Джузеппе Алончи

Дело в химии. Как все устроено?

© 2019 Giunti Editore, SpA, Frenze-Milano www.giunti.it

© Фото на обложке предоставляется с разрешения Джузеппе Алончи

© М. С. Соколова, перевод на русский язык, 2022

© ООО «Издательство АСТ», 2022

Введение

Впервые я познакомился с химией, когда мне было около десяти лет. Я был уже тогда увлечен наукой, особенно астрономией. Однако когда мне подарили набор «Юный химик», я почувствовал, что это – мое будущее. В таком возрасте осознать свое призвание далеко не всем удается, и я понял, что мне очень повезло с таким даром.

Я рос, начал осваивать науку самостоятельно, благодаря моим замечательным родителям, поддержавшим мое увлечение. И в подростковом возрасте у меня уже была крошечная лаборатория, где я наслаждался органическим синтезом и химическими анализами, проводил разные эксперименты, что рождались в моем воображении. Это была эпоха форумов и блогов, YouTube еще не существовал, я часами обсуждал в Интернете с виртуальными собеседниками разнообразные химические задачи, слушал их рассказы об опытах и реакциях.

Это огромное везение – сформулировать свои идеи и увлечения еще в детстве, ведь дети впитывают как губки любую информацию, поступающую извне, и перерабатывают ее на свой собственный манер. Это везение еще и потому, что, изучая науку самостоятельно, учишься перепроверять утверждения, бороться с предвзятостью, менять свое мнение, много и упорно трудиться: ты должен постичь все сам, в лучшем случае – обсудить вопрос с другими увлеченными, как и ты, товарищами. Этот процесс познания заметно отличается от общепринятого, классического, в котором некий учитель за кафедрой объясняет тебе, в чем суть вещей, – тебе самому приходится искать ответы в книгах, пока ты не найдешь адекватное объяснение, или дискутировать с незнакомцами в Сети, пока в мозгу что-то внезапно не переключится и ты не поймешь, что к тебе пришло понимание. Лично я именно так и учился, месяцами искал доказательства, пока в один прекрасный день в голове не щелкало: вдруг все становилось ясно как день!

Многие думают, что для того чтобы быть ученым, нужен какой-то особый склад ума или выдающиеся дарования, однако на самом деле единственное, что реально необходимо, – это увлеченность. Без страстного интереса слишком трудно было бы заставить себя тратить все свое время на поиск ответов. Если его нет, достаточно поверхностных знаний – для сдачи экзамена или успешного теста. Многие думают, что для химии нужны какие-то особенные способности. «Ну, если ты занимаешься химией, ты гений!» – типичная фраза, которую я слышал постоянно не только в университете, но еще и в школе. Только мои близкие друзья не называли меня «вундеркиндом». Они, наоборот, постоянно напоминали мне, что у меня дырявая голова, потому что я все забывал. Они-то знали, что моя страсть к химии ничем не отличалась от их страсти к футболу и мотоциклам.

К сожалению, тех, кто считает, что для понимания химии (или математики и физики) требуется быть «гением», не так уж мало. В результате, считая себя обычными нормальными людьми, они даже и не пытаются понять и узнать побольше о столь «продвинутых» вещах, считая это выше своих способностей. Эта идея получила такое широкое распространение, что в нее поверили даже некоторые ученые.

Постепенно в науке появился новый способ распространения знаний – не между равными, а сверху вниз. Что-то вроде: «Вижу, что ты туповат, но так и быть, разъясню тебе химию простыми словами, как для дураков». То есть не объясню тебе ее как она есть, а милостиво направлю тебя к истинам, которые ты должен принять, ибо они исходят от самого Меня, Уважаемого Химика, Сиятельного Профессора, Величайшего Жреца Большой Науки, обладателя Жезла Знаний.

А правда в том, что химия, как и всякая другая наука, принадлежит всем. И это не значит, что научным сотрудником, исследователем стать просто. Это на самом деле трудно, и очень. Но не труднее, чем стать успешным спортсменом, художником, музыкантом, писателем, журналистом, юристом или предпринимателем. Наука точно так же требует терпения и упорства. Конечно, чтобы стать лауреатом Нобелевской премии или футболистом серии А, нужна некая предрасположенность. Но обычный научный сотрудник-химик ничем особо не отличается от любого другого обычного человека, посвятившего себя иной профессии.

Однако если для большинства ученых совершенно нормально быть поклонниками футбола, музыки или театра, то найти пианиста, в свободное от музыки время посвящающего себя химии, гораздо труднее. А с другой стороны, считается, что тот, кто не знает, кто такой Джакомо Леопарди[1], – невежда, а тот, который не знает законов термодинамики, просто «негений». Ну если, конечно, вы не являетесь уже упомянутым Сиятельным Профессором, для которого те, кто не знает, что такое офиология [2], просто форменные дебилы.

Задача этой книги – постараться не внушить кому-либо мысли о том, что он невежда, а, наоборот, доказать, что, чтобы понять химию, совершенно не обязательно быть «гением». И понять ее вполне можно и без перехода на терминологию уровня дошкольника. Это, конечно, ужасная ересь, но я могу рассказать о химии, не превращая ее в набор сакральных знаний, но показывая, как она работает, на примерах из обычной человеческой деятельности, полной противоречий, сомнений, неуверенности, великих подвигов и серьезных проблем. Я не дам вам готовых решений или указаний. Конечно, в некоторых случаях мой голос будет звучать более уверенно или занимать определенную позицию при выборе аргументов. В этих случаях я буду просто вашим защитником от тех, кто пытается манипулировать наукой в личных интересах, что на самом деле случается нередко и с чем необходимо серьезно бороться. Победить злоумышленников не так-то просто, поскольку трудно уловить разницу между естественными сомнениями в ходе научного поиска и недобросовестными манипуляциями.

Если я сейчас закрою мой ноутбук, смогу ли я обнаружить под подушкой на моей кровати миллион евро наличными? Какая наука смогла бы показать, что это невозможно? Это утверждение, хотя и кажется слишком пафосным, подспудно питает многие антинаучные рассуждения, но распознать его, не обладая специальными глубокими знаниями, весьма непросто. В подобных случаях я буду вынужден просить вас довериться мне, но постараюсь свести количество подобных ситуаций до минимума. Целью этой книги не станет развенчание: я хочу не разрушать, лишь созидать.

Конечно, я не хочу сказать, что после прочтения книги вы сможете понять всю химию. То, что я представляю на ваш суд, это лишь начало. Воспринимайте ее так же, как вы воспринимаете вводный курс игры на фортепиано или гитаре. Вы не станете новым Бахом или Пино Даниэле[3], но узнаете достаточно, чтобы понимать ноты и спеть популярный шлягер у костра с друзьями.

Я постараюсь приложить все усилия, чтобы показать, что химия – это не тот нудный предмет, который мучил вас в школе, и не формулы для заучивания наизусть. Химия – это язык, на котором рассказывают увлекательные истории о приключениях, язык, посредством которого можно описать мироздание и общество.

Приятного чтения!

Лекция 1

На кухне

Химия в тарелке

Лучшее начало разговора о химии – рассказы о ней среди кастрюль и конфорок, где творятся воистину удивительные химические превращения! Когда мы готовим, то бессознательно выполняем множество сложных задач, с которыми исследователь сталкивается в настоящей лаборатории: проверяем чистоту и качество исходных продуктов, взвешиваем, смешиваем, приготовляем растворы, проводим очистку, проводим химическую реакцию, наблюдаем за ними и контролируем получение нужного результата.

Трудно недооценить важность продуктов питания в нашей каждодневной жизни: еда необходима нам не только для поддержания существования, но служит важнейшей основой нашей идентичности и традиций, каждодневных ритуалов и праздничных церемоний. Еда напоминает нам о детстве, успокаивает вкусом и ароматом дома, помогает осознать ход времени и обозначить важнейшие моменты нашей жизни, от первой пиццы до дружеских и романтичных ужинов, от уюта горячего шоколада зимой до радости свадебного торта. Наша эмоциональная связь с вкусной едой переходит в растущее осознание важности правильного питания, полезного для нашего здоровья и необходимого для сохранения природы. За последние несколько десятков лет мы стали внимательнее относиться не только к самому питанию, но и к влиянию сельского хозяйства на экологию, использованию местных продуктов, условиям содержания животных и т. д.

Сочетание всех этих факторов делает разговор о питании весьма сложным, прежде всего потому, что неспециалисту трудно разобраться в этом лабиринте альтернативных диет, суперпродуктов, биопродуктов, биодинамического сельского хозяйства, ГМО и различных исследований, демонизирующих или превозносящих то одни пищевые продукты, то другие. Кроме того, если в других темах можно найти более-менее единое мнение экспертов, то в этом случае не только исходные научные данные весьма сложны, но вдобавок их нельзя рассматривать отдельно от общего культурного фона и без учета множества политических и социальных последствий.

Принимая во внимание все эти условия, можно утверждать, что для подробного обсуждения противоречивых научных вопросов, связанных с питанием, пришлось бы написать целую энциклопедию. Тем не менее это вовсе не значит, что любой человек не сможет освоить минимальную базу знаний, которая позволит ему лучше понимать, что находится у него на тарелке и как оно взаимодействует с его телом, и соответственно защищать себя от некоторых веществ.

Химические элементы, атомы и молекулы

Прежде чем мы начнем наше погружение в мир еды, хорошо бы познакомиться с матчастью. Надо всем вместе разобраться с тем, что обозначают некоторые термины, используемые порой абсолютно неправильно, что приводит к великой путанице.

Начнем с самого начала: материя состоит из атомов, а для химика фундаментальными составляющими материи служат именно атомы.

Еще в Древней Греции некоторые философы, такие как, например, Демокрит, предполагали, что окружавший их мир был не однородным, то есть бесконечно делимым на всё более мелкие части, и состоял из фундаментальных частиц – атомов.

Термин «атом» происходит от греческого аtomos и означает «невидимый», и сегодня мы знаем, что и атомы тоже состоят из других, более мелких частиц: протонов, нейтронов и электронов.

Подробное изложение структуры атома – задача совсем не простая, она требует погружения в весьма сложные области современной физики, которые вряд ли удастся постичь интуитивно: квантовую механику. На пару с теорией относительности квантовая механика стоит у истоков научной революции ХХ века, и ее сложность делает решительно невозможным простое, в нескольких словах, объяснение квантовой природы атома, не впадая в вводящие в заблуждение и неприемлемые упрощения. В следующих главах я буду понемногу рассказывать, по мере необходимости, об атомной структуре материи, однако в настоящий момент я ограничусь предупреждением о недопустимости использования прилагательного «квантовый», когда речь идет о чем-либо, отличном от микроструктуры материи. Квантовых медицины и телепатии не существует! Не позволяйте себя обманывать!

Сильно упрощая, мы можем представить себе атом в виде миниатюрной солнечной системы: электроны – отрицательно заряженные частицы, вращающиеся вокруг ядра, которое находится в центре атома и состоит из протонов (положительно заряженных) и нейтронов (не имеющих заряда). Ядро очень маленькое и очень плотное и составляет основную массу атома, а электроны – легчайшие и носятся на большом расстоянии от ядра. Именно количество протонов отличает атомы разных химических элементов друг от друга: у водорода, например, в ядре всего один-единственный протон, поэтому он самый легкий элемент во Вселенной; атом натрия, который плавает в минеральной воде с низким содержанием минералов, включает в себя 23 протона, а уран – самый тяжелый природный элемент периодической таблицы – может похвастаться 92 протонами.

Всего нам известно 118 химических элементов, если включить в список и искусственно синтезированные: самый тяжелый из них, оганесон, вошел в периодическую таблицу только в 2015 году. Если исключить такие элементы, как технеций, который активно используется в медицине, или плутоний, применяемый в атомной индустрии, у большинства искусственных элементов жизнь весьма коротка. Они обычно живут не дольше нескольких долей секунды внутри мощных ускорителей микрочастиц: совершенно неуловимые элементы!

Наше тело включает в себя около пятидесяти элементов. Некоторые из них составляют основу жизни, такие как кислород, кальций и натрий. Роль других в биологических процессах, таких как барий или алюминий, пока не ясна – они поступают в организм с пищей.

Кислород присутствует в нашем теле в большом количестве, составляет 65 % нашей массы, однако с точки зрения количества атомов его хозяином выступает водород, поскольку 62 % человеческого организма состоит из его соединений. Водород и кислород в нашем организме повсюду, они соединяются в молекулу воды, а также присутствуют во всех биомолекулах.

А теперь пришло время представить вам молекулу, например, воды. Молекула состоит из нескольких атомов, соединенных между собой, и обладает свойствами, совершенно отличными от свойств атомов, которые ее образуют. В подавляющем большинстве случаев в природе атомы не существуют сами по себе, «отдельно», потому что стремятся либо связаться друг с другом, либо терять или приобретать электроны, чтобы достичь большей стабильности. К примеру, мы дышим кислородом, но молекулярным – его молекула состоит из двух атомов кислорода, соединенных между собой (О_2), а пьем воду, в молекулах которой атом кислорода соединен с двумя атомами водорода (Н_2О). В химической формуле нижний индекс указывает количество атомов элемента, содержащихся в молекуле. Например, химическая формула метана (СН_4) показывает, что молекула этого газа состоит из четырех атомов водорода и одного углерода.

Иные атомы, имеющие тенденцию к одинокому существованию, теряют и обретают электроны, что превращает их в химические элементы, именуемые ионами. Например, атом натрия состоит из 23 протонов, заряженных положительно, и 23 электронов, заряженных отрицательно (помимо нейтронов, которые не так интересны нам, химикам). Однако натрий, который находится в минеральной воде, обладает всего 22 электронами и поэтому заряжен положительно – потеряв электрон, он утрачивает и его отрицательный заряд. Это отличие кажется минимальным, но имеет весьма важное значение: чистый натрий обладает высокой взрывоопасностью, поскольку реагирует с водой крайне агрессивно, а вот ионы натрия (Na+) абсолютно необходимы для нашей жизни. Точно так же и молекулы хлора, состоящие из двух связанных между собой атомов (Cl_2), образуют желтоватый ядовитый газ, чрезвычайно токсичный и опасный. Но если атом хлора обретает лишний электрон, он превращается в ион хлора (Cl-), без которого не может обойтись практически ни один живой организм. Обычная поваренная соль, хлорид натрия (NaCl), состоит из двух ионов – иона натрия (заряженного положительно) и иона хлора (заряженного отрицательно)!

Хлор обнаруживается и в других соединениях, таких как гипохлорит натрия (NaClO), или обычном отбеливателе, соляной кислоте (HCl), которую используют для прочистки труб, снятия известкового налета, для получения перхлоратов, применяющихся в разных отраслях промышленности.

Аналогичные примеры, в которых один и тот же элемент может проявлять самые разные качества в зависимости от способа соединения с другими элементами, мы встретим в этой книге и далее, но уже сейчас понятно, что на это надо постоянно обращать внимание. Запутаться во всех этих сведениях очень просто, если не разделять химический элемент и его соединения.

Конечно, весьма часто мы используем названия химических элементов, говоря на самом деле об их соединениях. Даже в этой книге я часто упоминаю такие выражения, как «нехватка железа»: но при этом я совсем не предлагаю закусить металлической стружкой, чтобы восполнить запасы железа в организме. Как правило, это распространенная и приемлемая форма упрощения. Главное – это видеть суть и понимать, чтó стоит за подобными сокращениями при обсуждении острых вопросов.

Щепотка натрия и гималайская соль

– Е-е-е-е-есть тут кто-ни-и-и-и-будь?

Герой рекламного ролика – частица натрия, одиноко и безнадежно плавающая в минеральной воде[4], – служит прекрасным примером фундаментального для химии понятия, к сожалению, часто игнорируемого: концентрации.

Концентрация – способ показать, какое количество определенного вещества содержится в смеси, содержащей несколько видов молекул разных веществ. Например, типичная концентрация натрия в минеральной воде составляет 5 мг/л.

Короче говоря, это означает, что два литра воды содержат 10 мг ионов натрия (один миллиграмм соответствует тысячной доли грамма, то есть 0,001 г).

Понятие концентрации является фундаментальным для ориентации в мире, что нас окружает, и умения выделять важное в том массиве информации, который на нас ежедневно вываливают массмедиа и социальные сети. Кто из нас не видел в Интернете сообщения типа: «Ученые открыли, что продукт Х вызывает рак/ожирение/диабет/чесотку, потому что содержит вещество Y»? Или: «Ученые обнаружили, что продукт Х защищает от рака/приводит к похудению/омолаживает/приводит к выигрышу в лотерее, поскольку содержит вещество Z».

Увы, речь, как правило, идет о таких небольших количествах, что они не могут оказать вообще никакого влияния или их положительный эффект будет сведен на нет вредным влиянием других веществ. И с этой точки зрения, наша частица натрия служит прекрасным примером. Как мы уже говорили ранее, натрий является важнейшим элементом для нашего здоровья и участвует во многих важных физиологических процессах. Он входит не только в состав поваренной соли, но и почти всех продуктов питания, он присутствует и в рыбе, и в мясе, во фруктах и овощах. Натрий входит и в состав так называемых минеральных солей, соединений элементов, совершенно необходимых для выживания: натрий, калий, магний, марганец и т. д.

Таким образом, натрий определяет и наше физическое состояние. И тем не менее, все знают, что из-за него повышается давление, он вреден, поэтому рекомендуется ограничить содержание соли в пище. Так натрий вреден или полезен? Ответ зависит от количества. Гипонатриемия, при которой содержание натрия в крови становится слишком низким, сопровождается, в зависимости от тяжести заболевания, разными симптомами: от простого недомогания до брадикардии, комы и даже смерти. По этой причине, когда в больнице врач решает, что нам нужна гидратация посредством капельницы, нам вливают сначала не просто воду, а физраствор с содержанием 0,9 % хлорида натрия, и только потом очищенную воду. При дегидратации человек может иметь и повышенную концентрацию натрия в крови (гипернатриемия): и в этом случае симптомы тоже могут быть очень серьезными, вплоть до смерти.

Еще более ярким примером служит калий. Он необходим для жизни, в основном для передачи нервных импульсов, но при этом используется для остановки сердца приговоренных к смертной казни. Как писал Парацельс: «Всё есть яд, и всё есть лекарство. Только доза делает лекарство ядом и яд лекарством».

Поэтому при покупке продуктов всегда следует помнить о концентрации, чтобы не стать жертвой рекламных слоганов, использующих присутствие или отсутствие той или иной молекулы.

Например, в последние годы на полках супермаркетов появились упаковки разноцветной соли из разных источников: розовая гималайская, серая из Бретани или какая-нибудь желтая из тьмутаракани.

Этим продуктам приписываются чудодейственные лечебные свойства, связанные с содержанием минеральных солей, глины, растительных углей и еще чего-нибудь эдакого. Эти вещества содержатся в этой «экзотической» соли и отсутствуют в обычной поваренной. Например, глина придает соли из Бретани характерный цвет. Но проблема в том, что эти элементы присутствуют в столь малых количествах, что, чтобы получить необходимую для организма порцию, нужно поглотить такое количество соли, что плохо станет непременно.

Во всех этих случаях мы говорим о солях, которые больше чем на 95 % состоят из хлорида натрия. Некоторые производители осмелились даже продавать цветную соль с примечанием «пониженное содержание натрия», хотя вместо 99 % они содержали 95 % хлорида натрия. Делать подобные заявления не считается мошенничеством, но покупатель должен остерегаться обмана!

И еще один пример: согласно данным Общества человеческого питания Италии (SINU), каждому из нас необходимо в день потреблять от 10 до 18 мг железа. Розовая гималайская соль, которая своим цветом обязана именно железу, содержит не более 30 мг железа на килограмм соли. Попробуйте подсчитать, сколько соли вам нужно съесть, чтобы достичь дневной нормы железа; также вы можете проверить, сколько железа содержится в шести граммах соли, представляющих собой нашу ежедневную нормальную порцию NaCl.

Аналогичные дискурсы можно встретить в самых разных областях человеческого существования. Коричневый тростниковый сахар, с химической точки зрения, почти не отличается от обычного рафинированного. Единственная разница – дополнительный 1 % «нутриентов»: это смешное количество. А некоторые производители просто добавляют немного патоки в рафинированный сахар, чтобы «превратить» его в тростниковый. В этом приеме нет ничего противозаконного – конечный продукт соответствует всем требуемым характеристикам и не несет риска для здоровья.

