Петр Образцов

Мир, созданный химиками

От философского камня до графена

Предисловие

Как часто в рекламе самых разных товаров звучит фраза: «Здесь нет никакой химии!» Изо всех сил нас призывают покупать йогурты и шампуни, лапшу и мыло, стиральные порошки и сладкую газировку только «из натуральных компонентов», а также овощи и фрукты, выращенные «без химических удобрений и пестицидов», короче — без «химии»! Химией пугают детей, домохозяек и пенсионеров.

Должен всех разочаровать: «без химии» ничего не бывает просто потому, что все в мире — от воздуха до человеческого тела и от кефира до Гималайских гор — состоит из химических веществ. Некоторые, правда, считают, что есть вещества «искусственные», а есть природные, прежде всего органические вещества, из которых состоят живые организмы. Этих некоторых можно смело считать неявными поклонниками витализма — учения, согласно которому нельзя получить органическое вещество в колбе, в лаборатории. Якобы органическое вещество образуется только в результате жизнедеятельности живого существа, отсюда, отсюда, кстати, и сам термин. Латинское «vita» — это жизнь, и живому присуща некая «жизненная сила». Однако еще в 1828 году Фридрих Вёлер взял и синтезировал мочевину из неорганических веществ — из цианата калия RNCO и сульфата аммония (NH_4)2SO_4. Потом синтетические органические вещества посыпались, как из рога изобилия, который тоже, кстати, представляет собой в основном органическое вещество, а именно белок кератин.

Уже в XX веке были синтезированы действительно отсутствующие в природе органические вещества — прежде всего синтетические органические полимеры, хотя издавна были известны и природные, например кожа, хлопок, шерсть, да и целлюлоза древесины. Правда, до поры до времени об их полимерной структуре не знали. Сейчас представить себе жизнь без пластмасс и прочей синтетики просто невозможно. Читая эту книгу, вы сидите в комнате с окрашенными синтетическими красками обоями, приклеенными к стенам синтетическим клеем. Возможно, на полу у вас лежит пластиковый линолеум, а письменный стол изготовлен из древесно-стружечных плит, сформованных с помощью фенолформальдегидной смолы. На вас рубашка, наполовину сотканная из синтетических нитей, тапочки из пластика или с искусственным мехом. Кресло, скорее всего, тоже из ДСП и искусственной кожи. Еще сто лет назад обо всех этих веществах и материалах даже не подозревали.

Само слово «химия» произошло от арабского «аль-хем», а то, в свою очередь, — от древнеегипетского «кеми», что означало одновременно и «черная земля», и «Египет». Вероятно, там первые химики и появились. Это были жрецы, знавшие толк в бальзамировании фараонов и священных животных — кошек, а также в изготовлении стекла и получении меди путем восстановления медной руды древесным углем. Скорее всего, именно они, а не арабские алхимики первыми научились перегонять жидкости и получили этиловый спирт. Пиво и пальмовое вино у них было, нагревать напитки в керамических и даже стеклянных сосудах они умели, а догадаться об охлаждении выделяющихся паров уже ничего не стоило.

Впрочем, существует и другая теория происхождения слова «химия» — от китайского слова «цзинь», золото. Доказательством китайского происхождения и слова, и самой науки является близость звучания «цзинь» (или «кин» по-японски) и древнегреческого «химиа» — металлургия, а также использование ключевого иероглифа «золото» при записи всех китайских слов, обозначающих металлы. Однако многим ученым эта теория кажется не очень убедительной.

В этой книге речь идет о химии, о науке, имеющей богатую историю, в которую, кстати, большой вклад внесли и российские ученые.

Мы вспомним и про алхимию, и про иатрохимию, и про ужасные случаи применения химических открытий — боевые отравляющие вещества и «Циклон Б», и про драматические обстоятельства открытия радиоактивных элементов. А вот как все начиналось.

Глава 1

В поисках камня

Невозможно сказать, кто из одушевленных обитателей нашей планеты был первым химиком. А вот неодушевленным — можно, таким первым химиком была сама природа. Все процессы образования Земли из газопылевого облака, последующие реакции между различными компонентами раскаленного каменного шара, появление воды, а затем и органических форм жизни, сначала в виде растений, — это все химические процессы. Впрочем, радиоактивный распад, происходящий до сих пор в глубинах планеты и обусловливающий ее высокую по космическим масштабам температуру, все-таки скорее относится к физике. А первым живым химиком можно считать того неандертальца, который сознательно сохранил в пещере зажженную молнией щепку, а потом зажигал от нее так же сознательно подготовленные дровишки. Горение дерева представляет собой типичную химическую реакцию окисления кислородом, которую при желании можно даже записать в виде схемы:

СxHyOz (органические вещества дерева) + O_2 → CO_2 + H_2O

Несколько позже уже настоящие хомо сапиенсы начали осуществлять довольно сложные реакции восстановления руд различных металлов. Появилась младшая дочь химии — металлургия. Например,

2CuO + C = 2Cu + CO_2 (восстановление руды — оксида меди — углеродом)

Восстановление железа из его руды требует гораздо больших температур, которые были достигнуты путем вдувания в горн воздуха кузнечными мехами. Такой способ получения железа был открыт во втором тысячелетии до н. э., по-видимому, хеттами. В гробнице Тутанхамона XIV века до н. э. был обнаружен кинжал с железным лезвием, явно принесенный в дар юному фараону хеттскими послами. Окончательно железный век установился к 1000 году до н. э. Интересно, что железные изделия античных времен демонстрируют высокую устойчивость к коррозии, и лишь в Новейшее время было выяснено, что коррозии способствует сера, содержащаяся в каменном угле для выплавки железа из руды. А в древности использовали древесный уголь, в котором серы практически нет.

Fe_3O_4 + 2C = 3Fe + 2CO_2 (получение железа из руды)

Процессы получения некоторых металлов были известны уже древнеегипетским жрецам, они же составили рецепты бальзамов для мумифицирования своих фараонов, высших чиновников, кошек и прочей живности, и они же, скорее всего, изобрели дистилляцию и соответственно крепкие алкогольные напитки — а не только пиво и слабое винцо, как обычно принято считать. В III веке в египетской Александрии уже сформировались основные положения предшественницы научной химии — алхимии. Числу семи известных тогда планет удачно соответствовали семь известных металлов, тут же было придумано и сопоставление. Серебру соответствовала Луна, золоту — Солнце, ртути — Меркурий, меди — Венера, железу — ясное дело, Марс, олову — Юпитер, свинцу — Сатурн. Причем вначале изучение этих металлов и их соединений даже не следовало бы относить к алхимии, лишь через некоторое время целью исследований стал поиск философского камня и возможности трансмутации, то есть превращения свинца в серебро, а ртути в золото. Уникальная способность ртути образовывать твердые сплавы с золотом и серебром навела химиков прошлого на мысль, что этот металл является первоосновой, первичным металлом.

Со временем утвердились основные положения алхимии, а именно:

Существует material prima — первичная материя, заполняющая все и вся, но загрязненная различными примесями. Удалив эти примеси, можно получить философский камень, превращающий, как уже было сказано, неблагородные металлы в благородные. К сожалению, о бессмысленности этого действия вследствие неминуемой катастрофической инфляции алхимики не подозревали. Кроме того, алхимики свято верили, что философский камень исцеляет все болезни и дарит бессмертие. Заметим, они уже тогда догадались, что желать надо не вечной жизни, а вечной молодости.

Алхимики признавали четыре первопричины Аристотеля: тепло, сухость, холод, влажность. Эти первопричины образуются при сочетании четырех стихий: огонь + воздух = тепло, огонь + земля = сухость, вода + земля = холод, воздух + вода = влажность. При переводе на русский язык названия знаменитого фильма Люка Бессона «Пятый элемент» переводчики не поняли, что в данном случае под словом element имеются в виду именно стихия и фильм про пятую стихию, то есть любовь, должен называться «Пятая стихия».

Алхимики, поразившись одинаковому количеству планет Солнечной системы и металлов, уверовали в мистическое влияние небесных тел на все процессы, протекающие на Земле, в том числе на зарождение металлов. О том, что Солнце вовсе не планета, вращающаяся вокруг Земли, а независимая звезда, они, разумеется, не знали. До Коперника было еще очень далеко.

Совпадение количества планет и металлов привело их к убеждению, что металлов и не может быть больше семи. Это отражено в занятном стихотворении народовольца Николая Морозова. Просидевший 25 лет в Петропавловской и Шлиссельбургской крепостях революционер не только призывал к оживлению мертвых и критиковал хронологию истории, став предшественником группы математика Фоменко, но и увлекался химией. Но все-таки революционер не сошел с ума, и этот стишок, надо надеяться, отражает не его точку зрения, а алхимиков:

Семь металлов создал свет,

По числу семи планет:

Дал нам Космос на добро,

Медь, железо, серебро,

Злато, олово, свинец…

Сын мой! Сера их отец!

И спеши, мой сын, узнать:

Всем им ртуть родная мать!

Ну и, наконец, алхимики не сомневались в возможности превращений, трансмутаций, причем считали, что в золото можно превратить не только свинец и ртуть, но и все остальные металлы, прибавив к ним «качество» серебра или золота.

К VIII веку центр алхимии переместился на арабский Восток. Джабир ибн Хайян, называемый в Европе попросту Гебером, придумал ртутно-серную теорию происхождения металлов, впрочем, не сильно отличающуюся от классической. Через пару веков другой алхимик добавил к ртути и сере еще и «твердость», или философскую соль. Однако практичные арабы не слишком увлекались философией и значительно больше времени посвящали экспериментам. В результате именно им принадлежит честь изобретения большинства видов алхимической, да и просто химической, посуды — реторт, перегонных кубов, разного вида колб, водяных и песчаных бань. После завоевания Месопотамии и Багдада турками многие алхимики бежали в Европу, где передали свои знания европейским ученым. Самым заметным из них был Альберт Великий (XIII век), автор знаменитых «Правил». В этом объемистом труде впервые описаны все операции, которые использовали алхимики. К ним относятся перегонка, возгонка (сейчас называемая сублимацией), осаждение или преципитация, фильтрование, кристаллизация и кальцинация, или попросту обжиг. Эти операции химики применяют и сейчас, несмотря на появление большого числа чисто физических методов исследования и анализа типа спектроскопии или ядерного магнитного резонанса.

Золотая наша железка

Как и в любом другом виде деятельности человека, в алхимии было много жуликов. Примерно в XVI веке «имя им стало легион». Занимались эти махинаторы тем, что составляло смысл деятельности классического алхимика, а именно получали золото из неблагородных веществ. В принципе такая трансмутация возможна. Например, из ртути действительно можно получить золото, бомбардируя этот «первичный металл» потоком быстрых нейтронов, что и было сделано американцами в 1940 году. Правда, стоимость такого золота будет раз в сто больше котировок этого металла на Лондонской бирже. Но это не так и важно, поскольку ядерные реакции алхимикам по понятным причинам были неизвестны и недоступны. Соответственно алхимическим махинаторам приходилось изготавливать золото для своих коронованных покровителей из… золота. Точнее, из его соединений.

Простейшим вариантом обмана каких-нибудь Карла или Августа под соответствующими номерами было разложение амальгамы золота — твердого сплава золота со ртутью, по внешнему виду на золото совсем непохожего. А при большом содержании ртути амальгама к тому же может оставаться жидкой, тут уж совсем не уличишь ученого негодяя в обмане. При нагревании амальгамы, хоть твердой, хоть жидкой, ртуть отгоняется и в тигле появляется золото, столь необходимое коронованным особам для выдачи зарплаты своим ландскнехтам и для ублажения очередной любовницы. В различных музеях Европы хранится несколько десятков монет, отчеканенных из такого алхимического золота. Однако в большинстве случаев алхимических фальшивомонетчиков разоблачали и, как правило, казнили. Причем в Германии был даже изобретен особый ритуал казни алхимиков — их вешали на позолоченной виселице, одев в парчовый кафтан.

В XVI веке, во времена Реформации и ослабления католицизма, акции алхимиков сильно пошатнулись. В этой древней науке произошли существенные изменения. Кстати, алхимию не стоит считать какой-то чепухой и набором заблуждений вроде астрологии. Алхимия — настоящая наука, со своими методами исследований, специфическим языком, часто воспроизводимыми результатами и набором пусть невнятных, но теорий. Алхимия нисколько не противоречит химии, а лишь является ее предшественницей. Так вот, реформировал алхимию великий Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (1493–1541), публиковавший свои работы под псевдонимом Парацельс. Греческая приставка пара- означает «возле», «около» или «отклонение». Парапсихология — это отклонение от подлинной психологии, это лженаука. Парамагнетики отклоняются в сторону магнитного поля. Но Теофраст Бомбаст при выборе псевдонима использовал первое значение приставки, и поэтому Парацельс означает «около Цельса», в смысле равный Цельсу. Сам же Авл Корнелий Цельс — это знаменитый древнеримский ученый и врач, составивший энциклопедию знаний начала нашей эры, в частности по терапии, хирургии, гигиене и патологии. Ясно, что Теофраст Бомбаст относился к себе без излишней скромности, что подтверждается текстами его хвастливых сочинений.

Однако именно Парацельсу алхимия обязана поворотом к более материалистическому пониманию веществ и природы и появлением иатрохимии[1]. Парацельс считал, что нужно уже бросить искать философский камень — пора заняться составлением лекарственных препаратов. Парацельс, подтверждая необходимость введения Соли как третьего «принципа» в дополнение к Ртути и Сере, полагал, что любая болезнь есть нарушение равновесия этих «принципов» в организме человека. Для восстановления же равновесия в качестве лекарств он предложил использовать разнообразные вещества неорганического происхождения — соединения мышьяка, свинца, ртути вместе с традиционными растительными препаратами. Соединения этих металлов, как известно, ядовиты в больших концентрациях, но безвредны и даже полезны в малых, поэтому Парацельса можно считать первым гомеопатом, а его иатрохимию — предшественницей этого направления в медицине, пусть и необъяснимого с позиций современной науки, а может, и просто неверного. Но о гомеопатии немного позже.

Чтобы закончить с иатрохимией, а вместе с ней и с классической алхимией, упомянем самого выдающегося представителя иатрохимии Ван Гельмонта (1578–1644). Он первым ввел понятие об истинных простых частях сложных тел, отвергая аристотелевские стихии и алхимические принципы, хотя и не сумел выделить из сложных тел эти самые простые части. Простыми же он считал те вещества, которые можно получить при разложении сложных тел, и поэтому посчитал простым веществом воду, всегда появляющуюся при распаде растений и животных. Ван Гельмонта можно также считать автором количественного анализа, поскольку он первым не просто растворил серебро в «крепкой водке» — азотной кислоте, но и выделил его обратно путем разложения нитрата серебра, причем в строго том же количестве. На алхимическом языке приведенная ниже реакция описывается так: «Крепкая водка пожирает Луну и выделяет лисий хвост, жидкость на песчаной бане сгусти, и получишь адский камень».

Ag + 2HNO_3 = AgNO_3 + NO_2 + H_2O

«Луна» — это, как уже было сказано, серебро, а «лисий хвост» — оксид азота NO_2 рыжего цвета, «адский камень» — это нитрат серебра AgNO_3, или ляпис, которым прижигают порезы. При этом выделяется бактерицидное серебро в виде мельчайших частиц черного цвета. Серебро восстанавливает из ляписа любая органика, в том числе верхний слой кожи, но Ван Гельмонт получал серебро, «прокаливая адский камень в печи с появлением Луны».

2AgNO_3 t→ 2Ag + NO_2 + O_2

Однако Ван Гельмонт все-таки был алхимиком, а потому иногда проводил совершенно абсурдные опыты и выдвигал абсолютно фантастические теории. Именно ему принадлежит знаменитый способ изготовления живых организмов, а именно домашних мышей. Напомним, что способ несложен: нужно в корзину для грязного белья насыпать влажного зерна пшеницы и ждать 21 день. Мыши обязательно появятся. Кстати, если производить этот опыт не в городской квартире на пятом этаже, а, скажем, в деревне или на даче, то мыши действительно появятся!

Незадолго до смерти Ван Гельмонта в 1661 году англичанин Роберт Бойль опубликовал книгу «Скептический химик», в которой назвал эксперимент главным способом изучения природы и предложил методику поиска истинно простых элементов, число которых считал много большим четырех, намекая на стихии Аристотеля. Этот год можно считать концом алхимии и рождением химии, хотя алхимики продолжали заниматься своими поисками философского камня еще длительное время. Более того, как это ни странно, алхимия дожила и до нашего времени! Современная физика атомного ядра фигурирует понятиями кварков, из которых состоят все элементарные частицы — то есть уже не считающиеся элементарными. Этих кварков насчитывается три «поколения», и современные алхимики спрашивают, а не являются ли эти поколения Ртутью, Серой и Солью? Впрочем, все это не более чем «размышлизмы» — экспериментальной алхимии, разумеется, не существует. Единственно достойное внимания определение современной алхимии звучит следующим образом:

«Обычный художник нарисует очень похожий портрет итальянской тетки, а если бы этим занялся алхимик, то вышла бы Джоконда».

Гомеопатическое ничто

Очень тесно связана с алхимией, в частности с учением об иатрохимии, старинная медицинская практика гомеопатии, имеющая под собой некоторые теоретические обоснования. В 2010 году исполнилось ровно двести лет, как немецкий врач Самуэль Ганеман (1755–1843) выпустил книгу «Органон рационального врачевания», в которой описал придуманное им новое направление в медицине — гомеопатию. Основной принцип гомеопатии — лечение подобного подобным — предложил еще знаменитый античный врач и ученый Гален. Тех же убеждений придерживался и средневековый корифей алхимии и лекарственного врачевания Парацельс, однако современную гомеопатию связывают прежде всего с именем Ганемана.

Этот сын художника, расписывавшего мейсенский фарфор, попробовал сначала лечить лихорадку (малярию) корой хинного дерева, которая и сама по себе вызывает появление симптомов лихорадки у здорового человека. Исходно он применял довольно большие дозы хины, и больной действительно выздоровел, однако аналогичное использование рвотного камня для лечения неукротимой рвоты и кое-какие другие подобные процедуры привели к обратному эффекту. Но Ганеман свято поверил в основной принцип — лечить подобное подобным — и не прекратил эксперименты, а начал просто уменьшать дозу лекарства, разбавляя его поначалу в сто, а потом и в тысячи, и в миллионы (!) раз.

Таким образом, в гомеопатии лечат болезнь лекарством, которое в больших количествах вызывает у здорового те же симптомы, что проявляются у больного. Например, у наевшегося по неосторожности травки белладонны повышается температура, появляется жар и покраснение. Значит, если у вас повышенная температура, жар и покраснение кожи — например, из-за простуды, — гомеопат назначит вам препарат белладонны в отчаянно большом, совершенно неядовитом разбавлении.

Этот препарат делается так. Берем 1 кубик (миллилитр) крепкого, концентрированного экстракта белладонны в спирте, добавляем 99 кубиков дистиллированной воды и довольно интенсивно встряхиваем раствор. Гомеопаты называют это «потенцированием» и считают важнейшей операцией при изготовлении лекарства. Из полученного раствора отбираем 1 кубик, снова к нему добавляем 99 кубиков дистиллированной воды, встряхиваем и так далее.

После первого разбавления («разведения» на языке гомеопатов) мы уменьшили концентрацию белладонны в 100 раз, после второго — в 10 тысяч раз. Гомеопаты используют разведения под номерами 5–6, хотя не стесняются использовать и тридцатые, и сотенные разведения. При этом разведение № 6 означает, что исходный экстракт был разбавлен в триллион (!) раз. Тридцатое разведение означает, что экстракт разбавлен в 10^60 раз!

Именно разведение исходного лекарства в немыслимое количество раз вызывает неприятие гомеопатии врачами-аллопатами (от греческого «аллос» — «другой»), да и самыми обычными гражданами, сохранившими кое-какие воспоминания о школьном курсе химии. В этом курсе упоминается о числе Авогадро, показывающем, например, сколько молекул воды находится в небольшой рюмке с водой. Это число немного меньше 10^24, и для той же белладонны такое количество молекул (причем разных молекул, поскольку белладонна — это смесь веществ) будет содержаться как раз в стакане на 100 кубиков. Значит, если мы произведем двенадцатое разведение белладонны — это разбавление в 10^24 раз, — то в нашем стакане останется ровно 1 (одна) молекула какого-то вещества из белладонны. При дальнейших разведениях в стакане, разумеется, ни одной молекулы лекарства больше нет. Сотое разведение (в 10^200 раз) — просто издевательство над здравым смыслом.

Так говорят аллопаты и не собираются дальше дискутировать на тему гомеопатии. А все успехи гомеопатии объясняют эффектом плацебо (от латинского placeo — быть довольным). Известно, что если вместо настоящего лекарства седовласый профессор в роговых очках и белоснежном халате подсовывает больному щепотку толченого мела, то в 30 % случаев больные выздоравливают. На самом деле они просто и не были больны, хоть и не симулировали. Такие болезни называют психосоматическими, то есть вызываемыми у себя самим больным. Наиболее яркий пример: средневековые фанатики ухитрялись усилием воли вызывать у себя появления стигматов — ран на руках и ногах, совпадающих с ранами на конечностях Иисуса Христа, распятого на кресте. Они не расцарапывали мышцы, нет, раны вызывались именно усилием воли!

Нельзя сказать, что гомеопаты ничего не понимают и не слышат аргументов аллопатов. И, понимая, что против числа Авогадро действительно не попрешь, они пытаются зайти с другого конца. Так, еще в XIX веке использовалось понятие «жизненная сила», родственное витализму: при разведении и встряхивании гомеопат передает раствору некую мистическую энергию, действующую как исходное лекарство. Сейчас гомеопаты об этой теории не говорят, даже стесняются ее.

Самое современное объяснение — пресловутые «биоэнергоинформационные» свойства воды. В случае гомеопатии адепты теории говорят, что вода окружает молекулы препарата, «запоминает» его свойства и форму молекул, а после удаления этих молекул сама образовавшаяся дырка лечит, как исходный препарат. Давным-давно доказано, что ничего похожего не происходит, молекулы воды постоянно движутся, за мельчайшие доли секунды переходя с места на место. Пожалуй, самым приемлемым объяснением необъяснимого действия гомеопрепаратов является честное утверждение: да, мы пока не знаем, как работают эти калькарии, сульсии и арники. Однако двухвековой опыт гомеопатического лечения больных, в том числе и тех, с хворями которых не справились аллопаты, убеждает в эффективности метода. И с этим трудно не согласиться — все-таки уже (почти) точно известно, что эффект от лечения гомеопрепаратами выше, чем 30 % как при приеме плацебо. Выше, действительно выше. Есть и еще один очень забавный аргумент в пользу гомеопатии: при лечении гомеопрепаратами начисто отсутствуют побочные вредные эффекты. И действительно, как может быть вредной практически чистая вода?

Недавно появилась не подтвержденная пока экспериментально, вполне материалистическая теория, которая хоть как-то объясняет возможный лечебный эффект гомеопатических средств. Ее суть в том, что при многократном разбавлении и встряхивании в воде появляется растворенный диоксид кремния SiO_2 и какие-то другие вещества из самого стекла пробирки. Причем становится ясно, почему нельзя для разведения в миллион раз просто капнуть одну каплю лекарства в бочку с водой, а требуется разбавлять постепенно — для увеличения времени контакта жидкости со стенками пробирки. И встряхивание требуется именно для этого. Расчеты показывают, что в стакане раствора лекарства, не содержащего ни единой молекулы действующего вещества, может содержаться до 2 миллиграммов диоксида кремния. Это раствор с концентрацией вещества, описываемой модным сейчас словечком «нано». А лечебный эффект препаратов кремния — причем аллопатических препаратов! — при некоторых заболеваниях давно известен. Не исключено, что нанотехнологи когда-нибудь подтвердят эту теорию.

Кстати, одним из самых серьезных критиков гомеопатии был Дмитрий Иванович Менделеев, создатель великой Таблицы химических элементов, которая во многом определила развитие не только химии, но и всего естествознания нашего времени.

Глава 2

Вселенная Менделеева

В 1834 году в семье директора Тобольской гимназии родился семнадцатый ребенок, которого назвали Дмитрием. Не удивляйтесь, если увидите разночтения. Во многих биографиях Менделеева указывается, что он был четырнадцатым ребенком, но это как считать. Трое детей умерли сразу после родов Марии Дмитриевны Менделеевой, владелицы небольшой стекольной фабрики. Будущий великий ученый сначала было пошел по стопам отца: после окончания Петербургского педагогического университета работал учителем в Крыму и в Одессе, а потом преподавал химию в Петербургском университете. Но преподавание — это мелочь в его биографии. А как мы знаем, русскому человеку несвойственно размениваться на мелочи. И Менделеев совершил великое открытие — придумал свою Периодическую таблицу.

Великая таблица

Об этом не принято говорить, но совершенно ясно, что построить ее на основании имевшихся данных тогда было просто невозможно, открытие Менделеева — гениальная догадка, пусть и пришедшая ему в голову после многолетних раздумий.

Вот перед нами нарисованная самим автором открытия рукописная табличка. К тому времени было известно всего чуть более 60 элементов с их атомными весами (сейчас элементов уже почти вдвое больше). Идея расположить элементы по порядку возрастания их атомных весов совершенно естественна и банальна. Несколько сложнее было заметить периодические закономерности в этом ряду, но и здесь немало было сделано и до Менделеева. Уже существовало «правило октетов» (химические свойства каждого восьмого элемента очень близки), «правило триад» (в каждой тройке близких по свойствам элементов средний элемент обладает и средним атомным весом). Однако никому из исследователей не удавалось, пусть даже с использованием этих закономерностей, построить систему для всех известных элементов. Объяснялось это тем, что и свойства многих элементов были неизвестны или определены неверно, да и атомные веса ряда элементов были измерены неправильно.

Несмотря на свое еще юношеское преклонение перед Ньютоном, автор Периодической системы был великим химиком, а не физиком. Поэтому за основу своей системы он взял химические свойства элементов, решив расположить химически похожие элементы друг под другом, но соблюдая принцип возрастания атомных весов. Ничего не выходит! Бериллий нарушал всю картину уже в первой строчке будущей таблицы — углерод оказался аналогом алюминия, а немного дальше таким аналогом оказывается и титан. И то и другое с точки зрения химических свойств элементов является совершеннейшим нонсенсом. Углерод — типичный неметалл, а что может быть «металличнее» алюминия или титана? Вот тут бы и прекратить поиски периодичности — и ряд крупнейших ученых того времени так и поступили.

Говорят, что Периодическая таблица приснилась Менделееву во сне. Может быть, и так. Хотя вряд ли, сам Менделеев опровергал эту типично журналистскую легенду. Но в любом случае способ преодоления получившейся несуразности вряд ли лежит в области логики, может быть, здесь не обошлось без интуиции. Менделеев просто взял и изменил атомный вес бериллия, а между кальцием и титаном поставил пустую карточку, предсказав таким образом элемент скандий.

Самое поразительное, что поступил он так не с двумя элементами, а чуть ли не с третьей частью всех тогда известных! Например, он присвоил урану атомный вес 240 вместо принятого 120 (увеличил аж в два раза!), переставил местами кобальт и никель, теллур и йод. Опубликовав в 1869 году первый вариант своей Таблицы, он предсказал сразу три элемента, изменил атомные веса у десятка элементов и при этом открыл, что «свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса». Да ничего подобного! От тех атомных весов ничего не зависело. Великий химик лукавил — он-то наверняка уже догадался, что «свойства элементов стоят в периодической зависимости от», того номера в его таблице, которое он им присвоит! Менделеев фактически приказал элементам построиться в придуманный им ряд, и Природа послушно смирилась.

Как такое может быть, неизвестно. А как поэт Андрей Белый за 34 года до Хиросимы написал строки?

Мир рвался в опытах Кюри

Атóмной лопнувшею бомбой.

История науки знает не так много предсказаний уровня Периодического закона и Таблицы. Великий акт творения Менделеева стал подлинно научной теорией только когда были открыты и скандий, занявший ту пустую карточку, и экаалюминий (галлий), и экасилиций (германий), и благородные газы, и среди них — аргон, прекрасно вставший в Таблице до калия, хотя его атомный вес больше. И Таблица не рухнула! А несколько позже английский физик Генри Мозли объяснил, что номер в Таблице равен заряду ядра атома и что на самом деле «свойства элементов стоят в периодической зависимости от заряда ядра, равного номеру в Таблице». То есть точно по Менделееву.

Есть такая теория, что мир не только не познаваем, но и зависит от того, кто его познает, — исследователь неизбежно влияет на результат эксперимента. Градусник, помещенный в кипяток для измерения температуры, на тысячную долю градуса сам охлаждает воду. И потому есть множество одновременно существующих Вселенных с различающимися свойствами. Можно сказать, что наша Вселенная, состоящая сейчас из примерно 120 элементов, устроена Дмитрием Ивановичем Менделеевым.

Он прожил 73 года, написал около 500 статей по химии, физической химии, технике, физике, экономике, геодезии. Организовал и стал первым директором Палаты мер и весов, был профессором университета и действительным статским советником (то есть генералом), ушел из университета в знак протеста против сужения университетской автономии, был избран в 90 иностранных академий наук и забаллотирован при выборах в русскую. Российские академики сочли его труды недостаточно фундаментальными, слишком близкими к практическим нуждам.

В качестве хобби Дмитрий Иванович переплетал книги и сам себе шил одежду, считая ту, что продавалась в магазинах, неудобной. Для энциклопедии Брокгауза и Ефрона он написал статьи не только о винокурении, но и о варениках. Самым вредным человеческим качеством считал скромность и умело выбивал деньги из правительства для своей лаборатории, наблюдал солнечное затмение с воздушного шара. Придумал теорию неорганического происхождения нефти из карбидов металлов — после почти столетнего пренебрежения к ней сейчас возвращаются геологи и химики. Периодическую систему он создал в 35 лет.

На один из юбилеев Дмитрию Ивановичу подарили драгоценные, изготовленные из чистого алюминия химические весы: дешевый электрохимический способ получения этого металла был тогда неизвестен, хотя в работах Менделеева есть намек и на эту технологию. Американские физики синтезировали 101-й элемент Таблицы и назвали его менделевием, на Земле есть минерал имени Менделеева, вулкан и подводный горный хребет Менделеева, а на обратной стороне Луны — кратер Менделеева.

Но не водка

Но к светлому имени прилипли и дурацкие легенды. Прежде всего о том, что Д. И. Менделеев якобы придумал водку, точнее — назвал 40° лучшей концентрацией спирта в воде, при которой якобы водка самая «питкая». Хорошо хоть, что не назвали ее самой полезной!

И до сих пор бытует легенда, что «стандарт русской водки высшего качества был утвержден царской правительственной комиссией во главе с Д. И. Менделеевым в 1894 году». И вообще, история о том, что «водку изобрел Менделеев», стала так же распространена, как в гоголевские времена фраза «немец луну сделал». Поскольку хлебное вино у нас пьют уже лет триста-четыреста, с именем Менделеева стали связывать не само «зелено вино», а выбор для водки крепости именно в 40°. Однако в трудах великого химика отыскать обоснование этого выбора не удается. Диссертация Менделеева «О соединении спирта с водой», написанная в 1864 году и посвященная свойствам смесей спирта и воды, никак не выделяет эти 40°. Да, Менделеев действительно написал статьи «Водка» и «Винокурение» для словаря Брокгауза и Ефрона, но, собственно, и что из этого? Выше уже отмечалось, что он написал для энциклопедии и статью о варениках — так что жирность творога тоже придумал Менделеев?

И это еще не все. «Царская правительственная комиссия» никак не могла установить данный стандарт водки уже хотя бы потому, что эта организация — «Комиссия для изыскания способов к упорядочению производства и торгового обращения напитков, содержащих в себе алкоголь», — была образована по предложению С. Ю. Витте (а вовсе не царя) только в 1895 году! Причем Менделеев выступал на ее заседаниях в самом конце того же, 1895, года и по вопросу об акцизах.

Хочется, конечно, понять, почему именно 40°. Вот пара предположений. Во-первых, выбор для водки именно 40° — дело случая и удобства смешивания спирта с водой в соотношении «два к трем». Более простое соотношение «один к одному» крепковато, хотя и такая 50-градусная водка выпускается. Во-вторых, если строго пересчитать 40 объемных процентов на весовые, то мы получим, что водка имеет весовую концентрацию 33,3 %, то есть ровно треть! Это как раз очень важно. Изготавливать водку путем смешивания спирта и воды по объему удобно, но не очень хорошо, поскольку объемы жидкостей зависят от температуры. А при смешивании по массе этот эффект отсутствует. В случае спирта сие очень важно, ведь у нас в России чрезвычайно трудно удержаться, чтобы спирт не украсть.

Дмитрий Иванович может считаться последним энциклопедистом — и не только в российской, но и в общемировой науке. Конечно, главное дело и достижение его жизни — Периодическая система элементов, и, говоря о Менделееве, вспоминают всегда именно об этом, но ведь и Леонардо да Винчи не только написал «Джоконду». Он и много чего другого сделал. Хотя надо сказать, что Леонардо считают энциклопедистом и «универсальным человеком», мягко говоря, несколько незаслуженно: практически ни одно из его изобретений не было и не могло быть реализовано, за исключением разве что колесика для высекания искры и воспламенения пороха в пистолете (почти точная копия используется и сейчас в зажигалках). Знаменитый танк Леонардо к настоящим танкам отношение имеет крайне отдаленное, рисунок велосипеда скорее всего подделка, а робот Леонардо самостоятельно двигаться не мог и представлял собой карикатуру на рыцаря.

А вот многие работы Дмитрия Ивановича — по метрологии, воздухоплаванию, метеорологии, сельскому хозяйству, экономике и даже по установлению акцизов на водку — были использованы современниками. Некоторые же его открытия — например, формула Менделеева — Клапейрона для идеальных газов или теория растворов — навсегда останутся в науке. Несколько его изобретений реализованы в первом российском ледоколе «Ермак». Он разработал и первый отечественный бездымный порох.

Существует легенда, что в данном случае Менделеев не был особенно оригинален, зато он стал одним из первых в истории России промышленным шпионом. Во время командировки во Францию он ознакомился с бездымным порохом, рецепт изготовления которого французы ему не дали, вполне справедливо ссылаясь на секретность разработки, — это как раз правда. Но вот расчеты о поступавших на завод, где производился бездымный порох, целлюлозы, серной и азотной кислот Менделеев не производил, это совершеннейшая чепуха. К тому времени состав бездымного пороха (пироксилина), получающегося в реакции целлюлозы со смесью серной и азотной кислот, был отлично известен. Трудности составляли технические детали производства и физико-химические свойства продукта. Дело было в том, что патроны и снаряды, начиненные этим порохом, взрывались прямо в стволе орудия. Менделеев же сумел получить нитроклетчатку, которая полностью растворялась в смеси спирта и эфира.

Это вещество, названное им пироколлодием, показало прекрасные результаты. Однако из-за разного рода интриг производство менделеевского пироколлодия вскоре было прекращено, и, по российскому обыкновению, правительство предпочло покупать порох за границей, пусть и худшего качества.

Получение пироксилина:

(C_6H_10O_5)n + 3nHNO_3 = [C_6H_7O_2(NO_3)3]n + 3nH_2O

Но самая экзотическая идея Дмитрия Ивановича — после Периодического закона, разумеется, — это неорганическая теория происхождения нефти: не из сгнивших лишайников и тушек динозавриков, а из глубоко под землей залегающих карбидов металлов. Эта теория, на которую еще недавно геологи посматривали с брезгливой усмешкой, вдруг в последнее время начала получать некоторое подтверждение. Нефть стали находить так глубоко и в таких слоях земли, где никогда никакой флоры-фауны не наблюдалось. Карбиды — это соединения тяжелых (и не очень тяжелых) металлов с углеродом, и если такой карбид поместить в воду, то происходит химическая реакция и выделяется углеводород. А углеводород — это и есть основа нефти. Простейший пример: карбид кальция CaC_2, брошенный мальчишкой в воду, выделяет ацетилен, который можно поджечь спичкой.

Карбид кальция и его реакция с водой:

CaC_2 + 2H_2O = Ca(OH)2 + C_2H_2

Правда, до сих пор карбидов в глубинах земли не обнаружили и ученые несколько модифицировали теорию образования нефти из неорганических веществ, но все равно у ее истоков стоит Менделеев.

Или другая идея ученого — подземная газификация угля. Когда читаешь про страшные аварии, про гибель шахтеров в Сибири, на Украине или в Китае, и понимаешь, что в любом случае, при любой, самой совершенной системе безопасности, все равно люди будут гибнуть в шахтах, на страшной глубине, поневоле подумаешь, да не зарыть ли к черту все эти адские подземелья? И, вспомнив Дмитрия Ивановича, перейти на «современную» технологию, придуманную им сто лет назад.

Дмитрий Иванович Менделеев не получил Нобелевской премии, что больше говорит о премии, чем о великом ученом. Из российских ученых этой премии по химии удостоился (в 1956 году) только Николай Николаевич Семенов. Зато в 2010 году стали лауреатами Нобелевской премии, правда, не по химии, а по физике, два экс-российских ученых за открытие новой модификации углерода — графена. Кстати, именно углерод оказался одним из тех элементов, неестественное положение которого в предыдущих системах элементов привело Менделеева к мысли о смелом изменении атомных весов некоторых элементов. И вообще, углерод настолько важный элемент, что он вполне достоин отдельного рассказа.

Глава 3

Углеродная жизнь

Элемент углерод находится ровно посередине второго периода Таблицы Менделеева, образует неорганические и органические соединения и способен реагировать со множеством других веществ и элементов. Но главное свойство углерода — это возможность связывания самих атомов углерода друг с другом, то есть образование углеродных цепочек. Именно это свойство сделало углерод «элементом жизни» — из таких цепочек построены и наследственные молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) и РНК (рибонуклеиновой кислоты), и белки, из которых состоят наши мышцы, и все ферменты и углеводы, которые входят в состав множества наших органов, и жиры, из которых сделаны мембраны наших клеток (а также, увы, и наши животы). На углеродные цепочки нанизаны атомы и других элементов — азота, водорода, кислорода. Эти цепочки являются основным структурным элементом клеток растений, которыми мы питаемся, а также древесины, из которой мы изготавливаем стулья и обеденные столы, а также шкафы и кресла. То же самое относится, как это ни жутковато звучит, к клеткам съедобных и несъедобных животных, которые тоже состоят в основном из веществ с цепочками углерода.

Сажа и бриллианты

Но все это — об органических соединениях элемента углерод. А сам по себе элемент углерод образует неорганические модификации, иначе называемые аллотропическими. Еще не так давно признавали только три аллотропические модификации — алмаз, графит и аморфный углерод. Но в 60-е годы прошлого века был получен (кстати, советскими учеными) так называемый карбин, представляющий собой чистые цепочки из атомов углерода, без дополнительных атомов других элементов. Соединены атомы в карбине двойными или тройными плюс одинарными связями — так, чтобы каждый из атомов был четырехвалентным. Углерод практически во всех своих соединениях имеет валентность, равную четырем.

Алмаз построен совершенно по-другому. Каждый из атомов углерода находится в центре тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре ближайших атома. Связь углерод-углерод очень прочная, именно поэтому алмаз обладает самой высокой из всех минералов твердостью и самым низким коэффициентом сжатия. Алмаз действительно почти невозможно сжать, но его легко разбить, алмаз довольно хрупок. Да, самое главное — не с точки зрения химии, конечно: специальным образом обработанный алмаз называется бриллиантом и очень ценится девушками. Любовь проходит, а бриллианты остаются.

Графит, тот самый, что в карандаше, в отличие от алмаза, легко истирается и превращается на бумаге в буквы — к примеру, в рукописи великих романов или письма с фронта. Говорят, что специалисты американского космического агентства НАСА якобы потратили несколько миллионов долларов на разработку ручки для письма в космической невесомости. Оканчивается история ударной фразой: «А русские космонавты пользовались карандашом». Свойство графита истираться и оставлять следы на бумаге связано с тем, что графит представляет собой стопку слоев из шестигранников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Сами слои между собой связаны слабо, и графит легко расслаивается — это и есть следы на бумаге. Графит можно сравнить с тортом «Наполеон», где коржи не очень прочно склеены кремом.

Но графит, как и алмаз, состоит только из атомов углерода. Поэтому всегда было заманчивым как-то превратить графит в алмаз, что и было сделано. При огромном давлении и определенной температуре сейчас алмазы получают из графита тоннами. Правда, бриллианты из таких алмазов выходят не очень красивые, зато поверхности всяких буровых инструментов и обычных сверл, утыканные этими недорогими искусственными алмазами, работают просто великолепно.

А аморфный углерод — это просто мельчайшие частички графита, своей отдельной структуры у него нет. Строго говоря, аморфный углерод даже и не стоило выделять в отдельную аллотропическую модификацию. Из этого углерода состоит бурый и каменный уголь, сажа, а также активированный уголь — его приходится принимать некоторым гражданам после неумеренного употребления того самого напитка, авторство которого приписывают Дмитрию Ивановичу Менделееву.

Мячи и плоскости

В 1985 году химики сделали потрясающее открытие: была обнаружена принципиально новая модификация углерода — фуллерен. Исследователи изучали пары графита, испаренного лазерным лучом, и нашли в них молекулы, состоящие из 60 и 70 атомов углерода. После многочисленных экспериментов было установлено, что С_60 представляет собой трехмерное тело икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников — точно как сшитый из разных кусков кожи футбольный мяч. В более крупном С_70 в середину «мяча» врезан пояс из 10 атомов углерода — такая молекула напоминает удлиненный мяч для регби. Эти молекулы первооткрыватели назвали бакминстерфуллеренами в честь архитектора Бакминстера Фуллера, который строил здания именно из подобных структурных элементов — шести- и пятиугольников. Вскоре, впрочем, название сократили до фуллеренов. Через 11 лет после открытия ученые получили Нобелевскую премию по химии, и все эти годы обнаружились все новые и новые фуллерены.

Рекордным является фуллерен с 400 атомами углерода, таких конструкций даже Фуллер не делал.

Как мы уже говорили, простейший фуллерен С_60 в точности похож на футбольный мяч, а следующий С_70 — уже на мяч для регби. Если продолжить эту операцию и вставлять все новые углеродные пояса в фуллереновый «мяч», то мы в какой-то момент получим трубку. Оканчиваться трубки будут как бы половинками фуллерена. Можно и иначе описать мысленную операцию получения этих нанотрубок, или тубулен: представьте себе, что мы ухватились за два противоположных края фуллерена и начали его растягивать. Если откуда-то будут постоянно поступать атомы углерода, то мы создадим такую трубу, цилиндр с округлыми краями.

Не мысленно, а на практике нанотрубки были получены в 1990-е годы то ли японцем Иидзимой, то ли еще кем-то одновременно с ним. А то и раньше. Но самое главное, что теперь их научились получать килограммами, и это еще одна аллотропическая модификация нашего многоликого углерода. Из нанотрубок делают сверхпрочные нити, используемые для композиционных материалов, в электронике, в медицине. В качестве экзотического, но еще нереализованного варианта использования нанотрубок размышляют о космическом лифте. Это вот что такое: от Земли к космической станции протянут сверхпрочный трос, по которому будет ездить лифт с грузом или людьми. Все это гораздо дешевле использования ракет, и нанотрубки по своей теоретической прочности отлично подходят для плетения такого троса. Но пока, правда, длинных нанотрубок никто не получал.

И наконец, в 2004 году выпускники подмосковного Физико-технического института Андрей (Андре) Гейм и Константин Новосёлов получили последнюю на данный момент аллотропическую модификацию углерода — одномерные пленки под названием «графен». Этот графен не что иное, как один корж из того самого торта «Наполеон», один слой в графите. Есть такое выражение: в мире нет ничего более плоского, чем графен. За открытие этого поразительного по своим свойствам вещества Гейм и Новосёлов получили в 2010 году Нобелевскую премию. Графен прочнее стали в 200 раз, обладает необычными электрическими свойствами и в перспективе сможет заменить дорогой кремний при производстве электронных компонентов. Из графена уже научились делать прозрачные ленты, и революция в электронике не за горами.

Графен был теоретически предсказан еще в 1950-е годы, но получить его никак не удавалось. Удивительно, но Гейм и Новосёлов сделали это, используя обыкновенную клейкую ленту скотч. Они приклеивали скотч к куску графита, отдирали прилипшие кусочки и исследовали их под микроскопом. В массе кусочков попадались и двухслойные, и однослойные пленки, которые наши соотечественники и исследовали.

В этой книге рассказывается не просто об интересных химических веществах и реакциях, но и об открывших эти вещества ученых. Поэтому, рассказывая про Гейма, Новосёлова и графен, нельзя не вспомнить их коллегу физика Сергея Дубоноса. Он работал в группе Гейма, защитил кандидатскую диссертацию, но главное — лучше всех и даже первым сумел отшелушить графен от графита. А потом бросил физику и уехал в Заокский район Тульской области, начал выращивать коз и ныне совершенно счастлив. Лучший друг Гейм звал его в Стокгольм на церемонию вручения премии, но Сергей Дубонос хотел поехать с детьми — им это было бы интересно, а ему не очень. Но столько билетов на церемонию не было, вот он и остался у себя на ферме. И собирается выучиться на краснодеревщика.

А Гейм и Новосёлов уехали за границу, работают в одном из крупных научных центров Великобритании. Ну что ж, это нормально, ученый и должен жить там, где ему предоставляются наилучшие условия для работы. И это далеко не первый случай. Кстати, касающийся именно Великобритании. Речь идет о великом русском химике Владимире Николаевиче Ипатьеве и «битве за Англию». Об этом — в главе 11, а сейчас расскажем о химике, который первым сообразил, как именно образуются цепочки углерода, как устроены органические вещества и почему вещества с одним и тем же количеством атомов, и не только углерода, проявляют разные, часто даже абсолютно разные свойства.

Структура Бутлерова

Александр Михайлович Бутлеров родился в 1828 году, учился в Казанском университете, после отъезда Карла Клауса в город Дерпт (о Карле Карловиче — в главе 14) возглавил преподавательский корпус химии в Казанском университете и в 1861 году впервые огласил на Съезде немецких естествоиспытателей и врачей свою теорию строения органических соединений. Сейчас ее положения показались бы очевидными, однако, как ни странно, до Бутлерова ученых как-то мало занимал хорошо известный сегодня факт, что химические и физические свойства любого индивидуального вещества зависят не только от его состава, то есть количества тех или иных атомов, но и от того, в каком порядке «собрана» молекула вещества из этих атомов, — то есть от строения молекулы. А как же иначе, спросите вы? А вот так: до Бутлерова вещество (точнее, молекулу вещества) считали этаким мешком, в который насыпали столько-то атомов углерода, столько-то азота, столько-то кислорода и так далее. Мешок потрясли и получили вещество.

Хотя само явление изомерии было обнаружено еще Юстасом Либихом в 1823 году, но не в случае органических веществ, а при изучении серебряных солей гремучей и изоциановой кислот. Либих сумел выяснить, что гремучее серебро Ag-O-N=C (или фульминат серебра) и изоцианат серебра Ag-N=C=O имеют одинаковый состав и совершенно различные свойства. Правда, написать формулы таким образом он не мог, в те времена еще не существовало методов установления химического строения, да не было и самих формул с использованием «черточек», обозначающих химические связи. Просто Либих получил гремучее серебро и изоцианат серебра в результате реакций с использованием различных соединений, но выделил два продукта одинакового, как теперь говорят, брутто-состава. Через несколько лет после Либиха сам великий Берцелиус ввел понятие изомерии (от греческого слова, означающего «равнодольные»).

И только Бутлеров сумел разобраться в этом вопросе и объяснил явление изомерии, пояснить которое проще всего на примере углеводорода бутана.

Углеводороды, соединения только атомов углерода и водорода, имеют главную и побочную цепь связанных между собой атомов углерода начиная от простейшего метана СН_4. Затем следует этан С_2Н_6, за ним пропан С_3Н_8, бутан С_4Н_10 и так далее, вплоть до углеводородов с числом атомов углерода 100 и более. Да, кстати, здесь речь идет о предельных углеводородах, в которых все связи углерод-углерод одинарные. Так вот, формулу пропана можно записать только так: СН_3-СН_2-СН_3, у пропана изомеров нет. А вот у бутана C_4H_10 уже два изомера: СН_3-СН_2-СН_2-СН_3 (линейный изомер) и СН_3-СН_2(СН_3) — СН_3. Скобка означает, что метильная группа СН3, как ветка у дерева, направлена в сторону от главной цепи — это разветвленный изомер. То есть изомеры имеют одинаковый состав, но разное строение и соответственно разные химические и физические свойства. Например, тот же линейный изомер бутана (нормальный, н-бутан) имеет температуру плавления -138 °C, а его изомер изо-бутан плавится при -160 °C.

Лучшим доказательством справедливости любой теории, хоть химической, хоть в области общественных явлений, является правильное предсказание. Справедливость структурной теории Бутлерова была доказана еще им самим, когда он предсказал существование четырех различных изомеров бутилового спирта (бутанола), различающихся по своим физическим и химическим свойствам. Ко времени создания теории был известен лишь один бутанол: (CH_3)2CHCH_2OH. А Бутлеров предсказал и написал формулы еще трех бутанолов: CH_3CH_2CH_2CHOH, CH_2CH(CH_3)CHOH и (CH_3)3COH. Вскоре эти изомеры были синтезированы, и теория блестяще подтвердилась.

Братья цис и транс

Со времен Бутлерова открыт целый ряд других видов изомерии, в частности самая утонченная цис-транс-изомерия. Представим себе молекулу этилена CH_2=CH_2. Теперь по одному атому водорода у каждого из углеродов заместим на какую-нибудь группу, хоть на тот же простейший метил CH_3-. Получим CH_3-CH=CH-CH_3. Эти группы, как и оставшиеся атомы водорода, все лежат в одной плоскости, по оси которой расположена двойная связь. И у метильных групп появляется возможность расположиться либо по одну сторону от этой двойной связи, либо по разные стороны. Если бы связь была одинарная, то никакой разницы не было бы, вокруг этой связи группы CH_3- могут «вращаться» — и мысленно, и на самом деле. Для двойной связи так не проходит, и мы получаем два изомера диметилэтилена. Если по разные стороны — это транс-изомер. Одна из групп как бы переехала (транспортировалась) на другую сторону от двойной связи. «Транс» по-латыни — это «через», «за». Если по одну сторону — это цис-изомер. Приставка «цис-» так и переводится с латыни — «по одну сторону». (Раньше ближневосточная страна Иордания называлась Трансиорданией, то есть «за рекой Иордан». Иорданией эта страна стала называться только после первой войны с Израилем, когда Трансиордания захватила кусок Палестины за рекой Иордан и старое название потеряло смысл. Эти территории, уже не принадлежащие Иордании, называются сейчас Западным берегом реки Иордан или Палестинской автономией, а иногда используется термин Цисиордания.)

Конечно, цис- и транс-изомеры обладают различными свойствами. Иногда эти различия очень велики. Например, природный каучук из млечного сока дерева гевеи представляет собой цис-полимер вещества изопрена CH_2=C(CH_3)-CH_2=CH_2, трансполимер в этом соке полностью отсутствует. И этот цис-полиизопрен является самым лучшим материалом для изготовления резины, идущей на автопокрышки. Разумеется, химики постарались синтезировать каучук, чтобы не зависеть от капризной гевеи, но очень долго не удавалось подобрать такие условия и катализаторы, чтобы получался только цис-изо-мер, обычно на выходе имели смесь двух изомеров. Сейчас стереорегулярный, то есть состоящий почти полностью из цис-изомера, каучук делать научились, но это все еще дорогое и трудное предприятие. Вот почему в Малайзии, Индонезии и Вьетнаме под плантации гевеи продолжают вырубать уникальные дождевые леса.

Еще одно отличие между цис- и транс-изомерами — это их различное поведение в человеческом организме. Еще совсем недавно самым страшным врагом рода человеческого считалось сливочное масло, «от которого холестерин». Это правда, в сливочном масле немало этого вещества, оно откладывается на стенках наших сосудов и может их закупорить, образовать тромб и так далее. Альтернативой считалось растительное масло, в котором холестерина нет, и маргарин, в котором холестерина тоже нет, да к тому же твердый маргарин удобен для готовки и намазывания на хлеб. Однако лет десять назад выяснилось, что маргарин-то пострашнее сливочного масла будет — в нем обнаружились трансжиры! Собственно, никто в этом и не сомневался, но на эти изомеры ранее внимания не обращали.

Жиры — это сложные эфиры глицерина и карбоновых кислот. А карбоновые кислоты могут быть либо только с одинарными связями углерод-углерод, либо и с двойными связями, причем такие жиры считаются полезнее. Однако лишь в том случае, если они представлены цис-изомерами. Жиры с транс-изомерами карбоновых кислот, которые для краткости так и называют трансжирами, оказались довольно вредными. Выяснилось, что любители маргарина более склонны к развитию стенокардии, инфаркта миокарда, аритмии и сердечной недостаточности. Теперь за границей требуют указывать на этикетках маргаринов, есть ли в них трансжиры, и если есть, то сколько.

Вот еще один пример различия свойств цис-и транс-изомеров, причем особенно важный для любителей анисовки — содержащих алкоголь напитков типа французского «Перно», греческого «Узо» и болгарской «Мастики». В этих анисовках содержится эфирное масло семени аниса, на 90 % состоящее из вещества анетола. У анетола есть и цис-, и транс-изомер, причем транс-анетол является широко распространенным ароматизатором и совершенно не ядовит, а цис-анетол очень токсичен. К счастью, цис-анетола в эфирном масле очень немного и при умеренном употреблении анисовки никакого отравления не происходит. Однако при длительном хранении напитка, особенно на свету, доля цис-анетола возрастает и этой анисовкой можно отравиться. Именно поэтому содержащие анетол напитки разливают в бутылки из темного, обычно зеленого или синего, стекла.

