240 лет назад в английской деревне Иглсфилд родился английский физик и химик Джон Дальтон (John Dalton).
Сын ткача, знания он получил самостоятельно. Преподавал математику в колледже. Проводил метеорологические наблюдения, исследовал цвет неба, природу тепла, преломление и отражение света. Именем Дальтона назван дефект зрения — дальтонизм, которым он страдал и который описал в 1794 году.
В области физики Дальтон открыл законы, описывающие поведение газов и газовых смесей. В области химии Дальтон ввел понятие атомной массы. Приняв за единицу массу атома водорода, в 1803 году он составил первую таблицу относительных атомных масс элементов. Он также открыл закон кратных отношений: если два элемента образуют несколько соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа. Дальтон рассматривал химические реакции как связанные друг с другом процессы соединения и разъединения атомов. Только так можно было объяснить, почему превращение одного соединения в другое сопровождается скачкообразным изменением состава. Дальтон считал, что каждый атом должен, кроме определенной массы, обладать специфическими свойствами и быть неделимым. Однако Дальтон не делал различия между атомами и молекулами, называя последние сложными атомами. В 1804 он предложил систему химических знаков для «простых» и «сложных» атомов.
По словам современников Дальтона, он был достаточно грубым экспериментатором, «верил скорее своей голове, чем рукам». По его собственным словам, он также мало доверял результатам, полученным другими учеными. Однажды он признался в том, что вся его библиотека уместилась бы у него за спиной. Тем не менее, Дальтон был членом многих академий наук и научных обществ и оставил огромный след в развитии химии как науки, применив к ней атомистическую теорию и развив ее.
Двести лет после Дальтона были для химии годами бурного развития. Химия стала ключевым компонентом многих научных дисциплин. Журнал Nature задался вопросом: стала ли химия сегодня только необходимым инструментом для других наук или же в ней остались фундаментальные проблемы, ждущие своего решения? С этим вопросом журнал обратился ко многим ведущим химикам мира.
Во-первых, большинство ученых отмечало, что химия сегодня имеет дело не с большими вопросами, а скорее, с большими практическими вызовами. «Химия – это большое научное предприятие, индустриальный двигатель», - сказал Рон Бреслоу (Ron Breslow) химик-органик из Колумбийского университета (Columbia University) и президент Американского химического общества (ACS). Химия сегодня решает такие практические проблемы, как эффективное производство энергии с помощью солнечного света, создание эффективного сверхпроводника, работающего при комнатной температуре, изменение существующих производств таким образом, чтобы сделать их безвредными для окружающей среды.
Второе направление, о котором говорили респонденты, это проникновение химии в смежные науки, особенно в биологию. Понимание биологических процессов часто можно свести к пониманию химии этих процессов. Существует также спорный взгляд на клетку, как на химическую фабрику, которая к собственно биологии не имеет никакого отношения. Синтетическая биология также выглядит для химиков прикладной отраслью химии, которая занимается синтезом ДНК и белковым дизайном. С помощью химии решаются и такие биологические проблемы, как складывание (фолдинг) белковых молекул, передача сигналов в живом организме, химические основы памяти и работы мозга. Существует проблема самоорганизации молекул – как возникла жизнь и как в результате появились существа, способные изучать свое собственное возникновение. Возможно, когда-нибудь будет возможно соединить силиконовую электронику и серое вещество мозга, которое использует химические сигналы для передачи информации. «Как подключить мой компьютер к моему мозгу?», - эту проблему собирается решить Джордж Уайтсайз (George Whitesides), химик из Гарвардского университета (Harvard University).
Химия как инструмент используется не только в биологии, но и в других классических науках, например, в такой, казалось бы, далекой от химии астрономии. Такие вопросы, как «что находится на спутнике Юпитера Титане» или «как много планет, подобных Земле», в основе своей – молекулярные.
Решать междисциплинарные проблемы – удел современной химии. Но в ней всегда есть собственно «химический», главный вопрос – как связаны структура и функции той или иной молекулы. Отношения структуры и свойств молекул – важный теоретический и практический вопрос всей химии.
Ученые – химики соглашаются с тем, что в химии нет таких фундаментальных проблем, как в физике («как родилась наша Вселенная, какие законы управляют пространством и временем в масштабах от атома до космоса») или в биологии («что такое жизнь»). Но они отмечают, что химия может ставить задачи другого типа, недоступные для остальных наук. Химия сама создает себе объекты, синтезируя молекулы, ранее не существовавшие в природе. «Где вы видели синтетическую астрономию, которая может изменить константу гравитации и посмотреть, что из этого получится, какой эффект это произведет на Вселенную, и возможно, улучшит ее?», - спрашивает Рон Бреслоу.
Химики не пытаются понять мир. Они хотят понять множество миров. Было подсчитано, что из обычных химических элементов возможно синтезировать 1040 разных молекул размером в среднюю молекулу обычно использующихся лекарств. Пока синтезирован только 1% от этого возможного количества.
«В химии нет святого Грааля», - говорит нобелевский лауреат Роальд Хоффман (Roald Hoffmann), работающий в Корнельском университете (Cornell University), - «Удовлетворение приходит в результате преследования цели. Мне нравится решать множество небольших проблем в прекрасном химическом саду, в котором я стараюсь найти связи между вещами». С ним соглашаются многие ученые, посвятившие себя химии.