Манфред Эйген

Манфред Эйген (нем. Manfred Eigen; 9 мая 1927, Бохум — 6 февраля 2019, Гёттинген) — немецкий физико-химик, лауреат Нобелевской премии по химии 1967 года (совместно с Рональдом Норришем и Джорджем Портером) за разработку методов исследования сверхбыстрых химических реакций. Внёс значительный вклад в химическую кинетику, термодинамику необратимых процессов и теорию эволюции, в частности, в концепцию гиперцикла.

Биография

Ранние годы и образование

Манфред Эйген родился 9 мая 1927 года в Бохуме (земля Северный Рейн-Вестфалия, Германия) в семье музыкантов. Его отец был виолончелистом, мать — пианисткой. В юности Эйген серьёзно занимался музыкой, однако после окончания гимназии в 1945 году был призван на военную службу в зенитную артиллерию. После войны он поступил в Гёттингенский университет, где изучал физику и химию. В 1951 году под руководством Арнольда Ойкена защитил докторскую диссертацию, посвящённую удельной теплоёмкости тяжёлой воды.

Научная карьера

С 1951 года Эйген работал в Институте физической химии Общества Макса Планка в Гёттингене. В 1953 году он стал ассистентом, а в 1964 году — директором этого института. В 1967 году он возглавил вновь созданный Институт биофизической химии Общества Макса Планка (ныне Институт Макса Планка по наукам о свете имени Макса Борна), где проработал до выхода на пенсию в 1995 году.

Эйген был членом многих научных академий, включая Национальную академию наук США (1966), Лондонское королевское общество (1973) и Академию наук СССР (1976, иностранный член). В 1990-х годах он активно участвовал в реформировании научной системы Восточной Германии после объединения страны.

Научные достижения

Методы исследования сверхбыстрых реакций

Основной вклад Эйгена в химическую кинетику связан с разработкой релаксационных методов. До его работ измерение скоростей очень быстрых реакций (протекающих за микросекунды и быстрее) было практически невозможным. Эйген предложил выводить систему из равновесия с помощью внешнего импульса (например, резкого изменения температуры, давления или электрического поля) и затем наблюдать за её возвращением в равновесие. Этот процесс, называемый релаксацией, происходит с характерным временем, обратно пропорциональным константам скорости прямой и обратной реакций.

Ключевые методы, разработанные Эйгеном:

• Метод температурного скачка (T-jump): Быстрый нагрев раствора (например, с помощью разряда конденсатора) и последующее спектрофотометрическое наблюдение за изменением концентрации реагентов.
• Метод скачка давления: Резкое изменение давления в системе.
• Метод ультразвуковой абсорбции: Измерение поглощения звуковых волн, которое зависит от скорости релаксации химического равновесия.

Эти методы позволили впервые измерить скорости многих важных реакций, включая протонный перенос в водных растворах, реакции комплексообразования и ферментативные реакции. За эту работу Эйген, Норриш и Портер получили Нобелевскую премию в 1967 году.

Термодинамика необратимых процессов

Эйген внёс вклад в развитие термодинамики необратимых процессов, в частности, в формулировку принципа Онзагера и применение теории линейного отклика к химическим реакциям. Он показал, что для химических реакций вблизи равновесия выполняется соотношение взаимности Онзагера, связывающее кинетические коэффициенты.

Теория гиперцикла

В 1970-х годах Эйген совместно с Петером Шустером разработал теорию гиперцикла — концепцию, описывающую возможный механизм возникновения и эволюции первых самовоспроизводящихся макромолекул (например, РНК) на ранних этапах возникновения жизни. Гиперцикл представляет собой замкнутую циклическую систему каталитических реакций, в которой каждый компонент (например, молекула РНК) катализирует образование следующего компонента, а последний катализирует образование первого. Такая система способна к самовоспроизведению и конкуренции с другими подобными системами, что может служить основой для дарвиновского отбора на молекулярном уровне.