Звезда полынь

Впрочем, отравиться можно и вполне свежим «Перно». Кроме анетола, в «Перно» ранее содержался экстракт горькой полыни и напиток относился к группе абсентов (латинское название полыни — absinthium). Полынь — растение знаменитое. О нем даже в Священном Писании говорится: «Третий ангел вострубил, и упала с неба большая звезда, горящая подобно светильнику, и пала на третью часть рек и на источники вод. Имя сей звезде полынь, и третья часть вод сделалась полынью, и многие люди умерли от вод, потому что они стали горьки» (Откровение Иоанна Богослова).

Из эфирного масла экстракта полыни выделено вещество туйон, как считается вызывающее галлюцинации, что не доказано, и состояние измененной реальности, что уже совершенно точно известно. Лучшим свидетельством этого является известная картина Пикассо «Любительница абсента» с изображенной на ней дамочкой явно не в себе. Абсентом особенно увлекались во Франции в начале прошлого века, и существует даже предположение, что именно под воздействием абсента возникло «упадочное искусство» — декаданс. Сейчас туйон научились из абсента извлекать, и этот напиток снова входит в моду. Существует даже изящный способ употребления напитков с эфирными маслами, не только «Перно», но и других, содержащих прежде всего анисовое масло. В неразбавленном состоянии эти напитки совершенно прозрачны, поскольку нерастворимое в воде эфирное масло растворяется в спирте и его крепких растворах (в данном случае 40°). Но если разбавить «Узо» водой раза в три-четыре, концентрация спирта падает, и в таком слабом водно-спиртовом растворе анисовое масло раствориться уже не может. В результате высвобождаются мельчайшие капельки масла, равномерно распределенные в стакане разбавленного напитка. Эту молочно-белую эмульсию крепостью градусов десять и пьют, а сам эффект помутнения раствора вызывает большой интерес у окружающих.

Изомерия в зазеркалье

Кроме цис- и транс-, был обнаружен еще один элегантный вид изомерии — хиральность (от древнегреческого «хейрос» — рука). Обнаруженная еще в середине XIX века, эта изомерия тоже связана с пространственным расположением одних частей молекулы относительно других, но особым образом. Хиральность — это когда отражение предмета в зеркале не совпадает с ним самим. Правая рука в зеркале становится левой. Или другой пример:

Так беспомощно грудь холодела,

Но шаги мои были легки,

Я на правую руку надела

Перчатку с левой руки.

Левая и правая перчатки — классический пример хиральности, которая как раз и основана на том, что ничего у героини Анны Андреевны Ахматовой выйти не могло, эти перчатки в принципе не совмещаются. То есть кое-как натянуть-то можно, но правой руке будет очень неудобно. Не этим ли объясняется волнение героини, а вовсе не расставанием с любимым, как принято думать? Не перепутаны ли причина и следствие?

Почти все биологические молекулы хиральны, поэтому при синтезе, например, лекарств это приходится учитывать. Различные клетки человеческого организма могут взаимодействовать только с «правыми» или «левыми» молекулами лекарства, а молекула противоположной хиральности может оказаться даже ядовитой. Так произошло с известным лекарством талидомидом, которое в 1960-е годы прописывали беременным в качестве успокаивающего средства. Тератогенность (от греческого «тератос» — уродство) талидомида привела к появлению приблизительно 10 тысяч детей с врожденными уродствами — без ручек, или без ножек, или с исковерканными конечностями. Тератогенен лишь один из изомеров талидомида, но этого оказалось достаточно, чтобы множество людей стали несчастными.

Критические различия в свойствах веществ одинакового химического состава и лишь с небольшими различиями в строении молекул являются одним из удивительных свидетельств могущества Природы, а обнаружение этих различий — могущества химической науки. Знание свойств изомеров позволяет целенаправленно получать более интересные с какой-либо точки зрения продукты. Например, октановое число углеводородов с разветвленной углеродной цепочкой обычно выше, чем у линейных углеводородов, и в нефтехимической промышленности проводят изомеризацию получаемых из нефти алканов (углеводородов только с одинарными связями) в изоалканы. Открытый Карозерсом (см. главу 15) капрон можно получить только из капролактама, который синтезируют из его изомера циклогексаноноксима.

Обычный белый сахар, или сахароза C_12H_22O_11, представляет собой соединенные химической связью два изомерных моносахарида — глюкозу и фруктозу, и при пищеварении на эти два вещества сахар сначала и распадается. Глюкоза C_6H_12O_6 является источником энергии для функционирования организма человека и при этом опасна для больных диабетом, у которых заторможена или вообще отсутствует активность фермента инсулина. В то же время ее изомер фруктоза с той же брутто-формулой C_6H_12O_6, обусловливающая сладость множества ягод и фруктов, диабетикам ничем не угрожает, для ее переработки инсулин не требуется. Кроме того, фруктоза почти в два раза слаще сахара, и соответственно для подслащивания чая или компота ее требуется значительно меньше. Для многих, к сожалению, очень многих жителей нашей страны особенно важно еще одно свойство фруктозы: она ускоряет перерабатывание алкоголя и превращение вреднейшего уксусного альдегида в безвредную уксусную кислоту CH_3COOH. Уксусный альдегид CH_3COH — вещество, образующееся при распаде этилового спирта C_2H_5OH и вызывающее тяжелое состояние похмелья.

Препараты с фруктозой против этого синдрома уже производятся, а про другие вещества, используемые вместо сахара, рассказано в следующей главе. А заодно и про вещества «наоборот» — горькие и жгучие.

Глава 4

Почему сладкое сладко, а горькое горько

Мы часто говорим: «О вкусах не спорят», при этом имеем в виду не только книги, музыку или кино, но и творения кулинаров. Одни, особенно дети, любят сладкое, другие — вкус бифштекса с кровью, на Востоке обожают полакомиться жареными личинками насекомых, во Франции едят лягушек. Но вкусы любых блюд можно все-таки попытаться определить как сочетание основных вкусов, которых не то четыре, не то пять, не то двадцать пять. Самый простой и традиционный вариант — это четыре вкуса: сладкое, соленое, горькое, кислое. Причем любопытно, что эти, да и все другие возможные вкусы обнаруживаются нашим языком только если вещество вкуса растворено в воде. Если положить на сухой язык кристаллы сахара, то человек ничего не почувствует.

Теория вкусности

Известно, какие зоны языка, на которых находятся так называемые вкусовые сосочки, отвечают за определенные вкусы. К сладкому наиболее чувствителен кончик, к соленому — тот же кончик и края языка, к кислому — тоже края и, наконец, к горькому — корень языка. Связь между строением химического вещества и его вкусом установлена только в одном случае — для кислого вкуса. Этот вкус всегда вызывают вещества, имеющие в своем составе отщепляемый ион водорода, а это почти все кислоты и другие соединения, дающие в растворе кислую реакцию. Ион водорода — это ведь «голый» протон, элементарная частица. На одной из школьных олимпиад по химии был поставлен такой вопрос: какого вкуса протон? И далеко не все сумели найти ответ — кислый. Любопытно было бы узнать, а какого вкуса, например, электрон?

Соленый вкус в своем чистейшем виде проявляется во вкусе обычной поваренной соли — хлорида натрия NaCl. Поскольку другие соли с анионом хлора такого вкуса, как правило, не вызывают, считается, что соленость — это свойство катиона натрия. Хотя при увеличении молекулярной массы соли вкус постепенно изменяется в сторону горького. Сульфат натрия Na_2SO_4 уже довольно заметно горчит. Присутствие серы чаще всего придает веществу горький вкус, хотя тут уже все гораздо сложнее, такой вкус имеют очень многие вещества. Удивительно, что самыми сладкими или самыми горькими являются растворы соответствующих веществ не самой высокой, а средней концентрации. Максимально сладок 20 %-ный раствор сахара, максимально горько-солён 10 %-ный раствор поваренной соли.

Существует несколько теорий вкуса, лучше других «поведение» куска торта на языке описывает гипотеза Шалленбергера, связывающая строение вещества и строение вкусовых центров на языке. Однако гипотеза гипотезой, а почти все сладкие вещества люди обнаружили случайно и именно «по вкусу». Дисахарид сахарозу, то есть попросту наш обычный сахар, и моносахариды фруктозу и глюкозу человечество раскусило еще в незапамятные времена, попробовав сладкий тростник, дикие фрукты и виноград, а другие подсластители были обнаружены лишь в позапрошлом и прошлом веках.

Борьба феминисток за равноправие женщин и мужчин привела к некоторым неожиданным результатам. Например, в западных странах теперь не принято уступать дамам место в автобусе, и настояли на этом вовсе не мужчины, а женщины. А ведь различия между полами все же есть, и не только те, о которых сразу можно подумать. Оказывается, чувствительность женских вкусовых сосочков заметно отличается от чувствительности мужских. Прежде всего вкус к сладкому у женщин развит больше, чем у мужчин. Вот о сладости, точнее, о подслащивающих веществах, и поговорим.

То, что сахар вреден и от него кариес, а также что от сахара полнеют и сахар провоцирует диабет, — это всем известно. Доказано также, что сластены чаще становятся алкоголиками и вообще сахар — это белая смерть. Ну что возразить на все эти обвинения? Только вот это: во-первых, сахар вкусный, а во-вторых, другие подсластители напитков, мороженого и кондитерских изделий не лучше. Подсластителями называют все вещества, добавляемые для придания продукту сладкого вкуса. Таких подсластителей — натуральных и искусственных — множество, и общее у них только одно — они сладкие.

Сладкая спекуляция

Про случайные открытия в химии более подробно рассказывается в главе 15, но и здесь нам придется пользоваться словом «случайно», поскольку большинство подсластителей было открыто именно так. Сахарин случайно был открыт в Америке в 1879 году русским эмигрантом К. Фальбергом, работавшим в лаборатории известного химика А. Ремсена. К 1884 году было уже налажено промышленное производство сахарина. Занимались им немногие — бизнес этот не приносил особенных доходов. Но с началом Второй мировой войны и блокадой морских коммуникаций о сахарине вспомнили, поскольку основным поставщиком тростникового сахара к тому времени стала Америка. В СССР сахарная свекла росла только на оккупированной Украине, поэтому сахарин во время войны мгновенно стал предметом спекуляции наряду с американскими сигаретами, пенициллином и нейлоновыми чулками. Успеху сахарина способствовала его чудовищная сладость — он слаще сахара в 500 раз!

Кстати, о том, как определили величину сладости сахарина. Современные теории не дают возможности количественно определить степень сладости (а также горечи или солености), не существует и приборов-сладкомеров. Поэтому сравнивают так называемые пороговые концентрации веществ, при которых обычный человек уже начинает чувствовать сладость. Установлено, что сладкий вкус ощущается при содержании сахара в стакане воды около 700 миллиграммов, а сахарина — всего 1,4 миллиграмма. Вот отсюда и получается, что сахарин слаще сахара в 500 раз.

Не закончилась еще битва союзников с Третьим рейхом, как на сахарин набросились сахарные монополии. Были проведены сотни опытов с целью доказать вредность этого подсластителя, но в результате было показано только, что не стоит есть сахарин каждый день и помногу. Установлено и это «много» — разрешенной дозой является 5 миллиграммов сахарина на 1 килограмм веса в день. Для человека массой 90 килограммов это означает 0,45 грамма. Такое количество сладости содержится в 0,45 × 500 = 225 граммах сахарозы, то есть в полном стакане сахара. Столько есть в день, конечно, не следует.

Обычно сахарин выпускают в таблеточках, в которых он содержится в виде своей натриевой соли. Для лучшей растворимости к ней добавлена лимонная кислота и сода, которая еще и уменьшает горьковатый привкус, свойственный сахарину. Неожиданным примером применения сахарина может служить так называемый сладкий сахар. Производители этой муры, просто добавив к обычному белому сахару немного сахарина, уверяют, что 1 килограмм полученной смеси заменяет 3 килограмма обычного сахара при варке варенья. Однако сахароза в варенье добавляется вовсе не только для сладости, а в первую очередь в качестве бактерицидного вещества: осмотическое давление сахарного сиропа разрывает клетки вредных микробов. Кстати, по той же причине болят зубы от сладкого: сироп внедряется в микротрещины эмали и пытается их раздвинуть. Это так называемый эффект Ребиндера, советского ученого, работавшего в области коллоидной химии. А сахарин бактерицидными свойствами не обладает, так что варенье с резко пониженным содержанием сахарозы скорее всего скиснет. Хотя с точки зрения сладости «сладкий сахар» действительно втрое слаще.

Так же случайно было открыто и другое популярное подслащивающее вещество. В 1937 году химик Сведа после опыта по синтезу аминосульфоновой кислоты решил закурить, не помыв руки, и поразился сладкому вкусу сигареты. Производные этой кислоты были тщательно исследованы. Их назвали цикламатами. Удивительное дело — они оказались в 50 раз слаще сахара! Цикламат считается безвредным веществом, хотя очень большие его количества вызывали рак мочевого пузыря, но не у человека, а у крыс. Изучение возможной вредности цикламата продолжается, однако эти работы сейчас малоактуальны, поскольку самым распространенным подсластителем стал аспартам.

Аспартам — это так называемый дипептид фенилаланин, вполне природное вещество. Оно входит в состав многих белковых продуктов, например любого мяса. Аспартам не вызывает кариеса, практически безвреден для большинства людей, за исключением больных фенилкетонурией, страшной и редкой болезнью мозга. Поэтому на товарах с аспартамом производители обязаны писать: «содержит фенилаланин» или «не для больных фенилкетонурией». На этикетках, например, жевательных резинок меленькими буквами так и написано. Сладкий вкус аспартама (в 200 раз слаще сахара) был открыт опять же случайно, химик снова не помыл руки после опыта. Это вещество, по структуре представляющее собой как бы кусочек молекулы белка, добавляют сейчас во многие пищевые продукты и лекарства, чтобы «подсластить пилюлю», особенно детскую. Он очень нравится производителям напитков. В аптеке аспартам продается в виде таблеток.

Все наветы на белый сахар — полная правда. Однако пищевые продукты с сахаром продолжают выпускать, поэтому стоит присмотреться к содержанию в них «белой смерти». Выяснить, сколько сахара в торте, довольно трудно, потому что на этикетке будет написано: жиров — столько-то, белков — столько-то, а углеводов — столько-то. И какую долю этих углеводов составляет именно сахароза, совершенно неизвестно.

Элементы сладкой жизни

Гораздо проще с напитками. Все содержащиеся в них углеводы — это именно сахароза, белый сахар. Можно посчитать, сколько сахара содержится в любой «коле», отечественных прохладительных сладких напитках и псевдоквасе. Для этого надо всего лишь взять лупу и внимательно прочитать этикетки. Сразу видно, что в 100 миллилитрах всех этих жидкостей 10–11 граммов углеводов, то есть сахарозы, поскольку никаких других углеводов там нет. Один кусок сахара весит примерно 5,5 грамма. А значит, в 100 миллилитров напитка положили 2 куска сахара. В алюминиевую 330-граммовую баночку — 7 кусков, в двухлитровую бутылку 40 (да-да, сорок) кусков!

Наверное, уже все заметили, что сладкие импортные и отечественные напитки жажду не утоляют. После них все равно хочется пить, и понятно почему: они слишком сладкие и предназначены не для утоления, а для возбуждения жажды и покупки следующей бутылки. К тому же от сахара толстеют. На «проклятом» в этом уже разобралось и потребовало убрать сахар из кока-колы и пепси-колы. Производители остроумно решили возникшую проблему падения спроса, вспомнив про подсластители. Так возникли напитки «лайт», «дайт» (диетический) и «ноль калорий».

И сахарин, и аспартам оказались чрезвычайно выгодными для производства напитков — вместо мешка сахара в бак с будущей «колой» надо высыпать всего лишь кружку подсластителя. Каждому понятно, насколько проще производственный процесс, насколько меньше нужен склад и так далее. Поэтому-то западные, а теперь и множество наших фирм так увлеклись подсластителями — а вовсе не из-за заботы о нашем здоровье! Возьмешь наугад любой напиток в магазине, и в 9 случаев из 10 он будет на аспартаме. Даже в тех случаях, когда такое в принципе не должно быть, например при производстве кваса. Квас, по определению, напиток брожения, а бродит в нем только углевод сахароза, аспартам тут ни при чем, он бродить не может. Так что, если увидите на этикетке кваса слово «аспартам», знайте — это не квас! Это сладковатый раствор коричневого красителя с добавкой лимонной кислоты.

Впрочем, кое в чем производители правы: количество аспартама или тем более сахарина в напитке столь ничтожно, что калорий в них действительно почти ноль, поскольку нет калорийного сахара. Но вот насчет возбуждения жажды ничего не изменилось — после употребления напитков с подсластителями во рту остается довольно мерзкое ощущение приторности, которое так и хочется снять… новой порцией напитка. Объясняется все очень просто: во-первых, подсластитель надолго связывается со вкусовыми сосочками и, во-вторых, на заводах его часто передозируют. Действительно, при таком уровне сладости переложить подсластитель очень легко.

На рынке сейчас можно обнаружить десятки напитков на аспартаме. В некоторые добавляют сразу и сахарин, и аспартам, и цикламаты, поскольку совместное применение этих подсластителей несколько снижает привкус горечи сахарина и приторность аспартама. Стоит запомнить или записать значки Е 951, Е 952 и Е 954 — это псевдонимы аспартама, цикламата и сахарина. Справедливости ради напомним, что все эти вещества безвредны, а если уж вредны, то только для кошелька.

Приведем еще один пример обмана — нерафинированный сахар. Прошли те времена, когда все стремились одеваться в тонкие белоснежные одежды и использовать кристально чистые соль и сахар. Теперь экологически подкованный гражданин носит грубые, неотбеленные льняные рубашки, добавляет в пищу грязноватую крупную соль и коричневатый сахар. Спрос на «натуральные» продукты опережает предложение, и производители начали выпускать неотбеленный, очень-очень «природный» сахар. Казалось бы, надо просто прекратить отбеливать сахар-сырец, однако убрать одну из стадий в технологической цепочке без нарушения всего отлаженного процесса довольно сложно. Поэтому большинство продающегося сейчас коричневого сахара представляет собой обычный рафинированный сахар, подкрашенный карамелью в коричневый цвет, причем об этом честно (но мелкими буквами) указано на упаковке! Такой сахар чуть не вдвое дороже обычного, однако его охотно покупают! Как ни горько это говорить, но нет предела человеческой доверчивости.

И вправду горько

Вот именно, теперь можно немного поговорить о горечи, так сказать, антониме сладости. А еще больше — о крайнем случае горечи, жгучем вкусе, хотя такое определение жгучести не совсем правильно. Как уже говорилось, горький вкус ощущается на корне языка. Горьких веществ в природе очень много, причем горчат большинство ядов природного происхождения. Поэтому горький вкус какого-нибудь вершка или корешка издавна ассоциировался с токсичностью, и специалисты по эволюции человека считают, что это не случайно. Не будь белладонна такой горькой, небольшое племя наших далеких предков могло бы ею отравиться и не превратиться в хомо сапиенсов. В белладонне, этой «прекрасной даме» (с итальянского), содержатся алкалоиды группы атропина — сильнейшие яды. Но, как это часто бывает, в небольших концентрациях растворы белладонны — лекарство, применяемое для лечения язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, желчных и почечных колик, геморроя. А скополамин, также содержащийся в экстрактах белладонны, — главный компонент аэрона, таблетки которого глотают для профилактики морской и воздушной болезни.

Чаще всего нам не нравятся блюда с горьким привкусом, поэтому специально горькие вещества вводить в какие-либо продукты никому в голову не приходит. За одним, но очень важным исключением — хинином C_20H_24N_2O_2. Об этом лекарстве от малярии европейцам стало известно в начале XVII века от индейцев Перу, которые лечились корой хинного дерева (семейство мареновых) от местной лихорадки.

А в середине XIX века англичане в Индии использовали тонны хинина для изготовления особого напитка — тоника. В тропических странах в те времена свирепствовала малярия, и необходимо было заставить британские войска и чиновников в покоренной Индии регулярно принимать хину — растолченную кору хинного дерева. Однако хинин чрезвычайно горек и служит даже эталоном горечи, поэтому британцы уклонялись от такой профилактики. И тогда британские медики разработали коктейль из любимого колониалистами джина и раствора хинина с добавлением сока лайма или лимона. Коктейль (а он и есть то, что мы называем ныне «тоник») получился удачным, он понравился бравым колонистам, а вскоре и просто вошел в моду. Так англичане перестали болеть малярией. На сколько при этом увеличилось потребление джина и сколько в колониальной Индии появилось сагибов-алкоголиков, история умалчивает. Интересно, что в огромных количествах тоник пьют и в России, причем не только в смеси с водкой, но и в чистом виде. В первую очередь это говорит о том, что понятие «горько» не тождественно понятию «невкусно».

Как и степень сладости, степень горькости определяют по минимальной концентрации горького вещества, которую человек воспринимает именно как горечь. Хинин ощущается горьким даже при сильном разведении, но рекордсменом по горечи является не природное вещество, а синтезированный химиками бензоат денатония С_28Н_34N_2O_3. Это невыносимо горькое вещество добавляют в ничтожной концентрации в растворы этилового спирта, не предназначенные для празднования дней рождения, то есть в денатураты. Такой денатурированный спирт не то что выпить, даже попробовать невозможно, а для технических целей он вполне пригоден. Кстати, раньше спирт денатурировали пиридином, крайне неприятно пахнущим и среднеядовитым веществом, а также подкрашивали метиленом фиолетовым. Но ничего, в России дешевый денатурат покупали и пили, только вот иногда умирали. Со временем умельцы даже придумали остроумный способ очистки денатурата от пиридина: фиолетовый раствор пропускали через фильтрующую коробку противогаза, на выходе получался сравнительно чистый спирт. Государство спохватилось, и вскоре продажа этой мерзости была запрещена. Сейчас денатурат купить можно, но его уже не пьют, поскольку он ныне не дешевле обычной водки.

Из интересных особенностей горьких веществ отметим нечувствительность некоторых людей к их горечи. Так, фенилтиомочевину только 70 % населения мира ощущают как горькое вещество, а остальные 30 % ее горечи не ощущают. Разумеется, это связано с генетикой. Кстати, в случае жгучего вкуса ничего подобного не наблюдается — ни на одном континенте не отмечено ни одного случая, чтобы кто-нибудь не ощущал жгучесть красного перчика или любого другого жгучего растения. В качестве исключения укажем на персонаж Жана Рено, который в кинофильме «Васаби» ложками ел японский, страшно жгучий зеленый хрен васаби и получал удовольствие. Но это все-таки кино.

Жуть как жгуче!

Жгучесть перца и многих других жгучих растений обусловлена присутствием в них алкалоида капсаицина C_18H_27NO_3, бесцветного кристаллического вещества. Капсаицин был выделен из стручкового перца еще в 1912 году, причем на основе именно содержания капсаицина американский химик-фармацевт Уилбур Сковилл разработал свою шкалу жгучести. Определяется шкала как обычно: изготавливается спиртовой экстракт перца какого-то сорта и пробуется на язык. Жжется? Разбавляем экстракт в 10 раз. Жжется? Уже меньше, но ощущение жгучести еще есть. Разбавляем эстракт еще в 10 раз и так далее, пока язык не перестанет чувствовать жгучесть. То же самое делаем с перцем другого сорта и составляем шкалу Сковилла.

По этой шкале у перцового острого соуса «Табаско» степень жгучести равна 7500, у перца хабанеро — 200 тысяч, струя газа из перцового баллончика дает 2 миллиона единиц, а чистый капсаицин — 15 миллионов! Рабочие, изготавливающие соусы из жгучего перца на пищевых фабриках, обязаны работать в перчатках. Впрочем, заставлять их не приходится: попадание концентрата на открытые участки тела причиняет большие страдания.

Сегодня механизм воздействия капсаицина разгадан. Оказалось, это вещество воздействует на систему передачи сигналов по нейронам. Молекула капсаицина открывает канал в мембране нейрона, через которую катион кальция переходит внутрь нервной клетки, которая немедленно сообщает об этом мозгу. Поскольку вообще-то такое воздействие положительным не назовешь, мозг обозначает его как жжение. Самое интересное, что точно такое же ощущение возникает при контакте с горячими предметами, то есть мозг не разделяет жжение перцем и ожог. Очень экономная система.

Для завершения разговора о химии вкуса упомянем о пятом, не входящем в классическую классификацию вкусе — умами. Этот вкус выделили в отдельную строку жители Восточной Азии, прежде всего японцы. Вкус умами — это вкус свободных аминокислот белка, прежде всего глютаминовой кислоты. В виде глютамината натрия (неправильно называемого глютаматом) это вещество добавляют сейчас куда попало, но прежде всего в мясные продукты. Считается, что глютаминат не сам по себе придает колбасе специфический вкус, а просто усиливает вкусовые ощущения путем активизации вкусовых сосочков. Усиливает он таким образом вкус и многих других продуктов, так что японцы даже называют глютаминат основой вкуса (по-японски — «адзиномото»).

Первоначально глютаминат получали из морских водорослей, которые японцы традиционно добавляли в свои блюда, но теперь адзиномото синтезируют микробиологическим способом. Время от времени поднимается шум по поводу вредности глютамината, и действительно, если есть глютаминат килограммами, то будет не очень хорошо. Впрочем, еще хуже будет, если в таких количествах есть поваренную соль. Глютамината в виде пищевой добавки содержится в продуктах совсем немного, и в таких количествах адзиномото совершенно безопасен. В отличие от по-настоящему ядовитых веществ, часть из которых использовались, а может, используются и сейчас.

Глава 5

Яды вредные и полезные

Этот день — 22 апреля 1915 года — навсегда вошел в историю человечества. Именно тогда люди впервые применили отравляющий газ, чтобы убить себе подобных. Это произошло на Западном фронте Первой мировой войны, где около реки Ипр со стороны немецких позиций на англо-французские войска был выпущен смертельно ядовитый зеленоватый газ хлор.

Химия против жизни

Химическая атака оказалась чрезвычайно «результативной» — было отравлено 15 тысяч солдат, из которых 5 тысяч умерли, а из остальных 10 тысяч половина навсегда остались инвалидами. «Черный день на Ипре» считается началом химической войны, но это справедливо лишь отчасти. Если говорить о массированном «высоконаучном» применении отравляющих веществ в военных целях, то 22 апреля 1915 — действительно историческая дата. Однако использование химических поражающих факторов с целью уничтожения живой силы и боевой техники врага началось гораздо раньше. Еще спартанцы в V веке до н. э. бросали в костры серу, дающую при сгорании сернистый ангидрид. При благоприятном направлении ветра достигался ощутимый отравляющий эффект.

В том же веке в битве при Делии (424 год до н. э.) якобы была использована огнеметная труба, выплевывавшая на противника горючую смесь серы, нефти и растительного масла. Правда, неясно, как именно достигалось выбрасывание смеси. Зато совершенно достоверно, что при осаде крепостей в Средние века на осаждающих сыпались не только стрелы и камни, но и горшки с горючими веществами типа природного битума или просто нефти.

Самым знаменитым примером такого рода является «греческий огонь», который византийцы еще в VII веке н. э. применяли против арабов в морских сражениях. Состав «греческого огня» тщательно скрывался и точно до сих пор не известен, хотя большинство компонентов описаны в летописях. Известно, что «греческий огонь» было почти невозможно погасить водой и даже песком. Отсюда следует, что в состав «огня» должно входить не только топливо, но и окислитель. Топливом были нефть и сера, византийцы могли добавлять еще и какую-нибудь смолу, а единственным известным тогда окислителем была калиевая селитра. В кое-каких источниках сообщается, что «греческий огонь» не только не боялся воды, но даже наоборот, смесь загоралась при соприкосновении с водой. Веществ, «горящих» в воде, мы знаем сейчас достаточно много, но византийские алхимики, скорее всего, использовали негашеную известь CaO, которая при гашении водой выделяет большое количество тепла.

CaO + H_2O = Ca(OH)2

При этом легковоспламеняющаяся нефть или сера могли и загореться. Так что состав «греческого огня» таков: нефть, сера, селитра, негашеная известь. Выделение большого количества тепла при гашении извести использовали в более поздние века алхимики, фокусники и мошенники, уверяя, что умеют поджигать дрова — не может быть! — водой. А делается это так: в камин помещаются нетолстые сухие дровишки, пересыпанные негашеной известью. Неплохо бы добавить и чего-нибудь легковоспламеняющегося, например того же спирта. Если затем поливать водой всю эту конструкцию, то она легко загорается.

Однако неоднократные попытки воспроизвести по рецепту византийцев негаснущую в воде смесь к успеху не привели. То ли не так смешивали, то ли не так применяли. Можно предположить, что византийцы использовали смесь легких и тяжелых сортов нефти. Тяжелая нефть обеспечивает устойчивое горение, хотя и с трудом загорается, а легкая энергично горит и поджигает тяжелую фракцию. Кроме того, при горении легкой нефти выделяется так много тепла, а деревянные корабли так легко вспыхивают, что арабы, возможно, просто не успевали гасить свои палубы и мачты, поливая их водой.

В данном случае также возникает вопрос о механизме забрасывания «греческого огня» на корабль противника. Простейшим вариантом может быть катапульта, стреляющая горшками с горючей смесью.

Пишут о каких-то бронзовых сифонах, но их устройство остается неясным. Хотя простецкие насосы тогда уже были известны.

Отметим, что византийцы поливали «греческим огнем» не только арабов, но и наших далеких предков. В 941 году при помощи этого секретного оружия была одержана победа над флотом князя Игоря, который подошел к Константинополю.

Но вернемся в нашу эпоху. Та первая атака с использованием хлора была проведена простейшим способом — немцы подвезли к фронту почти 6 тысяч баллонов с хлором, дождались ветра в сторону англо-французских окопов и открыли вентили. Это, конечно, не самый удачный вариант использования химического оружия: в первый раз все удалось, но потом уже союзническая авиация тщательно следила за поставками баллонов с хлором. Англичане поступили хитрее. Были разработаны специальные газометы, представлявшие собой вариант минометов и стрелявшие на 2–3 километра минами с жидким отравляющим веществом — дифосгеном и хлорпикрином. Вскоре последовало использование снарядов с четыреххлористым оловом SnCl_4 и треххлористым мышьяком ASCI_3, а в 1917 году немцы применили снаряды с твердым дифенилхлорарсином, раздражающим верхние дыхательные пути. К тому времени уже изобрели противогаз (в России — великий химик Николай Дмитриевич Зелинский), но дифенилхлорарсин проникал через адсорбент противогаза. Пришлось установить дополнительный фильтр.

Новый этап развития химического оружия в Германии связан с синтезом несимметричного дихлордиэтилсульфида S(CH_2CH_2Cl)2 — жидкого отравляющего вещества общеядовитого и кожно-нарывного действия. По традиции немцы снова использовали его под бельгийским городом Ипр, потому это вещество французы и назвали «иприт». Англичане же называли его горчичным газом, поскольку оно пахло горчицей. Иприт легко проникал сквозь кожу, и военнослужащих пришлось одевать в защитные одежду и обувь.

Всего за годы Первой мировой войны было применено 125 тысяч тонн отравляющих веществ, при этом пострадали более миллиона человек, из которых 100 тысяч умерли.

По Версальскому договору Германии было запрещено применять и разрабатывать химическое оружие. Публично осуждали его и победители, что не помешало им начать широкомасштабные исследования в этой области. В России уже в 1921 году будущий маршал Тухачевский травил газами восставших, ограбленных коммунистами крестьян Тамбовской губернии (Антоновский мятеж). Он довольно быстро подавил восстание, убив тысячи несчастных граждан своей собственной страны.

Впрочем, белогвардейцы тоже применяли химическое оружие (снаряды с ипритом и фосгеном COCI_2). Атаман Войска Донского генерал Петр Краснов использовал это оружие против красноармейцев и гражданских лиц во время обороны Царицына. Но это все-таки была война, хоть и Гражданская, с фронтом и тылом, а не истребление голодающих крестьян.

Следующим примером применения химического оружия стала война между Италией и Абиссинией (Эфиопией). Из общих потерь проигравшей войну Абиссинии — 750 тысяч человек — треть приходится на потери от отравляющих веществ, которые итальянцы сбрасывали на африканских православных христиан в авиационных бомбах. Эту войну итальянцы выиграли, в отличие от последующих войн — с Албанией и Грецией, — которые они позорно провалили. Тогда им пришлось обращаться за помощью к Гитлеру.

Сами же гитлеровцы не решились использовать химическое оружие, хотя тайно накопили громадное количество отравляющих веществ, сумев изобрести при этом такие чудесные яды, как зарин, зоман и табун. Еще в самом начале войны англичане и американцы через нейтральные страны предупредили немцев: в ответ на их возможное использование химического оружия на германские города посыплются десятки тысяч тонн таких же веществ, что в условиях большой плотности населения Германии сразу приведет к окончанию войны. Но, по некоторым сведениям, немцы все-таки тайно использовали отравляющие вещества на оккупированной территории СССР — против засевших в катакомбах Крыма и Одессы партизан и окруженных частей Красной армии.

Своеобразным химическим оружием, пожалуй, можно считать дымовые завесы, которые ставили корабли во время той войны. Дым безвреден, однако играет важную роль в военных действиях. Наверное, это химическое оружие — единственное, которое широко применялось во Второй мировой войне и будет применяться и впредь.

Этническое оружие

В послевоенные годы отравляющие людей вещества практически не использовали. В советской литературе приводятся свидетельства о применении химического оружия в Корейской войне 1950–1953 годов, но эти свидетельства малоубедительны. Зато позже, во время войны в Индокитае (1960-е годы), американцы интенсивно использовали химическое оружие, правда, не против людей, а против вьетнамской природы. Прежде всего, надо упомянуть дефолианты — вещества, вызывающие опадение листьев в джунглях и демаскирующие северо-вьетнамские войска (от латинского folium — лист). Сам по себе дефолиант сравнительно мало вреден для человека, однако в нем впоследствии нашли примеси сильнейшего яда диоксина.

Вызванные диоксином отравления привели к инвалидности и смерти десятков тысяч вьетнамцев, а также и сотен американских солдат, случайно попавших под обработку джунглей дефолиантом CS. В связи с этим ученые занялись созданием отравляющих веществ избирательного действия, так называемого этнического оружия. Имеется в виду такое химическое оружие, которое действует на «желтых» вьетнамцев, но не действует на «белых» американцев, поскольку биохимия представителей разных рас несколько отличается. Такое оружие даже было создано, но применить его не удалось: чисто «белых» в американской армии не обнаружилось, эта нация образовалась путем смешения людей самого различного происхождения.

Надо добавить, что страшный яд диоксин найден и в некоторых видах косметико-гигиенической продукции. Сей факт заставляет задуматься о необходимости использования антимикробного хлорсодержащего средства триклозан, в качестве примеси иногда содержащего диоксин.

Сейчас около четверти продающегося в мире туалетного мыла содержит триклозан. Однако надо ли уничтожать все микробы на руках? Специалисты считают, что совершенно не обязательно. Наша микрофлора противостоит вредному воздействию попадающих на руки и лицо «чужих» микробов, и если «своих» убить, то эти «чужие» радостно набросятся на свежие поверхности кожи. Средства с триклозаном могут быть полезны, например, гинекологам или хирургам; стоит вымыть руки мылом с триклозаном также после общения с домашними животными и при уходе за инфекционными больными. Даже если производитель гарантирует отсутствие диоксина, использовать хлорсодержащие бактерициды нужно с большой осторожностью, поскольку они способны вызывать дерматиты у лиц с чувствительной кожей.

Последним, кто использовал химическое оружие в XX веке, причем против граждан своей страны — курдов, был иракский правитель Саддам Хусейн. Его главный специалист по отравлению курдских крестьян даже получил прозвище Али-химик. А еще в токийском метро в 1995 году распылили ядовитый зарин фанатики секты «Аум Синрикё» («Учение истины»). Тогда погибли десять пассажиров, а около пяти тысяч сильно отравились.

Несмотря на явно продолжающиеся во всем мире разработки нового химического оружия, основная проблема с этим оружием — его уничтожение. На планете накоплено огромное количество отравляющих веществ, особенно в России, а оказалось, что уничтожить эти вещества едва ли не труднее, чем синтезировать. Строительство заводов по уничтожению химоружия вызывает постоянные протесты окружающего населения, проблема утилизации отходов до конца не решена, и нам еще не раз придется читать в газетах сообщения об отравлении мирных граждан случайно разлившейся ядовитой смесью или о взрыве заржавевшего снаряда с ипритом времен последней мировой войны (это произошло, например, осенью 2005 года в Саратовской области).

Один из заводов по уничтожению запасов химического оружия находится в г. Шиханы Саратовской области, и занимаются там сжиганием ядов, в том числе нервно-паралитического действия. Но и до сих пор уничтожили не всё. Кстати, крупный предприниматель Иван Кивелиди в 1995 году был отравлен редким нервно-паралитическим ядом, который, как выяснило следствие, был произведен (или просто похищен со склада) именно в Шиханах. Об эффективности этого яда говорит тот факт, что Кивелиди отравился, всего лишь подержав в руке телефонную трубку, намазанную ничтожным количеством вещества. Предприниматель даже не заметил следов яда на трубке, но это еще не все: упавшую на пол трубку подобрала секретарша и тоже скончалась. Но и на этом дело не закончилось! Отравился и эксперт, вскрывавший тело Кивелиди. Могучая все-таки эта наука — химия.

Благородные и простонародные яды

Сначала определение. Их много, можно воспользоваться, например, вот таким: яды — вещества, отличающиеся высокой токсичностью и способные часто в ничтожных количествах вызывать тяжелые нарушения жизнедеятельности или даже смерть живого организма. Даты изобретения ядов не существует — просто потому, что первыми используемыми человеком ядами были вещества природного происхождения и отравлялись ими еще наши далекие предки, по внешнему виду сильно отличавшиеся от химиков в белых халатах. Первые природные яды, наверное, были еще и одним из инструментов эволюции: выжили и дали потомство те из питекантропов, что не лопали все подряд.

Прошли века, и люди стали относиться к ядам с сознанием дела. Отбор и выделение природных ядов зафиксированы в исторических документах. О вытяжке сильнодействующего яда из какого-то травянистого растения написано на шумерских клинописных табличках, придворные врачи китайских императоров в начале первого тысячелетия уже точно знали, какой порошок следует подсыпать неугодному министру. В Египте жрецы Тутанхамона использовали для умерщвления рабов белену, стрихнин, опий и даже синильную кислоту, которую получали из косточек миндаля и персиков. В Древней Индии также знали белену, применялись и местные разновидности поганок.

Ядами «с успехом» пользовались и древние греки, и древние римляне. Первое массовое (и умышленное) отравление в Риме произошло еще в IV веке до н. э. В Греции приговоренный к смерти за «поклонение новым богам и развращение молодежи» древнегреческий философ Сократ (470–399 годы до н. э.) должен был выпить раствор яда растительного происхождения — экстракт болиголова или подобного растения, содержащего алкалоиды кониин или цикутотоксин. Выпив знаменитую чашу с цикутой, философ умер от паралича окончаний двигательных нервов.

Изобретением в области ядов может считаться изготовление ядовитого вещества из неядовитых компонентов. Еще в IV веке до н. э. в Персии знали минерал аурипигмент (сульфид мышьяка AS_2S_3), который после обжига превращается в белый оксид мышьяка AS_2O_3. Однажды, когда Александр Македонский был в Персии, ему рассказали об этом сильнейшем яде. Огромное количество ядов получили алхимики — производные ртути, свинца, мышьяка. В виде уже упомянутого оксида мышьяк весьма уважали отравители Средневековья. Дело в том, что это вещество не обладает ни вкусом, ни запахом, ни цветом, и поэтому подмешать его в пищу жертве ничего не стоит. Мышьяком пользовались члены знаменитого семейства Борджиа (XV век). Существует версия, что и Наполеон был отравлен мышьяком. В доказательство приводят результаты спектрального анализа волос императора, умершего в ссылке на острове Святой Елены. При этом некоторые историки полагают, что Наполеона отравил кто-то из приближенных, понемногу, но постоянно добавляя мышьяк в пищу пленника. Другие же ученые считают, что отравление было случайным. Действительно, спальня Наполеона была отделана обоями, покрашенными зеленой краской на основе мышьяка — так называемая шеелева зеленка, арсенид меди CU3AS. Это соединение предложил использовать в качестве краски знаменитый шведский химик Карл Шееле, не догадываясь о возможных последствиях. В сыром помещении завелись грибки, которые постепенно разлагали краску, и мышьяк выделялся в атмосферу помещения. Впрочем, ни одна из версий не считается доказанной, поскольку, например, нет строгих доказательств, что проанализированные на спектрометре волосы принадлежали именно Наполеону Бонапарту. Но зато точно известно, что император был в некотором смысле отомщен: Карл Шееле умер, отравившись им же открытой синильной кислотой.

Соединения мышьяка чрезвычайно ядовиты. Описан случай, когда от них практически вымерла целая венгерская семья, построившая себе дом на склоне горы, где за 80 лет до этого виноградари регулярно промывали свои опрыскиватели виноградной лозы. Опрыскивание содержащими мышьяк препаратами применялось против болезни винограда — филлоксеры — и было давно прекращено из-за частых случаев профессионального «рака виноградарей». Члены того несчастного семейства еще и пили воду из колодца, вырытого на этом участке склона.

Благодаря ядовитым свойствам мышьяка, точнее, оксида AS_2O_3, его активно используют в стоматологии — для удаления зубных нервов. Непосредственный контакт оксида мышьяка с тканями приводит к их гибели, но протекает практически безболезненно. На обнаженную пульпу зуба наносят кусочек пасты из оксида величиной с булавочную головку, и через сутки-двое нерв погибает.

Ртутная история

В 1950-е годы в небольшом поселке около бухты Минамата в Японии произошла страшная трагедия — жители этого селения отравились ртутным соединением метилртутью. В бухту попадали без очистки отходы от расположенного поблизости завода по производству полимеров с использованием в качестве катализатора соединений ртути. Попавшая в воду ртуть накапливалась в организме рыб, которые настолько ослабевали, что их можно было ловить простым сачком. Чем радостно и занялись жители поселка, только вот потом стали умирать — от ртутного отравления, причем симптомы его были настолько специфичны, что появился даже термин «болезнь Минамата». Ртуть поражает головной мозг, нарушается координация движений, возникает слепота, больные дергаются и напоминают «живых кукол». Дети больных родителей рождаются уродами.

Ртуть обладает огромной силой. Она может даже изменить историю. Например, слабое сопротивление инков и соседних племен Южной Америки ничтожному количеству конкистадоров некоторые историки всерьез объясняют ртутным отравлением. А еще ртуть помогает обрести самый ценный в мире металл — золото. Намывающие золотые крупинки из речного песка старатели не подвергаются при этом особым опасностям, если не считать разбойников и налоговой инспекции. Однако с помощью лотка добывается лишь очень незначительное количество золота, а большая его часть извлекается из руды химическими методами. И есть какая-то злая ирония в том, что для отделения драгоценного «желтого дьявола» от пустой породы приходится использовать крайне ядовитую ртуть или цианиды.

До недавних пор считалось, что ртутный метод добычи золота был придуман в Европе еще в начале первого тысячелетия, но получил распространение только в XII веке, хотя в Турции находили золото, полученное по этой технологии, за несколько тысячелетий до новой эры. Огромное количество золота инков, вывезенного конкистадорами из Америки в XVI веке, полагали старательским, а ртутную технологию добычи золота якобы завезли в Америку именно испанцы. (В Испании существует огромное месторождение ртути Альмаден — здесь и сейчас добывается три четверти всей ртути в мире.)

Однако ученых всегда удивляло, что старательского индейского золота было слишком много. Чтобы решить проблему, южноамериканские геологи проанализировали 7 образцов золотой фольги из поселения Уакала-Вентана культуры Сикан в Перу (VIII–XIV века), а также из Колумбии и Эквадора. Методом индуктивно-связанной плазмы они установили, что во всех образцах содержится значительное количество ртути, то есть индейцы с успехом применяли ртутный метод добычи золота задолго до появления конкистадоров.

Этот метод состоит в следующем. Жидкой ртутью обрабатывают золотосодержащую руду, при этом образуется сплав ртути и золота — так называемая амальгама. При промывке более тяжелая амальгама опускается на дно и отделяется от породы. Затем ее нагревают, испаряют ртуть и получают золото. Пары ртути чрезвычайно ядовиты, поэтому смертность на средневековых фабриках по амальгамации была очень велика, и сейчас этот метод применяют редко. Впрочем, очень вредна и остаточная ртуть в золотых изделиях индейцев, поэтому инкская аристократия и правители империи были вялыми, как рыба в Минамата, и почти не сопротивлялись оккупантам.

Ртуть и сифилис

Будучи ядовитой для человека, ртуть и ее соединения могут причинить изрядные неприятности и разного рода микробам, а многих из них просто убить. Поэтому соединения единственного жидкого при комнатной температуре металла издавна применялись в качестве лекарств, правда, далеко не всегда успешно. Самым известным примером является излечение сифилиса.

Вообще венерические болезни известны давно. Античные врачи описали часть из них (прежде всего — гонорею), обратив внимание на то, что эти болезни возникают, как правило, после сексуальных связей, и назвали их в честь богини любви Венеры. Сейчас больше всего говорят про СПИД — из-за трудностей лечения и высокой смертности, но еще совсем недавно самым «важным» являлся сифилис, или люэс (от латинского lues — зараза). Этой болезни посвящено множество анекдотов, а фамилия клинициста Вассермана, придумавшего тест на сифилис, стала нарицательной: «…у Иванова все качества отрицательные, только реакция Вассермана положительная». Положительная — значит, болен сифилисом. Сифилис попал даже в поэзию; к примеру, о нем написал в своем «Мексиканском дивертисменте» великий поэт Иосиф Бродский:

…О том, что слитая в миску

Богу Солнца людская кровь укрепляет в последнем мышцу;

что вечерняя жертва восьми молодых и сильных

обеспечивает восход надежнее, чем будильник.

Все-таки лучше сифилис, лучше жерла

единорогов Кортеса, чем эта жертва.

Кстати, тут Бродский допустил неточность: пушки единороги — чисто русское изобретение, и использовались они только в старой русской армии, у конкистадора Кортеса их быть не могло. В Россию сифилис проник с Запада и длительное время назывался «французской (или галльской, или польской) болезнью». А во Францию и другие страны Европы его занесли наемные солдаты французского короля Карла VIII, который был вынужден заключить мирный договор с Неаполитанским королевством после вспышки массового заболевания в войсках. Солдаты, набранные из Франции, Германии, Италии, Швейцарии, Англии, Польши и Испании, разъехались по домам и распространили «французскую болезнь» по всей Европе. В 1499 году были зафиксированы первые случаи заболевания сифилисом в России. На Восток болезнь также пришла из Европы, и арабы называли ее «болезнью христиан».

Правильнее было бы называть сифилис не «французской», а «испанской болезнью», потому что, согласно наиболее правдоподобной теории, испанские моряки заразились сифилисом от индейцев Америки во время экспедиций Христофора Колумба в конце XV века и во время завоевания Эрнандо Кортесом империи ацтеков в начале XVI века. Считается, что сами индейцы получили эту болезнь из-за своего некрасивого увлечения скотоложством, от больных спирохетозом лам. Ламы живут не в Северной Америке, куда приплыл Колумб, а в Южной, так что надо полагать, что индейцы занимались любовью с какими-то другими домашними животными.

Впрочем, существует и другая точка зрения. Описания некоторых болезней учеными древности — Гиппократом, Галеном, Плутархом и Авиценной — подозрительно похожи на симптомы протекания сифилиса. Язвы, афты, кондиломы и прочая гадость, о которых они писали, сходны с сифилитическими поражениями. Есть и другие данные — якобы за 1000 лет до н. э. в Индии лечили какую-то болезнь препаратами ртути — не сифилис ли? А в Китае за 2600 лет до н. э. были описаны сифилитический шанкр и сифилис новорожденных. И наконец, археологи время от времени находят захоронения людей доколумбового периода с характерными сифилитическими поражениями костей (гуммозные поражения, размягчение костной ткани).

И тем не менее болезнь приобрела поистине эпидемический характер только в конце XV века. В начале следующего века европейская волна «галльской болезни» накрыла Африку, Индию, Иран и Китай, так что все доисторические сведения о сифилисе в этих странах особого значения уже не имеют. Само название «сифилис» этому венерическому заболеванию дал итальянский врач и философ из Вероны Джироламо Фракасторо. В 1530 году появилась его поэма «Сифилус, или Галльская болезнь». В этой поэме богиня любви Венера наградила пастуха Сифилуса тяжелой болезнью за насмешки над богом Гелиосом, который иссушает поля. Впрочем, пастух Сипил или Сифил встречается и у Овидия в «Метаморфозах», и болен он тем же самым.

Больных сифилисом в обществе презирали, их наказывали плетьми и изгоняли из городов. Лечить сифилис не умели вплоть до начала XX века, когда в 1905 году немецкие ученые выделили и описали возбудитель сифилиса — бледную трепонему из отряда спирохет. В 1903 году наш Илья Ильич Мечников в лаборатории Пастера привил сифилис двум шимпанзе, а вскоре удалось впервые заразить кролика, и с тех пор кролики являются основными животными для изучения сифилиса и средств борьбы с этой болезнью. В 1908 году Мечников получил вторую среди российских ученых, после Ивана Петровича Павлова, Нобелевскую премию за работы по иммунитету.

На возбудитель губительно действуют дезинфицирующие вещества, например карболка (см. главу 17) и сулема (дихлорид ртути HgCl_2) в разведении 1 к 1000. Лечили сифилис различными мазями, содержащими соединения ртути — оксид ртути HgO, салицид ртути, каломель (однохлорид ртути Hg_2Cl_2). Все эти вещества были найдены эмпирическим путем, а первым сознательно разработанным препаратом для лечения сифилиса стал сальварсан. Это соединение, производное арсенобензола, вообще можно считать веществом, с которого началась химиотерапия.

Одного укола разведенного сальварсана в вену хватало для уничтожения всех трепонем. Однако применять сальварсан было очень непросто, поскольку этот порошок не растворялся в воде. Кроме того, он был довольно дорог, и позволить себе лечиться сальварсаном мог только состоятельный пациент. Причем в курс лечения входила и последующая поездка «на воды» для выведения из организма остаточного мышьяка. Среди таких состоятельных пациентов был Владимир Ульянов-Ленин, которого в 20-х годах прошлого века активно лечили, в том числе и сальварсаном. Это дало основания для распространения слухов о венерическом заболевании Ульянова. Справедливости ради отметим, что никаких доказательств этой теории нет.

В 1929 году Александр Флеминг открыл пенициллин (см. главу 15), который в конце Второй мировой войны начали широко применять в медицинской практике, в частности и для лечения сифилиса.

В настоящее время «галльскую болезнь» успешно лечат антибиотиками, в том числе классическим пенициллином, а для профилактики все еще применяется сулема.

Однако сифилис — далеко не единственная болезнь, которую лечили производными ртути. Этот металл издавна привлекал особое внимание алхимиков и фармацевтов, причем средневековые фармацевты рекомендовали применять разные ртутные мази и настои чуть ли не от всех известных тогда болезней, включая рак. Самыми знаменитыми сифилитиками были Казанова, Франц Шуберт, Шарль Бодлер, Винсент Ван Гог, его брат Тео и знаменитый гангстер Аль Капоне. На симптомы сифилиса подозрительно похожи описания болезни Моцарта, Бетховена и Шопена, Гейне, Тулуз-Лотрека, Мопассана, Эдгара По и Фридриха Ницше. Исследователи считают, что именно люэсом были вызваны их истощение, глубокое изменение личности и ранняя смерть.

Свинцовая империя

Некоторые историки, как мы уже говорили, считают, что падение империи инков было вызвано отравлением ртутью. Отравляющим воздействием другого металла часто объясняют и бесславный конец Римской империи. В дома древнеримской знати вода подавалась по водопроводным трубам из нержавеющего металла свинца. Повышенное содержание свинца в питьевой воде приводило к хроническому сатурнизму — свинцовому отравлению (от латинского saturnus — свинец). Прежде всего поражается мозг — древний римлянин тупел, терял моральные ориентиры, впадал в разврат и вскоре окончательно деградировал. Руководить обороной империи от натиска варваров вскоре стало некому, да и незачем — величие империи перестало быть главным в жизни древнеримских императоров и их присных.

Впрочем, существует и климатическая теория, объясняющая падение Рима резким и долголетним изменением климата, глобальным потеплением в V веке новой эры и многолетней засухой. Но о глобальном потеплении — в главе 16, а здесь стоит упомянуть еще об одном виде свинцового отравления, которое до последнего времени грозило изрядному количеству наших граждан — да и не наших тоже. Речь идет о незаконном использовании антидетонационной присадки к бензину, которой для сокрытия ядовитых веществ присвоили псевдоним «этил». На самом деле эта присадка представляет собой весьма летучее, жидкое при нормальной температуре органическое соединение свинца тетраэтилсвинец (C_2H_5)4Pb, или ТЭС. Это вещество прекрасно проявило себя в деле снижения детонационных свойств бензина: при простом добавлении буквально пробирки ТЭС в бак с низкооктановым бензином его октановое число повышалось сразу на несколько единиц, так что бензин, предназначавшийся для грубых советских грузовиков, уже годился и для интеллигентных «Жигулей». Частным образом ТЭС легко приобретали на одном из украинских заводов. Имея канистру этой волшебной жидкости, можно было лет десять превращать дешевый бензин в дорогой.

Однако ТЭС чрезвычайно ядовит, потому что свинец в этом веществе находится в отлично усвояемой органической форме, а не в виде, скажем, куска металла. Проблема ядовитости ТЭС усугубляется его летучестью, так что надышаться ядовитым свинцовым паром при заливке бензина с ТЭС в бак ничего не стоит. Еще хуже обстояло дело, когда шоферы были вынуждены отсасывать ядовитый бензин из баков, чтобы на трассе Якутск — Магадан поделиться с незадачливым товарищем, не полностью заправившимся топливом перед путешествием. Раньше на наших заправках даже висел грозный плакат «Этил — яд!», но как не помочь коллеге, который может и замерзнуть. Отравление ТЭС может быть и хроническим, и скоротечным, прежде всего поражается нервная система, происходит расстройство психики, в конце концов коллапс и exitus letalis. Именно из-за использования ТЭС крайне не рекомендуется собирать грибы-ягоды вблизи автомобильных магистралей, весь свинец переходит в выхлоп и осаждается на обочине.

