Нарисовать что такое биология
Специфика биологического рисунка для школьников средних классов
Биологический рисунок – один из общепризнанных инструментов изучения биологических объектов и структур. Есть немало хороших методичек, затрагивающих эту проблему.
Например, в трехтомнике «Биология» Грина, Стаута, Тэйлора сформулированы следующие правила биологического рисунка.
1. Необходимо пользоваться бумагой для рисования соответствующей толщины и качества. С нее должны хорошо стираться карандашные линии.
2. Карандаши должны быть острыми, твердости НВ (в нашей системе – ТМ), не цветными.
3. Рисунок должен быть:
– достаточно крупным – чем больше элементов составляют исследуемый объект, тем крупнее должен быть рисунок;
– простым – включать очертания структуры и других важных деталей, чтобы показать расположение и связь отдельных элементов;
– нарисован тонкими и отчетливыми линиями – каждую линию необходимо продумать и затем нарисовать без отрыва карандаша от бумаги; не штриховать и не раскрашивать;
– надписи должны быть по возможности полными, идущие от них линии не должны пересекаться; оставляйте вокруг рисунка место для подписей.
4. Делать при необходимости два рисунка: схематический рисунок, показывающий основные черты, и детальный рисунок мелких частей. Например, при малом увеличении нарисовать план поперечного сечения растения, а при большом увеличении – детальное строение клеток (крупно нарисованную часть рисунка обводят на плане клином или квадратом).
5. Рисовать следует только то, что вы действительно видите, а не то, что вам кажется, что вы видите, и, конечно же, не копировать рисунок из книги.
6. Каждый рисунок должен иметь название, указание об увеличении и проекции образца.
Страница из книги «Введение в зоологию» (немецкое издание конца XIX века)
На первый взгляд, достаточно просто и не вызывает возражений. Однако некоторые тезисы нам пришлось пересмотреть. Дело в том, что авторы подобных пособий рассматривают специфику биологического рисунка уже на уровне института или старших классов спецшкол, их рекомендации обращены к достаточно взрослым людям с аналитическим (уже) складом ума. В средних же (6–8-х) классах – как обычных, так и биологических – дела обстоят не так просто.
Очень часто лабораторные зарисовки превращаются во взаимное «мучительство». Некрасивые и мало вразумительные рисунки не нравятся ни самим детям – они просто еще не умеют рисовать, ни учителю – потому, что те детали строения, из-за которых все затевалось, очень часто пропускаются большинством детей. Нормально справляются с такими заданиями (и не начинают их ненавидеть!) только художественно одаренные дети. Короче говоря, проблема заключается в том, что есть объекты, но отсутствует адекватная техника. Кстати сказать, перед учителями рисования иногда стоит обратная проблема – есть техника и трудно с подбором объектов. Может быть, стоит объединиться?
В 57-й московской школе, где я работаю, достаточно давно существует и продолжает развиваться в настоящее время интегрированный курс биологического рисования в средних классах, в рамках которого работают в паре учителя биологии и рисования. Нами было разработано много интересных проектов. Результаты их неоднократно выставлялись в московских музеях – Зоологическом МГУ, Палеонтологическом, Дарвиновском, на различных фестивалях детского творчества. Но главное – обычные, не отобранные ни в художественные, ни в биологические классы, дети с удовольствием выполняют эти проектные задания, гордятся собственными работами и, как нам кажется, начинают всматриваться в мир живого гораздо пристальнее и вдумчивее. Конечно, не в каждой школе есть возможность для совместной работы учителей биологии и рисования, но часть наших находок, наверное, будет интересна и полезна, даже если вы работаете только в рамках программы по биологии.
