Совершенствуйте электронные микроскопы!

Говоря о возможности кодирования или записи бита информации группой из $5\times 5\times 5$ атомов, мы вновь возвращаемся к вопросу о методах считывания текста, записанного подобным образом. Использование электронных микроскопов для такого считывания пока представляется совершенно бесполезным, поскольку даже у самых современных электронов разрешение составляет около 10 ангстрем. Поэтому я попытаюсь вам доказать важность проблемы значительного совершенствования методов электронной микроскопии. На самом деле, эта проблема вовсе не является сложной или неразрешимой и не связана законами дифракции электронов. Длина волны электрона в таких микроскопах составляет лишь 1/20 ангстрема, так что мы вполне можем рассматривать в электронном микроскопе отдельные атомы. Впрочем, вы вправе спросить у меня, а зачем вообще нужно заниматься разглядыванием отдельных атомов? У всех нас есть друзья, работающие в других областях науки (например, в биологии), и мы, физики, часто шутливо спрашиваем их: «Ребята, а почему ваша наука развивается столь медленно?» (Хочу сразу отметить, что лично я считаю современную биологию наиболее динамично развивающейся наукой!) Иногда физики даже начинают давать биологам советы (например, мы рекомендуем им шире использовать математические методы). Биологи достаточно вежливы и обычно не реагируют на замечания физиков, но я могу ответить за них: «Для прогресса в биологии необходимо прежде всего чтобы вы, физики, специально ради нас, биологов увеличили разрешение электронного микроскопа в сто раз». Важнейшие проблемы современной биологии: какова последовательность звеньев в молекуле ДНК? как эта последовательность связана с аминокислотной последовательностью в РНК? состоит ли молекула РНК из одной или двух цепочек? как связаны последовательности в ДНК и РНК? как происходит синтез белков? как устроены микросомы? каким образом молекула РНК перемещается и располагается в клетке? какова роль аминокислот? В фотосинтезе мы до сих пор не представляем, где располагается хлорофилл и какова его структура, какова роль каротиноидов, каким образом, вообще говоря, при фотосинтезе свет преобразуется в химическую энергию. Все эти фундаментальные для биологии вопросы можно будет решить, как только мы научимся видеть изучаемые объекты и процессы! Тогда вы сможете просто наблюдать последовательность оснований в молекулярной цепочке или структуру микросомы. К сожалению, современные микроскопы слишком грубы для подобных исследований. Увеличьте их разрешение в сто раз, и многие биологические задачи сразу станут простыми и легкими. Мне даже кажется, что биологи наконец станут искренне благодарны физикам, если мы начнем давать им новые возможности для работы вместо советов о пользе применения математических методов. Современная теория химических процессов целиком основана на теоретической физике, так что в каком-то смысле можно считать, что химия вытекает из физики. Однако в химии важную роль играют аналитические методы, и при встрече с новым или неожиданным веществом химик начинает длительный и сложный процесс его идентификации. Сейчас химики умеют анализировать практически все, так что предлагаемая мною идея, возможно, несколько запоздала, однако в принципе, если физики захотят, то они сумеют существенно помочь и химикам-аналитикам. Ведь физики могут легко проанализировать состав любого сложного соединения, просто-напросто определив местоположение и сорт входящих в его состав атомов! Единственная проблема для решения таких задач -- нужно примерно в сто раз повысить разрешающую способность электронных микроскопов. В связи с этим чуть позднее я поставлю перед вами гораздо более важный вопрос, а именно: не могут ли физики решить третью важнейшую проблему химии, то есть осуществлять прямой синтез химических соединений? Я подразумеваю физический метод синтеза химических веществ! Недостаточная мощность нынешних электронных микроскопов обусловлена тем, что фокусное расстояние электронных линз (так называемый f-фактор) составляет лишь 1/1000, так что вы просто не можете обеспечить для них требуемую числовую апертуру. Есть теоремы, в соответствии с которыми для стационарных полей с осевой симметрией вы никогда не можете получить достаточно большие значения f по целому ряду причин (существуют теоретические ограничения на величину разрешающей способности и т.п.). Однако почему, собственно говоря, мы должны пользоваться только осесимметричными полями? Почему эти поля должны быть обязательно стационарными? Разве нельзя использовать электрические пучки с переменной интенсивностью и с электрическим полем, изменяющимся вдоль траектории? Неужели используемые поля могут быть только симметричными? Я специально ставлю эти вопросы, чтобы вы почувствовали вызов, который диктует нам время. Неужели мы не можем создать более мощные электронные микроскопы? Поразительные примеры микроскопической, сверхкомпактной записи в биологических системах заставляют нас задуматься и о других возможностях. В биологии информация не просто записывается, она обрабатывается и используется. При этом, несмотря на то что сами биосистемы (в частности, я говорю о клетках) очень малы, они могут осуществлять весьма разнообразные и очень активные действия: клетки вырабатывают различные вещества, изменяют собственную форму, энергично перемещаются и выполняют уйму других, весьма замысловатых операций. Вы только представьте себе возможности, которые открывает перед нами изготовление микроскопических объектов, способных выполнять задания и маневры в столь малых масштабах!