольшие ошибки, накапливающиеся от разреза к разрезу, а также органическая природа строительного материала приводят к тому, что вместо безжизненной геометрической формы получается единственная в своём роде скульптура (рис. 5). Сам Джулиан считает, что некоторая непредсказуемость результата в данном случае — один из краеугольных камней его творчества.

Несколько лет назад Восс-Андре представилась уникальная возможность сконструировать мемориал одному из самых известных химиков мира — Лайнусу Полингу, единственному человеку на свете, дважды единолично награждённому Нобелевской премией [6]. Джулиану предложили соорудить памятный постамент возле домика в Портланде (штат Орегон США), где Лайнус провёл детство (сейчас там Центр науки, мира и здравоохранения имени Полинга). Для скульптуры была использована массивная шестиметровая стальная балка, которая после серии из 15 разрезов плазменной горелкой и сварочных работ преобразовалась. в трёхметровую α-спираль, посвящённую памяти великого учёного и миротворца (рис. 6).

Рисунок 5. α-спираль — один из основных «мотивов» пространственной укладки белковых молекул

Julian Voss-Andreae, 2003, публикуется с разрешения автора

Рисунок 6. α-спираль служит мемориалом Лайнусу Полингу — одному из величайших химиков мира. Нобелевская премия по химии 1954 года вручена Полингу «за исследование природы химической связи и ее применение для определения структуры соединений». В 1962 году Полинг снова получает «Нобелевку» — за борьбу против использования ядерного вооружения и против военных действий как средства решения интернациональных конфликтов.

Julian Voss-Andreae, 2003, публикуется с разрешения автора

«Всё, что претендует на то, чтобы быть искусством, является им», — гласит одно из расхожих определений. Однако Джулиан, недаром скрупулезно изучавший искусства, не останавливается на этом тезисе. По его убеждению, художник обязательно должен преображать объект, с которым он работает, привнося в него что-то новое, чего там раньше не было. Богатый набор взаимосвязанных ассоциаций и интерпретаций, — вот что отличает подлинное искусство от бездушной модели. Конструктивизм, составляющий «физическую» основу творчества Восс-Андре, не является главной его частью, так же как и отрисовка реалистического изображения не является сутью шедевров художника-голландца Яна Вермеера, пользовавшегося в работе камерой обскурой.

В скульптуре «Светособирающий комплекс» (рис. 7) Джулиан провёл необычный эксперимент со светом. Скульптура состоит из 850 частей — так много субъединиц содержится в этой «молекулярной линзе», акцептирующей кванты света в зелёных растениях и передающей их на фотосистемы, вырабатывающие питательные вещества для растения и кислород для всей планеты. По замыслу скульптора, этот экспонат демонстрируется в небольшой затемнённой комнате, а в центре его должна стоять свеча. Свет, струящийся при этом через промежутки между отдельными «молекулами», напоминает нам о роли растений на Земле, а отбрасываемые на стены пляшущие тени и сами напоминают растительные заросли.

Рисунок 7. В светособирающих комплексах — «антеннах» фотосинтеза — сосредоточено до 90% хлорофилла

Julian Voss-Andreae, 2003, публикуется с разрешения автора

Белковый вальс

Джеймс Уотсон (первооткрыватель структуры ДНК и нобелевский лауреат) занимал в этом институте пост заведующего лабораторией, пока его неосторожное высказывание не было интерпретировано охочими до сенсаций журналистами как расистское. После этого Уотсона отстранили от руководства [7].

Рисунок 8. «Вальс полипептидов», автор — Мара Хэйзелтайн. Скульптура расположена в институте Колд Спринг Харбор, США. Белок BLyS (B-лимфоцит-стимулирующий белок, отвечает за производство антител в организме) был открыт при участии отца Мары и, видимо, поэтому стал центральным элементом композиции.

Отец Мары — Уильям Хэйзелтайн — известный учёный и бизнесмен, организовавший семь биотехнологических компаний, среди которых — Human Genome Sciences, занимающаяся геномными исследованиями, направленными на борьбу с неизлечимыми заболеваниями, такими как многие формы рака или СПИД. «[На этой скульптурной композиции BLyS] растёт из микроскопического зародыша в полноразмерную молекулу, — комментирует он творение своей дочери. — В науке форма определяет функцию. Знание структуры чрезвычайно важно, чтобы понять, как что-то работает. В работах Мары эта форма показана. Она прекрасна в своей динамичной изменчивости». Сама же Мара признаётся, что её отец и другие учёные всегда были для неё неистощимым источником вдохновения. «Эта скульптура посвящена моему папе и огромной работе, которую он проделал», — говорит скульптор.

В 2006 году в Сингапуре открылась бронзовая скульптура «Ингибированный SARS», выполненная Марой Хэйзелтайн по специальному приглашению руководства биотехнологического консорциума Biopolis, на территории которого располагается скульптура. Во время эпидемии тяжелого острого респираторного синдрома (или, как его чаще называют, атипичной пневмонии) 2003 года сингапурские учёные из этого консорциума провели тщательное геномное исследование коронавируса TOPC, вызывающего заболевание, и определили пространственную структуру протеазы, ответственной за проникновение вируса в клетку. Эта скульптура (рис. 9) стала памятником труду учёных, благодаря которому удалось спасти множество человеческих жизней.

Рисунок 9. Огромная бронзовая скульптура, расположенная в кампусе «Биополиса» (Сингапур), раскрывает механизм работы ингибитора протеазы SARS-вируса, открытый в этом научном центре

«Нам невероятно повезло, что мы наделены сознанием, позволяющим наслаждаться красотой нашей планеты и, благодаря современным технологиям, заглядывать одновременно в микроскопический мир, находящийся в каждой клетке нашего существования, и в необъятные глубины космоса. Именно это явление я и пытаюсь раскрыть в своих работах», — поясняет своё творческое амплуа Хэйзелтайн.

Первоначально статья «Изваяние невидимого» была опубликована в «Компьютерре» [8].

Источник