От неорганических соединений к органике: что нам нужно для жизни?

Выражение «минеральные соли» нельзя назвать правильным с точки зрения химии, но оно используется для идентификации около пятнадцати неорганических элементов, необходимых для жизни. Термин неорганический, наоборот, весьма точен: он обозначает соединения, которые не содержат цепочек из атомов углерода, в противоположность соединениям органическим. Сахароза (кулинарный сахар), протеины, ДНК, витамин Е и жиры являют собой примеры органических соединений. В их составе углерод служит строительными лесами для молекулы – и эти строительные леса могут быть огромными. Самыми простыми органическими молекулами являются так называемые углеводороды, они состоят из углерода и водорода. В качестве примера можно привести метан (CH_4) и бутан (C_4H_10), но существуют и намного более сложные молекулы, сформированные десятками и сотнями атомов углерода. Иные молекулы содержат и другие элементы. Например, кислород присутствует в составе сахаров и спиртов (этиловый спирт CH_3CH_2OH), азот – в белках и многих натуральных продуктах.

Неорганические соединения, как правило, намного проще и состоят всего из нескольких атомов: сульфат-ион содержит серу и кислород (SO_42-), нитрат-ион – азот и кислород (NO_3-), аммиак – азот и водород (NH_3) и т. д.

Органическая химия представляет собой отдельную ветвь химии как науки и изучает самые сложные молекулы, их состав и синтез. Специалисты по органической химии занимают позицию между учеными и художниками: сложность молекул, которые они синтезируют, требует от них творческого подхода и открытости сознания новому. Это не простые «упражнения», в которых достаточно воплотить некую формулу, чтобы прийти к результату. Даже те молекулы, что состоят всего из десятка атомов углерода, могут быть очень сложными образованиями, в основе которых лежат многие десятки соединений; пусть на бумаге они и могут быть синтезированы множеством способов, на практике, в большинстве случаев, рабочим оказывается всего лишь один. Сверх того, часто возникает необходимость в процессе синтеза выполнять несколько переходных этапов очищения нужных для удаления примесей или нежелательных побочных продуктов, и не так уж редко эти переходные процессы оказываются по своей химической сути чуть ли не сложнее, чем основная реакция. По этой причине химики относятся к живым организмам крайне уважительно: чудеса, которые происходят в организме за секунду, требуют для воспроизведения дней, месяцев и даже лет напряженного труда в лаборатории.

И на самом деле в нашем организме за секунду происходит невероятное количество химических превращений, необходимых нам для получения энергии, для восстановления тканей или избавления от лишнего, для передачи сигналов и тому подобного.

Всякая из этих реакций начинается с реагентов, исходных веществ, которые проходят преобразования. Какие же реагенты нужны для этих процессов и которые нам необходимо получать с питанием? Мы уже говорили о минеральных солях, но надо упомянуть также белки, углеводы, жиры и витамины.

Белковые молекулы очень длинные, они состоят из тысяч атомов, и выполняют множество важных ролей в нашем организме. Например, коллаген – белок, присутствующий в телах всех млекопитающих, – служит основным материалом для кожи, сухожилий, костей и кровяных сосудов; гемоглобин «связывает» кислород и помогает ему распространяться по организму или покидать его в случае необходимости; актин и миозин необходимы для сокращения мышц.

Белки состоят из множества небольших молекул, соединенных друг с другом и называемых аминокислотами. Наибольшее распространение в природе имеют всего двадцать аминокислот, и из их комбинаций состоят практически все белки, существующие в природе. Аминокислоты можно сравнить с конструкциями из деталек лего, в которых каждая деталь важна для конечного результата. К примеру, серповидноклеточная анемия – результат генетического дефекта в процессе синтеза гемоглобина, который провоцирует на определенном этапе синтеза белка замену глютаминовой кислоты другой аминокислотой, валином. И одна-единственная неправильная аминокислота среди десятков сотен, формирующих молекулу, приводит к очень тяжелому заболеванию.

Из этих двадцати аминокислот девять считаются жизненно важными, поскольку наше тело не способно их синтезировать и должно получать их с пищей, в то время как остальные синтезируются организмом из питательных веществ. Именно поэтому нужно не только соблюдать сбалансированную диету, содержащую правильную дозу протеинов, но и обращать внимание на качество этих протеинов, на их биологическую ценность, то есть на то, какие и сколько аминокислот содержат эти белки. Животные продукты, такие как молоко, яйца, мясо и рыба, не только богаты протеином, но также служат нам пищей, снабжающей нас наибольшим разнообразием жизненно важных аминокислот. Некоторые продукты растительного происхождения, бобовые и злаки, содержат значительные количества протеинов, однако их биологическая ценность ниже, чем у животных белков. Это очень деликатная тема. Я знаю, что все большее количество людей переходит по этическим причинам на вегетарианскую или даже веганскую диету. Избежать потребления животных белков и одновременно обеспечить себе диету, содержащую все необходимые протеины, возможно: но надо обязательно быть внимательным и следовать советам профессионала.

К другой категории жизненно важных питательных веществ относятся углеводы и сахара. Как и белки, углеводы выполняют множество разных функций в нашем теле, и их самая главная задача – снабжать нас энергией. Глюкоза, фруктоза, кулинарный сахар, крахмал, целлюлоза служат топливом для наших клеток. Как и белки, сложные углеводы состоят из множества небольших одинаковых молекулярных единиц, моносахаридов. Глюкоза, фруктоза (фруктовый сахар) и лактоза (молочный сахар) представляют собой примеры таких моносахаридов. Сахароза, то есть обычный кулинарный сахар, образована из молекулы глюкозы и молекулы фруктозы, соединенных между собой. Как крахмал, который содержится в макаронах, рисе и картошке, так и целлюлоза, присутствующая в овощах, представляют собой длиннющие цепочки глюкозы и отличаются только способом соединения молекул между собой – линейным в целлюлозе или ветвистым в крахмале.

В отличие от глюкозы и сахарозы, которые быстро перевариваются нашим организмом, более сложные углеводы, такие как крахмал, требуют на переваривание больше времени, поскольку наше тело должно «разбить» их на множество оснований, которые клетки потом «сожгут» для получения энергии.

Самым энергоемким органом нашего тела является мозг: само по себе мышление потребляет до 100 г глюкозы ежедневно. В то время как другие клетки нашего тела могут использовать для получения энергии жиры и белки, нейроны способны питаться почти исключительно глюкозой. По этой причине глюкоза должна всегда присутствовать в крови, и нашему организму приходится делать запас на случай дефицита. После того как сложные углеводы демонтируются на отдельные молекулы глюкозы, часть из них используется немедленно, другая превращается в жир для образования запасов, а третья отправляется в мускулы и в печень, где откладывается в форме гликогена, молекулы, чрезвычайно схожей с целлюлозой или крахмалом и образованной из множества оснований глюкозы, связанных между собой. В то время как крахмал требует для переваривания времени и энергии (целлюлозу мы просто не перевариваем), гликоген, наоборот, всегда готов явиться по запросу организма и представляет таким образом замечательный резерв глюкозы для экстренных ситуаций, и может быстро включиться в процесс, как только возникнет нужда. Этот цикл загрузки-выгрузки регулируется двумя маленькими гормонами – курьерами, несущими химические «сообщения»: инсулином и глюкагоном. Первый производится, когда в крови образуется избыток глюкозы и можно отложить его на потом, про запас. Глюкагон играет противоположную роль: в случае необходимости посредством глюкагона организм «приказывает» гликогену разложиться, чтобы увеличить концентрацию глюкозы в крови, одновременно заставляя клетки тела питаться жиром вместо сахара, оставив драгоценный запас сахара мозгу.

Проблема этого механизма в том, что его иногда «заклинивает»: обильная еда может вызвать гликемический всплеск, который приведет, в свою очередь, к выбросу инсулина. А переизбыток инсулина ведет к резкому падению содержания глюкозы в крови… что вызывает новое обострение чувства голода и усталости. Этот механизм побуждает нас есть гораздо больше, чем нужно, и чувствовать себя изможденным и усталым, вместо того чтобы полниться энергией. По этой причине разумнее избегать редких лукулловых пиров, а, наоборот, есть пять-шесть раз в день понемногу, равномерно распределив еду в течение дня. По этой же причине нам следует предпочитать сложные сахара – как в хлебе или макаронах – сахарам простым, что содержатся в сладостях. Последние, перевариваясь быстрее, способствуют возникновению гликемического пика и более раннему наступлению чувства голода.

Говоря о простых сахарах, следует прежде всего развеять мифы, циркулирующие вокруг невероятных «белых ядов». Мы исходим из предположения, что, как уже было сказано, простые сахара надо употреблять в скромном количестве. Но это не значит, что рафинированный сахар прямо-таки «токсичен» сам по себе и что его надо непременно чем-то заменить. Я бы хотел также остановиться на термине «рафинированный»: «рафинад» означает всего-навсего «очищенный». Любой сахар должен быть очищен для продажи, даже тот, который называется «нерафинированный», а иначе его невозможно было бы использовать – это было бы месиво из свеклы или тростника. Процесс очистки служит для удаления всех примесей и загрязнений, чтобы получить в конце концов чистую сахарозу. Прежде всего это относится к коричневому тростниковому сахару: несмотря на его цвет, он тоже состоит из чистой сахарозы, как уже было сказано в главке про концентрацию. Нет у них никакой разницы во вкусе, пищевых свойствах или влиянии на здоровье с обычным белым сахаром. Если вы предложите химику кофе с рафинированным сахаром и кофе с тростниковым коричневым, он не сможет никакими способами отличить один напиток от другого, разве что только ему повезет и он сможет использовать очень высокотехнологичное оборудование, чтобы обнаружить 0,001 % примесей.

В продаже сейчас можно найти разные варианты сахара, такие, к примеру, как мусковадо – он на самом деле очищен в меньшей степени, чем белый. Тем не менее количество сахарозы в нем велико и, хотя вкус такого сахара может немного отличаться, на его питательность это совершенно не влияет.

Точно так же и вера в то, что дети от сахара становятся гиперактивными, лишена каких-либо оснований. Если у вашего ребенка нет серьезных проблем со здоровьем, в его мозг поступает одно и то же количество глюкозы (благодаря инсулину и глюкагону). Максимум, что может меняться, – это количество жира на бедрах и животе, именно он влияет на здоровье.

Ключевой момент: из того факта, что рафинированный сахар с химической и с пищевой точек зрения эквивалентен коричневому, не следует, что мы можем поглощать его в промышленных количествах. Чрезмерное потребление сахара заметно влияет на наше здоровье и увеличивает риск возникновения диабета и сердечно-сосудистых заболеваний. Именно поэтому следует обращать внимание на еду, в которой много сахара, – сладкие напитки и кондитерские изделия.

Осторожность надо бы соблюдать и с продуктами, на которых написано «без добавления сахара» или «содержит только фруктовые сахара». Ведь можно подумать, что эта еда здоровая, однако она может быть так же вредна: влияние оказывает только концентрация, а не происхождение сахара, и домашнее варенье может содержать столько же сахара, что и магазинное.

Под конец я хотел бы рассказать о липидах, или жирах. В противоположность тому, что думают многие, жиры необходимы для нашего существования. Они не только служат запасниками для энергии, но и играют множество важнейших ролей в физиологии. Некоторые из них представляют собой важнейшие гормоны, другие служат главными составляющими клеточной мембраны: это отнюдь не мало! Липиды могут быть образованы из разных молекул, но все должны обладать одним главным свойством: не растворяться в воде. Если бы они растворялись – увы, жизнь бы не возникла. Мы еще поговорим об этом в лекции 4.

Если ограничиться только питательными свойствами жиров, то можно сказать, что самыми распространенными липидами служат триглицериды. Они представляют собой молекулу глицерина, соединяющую вместе три молекулы жирной кислоты: четвертая молекула, глицерин, удерживает вместе длинные цепочки из множества атомов углерода.

Очень важно понять различие между насыщенными жирными кислотами и ненасыщенными жирными кислотами.

Я уверен, что многие из вас уже слышали эти термины, однако что они означают? Термин «ненасыщенный» в химии имеет уникальное, особое значение: он подразумевает, что молекула содержит одну или несколько двойных групп углерод-углерод. Следующий рисунок поможет понять принцип. Каждый атом углерода может образовать четыре химических связи. Пропан (C3H8), распространенный в быту газ, представляет собой насыщенный углеводород, и его молекулы состоят из трех атомов углерода, соединенных между собой атомами водорода. А конкретно вот так: внешний атом углерода связан с тремя атомами водорода и одним углерода. Внутренний атом углерода связан с внешними атомами углерода и двумя водорода. Последний атом углерода всегда связан с центральным углерода и тремя водорода. А пропен (пропилен), наоборот, – углеводород ненасыщенный, потому что один из трех атомов углерода образует двойную связь с ближайшим углеродом. Тот факт, что каждый атом углерода в органической молекуле образует четыре связи и что в большинстве случаев это связи с водородом, позволяет создавать упрощенные схемы-формулы органических соединений.

Цепи можно изображать в виде зигзагов, в которых вершины соответствуют атомам углерода, а атомы водорода просто опущены. Поскольку углерод всегда образует четыре связи, достаточно сосчитать только количество нарисованных связей, а недостающие будут соответствовать связям с водородом. К тому же на самом деле расположение атомов в пространстве имеет весьма строгую геометрию, хотя в этой книге мы больше внимания уделим четкости структуры, чем геометрии. Атомы углерода с двойными связями имеют плоскую геометрию, и все связанные с ними атомы расположены в одной плоскости, образуя угол в 120° в соединении С-С. А атомы углерода, связанные одиночными связями, образуют тетраэдр с углами, равными 109,5°. В форме клина мы изображаем одиночную связь, которая не лежит в плоскости листа, но направлена прямо к читателю, а штрихом – связь, которая расположена прямо на плоскости листа, как можно убедиться, сравнив ее с трехмерной фигурой.

Вернемся же к нашим насыщенным и ненасыщенным углеводородам, стараясь не вдаваться слишком в детали. Знайте, что эта, казалось бы, небольшая разница меняет полностью химическую реакцию. Например, насыщенные углеводороды химически более стабильны и плавятся при более высоких температурах, чем ненасыщенные. Простым способом понять, состоит масло из насыщенных или ненасыщенных жирных кислот, служит проверка его состояния при комнатной температуре – жидкое оно или твердое. Например, оливковое масло жидкое, как и большинство растительных масел, оно богато ненасыщенными жирными кислотами, а кокосовое и сливочное масла, содержащие много насыщенных жирных кислот, – твердые. Маргарин – случай особый, потому что его производят, промышленным образом превращая ненасыщенные жирные кислоты и насыщенные посредством процесса «гидрогенизации», применяемого для изготовления так называемых гидрогенизированных жиров.

На свете существуют десятки разных жирных кислот, каждый продукт питания их содержит в разных сочетаниях. Даже состав оливкового масла меняется в зависимости от производителя.

Считается, что, с точки зрения пользы для здоровья, диета, богатая жирами, совсем не полезна, однако рацион, полностью лишенный жиров, не менее вреден. К примеру, омега-3 и омега-6 жирные кислоты очень важны для нашего здоровья, и мы обязательно должны иметь их в нашем рационе.

Более современные исследователи, занимающиеся ростом сердечно-сосудистых заболеваний, начали постепенно пересматривать плохую репутацию жиров, особенно насыщенных, перенеся внимание на потребление углеводов, которых люди стали потреблять больше, компенсируя изъятые из рациона жиры[5]. Единственный жир, который не следует потреблять, это жир гидрогенизированный, такой как маргарин, – по нему эксперты едины во мнении.

Хорошо или плохо?

После всего этого объема информации, что я на вас вывалил, вы, вероятно, ощущаете себя еще более растерянными, чем прежде. Мы погнались сразу за целой толпой зайцев, но не пришли ни к какому однозначному заключению. На самом деле наука работает именно так, подходя к проблемам с осторожностью, взвешивая выводы, задавая себе новые вопросы всякий раз, как ответ найден. По нашей же, ученых, собственной вине часто бытует мнение, что наука, подобно оракулу, должна всегда иметь однозначный ответ на все сложные вопросы. С другой стороны, люди на самом деле на вопрос «Это хорошо или плохо?» хотят получить не многостраничный труд, а четкий ответ. Мы хотим знать точно, что покупать, с чем быть осторожным и чего избегать.

Сейчас же я вам посоветую просто быть внимательнее к категорическим высказываниям. Опасайтесь тех, кто утверждает, что тот или иной продукт – сущий яд, или, наоборот, вещает о супер еде, которая способна очистить сосуды, забитые салом и никотином.

На свете не существует пищи, которая была бы абсолютным злом или абсолютным добром: все, что может быть съедобным, просто не укусит вас в ответ на то, что вы укусили его. Плохо или хорошо вам делает ваш рацион в целом. У каждого из нас свои потребности в питании, поэтому только профессионал в данной области способен помочь вам понять, как улучшить взаимодействие между вашим питанием и вашим телом. Пожалуй, единственно, в чем можно точно быть уверенным: правильное питание – залог здоровья.

Лекция 2

В магазине

Химия сельского хозяйства

Фильм «2001: Космическая одиссея» остался в истории кино в том числе и благодаря сцене, в которой некое доисторическое племя обезьян под влиянием таинственного монолита учится использовать кости в качестве орудий. Сцена заканчивается знаменитым эффектом: превращением бедренной кости, брошенной одним из приматов, в фантастический космический корабль – воплощение достижений человечества. Компьютер, самолет, телефоны и все наши современные технологии – не что иное, как прямое следствие того, что миллионы лет назад группа гоминидов научилась использовать инструменты для добычи питания и самозащиты.

Мы настолько уже слились с технологиями и привыкли к ним, что порой даже не замечаем их существование. Нет, я не имею в виду молотки и стамески: я уверен, что если кто-нибудь начнет убеждать всех, что молотки растут из посаженных в землю гвоздей после дождика, то, вероятно, обнаружит себя вскорости в компании парочки мужчин в белых халатах. Здравомыслящий человек вполне способен отделить нечто естественное от искусственного, например, яблоко из дачного сада от телефона или бензопилы. Не правда ли?

Не совсем.

Запомните фундаментальное правило знания: когда ответ на вопрос кажется банальным, то это значит, что либо вопрос неправильный, либо ответ ошибочный.

И данный случай не является исключением: даже если мы не отдаем себе в этом отчета, человек все-таки трансформировал окружающую среду, изменив ее столь радикально, что даже то, что кажется случайным и естественным, не существовало бы без его вмешательства. Таким образом, и яблоко, и лимон, и персик, и колос пшеницы являют собой не что иное, как плод человеческой изобретательности не в меньшей степени, чем швейцарский ножик или смартфон.

Всякий раз, когда мы идем в магазин, чтобы купить макароны, рис, фрукты, овощи или иные плоды земли, мы оплачиваем миллионы скрещиваний, попыток вывести новый сорт, генетических усовершенствований, побед над болезнями, улучшений техники посева, сбора урожая, транспортировки и хранения.

Хотя генетическое совершенствование растений – важное для улучшения вкуса, вида, устойчивости к болезням и многих других свойств – ведется более-менее сознательно уже многие тысячелетия, оно все равно никогда не смогло бы стать достаточно эффективным, чтобы увеличить сельскохозяйственную производительность, чтобы соответствовать мощному демографическому взрыву ХХ века.

Поэтому первую скрипку все-таки играла химия, и, как мы увидим в последующих главках, только благодаря замечательным трудам многих поколений ученых сегодня в развитых странах мы можем себе позволить даже выбрасывать еду.

В этой главе мы сосредоточимся на использовании химии в сельском хозяйстве. После введения в основы жизни растений я расскажу историю о том, как химия может быть использована не только во благо человечества, но и для убийств и страданий, причем намеренных. А закончим разговором об удобрениях, гербицидах, агрохимии, глифосатах, пестицидах, органическом сельском хозяйстве и биодинамике: кто сегодня еще не слыхал эти названия? Но кто знает доподлинно, что они означают?

Откуда растения берут энергию

До того как начать рассуждать о пестицидах, гербицидах или удобрениях, следует рассказать о фундаментальном процессе растительного мира: фотосинтезе.

