Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 40. Значення хімії для сучасного суспільства

Шановні випускники та випускниці! Перед вами останній параграф підручника з хімії, яким ви завершите курс хімії в середній школі. За традицією в останніх параграфах автори намагаються розкрити значення певної науки для кожної людини, держави та всього людства. Але нереально показати всі можливості хімії в межах одного параграфа. Сподіваємося, що від початку вивчення хімії із 7 класу ви усвідомлювали, яке значення мають хімічні речовини та процеси в нашому житті. У цьому параграфі ви дізнаєтеся про деякі найсучасніші напрямки розвитку хімії та суміжних наук, про завдання, які сьогодні розв'язують науковці в лабораторіях усього світу.

— Побачити молекулу в мікроскоп?! Ні! Неможливо!

Дослідження кожної нової речовини передбачає визначення її хімічної будови. Ще від XIX століття хіміки намагалися з'ясувати склад речовин, але тоді існували лише непрямі методи — побачити окрему молекулу було неможливо.

Із розвитком науки й техніки ставали відомі нові хімічні ефекти, удосконалювалися прилади, науковці почали застосовувати нові фізичні методи досліджень, і знання з хімічної будови молекул ставали дедалі точнішими. Було визначено склад і структуру молекул багатьох речовин, але з'ясувати хімічну будову складних біологічних об'єктів було майже неможливо. Утім, точна інформація щодо структури біологічно активних сполук, особливості їхньої взаємодії одна з одною необхідні для розв'язання як фундаментальних, так і практичних завдань біохімії та медицини.

Важливість відкриття та застосування нових методів досліджень речовин підтверджено багатьма нагородами, зокрема дослідження методом ядерного магнітного резонансу, мас-спектрометрії тощо. Нещодавно було відзначено нові успіхи в розвитку методів дослідження речовин.

2014 року Е. Бетциг, В. Моернер та Ш. Гелль одержали Нобелівську премію за створення методу флуоресцентної наноскопії. Цей метод дозволяє побачити (у прямому сенсі) флуоресціюючі об'єкти з роздільною здатністю в 10 нм (10-8 м). Тим самим було подолано так званий дифракційний бар'єр оптичної мікроскопії. Цим методом можна досліджувати частинки розміром декілька десятків молекул (мал. 40.1).

Мал. 40.1. Зображення актинового цитоскелета живої клітини (усередині зображення, отримане наноскопією, а знизу й угорі — традиційною мікроскопією). Публікується з дозволу автора Prof. Uli Nienhaus, (P. N. Hedde, J. Fuchs, F. Oswald, J. Wiedenmann, and G. U. Nienhaus, Nature Methods, 2009, 6, 689)

2017 року стався прорив у дослідженні великих біологічних молекул: молекул білків та нуклеїнових кислот. За розвиток кріоелектронної мікроскопії Нобелівською премією були нагороджені Ж. Дюбоше, Й. Франк, Р. Хендерсон. Роздільна здатність методу становить 2-3 А (2-3 • 10-10 м), тобто він дозволяє ідентифікувати положення кожного(!) атома. Це вражає, оскільки біологічні об'єкти складаються із сотень тисяч і навіть мільйонів атомів. Одним із прикладів практичного значення цієї роботи є дослідження вірусу Зіка (мал. 40.2). Під час епідемії вірусу Зіка 2016 року в Бразилії дослідникам вистачило декілька місяців для з'ясування будови вірусу, що дозволило розробити методи боротьби з ним.

Мал. 40.2. Будова вірусу зіка, дослідженого методом кріоелектронної спектроскопії. На детальному зображенні можна побачити положення окремих атомів. Публікується з дозволу автора Prof. V. Racaniello (www.virology.ws/2016/04/05/structure-of-zika-virus)

Кожній хворобі — свої ліки!

Детального дослідження потребують не лише окремі молекули. Однією з важливих для досліджень органел є рибосома (мал. 40.3). Хоча ви можете запитати: «Що там ще вивчати? Ми це на уроках біології вивчали». І дійсно, про загальну будову та функціонування рибосом відомостей багато. Але встановити точну будову рибосом удалося порівняно недавно. Багато захворювань виникають унаслідок синтезу бактеріями певних білків. Якщо блокувати роботу білок-синтезуючої системи тільки(!) бактерій, то можна навіть уникнути захворювання і вживання антибіотиків. Знання про детальну будову рибосом можуть виявитися революційними щодо лікування багатьох захворювань.

