Keemia tee klaasist ränisse

Marek Strandberg

Tänavune Nobeli keemiaauhind seab õigluse jalule keemiateoreetikute ja arvutikeemikute hulgas.

Keemia alal on põhiliseks materjaliks, millest tehakse selle tegevuse jaoks tööriistu – kolbe, retorte, katseklaase, jahuteid ja muud sellist – enamjaolt klaas. Nüüdseks on ilmvõimatu teha keemiateadust ühe teise ränipõhise seadmeta – arvuti ja selle protsessorita. Teooria poolelt võib öelda, et kõik eeldused keemiliste protsesside täpseks kirjeldamiseks ja ennustamiseks olid olemas XX sajandi esimeseks veerandiks. Kvantmehaanika oli suuteline, vähemalt teoreetiliselt, vastama küsimustele, kuidas paiknevad molekulis või aatomis elektronid ja tuumad, kuidas need üksteist mõjutavad ja mis saab siis, kui üks selline elektronide ja aatomite kogum, molekul, teise omasarnase lähedusse liigub.
Klaasanumatest ja muudest mõõte- ning katseseadmetest saadud teadmine aine osakestest koosneva loomuse täpsemaks kirjeldamiseks takerdus aga sobiliku kiirusega arvutamisvõimekuse puudumise taha. Keemiale sobilik teooria ja praktika arenesid möödunud sajandi esimesel veerandil jõudsalt ka ilma laialdase kvantteooria rakenduseta. Loomulikult avaldas kvantmehaanika suurt mõju keemilise sideme ja keemiliste reaktsioonide mõistmisse. Ainsaks lihtsaks ja kvantmehaaniliselt täpselt lahenduvaks süsteemiks on paraku vaid vesiniku aatom, valdav osa keemiavaldkonnast on aga palju keerukamate süsteemide mängumaal. Arvutiasjanduse edendajaks ei olnud paraku mitte huvi paremini ennustada keemilisi protsesse, vaid relatiivsusteooria ja kvantmehaanika teine rakendusvaldkond – tuumaenergia. Mõistagi kõditas sõja künnisel ühiskondi ka sõnumite kodeerimine ja lahtimuukimine – krüptograafia. Igatahes oli Teise maailmasõja lõpuks saadud arvutiasjandusele piisav kinnitus, et uudsel tehnikal on oma tähendus ja transistoride leiutamine oli lähtepunkt ka kiirenevale elektroonikarevolutsioonile.
Kõigele vaatamata jäid keemilised protsessid keerukaks ülesandeks, mille täpsem lahendamine kasvatas arvutuseks kuluvat aega ja vajamineva mälu mahtu. Just sel põhjusel otsiti ja leiti ligikaudse arvutamise meetodid. Nendes on arvutatavad funktsioonide väärtused asendatud eksperimentides mõõdetud andmetest saadud parameetritega eeldusel, et nii toimivad seosed paljudes sarnastes molekulides. Veelgi enam, keerukate süsteemide kirjeldamiseks ei peljatud ära kasutada ka mis tahes teadmisi varasemast füüsikast.
Nimelt on molekule kogu aeg kujutatud selliste pulkadega seotud kuulikestena. Keemilise keele põhiloomus, viis, kuidas molekule graafiliselt üles tähendatakse, kopeerib hästi seda arusaama. Molekulide omaduste ja olemuse arvutamisel on vaja leida see tuumade ja elektronide paiknemise viis, kus süsteemi energia tervikuna on kõige madalamas olekus. See on looduse püüd, et asju tuleb hoida võimalikult madala energeetilise väärtuse juures. Siin osutuski molekulaarmehaanika, mida 2013. aasta Nobeli keemiaauhinna laureaadid edukalt koos kvantmehaanikaga kasutasid, väga sobilikuks käiguks.
Mõnes mõttes on tänavune Nobeli keemiaauhind ka õigluse jaluleseadmine keemiateoreetikute ja arvuti­keemikute hulgas. 1998. aastal anti keemia­auhind John Pople’ile ja Walter Kohnile kvantmehaanikal põhineva keemiarakendusteks mõeldud tarkvarapaketi Gaussian eest.
