Теория Большого взрыва. Наука в сериале

Зобель Дэйв

° ' " Символ, использованный для обозначения угловых минут ('), а также для футов, – это маленькая римская цифра один (I). Символ для секунды (") и дюйма – это римская цифра два (II). Хотелось бы сказать, что маленький кружочек, обозначающий градусы (°), представляет все остальные кружочки, но нет, на самом деле он стал использоваться как маленький ноль. Правда-правда.

Невооруженный взгляд не может увидеть угол уже, чем угловая минута. Это примерно столько, сколько вы смогли бы закрыть большим пальцем из панорамы в 360 градусов… если бы ваша рука была длиной более 90 метров. Даже целый градус – это немного: это столько, сколько горизонта вы можете закрыть мизинцем на вытянутой руке. Чтобы закрыть весь горизонт, вам понадобится 180 мизинцев на каждой руке. (Но опять же, если у вас 360 мизинцев или 90-метровые руки, то скорее всего ваш

горизонт все равно закрыт разъяренными крестьянами с факелами.)

Сколько же мизинцев понадобится, чтобы закрыть все Солнце (или Луну)? Два? Шесть? Возможно, вы удивитесь, но одного мизинца вполне достаточно. Вид Солнца или Луны с Земли всего лишь в полградуса или в полмизинца шириной. (Не верите? Проверьте!)

Углы так же важны для химиков, как и для астрономов и часовщиков. Когда атомы объединяются, чтобы сформировать молекулы, они редко выстраиваются в прямые линии и остаются в одной плоскости. Электромагнитные поля между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами двигают их в самые различные позиции. Хорошим примером служит башня молекулярной модели, которая стоит у кладовки в гостиной Шелдона и Леонарда, представляющая фрагмент очень известной (и очень неплоской) двойной спирали ДНК. На самом деле, ДНК не только похожа на кривую лесенку, но она еще изгибается в причудливую спираль [32] . Даже старая добрая вода – атом кислорода в сэндвиче из двух водородов – выстраивается не в линеечку, а в широкую фигуру V, по счастливой случайности с почти таким же углом, как и у стрелок на 10:08 [33] .

32

Эта конкретная модель ДНК была составлена из двух наборов, соединенных друг с другом. ДНК одной-единственной клетки потребовала бы почти миллиарда таких наборов, и ее можно было бы обернуть вокруг Земли восемь раз.

33

Это приблизительно время, образующее «счастливую улыбку» на всех часах в рекламе. Понятное дело, часы улыбаются, потому что им нравится рассказывать нам о геометрии и молекулах (ср. с саркастической фразой Шелдона «Это он от геометрии такой веселенький?» («Арахисовая реакция» (сезон 1, эпизод 16).

Один исторический момент, в котором математика указала путь науке, запечатлен на рисунке, который можно увидеть мельком на холодильнике Леонарда и на доске доктора Гейблхаузера (хотя у последнего он с ошибкой). В 60-х было замечено, что, когда используется восьмиугольное расположение для диаграмм семейства частиц, называемых мезонами, образуются определенные закономерности. Попытки их объяснить привели к открытию частиц, ныне известных как кварки [34] .

А вот за 360 градусов окружности (почему в ней именно столько, а не десять, или не пятьдесят, или не миллион) мы должны благодарить матушку-природу: небесная дуга сама себя разделила на очень четкие градусы. Рисунок звезд, видимый только при восходе или закате солнца, смещается примерно на один градус в день. Это происходит потому, что Земля с трудом преодолевает около ¹/₃₆₀ за каждый день пути по своей практически круглой орбите вокруг Солнца. Вам это может показаться пустяком, но для ваших предков это было знанием великого значения. Задолго до того, как они договорились о том, какое небесное тело ворочается вокруг другого, они посчитали, сколько дней понадобилось, чтобы рисунок звезд повторился при закате, и назвали это годом. Этот метод был гораздо точнее наблюдений за такими климатическими явлениями, как смена времен года или наводнения.

34

«Дуальность Иерусалима» (сезон 1, эпизод 12) и «Эффект светящейся рыбки» (сезон 1, эпизод 4) соответственно.