Нестойкий яд и стойкий Распутин

Подлинного расцвета искусство приготовления ядов достигло тогда, когда ими всерьез заинтересовались военные. Мы уже говорили о химическом оружии, но кое-что можно добавить. Наибольшее количество человек, умерших в результате химического отравления за всю историю человечества, погибли из-за другого изобретения замечательных германских химиков — «Циклона Б». Собственно говоря, они изобрели не синильную кислоту HCN, а предложили новый способ ее применения. Сама кислота в чистом виде была получена, как уже отмечалось, шведским химиком Карлом Шееле в 1782 году. Он и умер, попробовав это вещество на вкус. Неудобства с хранением, перевозкой и использованием газообразных веществ очевидны, и изобретатели «Циклона Б» нашли подходящий адсорбент для этой газообразной кислоты — пористые гипсовые гранулы. Эти гранулы с поглощенной кислотой упаковывались в жестяные банки и отправлялись по месту использования — в «газвагены» фашистских концлагерей, специальные помещения для умерщвления заключенных. При нагревании банки выделялась газообразная кислота, которая способствовала «окончательному решению еврейского вопроса» в нацистской Германии. Разумеется, не только еврейского — еще и цыганского, и славянского, и антифашистского вопросов. Об этом мы еще поговорим в главе 12.

Но есть в мире справедливость. Негодяи Гиммлер, Геринг и сам Гитлер покончили жизнь самоубийством, отравившись солями этой же синильной кислоты — цианидами. Чуть-чуть раньше цианидами пытались отравить авантюриста и фаворита императорской семьи Григория Распутина (1864–1916). Отравители использовали посыпанные порошком цианистого калия кремовые пирожные. Несмотря на то что сластена Распутин съел несколько штук этих пирожных, яд на него практически не подействовал, и заговорщикам пришлось застрелить «Гришку». Потом его, как выяснилось впоследствии, все еще живого бросили под лед реки Мойки. Ошибка отравителей состояла в незнании химии. Дело в том, что цианиды вступают в реакцию с сахаром, содержащимся в креме пирожных, а сахар переводит яд в безвредную форму. Поэтому с давних пор при опасности отравления цианидами на каком-нибудь аристократическом обеде возможным жертвам рекомендовалось держать за щекой кусочек сахара. Если сказать более точно, то под действием желудочного сока сахар распадается на фруктозу и глюкозу, а глюкоза взаимодействует с синильной кислотой и цианидами с образованием нетоксичного циангидрина глюкозы:

Впрочем, в истории убийства Распутина есть и другая теория: цианистый калий был насыпан задолго до прихода «Гришки» и успел гидролизоваться во влажном петербургском воздухе.

KCN + H_2O = KOH + HCN

А летучая синильная кислота улетела. Эта кислота содержится в семенах миндаля, абрикоса, персика, вишни и некоторых других растений, но, чтобы отравиться (чего делать, вообще-то говоря, не надо), нужно съесть около сотни очищенных ядрышек абрикоса. Это было известно еще древнегреческим жрецам, которые наловчились извлекать кислоту из косточек и листьев персика. Тогда же возникло выражение «персиковая казнь».

Великий ДДТ

Самым знаменитым ядовитым веществом, применение которого было запрещено через несколько десятилетий после открытия, был ДДТ — дихлордифе-нилтрихлорметилметан, или, как раньше говорили, просто дуст. Синтезированный еще в позапрошлом веке, ДДТ оказался прекрасным инсектицидом — он исправно уничтожал мух, малярийных и обычных комаров, вшей и саранчу. В 1948 году химик Пауль Мюллер за открытие инсектицидного свойства ДДТ получил Нобелевскую премию. Использование ДДТ привело к поразительным результатам. Например, в итальянском Неаполе впервые была остановлена зимняя эпидемия тифа, разносчиками которого являются вши. В Индии в 40-е годы прошлого века от малярии умирало до 3 миллионов человек в год, после применения ДДТ — ни одного. В этой же стране уничтожение москитов с помощью ДДТ избавило индийцев от лейшманиоза, крайне опасного заболевания. По некоторым оценкам, использование ДДТ спасло жизнь около 500 миллионов человек. Химики всегда знали, что на теплокровных, включая человека, оно не действует — по крайней мере в тех концентрациях, которые используются при борьбе с насекомыми. Так что помещение ДДТ в эту главу, казалось бы, не совсем уместно.

Однако в начале 60-х годов прошлого века появились первые свидетельства о накоплении ДДТ в организмах различных живых существ. После распыления над «малярийным» водоемом это вещество, убивая личинки разносчиков болезни, поглощается и микроорганизмами, например фитопланктоном. Фитопланктоном питаются всякие рачки, а рачками — рыбы. Понятно, что рыбу ест в основном человек. На каждой стадии перехода ДДТ из одного организма в другой его концентрация возрастает обычно в 10 раз, соответственно в филе трески находится уже в 10 тысяч раз больше ДДТ, чем было в личинках. Это уже очень много, и биологи быстро установили, что и снижение плодовитости некоторых птиц, и прямое отравление различных видов животных и людей связано с ДДТ.

Поэтому вскоре использование ДДТ было запрещено. Сначала в Новой Зеландии, потом в СССР и во многих других странах. Экологи торжествовали победу, запрещение ДДТ стало первой победой зеленых над проклятой «химией» и зловредными учеными, стремящимися загрязнить наши чистейшие реки и озера, зеленые поля и голубое небо. И тут вдруг — кто бы мог подумать! — в Узбекистане и Малайзии объявилась малярия, в Сибири — клещевой энцефалит, а в Индии — старый знакомый лейшманиоз. И не просто появились — вспышки этих заболеваний, особенно малярии, в первые же годы после запрета ДДТ унесли сотни тысяч жизней. А к сегодняшнему времени количество жертв борцов за чистоту природы составило несколько миллионов человек. Гораздо больше, чем погибло бы из-за поедания рыбки с этим инсектицидом.

Экологи выяснили, что после обработки ДДТ колоний чаек в Калифорнии произошла инверсия пола: из яиц появлялось в 4 раза больше самочек, чем самцов. Конечно, это ужасно. У меня нет окончательного ответа, надо ли продолжать использовать ДДТ для предотвращения гибели миллионов людей или же строго-настрого запретить это делать, только бы бедные самочки не страдали от недостатка самцов. В качестве первого приближения можно посоветовать опрыскивание эмульсиями ДДТ опасных в эпидемиологическом отношении водоемов, а колонии чаек оставить в покое.

Ядовитая помойка

Человек очень часто сам создает себе проблемы. Яркий пример тому — мусорные свалки, красиво именуемые полигонами.

Захоронение твердых бытовых отходов на полигонах предполагало создание довольно сложных конструкций, исключающих попадание этих отходов в грунтовые воды, вымывание их дождем и возгорание. Однако в большинстве случаев наши полигоны — обыкновенные свалки, слегка присыпаннные землей. Отходы склонны к самопроизвольному возгоранию, частенько их намеренно поджигают, и при этом в воздух могут выделяться чрезвычайно ядовитые, смертельно опасные химические соединения. Их источник — полимеры, которые мы выбрасываем в мусорные ведра: полиэтиленовые пакеты, различные поливинилхлоридные пленки и одноразовая посуда, пластиковые бутылки, обувь на синтетической подошве и так далее. При горении полимеров образуются хлороводород HCl, пресловутые диоксины и даже синильная кислота HCN.

Всё это вещества первого, высшего класса опасности, раньше они использовались как компоненты химического оружия.

По сравнению с дымом от горящих свалок гарь от горящих лесов и торфяников — детские игрушки. При интенсивном горении свалки в воздух поднимаются к тому же и мелкодисперсные соединения тяжелых металлов, в изобилии присутствующие в отходах и также чрезвычайно опасные. Надо иметь в виду, что при первых же признаках появления дыма от горящих свалок — а в России множество людей живут рядом с огромными помойками — надо сразу же закрыть все окна и по возможности не покидать помещение.

Конечно, можно обвинять химиков в создании таких вредных полимерных материалов, хотя горожане — главные производители мусора давно могли бы научиться выбрасывать пластик в отдельные мусорные баки. Этот пластик можно потом переработать или при необходимости сжечь, но не на полигоне, а на специальном мусоросжигательном заводе с высокой температурой горения, при которой все ядовитые соединения догорают до конца, то есть до безвредных углекислого газа и воды. Но опыт показывает, что заставить нашего человека вести себя по-европейски невозможно. И даже не только нашего. Миллионы тонн выброшенных пластиковых пакетов и бутылок десятилетиями гниют и на заграничных свалках, которые занимают сотни тысяч гектаров плодородной земли, а в Тихом океане даже образовался огромный, размером с Бельгию, плавучий остров из таких отходов.

Пищевые и многие другие бытовые отходы на свалках благополучно поедает микроб, но полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат и прочие пластики он переварить не в состоянии. Однако те же химики могут решить проблему уничтожения полимерных бытовых отходов, синтезируя съедобные для микробов материалы. И определенные достижения есть — например, в Японии выпускают столовую посуду из модифицированного крахмала. Такие тарелки и чашки — в сущности, из обычной картошки — охотно поедают микробы, а при желании их могут есть и люди (ну если уж очень голодны). Этакие вангоговские «Едоки картофеля» на современный лад.

Однако из такого полимера невозможно изготовить бутылки для питьевой воды, пива и прочих жидкостей, а именно они составляют большую часть неразлагающегося мусора. Сейчас их формуют из полиэтилентерефталата (ПЭТФ), а «картофельные» и прочие съедобные полимеры не в состоянии удовлетворить предъявляемым к ПЭТФ-бутылкам требованиям — выдерживать давление газа, быть легкими и совершенно инертными к содержимому. Но в конце концов американские химики сумели получить съедобный для микробов полимер из отходов растениеводства, например стеблей кукурузы или соломы. Для этого им потребовалось разработать органические катализаторы, ведущие реакцию синтеза в нужном направлении. Эти катализаторы безвредны и в принципе их можно использовать даже при изготовлении полимерных капсул для лекарств, растворяющихся в желудочном соке.

Мало того, выброшенные бутылки из пластмассы можно использовать как сырье для новых бутылок, то есть проводить рециклизацию. Но для этого, разумеется, опять требуется сортировка мусора, то есть ядовитый дым горящих свалок развеется не скоро.

Действие многих сильнейших ядов основано на ингибировании (подавлении) активности ферментов человеческого организма. Так происходит потому, что функционирование организма, то есть самоё жизнь, определяется и регулируется ферментами. О них в следующей главе.

Глава 6

Из дрожжей

Время от времени в печати появляются заметки, согласно которым некий западный профессор (скорее всего, прохиндей) рассчитал стоимость человека средних размеров. Ну конечно, мы состоим из стольких-то килограммов водорода, кислорода, углерода, азота, изрядного количества фосфора и кальция и мизерного количества различных микроэлементов. Если взять рыночную стоимость этих веществ и сложить, то можно якобы увидеть, что человеческое тело стоит всего-то пару десятков долларов.

Но все это чушь. Такой расчет в принципе неверен и невозможен уже хотя бы потому, что не существует никакой рыночной стоимости углерода или фосфора. В торговых справочниках можно найти цену на эти и многие другие вещества, но всегда с указанием степени очистки. Это означает, что привычное нам железо действительно может стоить несколько десятков центов за килограмм, но только железо невысокой чистоты, которое обычно и используется в промышленности и в быту. Гвоздь, например, сделан из железа с чистотой примерно 97 %. А вот железо с чистотой 99,9999 % и выше стоит в тысячи раз дороже, чем обычное. То же самое относится к кислороду, водороду и прочим элементам, из которых состоят наши тела, как говорил Платон, «временные пристанища души». Ну и какую же чистоту имеет в виду тот «профессор»?

Но это еще не все. Самое важное, пожалуй, то, что человек состоит все-таки не из элементов, а из их соединений, среди которых есть и дешевые — вода, фосфаты кальция в костях — и невероятно дорогие, стоящие намного дороже золота. К таким веществам относятся прежде всего ферменты, о которых благодаря рекламе стиральных порошков в последнее время узнали даже те, кто не имеет никакого отношения к химии.

Переварить можно все, но не всем

Само слово «ферменты» происходит от латинского «fermentum», брожение или закваска. В научной литературе и в англоговорящих странах для этих соединений принято использовать другое название — энзимы, взятое уже из греческого языка. На упаковках порошков и этикетках косметических средств, произведенных за границей или на наших предприятиях, купленных иностранцами, часто используют именно этот термин ввиду лености переводчиков. Бороться с этим бессмысленно и, видимо, не нужно, тем более что исконно русское слово «ферменты» оказалось, увы, латинским.

Происхождение слов «фермент» и «энзим» говорит о давности знакомства человечества с этими веществами. И неудивительно — ведь без них не испечешь хлеб, не сделаешь вино или сыр. Однако только в 1897 году Эдуард Бухнер доказал, что для сбраживания сахара в спирт не требуются живые микроорганизмы дрожжей — вполне можно обойтись соком дрожжевой культуры с удаленными клетками. Кстати, так уж сложилось, что изобретенную им фарфоровую воронку, используемую в любом химическом кабинете или лаборатории, мы называем воронкой Бюхнера, а открывателя ферментов — Бухнером. Хотя это один и тот же человек и правильнее все-таки писать его фамилию через «у».

Итак, Бухнером было установлено, что брожение вызывают именно вещества, а не «существа», как полагал великий Пастер, являвшийся сторонником витализма (об этом учении коротко сказано в предисловии). Явление катализа, то есть резкого ускорения реакций в присутствии небольших количеств некоторых соединений, во времена Бухнера уже было хорошо известно, поэтому ученые поняли, что имеют дело именно с катализаторами, но биологической, органической природы. Ферменты и есть биологические катализаторы, поскольку с точки зрения химии они являются белками, важнейшими для биологии веществами. Кстати, поэтому ферменты съедобны — пивные дрожжи можно есть, их даже рекомендуют как важный источник витаминов.

Как индивидуальное соединение фермент (уреаза) впервые был выделен в 1926 году, а в 70-е годы прошлого века американские химики синтезировали фермент рибонуклеазу. Трудности этой работы связаны с тем, что ферменты имеют молекулы громадных размеров, в сотни раз больше размера того же фосфата кальция. Искусственный фермент оказался столь же работоспособным, как и природный, что наводит на грустную мысль о принципиальной возможности создания искусственного живого существа — не гениального механического робота, а именно андроида из мяса и костей.

К настоящему времени известно более двух тысяч ферментов. В человеческом организме обнаружены сотни ферментов. Их основными свойствами являются фантастическое ускорение реакций (в миллионы и миллиарды раз) и поразительная специфичность — умение ускорять именно данный конкретный процесс, и никакой другой. То есть фермент подходит для «своего» вещества, как «ключ к замку», и это даже не метафора, а вполне официальный термин, использующийся в науке энзимологии. Тоже вот любопытно, что объект науки мы называем ферментом, а ее саму — не ферментологией, а энзимологией.

Без ферментов жизнь невозможна, эти вещества принимают самое деятельное участие в протекании практически всех биохимических процессов в организме, осуществляют обмен веществ. Кусочек шоколада уже во рту обрабатывается слюной и встречается с ферментом амилазой, которая разлагает сахар на глюкозу и фруктозу; в желудочном соке содержится пепсин, реннин, липаза и другие ферменты, расщепляющие белки, жиры и прочее на легкоусвояемые вещества. В поджелудочном соке кишечника содержится масса других ферментов, довершающих переваривание пищи. Слюна кровососущих насекомых (типа наших комаров) придумана Природой еще хитрее: в ней содержится фермент, предотвращающий свертывание крови жертвы и не дающий закрыться отверстию, проделанному в коже летучей тварью.

Поскольку переваривание пищи осуществляется при обязательном участии ферментов, эти биокатализаторы всегда интересовали диетологов. Именно на спекуляциях вокруг ферментов построена знаменитая диета Шелтона с раздельным питанием. Полуграмотный, а может быть, и сознательно лгавший с целью заработка, Шелтон говорил о необходимости поедания в одно время белков, в другое — углеводов и в третье — жиров. Причем есть помаленьку и много раз в день. Вместо трехразового питание по Шелтону становится примерно тридцатиразовым. Автор теории считал, что пищеварительные ферменты действуют при различных условиях, например при разной кислотности среды, и, таким образом, в момент переваривания белка углеводы «гниют» в сторонке. Только после завершения работы с белком начинается переваривание углеводов, уже заметно подгнивших к этому времени и изрядно отравивших организм.

Для подробного объяснения бредовости этой идеи потребовалось бы слишком много места — известно ведь, что один дурак может такое придумать, что десяти мудрецам потом не распутать. Поэтому просто поверьте, что теория Шелтона элементарно неверна уже хотя бы потому, что человек всю свою историю питался смешанной пищей и вполне себе выжил. К тому же несмешанной пищи просто не бывает: в любом куске мяса (белка) есть столько-то процентов жира, в горохе (углеводы) полно белка и так далее. Пищи, состоящей из одного-единственного компонента, не существует.

Однако даже теория Шелтона признает огромное значение ферментов. Недостаток некоторых из них вызывает появление специфических заболеваний. Например, генетически обусловленная недостаточность фермента лактазы приводит к непереносимости молока из-за содержания в нем молочного сахара — лактозы (брутто-формула такая же, как и у сахарозы). Обратите внимание: фермент лактаза предназначен для перерабатывания лактозы. Названия большинства ферментов так и устроены: берется основа названия вещества, на которое фермент действует, и прибавляется «аза».

Дефицит лактазы встречается почти у 20 % взрослого населения Северной и Средней Европы и почти у 100 % коренных народностей Америки, Африки и Юго-Восточной Азии. Сторонникам утверждения об отсутствии украинской нации как таковой вряд ли будет приятно узнать, что частота дефицита лактазы у русских составляет 15 %, а среди украинцев намного меньше — только 6 %. Так что мы, возможно, даже не родные братья, а двоюродные.

Отсутствие фермента, действующего на аминокислоту фенилаланин, приводит к накоплению этого вещества в крови и появлению тяжелого заболевания — фенилкетонурии, — по симптомам напоминающего слабоумие (см. главу 3, раздел о подсластителях). Современный заменитель сахара аспартам содержит данную аминокислоту и поэтому не может использоваться такими больными, об этом всегда предупреждают этикетки напитков и жевательной резинки с аспартамом.

А пониженным содержанием у некоторых народностей Севера фермента алкогольдегидрогеназы, перерабатывающей этиловый спирт, часто объясняют быстрое возникновение алкоголизма у оленеводов и рыболовов. Кстати, в одном из фантастических рассказов Каттнера про семью мутантов Хогбенов папаша «научил» свои ферменты превращать сахар в спирт прямо в собственной крови и поэтому был способен напиваться даже в отсутствие спиртного, производя алкоголь из любой углеводной пищи. В сущности, Хогбен повторял в своем теле традиционный процесс получения браги, известный уже не одно тысячелетие. Надо думать, что примерно столь же давно было изобретено сыроделие. Млековегетарианцы, включающие в свой «безубойный» рацион молоко и сыр, должны все-таки знать, что для получения последнего молоко обрабатывают сычужным ферментом, полученным из желудков телят. Впрочем, недавно появилось сообщение о разработке заменителя этих желудков, и теперь у млековегетарианцов отпадает нужда лицемерить.

К сожалению, наука еще только подбирается к созданию лекарств или технологий, которые могли бы способствовать восстановлению необходимого человеку количества ферментов типа лактазы или алкогольдегидрогеназы. Но вот помочь организму, например, в пищеварении уже вполне возможно. Для этого всего лишь следует принимать определенные лекарства, которые продаются без рецепта. Типичным средством такого рода стали разнообразные ферментные препараты, представляющие собой смесь ферментов и составных частей желчи и обеспечивающие расщепление и всасывание жиров, белков и углеводов.

Таблетка такого препарата обычно содержит липазу, амилазу, протеазу и так далее, так что никакие вещества пищи не окажутся непереваренными. Выпускаются и жидкий «натуральный желудочный сок», представляющий собой смесь ферментов желудочного сока и соляной кислоты, панкреатин (фермент поджелудочной железы) и многое другое.

Кстати, о соляной кислоте: известно, что в желудочном соке ее довольно много, и выражение «способен переварить гвозди» ничуть не свидетельствует об особых качествах данного едока. Соляной кислоты HCl, необходимого вещества для работы наших пищеварительных ферментов, в желудке действительно столько, что гвоздь может постепенно переварить каждый гражданин Российской Федерации и даже иностранец. Но делать это не стоит, можно порезаться, так сказать, изнутри.

Чтобы закончить тему о ферментах, напомню, что сейчас стало очень модным добавлять их в стиральные порошки — это понятно, по самой своей сути ферменты обязаны разлагать (и соответственно отстирывать) жиры, белки и другие вещества, то есть удалять пятна майонеза и вина, яиц и крови, краску и пот. Важно только помнить, что стирать с ферментами можно при температуре не выше 50 °C, поскольку они не выдерживают высокой температуры. И тоже понятно почему. Ферменты — это ведь часть нас с вами, а мы при высокой температуре просто сварились бы.

А что касается стоимости человека… «Под каждым могильным камнем покоится целая вселенная», и важнейшими кирпичиками этого мироздания при жизни покойного были ферменты, по своему химическому составу представляющие собой белки (сейчас стало модно говорить на иностранный манер — протеины). Белки, даже не работающие в качестве ферментов, являются основой жизни. В советское время все школьники должны были заучивать выражение Фридриха Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».

Это определение, как и любое другое определение жизни, страдает одновременно неполнотой и избыточностью, но ничего не скажешь, Энгельс сумел оценить особую роль белков в живых существах. И ведь правда, сама жизнь возникла благодаря химическим реакциям, приведшим к образованию белков, да и суть жизни — это сумма миллионов химических реакций, протекающих с участием белков. Хотя Василий Аксенов в одной из своих повестей уверяет, что однажды в парижском метро он увидел надпись, сделанную с помощью аэрозольного баллончика и по-русски: «Жизнь — это смертельная болезнь, передающаяся половым путем». То есть дело в не химических реакциях, а в какой-то инфекции. И ведь действительно обидно, что наши мысли, чувства и поступки зависят от того, как прореагирует вещество А с веществом В в присутствии катализатора К, но тут уж ничего не поделаешь. Зато можно попытаться понять, как с помощью химических реакций возникла жизнь на планете Земля.

Глава 7

Химия жизни

Это не про знаменитый журнал «Химия и Жизнь», а именно про то, как Химия создала Жизнь, поэтому прежде всего необходимо ответить на «убийственное» возражение против атеистической химической теории происхождения жизни без участия Демиурга (творца). Звучит оно так: самопроизвольное образование наследственной молекулы ДНК из атомов углерода, азота, водорода и кислорода имеет вероятность 10 в минус 100-й (или 1000-й, это не важно) степени. Времени такая самосборка потребовала бы намного больше, чем время существования Вселенной. Близкую вероятность, к слову, имеет акт создания слепой обезьяной, случайно тюкающей по клавиатуре, текста «Войны и мира». Это возражение можно назвать статистической невозможностью самозарождения жизни на основе химических реакций.

Невероятная вероятность

Однако вероятностный подход к тайне происхождения жизни не слишком надежен. Например, известно описание спора между юным прозелитом от статистики и профессором математики. Первый с горящими глазами уверял второго, что вероятность увидеть случайно идущих друг за другом 50 только лишь мужчин без появления женщин и детей — оба при этом смотрели в окно на улицу — есть ничтожная, исчезающе малая величина. Профессор лишь улыбался, а вскоре по улице прошел полк солдат.

Так и в нашем случае. Мы не знаем пока механизма самосборки ДНК, однако очень может быть, что вероятность этого процесса повышают какие-то неясные пока факторы. Например, некоторые геологи считают, что совместная адсорбция необходимых атомов на кусочках пористых минералов ускоряет реакцию соединения этих атомов в миллиарды раз.

Кроме того, давно известен эксперимент, проведенный в 1953 году аспирантом Чикагского университета Стенли Миллером. Он заполнил колбу парами аммиака NH_3, воды, метана CH_4 и водорода и пропускал через эту смесь, похожую по составу на атмосферу древней Земли, электрические разряды. И получил-таки набор аминокислот, кирпичиков для построения белков. Тех самых, энгельсовских. Совсем недавно этот опыт был повторен самой Природой в Читинской области: молния ударила в стог и произвела на свет смолистую субстанцию, содержащую в том числе аминокислоты. В принципе они могли бы соединиться в белки и стать основой жизни. Но есть и другие теории, сейчас последует их перечисление.

Прежде всего «и увидел Он, что это хорошо». Жизнь создала не какая-то там химия, а Бог, в разных религиях называющийся по-разному. Слабость этой теории — в отсутствии доказательств и ответа на вопрос «а кто (что) создал Бога?». Ссылки на принципиальную непознаваемость Верховного Существа и «не ваше дело обсуждать Господа!» как-то не удовлетворяют.

Интеллектуальным вариантом этого креационизма (от латинского creationis — творение) является утверждение, что Большой взрыв, приведший к созданию Вселенной, и есть акт творения, совершенный все тем же Творцом, то есть Богом. Однако ответа на приведенный вопрос и эта теория не дает. Кстати, роскошная библейская стилистика «и увидел Он… и сказал Он…» является всего лишь ошибкой переводчиков с древнееврейского. Никакого «и» там нет, это всего лишь пропуск между частями предложения, нечто вроде современного тире. Согласитесь, «Он увидел — это хорошо» звучит не очень по-божественному, хотя и более правильно. Остроумной пародией на креационизм является рассказ Станислава Лема о встрече профессора Донда с Творцом. Выясняется, что жизнь на Земле возникла из-за того, что у Творца подгорела яичница.

Существует и совсем странная теория, утверждающая, что жизнь была занесена на Землю с других планет, из Космоса. Удивительно, но естественный вопрос «а там она откуда взялась?» авторов теории совсем не смущает и, кажется, даже не очень интересует. Хотя совершенно ясно, что ответов на этот вопрос может быть только два — один креационистский (Господь и так далее), а другой атеистический: сама собой возникла в результате каких-то химических реакций.

Теория космического происхождения жизни появилась еще в конце XIX века, а через сто лет была развита и активно пропагандировалась американским физиком Карлом Саганом, который даже придумал проект поиска внеземных цивилизаций. Саган полагал, что жизнь не только зародилась вне Земли, но и достигла там стадии техногенной цивилизации, — а значит, «зеленый человечки» должны уметь принимать и отправлять радиосигналы. Однако «человечки» так и не отозвались, чем подтвердили «парадокс Ферми»: если во Вселенной бесконечное множество обитаемых миров, то почему же мы их не видим? Но неужели подтверждением существования внеземных разумных существ служит тот грустный факт, что они не желают идти с нами, дикарями с атомной бомбой, на контакт? Совсем недавно к такому мнению, которое автор этой книги высказал уже давным-давно, присоединился один заграничный ученый. Он считает, что внеземные цивилизации, скорее всего, прячутся от нас.

Другим способом преодоления статистической невозможности самозарождения жизни является теория коацерватов советского академика Александра Ивановича Опарина. Он предположил, что первоначально белки и другие сложные органические молекулы могли возникнуть в водной среде, в первичном океане планеты. И это действительно возможно, хотя бы под действием все тех же молний. Далее эти сложные молекулы могли объединяться в коацерваты, такие крупные органические образования, как клецки, плавающие в первичном бульоне-океане. Внутри капель-коацерватов, согласно этой теории, могли начаться реакции, приводящие к образованию еще более сложных веществ, причем часть из них покидала коацерват. То есть налицо основные признаки жизни — рост, развитие, размножение, обмен веществ. А поскольку все происходит в ограниченном объеме, то вероятности реакций резко возрастают и статистическая невозможность преодолена. Слабостью теории является ее полная умозрительность и отсутствие хоть каких-либо доказательств. А также личность самого Опарина, который активно поддерживал негодяя Лысенко и псевдоученую даму Лепешинскую, разработавшую уже совсем дурацкую теорию происхождения жизни. Хотя основное утверждение теории Опарина — все мы вышли из воды — большинство неверующих ученых принимают.

Не наше дело

В начале XVII века забавную теорию придумал алхимик Ван Гельмот. Причем подтвердил ее экспериментально! Ученый считал, что жизнь образуется сама по себе при подходящих условиях. Например, мыши появляются в корзине для грязного белья, в которую добавили немного пшена, а затем поместили ее в темное место. Эксперимент оказался удачным, кошка Ван Гельмота отлично поужинала. Самое забавное, что теория продержалась до конца XIX века, пока великий Пастер не доказал, что она не работает даже на уровне микроорганизмов: в пастеризованной (кипяченой) воде никакие микробы сами собой не появляются.

Но чтобы не ломать голову над проклятым вопросом о происхождении жизни, теоретики «стационарного состояния» нагло заявили, что жизнь, как и вообще Вселенная, была всегда — и обсуждать здесь нечего, потому что уяснить себе понятие вечности человек не в состоянии. При всей несерьезности этой теории у нее есть одно достоинство — действительно, о проблеме можно больше не думать и заняться наконец каким-нибудь полезным делом — хотя бы на майские праздники выбросить уже наконец новогоднюю елку.

Химия и мумия

Если с вопросом химического происхождения жизни ясно еще не все, хотя и очень многое, то проблема сохранения неживых тел с помощью химических веществ, по-видимому, уже окончательно решена. Еще древнеегипетские жрецы занимались бальзамированием покойных фараонов, разного рода придворных чиновников и даже простых граждан, не говоря уже о бальзамировании священных животных кошек и не столь священных собак. Причем количество мумий людей и животных, найденных в современном Египте, настолько велико, что на первой в Африке железной дороге Каир — Александрия паровозы первое время топили этими мумиями! Их было откопано или извлечено из пещер несколько миллионов. Но в данном случае речь идет не о мумифицировании, а о сохранении тела умершего в более или менее неизменном состоянии. Наилучших результатов в разработке бальзамирующих составов достигли советские, а позже российские ученые.

Наиболее наглядным примером является сохранение тела Владимира Ульянова-Ленина, которое не имеет никакого отношения ни к древнеегипетскому бальзамированию, ни к естественному мумифицированию тел в некоторых безводных регионах Земли, например в пустынях Южной Америки. В Древнем Египте тела фараонов защищали от воздействия внешней среды и разложения с помощью битума, кедрового масла и растительных смол. Использовались также соли натрия со щелочной реакцией, например природная сода Na_2CO_3. Знаменитый ледяной человек Этци мумифицировался в альпийском льду, а тело бурятского ламы Итигелова, по всей видимости, было минерализовано поваренной солью. Для бальзамирования же тела вождя был применен оригинальный метод с использованием глицерина C_3H_5(OH)3, формалина и уксуснокислого калия CH_3COONa (ацетата калия).

Формалин, водный раствор газообразного вещества формальдегида CH_2O с небольшой примесью метилового спирта CH_3OH, хорошо известен как сильное дезинфицирующее средство, а также как фиксатор белков, предотвращающий самопроизвольный распад тканей. Формалин используют для дубления кожи, в нем хранят анатомические препараты. В Кунсткамере Санкт-Петербурга в емкостях с формалином еще с позапрошлого века хранятся, например, различные уроды.

Применение глицерина для бальзамирования было предложено в конце XIX века Н.Э Лясковским. Давно используется в составе бальзамирующих растворов и ацетат калия, который, во-первых, как и глицерин, способен удерживать воду, а во-вторых, также является дезинфицирующим и консервирующим средством. Именно эти вещества и были применены для бальзамирования тела В. И. Ленина. Однако не сразу. Для первого, временного, бальзамирования пригласили известного московского патологоанатома Алексея Абрикосова. Бальзамирование проводилось смесью формалина, хлорида цинка ZnCl_2, этилового спирта, глицерина и воды. Вскоре было принято решение о долговременном бальзамировании, которое поручили заместителю директора Института химии Борису Збарскому и заведующему кафедрой анатомии Харьковского медицинского университета Владимиру Воробьеву, который задолго до этих событий придумал бальзамирование именно смесью формальдегида, глицерина и ацетата калия.

При бальзамировании тело В. И. Ленина вначале обложили смоченной в формалине ватой, а затем поместили в ванну с 3 %-м раствором формальдегида (сильно разбавленный формалин). Потом на теле были сделаны разрезы для глубокой пропитки мышечных массивов формалином, а затем и бальзамирующими растворами. Проводились и другие работы: Воробьев упорно и по многу часов отбеливал темные участки кожи на лице, кистях рук и на туловище, применяя иногда даже 30 %-ю перекись водорода (см. главу 13). Через некоторое время в ванну начали добавлять спирт, потом глицерин и ацетат калия. К концу июня тело находилось в жидкости, где было 240 литров глицерина, 110 килограммов ацетата калия и 150 литров воды. Результат был продемонстрирован делегатам конгресса Коминтерна 18 июня, и оказался просто блестящим. 1 августа 1924 года Мавзолей Ленина был открыт для посещения.

В 1939 году была организована Лаборатория при Мавзолее В. И. Ленина, руководителем которой назначили академика Бориса Збарского. В послевоенные годы сотрудники лаборатории провели бальзамирование Георгия Димитрова (Болгария), маршала Хорлогийна Чойбалсана (Монголия), Иосифа Сталина (СССР), Климента Готвальда (Чехословакия), Хо Ши Мина (Вьетнам), Агостиньо Нето (Ангола), Ким Ир Сена (КНДР).

С 1992 года Лаборатория при Мавзолее В. И. Ленина входит в состав Всесоюзного института лекарственных и ароматических растений (ВИЛАР) и называется Научно-исследовательский и учебно-методический центр биомедицинских технологий. Специалисты центра считают, что тело может находиться в отличном состоянии в течение еще хоть ста лет, а его захоронение в земле будет означать прекращение длительного и уникального биохимического эксперимента, длящегося уже почти 90 лет.

Но в чем, собственно, состоит научная ценность этого, прямо скажем, безнравственного эксперимента с публичным демонстрированием результата? Из самого описания метода бальзамирования следует, что ничего нового в нем нет. Метод маринования (консервирования) органических продуктов в уксусной кислоте и ее солях известен уже несколько столетий. Разве что опытным путем были подобраны наиболее подходящие концентрации давно известных веществ, и вот это уже представляет определенный интерес для химии неживого, хотя и гораздо меньший, чем для химии живого. А ведь существует и химия этих двух состояний одновременно!

Живые и сыпучие

Самым сильным доказательством химической природы жизни является существование вирусов. Эти загадочные существа-вещества являются той самой субстанцией, которая является одновременно и живой и неживой материей. Вирусы представляют собой молекулы ДНК в «сумке» из белка — это конструкции из нормальных, обычных «мертвых» молекул. Вирус можно выделить из питательного бульона, высушить, промыть, пересыпать в банку из темного стекла и поставить на полку. А через пару лет, когда понадобится, пол-ложки вирусного порошка снова перемешать с куриным бульоном и наблюдать буйный рост этой ставшей вдруг совершенно живой субстанции из ДНК и белка.

Скоро, совсем скоро биохимики и молекулярные генетики создадут искусственную жизнь. Белки делать умеем (инсулин синтезирован уже давно), молекулу ДНК уже расшифровали и, значит, смогут воспроизвести. Дальше как-то так склеят белки и ДНК и получат искусственный вирус, затем искусственную клетку, немного позже искусственных сколопендр, бегемотов и Адама с Евой. Если к тому времени физики научатся перемещаться во времени, то эту парочку можно будет переместить (как в фильме «Терминатор») в какой-нибудь XXI век до н. э. Тогда на планете Земля и возникнет жизнь. И наконец будет решена проблема ее происхождения.

Нет кислорода, и ладно

Однако жизнь может быть обнаружена и на других планетах, в том числе на планетах нашей Солнечной системы, казалось бы, совершенно непригодных для существования букашек-таракашек из-за жутких температур, неблагоприятного давления и недружественной бескислородной атмосферы. Доказательством этого служит, например, обнаружение и на самой Земле организмов, которым не требуется кислород.

Ученым и раньше были известны существа, способные обходиться без кислорода, этой основы жизни, но все они относились к одноклеточным, бактериям. Вместо кислорода для получения энергии в результате окисления они использовали серу, хлор, азот и даже водород, образующийся из воды под действием радиации вблизи залежей урановых руд. Но найденные совсем недавно, в 2010 году, членами итало-голландской экспедиции в Средиземном море лорициферы являются многоклеточными животными, которые пришлось выделить в отдельный тип — один из высших разрядов в классификации живого. Тип хордовые, например, содержит позвоночных животных — кошку, золотую рыбку, райскую птицу, автора и читателей этой книги, а лорициферы страшно далеки от народа. Но не только они, за последние несколько десятков лет на земле, но большей частью в море, обнаружены совершенно неожиданные существа.

Обычным многоклеточным животным кислород необходим для выработки энергии. Этот процесс происходит в специальных клеточных структурах — митохондриях. Но у лорицифер митохондрий в клетках нет, а поскольку без энергии никуда, им пришлось завести у себя другие структуры, которые называются гидрогеносомы (от латинского hydrogenium — водород). Согласно названию, цикл реакций в гидрогеносомах, протекающих с выделением нужной для лорицифер энергии, заканчивается образованием именно водорода.

Обнаружили эти странные существа лишь сейчас, и это неудивительно — ведь нашли их в глубоководной подводной впадине Л’Аталанте в 300 километрах к западу от острова Крит. Добраться до дна этой впадины не так-то легко, хотя она и находится в Средиземном море, вроде бы вдоль и поперек изученном.

Помимо практически полного отсутствия кислорода на дне впадины еще и значительно повышена соленость морской воды. Именно поэтому обнаружение множества лорицифер стало сенсацией — ну разве можно было представить, что и там кто-то живет! Однако природа побеспокоилась о заселении незанятой экологической ниши: если кислорода нет, приходится создавать бескислородных животинок. А если в таких жутких условиях кто-то все же ухитряется сносно существовать, можно надеяться, что жизнь будет обнаружена и на других планетах с экстремальными условиями существования.

В последние годы главными кандидатами на обнаружение углеродной формы жизни стали спутники Юпитера и Сатурна — соответственно Европа и Энцелад. Эти малые планеты покрыты толстым слоем водяного льда, под которым находится соленый океан жидкой воды. Температура и другие параметры океана на Европе ближе всего к подледным водоемам антарктических шельфовых ледников, то есть огромных полей льда, лежащих на прибрежном шельфе материка. Как-то в одном из таких ледников гляциологи пробурили глубокую скважину и опустили в нее видеокамеру. К своему немалому удивлению, они заметили, что практически в полной темноте, при близкой к нулю температуре здесь живут напоминающие креветок амфиподы (ракообразные) и крупные медузы. Медуза цапнула камеру одним из щупалец, но, будучи непрочным и студенистым, щупальце оторвалось и было поднято на поверхность, его размер соответствует медузе 30-сантиметровой длины.

А на Титане, спутнике планеты Сатурн, своеобразные формы бескислородной жизни уже почти обнаружены. Во всяком случае, наблюдения космического зонда «Кассини» позволяют выдвинуть такую гипотезу. Этот зонд, названный так в честь итальянского астронома XVII века, в 2004 году стал первым искусственным спутником Сатурна. Согласно программе исследований, приборы «Кассини» больше всего времени тратят на изучение именно естественного спутника Титана, который оказался удивительным образованием прежде всего потому, что на нем возможна жизнь. Разумеется, «зеленых человечков» там нет, но зато вполне могут существовать крайне необычные, не интересующиеся кислородом микроорганизмы. Для дыхания они используют водород, в земных условиях в естественном виде практически не встречающийся из-за своей взрывчатости. Тот самый водород, который выделяют земные лорициферы.

Проанализировав последние данные спектрометров «Кассини», ученые нашли новые подтверждения гипотезе о странных микроорганизмах. Если эти крошки используют водород, то на поверхности спутника его должно быть намного меньше, чем в верхних слоях. Так и оказалось: водорода на поверхности практически нет, и то же самое относится к ацетилену C_2H_2 — газу, которым эти микроорганизмы должны питаться. На земле ацетилен используют для высокотемпературной сварки, именно этот газ образуется при обработке карбида кальция водой (см. главу 1). Кроме того, если «нормальные» микроорганизмы в качестве продукта жизнедеятельности выделяют углекислый газ, то микроорганизмы Титана — метан CH_4, которого в атмосфере спутника очень много.

Разумеется, обнаружение метана и отсутствие ацетилена и водорода вблизи поверхности не является строгим доказательством существования микробной жизни на Титане. Таким доказательством могло бы стать прямое наблюдение микроорганизмов, а еще лучше — забор проб с поверхности спутника и анализ их содержимого. «Кассини» такого сделать не может, хотя в свое время с этого аппарата был произведен сброс зонда «Гюйгенс», который передал на «Кассини» несколько сотен фотографий и данные различных приборов.

К сожалению, микроорганизмов «Гюйгенс» не обнаружил. Но это еще ничего не значит — в свое время биохимики уговорили генерального конструктора Сергея Королева установить на одном из лунных спускаемых аппаратов химическую микролабораторию для обнаружения внеземной жизни. Практичный Королев потребовал сначала выбросить прибор несколько поближе, в казахстанскую степь около космодрома Байконур. Жизни на Земле лаборатория не нашла, и прибор Королев на Луну не отправил. Генеральный конструктор вообще-то был очень жестким и строгим руководителем, но говорят, что в этом случае он не устроил разнос горе-биохимикам, а лишь долго смеялся.

Сероводородная планета

Казалось бы, трудно себе представить еще более неприемлемые условия для жизни, чем те, в которых живут люциферы. Но природа постаралась — так называемые вестиментиферы, этакие червеобразные существа длиной два-три метра с боковыми выростами, спокойно обитают на глубинах до четырех километров вблизи трещин океанской коры, из которых просачиваются горячие газы. Эти газы нагревают воду до 300 °C, причем в воде огромна концентрация сероводорода H_2S, обычно считающегося ядом для всего живого. Но вестиментиферы поглощают сероводород и делятся им с бактериями, которые живут прямо в теле вестиментифер, где они этот сероводород окисляют и синтезируют питательные вещества для своего хозяина. Такой вот симбиоз, причем абсолютно хозяину необходимый — у вестиментифер даже нет кишечника, они во всем полагаются на бактерии.

Способ питания вестиментифер живо напомнил мне старую-старую пародию на повесть фантаста Ивана Ефремова «Сердце Змеи». В этой повести наши земные астролетчики встречают жителей планеты, которые дышат не кислородом, а фтором. Физический контакт людей с этими ребятами невозможен, суперокислитель фтор реагирует даже с кислородом (о фторе см. главу 15). А пародист заставил землян встретиться с жителями, ха-ха, сероводородной планеты. Как известно, сероводород H_2S является мерзопакостным продуктом работы кишечника, и все это довольно смешно, хотя повесть Ивана Ефремова вполне читабельна.

Еще более оригинальным обменом веществ обладает бактерия, обнаруженная учеными американского космического агентства НАСА, в котором, оказывается, есть специальный отдел астробиологии. Пока никаких живых организмов вне Земли не найдено, сотрудники отдела пытаются найти что-то необычное на нашей планете. И вот удача: в калифорнийском соленом озере Моно им удалось обнаружить бактерию, в которой фосфор в ДНК заменен мышьяком.

Это сенсация, до сей поры нам были известны живые организмы, состоящие только из углерода, кислорода, водорода, азота, серы и фосфора, не считая микроэлементов. Но в озере Моно фосфора оказалось мало, зато много мышьяка. Этот элемент находится в одной с фосфором V группе таблицы Менделеева и похож на фосфор по своим химическим свойствам, так что такая замена вполне возможна. Другое дело, что соединения мышьяка часто являются сильными ядами, однако и здесь удивляться нечему. Углерод тоже образует смертельно опасные соединения, например угарный газ, однако является основным элементом жизни, так что «мышьяковистый» организм вполне может существовать и на других планетах с ядовитыми морями.

Но чем бы ни питались эти странные морские и озерные гады, какой бы способ получения энергии они себе ни придумали, их тела все равно состоят из белков, веществ, по определению, не живых, но без которых жизнь невозможна.

Белки и белки

Есть такая кишечная бактерия эшерихия коли (E.coli), которую очень любят биохимики и генетики — с ней удобно проводить самые различные опыты, ведущие прямиком к замечательным открытиям. Так вот, установлено, что в клетке этой бактерии содержится около 3 тысяч различных белков. В организме же человека насчитывается около 5 миллионов белков. Эти пять миллионов выполняют самые разнообразные функции — каталитическую (ферменты), питательную (например, белки яйцеклетки), транспортную (перенос кислорода гемоглобином), защитную (антитела), сократительную (мышцы), структурную (коллаген соединительной ткани, кератин волос, кожи, ногтей) и гормональную (гормон гипофиза). Поразительно, что все белки состоят хоть и из большого количества, но простых структурных блоков — аминокислот, связанных друг с другом в так называемые полипептидные цепи. Из этих полипептидных цепей и сделаны белки.

Первая аминокислота была выделена из желатина еще в 1820 году, но полный аминокислотный состав белков был расшифрован только через сто с лишним лет — это довольно сложная работа. Оказалось, что белок с помощью различных ферментов, например пищеварительных, можно расщепить на аминокислоты. Именно это и происходит, когда правоверный мусульманин съедает пушкинский «ростбиф окровавленный» из говядины, а неверный — свиную рульку. Все аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, у которых один атом водорода замещен на аминогруппу — NH_2.

По правилам химической номенклатуры, атомы углерода маркируются греческими буквами альфа, бета, гамма и так далее, причем первым альфа-атомом является ближайший к карбоновой группе — COOH атом углерода. Разумеется, аминогруппа может заместить атом водорода у любого атома углерода, хоть альфа, хоть гамма, хоть омега. Однако выяснилось, что в состав природных белков входят только альфа-аминокислоты. Если угодно, это одна из загадок природы.

В составе белков открыто 20 различных альфа-аминокислот, все они различаются по составу радикала R. Эти 20 аминокислот делятся пополам на заменимые, которые могут синтезироваться в организме человека (и животных), и незаменимые, которые необходимо получать из пищи. В принципе совершенно не важно, из какой пищи — растительной или животной — можно и нужно получать незаменимые аминокислоты, однако давно известно, что в съедобных растениях слишком мало трех аминокислот, которые называются лизин, метионин и триптофан. Вегетарианцы могут не расстраиваться — недостаток этих аминокислот легко восполнить, например, из молока, творога и яиц. Особо строгие вегетарианцы, их называют веганами, которые яйца и молочные продукты не едят, могут добрать лизина, метионина и триптофана из орехов. Впрочем, в горохе и прочих бобах этих аминокислот несколько больше, чем в другой растительной пище.

У аминокислот имеется еще одно очень важное свойство. В главе 3 мы обсуждали понятие изомерии, то есть существование различных по строению, но одинаковых по составу веществ. Для аминокислот также известна изомерия, в данном случае это оптическая или стереохимическая изомерия. Например, для простейшей альфа-аминокислоты аланина (альфа-аминопропионовая кислота, если следовать терминологии) известны два изомера:

Первый из этих изомеров, различающихся расположением аминогруппы и водорода, называется L-аланином, а второй D-аланином. Оптическим этот вид изомерии назван потому, что они проявляют себя по-разному при облучении светом с особыми свойствами. Не вдаваясь в излишние подробности, скажем, что один изомер называется левым (L — от латинского laevus, левый), а второй правым (D — от латинского dextra, правый). И вот еще одна загадка природы: практически все встречающиеся в природе альфа-аминокислоты имеют L-конфигурацию и лишь на таких аминокислотах синтезируются белки в клетках живых организмов. Не очень понятно, почему именно такие «живые» аминокислоты выбрала природа. Может быть, это произошло случайно. Первые комочки живой протоплазмы опять-таки совершенно случайно содержали немного больше левовращающих аминокислот, именно к ним приспособились первые ферменты, а потом уже природе не хотелось ничего изменять. Гипотезу о сознательном выборе L-аминокислот неким Творцом обсуждать не будем, для этого есть Ветхий Завет. Любопытно только, что L- и D-аминокислоты отличаются не только по конфигурации, но и по вкусу! Наши «живые» L-аминокислоты горькие, а D-аминокислоты почему-то сладкие. Так что у нас вовсе не «сладкая жизнь», скорее нужно было назвать ее горькой. Впрочем, для большинства населения Земли, за исключением разве что «золотого миллиарда», это так и есть.

При образовании белков из набора аминокислот, а занимаются этим в клетке специальные ферменты (которые, как мы знаем, и сами-то белки), аминокислоты сцепляются друг с другом за счет реакции между карбоксилом — COOH и аминогруппой — NH_2. Из двух аминокислот образуется дипептид, а когда присоединяется еще одна аминокислота — трипептид и так далее до полипептидов. Получающаяся длинная цепочка представляет собой первичную структуру белка, то есть описывающая, какие и в каком порядке в этом белке соединены аминокислоты.

Далее наступает очередь вторичной структуры. Великий Лайнус Полинг, предложение которого поедать в день по 100 граммов витамина С обсуждается в главе 7, установил, что полипептидная цепь может закручиваться в спираль и задерживаться в таком положении, когда между участками спирали возникают так называемые водородные связи — связи не чисто химические, слабые, но вполне достаточные для удержания цепи в спиралевидном состоянии. И это еще не все — полипептидная спиралевидная цепь не собирается существовать в виде этакой длинной пружинки — она начинает складываться, закручиваться и укладываться в некую пространственную фигуру, строго специфичную для каждого из миллионов природных белков. «Держат форму» все те же водородные связи, электростатическое притяжение, а также и некоторые химические связи, возникающие между различными участками пружинки. Получается третичная структура белка. А когда образуется комплекс из двух или более свернутых в пружинки и пространственные фигуры полипептидных цепей, то говорят о четвертичной структуре белка. Образовавшуюся молекулу называют мультимером.

Слово «белок» в русском языке означает не только свернутую некоторым образом полипептидную цепь, но и самый обычный белок яйца, чаще всего куриного, такую мутноватую жидкую субстанцию, заполняющую пространство между скорлупой и желтком яйца. В желтке, несмотря на название, тоже до 20 % белка. Внешние и физические свойства белка куриных яиц чаще всего переносят на свойства белков вообще, хотя в этом классе веществ встречаются весьма оригинальные персонажи. Например, удивительный белок фиброин (от латинского fibra — нить), из которого в основном состоят выделения шелкоотделительных желез гусениц шелкопрядов при завивке коконов. Шелковая нить может достигать километра, а шелковая ткань обладает высокой прочностью и очень красива. Знаменитый блеск шелковой ткани обусловлен строением фиброиновой нити — в сечении она трехгранна.

Но рекордсменом по прочности является белковая нить других живых существ, а именно пауков. Паучья паутина состоит из белков спидроинов (от английского spider — паук) и разрывается лишь при растяжении в пять раз, сочетая в себе свойства эластичности и высокой прочности. При одинаковой толщине трос из паутины прочнее стального в сотни раз, вот только где взять столько паутины? Решением проблемы может стать генная инженерия — канадские генетики уже вывели генно-модифицированных коз, в молоке которых содержатся спидроины. Однако из этих белков нужно еще научиться прясть нити, а это пока не удается, хотя кое-что из молока модифицированных козочек уже получают (см. главу 15).

Совершенно другими свойствами обладает белок кератин, из которого в основном состоят ногти и волосы людей, когти птиц и носорожьи рога. Это твердое вещество, нисколько не похожее на жидкость внутри куриного яйца. Но, пожалуй, самым необычным может считаться белок, входящий в название Института белка Российской академии наук. На сайте Академии наук — да, да, Академии наук! — появился Squirrel Institute, то есть «Институт белки». Премиленький зверек и не знал, что над его изучением работает целый академический институт во главе с уважаемым ученым. Переводчика следовало бы свернуть в пружинку.

Помимо белков и важнейших из них — ферментов, которые синтезируются в нашем организме, существуют не менее важные вещества, которые организм человека производить не умеет. Они нам крайне необходимы. Это витамины.

Глава 8

Витамины, азбука жизни

Эти химические вещества, первое из которых было открыто в 1911 году, назвали аминами жизни — витаминами (от латинского vita — жизнь). Со временем выяснилось, что лишь некоторые из них являются аминами, то есть специфическими азотсодержащими органическими веществами, но название привилось, особенно после того, как было доказано, что без небольших, часто совсем маленьких, количеств этих веществ человек и вправду жить не может.

Витамин мореплавателей

Самым известным витамином является, конечно, знаменитая аскорбинка — витамин С. Название происходит от латинского scorbutus — цинга и отрицания «а». Именно недостаток витамина С вызывает пресловутый весенний авитаминоз. Еще сто лет тому назад работа по 12 часов в сутки 6 дней в неделю была вполне привычна и крестьянам, составлявшим подавляющее большинство населения Российской империи, и рабочим на заводах и фабриках. И в те времена люди гораздо больше ели, то есть количественно больше потребляли пищевых продуктов — просто из-за необходимости возмещения потерь от тяжелой физической работы. И соответственно организм получал положенное ему количество витаминов, содержавшихся в этой обильной пище. В какой-то повести крестьянин рассказывает, как он мог за раз съесть «меру картох». Мера — это ведро, 10 килограммов картошки. А сейчас — чашка кофе на завтрак, полпорции супа и «второе» из 150 граммов гарнира и куска шницеля на обед, полпакета пельменей на ужин, по дороге на работу банан — вот и весь наш рацион, вполне обеспечивающий нужным количеством калорий, но никак не витаминов.

По определению, витаминами являются вещества, необходимые человеческому организму, но им не синтезируемые. Они должны получаться извне, то есть из пищи, поскольку в воде или воздухе их нет, а больше мы ничего из внешней среды не используем. Забавно, что из всех сотен тысяч видов живых существ не умеют «изготавливать» внутри себя аскорбиновую кислоту только человек, человекообразные обезьяны (что неудивительно, ведь мы близкие родственники) и… морские свинки!

