5. У молекул есть руки

Двадцатипятилетний Луи Пастер весной 1848 года сидел в парижской лаборатории над горсткой кристаллов и пинцетом раскладывал их на две кучки. Это была соль виноградной кислоты, и через лупу он заметил на кристаллах крошечные скошенные грани: у одних они смотрели влево, у других вправо, как у перчаток, высыпанных из одной коробки. Пастер растворил каждую кучку отдельно и пропустил сквозь растворы поляризованный свет, который колеблется только в одной плоскости, как верёвка, которую трясут вверх-вниз. Один раствор повернул эту плоскость вправо, другой ровно на столько же влево. А исходная смесь свет не поворачивала вовсе: повороты левых и правых гасили друг друга.

Жан-Батист Био, старый академик, который сам когда-то открыл, что растворы умеют поворачивать свет, мальчишке не поверил. Он велел повторить опыт у себя, дал Пастеру свою кислоту, сам приготовил растворы, сам поставил трубку в прибор и сам посмотрел. Свет повернул влево. По воспоминаниям Пастера, старик взял его под руку и сказал, что так любил науку всю жизнь, что у него от этого бьётся сердце.

Пастеру повезло, а может быть, выручило чутьё. Эта соль выпадает отдельными левыми и правыми кристаллами только ниже примерно двадцати семи градусов. Будь раствор на несколько градусов теплее, как в жаркий летний день, обе формы перемешались бы внутри одинаковых кристаллов, и раскладывать было бы нечего. К тому же так делятся лишь редкие смеси: у большинства зеркальных пар левые и правые садятся в один общий кристалл.

Раствор подсказал Пастеру главное. Кристаллов в нём уже нет, а свет всё равно поворачивает, значит, левое и правое сидит не в кристалле, а в самой молекуле. Кристалл только печатает крупно то, что устроено в мелком. Законы, которые сцепляют атомы, левого от правого не отличают, а собранная из атомов молекула отличает. В твёрдом теле такой выбор делала целая решётка, здесь его делают несколько атомов.

В металле внешние электроны принадлежали всему куску сразу. В молекуле их делят между собой соседи: общая пара электронов держит два атома вместе, это и есть химическая связь. Отдельный атом похож на пушистый шарик, у которого ни одна сторона не главная: нет ни верха, ни низа, ни левого, ни правого. Но связи встают под определёнными углами, и у сборки появляется то, чего не было ни у одного шарика: форма.

Форма решает почти всё. Вода и углекислый газ собраны из трёх атомов каждый, но молекула воды сложена галочкой, а молекула углекислого газа вытянута в линию. У галочки один конец заряжен плюсом, другой минусом, а у прямой молекулы такие перекосы гасят друг друга. Поэтому молекулы воды липнут друг к другу, растаскивают кристаллики соли, и вода при комнатной температуре жидкая, а углекислый газ так и остаётся газом из бутылки газировки. Этиловый спирт и диметиловый эфир собраны из одних и тех же атомов в одном числе, только соединены они в другом порядке, как слова ЛИПА и ПИЛА из одних букв. Первый — жидкость, которую пьют, второй — газ. Свойства задаёт не список атомов, а то, кто с кем связан и под каким углом.

Откуда у молекулы руки, объяснили через четверть века после Пастера, в один год и независимо друг от друга, голландец Вант-Гофф и француз Ле Бель. Четыре связи углерода торчат к вершинам треугольной пирамидки. Если все четыре соседа разные, возможны две сборки, зеркальные друг другу, и никаким поворотом одну не совместить с другой, как левую перчатку не надеть на правую руку. Так устроен карвон. Одна его форма пахнет мятой, другая тмином, хотя атомы и связи у них одни и те же. Нос их различает, потому что рецепторы в нём — белки, собранные из аминокислот одной руки, и левая форма садится в их карман иначе, чем правая.

Скелет отдельной молекулы впервые разглядели только в 2009 году. Лео Гросс с коллегами из цюрихской лаборатории IBM взяли молекулу пентацена, плоскую ленту из пяти углеродных шестиугольников. Её не фотографировали светом. Её прощупали иглой микроскопа, на кончике которой сидела одна молекула угарного газа, и нарисовали картинку по тому, как игла отталкивается. На этой карте сил проступили кольца, а по краям угадываются даже атомы водорода, почти так, как химики рисовали эту молекулу на бумаге задолго до того, как смогли её увидеть.

У молекул впервые есть связи двух сортов, и на этом держится всё дальнейшее. Связь углерода с углеродом примерно в сто сорок раз прочнее теплового толчка, который молекула получает от соседей при комнатной температуре. Это сварной шов: тепловая тряска сама по себе не разорвёт его за всю историю Земли. Водородная связь, лёгкое прилипание водорода одной молекулы к кислороду другой, прочнее толчка лишь в несколько раз. В жидкой воде она живёт несколько триллионных долей секунды, рвётся и тут же сцепляется с новым соседом. Прочные связи дают скелеты, которые живут долго. Слабые позволяют эти скелеты складывать и перекладывать.

Молекула — верхняя ступенька ствола, и над ней дерево расходится веером. Одну ветвь книга уже прошла: сложенные в огромную толпу, молекулы получают температуру, мокрость и кипение, которых нет у одной. Дай молекуле голову, которая любит воду, и хвост, который её боится, и в воде такие молекулы сами сложатся в плёнки и пузырьки: слабые связи дают им перестраиваться, пока всё не уляжется. Пузырёк может запереть внутри другие молекулы, и так, возможно, начиналась клетка.

Пусти молекулы в растворе реагировать так, чтобы продукт разгонял собственное производство и сам же готовил себе тормоз, и колба начнёт отбивать время сменой цвета. Вытяни молекулы в длинные цепочки, и у формы с рукой появится работа: вся жизнь на Земле строит белки из аминокислот одной руки, и почему именно этой, до сих пор неясно. А в холодных облаках между звёздами, почти целиком сложенных из молекул водорода, угарный газ излучает тепло, облака остывают, сжимаются и рождают звёзды.

Физик Поль Дирак, один из создателей квантовой механики, написал, едва она была построена, что законы, на которых стоит вся химия, известны полностью, а трудность лишь в том, что их уравнения слишком сложно решать. Здесь спорят до сих пор, и спор о форме. Чтобы уравнения выдали молекуле форму, ядра в расчёте сначала закрепляют на месте, будто это неподвижные гвозди, а не такие же квантовые частицы, как электроны. Одни видят в этом удобный приём, другие — знак того, что форма из уравнений сама не выходит, её приходится туда вложить. Зато число связей приходит снизу. Углерод держит четыре, кислород две, водород одну, хотя у отдельного атома снаружи не торчит ни одной.