Мал. 40.3. Рибосоми вкрай важливі для функціонування клітин. Знання про них дають змогу лікувати невиліковні досі хвороби

Детальні дослідження будови й роботи рибосом тривали не одне десятиліття і потребували зусиль багатьох наукових груп. Про це свідчить перелік Нобелівських премій із хімії лише в цьому тисячолітті: 2002 року за розробку методів ідентифікації біологічних макромолекул (Д. Фенн, К. Танака, К. Вютріх), 2006 року за роботи про молекулярні основи транскрипції (Р. Корнберг), 2009 року за дослідження структури і функцій рибосом (А. Йонат, В. Рамакрішнан, Т. Стейц), 2015 року за механістичні дослідження репарації ДНК (Т. Ліндаль, П. Модрич, А. Санджар).

— Наноавтомобіль? Ні, у мене ще немає такого!

У сучасній техніці поступово відбувається мініатюризація різних приладів та пристроїв. 50 років тому комп'ютер міг займати кілька поверхів або величезну кімнату, але звичайний сучасний персональний комп'ютер набагато потужніший за нього. Чи можливі мініатюрні машини розміром із молекулу? Хоча це складно уявити, але останніми роками науковці наблизилися до створення повноцінних молекулярних машин.

Одним із найпростіших прикладів таких наномеханізмів є представник азобензенів:

Така молекула здатна розширятися за опромінення її синім світлом (420 нм), а за опромінення ультрафіолетом (365 нм) вона, навпаки, стискається. Якщо один бік цієї молекули прикріпити до основи, а інший — до важеля, то під час опромінення різним світлом такий пристрій здатний виконувати механічну роботу.

Цей напрямок, який називають супрамолекулярною хімією, був започаткований майже 50 років тому. За розробки в цій галузі Нобелівську премію 1987 року отримали Д. Крам, Ж.-М. Лен та Ч. Педерсен.

Про перспективність досліджень у цій галузі свідчить той факт, що 2016 року Нобелівською премією нагороджено трьох учених — Ж.-П. Соважа, Дж. Стоддарта та Б. Ферінга — за проектування і синтез молекулярних машин.

Поки що немає конкретних промислових процесів, у яких використовують наномашини, але це точно станеться незабаром.

Мал. 40.4. Молекулярні машини найближчим часом зроблять технологічну революцію в нашому суспільстві

— Колби і пробірки? Ні, у мене лише клавіатура і мишка!

Збільшення потужності комп'ютерів дає можливість моделювати хімічні та біохімічні реакції. Іноді здається, що це дуже просто. Проте для комп'ютерного моделювання хімічних об'єктів необхідно поєднати методи класичної та квантової фізики, змоделювати притягання кожного(!) електрона до кожного(!) ядра атома в молекулі. Точну модель молекули з 20-30 атомів з урахуванням усіх можливих взаємодій сучасний персональний комп'ютер може створювати декілька тижнів. Тому розробка сучасних методів і програмного забезпечення, що уможливлює моделювання великих біологічних молекул та реакцій за їх участі, є дуже актуальним завданням.

Розвиток обчислювальної хімії (computational chemistry) дозволить без проведення численних експериментів змоделювати хімічні процеси для пояснення експериментальних даних або прогнозування ефективності використання речовин.

Сьогодні без хімічних дослідів уже можна дійти висновку, чи є сенс синтезувати й досліджувати ті або інші речовини. Це стає у пригоді, коли необхідно спрогнозувати біологічну активність речовин, реакційну здатність тощо.

Проведення віртуальних експериментів дозволяє не витрачати на реальні дослідження дорогі й часто шкідливі реагенти, що відповідає принципам Зеленої хімії.

Важливість комп'ютерного моделювання для розвитку сучасної науки і техніки визнав Нобелівський комітет, нагородивши трьох американських учених — М. Карплуса, М. Левітта, А. Варшеля — Нобелівською премією 2013 року за розвиток багатомасштабних моделей комплексних систем.

— У тебе просто залізні нерви!

— Ні, лише пластмасові...

Ви вже знаєте про речовини неметалічної природи, що можуть проводити електричний струм. Але навряд чи з них можна виготовляти електричні дроти. 2000 року Нобелівську премію з хімії за відкриття електропровідності полімерів отримали А. Хігер, А. Мак-Діармід та Х. Сіракава. Ці вчені започаткували новий науковий напрямок у хімії полімерів.