Недостаток аскорбиновой кислоты вызывает цингу. Именно эта болезнь свела в могилу, точнее, в соленые морские воды, намного больше моряков, чем все морские сражения, вместе взятые. Когда в 1497–1499 годах Васко да Гама впервые обогнул мыс Доброй Надежды, он потерял половину экипажа. Цинга — это болезнь, вызывающая кровотечение в тканях, кровоточивость десен, потерю зубов, анемию и общую слабость.

Путешествовавший из Лиссабона в Индию в 1579 году Томас Стивенс оставил такие воспоминания: «…десны распухают до огромных размеров, ноги отекают, все тело болит и настолько цепенеет, что невозможно шевельнуть ни рукой, ни ногой, и смерть наступает от слабости…». При этом еще в XIII веке было известно, что цингу излечивает апельсиновый или лимонный сок, однако эти сведения из ученых трактатов до большинства простых моряков и даже их командиров так и не дошли вплоть до — невероятно! — начала XX века. Хотя некоторые продвинутые компании, например Ост-Индская, все же рекомендовали капитанам своих судов брать на борт фрукты.

Только в 1919 году из стандартного пищевого рациона для лабораторных крыс был выделен некий фактор, предотвращающий заболевание этих животных цингой. Над задачей выделения конкретного химического вещества из этого фактора трудилось множество ученых в Европе и Америке, но удача улыбнулась лишь малоизвестному венгерскому химику Альберту Сент-Дьёрдьи. Из фруктовых соков и коры надпочечников крупного рогатого скота он выделил гексуроновую кислоту и установил ее брутто-формулу C_6H_8O_6. Здесь отметим, что витамин С в химическом отношении является простейшим среди витаминов. Структура и способ синтеза аскорбиновой кислоты (бывшей гексуроновой) были открыты в 1933 году, а в 1937 году Сент-Дьёрдьи получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

С витамином С связаны и некоторые заблуждения. Рекомендуемой дневной нормой для взрослых является 75 миллиграммов витамина С. Обычно считают, что больше всего витамина в лимонах, но это неверно. Кислый вкус лимона обусловлен не большим содержанием аскорбиновой кислоты, а совсем другой кислотой — лимонной. Из цитрусовых больше всего витамина С как раз в апельсинах, а рекордсменом является шиповник. Повторим, что при аскорбиновом авитаминозе развивается быстрая утомляемость, снижение устойчивости к холоду и возрастает подверженность ОРЗ, при чистке зубов кровоточат десны и возникает склонность к появлению синяков. Связь дефицита витамина С и простуды отмечал другой нобелевский лауреат по химии Лайнус Полинг, однако он считал аскорбиновую кислоту едва ли не панацеей и рекомендовал поедать в день до 10-100 граммов витамина. Это явное преувеличение, но при уже возникшем заболевании или для профилактики вполне можно принимать по грамму аптечного витамина. Отдельный совет курильщикам. Три (всего три!) сигареты разрушают всю дневную норму аскорбиновой кислоты.

Алфавит начинается с А и В

Обсуждение в этой главе первым именно витамина С вызвано только его всенародной известностью. Остальные витамины удобно рассматривать просто по алфавиту. Итак, витамин А, при дефиците которого развивается куриная слепота — плохое зрение в сумерках. В отличие от водорастворимой аскорбиновой кислоты, этот витамин растворяется только в жирах. Именно поэтому салат из морковки, важного источника витамина А, следует поливать подсолнечным маслом или хотя бы сметаной. В противном случае бета-каротин (предшественник витамина А) просто не будет усваиваться в пищеварительном тракте. Бета-каротин содержится и в других желтых и оранжевых овощах. Собственно говоря, этим-то витамином данные плоды и окрашены.

Но больше всего витамина А в рыбьем жире, говяжьей, тресковой и свиной печенке. Раньше считалось, что суточная потребность человека в витамине А равна одному миллиграмму, а столько витамина содержится в ложке рыбьего жира или столовской порции натертой морковки. В последнее время, однако, многие медики полагают необходимым увеличить суточную норму этого витамина до 5–6 миллиграммов. Стоит отметить, что дефицитность этого витамина — редкое явление, потому что его запасы в печени взрослого человека довольно велики, обычно их хватает на один-два года. Вот у детей таких запасов нет, и потому родителям следует внимательно следить за рационом наследников.

Но при этом передозировка витамина А очень опасна. Сейчас считается почти окончательно установленным, что именно из-за гипервитаминоза по витамину А погибли участники экспедиции шведского полярного исследователя Соломона Андре. Сей несчастный фантазер решил первым добраться до Северного полюса не традиционным путем — на собаках или лыжах, — а долететь до этой манящей всех землепроходцев точки на воздушном шаре. К сожалению, ни грузоподъемности шара, ни скорости истечения водорода из оболочки, ни розы ветров в Арктике он не знал. Андре и его спутники самонадеянно отправились в полет в 1897 году с одного из островов архипелага Шпицберген. Ветер отнес их совсем в другую сторону, потом шар стал падать на лед, и в конце концов трое путешественников добрались до острова Белый, где и умерли осенью того же года. При этом в их палатке в 1930 году был найден изрядный запас продовольствия, а следов нападения диких зверей обнаружено не было. Однако по остаткам пищи было видно, что бедняги не брезговали медвежатиной, причем самой вкусной частью этого зверя — его печенью, которая содержит чудовищные по человеческим меркам количества витамина А. Смертельные количества!

Теперь о витаминах группы В. Именно с первого из них, витамина В_1, вообще началась история витаминов. В 1911 году польский химик Казимир Функ обнаружил, что тяжелому заболеванию нервной системы под названием бери-бери подвержены только те, в чьем рационе отсутствует некое химическое вещество. Именно Функ выделил это вещество, по химической структуре оказавшееся амином, из экстракта рисовых отрубей и назвал его витамином. Интересно, что богатые и поэтому лучше (дороже) питавшиеся жители Юго-Восточной Азии парадоксальным образом болели бери-бери чаще, чем бедняки. И объяснялось это тем, что в богатых семьях ели дорогой отшлифованный рис без шелухи — и без витамина В_1, а бедняки пробавлялись неочищенным рисом с отрубями, в которых B_1 как раз и содержится.

Возвратимся ненадолго к витамину С. Аналогичная ситуация типа «богач-бедняк» наблюдалась во второй половине XIX века, когда возникла тенденция как можно скорее отнимать младенцев от материнской груди и выкармливать их молочными концентратами. Понятно, что в основном этой моде следовали состоятельные родители, и как же они были бы поражены, узнав, что участившиеся случаи заболевания цингой их младенцев вызваны плохим питанием! Доктор Барлоу исследовал тело скончавшейся в результате такой диеты полугодовалой девочки и поставил диагноз — цинга, но заболевание тут же переименовали в болезнь Барлоу. К чести доктора стоит сказать, что он догадался лечить «фамильную» болезнь говяжьим фаршем и апельсиновым соком (и как только это он сообразил?), и улучшение обычно наступало очень быстро.

Очень важный витамин В_1 регулирует углеводный обмен и абсолютно необходим для нормальной деятельности центральной и периферической нервной системы. В некоторых книгах его даже называют «витамин оптимизма». В сутки человеку необходимо всего лишь два миллиграмма тиамина (это другое название витамина В_1), такое количество содержится в батоне черного хлеба или 250 граммах гороха.

Следующий витамин из группы В — рибофлавин, или В_2, недостаток которого (арибофлавиноз) приводит к общей слабости и упадку сил. Характерным проявлением дефицита В_2 является появление болезненных трещин в углах рта и воспаление языка, который становится ярко-красным, отечным и сухим. Витамин В_2 довольно широко распространен в животных и растительных продуктах, однако содержится там в небольших количествах. Рекордсменами являются пивные дрожжи, печень и почки. Две трети потребности в витамине В_2 обычно удовлетворяется за счет молочных продуктов и мяса, треть — за счет фруктов и овощей. Интересно, что рибофлавин разрушается на свету и поэтому переход на розлив молока в непрозрачную картонную тару способствовал снижению дефицита этого витамина. И последнее: известным и безжалостным врагом В_2 является алкоголь. Пьющим следует закусывать.

Недостаток следующего витамина, В_6(пиридоксина), приводит к возникновению себореи, то есть попросту, появлению перхоти. Поэтому не исключено, что вместо обработки волос широко рекламируемым зеленоватым шампунем стоит просто наладить свое питание. Тем более что требуется пиридоксина всего-то 2 миллиграмма в сутки, а содержится он в тех же печени, почках, пшеничных отрубях, молоке, яйцах, капусте и многих других продуктах. И конечно, в поливитаминных препаратах.

Хоть все эти В уже поднадоели, но — что поделать — существует и очень важен витамин В_12 (цианкобаламин), который иногда называют «красный витамин» из-за его роли в формировании и восстановлении красных кровяных телец. Цианкобаламина требуется человеку просто в незаметных количествах — тысячные доли миллиграмма (то есть миллионные доли грамма), но если этих миллионных долей не хватает, то развивается злокачественная (смертельно опасная) анемия и повреждается головной мозг.

Источниками витамина В_12 являются практически те же самые продукты, что и в случае других витаминов группы В. Строгим вегетарианцам, отказавшимся не только от мяса, но вообще от продуктов животного происхождения — яиц, молока, творога и сыра, особенно важно принимать препараты этого витамина. Видели ли вы когда-нибудь по телевизору индийских веганов, последователей чисто растительного вегетарианства? Так вот, эти кожа да кости не только результат просветления, достигнутого долгим пребыванием в позе лотоса в состоянии сомати, но и последствия банальной анемии, вызванной дефицитом витамина В_12.

Витамины солнечные и жирные

Наша азбука следует латинскому алфавиту, поэтому теперь — витамин D. Это очень необычный витамин, образующийся под воздействием ультрафиолетовой части солнечного света на жиры в нашей коже или получаемый с пищей. Другое название витамина D — кальциферол (несущий кальций). А кальций в первую очередь необходим для построения костей и зубов, поэтому дефицит витамина D приводит к возникновению хорошо известной болезни — рахита.

Рахит был обстоятельно описан, хоть и не объяснен, еще в 1650 году врачами Кембриджского университета, но только в конце прошлого века исследователи обратили внимание на географическую и социальную распространенность рахита. Эта болезнь практически не встречалась в солнечном Средиземноморье, однако свирепствовала в кварталах бедняков в северных странах. Половина героев Достоевского из «бедных людей» Петербурга наверняка страдали рахитом — автор прекрасно описал симптомы болезни, даже не подозревая о существовании этого заболевания.

Витамин D относится к группе жирорастворимых витаминов, да и содержится в различных природных жирах — всем известном пресловутом рыбьем жире, в сардинах, лососе, селедке, а также в молоке и молочных продуктах. Рыбий жир многим неприятен, но в последнее время появились капсулы с рыбьим жиром, которые можно просто проглотить не раскусывая. Обычная суточная норма — от 400 до 1000 МЕ (международных единиц), передозировка опасна. Слишком большие дозы витамина D (в 50-100 и более раз выше нормы) могут привести к летальному исходу. Время от времени такое происходит, несколько случаев специфических эпидемий были отмечены в СССР.

Дело в том, что на витаминных фабриках кальциферол выпускается в виде концентрированного раствора в растительном масле, при этом по цвету и вкусу раствор ничем не отличается от обычного масла. Раствор этот предназначен вовсе не для людей, а для подкормки кур на птицефабриках. Дальше понятно — цистерну с раствором витамина украли, распродали в розлив как дефицитное (в советские годы) растительное масло, граждане ели раствор в салатах и жарили на нем что придется. Факт целого ряда смертельных случаев под Одессой не был тогда обнародован, и только на секретном медицинском совещании некая дама-педиатр, смущаясь присутствием медицинских светил, обратила внимание на схожесть симптомов заболевания с симптомами отравления детей, слопавших полную упаковку родительских витаминов. В Одесской области находилась и находится сейчас химико-фармацевтическая фабрика.

На возможный дефицит витамина D следует обратить внимание людям, профессионально или в силу религиозных, национальных и тому подобных особенностей не получающих достаточного количества солнечного света. К ним относятся рабочие ночных смен, спящие днем, монахини и мусульманки в закрытых одеждах. О дефиците витамина важно помнить и жителям Крайнего Севера, особенно в период полярной ночи.

Теперь — буква Е. Нет числа лжеснадобьям для повышения потенции, в которые введен витамин Е, или токоферол. Но, хотя слово «токоферол» означает «несущий потомство», к улучшению эрекции и потенции витамин Е никакого отношения не имеет. Другое дело, что он необходим для нормального течения беременности, способствует увеличению выносливости и помогает выглядеть моложе, замедляя старение клеток. Последнее связано с сильным антиоксидантным действием токоферола. Вообще проблема старения, согласно современным данным, напрямую связана с образованием в клетках так называемых свободных радикалов, очень активных веществ. Свободные радикалы просто-таки пожирают клеточные оболочки — мембраны, причем в результате образуются еще более токсичные и реакционноспособные соединения. Источники токоферола — растительные масла, соя, листовая зелень, зерновой хлеб и пророщенные зерна пшеницы. В поливитаминные препараты витамин Е обычно вводится в количестве 100-1000 МЕ, буквально «на всякий случай». Передозировка не должна вызывать беспокойства — витамин Е абсолютно нетоксичен. А вот свободные радикалы… И радикал, и свобода — слова весьма подозрительные. Неудивительно, что студенческая радиостанция «Свободный радикал», организованная на химическом факультете МГУ, вскоре после оккупации Чехословакии войсками стран Варшавского договора в 1968 году была закрыта.

Чтобы отнести какое-нибудь вещество к классу витаминов, нужно соблюсти два условия: невозможность синтеза в организме и малая суточная потребность. Вот, к примеру, воздух или вода тоже поступают в человека только извне, но это ведь не витамины! Поэтому не очевидно отнесение полиненасыщенных жирных кислот к витаминам. С одной стороны, эти кислоты (линолевая, линоленовая и арахидоновая) действительно необходимы организму человека и не синтезируются в нем самом, то есть должны поступать с пищей. С другой стороны, требуемое суточное количество этих кислот (называемых также витамином F) совсем не ничтожно и измеряется сотнями миллиграммов и даже граммами. Но раз уж во многих руководствах и на практике принято считать эти кислоты именно витамином, витамином F, будем следовать традиции.

Итак, почему они «жирные»? В этом прилагательном нет никакого осуждающего оттенка, значит это только то, что кислоты содержатся именно в жирах, причем, если совсем точно, в жирах растительных. А термин «полиненасыщенные» свидетельствует о наличии в их молекулах нескольких («поли») двойных связей углерод-углерод. Кстати, вот и ответ на вопрос об источниках для нас витамина F — кроме растительных масел типа обычного подсолнечного или арахисового, этот витамин в значительных количествах находится в маргаринах и разных орехах, а также в авокадо. В Израиле выведен такой сорт авокадо, в котором мякоть по консистенции совпадает со сливочным маслом и может прямо намазываться на хлеб. Витамин F обеспечивает здоровое состояние кожи и волос, поэтому его вводят в такие средства, как «Крем для бритья с витамином F». Дневную потребность в витамине покрывают несколько чайных ложек растительного масла, добавленного в салат или используемого для готовки. (Кстати, буква F — от английского fat, жир.)

Наследие викторианских времен

К витаминам относят и вещества, которые синтезируем не мы с вами, а наши симбионты, проживающие в нашем кишечнике бактерии. Например, витамин К (от «коагуляция» — свертывание крови). Поскольку витамин К принимает участие в процессах свертывания крови и при его достаточном количестве предотвращается кровотечение, то он вполне мог бы помочь — если не в лечении, то хотя бы в снижении остроты заболевания сыну последнего российского царя, страдавшему наследственной гемофилией.

Романовы получили эту болезнь — несвертываемость крови — в наследство от английской королевы Виктории, бабушки Александры Федоровны Романовой, жены Николая II. Болезнь передается по женской линии, но болеют ею лишь особи мужского пола. Лучшим источником витамина К является йогурт, являющийся продуктом свертывания молока бактерией болгарская палочка. В начале ХХ столетия Болгария предала своего освободителя, Россию, и переметнулась на сторону Германии. А жаль, в противном случае царский двор мог бы получать из Болгарии этот самый йогурт. Кстати, и во Второй мировой войне наша братская Болгария была на стороне фашистов.

Есть такая неприятная болезнь — пеллагра, симптомами которой являются трещины и пузыри на коже и которая может приводить к нервно-психическим расстройствам (слабоумию). Само слово «пеллагра» означает «шершавая кожа» (от итальянского). Прекрасное профилактическое средство против пеллагры — витамин РР, который назван по первым буквам выражения «пеллагра превентид», то есть предотвращающий пеллагру.

РР жизненно важен для синтеза тестостерона, мужского полового гормона (для синтеза женского гормона — тоже). А без тестостерона репродукция попросту невозможна! Так что не забывайте о постном мясе, рыбе, мясе птицы. Но не следует думать, что у вегетарианцев с потенцией и репродукцией не все в порядке. Пример вегетарианской Индии с ее почти миллиардным населением легко опровергает заблуждение о необходимости мяса для продолжения рода. Дело в том, что витамина РР много в завязях пшеницы, в бобовых, финиках и фигах (инжире), черносливе и наших старых знакомых — пивных дрожжах.

Имеется и еще один важный витамин, не дослужившийся до своей собственной буквы, — фолиевая кислота. Этим витамином богаты петрушка, шпинат, лук и другие листья зеленых растений. А также тыква, печенка, дрожжи и даже ржаная мука. Особое внимание следует уделять фолиевой кислоте беременным: уже на второй неделе этого волшебного процесса в зародыше начинает формироваться то, что потом станет головным мозгом. При повышенном потреблении алкоголя дозу фолиевой кислоты лучше увеличить или попросту закусывать зеленым лучком. Распространенное заблуждение о содержании в зеленом луке большого количества витамина С, которого там совсем почти что и нет, привело к увеличению потребления этого продукта — ну и хорошо, зато в нем много фолиевой кислоты.

На этом закончим о витаминах. Вообще-то их существует еще несколько штук, и они играют важную роль в нашей жизни. Но человеку необходимы и другие вещества, например минеральные, о которых пойдет речь в следующей главе.

Глава 9

Микро и макро, нужные как воздух

Всем хорошо известно, что основной элемент жизни — углерод, на его основе построены все органические вещества. Но одним углеродом природа не ограничилась, нам абсолютно необходимы и входят в состав наших тел кислород, водород, азот и еще множество других элементов. Часть из них и есть минеральные вещества — микро- и макроэлементы, необходимые человеку и получаемые им с пищей. К макроэлементам принято относить металлы кальций, калий, натрий и магний, а также неметаллы хлор, серу и фосфор. Помните «Понедельник начинается в субботу» братьев Стругацких, статью в стенгазете «Фосфор нужен человеку как воздух»? Как это ни забавно, но без фосфора или любого другого из макроэлементов наша жизнь действительно невозможна. Фосфор, например, входит в состав наследственной молекулы ДНК.

По самому названию — макроэлементы — понятно, что организму человека их требуется довольно много — от десятых долей грамма до десятков граммов. А микроэлементы, как и витамины, содержатся в человеческом теле в количествах от десятков миллиграммов до микрограммов, что означает тысячные доли миллиграмма или миллионные доли грамма. Таких веществ (элементов) в настоящее время обнаружено 14, среди них десять металлов — железо, медь, хром, ванадий, молибден, марганец, цинк, кобальт, никель и олово и четыре неметалла — фтор, йод, кремний и селен.

Макро- и микроэлементы в виде соединений, как правило, присутствуют в нашей обычной еде, но на всякий случай их вводят сейчас в поливитамины, получая, так сказать, поливитаминоминеральные препараты. Это очень важно, поскольку существует определенная географическая зависимость распространенности того или иного элемента. Например, в некоторых регионах нашей страны в питьевой воде и местных продуктах питания не хватает фтора, а в других, прежде всего на Кавказе, наблюдается избыток меди. В этих районах соответственно следовало бы увеличить поступление из пищи фтора, а меди как раз уменьшить. Универсальные же препараты в принципе не могут учесть особенности огромной России, и следовало бы выпускать специальные препараты для каждого региона — может быть, такое время еще наступит, а пока будем принимать что есть. Это не только желательно, но и необходимо. Почему? Да просто потому, что за всем не уследишь и отсутствие каких-то элементов может привести к тяжелым заболеваниям. Поговорим об этом подробнее. Неметаллов меньше, с них лучше и начать.

Страшный йод, твердый фтор, модный селен

Говоря про неметалл йод, трудно удержаться от цитирования прекрасного стихотворения прекрасного поэта Владислава Ходасевича.

Пробочка над крепким йодом!

Как ты скоро перетлела!

Так вот и душа незримо

Жжет и разъедает тело.

Конечно, в этой главе речь идет не про йод Ходасевича. В аптечный пузырек налит раствор элементарного кристаллического йода в этиловом спирте. Вследствие высокой окислительной способности аптечный йод дезинфицирует раны, но в организме человека он присутствует в сложных органических соединениях, прежде всего в белке щитовидной железы тироглобулине и гормонах тироксине и трийодтиронине. Щитовидная железа двумя своими долями охватывает трахею около подбородка. Выделяемые ею гормоны регулируют энергетические процессы и теплообмен. При недостатке йода возникает заболевание щитовидной железы — зоб. Это заболевание внешне проявляется в виде распухания шеи у подбородка, как, например, у вдовы Ульянова-Ленина Надежды Константиновны Крупской, болевшей диффузным токсическим зобом, или, иначе, базедовой болезнью.

Чаще всего наблюдается эндемический зоб, то есть специфичный для определенных географических зон и связанный с недостатком йода в почве, а следовательно, и в пище населения этих районов. Пища ведь сначала растет на этой почве в виде злаков, потом частично превращается в мясо поедающего эти злаки крупного и мелкого рогатого скота. На территории России эндемичными по йоду являются Урал, Северный Кавказ, верховья Волги и долины крупных сибирских рек, Забайкалье и Дальний Восток. Способствует развитию заболевания и избыток в рационе некоторых продуктов, прежде всего сырой капусты, содержащей прочно связывающие йод вещества, не «отпускающие» йод в желудке и кишечнике. Больше всего йода содержится в морепродуктах, как теперь называют рыбу, кальмаров, мидии и прочих морских гадов. Всем хорошо известно, что много йода в морской капусте и других морских водорослях.

Требуется человеку этого элемента совсем немного, доли миллиграмма (если точнее, то от 100 до 200 миллиграммов), но длительный дефицит йода в детском возрасте приводит к отставанию в умственном развитии и даже кретинизму. (Так, некоторые ученые полагают, что именно благодаря дефициту йода возникло знаменитое тирольское пение с руладами: в основе этих переливов, мол, лежат окрики тирольских пастухов, которыми становились обычно деревенские йододефицитные дурачки.) Но сейчас беспокоиться о дефиците йода не нужно. При появлении малейших симптомов заболеваний щитовидной железы можно просто перейти, например, на йодированную соль. Этот продукт очень дешев и в эндемичных районах может быть на всякий случай запасен.

После ряда аварий на атомных электростанциях оказалась актуальной еще одна особенность йода. При взрыве реактора в Чернобыле и недавней катастрофе на японской станции «Фукусима-1» было замечено, что в атмосферу выделяется радиоактивный изотоп этого элемента йод-131, накапливающийся в щитовидной железе и вызывающий ее тяжелые повреждения. Период полураспада этого изотопа невелик, всего 8 суток, но до практически полного прекращения излучения должно пройти немного больше пяти периодов полураспада (50 % + 25 % + 12,5 % + 6,25 % + + 3,125 % = 97 %), то есть опасность заболевания сохраняется в течение 8 × 5 = 40 суток. Для предотвращения накопления йода-131 в щитовидной железе необходимо использовать заместительную терапию, а именно сразу же после выброса радиоактивного изотопа, а лучше даже раньше, принимать препараты йода не радиоактивного, например йодат калия KIO_3. Насыщенная «правильным» йодом щитовидка радиоактивный изотоп поглощать не станет. Можно использовать и элементарный йод. После чернобыльской аварии ладошки и пятки польских детишек, проживавших в районе выпадения радиоактивных осадков, мазали спиртовым раствором йода, и это очень помогло, никто не заболел.

Однако надеяться только на препараты йода при радиационных катастрофах не стоит. Гораздо более опасные радиоактивные изотопы цезия и стронция обычным йодом не возьмешь, так что массовая скупка йодных препаратов и обычного спиртового раствора элементарного йода, которая происходила после аварии на «Фукусима-1», была во многом бессмысленной. Кстати, название станции «Фукусима» по-японски означает «счастливый остров», «счастливый уголок», что после этой аварии выглядит просто издевательством. К той же группе периодической системы Менделеева относится элемент фтор. Его недостаток тоже носит эндемический характер и тоже приводит к появлению некоторых болезней. К сожалению, о фторе стихов, кажется, никто еще не писал, зато о нем столько написано и рассказано в рекламах разнообразных зубных паст! «С фтором», «с флюористатом» и так далее. (Фтору не повезло с переводчиками, а потому приходится постоянно натыкаться на несуществующее в русском языке слово «флюорин». А ведь, казалось бы, загляни в словарь — и сразу узнаешь, что fluorine — это наш обычный фтор.)

И вот тут реклама не врет, фтор действительно необходим для предупреждения кариеса. Анион фтора замещает гидроксильную группу в гидроксиапатите эмали и превращает его в более прочный фторапатит (даже как-то обидно, что наши зубы имеют состав, одинаковый с известным фосфорным удобрением). Лучше всего этот защитный слой образуется в детском возрасте. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) утверждает, что искусственное фторирование питьевой воды до концентрации один миллиграмм в литре снижает заболеваемость кариесом на 30–50 %. В России фторирование воды проводится повсеместно, но существуют и специальные таблетки, которые дают детям в возрасте от 2 до 14 лет, причем не менее 250 штук в год.

Однако принимать фторсодержащие препараты без консультации с врачом все же не стоит. Фтор — токсичный элемент, его избыток довольно опасен. Требуется фтора примерно один миллиграмм в день, токсичность проявляется в дозах более 20 миллиграммов. Столько фтора содержится в 20 литрах воды, и столько не выпить, но вот с глупой детской забавой глотать зубную пасту следует бороться.

Формированию эмали мешает не только дефицит фтора, но и избыток другого элемента — селена. Селен сейчас стал очень модным элементом. Едва ли не половина сотрудников Института питания РАМН так или иначе занимаются селеном, а некоторые ученые считают недостаток селена чуть ли не важнейшей проблемой современности. Связано это с малым содержанием селена в почве и его ролью как мощного антиоксиданта (антиокислителия). Окислительные процессы в организме сопровождаются образованием свободных радикалов, повреждающих клетки и вызывающих рак. Это подтверждается целым набором фактов. Прежде других были обнаружены косвенные улики: в регионах с высоким или средним содержанием почвенного селена смертность от рака легких, молочных желез, пищеварительных органов и лимфом существенно меньше, чем в регионах с дефицитом селена.

Кроме того, было установлено, что у больных раком крови содержание селена именно в крови намного ниже, чем у здоровых людей, а увеличение содержания селена в организме сопровождается образованием менее злокачественных опухолей и меньшего количества метастаз.

Важная роль селена была установлена также после обнаружения связи некоторых сердечных заболеваний с дефицитом этого элемента в некоторых районах Китая и Забайкалья. Сейчас установлен синергизм действия селена и витамина Е — то есть при совместном приеме эффект каждого из антиоксидантов возрастает не вдвое, а гораздо больше. (Понятие синергизма можно прояснить на таком простейшем, хотя и обратном примере: при совместном проживании мужчины и женщины (например, в браке) расходы на питание увеличиваются не вдвое, а обычно лишь раза в полтора.)

Требуется селена не более десятой доли миллиграмма, причем мужчинам больше, чем женщинам. Дело в том, что половина всего селена в организме у мужчин находится в яичках, конкретно — в сперме, являющейся «расходуемым» материалом. В яичках селен находится не зря, и понятно, что дефицит элемента нарушает детородную функцию.

Много селена в тех же морепродуктах, а больше всего — в морской и каменной соли, однако избыток селена неблагоприятно влияет на костеобразование и, как уже говорилось, на состояние зубов. Считается, что селен помогает лечить и предупреждать появление перхоти. До сих пор не установлено, что же является истинной причиной этого заболевания, поражающего подавляющее большинство населения, — то ли нарушения биохимии из-за постоянных стрессов, то ли грибок Pityrosporum Ovale, то ли недостаток витамина В_6 (см. главу 8).

Четыре серьезных металла

Теперь о микроэлементах — металлах. Первый по алфавиту элемент ванадий (названный так в честь скандинавской богини красоты Ванадис) входит в состав некоторых биологически важных соединений, играющих стимулирующую роль в организме человека, а содержится ванадия в нас всего примерно 0,1 миллиграмма!

Ванадий не слишком дорогой металл, но все же раз в 50 дороже меди и ее сплавов. Когда в конце 70-х годов прошлого века заканчивалось строительство универсального спорткомплекса «Крылья Советов» на западе Москвы и архитектор комплекса (отец автора этой книги Алексей Образцов) захотел во всем здании установить красивые дверные ручки из медного сплава, вышло Указание о запрещении использования в строительстве дорогостоящих металлов, к которым отнесли и медь. Как говорили тогда, «в целях экономии». Расстроенный Алексей Сергеевич обратился к заказчикам, а «Крылья Советов» — это спортивный клуб могущественного ракетного Министерства среднего машиностроения, в просторечье Средьмаша (тогда шутили, что ракета — это средняя машина). Заказчик поинтересовался, какие именно металлы использовать нельзя, и убедился, что в Указании ничего не сказано о ванадии, да и кому бы в голову пришло упоминать этот металл в данном контексте? А в Средьмаше ванадия было навалом, и до сих пор в спорткомплексе болельщики, открывая двери, дергают за ручки из красивого темно-серого ванадия. (В перестроечные годы дворец превратился в ярмарку промтоваров с тысячами продавцов и покупателей, так что к ручкам могли и, так сказать, приделать ноги.)

Ванадий — важный элемент, но гораздо большее значение имеет следующее за ним железо — его в каждом человеческом теле около 4 граммов.

Несмотря на банальность рифмы, которую тем не менее использовал даже Пушкин, между понятиями «любовь» и «кровь» существует тесная связь, иногда весьма неожиданная. Железо находится в организме человека в основном в крови, в виде красного пигмента крови гемоглобина. В норме объем крови у мужчин составляет 5,2 литра, у женщин — 3,9 литра, концентрация железа в крови — около 0,5 грамма в литре. Таким образом, в крови взрослого мужчины содержится 2,6 грамма железа. Это железо можно выделить прямо в виде металла, если регулярно делать кровопускание. Существует легенда про некоего молодого влюбленного химика, который хотел из железа собственной крови изготовить колечко для возлюбленной. Приблизительные прикидки показывают, что для изготовления небольшого кольца потребуется сдавать и перерабатывать кровь на протяжении примерно двух лет (если без риска для здоровья). То есть теоретически такое украшение для любимой девушки изготовить можно, хотя станет ли она носить эту ржавеющую железяку? Не помешают ли ей воспоминания о том, как на протяжении двух лет ее друг колол себя шприцем, затем в лаборатории выпаривал собственную кровь, прокаливал остаток, чем-то там восстанавливал железо, плавил его в муфельной печи и так далее — вместо того чтобы нормально бегать с ней на дискотеку?

Итак, железосодержащий гемоглобин является одним из важнейших веществ нашего организма, прежде всего будучи переносчиком кислорода от легких к тканям (после вдоха) и углекислого газа от тканей к легким, из которых мы углекислый газ и выдыхаем. Интересно, что процесс дыхания кислородом с помощью гемоглобина на уровне организма рефлекторный, а в основе почти чисто химический. Поэтому белок гемоглобин легко обмануть, что и делает наш страшный враг угарный газ. Гемоглобин принимает молекулу угарного газа за кислород (они действительно геометрически похожи) и начисто забывает о своей основной функции. В результате человек сначала засыпает рядом с печкой, а потом уже не просыпается.

Дефицит именно этого микроэлемента является главным у женщин, которые теряют в месяц примерно в два раза больше железа, чем мужчины (догадайтесь почему). По данным Института питания РАМН, в нашей стране еще недавно железодефицитной анемией (гипосидерозом) страдало значительное количество молодых женщин Севера, Сибири и Дальнего Востока и даже центральных областей России. Основными симптомами гипосидероза в начальной стадии является легкая утомляемость, повышенная или пониженная возбудимость, затем начинается сердцебиение и головокружение, доходящие до обморока. И если первые стадии анемии распознать довольно трудно, — у кого это сейчас, в наше время повседневных стрессов, нет легкой утомляемости или ненормальной возбудимости? — то последующие стадии уже вполне заметны. Для устранения этого заболевания не требуется особо специального лечения, за исключением правильной диеты и, в запущенных случаях, введения в рацион препаратов железа.

Больше всего железа содержится в печенке и почках съедобных животных, кальмарах и мидиях и, разумеется, в препарате из бычьей крови гематогене. Много железа в железистых минеральных водах и грунтовых водах стран с месторождениями железной руды. Требуется железа от 10 до 18 миллиграммов в сутки, для беременных и кормящих женщин 18 миллиграммов являются уже не максимумом, а минимумом. Такое количество железа содержится в поллитровой бутылке минеральной воды «Полюстровская»[2], но, во-первых, далеко не все железо усваивается и правильная диета все равно необходима. А во-вторых, кто, кроме патриотичных петербуржцев, в состоянии выпить пол-литра гадкой «Полюстровской»?

Надо сказать, избыток микроэлементов тоже ни к чему хорошему не приводит. Однако в случае железа летальная доза составляет аж 35 граммов — несколько крупных гвоздей, и съесть за раз столько железа надо умудриться.

Очень удачно, что согласно русскому алфавиту за железом следует кобальт, также нужный для образования красных кровяных клеток и предотвращающий развитие анемии. Открытый еще в XVIII веке, кобальт (от немецкого kobald — гном) лишь недавно, вскоре после Второй мировой войны, был признан необходимым для человека элементом. Оказалось, что кобальт входит в состав важнейшего витамина В_12, и недостаточность кобальта — это именно недостаточность этого витамина. Причем обычно такой дефицит встречается редко, кобальта требуется всего-то 8 тысячных миллиграмма (8 микрограммов). Эти микрограммы содержаться практически в тех же пищевых продуктах, из которых мы получаем железо, хотя имеется кобальт и в зернах какао и в чае. Следующий элемент — марганец, его требуется человеку до 7 миллиграммов в сутки. Марганец, как правило, включается в поливитаминминеральные препараты. В обычной пище марганца содержится вполне достаточно, и, как правило, дефицита этого элемента не наблюдается. Но если вы страдаете повторяющимися головокружениями, рассеянны или имеете проблемы с памятью, то обязательно проверьте, получаете ли вы достаточное количество данного микроэлемента. Любопытно, что слишком много марганца может быть в водопроводной воде, текущей по старым трубам из стали, легированной марганцем.

Предельно допустимые элементы

Как уже отмечалось в разделе о ванадии, красивые современные дверные ручки часто делают из сплава меди и цинка — латуни, и ручки эти могут стать источником меди в организме человека: медь и латунь — металлы мягкие, легко истираются и попадают в пищу с немытых рук. Необходимость меди доказана, но излишки ее могут вызывать бессонницу, выпадение волос, нерегулярные менструации и депрессию.

Из курьезов, связанных с медью, отмечу такой. По правилам сброса сточных вод некоторых предприятий в них, этих водах, должно содержаться ничтожное количество меди — у нас вообще как самые строгие нормы в мире, так и самое безразличное отношение к их ежедневному нарушению. По известному принципу «строгость российских законов смягчается необязательностью их исполнения». Так вот, в смеси для выкармливания новорожденных специально введена медь в концентрациях, значительно превышающих эти ПДК — предельно допустимые концентрации. То, что якобы нельзя спускать в канализацию, необходимо давать детям!

Теперь о хроме. Соединения этого металла широко применяются при производстве нержавеющей стали, брезента и кожи, разнообразных химических товаров и красок. Неправильное использование соединений хрома приводит к тяжелым отравлениям, однако в конце 50-х годов прошлого века ученые обнаружили, что этот металл все-таки очень необходим, правда, в микроколичествах (где-то 0,1 миллиграмма в сутки), для нормального функционирования человеческого организма. Оказалось, хром нужен больным сахарным диабетом и атеросклерозом, так как снижает уровень сахара и жиров в крови. Хром усиливает действие инсулина — гормона, отвечающего за переработку глюкозы. Хром содержится в пивных дрожжах, морепродуктах, печенке и черном перце, причем установлено, что большинство из нас получает из пищи недостаточное количество этого элемента, особенно пожилые граждане.

Теперь поговорим про цинк. Чтобы мальчику стать настоящим мужчиной, ему необходимо в период полового созревания поглощать повышенное количество цинка. Недостаток цинка приводит к мужскому бесплодию из-за угнетения процессов образования сперматозоидов, возможна гипертрофия простаты (увеличение предстательной железы), причем введение соединений цинка предупреждает развитие рака этого органа (по крайней мере, у животных это доказано).

Вообще препараты цинка в виде мазей были известны уже в Древнем Китае и Египте, но основные исследования его роли в человеческом организме были проведены после обнаружения в Иране местной цинкдефицитной анемии. Карлики с недоразвитыми половыми органами и увеличенными селезенкой и печенью успешно вылечивались сульфатом цинка ZnSO_4.

В сутки человеку требуется до 15 миллиграммов цинка, но в некоторых препаратах количество этого микроэлемнта увеличено до 300 миллиграммов — и ничего страшного, при передозировке цинк просто выводится из организма. Тем не менее длительное хранение пищи в оцинкованной посуде недопустимо — хотя сейчас такая посуда встречается разве что в антикварных магазинах.

Цинк — последний по алфавиту из микроэлементов, но удивительным образом один из самых существенных. Он обнаруживается в сотнях ферментов, играющих важнейшую роль в обменных процессах. Вот, например, небезызвестная алькогольдегидрогеназа — фермент, ответственный за переработку спирта в организме. Цинк необходим для формирования и работоспособности этого важного, особенно для России, фермента, поэтому надо правильно закусывать — селедкой, бифштексом с горчицей, чесноком и яйцом. Наиболее правоверным вегетарианцам, питающимся только растительной пищей и не включающим в диету даже яйца, надо опасаться недополучения цинка и есть хлеб из муки грубого помола, в которой немало этого элемента.

Вот в основном и все о важных для нас микроэлементах. Впрочем, я совершенно уверен, что когда-нибудь выяснится необходимость и, например, какого-нибудь лития или другого элемента таблицы Менделеева. Кстати, эта таблица давно стала газетным штампом — «в сточных водах комбината можно обнаружить всю таблицу Менделеева». Осмелюсь отметить, что вся таблица Менделеева содержится также и в организме автора этой книги, и ее читателей. Весь вопрос, в каких количествах. Хром в виде некоторых соединений — сильнейший яд, в виде зеленого оксида — лучшая зеленая краска для крыш и заборов, а в количестве 0,1 миллиграмма — суточная норма потребления взрослого человека. Гомеопатию трудно считать серьезной наукой, но одно из положений этого направления в медицине бесспорно — вещество, в больших количествах являющееся ядом, в малых количествах порой нам просто необходимо. Пример микроэлементов это полностью подтверждает. А теперь поговорим о самом важном для человека микроэлементе — соли.

Глава 10

Самый главный минерал

Хлорид натрия, NaCI, поваренная соль или просто соль — одно из очень немногих веществ, которые человек употребляет в пищу и которые являются индивидуальными веществами, то есть их можно обозначить простой химической формулой. Кроме соли к ним относятся уже упоминавшийся сахар (сахароза) С_12Н_22О_11, вода Н_2О, уксус (уксусная кислота) СН_3СООН, лимонная кислота C_6H_8O_7 и еще пара-тройка веществ.

Соль на коленке

Поваренную соль в книгах по товароведению и питанию часто включают в раздел «Приправы», однако это совершенно неверно. Действительно, соль, как и другие приправы, потребляется в небольших количествах, примерно 10–12 граммов в день, причем на самом деле человеку нужно ее гораздо меньше, всего грамма два, однако роль соли в жизни человека вовсе не сводится к улучшению вкуса блюд или к консервации продуктов питания. Если бы речь шла только об улучшении вкуса, то от соли в принципе можно было бы отказаться, как мы вполне можем обойтись без всех приправ (о них — в главе 11). Но без соли мы обойтись не можем — она так же необходима нам, как вода или воздух. Хотя, разумеется, лишенный соли человек покинет этот мир позже, чем человек, лишенный воздуха или воды, но тоже обязательно покинет.

Дело в том, что соль играет ключевую роль в протекании некоторых чрезвычайно важных процессов в нашем теле. Точнее, эту роль играет не сама соль NaCI в молекулярном виде, а входящие в ее состав и высвобождающиеся уже в самих продуктах питания ионы натрия Na+ и хлора CI-. Ион натрия, который для простоты дальше будем называть просто натрием, поддерживает водный баланс в организме, но главное — участвует в образовании электрических импульсов в нервных клетках и является ответственным за процессы энергопереноса в клетке. Без натрия мозг был бы не в состоянии командовать внутренними органами человека, включая сердце, что неминуемо привело бы к летальному исходу. Кстати, с объяснением роли натрия в энергетическом обмене связана любопытная история о «домашней» науке.

Тут вот какое дело. Размеры современных ускорителей элементарных частиц составляют десятки километров. Стоимость оборудования нормальной химической лаборатории достигает нескольких миллионов долларов. Расшифровка генома человека длилась 12 лет и осуществлялась силами десятков лабораторий мира, затрачено на это было три миллиарда долларов. Так что современная наука — дорогостоящая многолюдная деятельность, совершенно невозможная в домашних условиях. Это общепринятое мнение.

Однако неверное. Наука «на коленке» сохранилась! И не только у физиков-теоретиков, которым вполне достаточно ручки и писчей бумаги формата А4. Существует и экспериментальная домашняя наука, за достижения в которой даже была присуждена Нобелевская премия. Ее получил Питер Митчел в 1978 году «за вклад в объяснение переноса биологической энергии и разработку хемиосмотической теории».

В 1939 году Митчел с огромным трудом поступил в Кембриджский университет, а в 1963 году из-за болезни вынужден был удалиться в сельскую местность, где на небольшой ферме организовал лабораторию на свои собственные средства. И именно в этой домашней лаборатории он сумел решить сложнейшую проблему передачи энергии в клетке, опередив целые научные коллективы. И среди них — биоэнергетическая лаборатория будущего академика Владимира Скулачева в МГУ, которая состояла из двух десятков человек. Они отстали от Митчела, быть может, всего на неделю, но все-таки отстали — первым оказался фермер из Корнуэлла.

Но вернемся к соли. Не менее важен и второй элемент, входящий в состав ее молекулы, — хлор, который, в частности, необходим для образования в желудке соляной кислоты HCI. Без нее невозможно переваривание пищи, а значит, невозможна и жизнь. В результате видно, что без соли, объединяющей в себе два необходимейших элемента натрий и хлор, никуда не деться. Добавим только, что натрий нужен не только сам по себе, но в определенном соотношении с ионом калия, и если в рационе питания человека слишком много натрия, то происходит потеря калия, что тоже очень нехорошо. Поскольку соль входит в состав чуть ли не любых видов пищи, в принципе мы могли бы и не подсаливать еду — как это, вероятно, и делали первые люди, которые далеко не сразу попробовали на вкус этот белый минерал. Однако соль действительно «заостряет» вкус множества продуктов, и человек давно подсел на этот почти наркотик. В результате чаще всего мы съедаем в день соли больше, чем физиологически требуется организму. Поэтому сейчас даже выпускается соль с пониженным содержанием соли, в смысле с пониженным содержанием хлористого натрия. Вместо него в эту «профилактическую соль» в изрядном количестве введен калий в виде хлористого калия. Вредность переедания соли прежде всего в повышении вероятности гипертонической болезни. Сейчас считается, что лучше бы ограничить потребление соли пятью-шестью граммами в день, а склонным к гипертонии даже вообще не солить пищу, а ограничиваться естественной солью из продуктов питания.

Но ничего хорошего нет и при недостатке соли, то есть в данном случае натрия, — появляются такие признаки гипонатриемии, как сухость кожи и снижение ее эластичности и тургора (упругости), мышечные судороги, тошнота, апатия, сонливость и анорексия (отказ от еды). Снижается артериальное давление и возникает тахикардия, а также анурез (задержание мочеиспускания).

Садочной соли у нас нет

Поскольку изобретать соль человеку не пришлось, ее нужно было только найти, история соли в действительности есть история ее получения и рассказ о событиях, происходивших при отсутствии и недостатке соли. Получают соль в основном двумя путями: разрабатывая месторождения твердой каменной соли и выпаривая соленую воду. Впрочем, есть еще самосадочная соль, которая выпадает в осадок на дно перенасыщенных солью озер, самым крупным таким озером у нас является известное озеро Баскунчак. В его соли много примесей, особенно кальциевых солей, и ее приходится специально очищать. Месторождения каменной соли находятся во многих государствах и кое-где продолжают разрабатываться, а в некоторых странах перешли в разряд санаториев — считается, что воздух в старых штольнях, пробитых в слоях каменной соли, насыщен ионами (очевидно, натрия и хлора) и поэтому полезен больным астмой и прочими заболеваниями дыхательного аппарата. Это не очень понятно, вероятнее всего, механизм положительного воздействия соляных штолен какой-то другой, если он, конечно, вообще существует, а не является плодом самовнушения.

Выпаривание воды из соляных растворов сейчас распространено гораздо больше, чем добыча каменной соли, несмотря на превосходство последней по качеству. Получаемая выпариванием воды соль делится на выварочную и садочную. Выварочную соль получают при упаривании естественных или искусственных рассолов, добываемых из недр Земли. Естественные рассолы образуются при самопроизвольном растворении подземных залежей каменной соли, а искусственные — при растворении пластов каменной соли в принудительно подаваемой через скважину воде. Перекачанные на поверхность солевые растворы упаривают либо в плоских чанах прямо на воздухе, либо в вакуум-аппаратах (при пониженном давлении). Вакуум-выварочная соль — самая высококачественная из всех видов поваренной соли. Она представляет собой чисто-белый мелкокристаллический продукт с чисто соленым вкусом. Содержание в ней NaCI достигает 99,7 %. В России выварочную соль вырабатывают в Пермской и Иркутской областях, а также в Республике Коми.

Садочную соль получают, выпаривая воду океанов, морей, озер и отводя воду в неглубокие лиманы. Делают это обычно в местах с жарким климатом, где вода испаряется просто под солнцем. После распада СССР Россия потеряла практически все эти лиманы, ведь большинство из них находятся вокруг Крыма. Очень важный момент — состав получаемой соли вовсе не совпадает с солевым составом морской воды, в противном случае соль должна была бы горчить из-за присутствия ионов магния. И здесь соледобытчики сыграли на различной растворимости разных солей в воде. Прежде всего в осадок выпадают малорастворимые соли железа и кальция, оставшийся раствор переливают в другой бассейн, где выпадает хлористый натрий, хотя и со значительным количеством примесей. Эти примеси — хлориды магния MgCl_2 и кальция CaCl_2, — впоследствии удаляют с помощью специальных приемов, не будем останавливаться на этом, скучновато. Соль, которая получается в результате, не отличается высокой чистотой. Ну да и ладно, садочную соль добывают в небольших количествах.

История обессоливания

Понятно, что в любом случае солеварение устраивали всегда рядом с источником соляного раствора, то есть около морей, соленых наземных или подземных озер. В России начиная с XII века солеварни распространились у поморов на Белом море, хотя первые свидетельства о выварке соли на Руси известны с X века. Соли никогда не было в избытке, к тому же отечественное начальство облагало ее большими налогами. В 1648 году коса нашла на камень, произошел Соляной бунт, в ходе которого горожанами было убито изрядное количество бояр. Царя не тронули, царь, как впоследствии и другие руководители нашего государства, «ничего не знал» о злоупотреблениях своих клевретов. Дольше всех бунтовал Псков. Налоги были все-таки уменьшены. В 1675 году снова прошли соляные бунты, причем не только в России, но и во Франции, где королевская камарилья поступала с солью вообще самым подлым образом: мало того что был установлен немалый налог на соль и ее продажа была монополизирована государством, так власти еще и в приказном порядке определили, сколько соли обязан (!) был покупать каждый подданный в неделю.

Как и в случае с водкой, российские правительства тоже всегда стремились монополизировать продажу соли, продукта повседневной необходимости, — ведь все равно купят, куда денутся? При этом цена казенной соли была, разумеется, существенно выше, чем у частных производителей. В России соляная (и табачная) монополия появились при Петре I, а вскоре была создана и Соляная контора для прокорма очередной банды чиновников, отслеживавших соблюдение монополии и регулярное поступление доходов в казну и в свой карман. Все это привело к обычному для государственного ведения хозяйства результату — соли стало катастрофически не хватать. Александр II Освободитель в 1861 году отпустил крепостных, а в следующем году — соль. И о чудо! Кто бы мог подумать! Дефицит соли немедленно исчез.

Соленый наркотик

Во Франции налог на соль отменила Великая французская революция. Вообще не будет большим преувеличением определить тиранию как способ правления с обязательной соляной монополией, а демократию — как свободу покупать и продавать соль кем и кому угодно. В СССР, где соль была монополизирована государством, теоретически ее было сколько угодно, ведь страна располагала громадными месторождениями каменной соли, да и могла бы вырабатывать прорву морской соли. На практике соль то была в продаже, то исчезала, а во время Великой Отечественной войны и много лет после нее стала остродефицитным продуктом. Конечно, эта экономическая проблема была успешно решена с другой, так сказать, стороны — невероятным сокращением количества потребителей соли, погибших во время войны и в послевоенные голодные годы.

Сейчас соли полно. Появились даже изыски. Не говоря об отечественных «профилактической» и йодированной соли, продается импортная «морская соль», содержащая не обычные 98 % хлористого натрия, а существенно меньше за счет наличия в этой соли других ионов — магния, кальция, йода, брома, сульфата. Возникла и мода на «природную» соль, которая представляет собой крупнозернистый грязноватый продукт первичного вываривания. Никаких преимуществ перед очищенной солью у него, конечно, нет, за исключением того, что в растворе такой соли лучше солить огурцы — они получаются более упругими, прочными и хрустящими. (Говорят, за счет присутствия в такой соли большего количества солей магния.)

В заключение — анекдот, который вполне мог быть и былью. Однажды президент Колумбии, естественно, бывший крупный наркобарон, прилетел в СССР по приглашению наших партии и правительства. Внизу у трапа его ждали девушки в русских одеждах с хлебом-солью. Потрясенный президент ухватил щепотку соли, вдохнул в ноздрю и восторженно произнес: «Вот это да, нигде меня так не встречали!»

А теперь пора поговорить и об элементах вообще, причем о самых интересных — о новых элементах в Таблице Менделеева.

Глава 11

Самые новые

Удивительное явление радиоактивности было впервые обнаружено при изучении люминесцентной соли урана (см. главу 15). Следующими открытыми радиоактивными элементами стали радий и полоний, но сейчас для нас важно то, что все эти три элемента присутствуют в природных источниках. Устойчивым изотопом урана является уран-238 с периодом полураспада 4,5 миллиарда лет, что практически совпадает с возрастом Земли. Другими словами, у элемента урана имеются собственные руды, из которых его можно извлекать.

До урана и за ураном

У радиоактивного элемента радия Ra имеется изотоп радий-226 с периодом полураспада 1600 лет, у полония — изотоп полоний-209 с периодом полураспада 102 года. И то и другое намного меньше возраста Земли, и собственных руд ни радий, ни полоний не имеют, а образуются в природе при распаде изотопов урана или тория. И выделяют их из урановой руды.

В Таблице Менделеева элементы с номерами 90-103, от тория Th, протактиния Pa и урана U до лоуренсия Lr, выделены в особую группу под названием «актиноиды». Это связано с тем, что при переходе от актиния к каждому последующему элементу электрон попадает не на внешний электронный слой, а на внутренний, так называемый f-слой. А поскольку химические свойства элемента определяются составом внешнего электронного слоя, а он практически одинаков для всех актиноидов, то и химические свойства этих элементов очень близки. Поэтому вся группа целиком помещается в клетке актиния № 89.

Аналогично актиноидам выделены в особую группу и лантаноиды, целиком помещающиеся в клетке элемента лантана La. Любопытно, что запоздалое открытие этих элементов очень поспособствовало Дмитрию Ивановичу Менделееву в открытии его периодического закона и Периодической таблицы. Если бы эти 14 элементов были открыты раньше, Менделееву никак бы не удалось составить свою таблицу, ведь тогда о строении электронных слоев и возможности помещать кучу элементов всего в одну клетку никто и не подозревал.

Самым устойчивым и самым распространенным элементом группы актиноидов являются торий и уран, открытый в конце XVIII века и названный так в честь планеты Уран. Это один из тех элементов, для которых Менделеев волюнтаристски, но совершенно правильно изменил значение атомной массы. До открытия им периодического закона считалось, что атомная масса урана равна 120, но это никак не соответствовало логике Таблицы элементов. Дмитрий Иванович, не проводя никаких экспериментов, а только имея информацию о химических свойствах урана и его соединений, присвоил урану атомную массу 240. Сейчас известны три природных изотопа урана — уран-234, уран-235 и уран-238, и принятое среднее значение атомной массы составляет 238,029. От присвоенного Менделеевым значения эта величина отличается всего на ничтожные 0,82 %.

Уран, точнее, его изотоп уран-238, является последним стабильным элементом Таблицы Менделеева, все последующие элементы стабильных изотопов с периодом полураспада не меньше возраста Земли не имеют. Они были получены искусственно. Так, например, следующий за ураном элемент № 93 был получен в 1940 году путем бомбардировки урана нейтронами. В Солнечной системе за планетой Уран находится планета Нептун, в честь нее этот элемент назвали нептунием. А полученный таким же образом элемент № 94, знаменитый плутоний атомных бомб, назвали в честь следующей за Нептуном планеты Плутон. Плутоний — тот самый элемент, с использование которого была создана бомба «Толстяк», сброшенная на Нагасаки в 1945 году. И нептуний, и тем более плутоний можно теоретически выделить из природного сырья, но их там так мало, что приходится получать эти элементы в ядерных реакциях. Причем оружейного плутония накоплено уже около 300 тонн. Когда на циклотроне были получены первые несколько миллиграммов плутония, все сотрудники Калифорнийского университета сбежались посмотреть на это чудо. Однако показать было практически нечего, а потому авторы открытия насыпали немного первого попавшегося под руку порошка в пробирку и демонстрировали ее, гордо сообщая, что этот порошок и есть искусственный элемент плутоний.