Мотивация: вначале эмоции
Разумеется, мы рисуем для того, чтобы лучше изучить и понять особенности строения, познакомиться с разнообразием тех организмов, которые мы изучаем на уроках. Но, какое бы задание вы ни давали, помните, что детей этого возраста очень важно перед началом работы эмоционально захватить красотой и целесообразностью объекта. Работу над новым проектом мы стараемся начать с ярких впечатлений. Лучше всего подходит для этого либо короткий видеофрагмент, либо небольшая (не более 7–10!) подборка слайдов. Наши комментарии направлены на необычность, красоту, удивительность объектов, даже если это нечто обыденное: например, зимние силуэты деревьев при изучении ветвления побегов – они могут быть либо заиндевевшими и напоминающими кораллы, либо подчеркнуто графичными – черными на белом снегу. Такое введение не должно быть длительным – всего несколько минут, но оно очень важно для мотивации.
Ход работы: аналитическое построение
Затем вы переходите к формулировке задания. Здесь важно сначала выделить те особенности строения, которые определяют облик объекта, и показать их биологический смысл. Разумеется, все это необходимо выписать на доске и записать в тетради. Собственно именно теперь вы ставите перед учениками рабочую задачу – увидеть и отобразить.
А дальше, на второй половине доски, вы расписываете этапы построения рисунка, дополняя их схемами, т.е. излагаете методику и порядок работы. По существу, вы сами бегло выполняете задание на глазах у детей, сохраняя на доске весь ряд вспомогательных и промежуточных построений.
На этом этапе очень хорошо показать детям законченные рисунки либо художников, изображавших те же объекты, либо удачные работы предыдущих школьников. Необходимо постоянно подчеркивать, что хороший и красивый биологический рисунок по сути своей есть исследование – т.е. ответ на вопрос о том, как устроен объект, а со временем научить детей самих формулировать эти вопросы.
Построение рисунка – и исследование объекта! – вы начинаете с выяснения его пропорций: отношения длины к ширине, частей к целому, обязательно задавая довольно жестко формат рисунка. Именно формат автоматически определит степень детализации: на мелком пропадет большое число деталей, крупный потребует насыщения деталями и, следовательно большего времени на работу. Продумайте заранее, что именно вам важнее в каждом конкретном случае.
Далее необходимо сделать вспомогательные построения. Например для рисунка «Жилкование крыла у насекомых» (рис. 1) надо:
1) провести ось симметрии;
2) построить две пары симметричных прямоугольников – для верхних и нижних крыльев (например, стрекозы), определив вначале их пропорции;
3) вписать в эти прямоугольники кривые линии крыльев
Рис. 1. 7-й класс. Тема «Отряды насекомых». Тушь, перо по карандашу, с атласа
Зато как он был счастлив, когда его рисунок попал на школьную выставку, – впервые – получилось! А я теперь все этапы наших с ним мучений проговариваю в описании «Хода работы».
Дальнейшая детализация рисунка как раз и приводит нас к обсуждению биологического смысла многих особенностей объекта. Продолжая пример с крыльями насекомых (рис. 2), мы обсуждаем, что такое жилки, как они устроены, почему обязательно сливаются в единую сеть, чем характер жилкования различается у насекомых разных систематических групп (например, у древне- и новокрылых), почему крайняя жилка передних крыльев утолщена и т.п. И постарайтесь большую часть своих инструкций дать в форме вопросов, на которые детям нужно найти ответы.
Рис. 2. «Стрекоза и муравьиный лев». 7-й класс, тема «Отряды насекомых». Тушь, перо по карандашу, с атласа
Кстати, постарайтесь подобрать побольше объектов одного типа, предоставив ребятам возможность выбора. По окончании работы класс увидит и биологическое разнообразие группы, и важные общие черты строения, и, наконец, не так будут важны разные способности к рисованию у детей.
К сожалению, не всегда в распоряжении школьного учителя находится достаточное количество разнообразных объектов одной группы. Возможно, вам пригодится наш опыт: при изучении группы мы сначала делаем фронтально рисунок легкодоступного объекта с натуры, а затем индивидуально – рисунки различных объектов с фотографий или даже с рисунков профессиональных художников.