В первом рассказе мы уже узнали, что для поддержания здоровья надо есть самую разную пищу, неорганическую, к которой относятся минеральные соли, и органическую, такую как сахара и белки.

Точно так же в питании нуждаются и растения, но, в отличие от животных, они способны сами синтезировать все органические молекулы, в которых нуждаются для жизни, из самых простых веществ. Нам нужно съесть сложную молекулу, которую мы «сжигаем» внутри организма, чтобы получить энергию для наших нужд; растения поступают наоборот, они из химических базовых веществ, таких как вода, углекислый газ и минеральные соли, могут создать самостоятельно сахара и другие жизненно важные молекулы.

Организмы, которые способны автономно синтезировать органические соединения, необходимые для их выживания, называются автотрофами и играют важнейшую роль в экосистеме. Они превращают молекулы, которые для нас и других животных являются лишь отходами, такие как окись углерода, в более сложные соединения, богатые энергией и питающие нас.

Утверждение, к которому мы будем постоянно возвращаться в этой книге, гласит, что из ничего нельзя получить энергию. Клетки нашего организма, чтобы исполнять свои функции, нуждаются в энергии, и мы даем им эту энергию с пищей – например, поедая вкусный бифштекс. Однако откуда берется энергия в самом бифштексе? Она образуется из химических веществ, любовно синтезированных бедной коровкой в течение всей ее жизни. А откуда же коровка взяла энергию, чтобы синтезировать эти составляющие? Она ее получила, питаясь травкой, ее драгоценными углеводами. А травка откуда же добыла энергию, чтобы создать пищу для коровки? Она получила энергию от солнца, поглотив свет, производимый нашей матерью-звездой. Это восхитительное свойство растений: превращать энергию света в химическую, единственный вид энергии, который могут использовать наши клетки в процессе метаболизма.

Способность превращения энергии света в химическую лежит в основе знаменитого процесса фотосинтеза.

Чтобы представить этот процесс в виде химической формулы, мы должны написать что-то вроде:

6 CO_2 + 6 H_2O → C_6H_12O_6 + 6 O_2

На первый взгляд это выражение может показаться очень сложной формулой, но на самом деле оно простое и логичное. В левой части формулы находятся реагенты, то есть химические вещества до реакции, а справа – продукты реакции. Числа, которые находятся перед химическими обозначениями (коэффициенты) означают количество молекул определенного вещества, вступающих в реакцию.

Среди реагентов мы видим две разных молекулы: CO_2 – это формула всем известного углекислого газа, его молекула образована из одного атома углерода и двух кислорода, а H_2O уж точно прекрасно знакома всякому.

А среди продуктов реакции обнаруживается молекула кислорода (O_2), вместе с другой, которая кажется весьма громоздкой из-за того, что в ней целых шесть атомов углерода, двенадцать водорода и шесть кислорода. На самом деле это глюкоза, основная молекула метаболизма всех живых существ, от бактерии до слона.

И говоря простыми словами, эта формула хочет нам сказать:

Шесть молекул углекислого газа реагируют с шестью молекулами воды, чтобы образовать одну молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода.

Обратите внимание на очень важный момент: химическое уравнение описывает ситуации на входе и на выходе, но ничего не сообщает о том, как идет сам процесс. Это практически, как написать:

Масляные краски + холст → звездная ночь

Как холст сам не превратится в картину, даже если вы положите краски сверху, так и в банке с углекислым газом ничего не произойдет, если вы просто нальете туда воды (к сожалению). Реакция не только не происходит сама по себе, спонтанно – то есть нужен кто-то, создающий необходимую для события энергию, – но и требует какой-то особой машинерии, заставляющей углекислый газ и воду образовать именно глюкозу, а не метанол, этанол или еще какую-нибудь органическую молекулу. Короче: для того чтобы создать «Звездную ночь», нужен не просто художник, который умеет держать кисть и рисовать, но нужен непременно Ван Гог.

Только растения (в компании с небольшим количеством микроорганизмов), благодаря миллионам лет эволюции, умудрились изобрести «стратагему», способную задействовать эффективным образом фотосинтез. Сердцем удивительного молекулярного устройства стал хлорофилл, пигмент, благодаря которому растения окрашены в зеленый цвет. В компании с другими пигментами, присутствующими в меньшей концентрации, хлорофилл поглощает солнечный свет и превращает его в энергию, которая питает сложную последовательность реакций, в результате которых образуется глюкоза и другие важные для здоровья растений реакции.

Хлорофилл зеленый не случайно. Мы видим его зеленым, потому что он поглощает видимый свет в красно-оранжевом (самый активный в фотосинтезе) и сине-фиолетовом (используется для других процессов – цветение и синтез белка) спектрах. Представьте себе, если в радуге пропадут красная, оранжевая, синяя и фиолетовая полосы: что останется? Зеленая и капелька желтой, естественно. С удивительным миром красок мы познакомимся в рассказе 4 и вместе узнаем, почему одни молекулы поглощают свет, а другие – нет.

Растения весьма чувствительны к цвету световых лучей, их освещающих, настолько, что если некое растение освещать зеленым, оно начнет ускоренно расти ввысь, забросив другие физиологические процессы. Почему? Все просто: если растение освещается зеленоватым светом, то воспринимает это как соревнование с другими растениями, затеняющими его. И реагирует так, будто оказалось в тени более высокого растения, поэтому меняет собственный метаболизм так, чтобы вырасти как можно выше и добраться до света. Если сделать освещение синим или красным, можно вызвать иные процессы в растениях: в зависимости от спектра света, который оно получает, растение может реагировать и вести себя очень по-разному, активизируя или прекращая синтез определенных молекул.

Это побуждает нас задуматься над очень важным выводом: растение – живое существо. Возможно, это ни для кого не новость, а обычная банальность, но это та банальность, о которой мы не очень часто задумываемся. «Быть овощем», «стать овощем» – кто из нас не использовал эти выражения, говоря о состоянии комы или серьезных неврологических нарушениях? Конечно, у растений нет центральной нервной системы и мозга, и у них нет болевых рецепторов. Нет смысла, конечно, говорить о боли, страхе или сознании. Тем не менее растения представляют собой очень сложные организмы, реагирующие на стимулы, как и другие живые существа, хотя не ходят и не покрикивают.

Растение Mimosa pudica (мимоза стыдливая) обладает способностью складывать листочки, когда ее трогают. Достаточно легко ее коснуться, чтобы она сложила свои листья. Если, конечно, не успокоить ее хлороформом или иным анестетиком (это вовсе не шутка). Многие растения обладают более коварными защитными механизмами. Некоторые в ответ на опасность начинают выделять токсичные вещества, например, при нападении гусениц или тли, которые собираются их сожрать. Мы углубимся в эту тему чуть далее, а пока маленькое предупреждение: значительная часть пестицидов, которые мы съедаем, производится… самими растениями.

Другой весьма любопытный факт из жизни растений. Точно так же, как и организм животного, организм растения передает сигналы посредством электрических импульсов, в точности как наши нейроны. В 2014 году группа ученых из Университета Лозанны продемонстрировала, как Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля), весьма распространенное растение, не представляющее никакого сельскохозяйственного интереса, но активно используемое в исследованиях по растительной физиологии, реагирует электрическими сигналами на присутствие паразитов, хотя сам механизм, регулирующий это поведение, еще до конца не ясен.

По ту сторону света

Мы увидели, как растения могут с помощью фотосинтеза синтезировать глюкозу, которая служит «топливом» для снабжения клеток энергией. Тем не менее растениям нужно еще и вытягивать из земли другие питательные вещества, необходимые для выживания, в частности воду и минеральные соли.

Если бы мы провели анализ листа салата, то обнаружили бы, что он содержит все девяносто природных элементов периодической таблицы, включая золото, вольфрам, ртуть, даже уран, хотя большинство из них, по мнению ученых, не играют никакой роли в биологии.

Элементов, необходимых для жизни растения, на самом деле совсем немного, всего шестнадцать. Некоторые из них – так называемые макроэлементы – необходимы в бо́льших количествах, в то время как других, микроэлементов, достаточно совсем чуть-чуть. Чтобы вы могли примерно понять масштабы, я приведу типичное соотношение между содержанием азота (макроэлемент) и молибдена (микроэлемент) – оно равно 10000:1. То есть если растение содержит 1,5 % азота, то молибдена в нем 0,000001 %. Тем не менее, несмотря на столь микроскопические количества, молибден входит в состав некоторых ферментов, необходимых растениям для синтеза белков и метаболизма азота.

Самыми важными макроэлементами служат углерод и кислород (получаемые растениями из углекислого газа, СО_2), а вода используется для получения водорода. Эта информация не должна вас удивлять: эти три элемента лежат в основе фундаментальной структуры органических молекул. Если же обратить внимание на минеральные элементы, которые растения берут из земли, то окажется, что важнее всего для них азот и калий, а затем фосфор, сера, кальций и магний.

На почвах, которые не содержат необходимого количества одного из этих элементов, невозможно ничего вырастить. Именно в связи с этим уже в середине XIX века знаменитый химик Юстус фон Либих сформулировал закон минимума, согласно которому рост растения ограничен не только общим объемом питательных веществ, но и наличием в питательной среде одного основного минерала, который находится в относительно малом запасе. Другими словами, если почва изобилует азотом, но в ней нет калия, на ней не получится создать растительное разнообразие. Если попытаться найти подходящее сравнение, то это как если бы вы хотели приготовить пасту карбонара из десяти килограммов макаронных изделий, пяти килограммов ветчины и одного яйца. Максимальное количество порций будет ограничено этим единственным яйцом.

Ко всему вышесказанному надо добавить и другой фундаментальный фактор – избыток определенных элементов может быть не менее вреден, чем их отсутствие. Порой даже более. Возьмем в качестве примера всем известный натрий. Те, кто увлекался историей Древнего Рима, могут вспомнить знаменитый эпизод. Римляне после завоевания Карфагена посыпали все поля карфагенян солью, чтобы сделать их бесплодными. А верующие вспомнят, как пророк Иеремия обратился к людям, слишком привязанным к материальным ценностям: «Он будет как вереск в пустыне и не увидит, когда придет доброе, и поселится в местах знойных в степи, на земле бесплодной (в земле солончаков), необитаемой» (Иеремия 17, 5–8).

С исторической точки зрения возможно, что разбрасывание соли (хлористого натрия) было, скорее, символическим жестом, учитывая то, что для порчи полей потребовалось бы столь огромное количество соли, что не ясно, как ее можно было бы доставить.

Это должно позволить понять, как на самом деле сложно соблюсти баланс минеральных солей, чтобы оптимизировать урожай.

Урожайность почвы зависит не только от питательных веществ, но и от множества других факторов, таких как ее органический состав, обилие микроорганизмов, физической «структуры». По этой причине термин «удобрение» относится не только к веществам, используемым для обогащения почвы питательными веществами, но и к составам, которые изменяют ее pH или физические свойства. Здесь мы сосредоточимся на питательных удобрениях[6].

В древние времена первые поселенцы селились там, где почвы были плодородными от природы, поскольку рядом протекали реки. Подумаем, к примеру, чем был Нил для древних египтян. Египтяне даже называли свою страну Кемет, Черная земля, имея в виду слои ила, которые оставлял Нил после сезонных разливов. Они понимали, что ил – черная земля, богатая минеральными солями, которую Нил разносил своим течением, – был для них благословением. Египтяне создали систему каналов, чтобы во время половодья вода распределялась как можно равномернее, а потом, спадая, не уносила плодородный слой, который бы в то же время не пересыхал на африканском солнце.

Уже самые ранние цивилизации заметили, что постоянное использование одного и того же поля для посевов – не самая удачная идея, что почвам необходим «отдых», чтобы восстановить плодородие. Зарастание дикой травой позволяло почве подпитаться органическими веществами, привлечь животных, удобрявших ее своим пометом, богатым органикой, микроорганизмами и минеральными солями.

Наиболее распространенной была двупольная система севооборота, в которой поля засевались по очереди через год – одно засаживалось, а второе отдыхало. Но уже в Средние века люди поняли, что эта система не идеальна, ее использование не позволяло повысить урожайность кардинально. Начало применяться трехполье, оно было намного эффективнее: первое поле засевалось зимой озимыми культурами – пшеницей или рожью, летом – яровыми – ячменем или овсом; второе поле – бобовыми (чечевица, горох), а третье поле оставалось под паром. Этот подход был гораздо эффективнее двуполья, по двум причинам: во-первых, ежегодно засеивались две трети полей, а не половина, как при двупольном севообороте. А во-вторых, что очень важно, использовалось удивительное свойство бобовых: в сельском хозяйстве они помогают насытить почву, истощенную зерновыми, азотом.

В корнях бобовых живет на самом деле бактерия, Rhizobium leguminosarum, умеющая связывать азот из атмосферы, – она превращает газообразный азот в усваиваемую растениями форму – ион нитрата (NO_3 —) или ион аммония (NH_4 +). Азот – один из самых важных питательных элементов для растений, поскольку он входит в состав хлорофилла и растительного белка и вовлечен практически во все фазы жизни растения: рост, созревание, производство листвы. Хотя газообразный азот служит основным компонентом атмосферы – до 78 % воздуха, которым мы дышим, состоит из молекулярного азота, – растения не способны поглощать его непосредственно и сразу использовать. Для них единственной возможностью получить его – является всасывание из почвы, корнями, ионов аммония или нитрата. Вспомните, как мы уже говорили в предыдущей главке, что химические свойства чистых элементов могут сильно отличаться от свойств их соединений? Ну вот, тому яркий пример.

Абсолютно бесцветная, лишенная запаха и вкуса молекула азота очень стабильна, и ее очень трудно заставить вступить в реакцию с другими веществами. Химики на своем профессиональном языке говорят, что молекула азота инертна. Представьте, что, когда мы, химики, работаем с очень опасными веществами, которые при контакте с кислородом или водяным паром в атмосфере могут взорваться или воспламениться, мы используем азот, чтобы работать в инертной атмосфере, – для этого из лаборатории выкачивают воздух и заполняют ее азотом.

А вот аммиак (NH_3) и азотная кислота (HNO_3), наоборот, – вещества, вступающие в реакцию при первой же возможности. На самом деле эти молекулы даже слишком активны: я надеюсь, что и без этой книги вы сможете себе представить, что будет, если полить цветочки азотной кислотой.

Не вдаваясь особо в детали, достаточно знать, что аммиак и азотная кислота легко превращаются в производные, ионы нитрата и аммония, которые нам уже раньше попадались, – они безвредны и легко абсорбируются.

И вот тут начинает действовать фундаментальное правило связывающих азот микроорганизмов, которые, благодаря сложным, но удивительным «молекулярным лабораториям», то есть комплексу ферментов, так называемой нитрогеназе, способны управлять превращением атмосферного азота в молекулы, о которых мы говорили выше.

Большая часть работы по связыванию азота выполняется симбионтами, микроорганизмами, которые не могут существовать в одиночестве и развиваются только в присутствии других организмов, с которыми «сотрудничают», чтобы выжить. Такова и Rhizobium leguminosarum, бактерия, которая стала первым открытым биологами бактерией, связывающей азот. Она живет в симбиозе с бобовыми, образуя характерные узелки у них на корнях. Rhizobium снабжает растение азотом, а растение платит ей, помогая синтезировать углеводы. И все довольны: бактерия получает углеводы, растение – азот, а крестьянин – почву, которая после урожая становится еще более плодородной и богатой азотом.

До возникновения сельскохозяйственной химии способов повысить урожайность было всего два: использование помета животных в качестве удобрения и севооборот с посадкой бобовых, как мы только что убедились. Но постоянный рост народонаселения требовал постоянного повышения урожайности полей, и постепенно оказалось, что конский навоз и ежегодное чередование посевов уже не годятся.

До открытия Юстусом фон Либихом в 1840 году необходимости азота для роста сельхозкультур интерес к его соединениям ограничивался военными нуждами, то есть селитрой, одним из компонентов пороха? и скромными потребностями в аммиаке и азотной кислоте. Только после важного открытия сельскохозяйственный мир заинтересовался возможностями использования производных азота для повышения урожайности.

По сравнению с использованием навоза или чередования культур, это могло бы позволить не только увеличить урожайность, но и добиться большей защиты от неурожая.

Сегодня удобрения стали относительно дешевыми, но в конце XIX века методы эффективного синтезирования азотсодержащих молекул еще не существовали, и единственной возможностью оставалась добыча нитрата натрия (NaNO_3) из природных месторождений. Во второй половине XIX века и первой половине века ХХ эти месторождения были столь ценным ресурсом, что нитрат натрия называли «белым золотом». В Чили, – главном экспортере этого минерала, – экспорт нитрата натрия приносил 60–80 % всех экспортных доходов. Шахты «чилийской селитры» – так назывался нитрат натрия в те времена – были столь ценны, что из-за них между Чили и Боливией с Перу происходили даже вооруженные столкновения, получившие название Тихоокеанская война, которая продолжалась с 1879-го по 1884 год.

Прошло не так уж много времени, и люди осознали, что спрос на удобрения стал столь высок, что никакие шахты не смогли бы удовлетворить спрос: нужна была альтернатива.

Как аммиак спас (и разрушил) мир

Когда мы сегодня приходим в супермаркет, то обнаруживаем готовые к употреблению растворы аммиака в отделе чистящих средств. Он экономичен и эффективен, прост в употреблении, и мы так привыкли к нему, что практически перестали его замечать. Это как соляная кислота, отбеливатель-хлорка или спирт: древние, всем известные вещества, которыми пользовались еще наши бабушки и прабабушки, часть повседневности.

Но для химика аммиак (NH_3) – это молекула, ставшая символом важнейшего переворота современности, чуть ли не главная молекула ХХ века. Промышленный синтез аммиака лег в основу всей современной химии, он же позволил более чем семи миллиардам человек выжить на бледно-голубой точке (перефразируя Карла Сагана[7]).

Реакция, о которой идет речь, относительно проста:

N_2 + 3 H_2 → 2 NH_3

Эта химическая формула сообщает, что одна молекула азота реагирует с тремя молекулами водорода, в результате образуются две молекулы аммиака. Прежде всего попробуем понять, откуда взялись эти коэффициенты, то есть почему одна молекула азота реагирует именно с тремя молекулами водорода, а не, скажем, с двумя или четырьмя.

В самом начале главы мы уже сформулировали фундаментальное правило: «Энергия не создается из ничего и никуда не исчезает». То же самое верно и для материи. Мы можем связать три атома между собой, изменить их расположение, но не можем заставить их исчезнуть или создать их из ничего. Этот закон называется законом Лавуазье, в честь французского химика Антуана Лорана Лавуазье, отца современной химии – первооткрывателя кислорода и водорода, ученого, доказавшего важность такого лабораторного инструмента, как весы, первого исследователя физиологии дыхания. Лавуазье гильотинировали по решению французского революционного трибунала под лозунгом «Республика не нуждается в ученых».

Закон гласит, что атомы, находящиеся в левой части уравнения реакции, должны быть и в правой ее части, в тех же количествах. Если мы запишем уравнение реакции как N_2 + H_2 → NH_3, она утратит смысл: слева у нас будут два атома водорода и два азота, а справа – один азота и целых три водорода. Чтобы сбалансировать уравнение, нужно напрячь наш разум. Можно представить ее чем-то вроде судоку, головоломки из воскресной газеты: задача состоит в том, чтобы, умножая каждую молекулу на некий коэффициент, добиться равного количества атомов справа и слева. Если вы хотите развлечься, можете попробовать проверить, уравновешено ли уравнение образования глюкозы с помощью реакции фотосинтеза, приведенная в самом начале главы.

Таким образом, реакция, которую мы рассматриваем, кажется, на первый взгляд, достаточно простой. Смешиваем водород с азотом, немного нагреваем, и пожалуйте – аммиак. Само собой, все совсем не так просто. По сравнению с синтезом глюкозы из CO_2 и воды, конечно, все более определенно. Если азот и водород реагируют друг с другом – у них практически нет иного выбора, как превратиться в аммиак. Но проблема в этом самом «если» – как их заставить реагировать. Вплоть до середины XIX века аммиак получали вовсе не соединением водорода и азота, а из селитры, добываемой в Чили. Технологии массового производства просто не существовало.