Следующие искусственно получаемые элементы америций Am, кюрий Cm, берклий Bk, калифорний Cf, фермий Fm и менделевий Md имеют изотопы с периодами полураспада от тысяч лет до нескольких суток, самый долгоживущий изотоп элемента № 102 нобелия No наполовину распадается уже менее чем через час, а элемента № 103 лоуренсия Lr — за три минуты. На этом элементе заканчивается семейство актиноидов. Обратим внимание на символ элемента кюрия, названного, разумеется, в честь семейства Кюри. Казалось бы, ненужная в данном случае латинская m подчеркивает роль в изучении радиоактивности madam Кюри.

По завершении семейства актиноидов взгляд возвращается в основную часть Таблицы Менделеева, и первым после лоуренсия мы видим элемент № 104 резерфордий Rf, а затем — № 105 дубний Db, № 106 сиборгий Sg и № 107 борий Bh с периодом полураспада уже меньше минуты, а именно 17 секунд. Дубний назван в честь города Дубны, где он был впервые синтезирован в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). Большинство изотопов следующего элемента № 108 хассия Hs имеют период полураспада меньше секунды, а у элемента № 109 мейтнерия Mt все изотопы наполовину распадаются за доли секунды.

Однако элемент № 110, дармштадтий Ds, имеет изотопы с периодом полураспада уже более секунды. Существует теория, что последующие элементы должны иметь все большие периоды полураспада вплоть до «острова стабильности» в районе 120-го элемента. Настолько большие, что могут быть даже обнаружены в природе, существуя со времен возникновения Земли. Новый элемент № 112 с временным названием «унунбий» (то есть «один-один-два» по латыни) был впервые получен в 1996 году на ускорителе тяжелых ионов в Центре исследования тяжелых ионов в Дармштадте (Германия).

Это одна из трех главных организаций, в которых проводится синтез новых трансурановых элементов, две другие — это наш ОИЯИ в Дубне и американская Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли. Между этими центрами ведется гласная и негласная конкуренция за открытие новых элементов, особенно в связи с приближением к этому самому «острову стабильности». И действительно, у № 112 уже вполне приличный период полураспада — 34 секунды.

После длительных проверок, в том числе в Дубне, Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) признал приоритет Дармштадтского центра и сам факт открытия. Это означает, что немецкие ученые получили право выбрать имя для элемента с неказистым названием унунбий, и они предложили назвать его коперникием — понятно, что в честь Коперника. Эти ученые уже присваивали названия для элементов № 107 (борий), № 109 (мейтнерий) и № 110 (дармштадтий). Довольно благородный поступок немецких ученых, назвавших открытый ими элемент коперникий в честь поляка. Хотя как сказать. Мать Николая Коперника была немкой, на польском языке он не написал ни строчки, а использовал исключительно латынь и немецкий, город Торунь, где родился великий ученый, был основан немцами и длительное время входил в состав Пруссии.

Союз ИЮПАК утвердил название коперникий (Cp) для унунбия. В свое время Менделеев для обозначения еще не открытых элементов использовал метод аналогии и приставку «эка», что на санскрите означает «один». В таком случае № 112 должен был бы называться (разумеется, временно) эка-ртутью («ртуть плюс один»). По аналогии с ртутью коперникий должен быть вторым, после ртути, жидким металлом при нормальных условиях, хотя получить № 112 в заметных количествах вряд ли удастся. А жаль, было бы интересно посмотреть на второй жидкий при нормальных условиях металл.

В последние годы в ОИЯИ под руководством академика Юрия Оганесяна уже получены элементы № 113–116 и № 118. Об истории получения элемента № 117 стоит рассказать подробнее, как и о самом «острове стабильности».

Как мы уже видели, при переходе от № 92 урана к № 102 нобелию период полураспада элементов уменьшается на 16 порядков — от 4,5 миллиарда лет до нескольких секунд. Считалось, что продвижение в область еще более тяжелых элементов приведет к пределу их существования, то есть обозначит границу существования материального мира. Однако в середине 60-х годов прошлого века теоретиками неожиданно была выдвинута гипотеза о возможном существовании сверхтяжелых атомных ядер, причем время жизни элементов с номерами 110–120 должно было бы заметно возрастать. Таким образом, ученые предсказывали «остров стабильности» сверхтяжелых элементов.

Остров везения

Гипотеза о существовании сверхтяжелых элементов впервые получила экспериментальное подтверждение в Дубне, где удалось полностью изменить подход к синтезу сверхтяжелых элементов. В ОИЯИ обстреливали мишени из элемента № 97 берклия «снарядами» из исключительно редкого и дорогого изотопа кальция № 20 с массой 48. При слиянии ядер получается элемент № 117 (97 + 20 = 117). Эффект был поразительный, в течение каких-то пяти лет впервые были синтезированы сверхтяжелые элементы с атомными номерами 114, 116 и 118. Ученые ОИЯИ показали (а через несколько лет их результаты были получены и в других лабораториях мира), что эти элементы живут в сотни и тысячи раз дольше, чем их более легкие предшественники.

Очень интересно, как в ОИЯИ появился искусственный элемент берклий, ведь в Дубне его не получали. Дело в том, что период полураспада нужного изотопа составляет всего 320 дней, поэтому из-за такого короткого времени жизни наработку берклия в нужном количестве (20–30 миллиграммов) надо вести в реакторе с очень высокой плотностью потока нейтронов, а такой реактор есть только в Национальной лаборатории США в Оук-Ридже (кстати, именно здесь был впервые произведен плутоний для американской атомной бомбы). Поскольку с момента производства берклия его количество убывает вдвое через 320 дней, при доставке элемента в Дубну необходимо было все делать очень быстро: быстро пройти американские и российские формальности, связанные с сертификацией необычного материала, транспортировкой высокорадиоактивного продукта наземным и воздушным транспортом, техникой безопасности и так далее. Достойно приключенческой повести!

В конце концов в начале июня 2009 года контейнер прибыл в Москву. Дубнинские умельцы изготовили мишень в виде тончайшего слоя берклия, нанесенного на титановую фольгу. Уже при первом облучении мишени детекторы пять раз зарегистрировали картину образования и распада ядер 117-го элемента. Как и ожидалось, ядра этого элемента трансформировались в ядра 115-го элемента, который в свою очередь превращался в 113-й, а тот переходил в 111-й. А 111-й элемент распадался с периодом полураспада 26 секунд. В ядерном масштабе это огромное время!

Никакого практического значения получение этого элемента, конечно, не имеет, однако представления о нашем мире теперь должны сильно измениться. Ведь если будут синтезированы элементы с огромным периодом полураспада, то не исключено, что они существуют и в природе. Эксперименты по их поиску уже ведутся, в глубине Альпийских гор стоит специальная установка по регистрации таких элементов.

Как элемент назовешь, так он и заживет

Кстати, а как вообще у элементов появились названия? Прежде всего напомним, что химический элемент — это отдельный вид атомов с определенным зарядом ядра. Номер элемента в Таблице Менделеева — это и есть заряд ядра. Несколько элементов известны с глубокой древности и тогда же получили свои названия, как правило, связанные с внешним видом или каким-либо физическим свойством. Например, «золото» и «ртуть» происходят от индоевропейских корней, означающих соответственно «желтый» и «бежать»: золото — металл желтого цвета, а капли пролитой ртути действительно так разбегаются во все стороны, что собрать их довольно трудно. Другие элементы, такие как серебро и железо, медь и сера, углерод и цинк, были известны еще в Древнем Египте.

В Средние века алхимики открыли мышьяк, висмут и фосфор (последний — из человеческой мочи). Алхимик Бранд выделил не тот красный фосфор, который содержится в намазке спичечной коробки, а фосфор белый, который окисляется на воздухе и светится. Вот почему этот элемент и назвали «фосфор» — от греческого «светоносец».

В XVIII и XIX веках химики открыли множество элементов. Их называли в честь планет Солнечной системы (уран, плутоний) или мифологических героев (торий — от скандинавского бога грома Тора), по внешнему виду (хлор — от греческого «зеленый») или по имени родины первооткрывателя (рутений — от латинского «Рутения», то есть Россия). Все эти элементы существуют в природе. Любопытно, что многие из них названы в честь государств или географических названий — тот же рутений, германий, франций, европий, америций, полоний, дубний, галлий, скандий (в честь Скандинавии). И только в одном случае вышло наоборот: Аргентина получила свое имя в честь серебра (от латинского argentum), да и то по ошибке. Испанские конкистадоры были уверены, что в этой части Южной Америки огромные залежи серебра, но надежды их не оправдались. Да и с какой стати испанцы решили, что эти залежи здесь должны быть, — совершенно непонятно. Приводятся какие-то легенды, неразборчивые предания неграмотных аборигенов, но истины сейчас уже не найти.

Забавно происхождение названия другого элемента — платины, которое также связано с элементом серебро. С платиной конкистадорам как раз повезло: они нашли и месторождения этого самородного металла, и некоторое количество платиновых изделий, созданных индейцами на территории будущей Колумбии. Однако своего везения испанцы не поняли и пренебрежительно назвали этот похожий на серебро, но очень тугоплавкий металл серебришком от испанского названия серебра — plata. Платина плавится при гораздо более высокой температуре, чем серебро, поэтому металл казался малоперспективным для использования в ювелирном или монетном деле и оценивался в два раза дешевле самого серебра. Сейчас благородный металл платина стоит заметно дороже золота и в 50 (!) раз дороже серебра. В России платину обнаружили на Урале и вначале использовали для производства ружейной дроби. Нетрудно догадаться, что выстрел из дробовика с платиновой дробью стоит во множество раз больше, чем подстреленная утка или глухарь.

В первой трети и середине XX века получили свои названия радиоактивные элементы, которые быстро распадаются, в природе не существуют и могут быть получены только искусственным путем. Хотя традиция использовать географические названия сохранилась (америций, берклий, калифорний, наш дубний, как уже упоминалось, в честь Дубны), новым элементам стали давать названия преимущественно в честь великих ученых. Так в нижней строчке Таблицы Менделеева появились фермий и эйнштейний, кюрий и резерфордий, нобелий и менделевий. Раньше и правильнее у нас элемент называли «менделеевий», но постепенно смирились с англоязычным наименованием, тем более что и открыли, и назвали этот элемент № 101 американцы.

Кстати, с теми же американцами связана и история двойного наименования элемента ниобия № 41. Этот элемент был выделен из минерала колумбита в 1801 году. Его первооткрыватель англичанин Ч. Хатчет назвал элемент «колумбием». Сам минерал был обнаружен в канадской части бассейна реки Колумбия, а англичанин оказался в Канаде просто потому, что в те годы эта огромная часть Североамериканского континента принадлежала Великобритании. Однако в 1844 году немецкий химик Генрих Розе, не имея на то никаких прав, взял да и переименовал колумбий в ниобий в честь Ниобы, дочери героя древнегреческого мифа Тантала. Некоторые основания для такого переименования были, а именно большое сходство химических свойств этих двух элементов, находящихся в одной и той же V группе Таблицы Менделеева, причем ниобий стоит прямо над танталом. Однако ни англичане, ни солидаризировавшиеся с ними американцы (река Колумбия протекает в основном по территории США) не согласились с этим переименованием и упрямо помещали в клетку № 41 значок Cb. И сейчас можно встретить колумбий в американской химической литературе, несмотря на принятое в 1950 году решение ИЮПАК об использовании исключительно названия «ниобий». Похожая история произошла и с вольфрамом. Этот элемент был впервые выделен из минерала вольфрамита, который часто сопутствует оловянным рудам и мешает выплавке олова, переводя олово в шлаковую пену. За это он и был назван «волчьей пеной» — wolf rahm по-немецки. Однако в Великобритании, США и Франции этот элемент и самый тугоплавкий металл называют не вольфрамом, а тунгстеном. Путаница происходит оттого, что вольфрам-тунгстен почти одновременно открыли два испанских химика и великий швед Карл Вильгельм Шееле. Испанцы присвоили элементу № 74 имя вольфрам, а Шееле — тунгстен по аналогичному названию минерала тунгстена, из которого он этот металл выделил. Тот же ИЮПАК требует использовать только символ W и название «вольфрам», но эта организация не в состоянии запретить химикам использовать название «тунгстен» и символ Tu.

Примером правильного использования символа и устаревшего названия являются элементы натрий и калий, который по-английски называются «содиум» от натриевой соды и «потассиум» от калиевого поташа. Но пишутся Na и K. При переводе на русский язык этикеток моющих средств, которые часто содержат соединения натрия и калия (например, лаурилсульфат натрия — поверхностно-активное вещество), иногда ошибаются и появляется загадочное образование лаурилсульфат содиума.

Уран, нептуний, плутоний были названы в честь планет Солнечной системы, но открыты или получены они были в земных лабораториях. И лишь один элемент вначале обнаружили на другом небесном теле, а именно на Солнце, — этот элемент назвали гелий, в честь древнегреческого бога Солнца Гелиоса. Открыли гелий так: в солнечном спектре увидели его линию вблизи желтой линии натрия. В 1871 году было сделано предположение, что эта линия соответствует новому элементу, и лишь через 27 лет гелий был выделен великим химиком Рамзаем из уранового минерала клевеита. А в 1906 году выяснилось, откуда в минерале, то есть попросту куске камня, взялся газ. Еще более великий Резерфорд выяснил, что при радиоактивном распаде урана испускаются альфа-частицы, которые как раз и представляют собой ядра атомов гелия. При этом гелий является одновременно и вторым по распространенности элементом во Вселенной (после водорода), и вторым по легкости химическим элементом (тоже после водорода). И наконец, благородные гелий и неон — единственные химические элементы, которые не удалось заставить вступить в реакцию с какими-либо другими веществами или элементами. Остальные благородные газы — аргон, криптон, ксенон и радон — уже сдались и свой аристократизм утеряли (об этом см. в главе 15). Принципиальная негорючесть гелия сделала этот газ идеальным для наполнения воздушных шаров и дирижаблей вместо крайне опасного водорода. Единственный недостаток — гелий заметно дороже водорода.

На Земле больше всего изотопа с двумя нейтронами — гелия-4, а легкого стабильного изотопа гелия-3 намного меньше. На Луне же количество гелия-3, попавшего на наш спутник из солнечного ветра, по оценкам, сотни миллионов тонн. И руководители нашего космического агентства даже заявляли, что этот гелий можно будет собрать, отправить на Землю и здесь провернуть термоядерную реакцию синтеза гелий-3 + дейтерий (в результате этой реакции получается энергия), ведь дейтерия на Земле полно. Всю годовую потребность Земли в энергии может обеспечить всего 100 тонн гелия-3. Однако это лишь прекраснодушные расчеты. Управляемую термоядерную реакцию запустить до сих пор не удалось, хотя физики занимаются этой проблемой уже больше 60 лет, и даже кинофильму «Девять дней одного года», в котором герой Алексея Баталова пытается найти «термояд», уже пятьдесят лет. На юге Франции начато строительство международного экспериментального реактора ИТЭР, но дата запуска все время отодвигается, последняя из называемых дат — 2026 год. Но как планировать на столько лет? Поневоле вспоминаешь знаменитого осла, которого Насреддин обещал шаху научить разговаривать через 15 лет. Насреддин понимал, что за 15 лет кто-нибудь да умрет. Либо шах, либо сам Насреддин. Либо, в конце концов, осел.

К настоящему времени в Таблице разместилось 117 химических элементов с номерами 1-116 и 118, элемент № 117, как уже говорилось, не так давно синтезировали в ОИЯИ в лаборатории академика Юрия Оганесяна. Названы, однако, только элементы до № 112. Как правило, новые элементы, то есть элементы с большим зарядом ядра (номером), получают при слиянии ядер уже известных элементов. Так, уже упоминавшийся элемент № 112 был открыт в результате обстреливания ядрами цинка (номер в Таблице — 30) мишени из свинца (номер 82). Ядра цинка и свинца слились и образовали ядро нового элемента (30 + 82 = 112).

А пока элемент № 117 носит неказистое название «один-один-семь», то есть унунсептий. Но ученые из лаборатории академика Юрия Оганесяна, как авторы открытия, имеют полное право дать настоящее имя этому элементу, а также открытым ими элементам № 114–116 и 118. Как сообщают из ОИЯИ, элемент № 116 предполагается назвать московием, но вовсе не в честь города Москвы, а в честь Московской области, в которой находится Дубна и ОИЯИ. А элемент № 114 — флеровием в честь академика Георгия Флёрова, открывшего спонтанное деление урана и первым еще в 1942 году сообщившего Иосифу Сталину о возможности и необходимости создания отечественной атомной бомбы. Кстати, это интересная история.

Бомба Флёрова

Лейтенант Георгий Флёров, однажды оказавшись в прифронтовом Воронеже, зашел в Воронежский университет, в библиотеку которого даже во время войны поступали иностранные англоязычные физические журналы. Пролистав их, Флёров обнаружил полное отсутствие статей об уране, цепной реакции, получении трансурановых элементов и вообще о ядерной физике, хотя в предыдущие годы до половины объема журналов было посвящено этим горячим темам. Ему стало совершенно ясно, что все такого рода исследования засекречены — значит, американцы и англичане начали работу по изготовлению атомной бомбы, принципиальная возможность которой уже была доказана, в том числе и расчетами самого Флёрова. Тогда-то он и написал письмо генералиссимусу, а в 1943 году Флёрова отозвали с фронта и включили в группу ученых, занимавшихся советским атомным проектом. Малообразованный генералиссимус и его клевреты в то время не понимали, что это там задумали физики, и по-настоящему делать бомбу в СССР начали только после бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, когда даже недалекое советское руководство сумело оценить невиданные возможности атомного оружия. Уже отмечалось благородство немецких ученых, назвавших № 112 в честь великого поляка коперникием. Ранее открытые ими элементы № 108 и № 109 они назвали в честь немецкой земли Гессен (хассий) и великой Лизе Мейтнер (мейтнерий), которая открыла деление урана, то есть фактически изобрела атомную бомбу.

Синтез элементов с номерами вблизи и на «острове стабильности» не является просто удовлетворением любопытства ученых и развитием фундаментальной науки. Существуют предположения, что на основе этих элементов будет создана совершенно новая ядерная энергетика.

Итак, безымянны открытые в России элемент № 113 унунтрий (1-1-3), № 114 унунквадий (1-1-4), унунпентий (1-1-5), унунгексий (1-1-6) и унуноктий (1-1-8). Все эти унылые «унуны» представляют собой всего лишь кодовые наименования, используемые для удобства — хотя какое тут удобство, особенно для русскоязычного читателя? Вообще надо признать, что ИЮПАК мышей не ловит, или по крайней мере делает это крайне медленно. Дубнинские исследователи предложили для синтезированного ими в 2003 году унунтрия название «беккерелий» — в честь Анри Беккереля, открывшего радиоактивность. Но неожиданно в эту историю втерлись японцы, которые в 2004 году якобы синтезировали один (!) атом унунтрия. Они тут же предложили назвать его нихонием (от «Нихон» — Япония). Почему ИЮПАК до сих пор не вынес своего решения — бог весть.

Унунквадий № 114 уже предлагалось назвать ога-нессием в честь понятно кого — но в отношении действующих ученых так обычно не делается. Унунпентий № 115 дубнинские физики предлагали назвать ланжевением в честь известного французского физика и иностранного члена нашей Академии наук Поля Ланжевена. Элементу № 116 пока имени не подобрали, а № 118 предлагали назвать московием (см. выше). Ни одно из этих названий ИЮПАК пока не утвердил.

Как видим, в химии нашлось место и лингвистике. Стремясь назвать новый элемент в честь своего соотечественника или места открытия, ученые тратят огромные — причем, не свои — деньги. Интересно, что и сами химические вещества могут стать словами некоего языка живых существ. Такие вещества называют феромонами.

Глава 12

Страстные бабочки и пряные девчонки

Бабочки не умеют разговаривать, но ведь надо же им как-то общаться? Некоторые насекомые, например пчелы, сообщают своим соплеменникам о местонахождении вкусной пыльцы с помощью специальных танцев в воздухе. А вот бабочкам природа подарила химический язык, прежде всего для привлечении самца (или самки) с целью продолжения рода. Выделяя специальные вещества, так называемые феромоны, бабочка-капустница сообщает возможному партнеру о желании познакомиться поближе. Такие феромоны называют еще половыми аттрактантами (от английского to attract — привлекать). Поразительна чувствительность рецепторов партнера — некоторые бабочки улавливают феромоны в концентрации 1 (одна!) молекула в кубическом метре. Первоначально ученые даже не могли объяснить, как самец — а у бабочек активной, привлекающей стороной является как раз самка — может эту молекулу отыскать в кубическом метре. Но потом все выяснилось, самец просто очень быстро и много летает, буквально обшаривая крылышками окружающее пространство.

Любовь и ловушки

Феромоны насекомых представляют собой довольно сложные органические соединения (чаще всего стероиды), на синтез которых химики потратили сотни часов в лабораториях, оснащенных изощренной аппаратурой. И результат оказался впечатляющим: сейчас до трети всех средств борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур представляют собой ловушки с искусственными феромонами, на которые незадачливые жучки-бабочки-паучки слетаются, как пчелы на мед, а вылететь из липкой ловушки уже не могут. Так, без всякого вредного химического воздействия на природу удается спасти урожай капусты и прочей морковки.

Химический язык распространен не только у насекомых. Молекулярными сигналами обмениваются рыбы, например лососи на нересте, птицы, млекопитающие — бобры, скунсы. Причем у млекопитающих отмечены и половые аттрактанты. Например, при появлении в слюне хряка некоторых веществ соседняя свинка принимает «характерную позу неподвижности», как скромно, потупив глазки, сообщает нам энциклопедия.

У человека чувствительность к запахам, разумеется, гораздо ниже, чем у собак, обнаруживающих ничтожные следы наркотиков в багаже авиапассажиров, но тоже достаточно велика и носит вполне значимый характер. Это подтвердит каждый, случайно оказавшийся рядом с бомжом в общественном транспорте или зашедший в парфюмерный магазин где-нибудь на Тверской или на Невском. Видимо, эту чувствительность и пытаются использовать некоторые компании, выпускающие духи с феромонами.

Человек — мыслящее, но все же животное. В организмах мужчин и женщин присутствуют половые гормоны — андрогены и эстрогены. Эти вещества принимают прямое участие в развитии половой системы, вторичных половых признаков, а у женщин еще и в управлении циклической половой деятельностью. Например, андрогены (тестостерон, андростерон, дегидроандростерон) стимулируют рост волос на подмышках и кое-где еще, огрубление голоса и появление усов и бороды. Однако половыми аттрактантами эти вещества не являются и к привлечению партнера никакого отношения не имеют! Тем не менее если и искать вещества с феромонной активностью, то среди производных половых гормонов.

Таким производным является, например, андростенонон, который по своей структуре лишь чуть-чуть отличается от андростерона и также обладает гормональной активностью. Для интересующихся приводим точное химическое название этого соединения: 5а-андрост-16-ен-3-он. Чистейшие препараты андростенона получены уже давным-давно и могут быть проданы каждому, кто воспользуется Справочником-прейскурантом по биохимическим соединениям «Сигма» (рассылается бесплатно).

А как насчет феромонной активности, то есть является ли андростенон половым аттрактантом? Существуют некоторые подтверждения на этот счет, но основная часть исследователей считают, что предпочтение женщинами именно того мужчины, который был намазан андростеноном, не превышает ошибки эксперимента. Более того, у значительного числа исследованных красавиц такие мужчины вызывали негативную реакцию! Что и неудивительно: андростенон попахивает нашатырным спиртом.

А вообще наивно думать, что, намазавшись андростенонным лосьоном, можно завоевать с первого взгляда, то есть первого нюха, сердце красавицы на соседнем сиденье в троллейбусе. Как родственник половых гормонов, андростенон может оказывать эротизирующее влияние — это давно известно. Однако влияние не на особь противоположного пола, а на самого покупателя лосьона. То есть парфюмированный мачо сам-то занервничает, но дама ничего не почувствует.

Впрочем, приходится признать, что половые аттрактанты действительно существуют и у людей. Хотя это не всегда только химические вещества. К таким аттрактантам относятся и парфюмерные ароматы — женская «Шанель» и мужской «Босс», и запах шоу-бизнеса, о котором мечтают многие девочки, и запах власти, и, конечно запах денег, особенно больших денег. Не обязательно новых, пахнущих американской зеленой краской. Годятся и рубли, и старые купюры и даже карточки viza.

Однако тайна любви и сегодня остается тайной. И дело тут не в каких-то загадочных человеческих половых аттрактантах, а в загадочной человеческой психике. Женщины любят красивых — но и безногих инвалидов войны, богатых бизнесменов — но и нищих поэтов. Они любят умных, но «дурачок ты мой» также входит в сферу их интересов. А уж про то, что женщины любят ушами (а не носами!), и вовсе известно со времен шумерского «Сказания о Гильгамеше».

Тем не менее влияние запахов, приятных и не очень, на человека чрезвычайно велико и разнообразно. Как подметил еще Владимир Набоков, ничто с такой силой не пробуждает воспоминания, как аромат духов любимой женщины. Воздействие пахучих веществ на человека поразительно: известны случаи, когда люди умирали от постоянной вони, и, наоборот, ароматы некоторых растений способствуют выздоровлению больных астмой. Привлекающими свойствами душистых веществ пользовались еще вавилонские и египетские красавицы, в состав бальзамов для мумифицирования покойных фараонов входят десятки ароматических веществ, и их запах ощущается даже сейчас, через тысячи лет. Первые рецепты благовоний содержатся в древнеегипетских папирусах возрастом три с половиной тысячи лет. Например, немецкие ученые раскрыли рецепт духов, которыми пользовалась царица Хатшепсут.

Эта правившая в XV веке до н. э., то есть 3,5 тысячи лет назад, Хатшепсут первоначально была регентом при малолетнем Тутмосе III (как царевна Софья при Петре I), но довольно скоро стала царицей (фараоном). По древнеегипетским правилам фараоном мог быть только мужчина, однако этот сексистский, неполиткорректный закон царицы легко обходили, просто появляясь на публике в мужском платье и с накладной бородой. Поскольку по своему статусу царица являлась дочерью бога Амона и соответственно тоже богиней, а кроме того, полностью контролировала силовиков, никому и в голову не приходило задавать лишних вопросов.

Однако пользоваться чисто женской косметикой и парфюмерией Хатшепсут не прекращала. Современные археологи нашли запечатанный пузырек с высохшими духами, причем его принадлежность самой царице подтверждается надписью на пузырьке. Иметь запас парфюма и пользоваться духами в Древнем Египте могли себе позволить лишь весьма высокопоставленные особы. Компоненты для составления композиций привозили из страны Пунт (современная Эритрея), откуда импортировались также золото, слоновая кость и изысканные ткани.

Ученые исследовали химический состав духов Хатшепсут методом рентгеноструктурного анализа. Пока установлено, что основой композиции служил ладан — высохшая смола африканских и аравийских растений. Вполне возможно, что вскоре Хатшепсут будет прославлена своей парфюмерной линией не меньше, чем другая знаменитая дама — Коко Шанель. На флаконе можно будет написать «Established in 1500 B.C. All rights reserved». То есть основано за полторы тысячи лет до Рождества Христова. С давних времен человек задумывался над природой запаха и пытался конструировать новые душистые смеси. Наше современное слово «парфюм» происходит от древней латыни, составлено из двух слов «пер фумум», что означает «сквозь дым» или «воскурение».

Теории запаха

Однако систематическое изготовление ароматных композиций на основе вытяжек из различных частей растений началось только в конце XV века в Провансе, а через пару столетий лавандовое и розмариновое масла стали важным предметом экспорта с юга Франции. И сейчас тысячи гектаров прованской земли заняты под лавандовые плантации. Одеколон (о-де-Колон, «кёльнская вода») появился в первой четверти уже XVIII века, но первые теории о связи запаха с химическим строением душистого вещества ученые придумали только во второй половине ХХ столетия.

Прежде всего простыми опытами было доказано, что запах носит молекулярный характер, то есть для возникновения ощущения запаха на обонятельные рецепторы должны попасть молекулы пахучего вещества, а не электромагнитные волны, испускаемые или отражаемые одеколоном. Это ощущение полностью пропадало, когда между рецепторами в носу и источником запаха устанавливалась перегородка. В 1948 году британский ученый Джон Эймур выделил семь первичных запахов (эфирный, камфарный, цветочный, мятный, мускусный, гнилостный и острый) и предложил теорию, которую сейчас можно было бы назвать «теорией ключа и замка» (как и в случае ферментов, см. главу 6). Он считал, что каждому из запахов соответствует определенная негибкая форма молекулы вещества («ключ»), а обонятельный рецептор имеет подходящую форму «замка». Увы, слишком большое количество фактов противоречит этой теории, молекулы веществ с одинаковыми запахами имеют совершенно различные структуры, а множество веществ с похожей геометрией молекул обладают несравнимыми ароматами. Например, розой пахнет не только вещество розатон, согласно своему названию, но и 3-метил-1-фенил-3-пентанол С_6Н_5СН_2СH_2С(СН_3)(С_2Н_5)ОН, гераниол и розеноксид.

C другой стороны, одно очень сложное по строению соединение интенсивно пахнет амброй, а чрезвычайно структурно близкое ему соединение с заменой всего-то атома водорода на метильную группу — СН_3 вообще не пахнет.

Химики попытались уточнить эту теорию, отдав должное пространственному строению молекулы пахучего вещества, но присвоили основную роль в происхождении запаха положению функциональных групп. И действительно, среди душистых веществ можно выделить несколько больших классов с соответствующими функциональными группами — это сложные эфиры, альдегиды, кетоны, спирты. Однако и эта теория не дает возможности предсказать, каким будет запах нового синтезированного вещества.

В целом ряде случаев была установлена связь строения молекулы пахучего вещества с частотой колебания атомов или функциональных групп, но и это, как и несколько десятков других теорий, не позволяет решить задачу о создании определенного запаха. Впрочем, совсем недавно было показано, что мухи дрозофилы действительно реагируют на колебания атомов, вызывающих электромагнитное излучение, а не на геометрию молекулы. Оказалось, что при наличии выбора мухи предпочитают приятно пахнущий для них ацетофенон, в котором обычный изотоп водорода протий заменен на вдвое более тяжелый изотоп дейтерий. Молекула ацетофенона при такой замене не изменяется геометрически, и ее химическая активность тоже остается без изменений. А вот колебания у дейтерированного ацетофенона совсем иные.

Но теория теорией, а и сейчас, в начале третьего тысячелетия, лишь огромный накопленный химиками и парфюмерами опыт и тысячи экспериментальных фактов служат основой для разработки новых душистых композиций. Например, установлено, что сложные эфиры, вещества общей формулы

где R_1 и R_2 — углеводородные радикалы, обладают чаще всего цветочным или фруктовым запахом. Всем известная грушевая эссенция не что иное, как изоамиловый эфир уксусной кислоты C_7H_14O_2, а запах ананаса отлично передает этиловый эфир масляной кислоты C_8H_16O_2. Промышленный синтез таких веществ не представляет особого труда, и во многих кондитерских изделиях, напитках и парфюмах присутствуют эти или другие эфиры.

Интересные закономерности были обнаружены, когда химики стали сравнивать запах веществ, принадлежащих к одному классу соединений, так называемому гомологическому ряду. Оказалось, что такие вещества обладают примерно одинаковым запахом, который, однако, постепенно ослабевает с увеличением количества атомов углерода в цепи. Соединение с 18 атомами углерода часто уже вовсе не пахнет. В свою очередь, запах соединений с углеродными циклами зависит от величины этого цикла. Пяти-шестичленные циклы пахнут миндалем или ментолом, девяти-двенадцатичленные циклы — камфорой, последующие циклы благоухают кедровой смолой, мускусом, луковым соком. А начиная с 19 атомов углерода в цикле эти вещества теряют запах.

Важно, что запах вещества воспринимается по-разному в зависимости от его концентрации. Во-первых, существует пороговая концентрация веществ, начиная с которой человек ощущает запах. Обычно это примерно 10-7 граммов вещества или примерно 10 тысяч триллионов молекул в кубическом метре воздуха. Впрочем, такое вещество, как тринитробутилтолуол, наши рецепторы ощущают при концентрации в 10 тысяч раз меньшей — 10–12 граммов в кубическом метре. Чувствительность обонятельных рецепторов собак неизмеримо выше. Собака чувствует запах испорченного сливочного масла (масляную кислоту) при концентрации всего 10 миллионов молекул в кубическом метре воздуха, то есть собачий нос в миллиард раз чувствительнее человеческого. Недаром наркотики и взрывчатку в аэропортах и на станциях метро выискивают специально обученные собаки. Во-вторых, в чистом виде запах, например цибета (см. ниже), довольно неприятен, при разбавлении же и в составе парфюмерных композиций доставляет явное удовольствие. Похожая история и со знаменитой амброй, образующейся в желудках кашалотов. В обычных условиях амбра пахнет, как и положено продукту жизнедеятельности животного, фекалиями, но в составе дорогих духов амбра играет роль закрепителя запаха и ценится очень высоко.

Чуткие носы

Понятно, что изучение душистого вещества начинается с его анализа. Решающую роль в этом сыграла хроматография — метод разделения сложных смесей на отдельные компоненты, кстати, открытый российским ботаником Михаилом Семеновичем Цветом в 1900 году. Он взял стеклянную трубку, заполнил толченым мелом и пропустил через нее водный цветочный экстракт. Входившие в состав экстракта пигменты адсорбировались на разных участках трубки, и далее их было легко выделить и идентифицировать. М. С. Цвет назвал этот метод «цветописью», то есть хроматографией, но понять, в честь разделения цветных пигментов или в свою честь он так сделал, уже нельзя. Свою совершенно революционную работу он опубликовал в провинциальных ботанических журналах, так что про его метод, как это часто случалось с российскими открытиями, за рубежами нашей Родины никто не услышал, зато в 1952 году за разработку одного из видов хроматографии англичане А. Мартин и Р. Синг получили Нобелевскую премию.

Идентификация компонентов вещества, то есть установление химической формулы и строения, сейчас проводится с использованием масс-спектрометрии, — метода «разбиения» молекулы вещества на отдельные фрагменты с последующим компьютерным воссозданием структуры. До появления этого метода в качестве своеобразных идентификаторов выступали опытные парфюмеры, которые держат в памяти несколько сотен запахов и в состоянии хотя бы примерно определить, какому веществу соответствует данный пик на самописце. Интересно, что дегустаторов запаха, или, как их еще называют, «носов», до сих пор нанимают парфюмерные компании для экспресс-анализа духов конкурентов, причем за большие деньги. Сия задача весьма непроста: в состав знаменитой «Шанели № 5» входит около сотни различных соединений, причем точный состав этих духов до сих пор знают только его изготовители.

Очень многие соединения, использующиеся в парфюмерной промышленности, сейчас искусственно производят в больших количествах. Например, пахнущий ландышем линалоол получают из продуктов переработки древесины. Успехи химии позволили синтезировать такие важнейшие душистые вещества, как мускон C1_6H_30O (действующее начало мускуса из железы самцов кабарги) и цибетон C_17H_30O (действующее начало мазеобразного вещества цибета из железы африканской кошки циветты).

А ведь еще 40 лет назад для получения всего 2 тонн мускуса ежегодно убивали более 60 тысяч самцов кабарги, а для выделения 1 килограмма розового масла было необходимо переработать 3 тонны лепестков розы! Сейчас мировое производство душистых веществ, в основном синтетических, достигает 150 тысяч тонн. При этом сложные композиции содержат часто десятки, если не сотни различных химических веществ, и уже никто не сетует, что в большинстве своем эти вещества не «природные», а получены в результате синтеза, хотя и сегодня используются вещества растительно-животного происхождения. Знаменитые советские духи «Красная Москва» содержат около 100 синтетических и природных соединений.

Душистые вещества играют огромную роль в нашей жизни еще и потому, что мы «не живем, чтобы есть, а едим, чтобы жить», и запах пищи оказывает сильнейшее воздействие на человека. За тысячелетия эволюции люди научились определять несъедобную или гнилую пищу просто по запаху, даже не пробуя на язык. О вкусе пищи мы уже говорили в главе 3, а здесь займемся ее ароматами и ароматизаторами.

Острова пряностей

Современная пищевая промышленность — это большое и серьезное производство, в котором используются новейшие технологии и тысячи самых разнообразных веществ. Важное место среди них занимают ароматизаторы, о содержании которых в пакетике супа или брикете киселя необходимо указывать. Многие из этих веществ применяют уже столетиями.

Вообще ароматизаторы входят в группу «пряностей и приправ», а пряности — это корица, лавровый лист, мускатный орех, стручки ванили и ванильный сахар, высушенные гвоздичные почки, три вида молотого перца, имбирь, кардамон и множество других экзотических продуктов. Именно экзотических — так уж случилось, что большинство теплолюбивых растений, из которых получают пряности, в Европе не растет. В Средние века за ними на Восток снаряжали целые экспедиции, и именно за пряностями в 1492 году поплыл в «Индию» Колумб, а в 1520 году отправился в кругосветное путешествие Магеллан. «Островами пряностей» назывался один из архипелагов нынешней Индонезии. За обладание «пряными» странами и островами боролись крупнейшие европейские державы. И дело здесь не только во вкусовых пристрастиях богатых европейцев — пряности обладают сильным бактерицидным эффектом. Холодильников тогда еще не изобрели, а потому сохранение продуктов, особенно мяса, было сложнейшей, жизненно важной проблемой.

В ХХ веке, с появлением холодильников и фабричных консервов, эта проблема была практически решена, но потребность в ароматизаторах только возросла: людей стало на Земле гораздо больше, а питаться они хотели лучше и разнообразнее. Тут на первое место вышло другое свойство пряностей — способность придавать пище изысканный вкус и аромат, этакий «перчик». Именно это свойство пряностей использовала английская поп-группа Spice girls, название которой неправильно переводили как «Девушки-специи». Нет-нет, их продюсеры имели в виду «Пряные девчонки»! Кстати, согласно точному определению, ароматические вещества придают пище только аромат, не создавая нового вкуса или привкуса, и не обладают бактерицидными свойствами. Из-за нехватки природных ароматизаторов в ХХ веке начались работы по созданию заменителей. Поэтому-то на ярких пакетиках растворимых напитков, бутылках разных «кол» и многих других продуктов можно увидеть надпись «природные и синтетические ароматизаторы». Вот это слово — «синтетические» — и настораживает иногда покупателя, но совершенно напрасно.

Чем пахнет груша

Типичным примером синтетического ароматизатора является ванилин, который получают не из стручков ванили, а из совершенно другого сырья. Ванильный сахар, смесь ванилина с сахарной пудрой, используют не только для приготовления некоторых напитков, но и традиционно в кондитерской промышленности и домашней кулинарии.

Собственно ваниль — это высушенные после специальной обработки стручкообразные плоды вьющегося тропического растения, лианы из семейства орхидных. Для получения ванили используют два вида растения — Vanilla planifolia и Vanilla pompona. Первый из них дает наиболее высококачественные стручки длиной до 25 сантиметров.

Родиной растения является Мексика, но сейчас крупнейшим производителем ванили выступает Мадагаскар, экспорт с этого острова достигает 2 тысяч тонн в год. Впервые ваниль была завезена в Европу в начале XVI века и первоначально использовалась исключительно для ароматизации какао. Борьба за плантации ванили неоднократно приводила к локальным колониальным войнам между Португалией, Испанией и Францией.

В процессе сушки после термической обработки стручков в них образуется ванилин, который откладывается на поверхности стручков в виде тонких игольчатых кристаллов. Давно придуман способ послеуборочной обработки плодов с помощью горячей воды: стручки пару раз окунают в горячую воду, затем в специальных шерстяных полотенцах выставляют на солнце «попотеть», после чего уже высушивают.

Ванилин был синтезирован независимо в Англии в 1858 году, в Германии в 1874 году и немного позже во Франции, причем каждая из стран держала секрет синтеза в тайне. Только в начале ХХ века он стал общеизвестен. Химическое название ванилина — 4-гидрокси-3-метоксибензальдегид; получают его из отходов производства древесной целлюлозы сульфитной варки и отходов производства гидролизного спирта (барды). Ванилин, подобно йоду, переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу (сублимируется), без разложения. Это свойство ванилина иногда используют в кулинарии, заставляя сублимирующийся ванилин осаждаться на холодных кулинарных изделиях. А порой ваниль или синтетический ванилин добавляют в лекарства, чтобы не так противно было глотать горькие таблетки и пить невкусные микстуры.

В России пищевые ароматизаторы производятся с 1935 года на Санкт-Петербургском комбинате химико-пищевой ароматики. Забавно, что комбинат был создан на базе производственно-кооперативного предприятия «Политкаторжанин», выпускавшего экстракты из дикорастущих клюквы и брусники. Так и видятся политкаторжане, которые по недостатку пайки собирают и тут же отправляют в рот дикие ягоды. Дабы не показаться циничным, отмечу, что имелись в виду политкаторжане дореволюционные, а не сталинских времен, и с голодухи на царской каторге никто не помирал — в отличие от каторги советской.

Другие искусственные ароматизаторы также получают из вполне природного сырья, но нетрадиционным путем. Глютаминат натрия, который усиливает вкус мясных и рыбных блюд, выделяют из отходов сахарного производства и из пшеничной клейковины, а всем известная лимонная кислота, которая тоже вносит вклад в улучшение вкуса и аромата пищи, образуется при лимоннокислом брожении сахаров или извлекается из… махорки! Можно и из лимонов, но где тогда будем брать лимоны к чаю?

Заменитель гвоздики вырабатывают из эвгенольного базилика, растущего в России, а такие пищевые ароматизаторы, как эссенции (грушевая, яблочная и другие), получают либо из фруктового сырья, либо синтетически. Грушевая эссенция, например, — это чистый эфир, так называемый бутилацетат. Важно отметить, что не бутилацетат пахнет грушей, а груша пахнет бутилацетатом! Честное слово. Коричный альдегид, обеспечивающий аромат корицы, или тот же ванилин «не знают», из чего они получены — из коры коричного дерева и стручков ванили или синтетическим путем, это совершенно идентичные вещества. Кстати, стручки ванили, произрастающей на тропических островах Реюньон, Мадагаскар и Ямайка, используются сейчас только при изготовлении особо дорогостоящих кондитерских изделий и аристократических сортов шоколада.

Кекс с бензальдегидом

И все-таки у синтетических ароматизаторов есть один существенный «недостаток» — они намного дешевле природных веществ. Этим сразу же воспользовались фальсификаторы. Ближайший пример — обилие на прилавках подозрительно недорогих коньяков, которые получают путем добавления ванилина к спирту (и настаивания «для цвета» определенным образом, но об этом ниже). Другой печальный пример — использование бензальдегида для ароматизации кондитерских изделий и безалкогольных напитков. Бензальдегид обладает запахом миндаля (то есть наоборот — миндаль пахнет бензальдегидом), и ничего страшного в добавлении этого вещества в кекс нет, но… если это указано на этикетке. А так — «кекс миндальный», да еще с кусочками какого-то якобы ореха, а внутри — бензальдегид!

Кстати, подобные фокусы запрещены правилами торговли. На этикетках или упаковках всех продуктов должно обязательно указываться, что они изготовлены с добавлением ароматических эссенций. А ароматические эссенции, как мы уже знаем, — это смеси синтетических и натуральных душистых веществ, например те же бензальдегид, ванилин, анисовое, бергамотное масла, настои гвоздики и кофе и так далее.

Глава 13

Стыдливый кетчуп

Кроме духов, есть еще несколько важнейших в жизни женщин, и в меньшей степени — мужчин, вещей, которые можно отнести к парфюмерной химии. Это и обычное мыло, и шампуни изощренного состава, и краски для волос. Сначала о мыле и шампунях, а уж потом об этих красках и вообще о синтетических и природных красителях.

Мыльная опера

Обычное традиционное мыло — это щелочные соли органических кислот с большим количеством атомов углерода в молекуле. Чтобы получить мыло, необходимо найти эти кислоты. В природе они широко распространены в виде сложных эфиров с глицерином, то есть в виде жиров и масел. Для выделения этих кислот необходимо провести щелочной гидролиз жира, например сварить его вместе с содой или поташом. Образующийся попутно глицерин можно удалить, а можно и оставить — тогда получается глицериновое прозрачное мыло. Избыток соды не повредит, щелочь только способствует удалению грязи, а ради этого все и затевалось.

Именно так получил мыло гениальный инженер Сайрус Смит из «Таинственного острова» Жюля Верна. Хотя на самом деле он интересовался вовсе не мылом, а как раз глицерином. Использовал Смит жир какого-то водного млекопитающего дюгоня. Жир он сначала вытопил, а потом разложил с помощью поташа (из золы) на глицерин и эти самые кислоты. Из селитры, которая удачным образом имелась на острове, и серной кислоты из кислого сульфата железа мистер Смит получил азотную кислоту, а из нее и глицерин — взрывчатку нитроглицерин CHONO_2(CH_2ONO_2)2. Эту взрывчатку он использовал для подрыва скалы, которая мешала всей компании при постройке жилища.

Моющее действие мыла основано на нескольких факторах, среди которых важнейшую роль играет образование так называемых мицелл — шариков из молекул мыла, внутри которых образуется органическая среда из длинных органических «хвостов» кислоты. В этой среде, как в органическом растворителе типа бензина, отлично растворяются жировые загрязнения.

Самое раннее описание мыловарения было обнаружено на шумерских глиняных табличках, датируемых 2500 годом до н. э. Шумеры брали смесь древесной золы и козлиного жира, заливали водой и кипятили.

В древесной золе содержится щелочной поташ K_2CO_3, так что шумеры проводили реакцию гидролиза жира, даже не подозревая об этом. Получался моющий раствор, твердого мыла тогда не знали. Изобретение собственно мыла приписывают римлянам и относят его к первому тысячелетию до нашей эры. Легенды рассказывают, что латинское слово sapo (мыло) произошло от названия горы Сапо, на которой совершались жертвоприношения богам. Смесь из растопленного животного жира и древесной золы жертвенного костра смыло дождем в глинистый грунт берега реки Тибр. А женщины, стиравшие там белье, обратили внимание, что благодаря этой смеси одежда отстирывается значительно легче. Некоторые сорта глины и без добавок часто использовали для стирки, поскольку она обладает способностью адсорбировать грязь. (Именно такая глина находится на одном из холмов около Севастополя, за что холм и получил название «Сапун-гора» (слово «сапун», заимствованное из арабского, на крымско-татарском языке означает «мыло»). Во время Великой Отечественной войны гора являлась ключевой оборонительной позицией на подступах к городу; здесь во время обороны Севастополя в 1941–1942 годах и Крымской операции в 1944 году велись ожесточенные бои с немецкими войсками. В память о подвиге советских солдат на Сапун-горе воздвигнут памятник.)

Первую мыловарню археологи обнаружили при раскопках Помпей, там же были найдены и готовые куски мыла. Однако оно было довольно жестким и, скорее всего, его использовали только для стирки. В древнеримских термах мылись просто горячей водой, иногда с добавлением уксуса. А вот покоренные римлянами галлы уже случайно получали нечто вроде мыла: посыпая голову пеплом в дни траура, они заметили, что волосы потом хорошо очищаются. Объяснение этого эффекта — тот же гидролиз кожного сала на волосах, к тому же часто смазанных жиром.

Настоящее твердое мыло придумали не то арабские алхимики, не то итальянские мыловары, уже в VII веке образовавшие гильдию мыловаров в Неаполе. Интересно, что с тех пор вплоть до конца XIX века мыли исключительно руки и лицо, мыть же тело или стирать с мылом нижнее белье никому не приходило в голову, в том числе и по соображениям дороговизны самого мыла. От неприятного запаха защищались духами (см. главу 11).

Древняя Русь переняла у Византии не только религию, но и обычай мыться мылом. Оно упоминается уже в новгородских берестяных грамотах, а много позже не отличавшийся большой любовью к гигиене царь Петр, однако, всячески поощрял мыловарение. Но при нем мыловаренное производство работало на военно-промышленный комплекс, мыло использовали для стирки сукна и парусины, а впоследствии на ситценабивных и красильных производствах.

Вплоть до конца XIX века при варке мыла использовалась зола от сжигания деревьев. Одним из важнейших предметов экспорта России при том же Петре I был поташ — великий реформатор извел на калиевую щелочь половину лесов Европейской России. Из одной столетней сосны можно получить всего-то несколько килограммов поташа, а чтобы получить бочку с этой щелочью, нужно вырубить небольшую рощицу. К счастью, незадолго до Великой французской революции Никола Леблан придумал первый промышленный способ получения соды из обычной поваренной соли — он даже выиграл тогда конкурс Парижской академии наук. Так отпала нужда сжигать деревья. Что и говорить, француз в некотором смысле спас русский лес.

В Древнем Египте слово «стирка» обозначалось иероглифом, изображавшим две ноги, стоящие в воде. Видимо, именно такой способ стирки был самым популярным во времена фараонов. Да и сейчас он используется в деревнях некоторых не очень развитых стран. Другой вид стирки — битье колотушкой, доской с ручкой. Следующей ступенью на пути к прогрессу в домашнем хозяйстве была стирка в корыте.

В дореволюционной России производством мыла занимались в основном иностранцы. Самым известным из них был, пожалуй, некий Генрих Брокар, который, появившись в России в 1861 году, начал с должности технолога на московской фабрике по производству одеколона. Здесь он придумал концентрированные духи — изготовил природные ароматизаторы, растворяющиеся в спирте в больших количествах. Изобретение он продал и на полученные деньги открыл свое производство — мыловаренное. Он выпускал мыла в виде различных фигур, например шара или огурца, а для детей сварил мыло с буквами кириллицы. Однако главным достижением Брокара стало «народное мыло», кусок которого стоил 1 копейку. Этот продукт вызвал революцию в российской гигиене — до этого простой народ мыла не знал, мыть руки с мылом могли только высшие слои общества.

В XX веке всю Америку захватил культ чистоты, и потребление мыла возросло в десятки раз. Культ подогревался, а может быть, и вызван был обильной рекламой разного рода моющих средств, причем на изготовление этой рекламы были брошены лучшие силы художников, режиссеров и актеров. С тех пор фильмы и телесериалы с примитивными сюжетами и идиотскими проблемами стали называть «мыльными операми».

Отметим одно необычное применение мыла. Алюминиевые мыла, то есть не натриевые или калиевые, а алюминиевые соли нафтеновых и пальмитиновой кислот используют в качестве загустителя напалма, который и представляет собой просто смесь этого мыла с бензином. Горящий напалм прилипает к телу, и его невозможно залить водой — это несомненное достижение военных химиков-негодяев. Само слово «напалм» происходит от первых слогов названий нафтеновых и пальмитиновой кислот.

Отдельным видом моющего вещества является шампунь. Иногда считают, что история специальных средств для мытья волос началась в Древней Индии, где действительно использовали жидкий мыльный раствор, полученный из корней одного из местных растений. Однако к настоящему шампуню он не имеет никакого отношения, за исключением названия, которое и в самом деле из Индии. «Шампо» на хинди означает «натирать голову». В XIX веке этим средством заинтересовались англичане, колонизировавшие Индостан. Было разработано жидкое калиевое мыло с использованием местных растительных масел, однако и его еще нельзя считать подлинным шампунем. Первый настоящий шампунь был изготовлен в Германии в год прихода к власти нацистов — странное совпадение. Это жидкое моющее средство имело не щелочную, а нейтральную реакцию среды. До того гидролиз калиевого мыла приводил к образованию на волосах слабой щелочи, вредной для кератина волос. Сейчас считается, что лучше всего мыть голову шампунем с кислотностью 5,5 единиц, примерно такую кислотность имеет обычная водопроводная вода.

Современные шампуни изготавливают обычно на основе так называемых анионных поверхностно-активных веществ (например, уже упоминавшегося лаурилсульфата натрия) с добавками ароматизаторов, красителей, кондиционеров и средств борьбы с перхотью. Вот теперь как раз и о красителях.

Изготовление блондинок

По генетическим правилам, блондинок среди всех женщин должно быть не более 10 %, однако простейший подсчет на привокзальной площади в любом российском городе дает число значительно большее — около 25 %. А в мире шоу-бизнеса и на светских тусовках количество блондинок достигает 40 %. Понятно, что это особый мир и туда «отбирается» больше блондинок, чем их существует в популяции, однако не настолько же! Ни для кого не секрет, что подавляющая часть белокурых бестий воспользовались достижениями химической науки. Волосы любого цвета можно превратить в локоны Красной Шапочки путем выдерживания в растворе производных перекиси водорода. И хотя в данном случае волосы не окрашиваются, а, наоборот, обесцвечиваются, известный всем дамам пергидроль (30 %-ный раствор перекиси водорода H_2O_2) можно считать одной из красок для волос. Разумеется, первой такой краской была не перекись, а вещества природного происхождения.

Установить дату появления самых первых красок невозможно. Им примерно столько же лет, сколько человеку разумному, хомо сапиенс. Уже тогда, 40 тысяч лет тому назад, хитроумные кроманьонки добивались благосклонности вождя племени с помощью выжатого сока различных растений и ягод. Помните, у Цветаевой: «Но если по дороге — куст/Встает, особенно — рябина»? Так вот — палеоботаники находят в кроманьонских пещерах Пиренеев необычно большое количество сохранившихся с допотопных времен семян рябины, в общем-то не слишком пригодных в пищу.

Первые письменные упоминания о специальном окрашивании волос мы находим на шумерских клинописных табличках и на древнеегипетских папирусах. Кстати, в Шумере, а потом и в Ассирии волосы красили в основном как раз не женщины, а мужчины, причем знатного происхождения. В некоторых случаях цвет волос был даже признаком высокого (или низкого) социального положения их носителя. И в Шумере X века до н. э., и в Древнем Египте за 1000 лет до н. э. уже были хорошо известны хна и басма. Более того, в гробницах фараонов часто обнаруживают сосуды из золота, серебра и полудрагоценных камней, содержащие краски для волос, бровей и бороды.