Рис. 3. Креветка. 7-й класс, тема «Ракообразные». Карандаш, с натуры
Например, в теме «Ракообразные» на лабораторной работе «Внешнее строение ракообразного» мы все сначала рисуем креветок (вместо раков), купленных замороженными в продовольственном магазине (рис. 3), а затем, после просмотра краткого видеофрагмента, индивидуально – разных планктонных личинок ракообразных (рис. 4), изображенных в «Жизни животных»: на больших (А3) листах, тонированных акварелью в холодноватые серые, голубые, зеленоватые тона; мелом или белой гуашью, прорабатывая тонкие детали тушью и пером. (Объясняя, как передать прозрачность планктонных рачков, можно предложить простейшую модель – стеклянную банку с вложенным в нее предметом.)
Рис. 4. Планктон. 7-й класс, тема «Ракообразные». Тонированная бумага (формат А3), мел или белая гуашь, черная тушь, с атласа
В 8-м классе, при изучении рыб, на лабораторной работе «Внешнее строение костной рыбы» рисуем сначала обычную воблу, а потом ребята акварелью рисуют представителей разных отрядов рыб с великолепных цветных таблиц «Промысловые рыбы», которые есть у нас в школе.
Рис. 5. Скелет лягушки. 8-й класс, тема «Амфибии». Карандаш, с учебного препарата
При изучении земноводных сначала – лабораторная работа «Строение скелета лягушки», рисунок в простом карандаше (рис. 5). Затем, после просмотра короткого видеофрагмента, – акварельный рисунок различных экзотических лягушек – листолазов и пр. (Срисовываем с календарей с высококачественными фотографиями, благо, они сейчас не редкость.)
При такой схеме довольно скучные карандашные рисунки одного и того же объекта воспринимаются как нормальный подготовительный этап к ярким и индивидуальным работам.
Немаловажно: техника
Между тем достаточно карандашный эскиз выполнить в туши, да еще взять тонированную бумагу (мы часто используем цветную бумагу для принтеров) – и результат будет восприниматься совсем иначе (рис. 6, 7). Ощущение незавершенности часто создает именно отсутствие проработанного фона, и проще всего решить эту проблему с помощью тонированной бумаги. Кроме того, используя обычный мел или белый карандаш, можно практически мгновенно достичь эффекта блика или прозрачности, что часто бывает нужно.
Рис. 6. Радиолярия. 7-й класс, тема «Простейшие». Тонированная бумага (формат А3) для акварели (с шероховатой фактурой), тушь, пастель или мел, с атласа
Рис. 7. Пчела. 7-й класс, тема «Отряды насекомых». Тушь, перо по карандашу, объем – кистью и разбавленной тушью, мелкие детали пером, с атласа
Если организовать работу с тушью вам сложно, используйте мягкие черные лайнеры или роллеры (на худой конец – гелевые ручки) – они дают тот же эффект (рис. 8, 9). Используя эту технику, обязательно покажите, как много информации дает использование линий разной толщины и нажима – и для выделения самого важного, и для создания эффекта объема (передний и задний план). Также можно использовать умеренную и легкую штриховку.
Рис. 8. Овес. 6-й класс, тема «Разнообразие цветковых растений, семейство Злаки». Тушь, тонированная бумага, с гербария
Рис. 9. Хвощ и плаун. 6-й класс, тема «Споровые растения». Тушь, белая бумага, с гербария
Кроме того, в отличие от классических научных рисунков, мы часто делаем работы в цвете или используем легкое тонирование для показания объема (рис. 10).
Рис. 10. Локтевой сустав. 9-й класс, тема «Опорно-двигательная система». Карандаш, с гипсового пособия
Из цветных техник мы перепробовали многие – акварель, гуашь, пастель и в конечном итоге остановились на мягких цветных карандашах, только обязательно по шероховатой бумаге. Если вы решите попробовать эту технику, нужно иметь в виду несколько важных нюансов.
1. Подберите мягкие качественные карандаши хорошей фирмы, например «Кохинор», но не давайте детям большую гамму цветов (достаточно основных): в этом случае они обычно пытаются подобрать уже готовый цвет, что конечно не удается. Покажите, как добиться верного оттенка, смешивая 2–3 цвета. Для этого необходимо работать с палитрой – листком бумаги, на котором они подбирают нужные сочетания и силу нажима.