Революция случилась между 1905-м и 1910 годами, когда два немецких химика, Фриц Габер и Карл Бош, создали один из самых знаменитых промышленных химических процессов: процесс синтеза аммиака из элементов Габера – Боша. История этого процесса заслуживает отдельного внимания, поскольку являет собой один из ярчайших примеров того, как один и тот же человек может служить и добру, и злу, и как одно и то же научное открытие может быть использовано для спасения человечества и его же уничтожения.

Фриц Габер[8] родился в Пруссии в декабре 1868 года, в богатой семье еврейского происхождения, построившей состояние на торговле красителями и фармацевтическими препаратами. История его юности и его страсти к химии поражает современностью: мальчик смог развивать страсть к науке, вероятно, связанную с отцовским бизнесом, благодаря помощи дяди, снабжавшего его реактивами и предоставлявшего помещение. Когда Фриц закончил гимназию, отец хотел привлечь его к семейному делу, но вынужден был сдаться перед настойчивостью сына, жаждавшего продолжить учебу. Юноша продолжил обучение в Берлине под руководством Германа фон Гельмгольца и Августа фон Гофмана. Последний, считающийся одним из отцов современной органической химии, стал руководителем докторской диссертации, защищенной Габером с блеском. Прожив несколько лет в Пруссии, работая над небольшими проектами, Габер наконец поступил на работу в Цюрихский федеральный политехнический институт, потом переехал в Йену и, наконец, оказался в Карлсруэ, где проработал семнадцать лет и получил звание ординарного профессора.

Исследования синтеза аммиака он начал в 1903 году, но поначалу результаты были разочаровывающими. Обнаружилось, что даже при температуре 1000 °C выход реакции составлял не более 0,0044 %. То есть результат был практически… нулевым. Это не было совсем уж неожиданностью: уже было известно, что из-за целого ряда термодинамических причин теоретический результат этой реакции – то есть максимальное количество продукта, которое можно получить в лучшем случае, – уменьшается с ростом температуры. С другой стороны, при температуре окружающей среды реакция идет слишком медленно для получения какого-либо практического результата. Столкнувшись с этими трудностями, Габер оставил исследования аммиака, чтобы вернуться к ним несколько лет спустя из-за научного спора с Вальтером Нернстом, отцом современной электрохимии. В 1908 году, к своей огромной радости, Габер смог получить вожделенный результат: процесс пошел при температуре около 600 °C и давлении 200 атмосфер, благодаря использованию катализатора на основе осмия, и дал приемлемый результат. Карл Бош, химик, сотрудник BASF[9] (по сей день остается крупнейшим химическим предприятием в мире), смог оптимизировать процесс так, чтобы он стал доступным в промышленном масштабе. Бош использовал новый катализатор на основе железа, относительно недорогой и более эффективный по сравнению с осмием.

Сегодня слово «катализатор» уже стало словом обыденного языка, но все-таки требует пояснения: катализатор – это вещество, которое, даже присутствуя в микроскопических количествах, ускоряет химическую реакцию. Представьте себе шарик, находящийся в равновесии на вершине горы: в этом случае катализатором послужит некая сила, которая подтолкнет шарик, чтобы он скатился со склона. Катализатор – это «посредник», он не оказывает влияния ни на исходную точку, ни на точку прибытия, он просто ускоряет процесс движения. И его роль далеко не банальна, ведь без катализатора многие реакции стали бы столь медленными, что просто бы никогда не закончились. Кроме того, существуют конкурирующие между собой реакции: из двух реагентов А и В могут путем разных реакций получиться как вещество С, так и вещество D, и так далее, но именно катализатор делает одну реакцию быстрее другой, и она становится победителем относительно других. Замечательными примерами катализаторов служат ферменты в нашем организме, способствующие химическим реакциям, постоянно происходящим в наших клетках, и управляющие ими. В случае отсутствия или поломки того или иного фермента, последствия, как правило, плачевны.

В промышленном производстве правильный катализатор служит залогом успеха и определяет экономическую выгоду.

Именно поэтому процесс Габера – Боша произвел революцию – впервые в истории он сделал производство аммиака (и других производных азота) в широких масштабах экономически успешным, устранив зависимость от запасов полезных ископаемых.

Этот успех позволил Габеру стать одним из ведущих ученых прошлого века. Благодаря открытию он возглавил новый Институт физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма и плодотворно сотрудничал с самыми известными академическими учеными своего времени, в том числе и с Альбертом Эйнштейном, с которым они стали друзьями. Все это случилось в период 1912–1913 годов, когда мировая война уже была на пороге.

В Первую мировую войну нитратные запасы стали стратегическими не только потому, что служили удобрениями, но и потому, что они легли в основу производства боеприпасов. Когда Великобритания начала блокаду Германии на море и военный флот Великобритании схлестнулся с флотом Германской империи, поставки селитры из Чили были приостановлены, и немцы вынуждены были обратиться за помощью к новым технологиям, созданным Габером и Бошем, чтобы произвести аммиак, а из него необходимые нитраты.

К несчастью, патриотизм Габера заставил его пожертвовать наукой и химией в пользу войны. Габер самым решительным образом поддержал Германию в химической войне и, пользуясь своим влиянием, убедил военачальников провести первые «испытания» прямо на поле боя, полагая, что использование столь ужасного оружия сможет привести к быстрому окончанию войны и спасет многие жизни. В результате 22 апреля 1915 года неподалеку от бельгийского города Ипр из 5700 баллонов было выпущено 167 тонн газообразного хлора. Тысяча людей погибли мучительной, страшной смертью. Испытание нового оружия повторилось еще через несколько дней, и последствия были еще более трагическими: четыре тысячи мертвых, десять тысяч раненых.

«Успех» этой операции принес Габеру звание капитана, но отнял у него жену. Клара Иммервар, тоже блестящий химик, была в ужасе от поведения Фрица, которое она называла «научным извращением» и считала «признаком варварства, искажением смысла работы, призванной раскрывать секреты жизни»[10].

Когда Фриц вернулся домой и праздновал успех при Ипре, Клара покончила с собой, выстрелив себе в грудь из пистолета мужа, умирающую мать обнаружил их тринадцатилетний сын Герман. (В 1945 году Герман тоже покончит с собой.)

Знавший о случившемся Габер отправился тем не менее на следующий день на Восточный фронт, чтобы продолжить испытания химического оружия.

Габер продолжил свои исследования, приведшие его к открытию еще двух печально известных молекул: фосгена и иприта (горчичного газа). И вновь женился в 1917 году. Конец войны он встретил в Швейцарии, спасаясь от суда за жестокое умерщвление 92 тысяч солдат, погибших от созданного им химического оружия, и нанесение поражений более чем миллиону человек. Вопреки его исходным убеждениям, химическое оружие не сократило войну ни на один день.

Как часто случается в подобных случаях, вскорости все было забыто, и Габер не только вернулся к своей прежней работе, как будто ничего не случилось, но и получил Нобелевскую премию за исследования синтеза аммиака. Мотивация вручения премии именно ему основывалась на важности его изобретения для сельского хозяйства, хотя оно и использовалось в военных целях во время Первой мировой войны.

Габер возобновил свои академические исследования и сконцентрировался на работе института, в котором трудились многие ученые с мировым именем, обеспечившие славу химии и науке.

Параллельно он продолжил тайные исследования химического оружия под эгидой немецкого правительства до тех пор, пока в 1933 году ему не пришлось покинуть рейх не только по причине еврейского происхождения, но и вследствие внезапного акта мужества – он отказался выполнить приказ нацистов и уволить коллег-евреев. Фриц Габер умер в 1934 году в Базеле, и был похоронен там же вместе с первой женой Кларой.

Благодаря процессу, носящему его имя, сегодня в мире ежегодно производятся 180 миллионов тонн аммиака, 88 % которых используются для производства удобрений. Население планеты смогло вырасти с 1,6 миллиардов человек в 1900 году до 7 миллиардов сегодня в том числе и благодаря развитию сельского хозяйства, ставшему возможным в результате доступности и дешевизны азотных удобрений.

Удобрения и биология

Плодородная почва тем не менее не служит гарантией хорошего урожая. Это как человек, который хорошо питается, но все-таки может заразиться инфекцией, подцепить паразитов или стать жертвой несчастного случая; точно так же растениям грозят и болезни, и нападения со стороны разных живых существ. Любой, у кого есть даже крошечный огород, прекрасно знает, какой ущерб могут нанести зелени сорняки, грибы, болезни или обычные гусеницы и улитки. А если вы посадите еще и фруктовые деревья, то быстро осознаете, что в некоторые годы урожай фруктов просто не созревает из-за болезней или паразитов.

А теперь вообразите эту проблему в масштабах десятков гектаров и представьте, что от урожайности зависит будущее вашего дела. Тревожно, не так ли? Жутковато, разве нет?

Учитывая огромное количество разных угроз, которые нависают над растением, и соответствующее количество различных используемых для защиты веществ, было бы просто утомительно рассматривать их все в этой книге. Поэтому мы можем рассказать об этом более обобщенно, стараясь сосредоточиться на тех особенностях, что влияют на нашу каждодневную жизнь, например на токсичности некоторых сельхозпрепаратов или их влиянии на окружающую среду. Этот разговор мы еще возобновим в лекции 5.

А начнем с определения некоторых особенностей. Термин «сельхозпрепараты» относится к множеству веществ самого разного назначения, их можно грубо поделить на гербициды, инсектициды и фунгициды. Среди этих групп существуют соответственно подгруппы, к примеру гербициды делятся на контактные (те, что уничтожают только часть растения, с которой контактируют) и системные, которые действуют тотально и разрушают все растение вместе с корнями, а также гербициды с остаточным действием, препятствующие прорастанию семян.

Что касается их токсичности, то следует принимать во внимание многие аспекты воздействия: разлагается ли вещество на неядовитые производные после воздействия или сохраняется неизменным? Воздействует ли только на паразитов и сорняки или опасно и для местной фауны? Существует ли риск загрязнения грунтовых вод?

Может ли яд сохраняться в опасных для потребителя количествах в конечной продукции? Безопасен ли он для фермера, который его использует?

В идеальном мире должны были бы применяться совершенно безвредные для человека и животных вещества, не имеющие никакого негативного влияния на окружающую среду, но в реальной жизни, к сожалению, это не так и любое средство обладает побочными действиями, которые следует оценивать и рассказывать о них потребителям. Сложности добавляет тот факт, что не всегда можно получить конкретные данные сразу, а не после многих лет использования.

Сегодня мы хорошо знаем, что многие средства, активно употреблявшиеся в шестидесятые-семидесятые годы во время так называемой «зеленой революции», на самом деле оказывали весьма серьезное побочное влияние на окружающую среду и сегодня запрещены во многих странах. В Европе сегодня запрещен атразин, из-за загрязнения грунтовых вод, но его продолжают использовать в некоторых неевропейских странах.

Самый распространенный в мире гербицид глифосат уже давно стал предметом серьезного столкновения ученых и специалистов по сельскому хозяйству с защитниками окружающей среды. История глифосата началась в 1970 году, когда он был запатентован международной корпорацией Monsanto под коммерческим названием Roundup и распространился в планетарных масштабах благодаря высокой эффективности и предполагаемой безопасности. Сегодня срок патента уже истек и глифосат доступен у многих производителей под самыми разными названиями. В последние годы множество последствий, вероятно связанных с его употреблением, породили весьма напряженную публичную дискуссию, которой пока еще нет конца. В отличие от других тем, кажущихся «простыми» с научной точки зрения, но весьма сложными с медийной (как глобальное потепление или безопасность вакцинации), эта тема практически не позволяет делать никаких громких заявлений без риска быть в один прекрасный день опровергнутым. Единственный возможный путь – проанализировать имеющиеся в нашем распоряжении данные и оценить риски и выгоды. Но даже этот подход грозит множеством трудностей. Например, как Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО), так и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), установили, что глифосат не является канцерогеном[11]. Но в 2015 году, наоборот, Международное агентство по изучению рака (МАИР) включило его в список веществ «вероятно канцерогенных для человека»[12], основанном на эпидемиологических исследованиях, предметом которых были люди и лабораторные животные.

Но рассматриваемые под другим углом, эти результаты неожиданно приобретают совершенно иной смысл. К примеру, МАИР включила влияние глифосата в ту же категорию (2А), что и влияние домашней фритюрницы, потребление красного мяса и посменной работы. Если сравнить этот список с тем, что относится к категории 1 (безусловно канцерогенное воздействие), то ситуация становится еще более парадоксальной: в этот список входят спирт (упомянут в списке дважды – и как чистый продукт, и как входящий в состав алкогольных напитков), древесная зола, лечение гормонами и даже солнечный свет (из-за ультрафиолетового спектра). Это не значит, конечно, что сотрудники МАИР параноики, причина в том, что за их результатами стоят весьма серьезные научные исследования. Фундаментальная проблема заключается в том, что подобная классификация не содержит оценку степени риска, а именно это нас интересует на самом деле, и должно быть оценено для каждого фактора отдельно. Вот простой пример: солнечный свет, несомненно, несет канцерогенную угрозу для человека (категория 1 по версии МАИР)[13]. Если подумать, это вовсе и не странно. Все прекрасно знают, что лежание на солнце в разгар лета без какой-либо защиты и в течение нескольких часов может привести к раку кожи, но то же самое зимой – гораздо менее рискованно. То же самое можно сказать и по поводу алкогольных напитков: ежедневное пьянство отличается от выпивания стаканчика вина за воскресным обедом или кружки пива с друзьями раз в неделю.

Тот же подход годится и в случае с глифосатом: любые рассуждения, не учитывающие использованные дозы, не имеют смысла. Интересный пример для этого случая – история с макаронными изделиями. В 2018 году сразу несколько газет опубликовали заметку, сообщавшую об обнаружении глифосата в макаронах разных производителей: концентрация в среднем колебалась возле 0,050 мг/кг. Это означает, что в каждом килограмме макарон содержалось примерно 0,000050 г глифосата. Безопасным для человека, согласно данным EFSA – Европейского агентства по безопасности продуктов питания, – является количество в 0,5 мг на килограмм собственного веса[14]. Таким образом, человек с весом 60 кг, чтобы получить с пищей опасное количество глифосата, должен съедать в день более 600 кг макарон!

Конечно, это не значит, что мы можем расслабиться и пренебречь воздействием на окружающую среду современных сельскохозяйственных технологий, на самом деле одной из самых загрязняющих природу отраслей экономики. Сельское хозяйство ответственно за почти 10 % всего объема выбросов парниковых газов, но еще более важным является его влияние на почву, экосистему и водные источники. Например, хотя большая часть современных инсектицидов безопасна для потребителя, хотя при этом и не полезна для тех, кто соприкасается с ними в работе или существует в том же ареале, но они могут нанести вред насекомым-опылителям, например пчелам. Удобрения, хоть и стали, как мы уже убедились, настоящим спасением для человечества, тем не менее способны нанести значительный ущерб, когда их использовать непропорционально и бесконтрольно. Одним из побочных эффектов их чрезмерного использования стала эвтрофикация: избыток питательных веществ загрязняет водоемы и приводит к взрывному росту водорослей. А они истощают запасы кислорода в воде и отнимают его у других организмов, что приводит к катастрофическим последствиям для экологии.

Биология, биодинамика и сельское хозяйство будущего

Благодаря тому, что общество все больше узнает о негативных воздействиях интенсивного сельского хозяйства на окружающую среду, в последнее время возникли движения, проповедующие биологическое и биодинамическое сельское хозяйство.

Биологическое сельское хозяйство основывается на целом ряде разделяемых многими принципов, таких как использование локальных продуктов, сохранение плодородия почвы и сокращения загрязнений, источником которых могут служить современные сельхозтехнологии. Оно избегает использования пестицидов, внедренных в 70-е годы прошлого века, периода сельскохозяйственного бума. Многие современные пестициды, такие как глифосат, о котором мы говорили, полностью запрещены сегодня. Проблема в том, что разница между тем, что можно использовать, и тем, что не стоит, основана, скорее, на «традиции», а не на научных данных, и прежде всего на различии между «естественным» и «синтетическим», которое часто просто лишено смысла. Если вы мне не верите, можете прочесть знаменитую статью Брюса Эймса и его коллег, опубликованную в журнале PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences)[15] в 1990 году: в ней перечислены все пестициды, что мы поглощаем ежедневно и которые производятся самими растениями в качестве средства защиты[16]. Исследователи считают, что в эту категорию попадает практически 99,99 % всех пестицидов, включенных в наш каждодневный рацион, а около половины из них показали себя канцерогенами во время опытов на мышах…

Я бы хотел привести еще один, более наглядный пример: знайте, что медный купорос активно используется в органическом сельском хозяйстве как бактерицид и фунгицид, особенно же он популярен при выращивании винограда. Однако, как и все производные меди, металла достаточно тяжелого, он оказывает сильное воздействие на окружающую среду. Поэтому в целом нельзя сказать, что органическое сельское хозяйство не использует продукты химии для повышения урожая или что использует исключительно нетоксичные средства, не наносящие вреда окружающей среде. Точно так же не верно и то, что органические продукты более здоровые: как показали многочисленные исследования, и с точки зрения пищевой безопасности, и с точки зрения питательности, никакой разницы между плодами традиционного сельского хозяйства и плодами органического просто не существует.

Но вот с точки зрения воздействия на окружающую среду между ними выявляются существенные различия. При равной площади поля, возделываемые по принципам органического земледелия, сохраняют большее биоразнообразие (насекомых, червяков, мелких млекопитающих), лучшее качество почвы и меньше загрязняют грунтовые воды. Но при этом их урожайность ниже по сравнению с традиционными, иногда – например, в случае с фруктами – незначительно, но весьма заметно в случае злаковых, у них урожайность падает почти на 30 %[17]. Хотя если сравнения проводить при одинаковой массе получаемого продукта, различия заметно снижаются.

Но если в области органического земледелия есть место для дискуссий, то в биодинамическом оно весьма незначительно, если смотреть с точки зрения науки. Эта практика возникла в первые годы ХХ века с легкой руки Рудольфа Штейнера, австрийского провидца и спиритуалиста: те, кто ее исповедует, верят в то, что магические ритуалы и влияние Луны оказывают действие на урожай.

Один из самых популярных биодинамических ритуалов – закапывание коровьего рога с навозом: последователи утверждают, что наполнение рога коровы, у которой был хотя бы один теленок, коровьим же навозом, закапывание его зимой и извлечение на Пасху и разбрасывание содержимого по полю дает результат. Штейнер полагал, что рог коровы работает как «антенна», притягивающая «эфирно-астральные» силы, концентрирующиеся в навозе внутри рога как «астральный дух и жизненная сила»[18].

Я позволю себе сделать замечание: дискуссии об астральных энергиях я предпочел бы дебаты о том, что мы могли бы сделать из рациональных соображений для того, чтобы найти способы производить продукты питания, которые позволили бы нам всем есть в достатке здоровую пищу, но при этом не наносить вреда экологии.

Химия, как и любая другая наука, являет собой только один из способов, которыми человек использует свой разум для решения проблем, встающих на его пути. В любой области необходимо действовать, используя логику и рациональный подход, не ударяясь в предубеждения и не принимая ничего как должное. Это означает и признание собственных ошибок, и понимание того, как их исправить, работая над выработкой новых и лучших решений. От земледелия зависит наше существование, и думать, что можно вернуться на двести лет назад, означает, что вы вообще не понимаете, что происходит в мире вокруг. Мне нравится верить, что науку создают люди, ученые и исследователи, возвращающиеся вечерами домой, к детям, мужьям и женам, которые хотят пить чистую воду и есть полезную еду, как и все люди на Земле. Мы еще увидим в следующих главах, что тема защиты природы находится в центре внимания современных исследований, но для достижения весомых результатов требуется мощная политическая воля, воля всего общества. А для того нужны разум и исследовательский труд.

Лекция 3

В автомобиле

Кто едет медленно… тот и опаздывает!

Нефть. Одного этого слова достаточно, чтобы перенестись в мир ожесточенных споров об энергетике и глобальном потеплении, о геополитике и роли одноразового пластика. На нефти зиждется огромная часть мировой экономики, хотя, увы, это чрезвычайно хрупкий фундамент, который очень скоро может обрушиться, если мы не найдем вскорости более надежную альтернативу.

