Теория химического строения
19 сентября 1861 года на Съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Шрейере с докладом «О химическом строении вещества» выступил русский химик Александр Бутлеров. В начале своего выступления он констатировал сложившееся на тот момент в органической химии резкое отставание теории от накопленного в огромных количествах фактического материала.
Наиболее острым был вопрос: являются ли молекулы веществ простым беспорядочным нагромождением атомов или же представляют собой частицы с определённой структурой? Господствующая в то время теория типов Жерара решать этот вопрос принципиально отказывалась, считая молекулу не подлежащей познанию «вещью в себе». С другой стороны, открытие радикалов и формулирование понятия валентности элементов подталкивало химиков к мысли, что молекулы различных веществ всё же имеют определённую структуру.
Основные положения своей теории Александр Бутлеров сформулировал следующим образом:
- «Полагая, что каждому химическому атому свойственно лишь определённое и ограниченное количество химической силы (сродства), с которой он принимает участие в образовании тела, я назвал бы химическим строением эту химическую связь, или способ взаимного соединения атомов в сложном теле».
- «… химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением».
В этом же докладе были сформулированы и пути изучения структуры вещества — исследование механизмов химических реакций, приводящих к его синтезу. Также утверждалось, что химические свойства любого вещества могут быть предсказаны на основании его структурной формулы.
Вскоре удалось получить практическое подтверждение новой теории. В 1863 году Бутлеров смог синтезировать самый простой из третичных спиртов — триметилкарбинол. В 1864–1866 годах он впервые системно применил положения своей теории при написании учебника «Введение к полному изучению органической химии». Книга произвела настоящую революцию в органической химии и вскоре была переведена на все основные европейские языки.
Периодический закон
В 1869 году Россия подарила миру ещё одно фундаментальное открытие в области химии. Дмитрий Менделеев впервые заявил, что «свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Конечно, поиски принципов классификации химических элементов предпринимались и ранее. К таковым можно отнести триады Иоганна-Вольфганга Дёберейнера, «земную спираль» Александра Эмиля де Шанкуртуа и октавы Джона Ньюлендса. Ближе всех к пониманию периодичности зависимости свойств элементов от атомного веса подошёл немецкий химик Лотар Мейер, однако составленная им таблица включала всего лишь 44 химических элемента из 63 известных в то время.
В своих работах Дмитрий Менделеев дал следующую оценку попыткам предшественников: «Нет ни одного сколько-нибудь общего закона природы, который бы основался сразу, всегда его утверждению предшествует много предчувствий, а признание закона наступает не тогда, когда он вполне осознан во всём его значении, а лишь по утверждении его следствий опытами, которые естествоиспытатели должны признавать высшею инстанциею своих соображений и мнений».
Предложенный Менделеевым в 1869 году вариант Периодической системы химических элементов также ещё не был свободен от некоторых «несообразностей», которые пришлось постепенно устранять до 1871 года. В отличие от своих предшественников он решился объявить открытые им закономерности законом природы и попытался предсказать свойства пока неоткрытых элементов: экаалюминия, экабора и экасилиция. Вскоре предположения русского учёного блестяще подтвердились: в 1875 году открыли галлий, в 1879 году — скандий, в 1886 году — германий, свойства которых соответствовали предсказаниям Дмитрия Менделеева. Это явилось настоящим триумфом, после которого Периодический закон стал одной из главных теоретических основ химии.
Но истинное значение Периодического закона удалось понять благодаря успехам не химиков, а физиков. Открытие электрона и радиоактивности позволило установить «материальный субстрат» периодической зависимости свойств химических элементов.
Подъёмная сила крыла самолёта
17 декабря 1903 года два американца — братья Уилбур и Орвилл Райт — совершили первый в истории человечества воздушный полёт на аппарате тяжелее воздуха с двигателем. Это сделало возможным развитие всего последующего самолётостроения. Одной из составляющей их успеха стала разработка конструкции крыла с достаточной подъёмной силой. Для этого братьям пришлось испытать в аэродинамической трубе более 200 вариантов крыльев с различной формой и профилем. Такова была плата за отсутствие подходящей теории.
Между тем в России уже много лет вёл свои исследования в области аэродинамики Николай Жуковский. 3 ноября 1891 года он выступил с докладом «О парении птиц», в котором разобрал два случая планирующего полёта: планирование с потерей высоты и планирование с сохранением или даже набором высоты. Сформулированные Жуковским уравнения позволили рассчитать траектории полёта при различных условиях движения воздуха, в том числе «на кончике пера», удалось предсказать и траекторию в виде «мёртвой петли». Фактически эта работа заложила научные основы динамических исследований нестационарных движений самолёта и выполнения фигур высшего пилотажа.