2. Шероховатая бумага сильно облегчит задачу использования слабого и сильного цвета.
3. Легкие короткие штрихи должны как бы лепить форму объекта: т.е. повторять основные линии (а не раскрашивать, противореча форме и контурам).
4. Затем нужны завершающие сочные и сильные штрихи, когда верные цвета уже подобраны. Часто стоит добавить блики, что очень оживит рисунок. Самое простое – использовать для этого обычный мел (на тонированной бумаге) или пройтись мягким ластиком (на белой). Кстати, если вы используете сыпучие техники – мел или пастель – можно потом закрепить работу лаком для волос.
При освоении этой техники вы сможете ее использовать и в природе, при недостатке времени, буквально «на коленке» (только не забудьте о планшетах – достаточно куска упаковочного картона!).
И, конечно же, для успешности работы мы обязательно устраиваем выставки – иногда в классе, иногда в коридорах школы. Довольно часто к выставке приурочены детские доклады по той же тематике – как устные, так и письменные. В целом такой проект оставляет у вас и у детей ощущение большой и красивой работы, к которой стоит готовиться. Наверное, при контакте и взаимной заинтересованности с учителем рисования можно начинать работу на уроках биологии: аналитический подготовительный этап изучения объекта, создание карандашного эскиза, а заканчивать ее в выбранной вами совместно технике – на его уроках.
Вот пример. Ботаника, тема «Побег – почка, ветвление, строение побега». Ветка с почками – крупно на переднем плане, на заднем – силуэты деревьев или кустарников на фоне белого снега и черного неба. Техника – черная тушь, белая бумага. Ветки – с натуры, силуэты деревьев – с фотографий или книжных рисунков. Название – «Деревья зимой», или «Зимний пейзаж».
Другой пример. При изучении темы «Отряды насекомых» мы выполняем небольшую по времени работу «Форма и объем жуков». Любая техника, передающая светотени и блики (акварель, тушь с водой, кисть), – но монохромная, чтобы не отвлекаться от рассмотрения и изображения формы (рис. 11). Детали лучше проработать пером или гелевой ручкой (если воспользоваться лупой – лапки и голова получатся лучше).
Рис. 11. Жуки. Тушь, перо по карандашу, объем – кистью и разбавленной тушью, мелкие детали пером, с атласа
Достаточно 1–2 красивых работ в четверти – и рисование живого будет радовать всех участников этого нелегкого процесса.
12 методов в картинках: структурная биология
Авторы
Редакторы
Науки о жизни идут по пути от крупного к мелкому. Совсем недавно биология описывала исключительно внешние черты животных, растений, бактерий. Молекулярная биология изучает живые организмы на уровне взаимодействий отдельных молекул. Биология структурная — исследует процессы в клетках на уровне атомов. Если хотите узнать, как «увидеть» отдельные атомы, как работает и «живет» структурная биология и какие использует приборы, вам сюда!
12 биологических методов в картинках
Генеральный партнер цикла — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Одна из главных миссий «Биомолекулы» — докопаться до самых корней. Мы не просто рассказываем, какие новые факты обнаружили исследователи — мы говорим о том, как они их обнаружили, стараемся объяснить принципы биологических методик. Как вытащить ген из одного организма и вставить в другой? Как проследить в огромной клетке за судьбой нескольких крошечных молекул? Как возбудить одну крохотную группу нейронов в огромном мозге?
И вот мы решили рассказать о лабораторных методах более системно, собрать воедино в одной рубрике самые главные, самые современные биологические методики. Чтоб было интереснее и нагляднее, мы густо проиллюстрировали статьи и даже кое-где добавили анимации. Мы хотим, чтобы статьи новой рубрики были интересны и понятны даже случайному прохожему. И с другой стороны — чтобы они были так подробны, что даже профессионал мог бы обнаружить в них что-то новое. Мы собрали методики в 12 больших групп и собираемся сделать на их основе биометодический календарь. Ждите обновлений!
Зачем нужна структурная биология?