В течение уже многих лет исследователи делают все возможное, чтобы понять, как можно использовать возобновляемые источники энергии, от солнца до ветра, но тем не менее мы еще далеки от открытия эффективного способа удовлетворить неуемную жажду энергии в нашем обществе, несмотря на впечатляющие шаги в этом направлении. Международное энергетическое агентство в 2018 году опубликовало отчет о возобновляемых источниках энергии и рассчитало, что к 2023 году уже треть всей потребляемой в мире энергии будет поступать из возобновляемых источников[19]. Китай сегодня движется впереди всех, особенно в области освоения энергии Солнца, в то время как остальные страны получают наибольшую долю чистой энергии в первую очередь от гидроэлектростанций, во вторую – от ветряков.

К тому же энергию надо не только произвести, но надо суметь ее передать и сохранить. Электрическая энергия транспортируется без проблем, но сохранить ее совсем не просто. Представьте себе смартфон или современный компьютер, чьи аккумуляторы живут существенно меньше, чем устройства десяти-двадцатилетней давности. Очевидно, современные аккумуляторы намного более энергоемкие, чем их предшественники, и современные батарейки обладают куда как большими возможностями, чем их собратья из 1990-х, однако их эволюция тем не менее не совсем поспевает за изменениями в информационных и коммуникационных устройствах, которые они питают. То же самое относится и к водороду: у него масса преимуществ перед традиционным топливом, это топливо идеально чистое, но его очень трудно произвести, транспортировать и хранить.

В следующих главках я расскажу вам о фундаментальных законах термодинамики – науки, изучающей превращения энергии. Я буду испытывать вашу фантазию и способность к абстракции, поэтому попрошу вас сосредоточиться. Но это стоит усилий, ибо вы научитесь смотреть на мир совершенно по-другому.

Соревнование, в котором нет победителей

Дать определение понятию энергии, простое и исчерпывающее, – совсем не просто, учитывая, что она существует в самых разных видах: химическая, электрическая, механическая, тепловая и тому подобное. Самое простое определение – это способность выполнить работу.

Все виды энергии имеют нечто общее: они легко переходят из одного вида в другой. Возьмем, к примеру, автомобиль: в его бак залито топливо (химическая энергия). Это топливо сгорает, и химическая энергия превращается в тепловую. Тепло заставляет расширяться полученный при сгорании газ, который движет поршни (механическая энергия). Механическая энергия, в свою очередь, заставляет вращаться колеса, и ее часть превращается посредством генератора в электричество, заряжающее аккумулятор и включающее свечи зажигания и бортовые системы.

Мы можем продолжить, приводя самые разные примеры из нашей повседневной жизни, демонстрирующие превращение энергии одного вида в другой.

Вряд ли вы удивитесь, узнав, что огромное количество химиков (и других ученых) работают именно в этой области и ведут исследования, направленные на поиск самых эффективных и экологичных способов обеспечить общество энергией в достатке. Наука, изучающая превращения энергии, называется термодинамикой, и знание ее законов совершенно необходимо для исследователя. А изучение ее основ для человека, занимающегося в жизни чем-то другим, – отличный способ посмотреть на мир иным, вооруженным научными знаниями, более осознанным взглядом.

Сейчас же вернемся к нашей теме и продолжим размышлять над связью тепла и механической работы, разбирая знаменитый эксперимент, проведенный в 1845 году физиком Джеймсом Джоулем.

Эксперимент Джоуля был весьма прост, но остроумен: небольшие металлические гири были привязаны, посредством кабелей и шкивов, к механизму, оснащенному вращающимися лопастями, погруженными в сосуд с водой. Свободно падающие гири вращали лопасти и создавали в воде вихрь. Когда опыт повторялся много раз подряд, то вода заметно нагревалась, что подтверждалось измерениями точного термометра. Если пренебречь потерями энергии за счет трения в кабелях и шкивах, получится, что вся механическая энергия грузов превращается в этом эксперименте в тепловую и позволяет нагреть воду. Таким образом, Джоуль не только смог доказать, что тепло и механическая энергия суть две стороны одной медали, но и выразил соотношение между ними количественно.

Сегодня мы используем джоуль в качестве единицы измерения энергии, но до 1845 года тепловая энергия оценивалась в других единицах – калориях: одна калория соответствует количеству тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1 градус Цельсия. Благодаря эксперименту Джоуля мы знаем, что одна калория соответствует 4,186 Дж. Это означает, что для того, чтобы сжечь 100 г макарон, содержащих в среднем 350 ккал (килокалории, 1 ккал = 1000 кал), надо нагреть на один градус 350 кг воды или выполнить работу, затратив 350 х 4,186 = 1465 кДж (как вы уже догадываетесь, к перед обозначением единиц измерения читается как «кило» и соответствует умножению на 1000, поэтому 1 кДж = 1000 Дж = 1 килоджоуль). Зная, что килоджоуль соответствует примерно энергии, которую необходимо затратить для подъема груза весом 100 кг на высоту в 1 метр, вы можете себе представить гипотетическую машину, способную преобразовать все тепло в работу, – она могла бы посредством энергии, добытой из 100 г макарон, поднять глыбу весом 1465 кг на высоту 100 метров или африканского слона весом шесть тонн на 24 метра: совсем неплохо![20]

Сейчас самое время познакомиться с первым началом термодинамики, с которым, инкогнито, мы уже сталкивались в предыдущих главах:

Энергию невозможно создать из ничего, ее можно только преобразовать из одного вида в другой. Таков закон сохранения энергии

Итак, мы не можем выиграть в игре с энергией: в идеальной ситуации мы остаемся с той же энергией, что была у нас изначально, разве что в другом виде. Не более и не менее.

Я хотел бы подчеркнуть важный аспект: речь не идет о технологическом пределе, который мы однажды сможем преодолеть, и не о законе, допускающем исключения: принципы термодинамики являются принципами, на которых базируется мироздание, и мы не в состоянии на них воздействовать. Мы только можем искать все более доступные источники энергии. В качестве мысленного упражнения мне хотелось бы предложить вам задуматься о происхождении энергии вокруг вас, стараясь проникнуть как можно дальше к ее источнику и построить энергетический цикл, задумавшись о конечном результате. Вы увидите, насколько быстро вы получите новые знания о мире и о нашем энергетическом влиянии на него.

А теперь вернемся к первому началу и попробуем немного развлечься, отложив в сторону книги и думы. Мы не можем создать энергию из ничего; да, это мы уже поняли. Однако если как следует поразмыслить, в идеальном мире мы могли бы перерабатывать энергию, как мы это делаем с бумагой или пластиком, разве нет? Если мы не можем ее создать, значит, не можем ее и уничтожить: и зачем тогда мучиться? Может быть, через несколько лет мы сможем управлять электромобилем, столь совершенным, что он сможет заряжаться по мере продвижения: достаточно поставить на него футуристические безотходные генераторы, и вся энергия, которая заставляет крутиться колеса, будет превращаться в электричество. Идея кажется великолепной, разве нет? Кажется, но не является: виновато второе начало термодинамики.

В этой игре у нас далеко не равные шансы.

Первое начало термодинамики сообщает нам фундаментальную информацию, но оно не учитывает и не описывает поведение энергии и ее трансформации.

К примеру, вообразим два одинаковых куска железа, соприкасающихся друг с другом: температура одного куска равна 100 °C, а другого – 0 °C, и представим себе, что они полностью изолированы от внешней среды, чтобы избежать рассеяния тепла в воздухе. Интуиция подсказывает, что спустя некоторый промежуток времени, тепловая энергия горячего куска потечет к холодному, пока они не достигнут температуры 50 °C и теплового равновесия между ними. Однако в первом начале нет ничего о том, что тепло должно течь от более теплого тела к более холодному. Горячий кусок мог бы просто не передавать тепло холодному, а общая энергия оставалась бы прежней. Вдобавок, если бы мы должны были основываться только на первом начале, мы могли бы вообразить два одинаковых куска одинаковой температурой 50 °C, превращающихся в куски температурой 100 °C один и 0 °C другой. С точки зрения первого начала, подобный процесс вполне допустим.

Однако этого не происходит: тепло перетекает от более горячего тела к более холодному, но никогда в обратном направлении. Закон, который определяет это явление, и есть второе начало термодинамики: он дает исследователям инструмент, позволяющий отличить спонтанный процесс от не являющегося таковым. Формулируется оно так:

Энтропия Вселенной постоянно растет

А что такое энтропия? Оставим в стороне строгие математические определения: мы можем ее определить как физическую величину, отражающую степень микроскопического беспорядка системы. Чтобы лучше понять, что имеется в виду, вообразите себе, что входите в комнату, имея при себе маленький флакон с небольшим количеством чрезвычайно вонючего газа. Когда вы откроете флакон, газ распространится по комнате и через некоторое время все присутствующие начнут вопрошать, кто испортил воздух. Если же взглянуть с термодинамической точки зрения, то исходной точкой была более упорядоченная система, в которой газ-вонючка был отделен надежно от атмосферы в комнате, а конечной – беспорядочная система, в которой расположение всех молекул совершенно случайно. Энтропия в комнате возросла. Процесс, в результате которого вонючий газ, равномерно рассеянный по помещению, спонтанно отделится от других молекул и вернется туда, откуда вышел, приведет к большей микроскопической упорядоченности, что никогда не случится само по себе, как бы ни хотелось развернуть назад многие неловкие ситуации в лифте…

Еще один аспект второго начала, чуть более философский, но очень важный, состоит в том, что энтропия дает нам понятие времени и его направления: она сообщает, куда движется мироздание. Весь мир движется во вполне определенном направлении – к максимальной энтропии, к максимальному беспорядку. Значительная часть законов физики симметричны относительно времени, то есть работают независимо от его течения; они не сообщают ничего о том, что было в прошлом, что есть сейчас и что будет в будущем. А второе начало разбивает это зеркало и устраняет симметрию: отныне направление чередования событий четко определено.

Теория энтропии довольно сложна, однако мы можем сделать из нее выводы, имеющие вполне конкретное отношение к повседневной жизни:

a) процесс, при котором тепло спонтанно переходит от холодного тела к нагретому, невозможен;

б) энергия в любом виде стремится рассеяться, как тепло.

Эти два утверждения полностью отвергают возможность изобретения машины на вечном двигателе, способной самозаряжаться и двигаться без подпитки энергией. В любом процессе некая часть энергии всегда тратится впустую, как тепло, то есть рассеивается в пространстве, и мы не можем ее собрать назад никаким образом, независимо от уровня развития нашей цивилизации. Мы не можем не только выиграть, но даже сыграть вничью. Что бы мы ни предпринимали, часть использованной энергии все равно превратится в тепло, рассеянное навсегда во Вселенной.

Классическим примером для иллюстрации этой концепции служит холодильник. Представьте себе, что читаете эту книгу очень жарким августовским днем. Температура на улице поднялась до 35 °C, солнце нещадно жарит стены вашего дома так, что он все больше напоминает жерло вулкана. Выбросив из головы все счета за электричество, вы отчаянно хватаетесь за пульт кондиционера, предвкушая уже струю холодного воздуха, омывающую тело. Вы нажимаете на кнопку… и ничего не происходит. Вы повторяете нажатие еще несколько раз, но напрасно: не работает. В отчаянии вы звоните в техническую службу, но у них полно заявок, и они смогут приехать только через пару дней. И тут вам приходит в голову идея: надо открыть дверь холодильника! Конечно, он не так удобен, как кондиционер, но лучше что-то, чем ничего, не так ли? Надо закрыть дверь и окно в кухне, открыть дверцу и подождать. Но пару часов спустя вам начинает казаться, что стало еще жарче, холодильник начинает завывать, будто готовится взорваться. Пришедший из школы сын, изучающий на физике как раз второе начало термодинамики, подкидывает вам учебник. И тут вы вспоминаете, что невозможно просто «уничтожить» тепло в комнате (первое начало термодинамики), его нужно куда-то деть. У кондиционера есть трубка, через которую тепло рассеивается вне стен вашего дома, а у холодильника есть теплообменник, который рассеивает в кухне тепло, извлеченное изнутри холодильной камеры. Если дверца закрыта, камера охлаждается, а воздух в кухне слегка нагревается; но если оставить ее открытой, вы не получите ничего, поскольку вы будете забирать тепло с одной стороны, и тут же выбрасывать с другой. И не только. Холодильник подключен посредством провода к электрической сети: как разделить виды энергии? Если бы тепло, отдаваемое задней стенкой холодильника, было равно количеству тепла, полученного из камеры, общий энергетический баланс равнялся бы нулю: а куда бы делась работа электричества? На самом деле из холодильника выделяется больше тепла, чем он забирает из воздуха, потому что часть работы электричества, вследствие второго начала, тоже преобразуется в тепло. И ваш сын совершенно прав – вы превратили холодильник в очень затратную духовку…

Теперь можно сформулировать итог: второе начало декларирует, что мир постоянно стремится к некоему равновесию, неподвижности. Жизнь – это нечто иное, как непрерывная борьба с термодинамикой. Все биохимические процессы, происходящие в нашем теле, имеют одну цель: не позволить нашему организму прийти в равновесие с окружающей средой. Для этого нам необходима энергия, которую мы потребляем с пищей и которую наше тело расходует для поддержания постоянной температуры в 37 °C в более холодной или более горячей среде. Эта энергия служит также для выработки электрических импульсов, используемых мозгом и нервной системой для коммуникации с остальными частями тела, для сокращения мускулов, возвращения их в прежнее состояние готовности к новым движениям. Она позволяет крови – при каждом вдохе – наполняться кислородом и циркулировать по телу. Равновесие же есть смерть: ничто больше не сможет измениться, ничего не случится. Это – конец времен, самый кончик стрелы. Согласно самым свежим космологическим теориям, это возможная окончательная судьба нашей Вселенной, термическая смерть, после которой не останется ни звезд, ни планет, ни галактик, ни черных дыр и никакой жизни, только вечная ледяная тишина[21].

Химия ископаемого топлива

А сейчас, когда мы уже познакомились с основными законами, управляющими преобразованиями энергии, мы можем погрузиться в процессы, посредством которых химия помогает найти самые надежные способы удовлетворения наших потребностей в энергии. Отправным пунктом нашего обсуждения станет ископаемое топливо, мы постараемся вместе лучше понять его природу, преимущества и почему мы столь зависимы от него.

Ископаемое топливо представляет собой соединения органических молекул – в основном углеводородов, – образовавшихся в результате очень медленного разложения органических веществ в условиях высокого давления и температуры, однако на самом деле, вопреки расхожим представлениям, не имеет никакого отношения к динозаврам. Несмотря на распространенность идей о том, что ископаемое топливо образовалось из останков динозавров, на самом деле это не так: оно образовалось в результате разложения остатков растений, водорослей и зоопланктона – микроскопических водных существ, живших за сотни миллионов лет до появления динозавров. Динозавры жили на Земле в период между 65 и 200 миллионов лет назад, а нефть образовалась из останков живых организмов, доминировавших в период от 10 до 100 миллионов лет назад. На самом деле эти организмы были для динозавров тем, чем динозавры являются для нас.

Сегодня мы знаем, что эти примитивные живые существа росли и размножались в океане благодаря фотосинтезу, который, как мы уже знаем, стал процессом, позволившим превращать энергию солнечного света в химическую, воплощаемую в органической молекуле. После смерти эти организмы опускались на дно океана, где со временем из них образовывалась органическая материя. Постепенно слой останков покрылся грязью, мусором и под действием мощнейшего давления океана наконец превратился в непроницаемую скальную породу. Давление нарастало, кислород не поступал к органическим останкам, и постепенно они превратились в нефть.

С точки зрения химии нефть представляет собой смесь линейных, циклических и ароматических углеводородов, небольшого количества воды и примесей, содержащих серу, азот и водород.

Она представляет собой вязкую жидкость с большим количеством загрязнений очень разного химического состава, меняющегося в зависимости от месторождения; поэтому ее нельзя использовать непосредственно, но только после переработки и очистки, то есть рафинирования.

Рафинирование нефти происходит в несколько стадий, одной из которых является процесс дистилляции, который происходит в заметных издалека башнях нефтеперерабатывающих заводов. Именно из-за мощного воздействия на визуальную и природную среду мы воспринимаем сегодня подобные структуры негативно, ассоциируя их бессознательно с неприятными запахами, ощущениями присутствия грязи, химических выбросов, связанных с нефтью. Именно поэтому, когда речь заходит о рафинированных сахаре или муке, некоторые люди морщат нос, думая, что речь идет о чем-то вредном. Я хотел бы развеять этот миф: рафинирование некоего вещества означает собственно очистку его от загрязнений с помощью процессов, которые могут быть весьма сложными, но не вредными и не снижающими пищевую ценность продуктов.

Таким образом, процесс рафинирования нефти имеет фундаментальное значение, поскольку позволяет получить вещества с самыми разными свойствами, такие как бензин, дизельное топливо, керосин или битум. Представьте себе, как заливаете битум в бак вашего автомобиля, и вы сразу осознаете, насколько тонким бывает это превращение. Процесс рафинирования включает в себя разные этапы, но мы рассмотрим три самых важных: дистилляцию (ректификацию), очистку и реформинг.

Процесс дистилляции как раз и происходит в тех самых ректификационных башнях нефтеперерабатывающих заводов и позволяет разделить нефть на разные фракции в зависимости от их температуры кипения. Мы уже убедились, что нефть представляет собой смесь углеводородов – молекул, состоящих из длинных углеродных цепочек. Чем длиннее эти цепочки, тем выше либо температура кипения (переход из жидкого состояния в газообразное), либо температура плавления (переход из твердого состояния в жидкое). Самые маленькие молекулы, такие как метан, этан, пропан и бутан (содержащие соответственно один, два, три, четыре атома углерода), сохраняют газообразное состояние и при атмосферной температуре, молекулы, содержащие от 5 до 17 атомов углерода, существуют в виде жидкости, в то время как соединения, включающие более 17 атомов углерода, имеют воскообразную консистенцию. Процесс дистилляции в колонне относительно прост: она разделена на несколько температурных зон: внизу более горячие, сверху похолоднее. Разогретая нефть испаряется, а затем конденсируется (переходя из газообразного состояния обратно в жидкое) при разных температурах. В верхней части колонны, самой холодной, собирается газ, ниже бензин (35–200 °C), керосин (150–280 °C), дизельное топливо (около 350 °C).

Полученные таким образом смеси еще не готовы к продаже, поскольку содержат большое количество загрязнений и примесей, в частности соединения серы. Поэтому необходим процесс обессеривания, который позволяет достаточно непростым путем удалить этот элемент, превратив его в летучее и легко изолируемое соединение: сероводородную кислоту. Сероводородная кислота (не путать с серной кислотой) представляет собой газ, который достаточно легко отделить и обработать, но он обладает одной особенностью: он поразительно вонюч. Даже в самых малых количествах (наш нос способен уловить его при концентрации 0,0000005 %) мы ощущаем этот запах – «аромат» тухлых яиц или «испорченный кем-то воздух». Типичный запах, ассоциирующийся у нас с ректификацией нефти, как раз и вызван микроскопическими утечками сероводорода в процессе обессеривания. Концентрации газа при этом совсем невелики с точки зрения загрязнения окружающей среды, но чрезвычайно неприятны для человеческого обоняния. Неприятный запах является типичным признаком органических соединений серы, и мы чувствуем запах кухонного газа, состоящего в основном из метана – соединения без вкуса и запаха, – только потому, что в него специально добавляют соединения серы, чтобы можно было легко почувствовать утечку.

Этап обессеривания играет очень важную роль как потому, что прямое горение соединений серы приводит к выделению в атмосферу крайне вредных веществ (оксидов серы SO_2 и SO_3), так и потому, что эти вещества в конечном итоге дезактивируют катализаторы, присутствующие в каталитическом конвертере, – мы убедимся в этом в следующей главе.