В 1894 году Николай Жуковский сделал уже шесть докладов о летательных аппаратах тяжелее воздуха. Ему удалось установить, что крылья, выполненные в виде плоских пластинок, невыгодны, так как их подъёмная сила слишком мала, а также факт, что «значительная экономия работы при летании птицы имеет одной из причин эффект вогнутости её крыльев».
Постепенно исследования привели к формулированию в 1904 году фундаментального закона, вошедшего в историю науки как теорема Жуковского: «Величина подъёмной силы крыла на метр размаха равняется произведению плотности воздуха на циркуляцию скорости и на скорость полёта аэроплана». В дальнейшем результаты своих опытов с различными профилями крыла и углами атаки он изложил в книге «Теоретические основы воздухоплавания». Теперь конструкторы получили в своё распоряжение мощный математический аппарат, позволяющий избежать многих ошибок при проектировании самолётов.
В дополнение к исследованию крыла самолёта с 1912 года стали выходить в свет и работы Жуковского, посвящённые теории воздушного винта.
И даже современная аэродинамика продолжает базироваться на выдающихся работах Жуковского, по праву признанного «отцом русской авиации».
Условные рефлексы
В 1904 году Нобелевской премии в области медицины и физиологии удостоился великий русский учёный Иван Павлов. И, хотя официальная формулировка гласила, что награда присуждена «за работу по физиологии пищеварения», проделанная работа позволила Павлову впервые сформулировать принципы высшей нервной деятельности — совокупности безусловных и условных рефлексов, а также высших психических функций, обеспечивающих адекватные поведенческие реакции животных и человека.
Исследования Павлова показали, что условный рефлекс в отличие от безусловного не передаётся по наследству, а возникает при определённых условиях и исчезает при их отсутствии. Условные рефлексы формируются на основе безусловных. Например, если дать собаке понюхать мясо, то у неё начинает выделяться желудочный сок. Если одновременно звенит звонок, то собака начинает ассоциировать его звук с появлением мяса. Вскоре при звуке звонка у неё начнёт выделяться желудочный сок даже в отсутствие мяса. Это простейший вариант приобретённого поведения, появляющегося по мере образования в коре головного мозга условно-рефлекторных связей. Ивану Петровичу Павлову удалось доказать, что высшая нервная деятельность представляет собой совокупность условных и безусловных рефлексов, а также высших психических функций, обеспечивающих адекватное поведение животных и человека и изменяющихся в природных и социальных условиях.
Вряд ли можно найти другого русского учёного, получившего столь большую известность за рубежом: весь мир знает «павловских собачек». Известный английский писатель-фантаст Герберт Уэллс утверждал, что «это звезда, которая освещает мир, проливая свет на ещё не изведанные пути».
Фагоцитоз
Великий русский физиолог и патолог Илья Мечников считается основателем фагоцитарной теории иммунитета. Он доказал существование в организме особых клеток, способных поглощать патогенные микроорганизмы.
В 1882 году, изучая подвижные клетки в личинках морских звёзд, Мечников впервые предположил, что они играют важную роль в защите организма. С целью проверки своей догадки он воткнул в личинку небольшие иголки мандаринового дерева. Через несколько часов обнаружилось, что подвижные клетки окружили иголки. Вскоре по предложению известного немецкого зоолога Карла Фридриха Вильгельма за подвижными клетками закрепилось название фагоцитов.
Год спустя Мечникову удалось установить, что фагоциты уничтожают попавшие на дафнии (мелкие пресноводные ракообразные) грибные споры, а вскоре подобное явление было открыто и в ходе наблюдения за белыми кровяными клетками млекопитающих. Процесс назвали фагоцитозом. Мечников совершенно правильно понял роль фагоцитов как первичной защиты от проникающих микроорганизмов.
Основные положения новой теории Илья Мечников сформулировал в своей опубликованной в 1901 году работе «Невосприимчивость в инфекционных болезнях». Мировое научное сообщество по достоинству оценило заслуги русского исследователя, присудив ему в 1908 году Нобелевскую премию. В приветственной речи говорилось, что Мечников «положил начало современным исследованиям по… иммунологии и оказал глубокое влияние на весь ход её развития». Несмотря на то что большая часть его активной научной жизни проходила в стенах Пастеровского института в Париже, в ответ на официальный запрос Нобелевского комитета, является ли будущий лауреат русским или французом, он с гордостью ответил, что «всегда был и продолжает быть русским».