Как известно, биология — это наука о жизни. Появилась она в самом начале XIX века и первые сто лет своего существования была сугубо описательной. Главной задачей биологии в то время считали найти и охарактеризовать как можно большее количество видов различных живых организмов, чуть позже — выявить родственные связи между ними. Со временем и с развитием других областей науки из биологии выделились несколько ветвей с приставкой «молекулярный»: молекулярная генетика, молекулярные биология и биохимия — науки, изучающие живое на уровне отдельных молекул, а не по внешнему виду организма или взаиморасположению его внутренних органов. Наконец, совсем недавно (в 50-х годах прошлого века) появилась такая область знания, как структурная биология — наука, изучающая процессы в живых организмах на уровне изменения пространственной структуры отдельных макромолекул. По сути, структурная биология находится на стыке трех различных наук. Во-первых, это биология, потому что наука изучает живые объекты, во-вторых, физика, поскольку используется широчайший арсенал физических экспериментальных методов, а в-третьих, химия, так как изменение структуры молекул — объект именно этой дисциплины.
Структурная биология изучает два основных класса соединений — белки (основное «рабочее тело» всех известных организмов) и нуклеиновые кислоты (главные «информационные» молекулы). Именно благодаря структурной биологии мы знаем, что ДНК имеет структуру двойной спирали, что тРНК нужно изображать в виде винтажной буквы «Г», а в рибосоме есть большая и малая субъединицы, состоящие из белков и РНК в определенной конформации.
Глобальная цель структурной биологии, как и любой другой науки, — «понять, как все устроено». В какую форму свернута цепь белка, который заставляет клетки делиться, как изменяется упаковка фермента во время химического процесса, который он осуществляет, какими местами взаимодействуют гормон роста и его рецептор — вот вопросы, на которые отвечает эта наука. Более того, отдельной целью является накопление такого объема данных, чтобы на эти вопросы (по еще неизученному объекту) можно было ответить на компьютере, не прибегая к дорогостоящему эксперименту.
Например, нужно понять, как работает система биолюминесценции у червей [1] или грибов — расшифровали геном, на основании этих данных нашли нужный белок и предсказали его пространственную структуру вместе с механизмом работы. Стоит, правда, признать, что пока такие методы существуют только в зачаточной стадии, и точно предсказать структуру белка, имея только его ген, еще невозможно [2]. С другой стороны, результаты структурной биологии имеют применение в медицине. Как надеются многие исследователи, знания о структуре биомолекул и о механизмах их работы позволят разрабатывать новые лекарства на рациональной базе, а не методом проб и ошибок (высокопроизводительного скрининга, если говорить строго), как это делается чаще всего сейчас. И это не научная фантастика: уже есть много лекарств, созданных или оптимизированных с применением структурной биологии [3].
История структурной биологии
Рисунок 1. Важные этапы на пути структурной биологии. Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.
История структурной биологии (рис. 1) достаточно коротка и стартует в начале 1950-х, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, основываясь на данных Розалинд Франклин по дифракции рентгеновских лучей на кристаллах ДНК, собрали из винтажного конструктора модель известной сейчас всем двойной спирали [4]. Чуть раньше Лайнус Полинг построил первую правдоподобную модель α-спирали, одного из базовых элементов вторичной структуры белков (рис. 2) [5].
Рисунок 2а. На заре структурной биологии. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик рядом с моделью двойной спирали ДНК, собранной из конструктора.
Рисунок 2б. На заре структурной биологии. Лайнус Полинг рядом с моделью α-спирали белка.
Спустя пять лет, в 1958 году, была определена первая в мире структура белка — миоглобина (белка мышечных волокон) кашалота (рис. 3). Выглядела она, конечно, не так красиво, как современные структуры, но это была значительная веха развития современной науки.
Рисунок 3а. Первая пространственная структура белковой молекулы. Некрасивая структура миоглобина низкого разрешения из статьи в Nature 1958 года [6].
Рисунок 3б. Первая пространственная структура белковой молекулы. Джон Кендрю и Макс Перутц демонстрируют пространственную структуру миоглобина, собранную из специального конструктора.