В Древнем Риме волосы красили и простолюдинки, и императрицы — так, о супруге императора Клавдия (41–54 годы) говорили, что при появлении на людях в Риме красный цвет ее волос был виден аж на берегах Рейна. В Византии также предпочитали локоны темно-красного цвета, хотя византийская императрица Феодора, жена императора Юстиниана (VI век) красила волосы в голубоватый цвет и посыпала их потом золотой пудрой. Голубоватый цвет волосам придавала, видимо, природная синька — толченый и разведенный в воде или масле минерал лазурит (ляпис-лазурь, ультрамарин), действующим веществом которого является сложный алюмосиликатосульфат натрия (его приблизительный состав Na_6Al_4Si_6S_4O_24.

Во времена Юлия Цезаря в моде уже были светло-золотистые волосы, причем красящие вещества использовали как женщины, так и мужчины. Древние мастера-парикмахеры применяли и красящие растения, такие как хна, индигофера (басма), саффлора, ромашка, и скорлупу различных орехов, например грецких, и пигменты животного происхождения (в основном некоторые органы ярко окрашенных моллюсков). В Древнем Китае предпочитали цветные соли металлов и толченые окрашенные минералы.

Особых изменений в использовании краски для волос в последующие почти 2 тысячи лет не происходило — женщины красились природными органическими красителями, иногда неорганическими, например болтушками из цветной глины.

В эпоху Возрождения крашение волос стало особенно популярным. Леонардо да Винчи неоднократно приготавливал краски для женщин из семейства Медичи, и были это смеси уже известных неорганических пигментов, полученных в том числе растиранием полудрагоценных камней. Наиболее модными по-прежнему оставались осветленные волосы. До нас дошли самые разнообразные рецепты крашения и осветления: втирание в волосы смеси цветов лютика с селитрой (сейчас бы это вещество назвали окислителем), нанесение на волосы смесей сушеной саффлоры с илом, известью и солями серебра, принудительное выгорание волос на солнце. Этот способ применяли еще древние гречанки, часами валявшиеся на пляжах и в масличных рощах с непокрытой головой. Глаза и щеки защищали от солнца тканью.

А у нас в России красавицы из семейства фабрикантов Демидовых в XVIII веке посыпали голову толченым малахитом, однако считать нерастворимый малахит красителем затруднительно, да и зеленый цвет волос стал модным только недавно, в начале XXI века. А вот в начале прошлого, в 1907 году, первую качественную краску для волос выпустила компания «Безвредные краски для волос», основанная французом немецкого происхождения Эженом Швеллером. Он, собственно, и изобрел эти краски, будучи прекрасным химиком, вначале исключительно для собственного употребления — то есть для употребления своей женой. Эти краски представляли собой растворы синтетических органических красителей.

Любопытно, что фабричные краски немедленно начали подделывать — вспомним Кису Воробьянинова из «Двенадцати стульев», пытавшегося выкрасить волосы в кардинальный черный цвет контрабандной краской для волос. Оказавшиеся совершенно зелеными волосы пришлось сбрить. По уверению Бендера, вся контрабанда делается в Одессе на Малой Арнаутской. Очевидно, что фальсификаторы использовали анилиновые красители для тканей.

В 1920-е годы появилась мода на короткие стрижки, как у Дэзи в «Великом Гэтсби» Фицджеральда или у Деборы в фильме «Однажды в Америке». В ответ на вызов моды потребовалось создать краску для частого применения, поскольку отросшие корни коротких волос более заметны и их приходилось постоянно подкрашивать. А после Второй мировой войны наконец на рынок была выброшена краска для самостоятельного использования — не в парикмахерской, а дома, в ванной. Краски для волос стали продаваться в магазинах. Сейчас ассортимент этих красок огромен, колористические альбомы имеют по сотне страниц. Однако…

Краска против волос

Однако добавим изрядную ложку дегтя в бочку с косметикой. Точнее, не дегтя, а этой самой краски для волос. Многие специалисты считают, что из всей косметической продукции, представленной на рынке, наибольший вред представляют именно они, краски для волос. По данным Европейской комиссии по безопасности, около 60 веществ, примерно половина соединений, применяемых при их производстве, не могут считаться полностью безопасными. В результате проведенных исследований была обнаружена явная связь между этими веществами и такими заболеваниями, как аллергия, дерматиты и даже рак кожи. Калифорнийские ученые обнаружили, что у женщин, использующих хотя бы один раз в месяц краску для волос, риск развития рака кожи повышается в три раза. Отметим, что постоянно применявшая черную краску для волос Жаклин Кеннеди умерла от лейкоза. Разумеется, винить во всем краску не следует, однако задуматься стоит.

Специалисты считают, что краски для волос, наряду с косметическими масками и тушью, относятся к самым аллергенным косметическим средствам. Поэтому, чтобы снизить риск их применения, к краскам всегда прилагается инструкция, в которой указаны меры предосторожности. В настоящее время для окраски волос используют множество различных органических красителей. Иногда для этой цели применяют экзотику — соли серебра, меди, никеля, кобальта, железа. При этом окраску гривы проводят при помощи двух растворов. Один из них содержит соли этих металлов — нитраты, цитраты, сульфаты или хлориды, а второй — восстановители, например пирогаллол или танин. При смешивании растворов ионы металлов восстанавливаются до атомов, которые и осаждаются на поверхности волос. Получается этакая эффектная металлизация.

Вернемся к изготовлению блондинок. Пергидроль, концентрированный раствор перекиси водорода, прямо на волосах разлагается на воду и кислород, причем в момент образования кислород находится в атомарном состоянии и лишь затем переходит в молекулярный. Атомарный кислород обладает особенно сильным окислительным свойством. Благодаря ему растворы перекиси водорода разрушают красящие вещества и отбеливают не только волосы брюнеток, но и хлопчатобумажные и шерстяные ткани, шелк и перья. При взаимодействии атомарного кислорода с красящим веществом волос меланином последний превращается в бесцветное вещество. Перекись водорода окисляет и разрушает заодно и клетки кожи головы, но будущие блондинки стараются об этом не думать.

Но недавно появилась альтернатива перекиси. Японские ученые выделили из древесного гриба Basidiomycete ceriporiopsis фермент, который разрушает краситель волос меланин. Он образуется в грибах благодаря специальному гену. Ученые решили выделить этот ген и встроить его в традиционный объект биохимиков — кишечную палочку. Если у них дело пойдет, можно будет таким образом производить обесцвечивающий и абсолютно безвредный фермент в товарных количествах.

Поскольку дамы и некоторые мужчины красят не только волосы, скажем пару слов и о красках для век, бровей, губ и всего лица. В древних трактатах арабских и индийских хроникеров содержатся сведения о косметических пристрастиях красавиц еще первого тысячелетия новой эры. Например, богатым девицам и замужним дамам ничего не стоило заказать растолочь в порошок недешевую бирюзу и потом подкрашивать этим порошком веки в голубой цвет. В наше время эту моду переняли те самые некоторые мужчины, о которых упоминается в начале абзаца, но думаю, что бирюзу они сейчас не используют. В современных тенях для век присутствуют недорогие синтетические красители, хотя продают их за большие, ничем не оправданные деньги — мода, знаете ли. А бирюза — это природный фосфат меди и алюминия CuAl_6(PO_4)4 × 4H_2O.

Брови дамы красили природным сурьмяным блеском (антимонитом) Sb_2S_3 красивого свинцово-серого цвета с сильным металлическим блеском черного цвета. Вообще-то природный антимонит используют для получения сурьмы, и в этом случае совершенно не важно, что многие месторождения антимонита являются одновременно месторождениями минералов, содержащих ртуть. Но если часто «сурьмить брови» антимонитом, содержащим соединения ртути, то можно и отравиться, ртутные отравления очень серьезны. Заодно выразим недоумение по поводу знаменитого стихотворения Бориса Пастернака «Свидание». В этом стихотворении имеются строчки

Как будто бы железом,

Обмокнутым в сурьму,

Тебя вели нарезом

По сердцу моему.

Понятно, что анализировать стихи с калькулятором наперевес вроде бы нельзя, но в данном случае Борис Леонидович позволяет себе уж такую отчаянную бессмыслицу, что вмешаться просто необходимо. Сурьма — твердый полуметалл с металлическим блеском, обмакнуть в нее ничего невозможно, да и зачем? Ну да ладно, имеется в виду, вероятно, жидкая краска для бровей на основе сульфида сурьмы Sb_2S_3. В нее железный гвоздь, наверное, можно и обмакнуть. Но опять-таки — зачем? Отравить? В смысле так сильно влюбился персонаж стихотворения, что прямо-таки отравился? Соединения сурьмы действительно ядовиты, но зачем здесь этот гвоздь? Впрочем, стихотворение прекрасное, включая даже и эти четыре строчки.

«Краситель» придумали наши

Краски для волос — лишь очень узкая область использования красителей. Трудно представить себе какой-либо из окружающих каждого человека предметов, сохранивший естественный цвет исходного материала. Красят всё — мебель и посуду, компьютеры и джинсы, вагоны метро и форму пограничников, жилые здания и стены тюремных камер, ткань для российского бело-лазорево-алого триколора и обложки учебников по теории крашения. Даже белорусская мебель из струганой древесины окрашена, хоть и бесцветным лаком. Первобытные люди начали, как говорится, с себя — обмазывались цветной глиной, рисовали прямо на своем теле магические знаки острием обожженной палки.

Однако всерьез стали заниматься крашением несколько позже — в древних Шумере, Египте и Китае. Фараоны тоже мазались природными пигментами, но уже и выдавали жрецам техническое задание на окрашивание тканей, папируса и колесниц. Самым знаменитым красителем в Древнем Риме был багряный пурпур, которым не дозволялось окрашивать тоги никому, кроме императоров и самозванцев, забравшихся на высшие древнеримские должности. И не просто не дозволялось, а у простолюдинов даже патрицианского звания не было соответствующих финансовых возможностей: пурпур извлекали тогда из моллюсков вида иглянки, причем для получения 1 грамма пурпура требовалось истребить 10 тысяч моллюсков.

С древности известна и другая знаменитая краска — индиго, добывавшаяся, как пишет энциклопедия, из индигоносных растений (кто бы мог подумать!). Краска вошла в моду во Франции во времена Наполеона и стоила также безумно дорого. Только после появления синтетических красителей стало возможным окрашивать самые дешевые джинсы в характерный синий цвет индиго. Кстати, идея «детей индиго», то есть невероятно интеллектуальных детей-телепатов с аурой от темно-синего до фиолетового цвета, является глупой выдумкой одной ненормальной девицы, заявлявшей о своих (несуществующих) экстрасенсорных способностях. Никаких таких детей не существует уже хотя бы потому, что нет на свете никакой ауры и никаких экстрасенсорных способностей. В отличие от пурпура, который является производным индиго. Пурпур — это 6,6'-диброминдиго. А брутто-формула индиго C_16H_10N_2O_2.

Первым синтетическим красителем стало как раз родственное этому индиго соединение. При обработке индиго азотной кислотой получалась желтая пикриновая кислота — тринитрофенол C_6H_2OH(NO_2)3, которым окрашивали шерсть и шелк. Но прославилось это соединение с довольно несложной формулой совсем не этим. В 1886 году один французский инженер расплавил пикриновую кислоту и неожиданно обнаружил, что полученная масса способна к детонации. Вскоре в разных странах, в том числе и в России, стали производить мощное бризантное взрывчатое вещество мелинит, которое представляло собой попросту затвердевший расплав пикриновой кислоты. Во время Русско-японской войны 1904–1905 годов японцы снабжали свои снаряды этим же веществом, которое у нас называли шимоза (искаженная фамилия изобретателя Масатика Симосэ). Бризантность означает способность к местному раздроблению среды, в которой происходит взрыв. Пикриновую кислоту и сейчас используют, в основном террористы, благодаря легкости ее синтеза нитрованием обычной карболки C_6H_5OH.

Пикриновая кислота все-таки не может считаться первым синтетическим красителем, поскольку вначале ее получали из природного сырья — индиго. Историю истинно синтетических красителей следует начинать с 1842 года, когда российский химик Николай Николаевич Зинин синтезировал анилин при восстановлении нитробензола сероводородом и таким образом сделал возможным получать это важнейшее вещество в промышленных масштабах. Сам по себе анилин не краситель, но путем очень простых химических манипуляций из него получается целый класс анилиновых красителей, первым из которых стал зеленый фуксин — солянокислый розанилин. Свое название этот краситель получил за сходство цвета своего водного раствора с цветом фуксии, так же, как следующий синтезированный пурпурный мовеин — за сходство с цветом мальвы.

Использованный Зининым нитробензол получают нитрованием бензола, сам бензол извлекают из сырой нефти, а сероводород — действием разбавленных кислот на сульфиды, которые повсеместно встречаются в качестве различных минералов. Конечно, нефть и минералы тоже природные, а не синтетические вещества, но все же не органической природы, как индиго. И вообще целиком синтетических соединений не бывает, в конце концов, все исходные вещества мы берем из земной природы, больше-то неоткуда.

После открытия Зинина синтетические красители посыпались как из ведра, точнее, из колбы и реторты. Адольф фон Байер провел подлинный синтез индиго не из растительного сырья, вскоре появились десятки других индигоидных продуктов. К началу XX века синтетические красители практически полностью вытеснили природные, причем подавляющую их часть производила кайзеровская Германия с лучшей по тем временам химией в мире. В 1925 году несколько немецких фирм объединились в концерн «И.Г.Фарбениндустри» (от немецкого Farbe — краска), который стал монополистом по производству синтетических красителей и успешно производил эти вещества до и во время Второй мировой войны. Все бы ничего, вот только «И.Г.Фарбениндустри» монополизировал и производство инсектицида «Циклон Б», который оказался прекрасным препаратом для осуществления геноцида евреев и цыган и чрезвычайно эффективно использовался в Освенциме, Биркенау и других лагерях уничтожения. Мы уже писали, что «Циклон Б» представляет собой гранулы, пропитанные синильной кислотой, при нагревании банки с этим порошком синильная кислота выделяется в виде паров. Такой способ употребления HCN для убийства людей гораздо удобнее, чем использование чистой газообразной синильной кислоты. После войны союзники разделили концерн на дюжину фирм, а часть руководства концерна посадили в тюрьму.

Стоит отметить, что предшественником «И.Г.Фарбениндустри» была некая химическая фирма, в которой работал тогда лауреат Нобелевской премии Фриц Габер, во время Первой мировой войны разработавший недорогой способ производства иприта (см. главу 4) и лично руководивший применением этого отравляющего вещества под городом Ипр. Химик Фриц Габер был большим патриотом своей родины Германии, но, к несчастью, он родился в семье евреев-хасидов. После прихода нацистов к власти многие его еврейские родственники были репрессированы, а герр Габер бежал в Англию, где английские коллеги не подавали ему руки — ведь это именно он придумал иприт! Его жена и сын покончили жизнь самоубийством, не выдержав стыда за смертоносные открытия отца семейства. С помощью разработанного сотрудниками Габера вещества «Циклон Б» было отравлено несколько миллионов евреев, но еврей Фриц Габер счастливым образом благополучно избежал сей участи — он успел умереть в своей постели в 1934 году, в швейцарском Базеле.

Но вернемся к краскам. В России синтетические красители начали производить в массовом масштабе в годы первой пятилетки, причем интересно, что само русское слово «краситель» было придумано академиком Александром Евгеньевичем Порай-Кошицем. До этого использовали термин «пигмент», но сейчас под пигментами понимают твердые порошкообразные основы краски, получаемой при смешении этой основы, например, с олифой. Или даже просто с водой, как акварельные краски.

Ремонт без гастарбайтера

Обилие красок в современных хозяйственных магазинах, простота их использования и чаще всего безвредность позволяют всем желающим раскрасить квартиру или дачу без привлечения подозрительных ремонтников.

Иногда нужно перекрасить потолок, обновить цвет подоконников и, скажем, дверей, покрасить оконные рамы, а иногда и не переклеить, а перекрасить старые обои. И тут без красок не обойтись. Для потолка и обоев лучше всего использовать «водоэмульсионку», теперь правильнее называемую водно-дисперсионной краской.

Такая краска представляют собой дисперсию (взвесь) пленкообразующих полимеров в обычной воде. Кроме того, в ней присутствуют пигменты, стабилизирующие добавки и некоторые наполнители. Из полимеров сейчас используют латексы, поливинилацетат, акриловую и силиконовую смолы, но это не суть важно. Самое главное, что в таких красках отсутствуют органические растворители — разбавителем служит вода. Поэтому при высыхании краски выделяются лишь пары воды и ничтожное количество органики, и во время окрашивания квартиры не нужно съезжать на дачу. А ведь из масляных, алкидных и прочих красок в воздух несколько дней поступают испарения вредных органических растворителей, и мы вынуждены терпеть эту вонь.

Прочность пленки из воднодисперсионных красок уже практически достигла прочности масляного покрытия. Так, некоторые виды воднодисперсионных пленок выдерживают до 10 000 циклов протирания влажной тряпкой, а это означает 27 лет ежедневной уборки! Кроме того, пленки пропускают пары воды, то есть они «дышат», и под ними не образуются водяные пузыри. Существуют и акриловые воднодисперсионные краски с антибактериальными добавками, которые препятствуют образованию и росту грибков, плесени и прочих микроорганизмов. Такие краски особо рекомендованы для окраски стен и потолков в детских и ванных комнатах, а также кухонь.

Воднодисперсионными красками можно окрашивать оштукатуренные и бетонные основы, кирпич, металл и даже обои, причем без особой подготовки поверхности. Можно красить даже влажные поверхности — для масляных красок это абсолютно неприемлемо. Более того, отклеившиеся куски обоев даже не нужно подклеивать перед окраской — проникающие через бумагу компоненты краски отлично приклеивают ее к стенам. В некоторые краски введены специальные вещества на основе кремния (силаны, силоксаны), которые позволяют окрашивать стены помещений с высокой влажностью — подвалы, погреба, помещения с бассейнами.

Многие марки воднодисперсионных красок обладают еще одним выгодным преимуществом перед масляными — они тиксотропны. Этим мудреным термином обозначают всего лишь студнеобразное состояние краски, которая сжижается только при механическом воздействии кисти или валика. Такие краски не расслаиваются даже при длительном хранении и не капают с кисти во время работы, поэтому ими легко и удобно окрашивать потолки. Тиксотропность продажной краски можно повысить и самостоятельно, накапав в нее жидкого стекла (силикатного клея).

Помимо тиксотропности, у «воднодисперсионок» имеются и другие преимущества перед масляными красками — они не так дороги, не горючи, быстро высыхают, а кисть и валик после работы легко отмыть просто под водопроводным краном. Большинство этих красок сейчас выпускается белого цвета. Для придания краске желаемого оттенка в нее перед окраской добавляют пигментные пасты и специальные красители. Во многих магазинах появились колеровочные машины, с помощью которых можно подобрать краску любого цвета — до 2000 оттенков. Работают эти устройства по принципу спектрофотометра, то есть сравнивают получаемый цвет с желаемым, например, если нужно покрасить новый стул в цвет имеющихся. Правда, глубокого синего или темно-коричневого цвета добиться не удастся, тогда в воднодисперсионную краску пришлось бы ввести пигмента до половины веса.

Крашеный торт

Отдельной темой являются красители, которые можно употреблять в пищу, — пищевые красители.

Эти вещества используют с античных времен, чаще всего это пигменты растений, выделяемые из ягод, цветов, плодов, листьев и корнеплодов. Красный краситель для сладостей и напитков получают из выжимок темных сортов винограда, смородины, черноплодной рябины и обычной свеклы. Рыбные изделия подкрашивают красителем из морских рачков (криля). Для подкрашивания сливочного масла и маргарина используют бета-каротин (в организме человека из него образуется важнейший витамин А), а получают каротин из моркови, тыквы и лепестков календулы. Краситель синего цвета для кондитерских изделий и напитков индигокармин изготавливают из растения индигоноска, растущего в Африке, Америке и Индии. Желтый краситель аннато получают из корней растения Bixa oranella.

Со временем нехватка природных красителей привела к необходимости их синтетического получения. В разумных пределах пищевые синтетические красители совершенно безвредны — это тщательно проверено, причем в России контроль даже строже, чем за рубежом. Хотя некоторые красители использовать нельзя. Среди всего-то пяти пищевых добавок, запрещенных к применению в пищевой промышленности в Российской Федерации, обнаруживается целых два красителя — и это при том, что в списке разрешенных сотни пищевых добавок! Запрещены красный краситель амарант, вследствие подозрения на его канцерогенную активность, и краситель цитрусовый красный-2 из-за его возможной мутагенной активности.

В качестве тоже красителей, но исключительно для внешнего украшения, используют и такие неожиданные вещества, как порошки алюминия, серебра и даже золота. В Российской Федерации эти добавки относятся к категории «не имеющих разрешения к применению в пищевой промышленности». Однако сие означает лишь то, что эти порошки просто пока не прошли процедуру регистрации. Может, они ее и не пройдут, когда у соответствующих служб дойдут до них руки, но в нашей стране действует принцип «все, что не запрещено, — разрешено». Так что можно смело напилить тонким напильником золото с бабушкиного колечка, насыпать порошок на «Птичье молоко» и поразить подругу аттракционом невиданной щедрости.

Понятно, что практически никакой пищевой ценностью ни натуральные, ни синтетические красители не обладают, то есть не обеспечивают потребности организма человека в основных пищевых веществах и энергии. Но потребитель привык, чтобы кондитерские изделия и напитки имели яркий, привлекательный цвет. Тут и появляется простор для махинаций. Помните кетчуп О. Генри, «покрасневший от стыда, когда на нем написали ’’натуральный»?

Вот занятный пример использования натуральных красителей. В течение трех лет руководитель Фонда Святого Николая, светской организации из Турции, в судебном порядке требовал от компании «Кока-Кола» раскрыть состав ее напитка, который традиционно считался секретным. Про конкурирующую «Пепси-Колу» даже был распущен слух, что ее секрет знают лишь два человека в компании, причем каждый только половину тайны. Все это чепуха. На самом деле никакого секрета уже давно нет, поскольку современные приборы физико-химического анализа за несколько часов выдадут любому желающему подробную таблицу веществ, входящих в состав чего угодно — хоть газировки, хоть паленой водки. Однако это будут лишь сведения именно о веществах, а не о сырье для их получения, здесь наука если и не бессильна, то далеко не всесильна.

На этикетке любимого неразумными тинейджерами напитка обычно записано, что в его состав входит сахар, фосфорная кислота, кофеин, карамель, углекислота и некий экстракт. Этот экстракт и вызвал подозрение у истца, который аргументировал свое требование турецким Законом о защите прав потребителей. А в нем, как и в нашем отечественном законе, прямо указано, что потребитель имеет право знать, чем его кормят.

И компании пришлось раскрыть свой секрет. Оказалось, в состав экстракта, помимо некоторых экзотических растительных масел, входит природный краситель кармин, который получают из высушенных телец насекомого кошениль. Это насекомое обитает в Армении, Азербайджане, Польше, но самый плодовитый и ценный червец облюбовал мексиканские кактусы. Кстати, червец, другое название кошенили, происходит вовсе не от слова «червяк», а от общеславянского «красный», как и слово «червонец».

Ни туркам, ни нашим читателям беспокоиться не о чем. Кармин совершенно безвреден и используется для окрашивания тканей с библейских времен, а в пищевой промышленности уже более 100 лет. Кармином подкрашивают не только газировку, но и различные кондитерские изделия, а также некоторые молочные продукты. Для получения 1 грамма кармина истребляют уйму насекомых, и «зеленые» уже начали заступаться за бедных букашек-таракашек. Можно одобрить запрет на промысел дельфинов, но защищать мексиканскую тлю — уже полное издевательство над здравым смыслом.

Другой пример — коньяк. Как уже отмечалось, ванилином отбивается сивушный запах плохо перегнанного спирта, а вот покрасить бурду можно разными способами. Самый гуманный — настаивать спирт не в бочке, а на горячих дубовых опилках для ускорения экстракции (извлечения) красящих веществ из древесины. Это хоть как-то похоже на нечто коньячное. Хуже, когда настаивают на скорлупе грецких орехов. Совсем гадко подкрашивать спирт настоем чая, но и это бывает частенько. Про добавление коричневой охры минерального происхождения к техническому спирту не стоит и говорить.

Кстати, подкрашивают и чай. К низкосортному листу добавляют соду, после настаивания такой чай приобретает очень темный цвет. Белая сода не красит раствор чая, но меняет щелочность среды, а при высоких значениях щелочности чай темнеет. Обратный процесс всем известен — чай с лимоном (кислотой) быстро светлеет.

В этой главе мы уже упомянули великолепного немецкого химика Адольфа фон Байера. В историю мировой науки он вошел как ученый, впервые получивший синтетический краситель индиго. А в историю российской химии он вошел как руководитель лаборатории, в которой изучал органическую химию наш великий соотечественник Владимир Николаевич Ипатьев.

Глава 14

Битва за скорость

Владимир Николаевич Ипатьев сыграл огромную, им самим и современниками до конца не оцененную роль в победе союзников во Второй мировой войне. Одним из ее главных эпизодов была «битва за Англию», «Battle of England». Так после знаменитой речи Уинстона Черчилля принято называть ежедневные бомбардировки немецкой авиацией Великобритании в 1940 году, предпринятые с целью заставить Англию заключить мир на условиях Гитлера. Это был первый пример широкомасштабного ведения боевых действий с помощью военно-воздушных сил. И без Ипатьева представить себе историю воздушно-ракетной техники невозможно.

«Оружие возмездия»

В половине седьмого утра 6 июня 1944 года на севере Франции был открыт долгожданный Второй фронт — англо-американские войска высадились в Нормандии. Неделю спустя, в ночь с 12 на 13 июня, немцы впервые применили крылатую ракету — «оружие возмездия» (Vergeltungswaffe, V-1, Фау-1). Наводка ракеты на цель производилась на земле перед стартом, и в полете этот снаряд, несущий около 1 тонны взрывчатки, был уже неуправляемым. Точность попадания не превышала 15 километров, поэтому имело смысл выпускать Фау-1 только по крупным объектам, что немцы и делали, обстреливая Большой Лондон, а позже Антверпен. Первоначально они собирались пустить «оружие возмездия» в дело 20 апреля 1944 года, в день рождения Гитлера, но помешали недоработки технического характера.

Пусковые установки для V-1 были построены в Северной Франции, откуда они могли долететь до Англии — радиус действия V-1 составлял 250 километров. С октября 1944-го по март 1945-го немцы выпустили около 16 тысяч ракет V-1 Их испытания проводились в основном в Пенемюнде, на берегу Балтийского моря. Аэрофотоснимки этого центра были сделаны англичанами после донесений участников польского подполья, обнаруживших здесь крупный ракетный полигон. Первой крылатую ракету V-1 идентифицировала на снимках старший лейтенант Констанция Бебингтон-Смит.

Несмотря на низкую точность наведения, а также действия английской авиации и зенитной артиллерии, несколько тысяч V-1 достигло Лондона. Великий английский писатель Ивлин Во пишет, что самым страшным для лондонцев был не столько звук летящего над ними снаряда, сколько наступавшая вдруг тишина — она означала, что мотор выключился и снаряд падает вертикально вниз, прямо на тебя. 17 июня 1944 года у человечества был шанс быстрого прекращения войны: отклонившийся от курса V-1 упал на бетонный бункер в Марживале (Франция), где в тот момент находился Гитлер. К сожалению, бункер устоял. Всего от V-1 пострадало более 80 тысяч зданий, погибло около 6 тысяч человек.

В литературе приводятся противоречивые сведения о топливе крылатых ракет. Некоторые источники сообщают, что горючим компонентом являлся бензин, другие — гидразингидрат. Известно, что емкость с похищенным топливом однажды загорелась в кармане у польского подпольщика; это чуть не стоило ему жизни, поскольку случилось на глазах у немецкого патруля. С бензином такого произойти не могло, так что, по-видимому, справедливо утверждение английского историка Джона Фуллера об использовании обычного авиационного бензина с добавками гидразингидрата (соединение воды с гидразином N_2H_4).

Подтверждением этому является установка на V-1 простого двигателя, разработанного еще в 1938 году. Окислителем там служил кислород воздуха. Для работы катапульты, с которой осуществлялся запуск «оружия возмездия», применяли концентрированную перекись водорода. То самое вещество, с помощью которого изготавливают крашеных блондинок.

Катализ Ипатьева

Говоря о топливе для ракет и самолетов, вспомним великого русского химика академика Владимира Николаевича Ипатьева, основателя российской и советской химической промышленности, в 1930 году эмигрировавшего в США.

В Америке советский академик Ипатьев возглавил химическую лабораторию крупного нефтехимического концерна. Одним из результатов его экспериментов было создание катализаторов для получения высокооктанового топлива. Полученное по методу Ипатьева топливо использовалось для заправки американских и английских самолетов, которые после этого могли летать со значительно большими скоростями при лишь небольшой переделке двигателя. В результате самолеты союзников получили огромное преимущество перед немецкими и, в частности, смогли сбивать до 70 % неуправляемых V-1, летавших со скоростью 600 километров в час, не говоря уже о вражеских самолетах. Многие западные историки отмечают, что в этом смысле именно Ипатьев выиграл «битву за Англию».

Владимир Николаевич Ипатьев родился в 1867 году, закончил Михайловское артиллерийское училище. Хотя химического высшего образования не получил, он вскоре защитил диссертацию по органической химии, работал в Германии у знаменитого Адольфа фон Байера и в Париже, а во время Первой мировой войны занимался, как и, увы, большинство химиков в то время, созданием химического оружия — но и защитой от него. Организовал производство отравляющих и взрывчатых веществ, фактически создал российскую химическую промышленность, точнее, ее органическую составляющую. Был выбран в академики Петербургской академии наук, а поскольку закончил военное учебное заведение, вскоре стал и генералом. Именем Ипатьева названа одна из органических реакций, а это величайшая честь для химика. Именная реакция — честь повыше Нобелевской премии, это как названные в честь первооткрывателей пролив, море или горы.

После революции он возглавил всю химическую промышленность Советской России, что не лучшим образом сказалось на его отношениях с русскими эмигрантами, встреченными им в 1930 году, когда ему удалось выехать на Берлинский конгресс по энергетике. А возвращаться в СССР было уже невозможно, там начались аресты ученых, в том числе его близких знакомых. Между прочим, знаменитый екатеринбургский «ипатьевский дом», в котором была расстреляна вся семья императора Николая II вместе со слугами, фрейлинами и личным доктором, принадлежал брату Владимира Николаевича, Николаю Николаевичу Ипатьеву.

И вот Владимир Николаевич остается за границей, сначала в Европе, а с 1930 года — в США, куда его пригласили работать в компании UOP. Именно здесь он и осуществил свои выдающиеся работы в области катализа, хотя первым его знаменитым изобретением, сделанным еще в самом начале века, была «бомба Ипатьева» — реактор для проведения реакций при высоких давлениях и температурах. Обычно считают, что катализатор — это вещество, ускоряющее химические реакции и при этом не расходующееся. Это не совсем правильно, но в первом приближении вполне допустимо. Только вот добавим, что катализатор может реакцию не ускорять, а замедлять, но тогда это вещество называют ингибитором. Катализаторы бывают гомогенными (от греческого слова, означающего «однорожденные»), если и реагенты, и сам катализатор растворены в какой-нибудь жидкости, обычно в воде. Или все эти вещества газообразны. Но Ипатьев чуть ли не первым использовал гетерогенные катализаторы («разнорожденные») — например, катализатор может быть твердый, а реагенты газообразные.

Он придумал катализатор, спекая кварц с фосфорной кислотой, и с помощью этой «твердой фосфорной кислоты» провел изомеризацию углеводородов нефти для повышения октанового числа бензинов. Этот «ипатьевский» бензин и заливали в топливные баки английских «спитфайеров» — быстрых одноместных истребителей Второй мировой войны.

Впрочем, вскоре появились еще более скоростные машины для ведения боевых действий и уничтожения людей — ракеты Фау-2, придуманные замечательным немецким конструктором Вернером фон Брауном. Он же разработал и состав топлива, так что в определенном смысле стал конкурентом Ипатьева, хотя Владимир Николаевич, разумеется, о засекреченном эсэсовце ничего не знал. Эсэсовце? Да, фон Браун состоял в этой страшной и преступной организации гитлеровской Германии, но, как говорится, тогда время было такое, тогда «все» были в СС. При этом в крематории великий конструктор лично никого не отправлял, хотя около 30 тысяч заключенных концлагеря, занимавшихся изготовлением его ракет, погибли от голода и болезней, но это вина профессиональных убийц, а не ученого. Более того, некоторые историки даже считают, что фон Браун был тайным врагом Третьего рейха и сознательно перенаправил германскую промышленность на создание своих революционных, но малоэффективных, неточных и очень дорогостоящих ракет вместо качественных, уже проверенных истребителей и бомбардировщиков. Министр вооружений Третьего рейха Альберт Шпеер прямо называл разработку и использование V-2 «нелепой затеей». Хотя с научной и технологической точки зрения V-2 — великое достижение.

Итак, к началу Второй мировой войны фон Браун уже накопил огромный опыт по созданию ракет на жидком топливе, в качестве которого он использовал обычный этиловый спирт. Нефти в Германии не было, румынские нефтепромыслы подвергались постоянным бомбардировкам, а спирт легко получали из картошки. Окислителем в «оружии возмездия» служил жидкий кислород, как и сейчас в ракетах многих космических держав. В 1944 году немцы начали стрелять своими V-2 по Лондону, и здесь самолеты с горючим Ипатьева сделать уже ничего не могли: ракеты летали с огромной скоростью — более 6 тысяч километров в час — и несли, каждая, 1 тонну взрывчатки. Всего по Англии, а потом и по Антверпену было выпущено около 3 тысяч снарядов, сбить их было невозможно, и только невысокая точность попадания объясняет сравнительно небольшое количество погибших от этого оружия (3 тысячи убитых, 6 тысяч раненых в Англии). Единственным способом защититься от V-2 были бомбардировки пусковых установок.

Ценные трофеи

С точки зрения разработки вооружений появление V-2 представляло собой подлинную революцию. Более того, хотя об этом у нас предпочитают не упоминать, вовсе не российская Р-7 (ракета-носитель «Спутник», или «семерка») первой оказалась в космическом пространстве, а именно V-2, причем на 13 лет раньше. В 1944 году были проведены испытания этой ракеты, в ходе которых она достигла высоты 188 километров над поверхностью Земли. Правда, ни одного оборота вокруг планеты она не сделала, а наш первый в мире спутник, запущенный в 1957 году, совершил 1440 оборотов вокруг Земли.

Немцы планировали использовать V-2 и против советских городов, в частности Ленинграда и индустриальных комплексов на Урале. Но вышло почти наоборот. После войны советским специалистам досталось в качестве трофеев некоторое количество V-2, а также часть документации на их производство. Большинство оборудования немцы уничтожили. V-2 были тщательно изучены и использованы при создании советского ракетного оружия: наша знаменитая Р-7 — всего лишь несколько модернизированная V-2. Многие конструкционные элементы «семерки» сохранила и ракета-носитель «Восток», на которой летал Юрий Гагарин. Однако топливом для этой ракеты служил уже не спирт, а керосин, хотя окислителем был тот же самый жидкий кислород, и это естественно, поскольку более сильного окислителя в природе нет. Точнее, нет подходящего сильного окислителя: жидкий фтор был бы, конечно, «посильнее», но хранить фтор и работать с этим веществом практически невозможно. Во фторе горит даже вода!

В 1947 году были собраны из немецких деталей и запущены на полигоне Капустин Яр первые 11 фактически трофейных ракет. Первую ракету из отечественных агрегатов (Р-1, или «Волга») запустили там же через год, причем Р-1 уже не была точной копией V-2 — это был усовершенствованный Королевым космический аппарат.

Несомненно, советским инженерам повезло, что в качестве трофеев они завладели V-2 и частью технической документации. Однако гораздо более ценный трофей достался американцам — они перевезли в США отца ракетной техники Германии штурмбанфюрера СС Вернера фон Брауна. Именно под его руководством была создана ракета «Сатурн», доставившая в 1969 году человека на Луну.

Отсутствие в Германии месторождений нефти, крайне необходимой для производства бензина для автомобилей и танков, заставило гитлеровцев использовать синтетическое топливо. Процесс его синтеза, доведенный до промышленного воплощения химиками Фишером и Тропшем, представлял собой получение углеводородов из так называемого синтез-газа, смеси монооксида углерода СО и водорода Н_2. Монооксид углерода легко получается из угля, которого в Германии всегда было много. Реакция протекает исключительно в присутствии катализатора на основе солей железа, который придумали эти самые Фишер и Тропш.

На синтетическом бензине немцы провоевали всю войну, а после нее основным производителем такого топлива стала Южная Африка, поскольку на экспорт нефти в эту страну было наложено эмбарго из-за политики апартеида (расовой сегрегации). Любопытно, что образование углеводородов в результате реакции монооксида углерода с водородом считается сейчас одной из возможных схем неорганической теории образования нефти.

Синтетическая гевея

Как это ни парадоксально, но пребывание страны в состоянии изоляции от остального мира может оказать огромную услугу химической науке и промышленности. После поражения в Первой мировой войне на Германию была наложена огромная контрибуция, но это еще что! Германии было запрещено иметь сколько-нибудь серьезную армию, тяжелое вооружение, военную авиацию, подводные лодки. И в результате немецкие военные не стали производить оружие времен этой войны, а теоретически разработали принципиально новое и уже в 30-е годы, плюнув на все запреты, начали выпускать великолепные пушки и самолеты. Причем первоначально тайно испытывали их на полигонах в России, с которой Германия заключила первый в истории РСФСР межгосударственный договор — случилось это в итальянском городке Рапалло. До того образовавшуюся после Гражданской войны Советскую Россию никто из развитых стран не признавал и торговать с ней не собирался. Поэтому буквально все необходимое для нужд армии, промышленности и просто населения требовалось производить в России, самим. Со множеством вещей это кое-как получалось, но где взять каучук в стране, климат которой для выращивания гевеи никак не подходит? А без каучука даже думать об автомобилях бессмысленно, не на тележных же деревянных колесах ездить!

Попробовали найти растения, которые, подобно гевее, выделяют млечный сок, содержащий природный полиизопрен, — и вроде бы нашли. Многолетнее травянистое растение рода одуванчик под названием кок-сагыз оказалось лучшим на территории СССР каучуконосом, его стали даже специально возделывать в Белоруссии. В конце концов эпопея с кок-сагызом бесславно закончилась, поскольку урожай содержащих каучук корней был невелик, но главным образом потому, что в 1928 году выдающийся русский химик Сергей Васильевич Лебедев впервые в мире провел промышленный синтез синтетического каучука.

За два года до этого правительство республики объявило конкурс на разработку промышленного способа получения каучука (необязательно изопренового), причем документация, технологический регламент и 2 килограмма готового продукта должны были быть представлены комиссии не позднее 1 января 1928 года. Кроме того, получать каучук следовало из доступного сырья, а готовый продукт не должен был быть дороже и менее качествен, чем натуральный. И у Лебедева все получилось. Воспользовавшись своим еще довоенным открытием полимеризации дивинила (он же бутадиен) CH_2=CH-CH=CH_2 и используя в качестве катализатора металлический натрий, он синтезировал натрий-бутадиеновый каучук вполне пристойного качества. Сырьем для получения дивинила стал обычный этиловый спирт, которого в России и других республиках СССР всегда было много. Недаром нашей национальной болезнью считается пьянство, так тесно связанное с самогоноварением, основанном на спирте из свеклы, картошки и всего, чего угодно.

Впрочем, выгнать первач из табуретки, о чем говорил Остап Бендер в «Золотом теленке», невозможно: целлюлоза дерева не сбраживается обычными дрожжами. Для получения спирта из опилок целлюлозу нужно сначала гидролизовать, что довольно сложно. Однако это удалось одному профессору химии во время блокады Ленинграда. Из гидролизованной им с помощью серной кислоты лабораторной мебели он получал раствор сахаристых веществ, которые после некоторой обработки можно было использовать в пищу. Говорили, что и профессор, и вся его семья так и выжили в те страшные годы. Возможно, это легенда, хотя кто знает…

В главе 15 подробно рассказывается о случайных открытиях в химии, но про одно такое открытие уместно рассказать здесь. Речь идет о резине, основой которой является каучук. Известно, что чистый каучук никак не годится для изготовления автомобильных покрышек и болотных сапог. Но в самом начале XIX века шотландский химик Чарльз Макинтош опрокинул на свой лабораторный халат раствор каучука в бензине, попытался отмыть каучук сначала тем же бензином, а потом водой с мылом и заметил, что через пятно вода не проникает. Догадливый шотландец не стал наносить каучук на шотландские килты (юбочки), а пропитал каучуком летнее пальто из тонкой ткани — так появился непромокаемый плащ макинтош. Вполне случайное открытие, но мы не об этом. Макинтоши быстро вошли в моду в дождливой Англии, а потом и по всему свету, однако носить их было несколько неудобно, потому что каучук — довольно липкое вещество, а липкий плащ — явно не лучшее изобретение тружеников гламура. Причем летом макинтоши чуть ли не растекались, а в холода стояли колом.

Лет через пятнадцать после появления макинтошей другой Чарльз, по фамилии Гудъир, пытаясь как-то ликвидировать эти недостатки каучука, добавлял к нему все, что попадалось под руку. Он перепробовал сотни соединений и нашел-таки такое вещество — элементарную серу, которая снижала липкость каучука. Это открытие не совсем случайное, а скорее результат широкоохватного поиска, но вот идея вулканизации уже точно пришла Гудъиру в голову совершенно случайно. Однажды он не то уронил, не то в ярости бросил кусок смешанного с серой каучука на горячую плиту и вдруг заметил, что смесь перестала быть смесью — появилось новое упругое и не мажущееся вещество. Позже его назвали резиной (от латинского resina — смола), а процесс взаимодействия каучука с серой — вулканизацией, в честь бога огня Вулкана.

С химической точки зрения вулканизация представляет собой «сшивание» отдельных звеньев полимера, составляющего каучук, причем в качестве «ниток» между звеньями используются цепочки из атомов серы — S-S-S-. Получается так называемый сшитый, или трехмерный, полимер, который можно рассматривать и как единую огромную молекулу. Из резины делают покрышки и электроизоляцию, подметки и сапоги, ручки для инструментов, самые различные ремни и уже не липкие макинтоши. Причем вулканизации можно подвергать не только изопреновый каучук, но и практически все виды синтетического, в том числе лебедевского.

А разработавший промышленный способ получения синтетического каучука Сергей Васильевич Лебедев умер в 1934 году от сыпного тифа, как было записано в истории болезни. Это довольно странно, ведь тогда Лебедев был академиком, жил в прекрасной отдельной квартире в центре Ленинграда, на Нижегородской улице (теперь — улица Академика Лебедева). Переносчиком сыпного типа является обычная платяная вошь, которая вряд ли могла угнездиться в лаборатории или квартире почтенного академика. Что-то тут не так. На определенные сомнения наводит и то, что Сергей Васильевич умер практически одновременно с Борисом Бызовым, изобретателем другого метода получения синтетического каучука из углеводородного (нефтяного) сырья, причем вскоре после начала промышленного производства этого важного продукта. Оба ученых стали не нужны? В тот год как раз поднялась новая волна репрессий, причем именно в отношении научно-технической интеллигенции. Это только умница Ипатьев догадался в 1930 году, что возвращаться в СССР не стоит. Кстати, вернемся ненадолго к Ипатьеву.

Владимира Николаевича сравнивали с Менделеевым и с другими выдающимися химиками, он был необычайно трудолюбив и обожал лично проводить эксперименты, а не поручать их лаборантам или простым сотрудникам. Несмотря на то, что являлся большим начальником! Ипатьев был, скажем так, живым человеком, интересовался не только гетерогенными катализаторами, но и существами другого («гетеро») пола. Некоторые из его невинных увлечений работали с ним в лаборатории. Кстати, почему-то большинство химиков — женщины. Удивительно, что совсем другая ситуация в физике, что уж там говорить о математике. У меня есть собственная гипотеза на этот счет, причем относящаяся не только к женщинам-химикам, а вообще к химии. Дело в том, что химия все-таки не совсем наука, а в немалой степени — искусство. И, между прочим, многие химики-органики, придумывающие свои хитроумные реакции, часто со мной соглашаются. Редко когда в химии успех достигается чисто логическими рассуждениями, вот и Менделеев свою Таблицу создал во многом интуитивно: мы уже говорили, что для открытия Периодического закона путем последовательных логических рассуждений у него не было достаточного количества данных. Искусство и интуиция — женские дела! А если вспомнить, что химия еще и кропотливая, систематическая работа, к которой дамы приспособлены лучше джентльменов, то все и объясняется. Лучший пример — дважды лауреат Нобелевской премии, знаменитая труженица Мария Склодовская-Кюри.

Глава 15

Активность Кюри

Казанский университет всегда славился своим химическим отделением, которое потом стало называться факультетом. Здесь работал химик Карл Карлович Клаус, который таким образом переделал на русский лад свое имя Карл-Эрнст, — по происхождению Карл Карлович был остзейским, то есть прибалтийским, немцем. Больше года изучая состав руды из платинового месторождения, он выделил новый химический элемент, который назвал рутением в честь России, которую считал своим Отечеством. Да, собственно, Россия и была его Отечеством, остзейские немцы были едва ли не более русскими, чем уроженцы Вологды или Курска, а уж сколько сделали для своего Отечества! Генерал-фельдмаршал Барклай-де-Толли, открыватель Антарктиды Крузенштерн, генерал Врангель и мореплаватель Врангель, мореплаватель же Коцебу, арктический исследователь Эдуард Толль и еще десятки блестящих имен!

История с Арбузовым

Впрочем, мы отвлеклись. Добавим только, что Ruthenia — это и есть Россия по-латыни и что Карл Карлович имел обыкновение пробовать химические вещества на вкус и как-то две недели провалялся в постели, надышавшись парами четырехокиси осмия. В том же Казанском университете работал, и даже два срока был его ректором, создатель теории строения органических соединений Александр Михайлович Бутлеров. В победный 1945-й год в Казани был организован Казанский филиал Академии наук СССР, который возглавил блестящий химик Александр Ерминингельдович Арбузов. Работал на химическом факультете университета и его сын, тоже академик Борис Александрович Арбузов, который и рассказал потрясающую историю про своего отца, Марию Кюри и элемент радий.

В начале прошлого века супруги Кюри Мария и ее муж Пьер открыли новый элемент, названный ими радием. Этим элементом с весьма необычными свойствами заинтересовались химики со всего света, в том числе и из Казани. Времена были простые, чуть ли не все химики мира знали друг друга и общались, лично или эпистолярно. Вот и Александр Ерминингельдович написал Марии Кюри письмо с просьбой прислать ему образец радиоактивного элемента. Мадам залила в стеклянную ампулу несколько кубиков раствора хлористого радия, запаяла, завернула ампулу в вату, уложила в фанерную коробочку и отправила в Казань обычной почтой. Будущий академик Арбузов что-то там поизмерял, поэкспериментировал, снова запаял ампулу и запихнул коробочку с ней в нижний ящик своего письменного стола.

В 1921 году Владимир Иванович Вернадский в Петрограде основал Радиевый институт для изучения радиоактивности. Во время войны Радиевый институт, как и многие другие, был эвакуирован из Ленинграда на химфак Казанского университета, где размещением сотрудников и оборудованием лабораторий занимался как раз Арбузов. Война закончилась, институты начали возвращаться в Ленинград, уехали и сотрудники Радиевого института со всеми приборами. Однако они довольно здорово загрязнили факультет своими радиоактивными препаратами, а к тому времени уже было известно об опасности радиации: Мария Кюри умерла именно от лейкемии, вызванной продолжительной работой с радием без каких-либо мер предосторожности. Поэтому после реэвакуации Радиевого института на химическом факультете провели дезактивацию помещений, постоянно проверяя уровень радиоактивности. Поразительно, но самым «фонящим» участком на факультете оказался нижний ящик стола академика Арбузова, который ежедневно проводил за ним несколько часов. Все эти 40 с лишним лет там пролежала ампула с радием, но академик скончался только в 1968 году в возрасте 91 года. Его сын и тоже академик Борис Александрович Арбузов также имел дело с радиоактивными веществами и тоже прожил долгую жизнь — 88 лет. По-видимому, устойчивость к действию радиоактивности имеет генетический характер.

Запретный полоний

А вот Мария Склодовская-Кюри, как мы уже говорили, такой устойчивостью не обладала. Впрочем, и работала она с радиоактивными элементами гораздо более плотно, чем отец и сын Арбузовы. Радий Мария с мужем открыли, когда ими же было установлено, что отходы после извлечения из руды элемента урана показывают не меньший уровень радиоактивности, а, как ни странно, больший. Они догадались, что в этих отходах есть что-то такое, что «светит» сильнее урана, перелопатили десять тонн урановой руды (смеси оксидов урана, так называемой урановой смолки) и выделили соль металла, который впоследствии они и назвали радием (от латинского radius — луч). Именно Мария Кюри придумала термин «радиоактивность».

Вскоре они открыли и еще один радиоактивный элемент, который назвали полонием — в честь Польши, родины Марии Склодовской-Кюри. В некотором смысле это было вызовом царскому правительству. Дело в том, что подданная Российской империи Мария Склодовская родилась в 1867 году в Варшаве, столице будущего польского государства, но тогда никакой Польши не было, и родной город Марии Склодовской входил в Варшавское генерал-губернаторство Российской империи. Даже само это слово — «Польша» — употреблять не рекомендовалось.

Поскольку в те времена женщине получить образование в России было довольно-таки затруднительно, Мария уехала во Францию, поступила в парижскую Сорбонну и закончила ее с очень хорошими оценками. Вскоре она вышла замуж за Пьера Кюри и, прибавив фамилию мужа к своей, стала Склодовской-Кюри, хотя во Франции все звали ее просто мадам Кюри. Через несколько лет после открытия сразу двух химических элементов ее знаменитый муж погиб как простой парижский булочник — он был сбит конным экипажем. За три года до трагедии Пьер вместе с женой получил Нобелевскую премию по физике. А Мария Склодовская-Кюри является единственной женщиной, дважды получившей Нобелевскую премию, причем вторую уже не по физике, а по химии.

Одна из двух дочерей Марии и Пьера Кюри, Ирен, пошла по стопам матери и вместе со своим мужем, Фредериком Жолио-Кюри, также получила Нобелевскую премию за исследования радиоактивности. Ирен и Фредерик, как и великая мадам Кюри, умерли от последствий лучевой болезни: Ирен — в возрасте 59 лет, Фредерик — в возрасте 58 лет. Оба супруга работали и с радием, и с полонием, причем однажды Ирен по неосторожности пролила раствор соли полония себе на руки. Можно сказать, что Ирен Жолио-Кюри — первая в мире жертва отравления полонием.

Сейчас полоний в микроколичествах получают из урановой руды, а в граммовых количествах — в ядерных реакциях с участием висмута. Все изотопы полония радиоактивны, изотоп Ро-210 используется для лабораторного получения нейтронов. Изотоп является источником излучения альфа-частиц, которое можно преобразовать в электрический ток, поэтому на основе Ро-210 изготавливают батарейки сравнительно длительного срока службы для космических аппаратов — период полураспада этого изотопа составляет 138 дней. (Напомним, что период полураспада — время, за которое распадается лишь половина радиоактивного вещества. Об этом почему-то часто забывают, а ведь полный распад элемента происходит за время 5–6 полупериодов. Так, наибольшую опасность для человека после Чернобыльской аварии представляют изотопы цезия-137 и стронция-90 с периодом полураспада около 30 лет, и это означает, что опасность исчезнет только лет через 150 (5 × 30).

Полоний и его соли являются чрезвычайно ядовитыми веществами. После введения полония в организм человека резко изменяется состав крови, катастрофически нарушается деятельность печени и почек. Известно, что радиоактивное облучение может привести и к онкологическим заболеваниям, а может и подавлять рост злокачественных опухолей. Все зависит от мощности излучения, точности в выборе мишени и так далее, но полоний, в отличие от кобальта-60, медицинского применения пока не нашел. Зато случаи предумышленного отравления полонием известны.

Мария Склодовская-Кюри умерла от рака крови в 1934 году, в возрасте 68 лет. Она не просто работала с радиоактивными препаратами, но даже носила на груди ампулу с раствором соли радия. Впрочем, это последнее скорее всего легенда, но вот что известно совершенно точно: страницы рабочего блокнота с записями Марии Склодовской-Кюри об открытии полония и радия до сих пор, через сто с лишним лет, проявляют заметную радиоактивность. В честь Кюри названа внесистемная единица кюри (Ки), соответствующая радиоактивности 1 грамма радия — это бешеная активность. Для биологических исследований с помощью «меченых атомов» используют препараты, активность которых составляет тысячные доли Ки. Метод «меченых атомов», использование химических соединений, в которых какой-либо элемент заменен на его радиоактивный изотоп, позволяет установить, например, в каком именно органе человеческого тела концентрируется данное соединение, то есть где сидит рак. А на измерении содержания изотопа углерода-14 в органических артефактах прошлого основан метод радиоуглеродного датирования.

Радиоуглеродный метод

Метод радиоуглеродного датирования основан на следующем физико-химическом принципе: элемент углерод имеет три изотопа — стабильный углерод-12 в количестве почти 99 % от общего содержания изотопов, примерно 1 % углерода-13 и 10–10 % радиоактивного изотопа углерод-14. Этот изотоп образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей на атмосферный азот и имеет период полураспада 5750 лет.

Соотношение углерода-12 и углерода-14 в атмосфере и в биосфере (в живых организмах) примерно одинаково из-за активного перемешивания и участия всех живых организмов в углеродном обмене. Круговорот углерода в природе связан с усвоением углеродсодержащей пищи животными, а также гниением и выделением при этом углекислого газа, а он в процессе фотосинтеза поглощается растениями, которые в конце концов и поедаются животными. Особенно вкусные части растений (да и животных) поедает человек.