Но не думайте, что на этом процесс заканчивается: наш чудесный бензин еще не вполне готов быть залитым в бак нашей машины. В дальнейшем мы заглянем повнимательнее в процесс сгорания, но в настоящий момент достаточно понять, что не все углеводороды горят одинаково, – а эта особенность может стать чрезвычайно разрушительной для двигателя. Очень важно, чтобы воспламенение воздушно-топливной смеси происходило в нужный момент, не слишком рано и не слишком поздно. Если топливо воспламеняется слишком легко, оно может загореться раньше, чем нужно, и нанести ущерб двигателю (раннее зажигание). Это явление называется детонацией, и устранить его можно двумя способами: использовать антидетонационные присадки или высокооктановый бензин. Октановое число – несомненно одна из важнейших характеристик бензина и исчисляется по шкале от 0 до 100. Нулевое значение соответствует гипотетическому бензину, обладающему способностью моментально взрываться и состоящему исключительно из Н-Гептана – углеводорода, представляющего собой линейную цепочку из семи атомов углерода, каждый из которых соединен со своими атомами водорода, в то время как значение 100 соответствует куда как труднее воспламеняющемуся веществу, чистому изооктану, чья молекула состоит из восьми атомов углерода, не связанных между собой в линейную цепочку, а образующих разветвленную структуру.

После обессеривания бензин подвергают процессу, получившему название реформинга, – он превращает часть линейных углеводородов в разветвленные, повышая тем самым октановое число и делая бензин безопасным для наших автомобилей. Использование антидетонационных присадок требует отдельных пояснений – оно оказывает не очень благоприятное воздействие на окружающую среду. В прошлом самой распространенной добавкой было производное свинца – тетраэтилсвинец, запрещенный в США еще в начале 90-х годов, а начиная с 2000 года и во всей Европе. Это вещество обладает чрезвычайной токсичностью и очень негативно влияет на окружающую среду: представьте себе, что после его запрещения уровень свинца в крови граждан США снизился с 16 мкг/дл до 3 мкг/дл.[22]

К тому же свинец, как оказалось, очень быстро разрушает каталитический нейтрализатор и откладывается внутри двигателя, снижая срок его работы. Вот уж, действительно, вещество, с которым лучше не иметь никаких дел!

Поэтому тетраэтилсвинец был заменен другим веществом, метил-трет-бутиловым эфиром, которое тоже влияет не самым лучшим образом на природу и здоровье[23]. Оно уже запрещено в некоторых штатах США, в частности в Калифорнии[24], но в Европе пока разрешено к использованию[25]. Тем не менее сегодня исследователи заняты поисками способов повысить эффективность топлива с помощью других, менее токсичных присадок, таких как этанол и его производные.

На заправке обратите внимание на буквы и цифры, которыми маркирован бензин. E5 означает, что бензин содержит 5 % этанола, а 95 и 98 – октановое число: чем оно выше, тем бензин лучше (и дороже).

Ископаемое топливо как источник загрязнений

При сжигании углеводородов происходит реакция горения. Этим термином мы, химики, обозначаем все реакции, в которых органическая молекула взаимодействует с кислородом, превращаясь в воду и углекислый газ. Внутри двигателя внутреннего сгорания, движущего автомобиль, тепловая энергия, освобождаемая при окислении углеводородов, превращается в механическую энергию, вращающую колеса. Возьмем, к примеру, метан – тот самый бытовой газ; интересующая нас реакция записывается следующим образом:

CH_4 + 2 O_2 → 2 H_2O + CO_2

Интересно, что, если мы возьмем намного более сложную органическую молекулу, как, например, молекулы древесины, результат будет тем же самым: вода и углекислый газ. Вода и углекислый газ являются конечными продуктами нашего метаболизма. Мы получаем энергию для нашего тела, «сжигая» жиры или сахара: вдыхаем кислород и выделяем воду и углекислый газ. Разница в том, что, вместо того чтобы вступать в реакцию с кислородом непосредственно, горя красивым пламенем, углеводороды в нашем организме задействованы во множестве различных химических реакций, которые мало-помалу «добывают» энергию из органических веществ, которыми мы питаемся, пока не превратят их в углекислый газ и воду. Если бы наш организм производил сжигание напрямую, мы бы получали сразу большое количество тепловой энергии за короткое время, но для нас это было бы бесполезно. Нам достаточно небольшое количество тепла для поддержания температуры тела, в то время как большая часть энергии из продуктов питания превращается в химическую энергию, необходимую для синтезирования других веществ, которые нужны нам для различных физиологических процессов, определяющих жизнь. Реакция горения – это пример изотермической реакции, при которой во внешнюю среду выделяется много тепла. По этой причине мы можем использовать метан для обогрева или приготовления пищи – небольшое количество углеводородов довольно быстро высвобождает весьма значительное количество энергии. Другие реакции являются эндотермическими, то есть не высвобождают энергию, а поглощают ее извне. Примером эндотермической реакции может служить применение льда для охлаждения травмированных частей тела спортсменов.

Большое количество тепла, высвобождаемое при реакции горения, определяет столь важное значение углеводородов для общества. Кроме того, это процесс, посредством которого можно получить большое количество энергии из относительно небольшой массы топлива, легко поддающегося транспортировке и (в настоящее время) достаточно доступного. Этот процесс не требует сложных инструментов, его несложно поддерживать, и он может быть запущен в любой момент по нашему усмотрению.

Хотя в результате сжигания углеводородов образуется вода и углекислый газ, в точности как и сжигание сахаров в нашем теле, целовать нашего партнера занятие куда как более приятное, чем приникать к выхлопной трубе автомобиля с работающим двигателем. Как же так?

Причин, как правило, две:

• воздух содержит не только кислород, но и азот;

• реакция горения происходит не в идеальных условиях и приводит к образованию побочных загрязняющих среду продуктов.

Когда мы сжигаем углеводороды в присутствии большого количества кислорода, они как раз и превращаются в воду и углекислый газ.

Углекислый газ не опасен для человека, но именно он ответственен за парниковый эффект в атмосфере и повышение средних глобальных температур, которые уже влияют на экосистемы Земли. Это фундаментальное экологическое ограничение, связанное с использованием углеводородов, потому что даже самые чистые и эффективные двигатели тем не менее выделяют достаточно CO_2, являющегося, как мы уже убедились, неотъемлемым продуктом горения. Несмотря на то что еще хватает радетелей за нефтяную индустрию, утверждающих, что глобальное потепление не связано с человеком, эта зависимость доказана всеми международными научными институциями. Большинство ученых, занимающихся климатом и науками о Земле, согласны в том, что глобальное потепление не только реально, но и вызвано именно деятельностью человека, а выбросы углекислого газа являются важнейшей причиной этого явления[26].

Возвращаясь к нашим автомобилям: в двигателе сгорание происходит в условиях, далеких от идеальных, как потому, что в качестве одного из компонентов используется воздух, в котором присутствует азот, так и потому, что количество кислорода в нем не всегда достаточно для полного сгорания.

Азот из воздуха превращается во время сгорания в оксиды азота, которые, в отличие от углекислого газа, как раз вредны не только для планеты, но и для нашего здоровья. Как мы уже убедились в предыдущей главе, азот сам по себе – молекула инертная, то есть с трудом вступает во взаимодействие. Но в автомобильном двигателе, при повышенных температуре и давлении, небольшое (но тем не менее не пренебрежительно малое) количество кислорода из воздуха вступает в реакцию с азотом. Результатом реакции становится сложная смесь N_2O, NO или NO_2, обозначаемая обычно NOx. Оксиды азота – чрезвычайно опасные токсичные вещества не только потому, что являются основной причиной кислотных дождей, вместе с оксидами серы, но и потому, что действуют непосредственно на дыхательную систему. Вместе с озоном оксиды азота определяют запах ядовитого смога. Особенно опасны в этом отношении дизельные двигатели – они более эффективны, чем бензиновые, в них ниже выбросы углекислого газа и других загрязнений, но они работают на более высоких температурах и давлении и, соответственно, производят больше оксидов азота.

Озон, упомянутый уже ранее, является не менее агрессивным для природы веществом, и его присутствие в атмосфере городов непосредственно привязано к концентрации NOx. Его молекула имеет особенности – она похожа на кислород, которым мы дышим. Единственная разница между молекулами кислорода и озона состоит в лишнем атоме кислорода: в первой их два (O_2), а во второй – три (O_3). Кажется, какая ерунда, однако эта разница имеет огромное значение. Озон очень легко вступает в реакции и, хотя его присутствие очень важно в верхних слоях атмосферы, где он служит защитой от опасного ультрафиолетового излучения, в нижних слоях атмосферы он очень токсичен. Он образуется во время различных энергоемких явлений, вроде ударов молний, а также при попадании солнечного света на смесь оксидов азота и кислорода – при поддержке со стороны другой группы загрязнителей природы, летучих органических соединений. Его содержание в городской атмосфере может достигать опасных величин и воздействовать не только на дыхательную систему, но и на иммунную и репродуктивную.

Неполное сжигание углеводородов, из которых состоит топливо, вызвано тем, что кислорода иногда недостаточно для превращения их в углекислый газ, и приводит к тому, что образуется монооксид углерода (CO), чрезвычайно токсичный, ядовитый угарный газ. Озон и оксиды азота – вонючие, вызывают раздражение; а оксид углерода не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса, но намного опаснее. Согласно данным Министерства здравоохранения Италии, ежегодно около пятисот итальянцев умирают от отравления угарным гадом, две трети из них – самоубийства[27]. Оксид углерода обладает способностью связывать гемоглобин, белок, входящий в состав красных кровяных телец, участвующих в переносе кислорода. Он связывает его мощно и практически необратимо, дезактивируя эритроциты и делая их неспособными выполнять свои функции. Связь СО и гемоглобина в триста раз мощнее, чем его связь с кислородом, поэтому после того, как гемоглобин вступает во взаимодействие с СО, отделить его невозможно. Результатом становится медленная и необратимая, но безболезненная асфиксия. Каждую зиму сотни людей погибают во сне, отравленные этим газом в результате неисправности старых отопительных систем, газовых плит, каминов и других отопительных приборов, не соответствующих нормам. Когда вы курите сигарету, вы тоже вдыхаете небольшое, но заметное количество оксида углерода, и он связывает ваш гемоглобин. Именно поэтому курильщики быстрее утомляются и обладают сниженной дыхательной способностью. Даже бросив курить, они не могут быть уверены еще долгие месяцы и даже годы, что у них больше нет оксида углерода в крови…

Катализатор (каталитический конвертер) позволяет значительно снизить количество вредных веществ, выделяемых двигателем в виде выхлопных газов. Слово «каталитический» должно вам напомнить этот же термин, который мы уже использовали в предыдущей главе. Мы уже отметили, что некоторые химические реакции текут слишком медленно, чтобы приводить к результатам, однако при использовании катализатора, пусть и присутствующего в микроскопических количествах, они ускоряются. Автомобильный катализатор представляет собой решетку с очень узкими отверстиями-каналами, сквозь которые проходит автомобильный выхлоп, насыщенный угарным газом, оксидами азота и остатками несгоревшего топлива. Каналы покрыты изнутри смесью составов, ускоряющих три разных процесса:

• окисление угарного газа до углекислого газа;

• окисление несгоревших углеводородов до воды и углекислого газа;

• разложение оксидов азота на молекулярный азот и кислород.

Платина, родий, палладий, церий – это лишь некоторые из множества редких металлов, используемых в самых различных моделях конверторов и превращающих их буквально в «драгоценность». Эти металлы встречаются на нашей планете в очень небольших количествах, их довольно сложно добывать; к счастью, когда у катализатора истекает срок годности, его можно переработать практически целиком. Благодаря катализатору и сложной системе сенсорных датчиков, которые позволяют двигателю потреблять идеальную порцию воздуха для сгорания топлива, современные двигатели гораздо меньше загрязняют окружающую среду и работают намного эффективнее, чем всего несколько лет назад.

Но, несмотря на изменения и улучшения, которые мы внедряем, мы сознаем, что это только полумеры, приносящие пользу лишь на местном уровне, позволяя избегать вдыхания значительных количеств токсичных веществ и сэкономить немного на топливе; тем не менее они не решают серьезную проблему выбросов и не отменяют тот факт, что запасы ископаемого топлива не бесконечны. Главная задача – не столько улучшить то, что мы имеем, сколько сделать возможной новую парадигму, которая позволит снять зависимость от нефтяных скважин. Что делать?

Одной из возможностей могло бы стать изобретение каких-нибудь способов создания искусственного топлива, исключив скважины и добычу. Этот подход является новым не столько с экологической точки зрения, поскольку при нем продолжается сжигание углеводородов, но прежде всего с геополитической. Ученые из самых разных стран доказали это уже много лет назад, еще во времена нацистской Германии. Самой известной технологией является процесс Фишера – Тропша, разработанный в 20-х годах прошлого века и названный в честь двух немецких физиков Франца Фишера и Ханса Тропша: они запатентовали реакцию, работая исследователями в Институте Кайзера Вильгельма в Берлине. С помощью этой методики можно превратить в жидкое топливо газообразную смесь окиси углерода и водорода, полученную благодаря технике газификации пород, богатых углеродом, – ископаемого угля, битуминозных песков или биомассы, извлекающей из них водород, CO и CO_2. После удаления углекислого газа смесь CO и H_2 вступает в реакцию при температуре 200 °C и давлении в пять атмосфер в присутствии катализатора – как правило, соединений кобальта.

В Германии всегда было много месторождений угля, но практически нет нефти, поэтому нацистский режим активно инвестировал в эту и подобные ей технологии, чтобы обрести независимость от поставок нефти. После войны технология, основанная на процессе Фишера – Тропша, быстро была внедрена в США и в усовершенствованном и осовремененном виде распространилась по всему миру, добравшись до ЮАР. Там в 50-х годах была создана компания Sasol, которая начала коммерциализацию синтетического топлива. Она работает и сегодня и является крупнейшим мировым производителем.

Несмотря на то что этот вид топлива обладает более высокой степенью чистоты, чем производные нефти, поскольку в нем нет серы и ароматических углеводородов (последние чрезвычайно канцерогенны[28]), его изготовление все-таки требует использования невозобновляемых источников сырья, таких, к примеру, как уголь. И это огромный недостаток – подобная стратегия является просто заметанием мусора под ковер, а не решением проблемы с энергоснабжением.

Некоторые химики вместо этого ищут способы непосредственного использования для синтеза топлива углекислого газа из атмосферы с помощью систем «захвата CO_2». Недавно группа немецких исследователей[29] предложила оснастить обычные домашние кондиционеры устройством, которое захватывает углекислый газ и заставляет его вступить в реакцию с водородом, добытым из влажного воздуха, с помощью специального катализатора. Эта система могла бы позволить обычному дому на пять-шесть квартир добывать около 500 г углекислого газа в час. Несмотря на оригинальность идеи, даже в этом случае мы получаем лишь временную меру, не решающей проблему в целом. Предложенный цикл в качестве исходных веществ использует воду и углекислый газ, чтобы получить топливо, сжигая которое мы опять получим воду и углекислый газ. А как вы уже поняли, любой подобный цикл всегда приводит к потерям, поэтому и в этом случае нам все равно не будет хватать энергии. Даже если бы вся потребляемая энергия добывалась бы из возобновляемых источников, то это бы поправило положение, но не решило бы проблему загрязнения городов; а потери энергии были бы по-прежнему велики. Энергию надо бы использовать более экономно, например путем езды на электромобиле, как мы увидим дальше.

Другая стратегия предлагает получать топливо, используя в качестве источника углерода биомассу. Что такое биомасса? Со строго научной точки зрения это нечто иное, как совокупность всех животных и растительных организмов, присутствующих в данной среде. На практике обычно имеются в виду растительные остатки – дерево, солома и тому подобное, которые можно использовать для получения энергии разными способами (процессы, аналогичные процессу Фишера – Тропша существуют и для этих материалов), но в основном их используют, сжигая для получения тепла – в домашней печи или в котле электростанции – или сбраживая с целью образования биотоплива, например биоэтанола.

Ферментация – это метаболический процесс, с помощью которого многие микроорганизмы получают энергию из органического материала без использования кислорода. Наше тело использует сахара, белки и жиры для того, чтобы добыть энергию и синтезировать с ее помощью нужные вещества, точно так же действуют и дрожжи с бактериями; многие микроорганизмы синтезируют этанол, молочную кислоту и другие органические соединения, в зависимости от природы микроорганизма или условий, в которых он находится. Алкогольная ферментация является наиболее известным типом ферментации, это процесс, в котором сахара превращаются в этанол благодаря действиям дрожжей. Дрожжи – это особый класс микроскопических грибов, так называемых сахаромицетов, самым известным представителем которых является Saccharomyces cerevisae – пивные дрожжи. Они были известны еще египтянам и шумерам, с их помощью они производили вино и пиво. Биоэтанол на самом деле – обычный этиловый спирт, образующийся в результате ферментации сельхозпродукции, такой как сахарный тростник, свекла, кукуруза, злаки и даже солома.

Этот подход на первый взгляд может показаться обещающим, поскольку основан на цикле, кажущемся с теоретической точки зрения вполне устойчивым и возобновляемым, однако использование биотоплива достаточно дорого и с социальной, и с природозащитной точек зрения. Как мы помним из предыдущей главы, земледелие представляет собой один из видов человеческой деятельности, заметно влияющий на планету и находящийся сегодня уже на пределе возможностей. Идея использования тысяч тонн пищевых продуктов для получения топлива вместо пропитания людей, выделение с этой целью почв для выращивания монокультур, ведущее к их утрате для сельского хозяйства, никак не годится на роль долгосрочной и надежной перспективы. Даже использование ГМО и самых современных сельхозтехник не делают идею использования биодизеля для всех моторных транспортных средств менее призрачной и не устраняют возможные негативные социальные и экологические последствия.

Пора придумать что-то по-настоящему новое, полностью отличное от традиционной идеи двигателя внутреннего сгорания.

Электрический мир

Чтобы лучше понять научные принципы, которые лежат в основе автомобиля на водороде или электричестве, надо больше узнать, что такое электричество, что такое аккумулятор и как все это описывает химия.

Электрический ток представляет собой нечто иное, как поток движущихся электронов, и мы можем запросто сравнить его с течением реки. Скорость этого речного потока характеризуется силой электрического тока, физической величиной, измеряемой в амперах (А) и представляющей собой количество электронов, пробегающих за секунду через проводник. Когда говорят, что сила тока очень высокая, это означает, что за секунду сквозь проводник проносятся многочисленные электроны, как полноводная река.

Разность потенциалов (называемая также напряжением или вольтажем) измеряется в вольтах (В); ее можно сравнить с уклоном или перепадом высот на реке. Если разность потенциалов невелика, электроны будут слабее побуждаться к движению, когда напряжение возрастает, они начинают двигаться побыстрее. Легко понять, что напряжение и сила тока должны быть зависимы друг от друга: чем выше напряжение, тем быстрее мчатся электроны по проводнику. Мы все знаем, что подключение батарейки к лампочке дает совсем другой результат, чем ее присоединение к деревянной ложке. Одни вещества проводят электричество, а другие служат изоляторами и изо всех сил препятствуют движению электронов. Это похоже на плотину на реке. Когда она открыта, вода вытекает быстро и в больших количествах, даже при слабом уклоне. Но если плотина практически закрыта и позволяет вытечь только маленькому ручейку, даже если перепад высот весьма значителен, лишь небольшое количество воды попадает в русло. Если мы присоединим батарею напряжением 3 В (разность потенциалов) к медному проводу, электроны потекут свободно между полюсами батареи и сила тока будет довольно высокой (несколько ампер). Но если мы прикрепим к контактам изолятор, шерстяную нить, лишь некоторые электроны смогут способны двигаться. Величина, определяющая способность проводить электричество, называется сопротивлением (очень подходящий термин), измеряется в омах (Ом). Конечно, в реальности поведение потока зависит от множества самых разных причин, поэтому этот пример можно рассматривать, как упрощение для понимания.

Вернемся к нашей батарейке и попробуем получше понять, как она работает, это поможет осознать, сколько препятствий стоит на пути использования электрического тока в индустрии транспорта.

Батарея (аккумулятор) – это устройство, позволяющее превращать химическую энергию в электрическую. Точнее, следует отличать батарейки (они не перезаряжаются) от аккумуляторов (их можно заряжать), поскольку их принципы работы отличаются. Однако речь идет о тонкостях, которые не оказывают заметного влияния на нашу тему, поэтому можно использовать общий термин «батарея» для всех устройств.