Следующая структура белка (лизоцима) появилась лишь через семь лет, но затем события ускорились. В 1968 году была получена структура гемоглобина, в 1971 — инсулина, в 1975 году получили структуру транспортной РНК (рис. 4).
Рисунок 4. Пространственная структура транспортной РНК.
Рисунок 5. Структура бактериородопсина, полученная на основе данных электронной микроскопии.
Важнейшее событие для структурных биологов произошло в 1971 году: появилась база данных PDB (Protein Data Bank), которая сейчас содержит все пространственные структуры белков, которые были получены различными методами. В 1972 году база данных содержала всего две структуры, в 1974 — 12, сегодня в ней можно найти 126 000 различных пространственных структур, из которых 117 000 — белки. В 1975 году произошло целых два «впервые». Впервые удалось получить структуру мембранного белка — бактериородопсина, — и сделали это впервые при помощи электронной микроскопии (рис. 5) [7].
Через 10 лет, в 1984–1985 годах, первые структуры определили методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса. С того момента произошло несколько ключевых открытий: в 1985 году получили структуру первого комплекса фермента с его ингибитором, в 1994 году определили структуру АТФ-синтазы [8], главной «машины» электростанций наших клеток (митохондрий), а уже в 2000 г. получили первую пространственную структуру «фабрики» белков — рибосомы, состоящей из белков и РНК (рис. 6) [9]. В 21 веке развитие структурной биологии пошло семимильными шагами, сопровождаясь взрывным ростом количества пространственных структур. Были получены структуры многих классов белков: рецепторов гормонов и цитокинов, G-белоксопряженных рецепторов, толл-подобных рецепторов, белков иммунной системы и многих других [10–15].
Рисунок 6а. Пространственная структура АТФ-синтазы, полученная в 1994 году. Работа удостоилась нобелевской премии.
Рисунок 6б. Пространственная структура рибосомы, полученная в 2000 году. Работа удостоилась нобелевской премии.
С появлением в 2010-х годах новых технологий регистрации и обработки изображений криоэлектронной микроскопии появилось множество сложных структур мембранных белков в сверхвысоком разрешении [16], [17]. Прогресс структурной биологии не остался незамеченным: за открытия в данной области были вручены 14 нобелевских премий, из них пять — уже в 21 веке.
Методы структурной биологии
Исследования в области структурной биологии ведут при помощи нескольких физических методов, из которых только три позволяют получать пространственные структуры биомолекул в атомарном разрешении. Методы структурной биологии основаны на измерении взаимодействия исследуемого вещества с различными видами электромагнитных волн или элементарных частиц. Все методики требуют значительных финансовых ресурсов — стоимость оборудования часто поражает воображение.
Рентгеноструктурный анализ
Рисунок 7. Общая схема рентгеноструктурного анализа.
Исторически первый метод структурной биологии — рентгеноструктурный анализ (РСА) (рис. 7). Еще в начале 20 века выяснили, что по картине дифракции рентгеновских лучей на кристаллах можно изучать их свойства — тип симметрии ячейки, длину связей между атомами и пр. Если же в ячейках решетки кристаллов находятся органические соединения, то можно вычислить координаты атомов, и, следовательно, химическую и пространственную структуру этих молекул. Именно так была получена в 1949 году структура пенициллина, а в 1953 году — структура двойной спирали ДНК.
Казалось бы, все просто, но есть нюансы.
Во-первых, нужно как-то получить кристаллы, причем их размер должен быть достаточно большим (рис. 8). Если для не очень сложных молекул это выполнимо (вспомните, как кристаллизуются поваренная соль или медный купорос!), то кристаллизация белков — это сложнейшая задача, требующая неочевидной процедуры поиска оптимальных условий. Сейчас это делается при помощи специальных роботов, которые готовят и мониторят сотни различных растворов в поисках «проросших» кристаллов белков [18], [19]. Однако на заре кристаллографии получение кристалла белка могло занимать годы ценного времени.