Електропровідні полімери поєднують електричні й оптичні властивості металів із дешевизною і легкістю обробки пластмас. «Синтетичні метали» легкі, їх можна використовувати замість міді там, де критичним фактором є маса, наприклад, у конструкціях космічних апаратів. Їх застосовують у виробництві екологічно чистих акумуляторів. Плівки на вікнах із таких полімерів можуть по-різному пропускати сонячне світло, до того ж їхню прозорість можна регулювати. Із таких полімерів пропонують виготовляти хімічно інертні нервові волокна для протезування нервової тканини. Уже сконструйовано органічні транзистори, фотодіоди і лазери, отже, можливо виготовляти цілком пластмасову електроніку.

— Речовини еволюціонують? Вони що, живі?!

2018 року Нобелівську премію з хімії було присуджено за еволюцію хімічних речовин: ферментів (ензимів) і антитіл. Певна річ, хімічні речовини не є живими істотами, і для них термін «еволюція» у класичному розумінні застосовувати не можна, але все ж таки Нобелівський комітет мав рацію.

Еволюція живих організмів нерозривно пов'язана зі змінами (еволюцією) хімічних процесів усередині цих організмів, зокрема, зі змінами в генетичному коді та структурі білків, які здатна синтезувати клітина. Наприклад, деякі риби можуть плавати в полярних океанічних водах завдяки набутій можливості синтезувати антифризні (антизаморожувальні) білки, а мідії «навчилися» синтезувати вуглеводний молекулярний клей, що надав їм можливість прикріплюватися до каменів.

Мал. 40.5. Поєднання обчислювальних можливостей із хімічними знаннями дає потужний поштовх для розвитку науки

Під час пошуку шляхів синтезу нових речовин традиційні хімічні методи потребують варіювання умов реакцій, що часто є жорсткими, або наявності токсичних каталізаторів та їдких речовин. Американська біохімікиня Френсіс Арнольд замість цього запропонувала для промислового синтезу речовин використовувати ферменти, оскільки ферментативні реакції відбуваються за звичайних умов і досить швидко, що відповідає принципам Зеленої хімії. Але постає проблема: як синтезувати ферменти, що каталізуватимуть саме ту реакцію, яка потрібна. Адже ферменти мають складну будову, і неможливо просто скласти певну послідовність амінокислот та очікувати, що саме ця послідовність відповідатиме ферменту з потрібними властивостями.

Арнольд почала експериментувати з генетичним кодом бактерій і розробила метод селекції бактерій, які синтезували ферменти з необхідними властивостями. Згодом це й назвали «еволюцією ферментів». У такий спосіб можна створювати ферменти для здійснення майже будь-яких реакцій (навіть тих, що неможливі в існуючих організмах), до того ж без значних енерговитрат і громіздкого обладнання. Її наукова група вже розробила ферменти для синтезу ізобутанолу з рослинної сировини, який використовують як біопаливо. У найближчій перспективі — виробництво найновітніших фармпрепаратів, матеріалів тощо.

Мал. 40.5. Пластиковий електронний пристрій без умісту металів

Дж. Сміт та Г. Вінтер винайшли спосіб селекції вірусів із необхідними білками на їхній поверхні, які виконують функції антитіл. Це назвали «фаговим дисплеєм», оскільки селекціонують саме бактеріофаги. У такий спосіб розробляють бактеріофаги, що уражатимуть лише ракові клітини. Уже створено новий фармпрепарат — адалімумаб. Він блокує запалення, що є наслідками багатьох аутоімунних захворювань. Від 2002 року адалімумабом лікують ревматоїдний артрит, а сьогодні випробовують для лікування псоріазу та запалення кишківника.

Френсіс Арнольд (нар. 1956 р.)

Лауреатка Нобелівської премії 2018 р. за дослідження еволюції ферментів

Лауреати Нобелівської премії 2018 р. за фагове відображення пептидів і антитіл (фаговий дисплей)

Ключова ідея

Значним напрямом сучасних наукових розробок із хімії є дослідження й пізнання живого на мікро- і навіть нанорівні, що дає можливість створювати нові матеріали та інші засоби майбутнього.

Завдання для розвитку критичного мислення

569. Поясніть, чи сприяють наведені в параграфі приклади наукових досягнень розв'язанню сировинної, енергетичної, продовольчої проблем та створенню нових матеріалів. Якщо так, поясніть, як саме.

570. Як ви вважаєте, чи є наведені в параграфі приклади втіленням принципів зеленої хімії? Обґрунтуйте свою думку.

Перевірте свої знання за темою «Хімія і прогрес людства», виконавши тестові завдання на сайті.