Основные положения теории гиперцикла:

• Самовоспроизведение: Каждый элемент гиперцикла способен к репликации.
• Каталитическая взаимосвязь: Элементы цикла катализируют репликацию друг друга.
• Устойчивость: Гиперцикл устойчив к мутациям, так как ошибки в одном элементе могут быть скомпенсированы другими.
• Эволюция: Гиперциклы могут конкурировать друг с другом, и более эффективные системы вытесняют менее эффективные.

Теория гиперцикла оказала значительное влияние на понимание происхождения жизни и эволюции молекулярных систем. Она была изложена в книге «Игра природы: самоорганизация и эволюция» (нем. «Das Spiel: Naturgesetze steuern den Zufall», 1975).

Применение и значение

В химии

Методы Эйгена стали стандартными инструментами в химической кинетике. Они используются для изучения механизмов реакций, измерения констант скорости, определения энергий активации и исследования быстрых равновесных процессов. В частности, метод температурного скачка широко применяется в биохимии для изучения кинетики ферментативных реакций и связывания лигандов с белками.

В биологии

Теория гиперцикла оказала влияние на развитие синтетической биологии и эволюционной биологии. Она лежит в основе понимания того, как могли возникнуть первые самовоспроизводящиеся системы и как происходила эволюция на молекулярном уровне. Концепция гиперцикла также используется при моделировании эволюции вирусов и онтогенеза.

В философии и науке

Работы Эйгена по самоорганизации и эволюции сложных систем внесли вклад в развитие синергетики — междисциплинарного направления, изучающего процессы самоорганизации в системах различной природы. Его идеи о роли случайности и закономерности в эволюции (книга «Игра природы») стали предметом дискуссий в философии науки.

Критика

Теория гиперцикла, несмотря на её эвристическую ценность, подвергалась критике. Основные замечания касались её реалистичности в контексте ранней Земли — для возникновения гиперцикла требуется наличие достаточно сложных молекул, которые сами по себе должны были возникнуть в результате абиогенеза. Кроме того, модель гиперцикла не объясняет, как именно могли возникнуть первые каталитические РНК-молекулы (рибозимы). Некоторые исследователи считают, что гиперцикл является слишком сложной системой для того, чтобы она могла возникнуть спонтанно.

Награды и признание

• Нобелевская премия по химии (1967)
• Премия Отто Гана по физике и химии (1962)
• Медаль Бунзена (1964)
• Медаль Линнея (1973)
• Медаль Котениуса (1976)
• Медаль Гельмгольца (1978)
• Медаль Эрнста Юнга (1992)
• Орден «За заслуги перед Федеративной Республикой Германия» (1994)

Основные публикации

• Eigen, M. (1954). «Über die Kinetik sehr schnell verlaufender Ionenreaktionen in wässeriger Lösung». Zeitschrift für Physikalische Chemie. 1 (3–4): 176–200.
• Eigen, M. (1968). «New looks and outlooks on physical enzymology». Quarterly Reviews of Biophysics. 1 (1): 3–33.
• Eigen, M. (1971). «Selforganization of matter and the evolution of biological macromolecules». Naturwissenschaften. 58 (10): 465–523.
• Eigen, M., & Schuster, P. (1979). The Hypercycle: A Principle of Natural Self-Organization. Springer.
• Eigen, M. (1992). Stufen zum Leben: Die frühe Evolution im Visier der Molekularbiologie. Piper.

Источники

• Manfred Eigen – Biographical. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2024.
• Eigen, M. (1967). «Nobel Lecture: Immeasurably fast reactions». Nobel Lectures, Chemistry 1963-1970. Elsevier.
• Eigen, M., & Schuster, P. (1979). The Hypercycle: A Principle of Natural Self-Organization. Springer-Verlag.
• Küppers, B.-O. (1985). Molecular Theory of Evolution: Outline of a Physico-Chemical Theory of the Origin of Life. Springer.
• Schuster, P. (2019). «Manfred Eigen (1927–2019)». Nature. 567 (7747): 177.
• Winkler-Oswatitsch, R., & Eigen, M. (1979). «The Hypercycle: A Principle of Natural Self-Organization». Angewandte Chemie International Edition in English. 18 (10): 719–733.