Но после смерти живого организма углеродный обмен прекращается. Стабильный углерод-12 как был, так и остается в мертвой плоти, а вот радиоактивный углерод распадается, то есть с каждым годом его становится все меньше и меньше, а соотношение углерод-12 / углерод-14 непрерывно возрастает. Это соотношение можно измерить, причем очень простыми методами, хоть тем же дозиметром, а затем сравнить с современной величиной соотношения. Поскольку период полураспада углерода-14 известен, можно легко рассчитать, сколько прошло времени после того, как древний грек срубил эту оливу и изготовил из нее деревянную ложку, которая чудом не сгнила и была найдена в археологическом раскопе. Или выяснить, когда именно убили «альпийского человека» Этци, мумия которого была вморожена в альпийский лед и тоже отлично сохранилась.

За разработку радиоуглеродного метода Уиллард Либби получил в 1960 году Нобелевскую премию. Сейчас мы можем определять возраст образца до 60 тысяч лет, то есть до десяти времен полураспада углерода-14, содержание которого за это время уменьшилось в тысячу раз. Самым знаменитым и самым оспариваемым примером применения радиоуглеродной датировки является установление возраста Туринской плащаницы, в которую по легенде был завернут Иисус Христос после смерти на кресте. В трех независимых лабораториях слепым методом было установлено, что плащаница изготовлена в XIII веке и не имеет никакого отношения к Иисусу Христу.

Однако этот вывод оспаривают многие верующие в плащаницу и Иисуса Христа, причем они имеют для этого некоторые основания: у радиоуглеродной датировки, как и любого другого научного метода анализа, имеются недостатки. Хотя правильнее их было бы называть проблемами. А дело вот в чем: очень непросто правильно отобрать образец для анализа. Та же плащаница за долгие годы хранения могла быть засорена другим органическим материалом, она горела в пожаре XVI века, а он мог «омолодить» волокна ткани. Однако независимые лаборатории использовали не саму ткань, а извлеченную из нее неповрежденную целлюлозу, молекулы которой ничем не изменишь. Так что выводы о XIII веке, похоже, неопровержимы.

Кстати, о древних плащаницах. Не так давно в иерусалимском захоронении нашли похоронный саван, предположительно I века нашей эры. На Святой Земле уже неоднократно находили остатки саванов, в которые заворачивали умерших в I веке, однако в самом Иерусалиме это произошло впервые. Саван хорошо сохранился, потому что погребальная камера в пещере, где находились завернутые в саван останки, была тщательно запечатана известковым раствором. Это сразу дало возможность археологам заподозрить, что умерший страдал какой-то заразной болезнью, вероятно, туберкулезом.

Радиуглеродный анализ костей показал, что умерший скончался в начале I века нашей эры — в тот самый период, когда, согласно Новому Завету, был распят Иисус Христос. Вот с этим радиоуглеродным анализом не станут спорить даже сильно верующие. Вскрытая пещера находится в Хиннонской долине, где, согласно Евангелию от Матфея, находится та самая «земля горшечника», которая была куплена за 30 Иудиных сребреников для похорон странников. Так что, возможно, в найденном захоронении погребены останки какого-нибудь больного паломника, пришедшего в Иерусалим в надежде на исцеление. Саван состоит из двух частей: одной накрывали голову, другой — остальную часть тела; делалось это для того, чтобы вдруг оживший мертвец мог закричать — в те времена впавших в летаргический сон часто принимали за умерших. Сама ткань соткана путем простого двустороннего переплетения нитей, а не диагонального, которое использовано в знаменитой Туринской плащанице. Но возникает вопрос: захотят ли верующие признать в простом туберкулезнике Христа?

Шотландский виски, голландский гений

Есть и совершенно неожиданные примеры применения радиоуглеродного метода. Например, отличить поддельный виски от настоящего коллекционного помогли испытания ядерного оружия 50-х и 60-х годов прошлого века.

Стоимость бутылки этого замечательного напитка, произведенного несколько десятилетий назад, может достигать нескольких тысяч фунтов стерлингов. А за виски позапрошлого века коллекционеры платят уже десятки тысяч фунтов. Разумеется, на этом своеобразном и многомиллионном рынке то и дело появляются подделки, которые довольно трудно отличить от оригинала. Искусственно состарить бутылку не так уж трудно, методы безупречной фальсификации стекла, бумаги этикетки и пробки давно и хорошо разработаны. Казалось бы, нужно провести анализ содержимого — обычного деревенского самогона, который шотландцы сумели всучить всему миру как качественный и элитарный «виски», — однако дегустаторы с трудом отличают старый напиток от сравнительно нового, поскольку при хранении виски в бутылке, в отличие от хранения в бочке, никаких особых изменений состава напитка не происходит.

Но специалисты из оксфордского Центра по радио углеродной датировке с помощью ускорителя догадались, что изготовленный в середине прошлого века виски делали из ячменя, произраставшего на полях с радиоактивными осадками от многочисленных испытаний атомных и водородных бомб. А значит, в конечном продукте содержание изотопа углерода-14 должно быть выше, чем в современной подделке, изготовленной после прекращения испытаний. Предположение блестяще подтвердилось, и теперь в Институте шотландского виски (надо же, есть и такой!) отбирают пробу напитка, выпаривают, сухой остаток помещают в ускоритель и измеряют содержание углерода-14.

В этой забавной организации уже научились определять время изготовления и гораздо более старого виски — если не год, то, во всяком случае, столетие. И в результате совсем недавно с аукциона «Кристи» была снята бутылка подделки, выдававшей себя за коллекционный Macallan Rare Reserve 1856 года. Оказалось, что виски, на который была установлена первоначальная цена 20 тысяч фунтов, изготовлен почти на сто лет позже, в 1950 году. Кстати, виски 1950 года тоже весьма недешевый напиток!

Напрашивается аналогия: поддельный Вермер работы фальсификатора ван Мегерена стоит намного дороже иных подлинных «малых голландцев». Эта история тоже связана с развитием химического анализа. Некий голландец Хан ван Мегерен во время оккупации Голландии гитлеровской Германией продал самому Герману Герингу картину «Христос и судьи», которую он выдавал за подлинник Вермера Делфтского (середина XVII века), причем продал за баснословную по тем временам сумму — полтора миллиона гульденов. Разумеется, картину он нарисовал сам, будучи вполне мастеровитым художником, — правда, его собственные работы признания у публики не нашли. Впрочем, Геринг, этот известный ценитель прекрасного, после сделки не обнищал — он был далеко не бедным человеком, да и те деньги наверняка украл у какого-нибудь репрессированного еврея.

После победы над нацистами в 1945 году голландцы решили осудить ван Мегерена за сотрудничество с оккупантами, но тут-то он и сознался в своих фальсификациях, а для доказательства предложил нарисовать — при свидетелях — еще одного «Вермера». Через полтора месяца появилась его последняя прекрасная картина «Юный Христос, проповедующий в храме». Теперь уже никто не сомневался, что ван Мегерен не запятнал себя коллаборационизмом, но ему все-таки присудили год тюремного заключения — за подделку произведений искусства. В камере он провел всего один день — после всего пережитого умер от сердечного приступа.

А между тем краска и холсты подозрительных картин, связанных так или иначе с именем ван Мегерена и украшавших лучшие европейские собрания, были проанализированы, в том числе с использованием измерения времени жизни радиоактивных изотопов, входивших в состав краски. Вскоре фальшивые «малые и большие голландцы» кисти гениального фальсификатора были удалены из художественных галерей и частных коллекций. Но прошло совсем немного времени, и они снова поступили на аукционы! Картины-то замечательные, да еще с такой захватывающей историей. И некоторые из них стоят подороже подлинников голландских художников того времени, хотя, конечно, не Вермера.

Запрещенный Рапопорт

Все хорошо знают, что работа с радиоактивными веществами не способствует здоровью их исследователей. Наверное, пагубное воздействие радиации не прошло бы даром и для мужа Марии Кюри Пьера, однако в 1906 году ученого сбил конный экипаж и колесо раздавило ему голову. Смерть под колесами, — правда, не экипажей, а автомобилей, — более типична для второй половины автомобильного XX века, Пьер Кюри и здесь опередил свое время. Точно так же, не из-за облучения, а в результате наезда автомобиля, погиб и наш соотечественник Иосиф Абрамович Рапопорт, выдающийся исследователь явлений, связанных с влиянием на живые организмы не только радиоактивности, но и химических соединений.

Однажды, когда в каком-то из отделов кадров его фамилию написали через два «п» — фамилия Раппопорт встречается гораздо чаще, — Иосиф Абрамович возмущенно заявил, что у него только один глаз и только одно «п». Второй глаз он потерял на фронте во время Великой Отечественной войны, на которой был дивизионным разведчиком. Надо же было командованию назначить в разведку, где легче всего попасть в плен к немцам, именно еврея! Но Рапопорт выжил и был даже несколько раз представлен к званию Героя Советского Союза, однако звания этого не получил: бумаги во всех случаях таинственным образом пропадали. Еще во время войны, в госпитале, он защитил докторскую диссертацию по генетике и в 1948 году уже известным ученым присутствовал на печально знаменитой, разгромившей отечественную генетику сессии ВАСХНИЛ (Всесоюзная Академия сельскохозяйственных наук имени Ленина).

Рапопорт стал единственным, кто открыто выступил против Трофима Лысенко, стремившегося ликвидировать не только генетику, но и самих генетиков, дабы избавиться от образованных конкурентов. В пухлом томе стенографического отчета о сессии есть такая лапидарная запись: «Рапопорт, с места: „Мракобесы!“ Его выводят». Иосиф Абрамович был исключен из партии, и можно сказать, что это было минимальным из возможных наказаний за его антипартийное и антисоветское поведение. Нелепейшим образом пострадала и выдвигавшаяся вместе с ним на Нобелевскую премию англичанка Шарлотта Ауэрбах: по правилам Нобелевского комитета номинируются либо оба исследователя, либо ни один. Кстати, выдающийся генетик еврейка Шарлотта Ауэрбах начинала свою исследовательскую деятельность в Германии, у нашего великого ученого Н. В. Тимофеева-Ресовского, который во время войны спас ее от нацистского концлагеря.

Только через 9 лет Рапопорту удалось вернуться к работе по химическому мутагенезу, когда директор Института химической физики лауреат Нобелевской премии академик Н. Н. Семенов создал для него в своем институте специальный секретный отдел, до которого не могли дотянуться лапы Лысенко. Здесь Рапопорт и открыл свои супермутагены, химические вещества, изменяющие состав наследственной молекулы ДНК, а следовательно, и свойства организмов с этой ДНК, причем, как показали его эксперименты, частота мутаций с использованием супермутагенов возрастает по сравнению с природной раз в 50. В результате получается новый сорт пшеницы или какой-нибудь гречки, либо обладающий большей урожайностью, либо приобретающий какое-нибудь иное полезное свойство, например устойчивость к полеганию или несъедобность для насекомых-вредителей. И все это происходит с помощью супермутагенов, к примеру этиленимина, диметилсульфата и боевого отравляющего вещества иприта (см. главу 5).

Рапопорт придумал и сам термин «супермутагены» и показал, что некоторые из них обладают даже большей мутационной активностью, чем такой признанный мутаген, как радиоактивное излучение. А этиленимин начал использоваться для получения мутантов не только растений, но и представителей «третьего царства» — грибов, продуцирующих антибиотики. Рапопорт создал около 400 новых высокопродуктивных сортов основных сельскохозяйственных культур; как мы уже говорили, в 1962 году он был выдвинут на Нобелевскую премию. После скандала с Нобелевской премией Бориса Пастернака шведы осторожничали и в случае с Рапопортом запросили согласия у Советского правительства. Условием получения премии советское начальство поставило вторичное вступление Рапопорта в партию. Рапопорт отказался, и в том году премию получили Френсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс за открытие структуры молекул нуклеиновых кислот — да-да, это та самая знаменитая структура ДНК и, наверное, самая знаменитая Нобелевская премия по физиологии и медицине. Поразительное совпадение.

Классическая селекция, которой занимался и наш Мичурин, производится так: среди выросших уже колосьев пшеницы выбирают те, которые лучше всего удовлетворяют требованиям селекционера. Например, наиболее устойчивые к полеганию — совершенно случайно, под действием самых разнообразных природных факторов, именно в семенах этих будущих колосков произошла подходящая мутация. Следующей весной селекционер высаживает эти семена и осенью отбирает из урожая наиболее стойкие колоски. На следующий год высаживает их семена и так далее. Лет через десять появляется новый сорт с низкой полегаемостью. Рапопорт же создал совсем новый метод: теперь генетики обрабатывают семена сильным мутагеном и уже в первый год выбирают растения, у которых мутация привела к появлению нужного свойства.

Пища богов и Франкенштейна

В конце прошлого века успехи генетики привели к очередной революции в селекции. Расшифровав генетический аппарат множества растений и животных, генетики научились, во-первых, определять ген, ответственный за появление нужного свойства, и, во-вторых, встраивать его в наследственный аппарат другого растения или животного. В результате, например, картофель с внедренным геном токсичности из бактерии Bacillus turingensis не поедает колорадский жук, определяемый этим геном токсин для жука убийствен. Такой способ селекции называется генной модификацией.

Казалось бы, все замечательно. Но на генную модификацию яростно набросились зеленые. Что же их так взволновало? А дело в том, что методами генной модификации выведены и выводятся сорта растений, устойчивых к вредителям. И соответственно поля больше не нужно обрабатывать пестицидами и прочей ядовитой и для человека «химией». А рынок средств защиты растений — это миллиарды долларов. Вот и компании, занимающиеся их производством, сильно озадачились своим будущим и принялись изо всех сил обрабатывать зеленых, ну а те завопили, что еда из генно-модифицированных продуктов — это «пища Франкенштейна». И помидоры с внедренным геном холодоустойчивой североатлантической рыбешки, которые в результате получили свойство устойчивости к заморозкам, являются мерзкими богопротивными гибридами растения и животного. Господь до такого не додумался, и, значит, эти помидоры — жуткая отрава, и еще неизвестно, что будет с будущими поколениями людей, поедавших рыбопомидоры.

Но человек, изучавший в школе биологию, по идее должен понимать, что любые гены — и природные, и искусственно внесенные в генетический код растения, — а также соответствующие им белки в нашем организме будут прежде всего и обязательно расщеплены на аминокислоты и благополучно переварены. А аминокислоты все одинаковы! И изменить что-то в генах человека чужие гены не могут. Критики генной модификации просто обманывают людей. Один ученый уже давно предложил премию в 10 тысяч долларов тому, кто предоставит статью о вреде для человека картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, но никто за премией так и не пришел. Мы веками едим икру, а это почти чистый генетический материал белуги или севрюги, а в последнее время все увлеклись суши и едят сырую рыбу. Но почему-то ни у кого жабры не выросли. Кроме того, критики забывают, что мы на самом деле уже давным-давно используем генно-инженерные лекарства, витамины и вакцины, пьем вино и пиво, которое сбраживают генно-инженерные дрожжи, едим йогурты, которые сквашивают генно-инженерные лактобактерии, и никаких неприятных последствий не наблюдается.

Аргумент насчет рыбопомидора также не выдерживает никакой критики. Дело в том, что генетическая информация и растений, и животных содержится в одной и той же молекуле ДНК. Только «буквы» этой информации, нуклеотидные основания, расположены по-разному. Молекула ДНК очень длинная (ее можно даже увидеть в обычный оптический микроскоп), и сочетание «букв», приводящее к появлению гена морозоустойчивости, наверняка можно встретить и во множестве растений и животных. Просто природа сочла, что помидору, изначально выращиваемому только в жаркой Центральной Америке, морозоустойчивость не нужна и перевела этот ген в разряд «молчащих».

Молчит этот ген и у бамбука. А ведь бамбук можно было бы использовать как исходное сырье для производства биотоплива. Сейчас взамен природных углеводородов используют этиловый спирт из кукурузы и сахарного тростника, растительное масло из рапса заливают в дизельные двигатели, из отходов на свалках получают биогаз. Однако стоимость биотоплива часто оказывается выше цены на нефть, а главное, при выращивании растений все равно приходится сжигать углеводороды, требующиеся тракторам, комбайнам и на фабриках по производству пестицидов.

Хорошей заменой кукурузы и тростника могла бы стать обычная древесина, которую можно использовать и для микробиологического производства того же спирта, и просто в качестве дров. Но тут появляется фактор времени: быстрее всего растет бамбук, но не в российском климате. Поэтому ученые из Иркутска постарались получить быстрорастущие осины и пирамидальные тополя. Они выделили из кукурузы ген, который управляет гормоном быстрого роста, и внесли его в почку осины. В результате опытные образцы росли в 7–8 раз быстрее обычных видов и за два года из саженца вырастало четырехметровое дерево.

Теперь, после получения необходимых разрешений, эти генно-модифицированные растения переводят на плантации. Через несколько лет деревья срубают, измельчают и путем брожения получают этиловый спирт. Но еще проще использовать их в качестве дров — в последнее время этот вид топлива перестали считать примитивным и устаревшим и отапливают им не только избы в деревнях, но и коттеджи, и даже многоэтажные дома. И это понятно — сидеть у камина совсем не то, что у батареи центрального отопления.

Иммунная коза

Сейчас проводят генную модификацию не только растений, но и животных. Делается это не потому, что, как говорил Станислав Ежи Лец, «чем больше мы заботимся о животных, тем они вкуснее», а с целью получения особо необходимых человеку веществ. Например, белка лактоферрина. Это белок, присутствующий в материнском молоке и обеспечивающий новорожденному ребенку еще не сформировавшийся у него иммунитет. Лактоферрин защищает от болезней, стрессов, холода и жары — от всего, что может повредить младенцу. А при встрече с инфекциями работает как природный антибиотик, уничтожая бактерии, вирусы и грибки.

Известно, что дети, находящиеся на искусственном вскармливании, лактоферрин не получают, а потому чаще болеют; среди них значительно выше заболеваемость и смертность. Чтобы им помочь, разумно, казалось бы, использовать грудное донорское молоко, но его мало, к тому же оно может быть источником опасных вирусов и бактерий, вот почему использование донорского молока в качестве источника лактоферрина в России запрещено. Но методами генной инженерии можно заставить животных, дающих молоко, производить лактоферрин в необходимых количествах.

Такие работы идут во многих странах мира, в России их начали ученые из Института биологии гена РАН. Поначалу идеи наших генетиков не нашли поддержки на родине, тогда не было в нашей стране ни чистопородных коз, ни денег. Зато понимание, финансовую поддержку и породистых коз ученые нашли в союзном государстве Россия-Белоруссия. За прошедшие годы им удалось создать генно-инженерные конструкции, позволяющие внедрить ген человеческого белка лактоферрина в организм животных. Их испытали на мышах, а потом внедрили в яйцеклетки коз. Получили козлов-производителей, а от них потомство козочек, которые дают молоко с уникальным человеческим белком.

Лактоферрин нужен не только детям, он эффективен и в лечении онкологических и многих других заболеваний, не случайно один его грамм на мировом рынке стоит до трех тысяч долларов. Во многих странах мира уже вывели трансгенных коров, чье молоко содержит человеческий лактоферрин.

Однако наши ученые не случайно выбрали коз. Во-первых, коровье молоко переносят далеко не все дети, существует и аллергия на коровье молоко, и непереносимость молочного сахара лактозы, а козье молоко издавна применяется в лечебном питании. Во-вторых, высокоудойная коза дает до тонны молока за год. Еще недавно острили, что коза — это корова социализма, поскольку голодная и худосочная колхозная буренка давала молока едва ли не меньше, чем ухоженная коза частника. В-третьих, выделенный из коровьего молока белок надо зарегистрировать как препарат, что требует времени, а козье молоко можно просто пить и детям, и взрослым. В-четвертых, содержание в нем лактоферрина в среднем в 10 раз выше, чем в женском грудном молоке, и он полностью идентичен человеческому.

Идеи ученых поддержали и российские фермеры. Две козьи фермы для получения лечебного молока уже построены — в Подмосковье и рядом с Великим Новгородом. Фермеры готовы наладить производство молока и различных продуктов из него, а генетики создали технологию выделения из молока лечебного лактоферрина и разделения человеческого и собственного белка животных. Предлагаю только целебный козий лактоферрин зеленым и противникам генной модификации не продавать!

Еще одним интересным примером генной модификации животных является выведение китайскими учеными хрюшек, которые производят жир с «рыбными» омега-3-кислотами. Эти кислоты являются основой витамина F, содержащегося в рыбьем жире. Китайские генетики встроили в ДНК свиньи ген рыб, ответственный за выработку омега-3-кислот, и родившийся у свинки поросенок приобрел замечательное качество — его жир и сало стали так же полезны, как рыбий жир. При этом исследователи утверждают, что шашлык из такого поросенка не имеет рыбного привкуса — надо сказать, обнаружилось это только после триумфального завершения эксперимента.

Успех китайских генетиков позволяет сделать некоторые предсказания по поводу «изготовления» новых видов животных. Например, рыбий жир содержит не только полезные омега-3-кислоты, но и богат витамином D (а также А). Напрашивается введение в ДНК свинки гена, вызывающего выработку этих витаминов. Другое направление исследований — выведение генетическим методом свиней, которые «жуют жвачку» и соответственно могли бы употребляться в пищу иудеями и мусульманами. Разведение «чистых» свиней в мусульманских странах с общим населением более 1 миллиарда человек спасло бы человечество от грядущего продовольственного кризиса.

До окончательного торжества селекции и генной модификации Иосиф Абрамович Рапопорт не дожил. Он погиб под колесами сбившего его грузовика. Работы по химическому мутагенезу тем не менее продолжаются, у этого метода остаются еще некоторые преимущества перед генной модификацией. И разумеется, огромные средства тратятся на изучение радиоактивности, открытой Беккерелем и впервые подробно изученной семейством Кюри. И конечно, самым главным событием в ее истории было обнаружение деления урана, наиболее наглядно продемонстрированное при бомбардировке Хиросимы и Нагасаки атомными бомбами.

«Малыш» и «Толстяк» летят на Японию

Первая атомная бомба, взорванная в испытательных целях 16 июля 1945 года в пустынной местности американского штата Нью-Мексико, была изготовлена с использованием плутониевого заряда. Элемент плутоний (изотоп плутоний-238) был впервые искусственно получен еще в 1941 году, но в атомной бомбе используется другой изотоп — плутоний-239. Испытания этой первой бомбы, называвшейся тогда просто Gadget, «Устройство» (английское слово «гаджет» со значением «приспособление» ныне вошло в русский язык), с точки зрения разработчиков прошло вполне удачно. Однако некоторые присутствовавшие при испытаниях американские военные выражали недоумение по поводу огромных затрат на создание бомбы и не слишком эффектного взрыва — и действительно, последствия взрыва в пустыне не были столь наглядны, как последующие результаты применения атомного оружия в Хиросиме и Нагасаки.

Несмотря на успех испытания плутониевой бомбы, на японский город Хиросима была сброшена бомба «Малыш» с зарядом не из плутония, а из изотопа урана-235. Еще до бомбардировки американские физики знали о сравнительно малой эффективности этой бомбы, связанной с расщеплением всего лишь пары процентов заряда. Однако и этого количества (речь идет о нескольких килограммах смеси изотопов урана) вполне хватило для полного уничтожения города и большинства его обитателей. Нельзя не признать, что выбор уранового заряда взамен плутониевого был обусловлен еще и чисто научным интересом разработчиков первых атомных бомб, фактически бомбардировка Хиросимы стала вторым испытанием этого оружия после взрыва в Нью-Мексико.

«Успех» плутониевой бомбы был закреплен при бомбардировке города Нагасаки. Из-за специфики географического расположения города и характера застройки, а также вследствие меньшей мощности, чем у урановой бомбы, здесь было гораздо меньше жертв и разрушений, чем в Хиросиме, однако плутониевая бомба «Толстяк» полностью подтвердила свою «работоспособность». (В настоящее время атомные бомбы изготавливают именно из так называемого оружейного плутония. С ним гораздо удобнее работать, ведь при использовании урана приходится разделять изотопы в природном уране и выделять уран-235, а это сложная и дорогостоящая операция).

В качестве целей американские военные и правительство для начала определили города Киото, Хиросиму, Иокогаму и городок Кокура, пригород Китакюсю. Впоследствии Киото и Иокогама были заменены на Ниигату и Нагасаки, причем Киото потребовал исключить из списка министр обороны США, который полюбил этот город после пребывания там во время своего медового месяца. Иокогаму решили не трогать из-за близости к Токио и возможности уничтожения императора Японии, которому предстояло еще подписать указ о капитуляции.

С самого начала была отвергнута идея бомбардировки отдельно стоящих промышленных объектов Японии, так как ядерное бомбометание представляло собой не просто часть военных действий, а было призвано продемонстрировать населению Японии фантастические возможности нового оружия, оказать психологическое давление и принудить правительство страны к капитуляции. Хиросима оказалась весьма подходящей для этого целью — на 90 % город состоял из деревянных одноэтажных построек, имел довольно большую площадь и был окружен холмами, которые могли бы усилить поражающее действие ударной волны. Слово «Хиросима» означает «широкий остров», лежащий вблизи невысокой горной гряды, причем скорее даже не остров, а просто ограниченная чем-то территория. Аналогом в данном случае может служить Лосиный остров в Москве, вовсе не окруженный водой. (Кстати, слово «Фукусима», название места, где в 2011 году произошла страшная авария на атомной станции, означает «счастливый остров».) Население Хиросимы в тот момент достигало 250 тысяч человек, среди которых были и американские военнопленные; лагеря для военнопленных располагались и в других городах Японии — заключенных использовали в качестве дармовой рабочей силы.

Справедливости ради отметим, что за десять дней до бомбардировки Хиросимы американцы передали по радио и сбросили с самолетов в виде листовок текст Потсдамской декларации, в которой были сформулированы условия капитуляции Японии и сделан достаточно «толстый» намек на обладание союзниками невиданным по мощности оружием. Хотя про конкретно атомное оружие там и не говорилось, оно все еще было секретным. Японское правительство отвергло декларацию.

Надо добавить, что подвергнутые бомбардировке города Хиросима и Нагасаки находятся вдали от густонаселенного центра Японии, атака на который привела бы к гораздо большему числу жертв среди мирного населения.

Разумеется, помимо ударной волны, светового и ионизирующего излучения при взрыве бомбы происходит еще и радиоактивное заражение местности, однако в случае сброшенных на Хиросиму и Нагасаки бомб действие этого фактора было не слишком велико, поскольку массы ядерных зарядов в обоих случаях исчислялись килограммами. Конечно, в момент взрыва и годы спустя тысячи японцев умерли от лучевой болезни, однако после взрыва 4-го реактора Чернобыльской АЭС значительно большая площадь подверглась радиоактивному заражению и значительно большее количество людей заболели. Это объясняется тем, что при взрыве реактора в атмосферу были выброшены не килограммы радиоактивных веществ, а тонны ядерного топлива, зато практически отсутствовало поражение ударной волной и световым излучением, поскольку при аварии произошел не ядерный, а тепловой взрыв, то есть не было расщепления ядер. Авария на Чернобыльской АЭС была не первой в ряду таких происшествий с атомными электростанциями, но самой крупной и серьезной. При всех сложностях, связанных с использованием атомной энергии, мы без нее не обойдемся. И именно АЭС представляют собой наиболее важное практическое применение явления радиоактивности, открытой Анри Беккерелем. А вовсе не атомная или водородная бомба.

Едоки радиации

Сегодня, казалось бы, всем совершенно очевидна вредоносность радиоактивного излучения, но удивительное дело — некоторые живые организмы буквально «питаются» радиацией. Например, в почве вблизи объекта «Укрытие» (бетонного саркофага над 4-м реакторным блоком ЧАЭС) и даже в самом этом объекте расплодились микроскопические грибы. Надо отметить, что исторически лишь недавно грибы были выделены из царства растений — они образуют «третье царство» природы, после растений и животных. С растениями их сближает привязанность к месту произрастания и рост в течение всей жизни, а с животными — отсутствие фотосинтеза и питание уже готовым органическим материалом. Грибы неприхотливы, растут где угодно, в самых, казалось бы, не приспособленных для жизни условиях. Cladosporium sphaerospermum, Cryptococcus neoformans и Wangiella dermatitidis, живущие на ЧАЭС, с успехом используют для своего роста бета-распад радиоактивного цезия-137.

Слишком большой опасности для человека цезий-137 не представляет, поскольку излучает лишь электроны (это и есть бета-распад), которые поглощаются даже листом бумаги. Все три вида грибов в присутствии цезия-137 развиваются гораздо быстрее и наращивают значительно большую массу, чем без него. Более того, микроскопические грибы тянутся к источнику излучения, как подсолнух к солнцу, при этом у них ускоряется выработка пигмента меланина. Меланин в грибах является некоторым аналогом хлорофилла, с помощью которого под действием света происходит соединение углекислого газа воздуха с водой (фотосинтез) и образование «тела» растения. Однако в грибах фотосинтез не идет, и роль излучения цезия-137 сводится, по-видимому, к активации образования меланина и увеличения массы гриба.

Таким образом, грибы не просто выживают, а наслаждаются своими невероятными условиями проживания. Никаких других живых существ в горячей зоне Чернобыльского реактора нет. Вообще воздействие радиации на животных и человека далеко не всегда смертоносно. Некоторые японцы, пережившие атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, уже поставили рекорды продолжительности жизни в своей стране, которая и так занимает первое место в мире по этому важнейшему показателю. Более того, существует теория о появлении homo sapiens в результате мутации человекоподобной обезьяны под действием природного ядерного реактора, работавшего в Габоне миллионы лет тому назад. Открыт был этот реактор, когда дотошные французские аналитики измерили содержание изотопов уран-235 и уран-238 в руде, привезенной из рудника около местечка Окло. Урана-235 оказалось как-то маловато, причем следует отметить, что это «маловато» проявилось не то в третьем, не то в четвертом знаке после запятой — вот каковы сейчас методы анализа. Куда же делся уран-235? Скорее всего, выгорел в ходе работы природного реактора, который включился из-за большой концентрации урана в этом месторождении.

Проблема появления разума у нашего предка, которому в принципе для пропитания и продолжения рода разум был не нужен, решается в этой теории на генетическом уровне. Случайная мутация — а ведь это химическая реакция! — привела к увеличению массы и числа извилин в мозгу нашего предка, благодаря чему тот наловчился охотиться на первобытного кролика.

Нобелевскую премию по физике за 1903 год Анри Беккерель разделил с супругами Кюри. Забавно, что он получил премию «за открытие самопроизвольной радиоактивности», хотя сам-то Беккерель таинственное излучение никак специально не называл, а другие физики тогда использовали термин «лучи Беккереля». То есть супруги Кюри «отняли» именной термин у Беккереля, открывшего новое явление, и присвоили лучам имя, производное от их радия. Зато история открытия Беккереля, как и истории других случайных, но потрясающих открытий, вполне достойна отдельной главы.

Глава 16

Случайные и неслучайные открытия

Есть такое симпатичное выражение: падение яблока точно на голову Ньютона является несомненным свидетельством их обоюдной научной зрелости. Никакая случайность не привела бы к открытию новых веществ и явлений, если бы не талант и интуиция ученых, обративших внимание на нечто необычное.

Лучи Беккереля

Вот как была открыта радиоактивность, наверное, самое удивительное явление в мире физики. В 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель получил должность заведующего кафедрой физики в парижской Политехнической школе, которую правильнее было бы назвать не школой, а высшим учебным заведением, но так уж сложилось. За год до этого Вильгельм Конрад Рентген открыл свои Х-лучи, которые потом стали называть рентгеновскими или просто рентгеном.

Эти лучи, являющиеся на самом деле электромагнитными волнами весьма малой длины, возникают при торможении электронов на стенках стеклянной откачанной трубки, в которую впаяны разноименные электроды — катод и анод. Электроны вылетают из катода при его нагревании, причем образование рентгеновских лучей часто сопровождается свечением — люминесценцией. Сами-то рентгеновские лучи невидимы, человеческий глаз различает цвет электромагнитных волн только видимого диапазона, то есть свет.

Но еще до открытия рентгена люминесценцию наблюдали при освещении люминесцентного вещества (люминофора) именно видимым светом, поэтому Беккерель предположил, что люминесценция и испускание рентгена — явления одной природы. И вполне логично решил выяснить, не возникают ли эти Х-лучи при облучении люминофора обычным светом. По невероятно счастливому стечению обстоятельств у него тогда под рукой оказался только один люминофор, а именно урановая соль уранил-сульфат калия K_2(UO_2) (SO_4)2. Он взял фотопластинки, завернул их в плотную черную бумагу, пропускающую рентгеновские лучи (это он уже проверил), и на получившийся пакетик насыпал свой люминофор. Затем, дождавшись солнечного дня, он положил пакетик на подоконник и оставил его там на несколько часов. И пожалуйста — пластинки оказались засвеченными! Беккерель, естественно, решил, что открыл новое явление — образование рентгеновских лучей при освещении люминофоров.

Но тут опять вмешался его превосходительство случай. В какой-то из дней Беккерель развернул пакет с фотопластинками, на который была насыпана соль урана, но пакетик этот не выставлялся на свет — он спокойно лежал себе в лабораторном шкафу, в полной темноте. Как уж Беккерель догадался совершить столь нелепый поступок, непонятно — любому другому было бы очевидно, что пластинки не могут засветиться, ведь света-то нет? А они засветились! И вместо того чтобы выругать лаборанта, явно перепутавшего образцы для опытов, Беккерель стал исследовать это явление и вскоре понял, что соль урана испускает какие-то другие, вовсе не рентгеновские, а неизвестные ранее лучи. Те самые, которые потом Мария Кюри назвала радиоактивными, хотя первоначально физики стали называть их, по аналогии с рентгеновскими, лучами Беккереля.

Беккерель был настоящим ученым. Он не ограничился уранил-сульфатом калия и, перепробовав все известные к тому времени люминофоры, убедился, что не содержащие урана люминофоры не засвечивают фотопластинки. Зато засвечивают их любые соединения урана, в том числе, и это самое важное, не проявляющие люминесцентных свойств. Всякие простейшие оксиды или хлориды. А значит, это свойство самого элемента уран. Остается только добавить, что и рентгеновские лучи были открыты случайно, и применяются они сегодня практически так же, как во времена Рентгена, обнаружившего их, — для дефектоскопии, в том числе человеческого организма. Чтобы посмотреть, где и как сломана нога, из какого органа надо вынуть осколок снаряда и нет ли подозрительных образований в легких.

Скользкий, но неподдающийся

Незадолго до Второй мировой войны в лабораториях американской компании «Дюпон» (DuPont) был создан фторсодержащий полимер тефлон. Он обладал удивительными свойствами — поразительной стойкостью к кислотам, щелочам и высоким температурам, да к тому же оказался невероятно скользким. Чего только не пытались из него изготовить, вплоть до искусственных человеческих суставов!

Появлением в нашем быту этого вещества, по правилам химической терминологии называемого политетрафторэтиленом, мы обязаны инженеру одного из заводов фирмы «Дюпон». История открытия тефлона в определенном смысле типична — в истории многих химических открытий случайность играет особую роль. Так вот, при уборке цеха одного из заводов обнаружился старый ненужный баллон с газом тетрафтор-этиленом (этилен, у которого все атомы водорода замещены фтором C2F4). Такого рода газы используют в охлаждающих системах холодильников, это и есть один из пресловутых фреонов, якобы разрушителей озонового слоя атмосферы (см. главу 16). Просто так выбросить баллон было нельзя, в таких баллонах газы обычно находятся под давлением до 150 атмосфер, а это очень много и есть опасность взрыва. Газ был уже не нужен, вентиль осторожно открыли, и — ничего не произошло, баллон оказался практически пуст. Но науке и нам с вами повезло: инженер удивился и приказал баллон разрезать. На дне баллона лежало немного белого порошка, который не растворялся ни в одной из известных кислот, щелочей, не горел и ни с чем не реагировал. А что же произошло? Под огромным давлением газ полимеризовался в знаменитый сейчас политетрафторэтилен, который получил короткое, благозвучное и запатентованное фирменное наименование тефлон. Этот тефлон настолько инертное вещество, что его даже называют органической платиной, которая, как известно, очень стойкий металл. Именно этой инертностью и нулевой адгезионной способностью объясняется использование тефлона для изготовления кухонной посуды. Адгезионная способность — это свойство прилипать к другим материалам. К тефлону ничего не прилипает, и пища, хоть до угольев сгорая, не пригорит к такой сковородке. Поэтому при жарении на ней нет необходимости в «прокладке» и можно жарить без масла. Впрочем, с покрытой тефлоном посудой тоже нужно обращаться аккуратно. На всякий случай несколько рекомендаций для профессионалов кухни.

Сейчас в любом хозяйственном магазине можно встретить посуду с покрытием из политетрафторэтилена, но покупать все-таки следует продукцию только известных фирм. Опасность заключается в том, что низкокачественное покрытие может разлагаться при перегреве (например, если вы оставили на огне кастрюлю без воды), а одним из продуктов этого разложения является боевое отравляющее вещество газ фосген! Никаких китайских дешевых подделок — скупой платит дважды, а в случае «левого» тефлона вторая покупка может и не состояться.

Еще не так давно при готовке в посуде с тефлоновым покрытием нельзя было пользоваться ножом, вилкой и другими металлическими приборами из-за возможности повредить полимерный слой. Однако сейчас в продаже появились современные разработки с очень устойчивым покрытием. Но все равно стоит выяснить, можно ли резать пиццу прямо на сковородке или требуются специальные деревянные или пластмассовые приборы. В любом случае посуду с таким покрытием не следует чистить никакими абразивными порошками, да это и не нужно, поскольку остатки пищи легко удаляются обычными моющими средствами на мягкой тряпочке или даже простой струей воды.

Кстати, случайно был открыт еще один суперскользкий материал. Ученые из Министерства энергетики США занимались синтезом веществ с термоэлектрическими свойствами, в которых при нагревании появляется электродвижущая сила (электроток). Однажды они изготовили керамический материал, состоящий из сплава бора, магния и алюминия AlMgB_14 и неметаллического борида титана TiB_2. Желаемыми термоэлектрическими свойствами этот композит не обладал, зато, как выяснилось совершенно случайно, у него оказался удивительно низкий коэффициент трения — 0,02, а по твердости композит уступал лишь алмазу и другому особо твердому веществу — кубическому нитриду бора. Для сравнения: коэффициенты трения тефлона и стали, покрытой смазкой, равны соответственно 0,05 и 0,16.

Новый композитный материал исследователи назвали BAM по первым латинским буквам входящих в его состав элементов бора, алюминия и магния и наловчились получать его сейчас в промышленных масштабах, однако объяснить наличие у ВАМ таких удивительных свойств пока не смогли. Обычно твердые вещества имеют простую, регулярную и симметричную кристаллическую решетку, как тот же алмаз, а у ВАМ — решетка составная, несимметричная и с множеством дефектов, которая совершенно несвойственна твердым веществам.

По поводу уникально низкого коэффициента трения, то есть высокой «скользкости», у исследователей есть некоторые соображения. Они полагают, что входящий в состав материала бор реагирует с кислородом воздуха с образованием окисла, который, в свою очередь, поглощает из воздуха молекулы воды, а те работают как сверхтонкая смазка. Именно тонкий слой воды под острием конька позволяет фигуристам выписывать на льду невероятные пируэты.

В качестве твердого материала ВАМ может заменить гораздо более дорогой алмаз. Хотя алмаз все-таки тверже ВАМ, он химически взаимодействует со сталью и довольно быстро разрушается, например, на станках для резки металла. А скользкий ВАМ — нет. К тому же в качестве идеальной смазки ВАМ имеет практически неограниченные области применения. Надо полагать, что скоро появятся сковородки с покрытием из ВАМ вместо тефлона.

Фосфор благодатного огня

Самым знаменитым случайным химическим открытием далекого прошлого, несомненно, является получение белого фосфора алхимиком Хеннигом Брандом (около 1630–1710). Алхимики, как известно, занимались поиском философского камня, который превращает любой металл в золото и заодно делает человека бессмертным. Видимо, чтобы у него было время потратить это золото. При этом мечтавшие получить философский камень алхимики и покровительствовавшие им короли и прочие правители совершенно не разбирались в экономике, что неудивительно — они только тратили деньги, а не зарабатывали их. Золото потому и является ценным металлом, что его мало, а если бы люди научились с помощью философского камня изготавливать его в неограниченных количествах, то его цена сравнялась бы с ценой того металла, из которого золото бы делали, скорее всего, со стоимостью недорогой меди. Когда в эпоху Великих географических открытий испанцы начали привозить десятки и сотни тонн золота из Америки, в Европе началась дикая инфляция и вместо процветания во многие страны пришел голод.

Однако по ходу дела алхимики сделали массу открытий, разработали множество приемов работы в лаборатории и придумали химическую посуду, а про алхимика Иоганна Бёттгера (1682–1719), работавшего при дворе саксонского курфюрста Августа Сильного, даже говорили, что он таки открыл способ получения золота. Вряд ли это так, но зато Бёттгер примерно в 1710 году сумел изготовить первым в Европе знаменитый и дорогой фарфор, позже получивший название майсенского. Об открытии же Бранда обычно говорят с усмешкой — пикантность ситуации заключается в том, что в качестве исходного сырья для изготовления своего философского камня Бранд использовал мочу, причем не свою (этого сырья не хватило бы для опытов), а мочу солдат местного гарнизона. Причем ушлый начальник гарнизона еще и содрал с него за мочу некоторое количество деньжат!

Бранд перегонял мочу в огромных количествах и в конце концов получил пару сотен граммов сухого остатка, которые решил прокалить с углем и песком. Он, конечно, не знал о присутствии в человеческой моче фосфатов, которые реагируют с песком (диоксидом кремния) с образованием пятиокиси фосфора, восстанавливающейся углем до элементарного фосфора, причем в данном случае его белой аллотропической модификации:

4Na_3PO_4 + 6SiO_2 + 5C = 6Na_2SiO_3 + 5CO_2 + 4P

Белый фосфор легко окисляется кислородом воздуха до своего оксида и при этом светится слегка зеленоватым, очень красивым светом. Увидев это свечение, Бранд пришел в изумление, а потом быстро смекнул, что тут можно подзаработать — показывать явление за деньги. И хотя белый фосфор не стал философским камнем — он не превращал железо или медь в золото, Бранду он золото все же принес: великолепное самосветящееся вещество стоило даже дороже золота. По крайней мере до того момента, пока великий швед Карл Шееле не разработал способ получения фосфора из золы после обжига костей животных и, к сожалению, людей. Впрочем, чаще всего преступников. Кости представляют собой сложный комплекс из органического вещества и минеральных солей — фосфатов кальция и магния, карбоната и хлорида кальция и многих других. Фосфор получим, заменив фосфат натрия в приведенной выше реакции на эти фосфаты кальция и магния. Открытие шведа Шееле лучше всех использовали его соотечественники, и поэтому шведские спички считались лучшими в мире и широко экспортировались, в том числе в Россию. Именно поэтому рассказ Антона Павловича Чехова называется «Шведская спичка».

В самой России спички выпускают с конца позапрошлого века, но к началу века прошлого от опасного белого фосфора отказались. Сейчас в головке спички и в намазке на боку спичечной коробки («тёрке») находится смесь различных веществ, главным из которых в головке является бертолетова соль KCLO_3, а в «тёрке» — красный фосфор, неядовитая и не воспламеняющаяся на воздухе аллотропическая модификация фосфора. Реакция между бертолетовой солью и фосфором приводит к воспламенению деревянной спички:

5KCLO_3 + 6P = 5KCL + 3P_2O_5

Фосфором, как написал Конан Дойль в «Собаке Баскервилей», была намазана светящаяся морда жуткого пса, но это не мог быть белый фосфор. Белый фосфор, во-первых, жутко ядовит, а во-вторых, и это самое главное, при окислении на воздухе (фактически горении) он не просто горит, а прожигает кожу и внутренние органы живого существа. На этом основано действие чудовищно бесчеловечных фосфорных бомб — горение белого фосфора невозможно остановить водой, а ожоги не заживают месяцами и причиняют ужасные страдания. Надо полагать, что морду собаки Баскервилей мазали каким-то безвредным люминофором, который называли по аналогии фосфором.

Вероятно, белый фосфор «отметился» и в возжигании Благодатного, или Святого, огня в Иерусалиме накануне православной Пасхи. Православные верят, что этот огонь нисходит с Небес, однако, поскольку этого не может быть (поскольку этого не может быть никогда), предлагается несколько вариантов объяснения «чуда». Первое, и самое простое: огонь зажигает зажигалкой типа «Зиппо» тот самый священник, который выносит первую зажженную свечку из Кувуклии — помещения, где хранится Гроб Господень. Что там делается в Кувуклии до выхода священника, никто не знает и не видит.

Но можно предложить и другое материалистическое объяснение. Белый фосфор растворяется в сероуглероде CS_2, и в этот раствор можно обмакнуть фитиль. Вначале ничего не происходит, но после испарения сероуглерода обнажается белый фосфор, он самовозгорается и зажигает фитиль. Может, так оно и происходит. А может, и нет, мы вряд ли когда-нибудь узнаем точно. Епископ Порфирий пишет, что огонь зажигают просто от постоянно горящей в Кувуклии лампады. Обратите внимание, что это говорит не какой-нибудь противный атеист, а один из высших чинов православной церкви.

Неаккуратный Флеминг

После описания обстоятельств «случайного» открытия явлений и веществ имеет смысл рассказать и про такое же «случайное» открытие лекарства, причем едва ли не самого знаменитого. Речь идет о первом в истории антибиотике — пенициллине.

Английский бактериолог Александр Флеминг работал в исследовательской лаборатории при лондонской больнице Святой Марии. Было известно, что он не отличался особой аккуратностью. Уже сделав несколько важных открытий, Флеминг прославился как замечательный исследователь, однако над его неопрятностью посмеивались. В 1928 году он приступил к исследованию золотистых стафилококков, вызывающих, например, заражение крови у новорожденных. Флеминг засеял микробами несколько десятков чашек Петри, которые понаставил по всей лаборатории. Однажды он заметил, что в одной из чашек развелась колония каких-то плесневых грибов, занесенных скорее всего из другой лаборатории, в которой изучали плесень из квартир больных астмой. Такого рода плесень появляется и сейчас в наших ванных комнатах, это черный налет мицелия гриба Аспергиллус нигер. Но в чашки Флеминга случайно попала другая, очень редкая, плесень, и это привело его к великому открытию.

Вечером того дня Флеминг должен был уезжать в отпуск и чашки Петри, разумеется, следовало помыть. Однако Флеминг просто оставил грязную чашку на лабораторном столе и отбыл на целый месяц. А вернувшись, заметил, что колония стафилококков сдохла. Флеминг много раз повторил опыт и убедился, что плесень рода пеницилловых прекрасно и в гораздо меньшей концентрации, чем использовавшиеся тогда антисептики типа карболки, уничтожает стафилококки, и не только их. Более того, он понял, что дело не в самих плесневых грибах, а в каком-то веществе, производимом этой плесенью. Вещество это было выделено и названо Флемингом пенициллином. Спустя девять лет пенициллином занялась группа оксфордских химиков под руководством Говарда Флори. Им и удалось довести дело до получения лекарственного препарата. И случилось это очень кстати — в то время уже вовсю шла Вторая мировая война. С тех пор пенициллин спас десятки миллионов человеческих жизней.

Во время Второй мировой войны союзники осуществляли так называемые челночные бомбардировки Германии. Взлетающие в Англии американские летчики после бомбежки Берлина или Франкфурта садились на подмосковные аэродромы и отдыхали в московских ресторанах в компании русских подруг, с которыми расплачивались сигаретами «Честерфильд», нейлоновыми чулками и… пенициллином.

Неслучайные открытия, или сумасшедший Карозерс

Нейлон для чулок был открыт не случайно, а в результате систематического исследования высокомолекулярных соединений американским химиком Карозерсом. Ученый сделал все свои лучшие открытия, работая в компании «Дюпон» и по ее заданиям, что довольно необычно для химической науки середины XX века. Вот участие в конкурсах, объявленных правительственными организациями с целью создания какого-нибудь продукта, в том числе даже и для коммерческого использования, только приветствовались. Например, победителем такого конкурса по разработке способа получения синтетического каучука стал наш ученый академик Лебедев (об этом подробнее сказано в главе 14). Но чтобы так цинично, с заранее поставленной целью извлечения прибыли из нового вещества, нанять известного ученого, переманив его повышенной зарплатой, — такое случалось не часто. Хотя пресс-секретари фирмы «Дюпон» неоднократно заявляли, что ничего такого хозяева компании не имели в виду, а просто интересовались фундаментальной наукой. И это говорилось о компании, которая была основана в ходе строительства завода по производству пороха! Впрочем, осуждать капиталиста за стремление получить прибыли — все равно что укорять рыбу за дыхание жабрами.

Уоллес Карозерс родился в самом конце XIX века, в 1896 году. Уже в возрасте 25 лет он защитил диссертацию по органической химии. Затем вел курс по органической химии в Иллинойском университете и в самом престижном Гарвардском, что и заинтересовало рекрутеров «Дюпона». Сначала Карозерс отказался перейти в созданную специально для него лабораторию, ссылаясь на проблемы с психикой, которые действительно у него отмечались. Но потом он все-таки начал работу по созданию полимеров с большой молекулярной массой. В результате сначала был получен материал под фирменным названием «неопрен» — каучукоподобный полимер на основе хлор-бутадиена CH_2=CClCH=CH_2. Отметим, что неопрен был синтезирован на несколько лет позже синтетического каучука Лебедева на основе незамещенного бутадиена. Суффикс — прен напоминает нам о стремлении химиков получить полимер, идентичный по свойствам натуральному каучуку, который является полиизопреном.

Вскоре руководство компании перестало притворяться и поставило перед лабораторией конкретную задачу: создать полимер, из которого можно было бы делать коммерческие продукты. Несколько отошедший тогда от дел Карозерс хотел было отказаться от руководства лабораторией, но увлекся процессами поликонденсации. Поликонденсация — это такой вариант полимеризации мономеров, при котором помимо образования полимера происходит отщепление низкомолекулярных веществ типа спирта или даже просто воды. И в 1936 году он достиг выдающегося успеха, получив знаменитый найлон-66, который у нас стали называть попросту нейлоном. Именно из этого полимера получилось вытягивать тонкие нити, из которых стали ткать материал невиданных ранее легкости, прочности, эластичности и износостойкости, — так химики получили идеальную ткань для женских чулок. Нейлон, утверждала реклама, «прочнее стали, тоньше паутины и элегантнее шелка», и действительно, при одинаковой толщине веревка или канат из нейлона прочнее стальных в десятки раз.

Карозерс не зря жаловался на свое психическое нездоровье. В возрасте 41 года, через два дня после дня рождения, он покончил с собой в гостиничном номере одного из филадельфийских отелей. Будучи действительно выдающимся, широко эрудированным химиком, он хорошо знал, что токсическое действие солей синильной кислоты усиливается в кислой среде. Он выпил раствор цианистого калия в кислом лимонном соке. Надо сказать, что ампулу с цианидом он много лет держал при себе. На запатентованном компанией «Дюпон» способе производства нейлона фирма до сих пор зарабатывает миллиарды долларов, в лаборатории Карозерса химики компании впоследствии синтезировали такие знаменитые полимеры, как лайкра и кевлар (материал для бронежилетов), а также полиэтилентерефталат, из которого сейчас изготавливают немнущиеся ткани и бутылки для воды и пива. Впрочем, независимо от американских химиков полимеризацию сложных эфиров осуществили и в СССР. Материал из отечественного полиэтилентерефталата был назван у нас лавсаном, но не нужно переводить это название как «любимый сынок». Лавсан — это аббревиатура от «Лаборатория высокомолекулярных соединений Академии наук».

Полуслучайные открытия, или конец аристократов

Если тефлон был открыт случайно, а нейлон — намеренно, то открытие соединений благородных газов можно назвать полуслучайным. Благородные газы, а их всего шесть — гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон, — до середины прошлого столетия считались совершенно инертными: они не реагировали даже с сильнейшим окислителем фтором, почему и были названы благородными. Для них в Таблице Менделеева удачно нашлась подгруппа VIII-a (в VIII-b расположены, например, железо, платина и недавно синтезированный дармштадтий), хотя иногда благородные газы помещают в специально для них организованную нулевую группу между ярко выраженными металлами и неметаллами. Однако в 1962 году произошло невероятно важное событие в истории неорганической химии: было получено первое устойчивое химическое соединение одного из благородных газов, после чего они навсегда потеряли свою аристократичность. (Надо сказать, что до того химикам удавалось получать гидраты инертных газов, но в них связи не химические, а слабые молекулярные.)

Среди всех стран мира по добыче урана лидирует Канада. Неудивительно, что в этой североамериканской стране много занимаются исследованиями химических свойств урана. Отделение радиоактивного изотопа урана-235 от нерадиоактивного урана-238 производится путем центрифугирования газообразного фторида урана UF_6 — под действием центробежной силы фторид более тяжелого изотопа урана-238 отбрасывается к стенкам центрифуги, а более легкий фторид концентрируется в ее центре. Вот почему в Канаде много занимаются и исследованием химических свойств фтора, этого сильнейшего окислителя, оказавшегося, однако, не самым сильным окислителем в природе. Приехавший на работу в Канаду английский химик Нил Бартлетт с увлечением изучал фториды, правда, не урана, а платины. Он заново синтезировал красный гексафторид платины PtF_6 (этот продукт реакции фтора и платины получали и до него) и собирался более подробно исследовать свойства этого вещества. Далее версии расходятся. По одной из них, Бартлетт просто долго хранил кристаллы гексафторида платины в ампуле, содержащей также обычный воздух. По другой версии, Бартлетт хотел очистить гексафторид от, возможно, присутствовавшего в этом веществе брома, для чего нагревал PtF_6 в трубке, ожидая увидеть желтые пары брома.