И поскольку у предков не было особых развлечений по вечерам, кроме созерцаний звезд перед закатом (и кто сказал, что наши занятия гораздо интереснее?), они знали, что в году немногим больше 360 дней. Но число было близко к 360, и с числом 360 очень приятно работать. Оно, к примеру, делится на любое целое число от одного до десяти (за одним исключением, которые вы сами определите с легкостью). Ни одно число меньше 500 не может

этим похвастаться. На деле, число 360 можно поделить на целую кучу чисел. Это особенно полезно для деления круга на две части (или на три, или двенадцать, или девяносто). Это случается гораздо чаще, чем вы думаете.

Помимо этого в числе 360 и градусах нет ничего особенного. Можно использовать любую систему для измерения углов, и это не изменит их свойств. Например, мера под названием град (или гон) похожа на градус, только в окружности таких 400, а не 360. Поэтому град где-то на 11% уже градуса, и это значит, что гораздо меньше углов будут иметь величину, выраженную круглым числом: например, 120-градусные углы шелдоновских восьмиугольников равны 133¹/₃ града. Грады используются в основном военными и в геодезических измерениях, и несложно понять почему. Мы, люди, очень падки на прямые углы и красивые круглые цифры вроде 100. И представьте себе – прямой угол равен точно 100 градам. Это было придумано специально теми же умниками, которые составили метрическую систему (см. главу 2).

Третий способ измерения углов – радианная мера. Радиан – это довольно большой угол (почти 60 градусов), и их всего шесть с четвертью во всей окружности. И какая от этого польза?

Представьте вращающееся колесо. Каждый раз, когда оно поворачивается на угол, равный одному радиану, оно продвигается вперед на расстояние, равное собственному радиусу (отсюда и название). Радианы – это способ деления окружности, используя одну из ее частей, а не выбирая искусственное условное число, как мы делали с градусами (360) и градами (400). Это то, что делает эту меру любимицей ученых, математиков и этих помешанных на геометрии крутильщиков колес, которых так любит высмеивать Шелдон: инженеров. Правда, это он делает, только когда сам не съезжает с катушек на почве геометрии.

эврика! @ caltech.edu

Форма всегда следует за функциональностью

Когда вы имеете дело с большими и сложными молекулами вроде белка, здесь все будет упираться в углы. Белки – это строительные кирпичи клетки: они дают ей структуру, заставляют молекулы взаимодействовать, растягивая их в линию, и передают сигналы. Они состоят из аминокислотных цепей, которые отказываются лежать спокойно, а складываются, выворачиваются и сворачиваются в причудливые формы, наподобие тех кривобоких скрученных гадов, созданных воображением детсадовца из разноцветной проволоки. И это плюс, потому что именно физическая структура каждого белка и дает ему его способности.

В последние годы ученые модифицировали существующие аминокислоты и создали невиданные до этого протеины для выполнения особых задач. Азурит, совершенно новый долгоживущий ярко-синий флуоресцентный белок, был создан путем небольшого изменения некоторых аминокислот в зеленых флуоресцентных белках, которые очень удачно были названы «зелеными флуоресцентными белками» (ЗФБ). Прямое воздействие на последовательность оснований позволило моделировать такие свойства, как стабильность и устойчивость к высоким температурам, непосредственно в их структуру.

Будут ли белки вести себя так, как было задумано при их создании, зависит от того, как они укладываются, что в свою очередь определяется электромагнитными полями между аминокислотами. Их трудно просчитать, и архитекторы новых белков всегда ищут способ попроще, но в настоящее время компьютеризированный дизайн белков – это наука напополам с искусством. Соединение фрагментов оснований, скопированных из базы уже существующих компонентов, является более эффективным подходом, чем беспорядочное смешение аминокислот или, еще хуже, работа с чистого листа. Белковые цепочки обычно состоят из сотен аминокислот, и каждое звено может быть создано из нескольких десятков вариантов. Это дает множество возможностей.

Стив Мейо, одна из светлых голов, ответственных за создание азурита, является деканом факультета биологии и биоинженерии Калтеха и мастером укладки белков. Он разрабатывает процесс автоматизации построения новых дизайнов белков, который не требует большого количества удачи.

Как только подходящий рецепт найден, уже несложно замесить пробу для тестирования: нужно просто создать цепочку ДНК с необходимой последовательностью аминокислот, соединить ее с бактерией E. coli и позволить природе позаботиться о создании конвейера по созданию белка. Единственная сложность – это сам дизайн.