Nüüdisaegset arvutikeemiat nimetataksegi juba ränikeemiaks, pidades silmas arvuteid. Bioloogias tuntud in vitro ja in vivo katsetele on lisandunud ka farmaatsias ja bioloogias tehtavad in silica katsed. Arvutieksperimentidest molekulidega on saanud täpsed ainekirjeldused, milles detailsuseni ei õnnestugi tavapäraste eksperimentide abil jõuda. Võrku ühendatud arvutid ja superarvutite võrgud on ulatuslikult kasutuses kliima- ja ilmamudelite käitamisel ning aina rohkem ka ainete omaduste ennustamisel, samuti valdkonnas, mida nimetatakse molekulaardisainiks.
Teades, milliste omadustega aine meid huvitab, on seda võimalik ka ette ennustada. Üllatuslikult tuleb aga tõdeda, et vaatamata arvutisüsteemide meeletule arengule ei ole need ikka veel sedavõrd tõhusad, et me kvantmehaanilisest algest, ab initio, nagu nimetatakse, saaksime tuletada füüsikaliselt täpseid molekulide käitumise kirjeldusi.
See tõsiasi võib olla samuti üheks argumendiks, miks nüüd, pea pool sajandist hiljem anti auhind Martin Karplusele, Michael Levittile ja Arieh Warshelile. Olid nad ju omalaadse universaaltööriista loojateks ajal, mil arvutite võimekus ei olnud veel piisav, ja ka nüüd, kui keemiliste ülesannete jaoks jääb arvutusvõimsus ikkagi vajadustest väiksemaks.
Arvutis toimivad keemiliste reaktsioonide ja ühendite kvantmehaanikapõhised mudelid ennustavad uusi ravimeiks sobilikke ühendeid, võimaldavad hinnata selliste ühendite omadusi, mida veel valmistatudki ei ole. Viimane räniajudes tehtud katsete tähendus on küllaltki tähenduslik, sest võimaldab ennustada, milline analüütiline pilt peaks ilmnema mõne uue, senitundmatu mürkaine või ka narkootilise aine puhul. Arvutikeemia on see valdkond, mis võimaldab vältida loomkatseid, kui küsimuse all on näiteks mingite kosmeetikavahendite toksilisuse kontroll. Keemiliste ja bioloogiliste protsesside arvutimudelite tulemuslikkus on pannud aluse ka sellistele teadusvaldkondadele nagu kvantbioloogia ja kvantfarmakoloogia.
Kui tulla veel kord keemiateaduse ja keemilise maailmakäsitluse aluste juurde, siis koolikeemiaski õpetatakse, mil moel erinevad molekulide koostisosad ja keemilised rühmad milliseid omadusi ja reaktsioone põhjustavad. Kvantkeemilised meetodid on sellegi käsitluse – eks ikka uute ja kiiremate ja võimsamate arvutite ootuses – samuti uuele tasemele viinud. Sedavõrd, kui täpselt on võimalik nende arvutustega kindlaks määrata elektronide ja tuumade paiknemisi molekulides, on füüsikalistest ja matemaatilistest põhimõtetest lähtuvalt võimalik arvutada molekulide n-ö viruaalseid omadusi. Ja mitte kümneid, vaid tuhandeid ja kümneid tuhandeid. Selliseid, mille mõõtmised võivad osutuda meie kombatavas pärismaailmas ilmvõimatuks. Just sellepärast on in silica katsed võluvad, et toovad meieni omadusi, millest saame aimu vaid teooriate abil. Olukord sarnaneb sellega, mil moel kirjeldatakse maailmaruumi, millesse teleskoopide ja antennidega vaatamine annab samuti vaid piiratud kujutise, kuid teooriad aitavad meil vaateulatusest eemal toimuvaid protsesse küllaltki täpselt kirjeldada.
Auhinnatud kolmiku avatud mõtteviis ja lähenemine aitab keemias jätkuvalt kuldmune muneda. Eestiski on oma jõuline arvutikeemia koolkond, kes on näidanud teaduslikku ja tehnilist edukust. Tartus Viktor Palmi algatatud keemilise reaktsioonivõime kvantitatiivne hindamine ja ennustamine on evolutsioneerunud akadeemikute Ilmar Koppeli ja Mati Karelsoni töödest ka keemilise informaatika suundadeks.
Nobeli auhind on ses mõttes huvitav, et selle nimel teadust teha ei ole võimalik – saab teha head teadust ja teaduse headus, selle uuenduslikkus võib ilmsiks tulla alles aastakümneid hiljem. Nii nagu sedapuhku keemiaauhinnaga läks.