Однако в обоих случаях в емкости с гексафторидом появилось ярко-оранжевое вещество. Удивленный Бартлетт сумел провести химический анализ этого продукта реакции гексафторида с чем-то из воздуха (больше-то ничего не было) и обнаружил, что в составе оранжевых кристаллов имеется кислород. Удалось и установить их формулу, это оказался гексафторплатинат оксигенила O_2[PtF_6]. Катионом в нем является положительный однозарядный ион кислорода — катион оксигенила O2+. Другими словами, гексафторид платины оказался мощнейшим окислителем, сумевшим отобрать электрон даже у такого сильного окислителя, как кислород.

Пока все шло сравнительно случайно. Но тут начинается чистая наука. Было измерено так называемое сродство к электрону, то есть энергия, выделяющаяся в результате присоединения электрона к чему-либо, в данном случае к гексафториду платины. Её величина оказалась равной 6,8 электрон-вольта, что вдвое больше, чем сродство к электрону самого фтора, а эта энергия была уже давно измерена. И тогда Бартлетт задумался: а не сможет ли его гексафторид отнять электрон у какого-нибудь инертного газа? Например, у ксенона с минимальной для инертных газов энергией такого отрыва, которая называется потенциалом ионизации, и она у ксенона даже немного меньше, чем у кислорода.

Сразу же был поставлен опыт: в емкость, разделенную перегородкой на две части, в различные отсеки были помещены ксенон и газообразный гексафторид платины — довольно летучее вещество, его кристаллы испаряются при нагревании. Бартлетт вытащил перегородку, содержимое отсеков перемешалось, и ученый не поверил собственным глазам: мгновенно образовалось желтое вещество, формулу которого ученый определил как Xe[PtF_6]. В дальнейшем оказалось, правда, что формула несколько иная, но это уже было совершенно не важно, поскольку с того момента началась химия бывших благородных, а теперь простонародных газов. Сегодня уже получены соединения криптона, радона и совсем недавно — аргона. Гелий и неон пока держатся.

Итак, мы обсудили случайные, не случайные и полуслучайные открытия. Осталось, пожалуй, поговорить о лжеоткрытиях, тем более что некоторые из них нанесли огромный вред и мировой экономике, да и самой великой химической науке.

Глава 17

Иллюзии и заблуждения

Жадное до полезных ископаемых человечество пока не дотянулось только до двух регионов на планете — Арктики и Антарктики. Международному сообществу удалось договориться, что Антарктику оставят в покое и территории южнее 60-й параллели будут исключительно полигоном для научных исследований. А вот разрабатывать арктические богатства никому не запрещено, правда, существуют определенные ограничения. Например, добычу полезных ископаемых может вести только государство, обладающее исключительными правами на шельф (материковая почва, затопленная океаном). Границы шельфа в большинстве случаев давно установлены, однако в Арктике до сих пор остались огромные пространства с неустановленными геологическими характеристиками, например хребет Менделеева или хребет Ломоносова, который Россия и Дания, точнее, принадлежащий ей остров Гренландия, считают продолжением именно своего шельфа.

Твердый газ

При чем здесь химия? А вот как раз очень даже при чем, поскольку на этом шельфе залегают в несметных количествах очень необычные полезные ископаемые — газовые гидраты метана (газогидраты), твердые растворы метана во льду. Не надо удивляться понятию твердого раствора, в действительности каждый из нас имеет дело с такими растворами круглые сутки. Например, обычная нержавейка — твердый раствор хрома и никеля в железе. «Золотое» кольцо — твердый раствор серебра или меди в золоте, причем далеко не факт, что золота в кольце действительно 75 % (проба 750), а не меньше вследствие ловкости рук жуликоватого ювелира.

С достаточно высокой концентрацией метана во льду газогидраты могут существовать только при высоких давлениях и низких температурах, которые как раз и имеются на дне океанов и в зоне вечной мерзлоты. При понижении давления из газогидрата выделяется метан, аналогично тому, как выделяются пузырьки газа при откупоривании бутылки с газированной водой. Таким образом, газогидраты — это как бы замерзшая газировка. Иногда газовые гидраты называют клатратами (от латинского «в клетке»), потому что газ заперт в кристаллической решетке льда, как в тюремной камере. Проблема заключается в том, что до сих пор не существует надежной и экономически оправданной технологии добычи этого гидратного газа. Для расплавления подводных или подземных гидратов можно подавать в скважину горячую воду и солевые растворы или понижать давление в скважине, но все эти методы пока неэффективны.

Кстати, недавно американские и датские ученые подсчитали, на сколько именно «несметны» арктические запасы нефти и газа. Они составили хитроумную программу для компьютерного моделирования процессов образования углеводородов на шельфе. Результаты оказались действительно потрясающими и намного превышающими прежние оценки: в Арктике содержится примерно 30 % всех мировых запасов природного газа и 13 % нефти. Если раньше стоимость арктических углеводородов оценивалась в сотни миллиардов долларов, то теперь речь должна идти о триллионах. Некоторые месторождения можно разрабатывать уже сегодня, другие — через лет десять, когда глобальное потепление приведет к таянию ледового панциря. Впрочем, с газогидратами связаны и предсказания будущего Армагеддона. Так, широко обсуждается гипотеза о возможном высвобождении гидратного метана при повышении температуры из-за глобального потепления — гипотеза «клатратного ружья». Дело в том, что метан является парниковым газом и выделение его вызовет дальнейшее потепление — и еще большее выделение метана. Остановить этот процесс, как и выпущенную из ружья пулю, будет уже невозможно. Впрочем, многие ученые не разделяют мнение о парниковом характере потепления атмосферы Земли. Сейчас мы расскажем, почему они так думают.

Глобальное помутнение умов

Начнем с того, что сам термин «глобальное потепление» выдает леность переводчиков. Конечно, сейчас уже ничего не изменишь, все привыкли к «глобальному», но правильнее было бы перевести «всемирное потепление». В переносном смысле «глобальный» означает всеобъемлющий, но в данном случае имеется в виду «на глобусе», то есть всемирный. Это потепление вроде бы существует, вроде бы носит действительно всемирный характер и навязло в зубах у политиков, экологов, журналистов и обычных граждан всех 200 государств мира.

Итак, когда говорят о глобальном потеплении, имеют в виду возрастание средней температуры атмосферы планеты за последние сто лет примерно на 0,6–0,7 градуса Цельсия. Казалось бы, это небольшая величина, однако метеорологи заметили, что повышение на полградуса из этих 0,6–0,7 °C приходится на самые последние десятилетия ХХ столетия, то есть скорость повышения температуры тоже увеличивается. Математик бы сказал, что вторая производная положительна. Сразу же посыпались предсказания об увеличении температуры планеты к 2050 и 2100 годам на уже очень опасные несколько градусов. Опасные потому, что при таких температурах неминуемо растают ледники Антарктиды, Гренландии и полярная шапка Арктики. На метр повысится уровень Мирового океана, утонут Венеция, Санкт-Петербург и вся Голландия. Вдобавок растает вечная мерзлота Сибири, и в результате рухнут все наши города на сваях и полопаются нефте- и газопроводы. В экваториальных областях Земли наступит абсолютная сушь, земледелие станет невозможным. Короче, глобальный кошмар.

Хотя будут и плюсы, особенно для стран, разлегшихся на поверхности Земли не в меридиональном, а в широтном направлении, как наша Россия. В Сибири зацветут яблони, подмосковные агрокомплексы будут поставлять в столицу свежесорванные бананы и авокадо, а купальный сезон в Черном море продлится до января и начнется в феврале.

Разумеется, все это только предсказания. Повышения температуры на планете бывали и раньше, как и похолодания. В главе 5 уже упоминалась теория о падении Римской империи из-за многолетней засухи, вызванной глобальным потеплением. Причем факт глобального потепления в V веке является непреложным, это доказано строгими геологическими методами. А ведь никакой промышленности, выделяющей углекислоту, в Древнем Риме практически не было! Или вот, есть сведения, что в X–XIII веках правители Владимиро-Суздальского княжества охотились с ручными гепардами, и их не приходилось на зиму прятать в отапливаемых княжеских палатах. На Земле установилось глобальное потепление. И напротив, картины Брейгеля с конькобежцами на льду голландских каналов, рек и озер написаны во время так называемого малого ледникового периода. Предсказания вообще неблагодарная вещь. Например, в 1938 году советские ученые рассчитали, что через 20 лет КПД паровозов повысится на 20 %. Но через 20 лет от паровозов полностью избавились, отправили их на «запасные пути» и заменили электро- и тепловозами. Так и осталось неизвестным, возрос ли и на сколько КПД этих красивых, но чудовищно неэффективных монстров. А вот еще — совсем недавно у нас собирались строить суперканалы для заполнения водой Каспийского моря, мелеющего прямо на глазах. Сейчас мы имеем катастрофический подъем уровня этого моря и затопление прибрежных городов, причем без всяких каналов.

И что будет через 50 или 100 лет, одному Богу известно. Но оказалось, что уже сейчас на потеплении можно заработать. Для этого пришлось придумать фантастическое антропогенное, «человеческое» объяснение этого потепления. Было сделано предположение, что температура растет из-за так называемого парникового, или тепличного, эффекта. Любой огородник знает, что в парнике теплее и всякий овощ растет там лучше и быстрее. При этом теплицу можно, но не обязательно нужно специально обогревать — и специалисты объясняли парниковый эффект так: стекло пропускает к почве и растениям парника ультрафиолетовые лучи Солнца, которые эту почву подогревают. При этом образуются инфракрасные (тепловые) лучи, которые исходят из почвы, но не могут покинуть теплицу, так как для этих волн стекло непрозрачно. Постепенно температура в парнике растет.

Аналогом стекла, пропускающего ультрафиолет, но задерживающего инфракрасные лучи, в атмосфере являются парниковые газы — прежде всего углекислый газ, а также метан и многие другие, вплоть до обычного водяного пара. Количество выбрасываемого в атмосферу углекислого газа непрерывно растет, особенно это наблюдалось в ХХ веке. Углекислота является продуктом сжигания топлива и вообще промышленной деятельности, говорят адепты антропогенного потепления. И именно в ХХ веке промышленность развивалась особенно бурными темпами.

Вот вам и готовая теория: работают заводы — выделяется углекислота — действует как стекло в парнике — температура атмосферы растет — скоро все потонем или высохнем. Единственным способом предотвращения глобальной катастрофы является сокращение выбросов углекислоты, то есть скукоживание промышленной деятельности. Или по крайней мере переход к такому виду топлива, при котором образуется меньше углекислого газа. Интересно, к какому? Любое углеродсодержащее топливо — нефть, газ, уголь, торф, дрова — не годится, продуктом горения всегда будет углекислота. Остается разве что водород, но для его получения тоже необходимо электричество, вырабатываемое на тепловых или гидроэлектростанциях. Первые не годятся — опять придется жечь углеродсодержащее топливо, вторые исчерпали свои ресурсы.

Лоббисты «парникового эффекта» подняли страшный шум на всю планету, и эта явно прекрасно оплаченная кампания принесла свои плоды. В конце 1997 года в Японии был подписан Киотский протокол, согласно которому все страны-подписанты обязались сокращать свои выбросы углекислоты, причем для каждой страны определялась некая квота этих выбросов. Россия, например, должна выбрасывать сколько-то миллионов тонн углекислоты, а Зимбабве — явно поменьше.

Тепличка Вуда

Но, как известно, дьявол таится в деталях. Казалось бы, почти весь мир удалось «подсадить» на красивую углекислотную теорию. Однако. Однако еще в начале прошлого столетия удивительный американский ученый Роберт Вуд усомнился в справедливости объяснения тепличного эффекта. Надо сказать, что Вуд прославился простотой своих опытов и остроумностью решений. Так, однажды в Голливуде он увидел сложное и дорогое акустическое устройство, имитирующее «ужасный» скрип при открывании старой двери, созданное специально для съемок детективов и фильмов ужасов. Вуд удивился: а почему бы не установить просто старую скрипучую дверь? С тех пор на всех студиях такие двери и стоят. Вуд обожал химию и однажды подсыпал в остатки пищи, подаваемой в одном пансионе, немного хлорида лития LiCl, безвредного и похожего по вкусу на соль вещества. Он подозревал, что хозяйка пансиона вторично использует эти объедки, и на следующий день провел спектральный анализ якобы свежеприготовленной котлеты. Ярко-красная линия лития в спектре выдала мошенницу.

Итак, Вуд построил маленькую настольную тепличку с крышкой из плоского прозрачного кристалла обычной поваренной соли, которая в отличие от стекла пропускает и ультрафиолет, и инфракрасные лучи. И что бы вы думали — выставленная на солнечный свет тепличка отлично работала, температура внутри ее исправно повышалась! Вплоть до того момента, пока не была настежь раскрыта маленькая дверка.

Таким образом, Вуд установил — и это следует учесть всем садоводам и огородникам! — что в теплице тепло не из-за каких-то там излучений, а только потому, что в ней закрыта дверь и нет воздухообмена с атмосферой. Откройте дверь, и весь парниковый эффект пропадет! И с парниковыми газами типа углекислоты или метана тоже ничего не получается.

Критики углекислотного объяснения глобального потепления довольно долго отмалчивались, видимо, опасаясь упреков в консерватизме и неуважения к модной экологии. Лишь в последнее время, когда общество подустало от воплей зеленых и от их лицемерной критики глобализации и прогресса, которым они-то как раз с удовольствием пользуются, появилось письмо нескольких сотен ученых со всего мира, которые публично подвергли парниковый эффект научной критике.

Ну хорошо, а почему все-таки происходит потепление? Скорее всего, дело тут в «звезде по имени Солнце». В конечном итоге все энергетические происшествия на Земле — лишь отголоски солнечных бурь. Есть такое старое выражение; «мы живем в атмосфере Солнца». Вклад человеческого промышленного и сельскохозяйственного производства в общий энергетический баланс по сравнению с «солнечной» долей ничтожен.

Однако близость двух кривых — роста температуры и роста содержания углекислоты в атмосфере — наводит на некоторые размышления и требует объяснений. И вот изучение антарктического льда (в пузырьках внутри льда сохраняется атмосфера многотысячелетней давности) показало, что не рост температуры вызван ростом содержания углекислого газа, а скорее наоборот! Причина поменялась местами со следствием: сначала на планете теплеет, а уже потом увеличивается количество углекислоты. Океанологи считают, что это вполне естественно, так как соотношение объемов углекислоты в океане и атмосфере — 80:1. При повышении температуры воды углекислый газ просто выделяется в атмосферу.

Озоновые дыры в голове

Ситуация с глобальным потеплением и Киотским протоколом повторяет страшилку про озоновую дыру. По поводу образования зон с низкой концентрацией озона, который спасает нас от губительного ультрафиолета, тоже ломалось множество копий, карьер и судеб. Надувание озонового пузыря привело к подписанию Монреальского протокола о сокращении производства фреонов, которые якобы убивают этот самый озон. В результате баллончики с дезодорантами стали наполнять опаснейшей, горючей пропан-бутановой смесью, а компрессоры холодильников заполнять более дорогими веществами. А начиналось это так.

В 1973 году в Калифорнийском университете химики Марио Молина и Шерри Роуленд обнаружили, что некие соединения хлорфторуглероды (ХФУ, или фреоны), путешествуя по атмосфере, способны в конце концов достигать находящегося в стратосфере озонового слоя. На высоте от поверхности земли 15~50 километров ХФУ могут реагировать с озоном и таким образом уменьшать толщину этого слоя. Дело в том, что это очень прочные соединения, не взаимодействующие «по дороге» к озоновому слою практически ни с какими веществами — большинство других веществ окислилось бы атмосферным кислородом или разрушилось под действием солнечного света. За эту историю сразу же ухватились зеленые.

Важно, что хлорфторуглероды — не какая-нибудь небывалая экзотика, а широко использовавшиеся тогда в промышленности и быту продукты. Потрясающая инертность ХФУ сделала их идеальными веществами для заполнения аэрозольных баллончиков и систем охлаждения в холодильниках. ХФУ не ядовиты, не горючи, не пахнут, быстро улетучиваются — что еще нужно для пульверизаторов с дезодорантом или пеной для бритья!

Через несколько лет состоялась Международная конференция по проблеме истощения озона (в рамках Программы ООН по сохранению окружающей среды). Вскоре сотрудники НАСА объявили о сокращении озонового слоя на 1 %, а в середине 80-х годов прошлого века наконец-то обнаружилась озоновая «дыра» (область малого содержания озона) над Антарктидой. И в 1989 году вступает в силу Монреальский протокол, требующий прекратить производство ХФУ к 2010 году.

Первооткрыватели разрушающего действия фреонов на озоновый слой — Молина, Роуланд и Крутцен (Германия) — получили в 1996 году Нобелевскую премию по химии. Вполне заслуженно, так как претензии в этой истории могут быть предъявлены не к химии, а к «экологическим» выводам. С точки зрения химии процесс взаимодействия озона O_3 с ХФУ в общем выглядит так:

Видно, что хлор играет роль катализатора реакции распада озона.

Кроме зеленых, на борьбе с ХФУ сумели сделать себе имя и политики, особенно в США, где одним из ведущих противников этих газов стал сенатор Ал Гор.

Правда, юридическое образование позволяет ему разбираться во фреонах не лучше, чем свинье в апельсинах, а Сталину в языкознании. Но неужели у этой теории не было противников? Конечно, были — прежде всего промышленники. Знаменитая компания «Дюпон» (о ней кое-что сказано и в главе 16), производившая подавляющее большинство фреонов, очень даже спорила с учеными. Однако очевидная заинтересованность фирмы всегда вызывала недоверие к ее аргументам, и зеленые снова победили — фирма «Дюпон» практически прекратила выпуск ХФУ.

Но мы на фирме «Дюпон» не служим и имеем полное право попробовать объективно разобраться в этих аргументах. Первый, и естественный, вопрос вызывает появление дыры именно над Антарктидой — при чем тут дезодоранты, это просто смех, в Антарктиде количество полярников и дезодорантов очень даже невелико! И холодильников с фреоном там примерно столько же, сколько в одной российской пятиэтажке, если не меньше, ведь хранить продукты можно прямо в снегу. Обычным ответом зеленых являются рассуждения о циркуляции атмосферных масс, переносе и так далее. Однако перенос «дыры» из одного пункта в другой больше всего походит на перетаскивание ямы из одного конца садового участка к другому. Кроме того, выяснилось, что виноваты не хлорфторуглероды, а просто хлор или хлорсодержащие соединения, — это видно из приведенной выше системы уравнений. А также закись и двуокись азота, выделяемые автомобилями или образующиеся при распаде удобрений.

Однако хлор появляется в атмосфере далеко не только из баллончиков! При извержении среднего вулкана в атмосферу выбрасывается чудовищное количество хлористого водорода. При одном-един-ственном извержении образуется намного больше хлора, чем можно выпустить ХФУ из всех продающихся за год баллончиков и холодильников. По всей видимости, истоньшение озонового слоя является чисто временным и случайным явлением, связанным с максимумами солнечной активности и космического излучения. И самое главное. Уже вскоре после обнаружения возможной вины ХФУ ученые начали интересоваться содержанием фреонов в атмосфере до начала промышленного производства этих веществ, то есть до 30-х годов прошлого столетия. Для измерения этого содержания в еще более далекие годы исследователи изучали состав воздуха в старинных запечатанных бутылях, в запаянных колбах песочных часов и алхимических ретортах. Ничего особо интересного получено не было, возможно, из-за низкой чувствительности аппаратуры. Но зато в пузырьках воздуха, вмороженных в антарктический лед около тысячи лет тому назад, были обнаружены пресловутые ХФУ в количествах, вполне сравнимых с современными!

Заменой фреонов в аэрозольных баллончиках стали горючие сжижающиеся газы типа бутана — газа, которым заполнены красные дачные баллоны. Недаром на пульверизаторах появились устрашающие надписи «огнеопасно» и «крайне огнеопасно». Когда-то, лет десять тому назад, я посмотрел американский боевик, где «плохой парень» подстерег «нашего хорошего» в ванной комнате. «Плохой», в силу политкорректности, разумеется, белый, а «хороший» по тем же причинам — темно-коричневый, говоря по-русски — негр. «Плохой» направил на негра пистолет, но вместо стрельбы начал разговоры разговаривать.

Мол, попался, гнусный коп, вот я сейчас тебя! При этом «плохой» курил сигару немалых размеров. И вот «наш хороший» берет баллончик с дезодорантом и обрабатывает себя под мышками, а плохой посмеивается — какой смысл перед смертью? После чего «хороший» прыскает струю «плохому» в лицо, и, загоревшись от сигары, оно вспыхивает. Наши победили. Только тогда непонятно было — откуда огонь, ведь в дезодорантах принципиально негорючий фреон?

А вот и не фреон, все дело в том, что уже тогда в Америке отказались от фреонов в пользу горючих углеводородов. У нас этот абсурд случился существенно позже, но уже известны десятки случаев возгорания строений и появления ожогов у ни в чем не виноватых обывателей. Впрочем, используются и не содержащие хлора фторуглероды.

Соленый путь

С наступлением зимы улицы наших городов начинают посыпать «солью». Принято считать, что это очень вредно для автомобилей и обуви пешеходов, а также для деревьев и газонов на тротуарах. Каждый зимний сезон в газетах появляются панические статьи об экологическом вреде данного мероприятия и требования прекратить, запретить и приказать убирать снег силами дворников и специальных машин.

Возьмем наши крупнейшие города. Москва находится на 56-й параллели, Екатеринбург — на 58-й, Санкт-Петербург — на 60-й. Ни в одной другой стране мира на таких широтах не располагаются столь крупные по территории и населению города, ни в одной стране мира нет столь долгих зим. Поэтому все способы удаления снега и льда с поверхности автодорог, будь то в северном Хельсинки или более или менее северном Торонто, для нас абсолютно неприемлемы. Пишут, что в Хельсинки посыпают дороги не песком с солью, а гранитной крошкой — но весь Хельсинки помещается в московское третье кольцо, а в Торонто зима длится месяца два. Сравнения с США просто бессмысленны, все мы знаем, что обильные снегопады в этой южной стране превращаются в национальное бедствие.

А у нас такие снегопады — национальная особенность, банальная, как дураки и дороги, и происходящая каждый год 5 месяцев подряд. Просто климат нам достался худший из возможных (в Гренландии хуже, но там и живут пара десятков тысяч человек — как на одной московской улице). Поэтому, кстати, насмешки Фазиля Искандера по поводу слишком пристального внимания москвичей к прогнозам погоды несостоятельны. Да, в России не бывает тайфунов или цунами, но жители больших городов уходят по утрам из дома на весь день, до работы добираются около часа, и поэтому зайти домой в обед и переодеться, если изменилась погода, у них возможности нет — в отличие, к примеру, от жителей Сухума, который поместится в московском Бульварном кольце. Вот почему снег и лед приходится убирать единственно возможным методом, посыпая дороги смесью песка и веществ, понижающих температуру замерзания раствора. Ничего не поделаешь, такими веществами являются соли и некоторые органические соединения, например глицерин или этиленгликоль. Можно ли представить себе обработку улиц глицерином или автомобильным тосолом (это и есть этиленгликоль)? Тосол помимо высокой стоимости еще и ядовит. А из солей самыми эффективными в деле плавления льда и снега и самыми дешевыми являются хлориды, прежде всего — хлорид натрия, наша поваренная соль.

Впрочем, были попытки поливать улицы раствором другого хлорида — хлорида кальция, который «работает» при еще более низких температурах. Привело это к тому, что даже в самый отчаянный мороз под 30 °C вся Москва была покрыта мерзкой черной жижей, которая намертво прилеплялась к лобовым стеклам и фарам автомобилей. Пробовали использовать минерал сильвинит — смесь хлорида калия и хлорида натрия, но тоже ничего особенно хорошего не вышло. Лучше соли и песка пока наука ничего не придумала.

Время от времени появляются предложения о нагреве поверхности дорог электрическим током. Например, использовать для покрытия дорог электропроводящие минералы типа карельского шунгита или проложить проволоку. Все это такая чушь, что даже обсуждать не хочется. Стоит поговорить разве что о стонах зеленых по поводу коррозии автомобилей, действительно усиливающейся после обработки дорог хлоридами, о гибели деревьев, растущих около этих дорог, и, наконец, о порче нашей обуви.

Что касается автомобилей, то проблема решается просто, надо лишь обработать днище специальными мастиками. Кроме того, доказано, что после снегопада или появления гололеда количество аварий на городских дорогах, еще не обработанных песчано-соляной смесью, возрастает десятикратно! Тут уж не до беспокойства о ржавчине. Теперь насчет обуви.

На самом деле наша поваренная соль NaCl коже не вредит, а, наоборот, защищает ее от гниения. И вся идущая на изготовление обуви кожа пропитана раствором соли. При ее намокании и последующем высыхании происходит процесс хроматографии — вода по капиллярам кожи перемещается от более мокрого места к более сухому, переносит с собой соль, высыхает — и соль остается на границе процесса. При этом переносится любая соль — и та, что действительно попала с улицы, и собственная соль кожи. Проверить это проще простого — посмотрите на состояние сапожек после прогулки по снегу где-нибудь в лесу, где соль никто не разбрасывает. После высыхания на сапожках образуется все тот же белесый след, причем неопасный и легко смывающийся водой или закрашиваемый кремом для обуви.

Но вот деревьям в городе соль действительно не полезна. При разбрасывании ее на газонах (по нерадивости) растительность и правда угнетается. Однако просто не надо бросать соль где попало. С автомобильных дорог смытая соль должна попадать в канализацию, никак не связанную с корнями деревьев, и проблема решается тоже просто — муниципалитет должен следить за исправностью канализации.

Негорючие перчатки

А вот и еще одна история, в которой конкуренция строительных компаний одержала победу над здравым смыслом и химической наукой. Это про асбест — удивительный природный волокнистый минерал на основе магнезиальных силикатов из групп хризотила и амфибола. Наибольшее технологическое значение имеет всем известный белый (хризотиловый) асбест. Гибкие тонкие волокна асбеста имеют достаточно высокую прочность на разрыв, пригодны для прядения и получения тканей и обладают высокой жаро-и химической стойкостью и теплоизолирующей способностью. Варежки из асбеста, использующиеся металлургами, после загрязнения можно не мыть, а просто бросить в огонь — прокаливание возвращает им снежно-белый цвет.

Эти свойства асбеста привели к широчайшему использованию минерала в самых различных областях, прежде всего в строительстве. Из асбеста, основные запасы которого находятся в России и Канаде, изготавливают потолочные плиты, асбоцементные трубы, противопожарные переборки, стеновые панели, различные утеплители и даже асбестовые одеяла, которыми положено накрывать очаги воспламенения. Использовался асбест и в тормозных накладках для автомобилей.

Однако в 70-е годы прошлого века появились публикации о канцерогенности асбестовых волокон размером менее 5 микрон. Эти волокна могут внедряться в ткань легких и после длительного латентного периода (между попаданием и заболеванием) через 15–40 лет вызвать рак легких. Почему-то большинство зеленых не насторожили эти поразительные числа, и они с энтузиазмом начали громить асбестовую промышленность. И это им удалось. На Западе борьба с асбестом практически привела к краху асбестодобывающей отрасли. Строительство новых объектов с использованием этого минерала прекращено, более того, тысячи старых зданий в Германии, США и Канаде были безжалостно снесены. При этом, кстати, образовалось намного больше строительной асбестсодержащей пыли, чем было ее в исходном доме. Несчастные маленькие антифрикционные накладки делают теперь без асбеста — так и написано: «asbestos free». С 2005 года использование асбеста в Европейском союзе полностью запрещено.

В нашей стране использование асбеста также было подвергнуто множеству ограничений. И это при том что технологии применения асбеста у нас резко отличались от западных. В бывшем СССР и сейчас в России асбест всегда смешивался с вяжущим материалом (тем же цементом) и из смеси формовались изделия, в дальнейшем покрывавшиеся краской или какой-нибудь облицовкой. Такой материал не пылит. На Западе мокрый асбест часто просто набрызгивали на поверхность, подлежащую изоляции, без дополнительной доводки, препятствующей выделению мельчайших частиц асбеста. Кроме того, у нас используется длинноволокнистый хризотиловый асбест 3MgO × 2SiO_2 × 2H_2O, а на Западе — амфибол R7[SiO_11]2(OH)2, где R = Ca, Mg, Fe, который в 100–500 раз опаснее хризотила.

Обратимся и к цифрам. Что такое 40 лет латентного периода? Неужели не очевидно, что за 40 лет человек может подцепить такое количество заболеваний, подвергнуться воздействию такого числа вредных факторов окружающей среды и испытать столько нервных потрясений, что отнести рак именно к асбесту, которым он надышался 40 лет тому назад, просто несерьезно? Есть и другие, еще более сильные возражения. У нас на Урале находится центр асбестодобывающей промышленности, город Асбест, и частота онкозаболеваний в этом городе ничуть не выше, чем в остальной России.

И наконец, почему именно асбест? Дышать пылью действительно вредно, причем всякой — и асбестовой, и цементной, и городской, и даже древесной. А материалы, пришедшие на смену асбесту в строительстве, как, например, различные вспененные полимеры, часто гораздо опаснее асбеста. Из них могут выделяться безусловно вредные компоненты, при их горении образуются смертельно ядовитые газы. Одной из важнейших причин борьбы с асбестом была именно заурядная конкуренция германских фирм — производителей стройматериалов. Зеленых, как говорят на том же Западе, просто использовали в этой борьбе. А в результате страховые выплаты по заболеваниям, якобы связанным с асбестом, оцениваются в 200 миллиардов долларов! Этим деньгам можно было найти и более разумное применение, например потратить их на разработку химических веществ, безопасных при использовании в быту.

Глава 18

Опасности подлинные и мнимые

Сейчас более 70 % россиян живет в городах, а значит, большей частью в квартирах, хотя во множестве наших муниципальных образований, как стали теперь выражаться наши гении канцелярита, еще стоят жилые избы «времен Очаковских и покоренья Крыма». И эти наши квартиры оклеены обоями, далеко не всегда покрашенными неядовитыми красками. Конечно, не столь ядовитыми, как краска на основе мышьяка, вероятно, отравившая Наполеона на острове Святой Елены (см. главу 5), но разрешать детям лизать обои все-таки не стоит. Однако самое опасное в наших «двушках» и «трешках» — это все же мебель, особенно мягкая.

Личный газваген

Современная мягкая мебель изготавливается с использованием большого количества поролона и синтетических тканей. Сам по себе поролон не вреден, но при горении образует ряд смертельно опасных газов, например цианистый водород HCN. Именно поэтому часто погибают курильщики, заснувшие с непогашенной сигаретой: большого пожара вроде бы и нет, но всего лишь нескольких минут пребывания в дыму от прожженного дивана достаточно для, как говорят врачи, экзитус леталис, смертельного исхода… Чтобы поролон не загорелся, сегодня в его состав включают так называемые антипирены. Если вы курите прямо в комнате, а не выходите на лестницу, то при покупке мягкой мебели обязательно поинтересуйтесь, обработан ли поролон этим веществом. Синтетические ткани для обивки мебели, в отличие от природных, обладают высокой электризуемостью, низкой гигроскопичностью и тоже выделяют вредные вещества при горении. Поэтому, если есть деньги, стоит последовать западной моде на хлопок, шерсть, лен и джут.

Оловянная чума

Совершенно неожиданно выяснилось, что небезопасным объектом в квартире является обычный линолеум. Оказалось, что в эти поливинилхлоридные покрытия для пола добавляют в количестве нескольких процентов по массе ядовитое соединение олова дитретбутилоловооксид (t-C_4H_9)2SnO (ТБО). Кстати, выражение «поливинилхлоридный линолеум» напоминает высказывание Владимира Маяковского об «электрической конке» — трамваи давным-давно ездят на электричестве, а не на конной тяге, но название сохранилось. В поливинилхлоридном покрытии для полов нет ни капли льняного масла, главного компонента натурального линолеума (от латинского oleum — масло), но слово это — «линолеум» — прижилось и осталось в нашем лексиконе.

ТБО добавляют в поливинилхлоридную основу для стабилизации полимера, однако даже небольшие количества оловоорганических соединений крайне отрицательно воздействуют на гормональную и иммунную системы человека. ТБО способно испаряться из линолеума, особенно хорошо этот процесс протекает в малопроветриваемых и хорошо отапливаемых помещениях — например в детских садах и школах, где часто покрывают полы именно линолеумом, но боятся сквозняков. Самое неприятное, что отечественные органы по сертификации исследуют содержание вредных веществ в воздухе над такими покрытиями для полов, но ТБО обычно не анализируется.

Сам по себе металл олово неядовит, из него делают разнообразную пищевую посуду и прочие емкости. Однако олово обладает очень интересным свойством, получившим название «оловянная чума». Именно оно послужило одной из причин гибели экспедиции Роберта Скотта к Южному полюсу. Дело в том, что металлическое олово существует в двух аллотропических модификациях: при температурах выше 13,2 °C этот металл представляет собой кристаллы алмазоподобного типа и называется белым оловом, бета-фазой, а при температурах ниже 13,2 °C он превращается в серое олово, или альфа-фазу, с гораздо менее плотной структурой. Причем чем ниже температура, тем быстрее происходит фазовый переход и олово превращается просто в порошок. Максимален этот переход при -33 °C, и именно такие температуры обычно и бывают в Антарктиде. Керосин экспедиции Скотта вытек из канистр через разрушившиеся соединения, паянные оловом, и путешественники замерзли. Другим примером «оловянной чумы» считается превращение в порошок оловянных пуговиц французских мундиров зимой 1812 года. Несчастные солдаты великой наполеоновской армии тогда тоже сильно подмерзли, бредя по нашим российским просторам.

Чтобы предупредить нежелательное воздействие этой новой «чумы», ТБО, необходимо регулярно проветривать помещения с поливинилхлоридным линолеумом, не допускать перегрева помещения и прямого воздействия солнечных лучей на линолеум. Кроме того, следует ограничить прямой контакт детей с покрытиями с ТБО — особенно хорошо оловоорганика проникает именно при прямом контакте. А вообще, как и в случае мебели, лучше использовать натуральный линолеум, некоторое количество этого материала еще производится.

Химчистка

Если инопланетянин просидит вечер перед телевизором и не будет переключать каналы при появлении рекламы, то у него сложится странное впечатление о жизни землян. Ему придется доложить в свой НИИ по изучению белых человечков, что они в огромных количествах поглощают пиво, закусывают этот напиток шоколадками, «критические» дни скрашивают какими-то прокладками и все время чистят полы, раковины и плиты различными порошками и гелями. Инопланетянин будет совершенно прав, в последнее время производители выбросили на рынок целую серию очистителей всего от всего. Но действительно ли это такие уж новые средства, не продают ли нам все то же самое, но в иной упаковке?

При очистке любой поверхности хозяйка, часто даже того не подозревая, преследует три цели — отодрать присохшую грязь, удалить цветные пятна (от кофе, вина и так далее) и убить вредные микроорганизмы, с удовольствием размножающиеся в этой вкусной и питательной грязи. С первой задачей справляется жесткая щетка или любой абразивный порошок, даже просто смоченная водой питьевая сода Na_2CO_3, особенно если щетку намылить, а к соде добавить стирального порошка. Вторая задача несколько сложнее, тут требуется отбеливатель, который заодно решает и третью задачу про микробов. В результате в состав практически любого средства для чистки раковин, кафеля, газовой или электрической плиты входят абразивы, поверхностно-активные вещества (ПАВ), представляющие собой действующее начало стиральных порошков, отбеливатели и ароматизаторы для приятного запаха.

Так, в состав многих очистителей в качестве абразива введены карбонат кальция CaCO_3 — обычный мел или известняк — и столь же обычная сода, в некоторые добавляют сульфат натрия Na_2SO_4. Никаких новостей здесь нет и в помине, да их и не может быть. И ничего страшного в том, что данное утверждение фактически совпадает с пресловутым «этого не может быть, потому что не может быть никогда». Химия, а именно она главная при создании средств для чистки, — довольно консервативная наука. Например, только в химии есть жесткая Таблица Менделеева, не допускающая у веществ появления каких-либо свойств, выходящих за рамки дозволенных этой Таблицей. Сода просто обречена иметь щелочную реакцию и неплохо очищать плиту от убежавшего молока.

В еще большей степени эти ограничения распространяются на отбеливатели. Некоторые производители хвастаются прекрасным отбеливателем, так называемым гипохлоритом натрия NaOCl, который, впрочем, был придуман в XVIII веке. Еще тогда, во времена Великой французской революции (1789 год!) в местечке Жавель под Парижем была построена первая фабрика для производства этого вещества («жавелевой воды»), крайне необходимого для отбеливания соломенных шляпок и полотняных штанов граждан всех трех сословий. Принюхаемся к современному отбеливателю. Пахнет, пахнет хлором! Это явно он, наш старый приятель гипохлорит!

Ничего не поделаешь, смотри Таблицу Менделеева: в правом верхнем углу, где самые сильные окислители (они же отбеливатели), стоит хлор, и рядом только фтор да кислород. Фтор слишком силен и совершенно не годится: вместе с желтизной он удалит и саму шляпку, и ее хозяйку. Вот кислород может подойти, и вводить перекиси в состав жидких отбеливателей вполне допустимо. Эти вещества в состоянии превратить брюнетку в блондинку, удалить многие пятна с одежды и постельного белья и уморить кишечную палочку, но все же перекись действует хуже гипохлорита.

Тепло и сыро

Поступающая в квартиры горожан водопроводная вода в принципе должна соответствовать требованиям специальных правил, разработанных специальными санитарными органами. Такую воду совершенно спокойно можно пить, однако во всех ли городах соблюдают эти правила? Очевидно, что нет, но теперь граждане имеют возможность дополнительно очищать свою воду прямо на кухне бытовыми фильтрами.

Эти фильтры можно разделить на два класса: встраиваемые в систему водопроводных труб и фильтры кувшинного типа, которые просто стоят на рабочем столе домашней хозяйки. Первые фильтры врезают в трубу, и они обеспечивают семью водой прямо из того же крана. Эти фильтры имеют различную конструкцию и стоимость, которая может достигать нескольких тысяч долларов. Но такие устройства являются уже некими самостоятельными агрегатами, требуют значительной площади для установки и предназначены скорее для очистки воды за городом, в коттедже. Фильтры кувшинного типа доступны практически всем получающим зарплату гражданам и конструкционно очень просты. Рабочим элементом фильтра являются гранулы адсорбентов различного состава, с добавкой или без добавки серебра, служащего для уничтожения микроорганизмов. Протекая через эти гранулы, помещенные в так называемый картридж (сменный элемент), вода очищается и обеззараживается. Все вроде бы хорошо, но за просто так ничего не бывает!

Фильтр не может работать бесконечно долго. Серебро покрывается разными отложениями и перестает действовать, адсорбент забивается примесями и также выходит из строя. Зато начинают прекрасно себя чувствовать зловредные бактерии. Ведь засорившийся фильтр представляет собой идеальное место для их размножения — здесь, как писал Максим Горький в своей «Песне о Соколе», тепло и сыро, есть пузырьки воздуха, масса органической пищи. Вышедший из строя фильтр из устройства для очистки превращается в бактериологическое оружие, этакий поставщик микроорганизмов в вашу воду. Так называемое биообрастание и является главной неприятностью для обладателей кувшинных фильтров.

Однако и способы предотвращения биообрастания совсем не сложны. Нужно только вовремя заменять картридж, а для того, чтобы не пропустить день замены, вести учет — ну там, новый картридж установлен, например, 30 февраля, значит, заменить его надо 32 мая. О периодичности замены обязательно указывается в инструкциях к бытовым фильтрам, но лучше все-таки и самим прикинуть, сколько воды прогнали через фильтр за месяц.

Дополнительная очистка питьевой воды с помощью фильтров является примером применения физико-химических методов обработки в мягких условиях, то есть при комнатной температуре и обычном давлении: происходит физическая адсорбция загрязнений, а кроме того, работает серебро, убивая бактерии. На разработку химических процессов, протекающих в таких условиях, направлены сейчас усилия большинства мирового химического сообщества.

Глава 19

«Зеленая» химия

После нескольких веков сжигания, сублимирования, плавления, обработки веществ жуткими по силе кислотами и щелочами, проведения реакций при адских давлениях и температурах химия подошла к идее жить в мире с природой и попытаться ей подражать. Не секрет, что одними из самых опасных загрязнителей природы стали химические предприятия и химические вещества, миллионами тонн выпускаемые промышленностью, а потом отравляющие атмосферу и грунтовые воды на примитивных свалках. Но те же химики, что во многом породили эту отраву, оказались в состоянии сформулировать основные принципы «зеленой» химии, которая со временем должна занять место традиционной опасной «коричневой» химии.

Стратегия меняется

Сам термин «зеленая» химия придумали не зеленые, а химики, хотя и под воздействием пресловутых зеленых. Ничего не поделаешь, это название прижилось, стало почти официальным и его придется использовать, хотя к большей части деятельности зеленых у научного сообщества накопилось огромное количество претензий.

Главная задача «зеленых» химиков — найти такие пути производства необходимых соединений, чтобы в результате не происходило загрязнение окружающей среды продуктами «коричневой» химии. Конечно, можно задачу решить иначе — уничтожить эти вредные продукты, но «зеленая» химия предполагает не уничтожение, а прекращение их производства. Это означает, что придется искать иные способы получения полимеров, строительных материалов, красок и прочих товаров бытовой и промышленной химии. Саму задачу синтеза нового вещества придется ставить иначе.

Вот простейший пример непродуманного решения. Требуется получить новый краситель красного цвета. Химик-органик отлично знает, как это сделать, — он придумает, а потом и проведет синтез ароматического соединения с определенными заместителями, которые обеспечат поглощения света этим соединением в красной области спектра. Все отлично, уже построили цех по производству нового красителя и начали окрашивать им футболки и флаги для съездов КПРФ. Но через некоторое время — совсем не сразу — обнаруживается, что это вещество является сильным канцерогеном. Какие уж тут футболки!

И это не умозрительная схема. Подобных неприятных, часто трагических историй известно много. Классический пример — выпуск прекрасного болеутоляющего средства для беременных талидомида (о нем рассказано подробно в главе 3). Другое болеутоляющее средство было названо героином — после приема этого полусинтетического вещества у человека заметно повышался болевой порог, героин можно было использовать как анестезирующее средство. А первоначально героин, этот страшный наркотик, использовался как средство против кашля!

Пожалуй, важнейшая проблема, которая стоит перед «зеленой» химией уже много десятилетий и которую решить никак не удается, — это фиксация азота, процесс связывания атмосферного азота в усвояемую полезными растениями форму. Азот воздуха — чрезвычайно инертный газ, для перевода его в аммиак (растворимое соединение) химики построили огромные колонны, в которых при высоких давлениях и температурах с использованием катализаторов протекает реакция соединения азота с водородом:

N_2 + 3H_2 = 2NH_3

Жуткое, сложное производство! А микроб азотобактер, проживающий на корнях бобовых, переводит азот в усвояемую форму при обычных атмосферных условиях. И хотя прошло уже более 50 лет с тех пор, как отечественным ученым удалось-таки заставить азот перейти в растворимую форму при комнатной температуре, азотобактер догнать не удается. Кстати, аммиак — один из важных предметов отечественного экспорта.

В России необходимость перехода от традиционной к «зеленой» химии определяется еще и особым географическим положением страны. Половина территории нашей страны расположена в зоне вечной мерзлоты, огромные металлургические и нефтедобывающие предприятия находятся за полярным кругом. Отходы этих предприятий особенно опасны, но и весьма стабильны при низких температурах. Безотходное производство, а это один из принципов «зеленой» химии, — единственный способ предотвратить превращение Арктики в мертвую зону.

Одним из важнейших процессов, использующихся сейчас в «зеленой» химии, является реакция метатезиса (перестановки), в которой происходит разрыв двойной связи между атомами углерода и некоторая группа атомов занимает другое место в молекуле. За подробное исследование этой реакции в 2005 году была присуждена Нобелевская премия по химии. В своем пресс-релизе Шведская академия наук уподобляет метатезис танцу, в котором танцующая пара меняет своих партнеров. Как и в танце, такой процесс требует вмешательства третьих лиц, которыми в данном случае являются молибденовые и вольфрамовые катализаторы, а также промышленные рутениевые катализаторы.

Сейчас с помощью реакций метатезиса производят массу фармацевтических препаратов и полимеров. Благодаря исследованиям лауреатов этой Нобелевской премии, процессы перестановки становятся более эффективными, уменьшается количество вредных отходов, не требуется использование высоких температур, давления и опасных для окружающей среды реагентов.

Золото без философского камня

Другим примером модной «зеленой» химии является получение микроскопических частиц золота (наночастиц) при восстановлении солей благородного металла — чем бы вы думали? — черным чаем сорта «Дарджилинг». Вообще-то изобретатели этого метода неоригинальны: в Средние века алхимики напряженно трудились над получением золота из ртути, а королевские лекари истирали золото в порошок и затем использовали его как лекарство для царственных особ. Хотя, конечно, частицы того порошка не достигали наноразмеров.

Надо сказать, особого успеха у средневековых лекарей при лечении монархов не наблюдалось. Если серебро проявило себя как бактерицидный агент, то физиологически инертное золото до последнего времени в медицине почти никак не использовалось. Только после открытия радиоактивных изотопов золота дьявольский металл стали активно применять в онкологии — изотоп можно ввести непосредственно в опухоль и уничтожать ее, при этом быстро выводить инертное золото из организма не обязательно.

Известен также и метод введения в клетки опухоли наночастиц золота, покрытых противоопухолевыми препаратами. Например, в опухоли предстательной и молочной желез. Однако наночастицы золота нужно еще получить. И вот в одном из американских университетов придумали восстанавливать золото из его растворов с помощью чая сорта «Дарджилинг». Не надо удивляться выбору химиков — все 9 авторов методики по происхождению индийцы. Заварка добавляется в раствор соли золота (хлороаурат натрия Na[AuCl_4]) и в результате получается темно-красный коллоидный раствор наночастиц золота. Чаинки приходится отфильтровывать. Вообще-то коллоидные растворы золота получают уже более ста лет, но авторы этой работы настаивают на «экологичности» метода и соответствии его принципам «зеленой» химии.

Как сложившееся понятие «зеленая» химия возникла не так давно, когда были сформулированы основные двенадцать принципов проведения химических процессов, не наносящих вреда природе и человеку:

1. Лучше предотвратить выброс загрязнений, чем потом от них избавляться.

2. Синтез следует планировать так, чтобы в конечный продукт вошло максимальное количество использованных материалов.

3. Следует планировать синтез так, чтобы реагентами и конечными продуктами служили вещества, которые малотоксичны или совсем нетоксичны для человека и природы.

4. Среди целевых химических продуктов следует выбирать такие, которые наряду с требуемыми свойствами обладают максимально низкой токсичностью.

5. Необходимо по возможности избегать использования в синтезе вспомогательных веществ, например растворителей, или выбирать безвредные.

6. При планировании синтеза нужно учитывать экономические и экологические последствия производства энергии, необходимой для проведения синтеза, и стремиться к их минимизации. То есть стремиться проводить синтез при температуре окружающей среды и нормальном давлении.

7. Следует использовать возобновляемое сырье там, где это технически и экономически обосновано.

8. Необходимо сокращать число стадий процесса.

9. Следует максимально использовать катализ, желательно избирательный.

10. Химические продукты надо применять такие, чтобы после использования они не сохранялись в окружающей среде, а разлагались до безопасных веществ.

11. Нужно следить в режиме реального времени за образованием продуктов реакции, среди которых могут оказаться опасные.

12. Вещества для химических процессов следует выбирать такие, чтобы свести к минимуму возможные аварии, включая разливы, взрывы и пожары.

К этим принципам декан химического факультета МГУ академик Валерий Васильевич Лунин и его сотрудники добавили тринадцатый принцип: если вы все делаете так, как привыкли, то и получите то, что обычно получаете.

Но скоро мы будем получать необычное. Это и будет химия XXI столетия.

Сейчас часто говорят, что этот век будет, да уже и есть, веком биологии, точнее, так называемой «лайф сайенс» — науки о жизни человека. В основе этой науки лежит генетика, успехи которой в XX веке позволили разработать лекарства для лечения врожденных заболеваний, создавать сорта полезных растений с невиданной урожайностью и клонировать животных. Уже в начале XXI века был расшифрован геном человека, и теперь чуть не каждый месяц появляются сообщения о выделении генов доброты или скупости, гена предрасположенности к сонливости и чуть ли не генов любви и счастья. (Правда, насколько можно верить этим результатам — пока не совсем ясно.) Однако мало кто догадывается, что по сути все замечательные открытия генетиков — дело рук химиков, просто притворившихся генетиками. Дело в том, что в основе современных методов генетических исследований лежат самые обычные, только что предельно усовершенствованные методы проведения химического анализа и химического синтеза. Химия XXI века — это наука, без методов и теоретических представлений которой не сможет обойтись ни один ученый, изучающий самый интересный объект во Вселенной — человека. Химики будущего создадут эффективные лекарства против самых банальных болезней вроде гриппа и самых экзотических вроде болезни легионеров, вырежут из генома человека гены врожденных болезней и продлят жизнь людей до ста лет, а может быть, и до ста пятидесяти. Они синтезируют такие виды топлива, что на стакане этого вещества можно будет проехать от Москвы до Крыма на автомобиле с корпусом из полученной ими же хитроумной пластмассы. Химики создадут новые материалы с невиданными свойствами, таким образом резко ускорив промышленный прогресс и украсив нашу обыденную жизнь. И скорее всего, читать эту книгу будут на еще неведомых электронных носителях, сделанных из еще неизвестных материалов. И тогда ее можно будет «включить» и проверить, сбываются ли наши предсказания.

Библиография

1. Д. И. Менделеев. Рассуждение о соединении спирта с водою, представленное въ физикоматематическiй факультетъ И. С.-Петербургского университета для получения степени доктора химii. Типография Товарищества «Общественная Польза», Санкт-Петербургъ, 1865.

2. Всеобщая история химии. Возникновение и развитие химии с древнейших времен до XVII века. М.: Наука, 1983.

3. Э. Г. Раков. Вещества и люди. Заметки и очерки о химии. ИКЦ «Академкнига», 2003.

4. Химический состав российских пищевых продуктов. М.: Дели принт, 2002.

5. С. Н. Славин. Абсолютное оружие будущего. М.: Вече, 2006.

6. А. А. Зализняк. Из заметок о любительской лингвистике. М.: Русскiй Мiръ; Московские учебники, 2010.

© П. Образцов, 2011

© А. Бондаренко, оформление, 2011

© ООО «Издательская Группа „Азбука-Аттикус“», 2011 Колибри®

Примечания

1

Иатрохимия — направление в науке XVI–XVIII веков, представители которого стремились поставить химию на службу медицине. (Здесь и далее прим. ред.)

2

«Полюстрово» — один из старейших производителей минеральной воды в России. Свою историю предприятие ведет с 1718 года, когда были открыты лечебные свойства полюстровских ключей (под Петербургом), а на месте источника минеральной воды организован курорт. Вскоре был налажен розлив минеральной воды в бутылки, вывоз и продажа воды по всей территории России.

Content

Петр Образцов
Мир, созданный химиками
От философского камня до графена

Предисловие

Глава 1 В поисках камня

Золотая наша железка

Гомеопатическое ничто

Глава 2 Вселенная Менделеева

Великая таблица

Но не водка

Глава 3 Углеродная жизнь

Сажа и бриллианты

Мячи и плоскости

Структура Бутлерова

Братья цис и транс

Звезда полынь

Изомерия в зазеркалье

Глава 4 Почему сладкое сладко, а горькое горько

Теория вкусности

Сладкая спекуляция

Элементы сладкой жизни

И вправду горько

Жуть как жгуче!

Глава 5 Яды вредные и полезные

Химия против жизни

Этническое оружие

Благородные и простонародные яды

Ртутная история

Ртуть и сифилис

Свинцовая империя

Нестойкий яд и стойкий Распутин

Великий ДДТ

Ядовитая помойка

Глава 6 Из дрожжей

Переварить можно все, но не всем

Глава 7 Химия жизни

Невероятная вероятность

Не наше дело

Химия и мумия

Живые и сыпучие

Нет кислорода, и ладно

Сероводородная планета

Белки и белки

Глава 8 Витамины, азбука жизни

Витамин мореплавателей

Алфавит начинается с А и В

Витамины солнечные и жирные

Наследие викторианских времен

Глава 9 Микро и макро, нужные как воздух

Страшный йод, твердый фтор, модный селен

Четыре серьезных металла

Предельно допустимые элементы

Глава 10 Самый главный минерал

Соль на коленке

Садочной соли у нас нет

История обессоливания

Соленый наркотик

Глава 11 Самые новые

До урана и за ураном

Остров везения

Как элемент назовешь, так он и заживет

Бомба Флёрова

Глава 12 Страстные бабочки и пряные девчонки

Любовь и ловушки

Теории запаха

Чуткие носы

Острова пряностей

Чем пахнет груша

Кекс с бензальдегидом

Глава 13 Стыдливый кетчуп

Мыльная опера

Изготовление блондинок

Краска против волос

«Краситель» придумали наши

Ремонт без гастарбайтера

Крашеный торт

Глава 14 Битва за скорость

«Оружие возмездия»

Катализ Ипатьева

Ценные трофеи

Синтетическая гевея

Глава 15 Активность Кюри

История с Арбузовым

Запретный полоний

Радиоуглеродный метод

Шотландский виски, голландский гений

Запрещенный Рапопорт

Пища богов и Франкенштейна

Иммунная коза

«Малыш» и «Толстяк» летят на Японию

Едоки радиации

Глава 16 Случайные и неслучайные открытия

Лучи Беккереля

Скользкий, но неподдающийся

Фосфор благодатного огня

Неаккуратный Флеминг

Неслучайные открытия, или сумасшедший Карозерс

Полуслучайные открытия, или конец аристократов

Глава 17 Иллюзии и заблуждения

Твердый газ

Глобальное помутнение умов

Тепличка Вуда

Озоновые дыры в голове

Соленый путь

Негорючие перчатки

Глава 18 Опасности подлинные и мнимые

Личный газваген

Оловянная чума

Химчистка

Тепло и сыро

Глава 19 «Зеленая» химия

Стратегия меняется

Золото без философского камня

Библиография

Примечания