Рисунок 8а. С чем работает рентгеноструктурный анализ. Кристаллы белков, выращенные в космосе, под микроскопом.
Рисунок 8б. С чем работает рентгеноструктурный анализ. Дифракционная картина, на основании которой получают структуры белков.
Во-вторых, на основе полученных данных («сырых» дифракционных картин; рис. 8) нужно структуру «рассчитать». Сейчас это также рутинная задача, однако 60 лет назад, в эру ламповой техники и перфокарт, было далеко не так просто.
В-третьих, даже если получилось вырастить кристалл, то совсем не обязательно, что будет определена пространственная структура белка: для этого во всех узлах решетки белок должен иметь одну и ту же структуру, что далеко не всегда так.
Ну и в-четвертых, кристалл — далеко не естественное состояние белка. Изучать белки в кристаллах — это как изучать людей, впихнув их вдесятером в малогабаритную прокуренную кухню: можно узнать, что у людей есть руки, ноги и голова, но поведение может быть не совсем таким, как в комфортной обстановке. Тем не менее, рентгеноструктурный анализ — это наиболее распространенный метод определения пространственных структур, и 90% содержимого PDB получено при помощи этого метода.
РСА требует мощных источников рентгеновских лучей — ускорителей электронов или лазеров на свободных электронах (рис. 9). Такие источники стоят дорого — несколько миллиардов долларов США, — но обычно один источник используют сотни или даже тысячи групп по всему миру за достаточно символическую плату. В нашей стране мощных источников нет, поэтому большинство ученых ездит из России в США или Европу для анализа полученных кристаллов. Подробнее об этих романтичных исследованиях можно прочесть в статье «Лаборатория перспективных исследований мембранных белков: от гена к ангстрему» [20].
Устройство лазера на свободных электронах
Как уже было сказано, для рентгеноструктурного анализа необходим мощный источник рентгеновского излучения. Чем мощнее источник, тем меньшим размером кристаллов можно обойтись, и тем меньше мучений придется испытать биологам и генным инженерам, пытающимся получить несчастные кристаллы. Рентгеновское излучение проще всего получить, ускоряя пучок электронов в синхротронах или циклотронах — гигантских кольцевых ускорителях. Когда электрон испытывает ускорение, он излучает электромагнитные волны в нужном диапазоне частот. В последнее время появились новые сверхмощные источники излучения — лазеры на свободных электронах (XFEL) [21].
Принцип работы лазера достаточно простой (рис. 9). Сначала электроны разгоняются до высоких энергий при помощи сверхпроводящих магнитов (длина ускорителя 1–2 км), а потом проходят через так называемые ондуляторы — наборы магнитов разной полярности.
Рисунок 9. Принцип работы лазера на свободных электронах. Пучок электронов ускоряется, проходит через ондулятор и излучает гамма-кванты, которые попадают на биологические образцы.
Проходя через ондулятор, электроны начинают периодически отклоняться от направления пучка, испытывая ускорение и испуская рентгеновское излучение. Поскольку все электроны движутся одинаково, то излучение усиливается за счет того, что другие электроны пучка начинают поглощать и переизлучать рентгеновские волны одной и той же частоты. Все электроны испускают излучение синхронно в виде сверхмощной и очень короткой вспышки (длительностью менее 100 фемтосекунд). Мощность рентгеновского луча настолько высока, что одна короткая вспышка превращает небольшой кристалл в плазму (рис. 10) [22], однако за те несколько фемтосекунд, пока кристалл цел, можно получить изображение высочайшего качества благодаря высокой интенсивности и когерентности луча. Стоимость такого лазера составляет 1,5 миллиарда долларов, а в мире работает всего четыре такие установки (находятся в США (рис. 11), Японии, Корее и Швейцарии). В 2017 году планируется ввод в эксплуатацию пятого — европейского — лазера, в строительстве которого участвовала и Россия.
Рисунок 10. Превращение белков в плазму за 50 фс под действием импульса лазера на свободных электронах. Фемтосекунда = 1/1000000000000000 доли секунды.
Рисунок 11. Карта лазера на свободных электронах LCLS (США).