Первая батарейка была изобретена химиком из итальянского города Комо Алессандро Вольта в 1799 году и представляла собой деревянную конструкцию с пластинами из меди и цинка, проложенными тканью, смоченной в разведенном растворе серной кислоты. Чтобы понять механизм функционирования батареи, вернемся на несколько страниц назад. В самом первом моем рассказе мы уже отметили, что некоторые химические элементы обладают способностью терять или обретать электроны, образуя ионы. Например, натрий (Na) предпочитает потерять один электрон и превратиться в положительно заряженный ион (Na+), в то время как хлор любит захватить электрон и зарядиться отрицательно (Cl—). Если мы смешаем эти два элемента, вполне логично ожидать, что электроны «перепрыгнут» от натрия к хлору. Точно так же происходят многие химические реакции между элементами, одни из которых теряют, а другие обретают электроны. Вопрос: можно ли сделать так, чтобы электроны вместо того, чтобы прямо внедряться в молекулу, вначале протекут электрическим током?

Для ответа возьмем в качестве примера «упрощенную» версию» элемента Вольта, названную элементом Даниэля, состоящую из меди и цинка. Схема ее работы приведена на рисунке на следующей странице.

Несмотря на кажущуюся на первый взгляд сложность устройства, эта первая модель электробатареи знакома любому студенту-химику, и ее принцип функционирования прост и логичен. Элемент Даниэля основан на двух металлах, цинке и меди, которые не разделены смоченной в кислоте тканью, а просто погружены в два сосуда, соединенные между собой посредством мелкопористой мембраны, – она проницаема для ионов, но препятствует смешиванию растворов. Металлические пластины называются электродами, а раствор, в который они погружены, – электролитом. Обычно электролитами называют ионы в водном растворе: например, специалисты часто говорят об «электролитическом дисбалансе», когда концентрация некоторых ионов в крови, таких как натрий или калий, не соответствует норме, возможно по причине обезвоживания.

В данном случае каждый из электродов погружен в раствор, содержащий ионы металла, из которого сделан электрод: цинковый – в раствор ионов цинка Zn2+, а медный – в раствор ионов меди Cu2+ [30].Если не соединять пластины между собой – ничего не произойдет. Но если мы соединим их в электрическую цепь, например, чтобы зажечь лампочку, не только ток потечет между пластинами, но и цинковая пластина начнет все заметнее худеть, а медная – толстеть на глазах.

Если же мы захотим записать этот процесс на «химическом» языке, то у нас получится вот такая формула:

Cu2+ + Zn → Zn2+ + Cu

Говоря простыми словами, она сообщает нам, что металлический цинк отдает два электрона, превращаясь в ион цинка, а ион меди их присоединяет и превращается в металлическую медь. На техническом жаргоне это будет звучать так: цинк окисляется, медь восстанавливается. Мы можем разделить уравнение на две части, показав, что происходит на цинковом электроде, а что на медном:

Zn ⁻ 2 → e—Zn2+

Cu2+ + 2 e— → Cu

Эти формулы сообщают, что между электродами существует разность электрических потенциалов, что один из электродов, цинковый, отдает электроны другому электроду, медному. Точное значение разности зависит от разных условий, таких как концентрация ионов, температура, но в среднем обычно колеблется вокруг 1,1 В. Подключенная к электрической цепи батарея генерирует ток, и разность потенциалов постепенно снижается, а батарея продолжит работать до тех пор, пока не наступит состояние равновесия – разность потенциалов станет равна нулю.

Самый важный момент – это то, что суммарный электрический заряд обоих сосудов должен всегда равняться нулю, с самого начала до конца. Если сосуды будут полностью изолированы друг от друга, то сосуд с медной пластиной станет отрицательно заряженным (благодаря заряду электронов), в то время как сосуд с цинковой платиной обретет положительный заряд. Ситуация станет неустойчивой, и батарея прекратит работу. Именно поэтому сосуды должны отделяться друг от друга проницаемой перегородкой, позволяющей растворам обмениваться излишними ионами и обеспечивающей равновесие потенциалов между электродами: благодаря ей разность потенциалов не возникает. Батарея создает условия для превращения химической энергии в электрическую. Если бы мы попытались провести реакцию в батарее, просто смешав растворы, та же самая энергия выделилась бы в виде тепла. Самое время вспомнить первое начало термодинамики, гласящее, что энергия сохраняется: если начальное и конечное состояния одинаковы, энергия сохраняется неизменной, вне зависимости от пройденного «пути». Меняется только форма, в которой происходит энергетический обмен.

Можно представить, что использовать подобную батарею для работы компьютера было бы не очень практично, однако базовая концепция, лежащая в основе всех батареек, осталась той же. В батарейке всегда наличествуют два электрода, химическое вещество, теряющее электроны, и химическое вещество, их собирающее, и электролит, позволяющий сбалансировать заряды. От элемента Даниэля они отличаются более сложными химическими и более эффективными реакциями, позволяющими батарейке стать намного более компактной, повысить напряжение, уменьшить ее вес и увеличить срок работы. В некоторых случаях можно использовать обратимые процессы, они позволяют перезаряжать батарейку. Для этого достаточно поменять полюса и подключить электрический ток, чтобы реакция пошла в обратном направлении, превращая электрическую энергию в химическую. К сожалению, второе начало термодинамики неумолимо: для перезарядки батареи всегда требуется больше энергии, чем мы можем получить путем ее обычного использования…

Следует подчеркнуть и другой момент: почти все батарейки чрезвычайно опасны для окружающей среды, их нельзя выбрасывать в мусор – они содержат значительные количества тяжелых металлов, таких как свинец и кадмий. Это может иметь самые непоправимые последствия для природы[31]. Как мы узнаем в рассказе № 5, рассматривая в качестве примера ртуть, тяжелые металлы могут загрязнять почву и источники вод, проникать в пищевые цепочки, отравляя животных и людей и нанося неврологические и гастроэнтерологические повреждения, приводя к росту злокачественных опухолей. Во многих местах сейчас установлены специальные сборники отходов, помощь можно получить также в магазинах электроники.

Электромобили и автомобили на водороде: мечта красивая, но трудоемкая

Мы поняли, как работает батарея, поэтому можем изучить в деталях работу автомобиля на электричестве или на водородном топливе и понять, какие препятствия ограничивают эти технологии.

Любопытный факт, который известен не всем: электромобиль был изобретен отнюдь не недавно, а еще в период между 1830 и 1840 годами, чуть ли не раньше, чем авто на бензиновом двигателе. Первые бензиновые прототипы были созданы только в 1870 году, они были усовершенствованы и распроданы окончательно в последние годы ХХ века. Те первые бензиновые коммерческие модели имели явно более низкие показатели по сравнению с электрическими, поэтому был создан знаменитый электромобиль Jamais Contente (Вечно недовольна), а пилотом его стал бельгиец Камиль Женатци. Он первым в истории превысил скорость в 100 км/час. Несмотря на первые успехи, развитие двигателей внутреннего сгорания быстро вытеснило аккумуляторные двигатели с рынка – они не смогли выдержать конкуренцию в плане автономии и технических характеристик, продемонстрировав все те же проблемы, что и сегодня сдерживают развитие этого типа легковых автомобилей.

Электромобили, даже самые дорогие и совершенные, не достигают пока необходимых стандартов и по производительности отстают от собратьев на бензине или дизеле, хотя демонстрируют явные преимущества в области сохранения окружающей среды и тишины.

Главной причиной отставания является тот факт, что плотность энергии у батареи ниже, чем у углеводородного двигателя: говоря простыми словами, аккумулятор весом в один килограмм способен произвести гораздо меньше энергии, чем килограмм углеводородного топлива. А когда речь идет о транспорте, килограммом больше или килограммом меньше имеет большое значение.

Другой серьезной проблемой является время зарядки аккумулятора: даже при современных технологиях этот процесс требует долгих часов, что делает электромобиль совершенно негодным к длительным путешествиям и снижает эффективность эксплуатации. Даже гипотетические новые технологии подзарядки, способные «заправить» электромобиль за минуты, все равно порождают вопросы: а откуда взять всю эту электроэнергию? Проблема вовсе не банальная, если учесть, что и сегодня значительная часть электроэнергии производится с использованием все тех же горючих полезных ископаемых, например на теплоэлектростанциях на угле. Ездить на «чистом» электромобиле, но заряжать его энергией, получаемой при сжигании углеводородов, выглядит смешно, но это именно то, что происходило на гонках Формулы Е[32] в Риме в апреле 2019 года: часть станций подзарядки работала от генераторных установок на дизельном топливе. Ситуация парадоксальная, но вполне естественная: согласно последнему отчету Итальянского национального института исследований и охраны окружающей среды (ISPRA)[33], в 2017 году в Италии 65 % электрической энергии производилось на основе невозобновляемых источников, таких как природные газ и уголь, за исключением 12 % энергии, импортируемой из других стран[34]. Получается, что водитель, управляющий итальянским электромобилем, тоже загрязняет окружающую среду, пусть и не непосредственно через выхлопные газы. Конечно, следует отдать должное, загрязняет меньше, чем тот, что ездит на бензине или дизеле. Оценивая тотальный ущерб окружающей среде, нужно учесть, что КПД электромотора намного выше, чем всего 20–30 % двигателя внутреннего сгорания, и поэтому автомобиль на электричестве наносит существенно меньший вред, чем традиционный.

Автомобили на водороде являются в некотором смысле переходной ступенью между электромобилями и классическими авто, поскольку действующей силой, вращающей колеса, служит электричество, но его источником служит не аккумулятор, а специальное устройство, так называемый топливный элемент. Ячейка этого элемента (ее схематическое изображение можно посмотреть выше) напоминает батарейку, в которой идет контролируемая реакция водорода из емкости с кислородом из воздуха; это не реакция горения, при которой происходит выделение тепла, а электрохимический процесс, каковой мы уже видели в батарейке. У элемента есть отрицательный полюс, на котором газообразный водород превращается в ион Н— и испускает электроны, и положительный полюс, на котором кислород из воздуха забирает электроны, реагирует с Н+ и превращается в воду. Какова же разница между топливным элементом (по-английски fuel cell) и обычной батарейкой? Батарейка представляет собой закрытую систему, она не выделяет материю вовне, только энергию. Работа обычной батарейки прекращается после достижения химического равновесия, она становится непригодной для использования, в то время как многоразовую батарейку-аккумулятор можно перезарядить, используя энергию электричества для восстановления ее исходного состояния. Топливный элемент, наоборот, не сможет никогда достичь химического равновесия, потому что отходы деятельности, то есть вода, удаляются, а израсходованные реагенты восполняются. Эти виды батарей можно систематизировать:

• одноразовая батарейка: реагент А отдает электроны реагенту Б, образуя продукты В и Г; в один прекрасный момент разность потенциалов становится равной нулю, ток перестает течь, и батарейка прекращает функционировать – ее нужно утилизировать;

• многозарядная батарея: реагент А отдает электроны реагенту Б, образуя продукты В и Г, разность потенциалов становится равной нулю, ток перестает течь, и батарея прекращает функционировать (она разряжена). Ее нужно зарядить с помощью электрического тока, поменяв местами полюса. В и Г превращаются обратно в А и Б, батарея снова готова к работе;

• топливный элемент: реагент А отдает электроны реагенту Б, образуя продукты В и Г; В и Г идут в отходы, а запасы реагентов А и Б пополняются заново, и процесс повторяется заново.

Это серьезная разница. Батарея служит хранилищем энергии, а тепловой элемент похож на двигатель, который перерабатывает химическую энергию, содержащуюся в питающем его топливе, то есть водороде, в энергию электричества. В то время как эффективность двигателя внутреннего сгорания сильно ограничена причинами термодинамического характера (его КПД примерно 25 %), эффективность топливного элемента достигает 60 %. Это значит, что, если наш бак содержит 100 Дж воображаемой энергии, сохраненной в химической форме связей в атомах водорода, реакция этого водорода с кислородом напрямую, в виде огня, позволит получить только 25 Дж полезной энергии, которая будет двигать машину вперед, а 75 Дж безвозвратно рассеется в атмосфере; однако та же самая реакция, происходящая внутри топливного элемента, позволит использовать почти 60 Дж энергии для движения машины, а потери составят только 40 Дж.

Самая распространенная конструкция топливного элемента сегодня – это два платиновых электрода, подключенных к электроцепи и разделенных между собой мембраной из особого полимера Нафион. Один из электродов соединен с источником газообразного водорода (баллон со сжатым газом), а второй контактирует с воздухом, поступающим снаружи. Когда молекула водорода Н_2 входит в контакт с платиновым электродом, разрывается связь между атомами водорода и каждый из атомов теряет по электрону; два электрона поступают в цепь. Когда атомы водорода теряют электроны, они превращаются в катионы, то есть ионы Н+, которые проходят сквозь мембрану и попадают на второй электрод, где вступают в контакт с воздухом. Молекула кислорода, поступившая из воздуха, захватывает четыре электрона из цепи и реагирует с четырьмя ионами Н+, образуя две молекулы воды, выбрасываемые вместо выхлопных газов. Для реакции одной молекулы кислорода необходимы, таким образом, две молекулы водорода, и вместе они образуют две молекулы воды: чисто и экологично.

Центральной деталью топливного элемента, таким образом, служат электроды из платины и полимер, который их отделяет друг от друга: вообразите, что первая топливная ячейка была изобретена еще в 1837 году химиком из Уэльса сэром Уильямом Робертом Грове, но ему не удалось распространить изобретение из-за его слишком низкой производительности. Чтобы заставить элемент работать эффективнее, нужно было решить две задачи: создать единый электрод, который бы расщеплял водород на два изолированных атома, а также найти способ быстро переправлять ионы H+ с одного электрода на другой. Задача с электродами была решена довольно быстро, учитывая, что сродство платины к водороду известна была давно – даже Грове использовал электроды именно из этого металла, – однако найти материал, который бы не препятствовал свободной циркуляции ионов водорода из одной части элемента в другой, оказалось куда как труднее. Только благодаря изобретению «Нафиона», созданного фирмой Дюпон в 1967 году, удалось создать подходящую мембрану, ознаменовавшую возрождение концепции топливного элемента.

Использование водорода, кажется, может решить значительную часть проблем, с которыми мы сейчас сталкиваемся: этот двигатель экологичен, топливо возобновляемо, не надо часами ждать перезарядки, и не только – даже в нынешнем состоянии водород дает плотность энергии (на единицу веса) примерно в 140 раз выше, чем самые современные аккумуляторы.

Поэтому многие исследователи начали работы в области водородной экономики, используя ее как основу развития человеческой цивилизации, предполагая, что ее энергетика будет основана не на ископаемом топливе, а на водороде. Но почему же тогда мы еще не пересели на машины на водородном топливе? Чего мы ждем? Может быть, это нефтяное лобби строит козни? Нет, все гораздо проще, проблема в том… что у нас не только нет водорода, но мы вдобавок еще и не знаем, как его хранить и перевозить!

Начнем с задачи попроще: транспортировка. Представим себе, что водород у нас есть и поэтому нет никаких проблем с поставками. Но тут возникает вопрос: как мы могли бы его распределять так же, как мы делаем с углеводородами? У нас есть газопроводы, нефтепроводы, кабели высокого напряжения, но ничего подобного, подходящего для водорода. В то время как метан транспортируется под давлением, примерно равным атмосферному, водород требует для перемещения гораздо более высоких давлений, в двести-триста атмосферных. Однако сжатие газа до такого состояния требует значительных энергетических затрат, что существенно снижает КПД всей системы и несет дополнительные риски. По сравнению с метаном водород намного более опасный газ, поэтому его хранение требует тотальной перестройки всей системы распределения и складирования. Управление машиной на автостраде с баллоном водорода под давлением в 200 атмосфер под сиденьем как-то не внушает уверенности…

Можно обсудить также вариант хранения и транспортировки водорода в составе некой молекулы, чтобы потом выделять газ в нужный момент посредством химической реакции. Эта стратегия была исследована, в частности в военной сфере, но не привела к определенным результатам. Тепловые элементы весьма интересуют военных – они не создают шума, вибраций и почти не выделяют тепла, поэтому трудно поддаются обнаружению противником. Эти двигатели были опробованы на подводных лодках, например немецкой U212, но и в этом случае результаты не были слишком обнадеживающими из-за низкой энергетической плотности и невысокого уровня обратимости процесса. Другими словами, относительно простого перетаскивания баллонов со сжатым газом, возникла проблема транспортировки еще большего груза, и процесс «подзарядки» стал медленным и малоэффективным.

Однако даже если мы решим проблему транспортировки, перед нами встанет другая и еще более трудная: на Земле практически нет чистого водорода. Конечно, это наиболее часто встречающийся элемент во Вселенной, но на Земле он присутствует в связанном виде, поскольку очень легко вступает в реакции. Весь водород на Земле связан либо с кислородом, образуя воду, либо с углеродом, формируя углеводороды. Ну да, углеводороды нужны будут и для добычи водорода. Это звучит как шутка, но это не шутка: на сегодняшний день 97 % водорода производятся из угля и ископаемых углеводородов, как правило из метана, обрабатываемого водяным паром при очень высокой температуре. Реакция выглядит так:

CH_4 + H_2O → 3 H_2 + CO

Конечным продуктом этой реакции является смесь водорода и монооксида углерода, так называемый синтез-газ, обладающий высокой ценностью для промышленности и используемый в самых разных производствах, например для производства аммиака или метанола. Но он совершенно не годится для заправки автомобиля. Самое время вспомнить дорогущие электроды из платины, необходимые для работы этого двигателя. Для их дезактивации достаточно самого микроскопического количества монооксида углерода. На техническом жаргоне это звучит как «разъедание» платины монооксидом углерода – это похоже на действие свинца на катализаторы в каталитических конверторах. Чтобы получить достаточно чистый водород, годный к использованию в топливном элементе, нужно организовать весьма энергозатратный и сложный процесс очистки, состоящий из нескольких этапов, на первом из которых удаляются следы углекислого и сернистого газа, потом большая часть СО тоже превращается в углекислый газ и снова удаляется и, наконец, последние следы СО устраняются путем пропускания водорода сквозь специальные фильтры под давлением.

Этот процесс не только сущий энергетический кошмар по сути, но и основан на все тех же ископаемых ресурсах и возвращает нас туда же, откуда мы пытались уйти. А существует ли альтернатива? Не можем ли мы попытаться найти экологический способ получения водорода без сопутствующего загрязнения? Как было бы прекрасно: мы бы могли получать водород из воды, а потом, «сжигая» его в топливном элементе, возвращать обратно в воду. Прекрасный, экологичный, остроумный цикл… который противоречит термодинамике. Помните длинное-длинное вступление в самом начале раздела? Оно написано специально, чтобы вы не строили себе иллюзий относительно возможности выиграть сражение за энергию: это невозможно. Как ни эффективны были бы способы производства водорода из воды, как ни эффективны были бы методы его превращения обратно в воду, мы непременно должны будем затрачивать больше энергии для его производства, чем сможем получить от его использования. Единственный способ сделать этот процесс свободным – это найти бесплатный и изобильный источник энергии… типа Солнца. А почему бы не использовать солнечную энергию для добычи водорода из воды?

Самым эффективным способом добычи водорода из воды является процесс так называемого электролиза, в котором мы используем электрическую энергию для запуска химической реакции. Если подключить электрический ток к двум электродам, то можно создать источник энергии для разрыва одних молекулярных связей и создания других. В воде реакция выглядит так: 2 H_2O → 2 H_2 + O2.

С помощью этого процесса можно легко получать очень чистый водород, и для этого не требуется создавать сложные системы очистки, необходимые в случае получения газа из ископаемых. Однако проблема в том, что для электролиза нужно электричество, а если мы будем брать его на электростанции на угле – мы вернемся на те же рельсы… Мы можем получать электричество и из возобновляемых источников, например солнечной энергии. Почему же не использовать солнечные батареи для получения необходимой энергии? Здесь мы выдвигаемся на самые передовые рубежи химии, поэтому пока трудно дать определенный ответ на этот вопрос, но пока энергетическая эффективность процесса электролиза слишком низка, что в настоящее время было бы намного проще и существенно дешевле использовать электроэнергию напрямую, вместо того чтобы получать водород, транспортировать его, подвергаясь риску, и сжигать в топливном элементе, чей КПД колеблется между 50 и 60 % (в то время как электрический двигатель имеет КПД 90 %).

Именно поэтому в последние годы многие химики работают над исследованиями новых технологий использования катализаторов для расщепления воды. В качестве источника энергии они рассматривают солнечный свет, причем без превращения его в электроэнергию. Как вы уже знаете, катализаторы ускоряют уже идущие спонтанные реакции, поэтому нужно найти катализатор, который смог бы разорвать чрезвычайно стабильные связи между кислородом и водородом в молекуле воды. Новая стратегия, называемая water splitting (расщепление воды), опирается на идею о существовании веществ, позволяющих вырабатывать водород с помощью солнечной энергии, превращаемой непосредственно в химическую. Достаточно растворить катализатор в воде и выставить раствор на солнышко, а потом наблюдать выделение водорода и кислорода. Исследования уже достигли некоторого прогресса, однако, к сожалению, эта технология пока дает столь низкую эффективность, что, похоже, вряд ли обладает серьезным промышленным будущим.

Что готовит нам будущее?

Этот раздел книги вышел длинным и сложным, однако мы затронули сложную тему, тему энергии – наиболее важную для нашего будущего и для нашей повседневной жизни. Я подозреваю, что некоторые из вас почувствуют разочарование, потому что мы пришли к концу дискуссии без единственного правильного решения, которое бы развеяло все сомнения. Но как мы уже говорили в конце первой главы, к сожалению, именно так и работает наука: решение любой задачи содержит новую задачу, в ответе на вопрос содержится новый вопрос, и появление твердого ответа в виде закона, высеченного в граните, предваряется десятилетиями, а иногда и столетиями исследований и поисков. В этом маленьком экзерсисе мы обратились к основам термодинамики и уже увидели, как ее принципы, выраженные весьма простым образом, могут помочь лучше понять технологии вокруг нас. И вместе мы приблизились к горизонтам химии, за которыми нас ждут сомнения и неизвестность.

Что нас ждет в ближайшие годы? Несомненно, это будет будущее без нефти, хотите вы того или нет. Чем же мы ее заменим? Мое личное мнение, что, несмотря на все проблемы и препятствия, которые нам придется решить и преодолеть, будущее за электричеством. Уже сегодня мы совершили очень важные шаги вперед по сравнению с прошлым – с точки зрения производства, способов и времени зарядки, – и я верю, что не за горами тот день, когда электромобили потеснят традиционные машины и по количеству, и по стоимости. Технологии могут предоставить также возможность удалять из атмосферы CO_2 и превращать его в топливо, метанол или иные органические молекулы, как правило с помощью реакции с газообразным водородом в присутствии соответствующего катализатора. Мы уже вспоминали о синтетическом топливе, и я верю, что это вполне может быть интересной стратегией получения жидкого топлива для ситуаций, когда электроэнергия недоступна. Этот тип технологий, основанный на рециркуляции отходов, изучается уже многие годы, разные крупные энергетические организации инвестируют в исследования серьезные капиталы – например, итальянская нефтегазовая компания ENI. Однако я лично думаю, что таким образом не получится произвести достаточно жидкого топлива, чтобы сохранить современную систему, но это, несомненно, многообещающий способ производства небольшого количества углеводородов для разных нужд в будущем, в котором превалирующая роль перейдет, несомненно, к электричеству. Я думаю, например, об авиации, для которой нужны большие мощности, но при этом влияние каждого лишнего на производительность делают электродвигатель очень далекой мечтой.

Очевидно, что уровень нулевого воздействия на окружающую среду может быть достигнут только тогда, когда у нас будет в избытке чистой энергии, которую можно будет использовать непосредственно или «консервировать» в виде химической энергии в синтетическом топливе. Благодаря возобновляемым источникам, таким как солнце, ветер или гидроэнергетика, заметное количество энергии мы уже получаем с минимальным ущербом для природы. Представьте себе, что с апреля 2019 года электрическая энергия из возобновляемых источников в США уже, впервые в истории, обошла по объемам полученную из углеводородов[35].

Проблемой возобновляемых источников является их низкая надежность, но тут в игру вступает другая огромная терра инкогнита нашей эпохи: ядерный синтез. Ядерные реакции высвобождают энергию, заключенную в ядре атома, где ее существенно больше, чем в химических связях, но ее и труднее использовать. Современные электростанции основаны на процессе деления ядра, в ходе которого распадаются атомы тяжелых радиоактивных элементов. Этот процесс имеет два важных недостатка: при нем образуются опасные радиоактивные отходы, которые очень трудно утилизировать, и сам процесс имеет тенденцию выходить из-под контроля, порождая чудовищные катастрофы. Процесс же ядерного синтеза постоянно происходит в недрах звезд и представляет собой слияние двух легких элементов, таких как водород, в более тяжелый элемент, например гелий. В противоположность процессу распада, синтез не производит никаких радиоактивных отходов, но обладает огромным недостатком – он происходит только при очень высоких температурах, в миллионы градусов, и поэтому создать использующую его установку – весьма трудная и серьезная технологическая задача. Хотя сегодня у нас еще нет технологий, предоставлявших бы доступ к этому поразительному источнику энергии, я полагаю, что в более или менее отдаленном будущем ядерный синтез позволит нам получать надежно и безопасно значительные количества энергии без вреда для окружающей среды.

Скрестим же пальцы!

Лекция 4

В зеркале

Химия красоты

Существует распространенное мнение, что наука – это холодная и лишенная личных пристрастий область знаний. Эмоциональными полагается быть искусству, поэзии и музыке, а какие чувства может вызывать квадратный корень? Или химическая реакция? Зачем мне в школе заучивать химический символ кадмия, если я хочу связать свою жизнь со скрипкой или графическим дизайном? Между творческим и научным мирами существует кажущееся непреодолимым непонимание – вплоть до того, что не так уж редко можно встретить творцов, хвастающихся неспособностью к простейшим вычислениям, или инженеров, подшучивающих над философами. Это очень грустно, поскольку ученый, похваляющийся невежеством в области поэзии или художник, гордящийся тем, что ничего не смыслит в науке, не видят, что сами отказываются от ключей к пониманию реальности. Наука и искусство смотрят на мир под разными углами, исследуют его разные стороны, но от этого не становятся менее волнующими и интересными. Это разные подходы к феномену красоты, но оба они важны, и мы любуемся и восторгаемся закатом, одновременно понимая больше, чем можем увидеть с первого взгляда. Я думаю, что люди не только способны увидеть красоту в том, что их окружает, но и с помощью химии многое понять.

В этой главе я хотел бы помочь вам получше понять взаимоотношения химии и красоты и поэтому расскажу, как химия участвует в создании оттенков цветов или неба у Ван Гога, о ее роли в косметике и эстетике.

Вода, масло и крем для красоты

Еще с детства мы знаем, что масло заметно отличается от воды, хоть и жидкое. Мы можем разделить значительную часть химических соединений на две категории: гидрофильные, то есть растворимые в воде, и липофильные (то есть гидрофобные), то есть растворимые в жирах и органических растворителях. Растительные масла вполне резонно относятся к классу липофильных веществ: они растворимы в бензине, но в воде занимают отдельный объем. Нефть тоже гидрофобное вещество, поэтому так много случаев, когда попавший в аварию нефтяной танкер покрывает внушительную площадь поверхности моря своим грузом, и углеводороды губят морские экосистемы.

Равновесие, существующее в природе между гидрофильными и гидрофобными веществами, является ее фундаментальным свойством: вы можете себе представить, что бы случилось с нашей кожей и клетками, если бы они вдруг оказались растворимыми в воде? В этой главке мы узнаем, как, играя с этим свойством, человек и эволюция смогли получить совершенно невероятные результаты.

С химической точки зрения главное, что делает ту или иную молекулу более или менее гидрофильной, – это наличие заряда и соотношение количества атомов углерода и других элементов, таких как кислород и азот, в особенности если они связаны в свою очередь с атомом водорода.

Всем известная поваренная соль – классический пример вещества, которое содержит заряженные ионы, растворимые в воде, ведь она состоит из положительно заряженного иона натрия и отрицательно заряженного иона хлора. Как правило, значительная часть соединений, которые состоят из заряженных ионов, растворимы в воде, хотя есть и исключения.

Наоборот, такие молекулы, как углеводороды, которые мы изучали в предыдущей главе, нейтральны и состоят почти исключительно из атомов углерода (каждый из которых связан со своим атомом водорода, которые, как вы помните, служат основой структуры), совершенно гидрофобны. В рассказе 1 мы уже встречались со структурой триглециридов, например тех, что входят в состав оливкового масла: это выдающееся органическое вещество, и, несмотря на присутствие в его составе нескольких атомов кислорода, сразу понятно, что оно не растворимо в воде. Ацетон и этиловый спирт также являются гидрофильными молекулами, оба вещества легко смешиваются с водой. Спирт с водой смешать проще, чем ацетон, поскольку он содержит меньше атомов углерода. Кроме того, кислород в спирте связан с атомом водорода, в то время как в ацетоне он связан только с углеродом.

Вода и спирт прекрасно растворимы друг в друге, а вода и масло – нет. Если мы подвергнем смесь воды и масла сильному перемешиванию, то все равно получим эмульсию – смесь мелких капель воды и масла, причем она будет нестабильной и через несколько минут снова разделится на исходные жидкости. Мы, химики, называем компоненты гетерогенной смеси фазами, поэтому в подобном случае скажем, что эмульсия разделилась на водную и масляную фазы.

Как уже было сказано ранее, равновесие между гидрофильными и гидрофобными молекулами имеет фундаментальное значение для разных областей природы. Но каким образом получается, что разные вещества «терпят» друг друга, не разделяясь спонтанно, как это происходит с маслом и водой?

Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно бросить взгляд в собственную ванную, на полочку возле раковины или душа, и взять в руки мыло, которое мы используем для мытья.

Даже когда наши руки ну очень жирные и грязные, их достаточно просто вымыть с мылом, и вся грязь и жир уйдут, руки станут снова чистыми и даже приятно пахнущими. Как же мыло делает растворимым в воде то, что раньше упорно не смывалось? Вопрос только кажется простым – ответ на него раскрывает одну из тайн жизни на Земле.

Активный компонент мыла относится к классу веществ, называемых поверхностно-активными, то есть амфифильных – они растворимы и в воде, и в масле. Поверхностно-активное вещество можно вообразить в виде змейки или головастика, хвост которого представляет собой длинную цепочку гидрофобных атомов углерода, в то время как голова состоит из гидрофильных групп. Поверхностно-активные вещества служат чем-то вроде «культурных посредников» между водой и жирами: их хвост просачивается в гидрофобную каплю, а голова сохраняет контакт с водой. Эмульсия стабилизируется – капельки гидрофобного вещества связываются между собой, а вода «чувствует» только гидрофильную голову.

На рисунке ниже изображено строение одного из самых знаменитых и распространенных в хозяйстве веществ, – додецилсульфата натрия (sodium dodecyl sulfate, SDS). Легко заметить, что он состоит из двух частей совершенно разного химического строения: хвоста в виде длинной цепочки атомов углерода и отрицательно заряженной головы, состоящей из атома серы, соединенного с четырьмя атомами кислорода.

Если мы попытаемся растворить наш SDS в воде, то получим сферические образования – мицеллы, в которых хвосты образуют центр сферы, а хвосты – его внешнюю оболочку. Полезная информация для дорогих читателей: вы наверняка видели в косметических отделах и магазинах модную «мицеллярную воду» для снятия макияжа? Ну так знайте, это нечто иное, как вода и мыло…

Очевидно, что не все поверхностно-активные вещества можно использовать в качестве туалетного мыла, однако в целом их базовое химическое строение примерно одинаково.

Раньше мыло делали путем обработки животных или растительных жиров каустической содой (едкий натр, или гидроксид натрия, NaOH). В щелочной среде, которая создается при использовании каустической соды, триглицериды «расщепляются» на основные составляющие, то есть глицерин и жирные кислоты (в щелочной среде они преобразуются в соли натрия). Как видно на картинке ниже, жирные кислоты тоже состоят из гидрофобного хвоста и заряженной головки, богатой кислородом, а значит, гидрофильной, поэтому тоже являются отличными поверхностно-активными веществами.

В Сети можно найти множество рецептов, как самостоятельно приготовить мыло, но я все-таки настоятельно не рекомендую это делать: использование таких активных веществ, как каустическая сода, без соответствующих навыков и защиты весьма опасно – это очень едкое соединение. Брызг кипящего раствора каустической соды вполне достаточно, чтобы, склонившись над емкостью, навсегда потерять зрение. Кроме того, конечный результат может получиться намного более агрессивным для кожи, чем мыло от коммерческих производителей, – их рецепты годами разрабатываются целой командой ученых и исследователей.

Амфифильные молекулы, встречающиеся в природе повсюду, годятся не только для отбеливания простыней, но и служат одной из основных составляющих наших клеточных мембран. Возможно, кто-то из вас еще помнит из курса школьной биологии про бислой – двойной слой фосфолипидных молекул. На самом деле ничего особо сложного в этом нет – речь идет о все тех же амфифильных молекулах, в данном случае особом классе соединений, так называемых фосфолипидах, – они умеют соединяться самым энергетически выгодным образом. В отличие от классических мицелл они образуют двойной слой: головки обращены в сторону водной фазы, а хвосты образуют гидрофобную область внутри бислоя. Таким образом они формируют структуры с заполненным водой пространством внутри, отделенным от внешней среды (тоже водной) гидрофобной перегородкой. Это везикулы, или липосомы, и их структура очень напоминает клеточную мембрану. Настоящая мембрана в реальности намного сложнее – в этом двойном слое «плавают» многочисленные молекулы, важные для нашей жизни, такие как холестерин или мембранные белки, обеспечивающие клетке связь с внешним миром или регулирующие поступление питательных веществ.

Однако давайте поговорим об эмульсиях, которые составляют основу многих средств для красоты, таких как кремы и лосьоны. Косметические кремы состоят из водной основы, масляной основы, эмульгаторов, стабилизирующих эмульсию, консервантов, препятствующих преждевременной порче, разбавителей, поддерживающих кремовую текстуру и, наконец, ароматизаторов и других веществ, делающих процесс использования косметики приятным.

Состав крема может показаться относительно простым, однако его производство является достаточно сложным процессом и требует комбинирования десятков разных веществ для получения желаемых свойств.

Как потребитель – подумайте, сколько разных свойств вы хотели бы видеть даже у простого крема для лица.

• Как крем выглядит? Какой у него цвет? А запах? Приятно ли он выглядит и пахнет? Достаточно ли он нежен, чтобы нанести его на мое лицо?

• А насколько он однородный? Легко ли его наносить на кожу? Быстро ли впитывается?

• Какие ощущения я испытываю, когда наношу его на кожу? А что я чувствую после нанесения?

• Жирный он или маслянистый на ощупь? А впитывается быстро? Липкий или нет?

• А какой становится кожа после применения? Она мягче? Краснота уходит? Кожа блестит?

• Есть ли у него какие-то особые свойства (против морщин, против старения и т. д.)?

• Каков срок хранения открытой упаковки?

Каждое из этих свойств – результат сознательного сочетания разных веществ. В случае с мылом я настоятельно рекомендую воздержаться от доморощенных рецептов, но экспериментировать с кремами намного веселее и безопаснее.

Отправной точкой для создания крема должно служить решение, насколько «жирным» мы хотим его сделать, то есть каков будет процент воды в эмульсии, а какой – липидов. Большинство кремов содержат от 5 до 25 % жирной фазы, в зависимости от его предназначения и типа кожи потребителя: кремы для лица обычно более легкие, чем кремы для тела, и гидрофобная фаза в них не превышает 15 %. А ночные кремы, как правило, более маслянистые, чем дневные. Когда решение о содержании жирной фазы принято, надо разработать состав смеси, поскольку именно от этого зависят многие характеристики крема – его вязкость, густота или нежность консистенции. Использование исключительно оливкового масла или масла из семян сделает крем довольно жидким, а добавление кокосового или пальмового масла – твердых при комнатной температуре – придаст ему более плотную консистенцию. К масляной фазе можно добавить еще капельку пчелиного воска или другого растительного масла, например какао.

Тут наступает самый сложный этап: выбрать эмульгатор. Это самая сложная задача еще и потому, что подобные соединения не продаются в соседнем супермаркете, только в специальных магазинах (или онлайн). Эмульгаторы для косметики немного отличаются от тех, что используют для мыла, но принцип их действия такой же. Среди самых известных можно назвать эмульгаторы семейств Span (эти подходят для эмульсий с высоким содержанием масла, более 30 %) и Tween (а эти называются еще полисорбатами и используются для легких кремов): они безопасны – их используют даже в пищевой промышленности – и в сочетании друг с другом позволяют получить хорошие результаты. Другим популярным эмульгатором служит соевый лецитин, белок, который относительно легко найти в продаже, – но он дает не такие хорошие результаты, как упомянутые выше соединения. На эмульгаторы похожи и стабилизаторы, среди которых самым известным можно назвать цетиловый спирт (его молекула представляет собой цепочку из шестнадцати атомов углерода с группой – ОН на конце). Он входит в состав самых разных косметических средств и не только стабилизирует эмульсию, но и делает ее более кремовой, менее маслянистой на ощупь и создает приятный смягчающий эффект. Смягчители являются особой категорией веществ – они делают кожу более нежной. Самый известный смягчитель – конечно, глицерин (его структуру мы рассматривали выше); он входит в состав водной фазы и помогает увлажнить и смягчить кожу. Да и сами масла обладают смягчающим воздействием, создавая на коже тонкую пленку жира, препятствующую испарению воды. Помимо растительных масел, косметические средства содержат также вазелиновое и силиконовое масла. Вазелиновое масло – или жидкий парабен – нечто иное, как смесь углеводородов, состоящих из цепочек средней длины, и хотя люди иногда пугаются слова «синтетический», на самом деле он инертен и безопасен.

Еще одним важным продуктом для косметической индустрии служат консерванты. Они необходимы для защиты от потенциально опасного микробного заражения. Одним из самых популярных в косметической индустрии является как раз семейство парабенов, чью химическую структуру можно увидеть на рисунке справа (R – любая углеродная цепочка). В последние годы активно обсуждалась их безопасность, поскольку их химическая структура напоминает структуру эстрогенов, женских гормонов; обсуждался вопрос их возможного влияния на гормональную систему и рак груди. Несмотря на очевидность того, что в тех концентрациях, в которых их используют в косметике, они не токсичны, тем не менее они все еще запрещены во всех (почти) странах Европы, за исключением некоторых совершенно безопасных производных, таких как метилпарабен[36].

Создание крема поэтому отнюдь не банальная процедура, и не только из-за выбора ингредиентов, но и потому, что достаточно совсем крошечного изменения состава, чтобы получить совершенно иной результат. При желании вполне можно попробовать сделать что-нибудь в домашних условиях. При этом необходимо уделять особое внимание риску бактериального заражения.

Само приготовление совсем несложное. Прежде всего нужно сделать необходимые закупки: нам понадобятся электронные весы с точностью по крайней мере в одну десятую грамма, разные емкости, термометр и блендер; а ингредиенты, сохраняя по максимуму принцип простоты, возьмем следующие: глицерин, дистиллированную воду, жидкие растительные масла (лучше всего взять оливковое масло и масло из семян), кокосовое масло, пчелиный воск, ксантановую камедь (она работает загустителем) и, наконец, эмульгатор. За последним я бы посоветовал обращаться в специальный магазин продуктов для косметики, где вам посоветуют самый подходящий для ваших нужд. Также можно использовать цетиловый спирт и моностеарат глицерина (их можно найти и в интернете).

Обычный крем для рук содержит около 15 % жира. Для крема по моему рецепту я взял 7 г кокосового масла, 2 г масла подсолнечного, 2 г оливкового масла, 2 г цетилового спирта и 2 г пчелиного воска и добавил потом 4 г моностеарата глицерина в качестве эмульгатора. После взвешивания все компоненты нужно сложить в кастрюльку и нагреть до 70 °C, помешивая время от времени, чтобы смесь стала однородной. Тем временем в другой емкости можно приготовить водную фазу. Я взял 75 г дистиллированной воды, 5 г глицерина и 1 г ксантановой камеди. И водную фазу надо медленно нагреть до тех же 70 °C, пока вся камедь не растворится и раствор не станет однородным. Когда оба компонента, нагревшись до 70 °C, станут однородными и стабильными, настанет пора добавить масляную смесь к водной и как следует перемешать все большой ложкой. Смесь должна стать похожей на молоко (температуру следует постоянно поддерживать на уровне 70 °C), после этого ее можно начать медленно охлаждать, продолжая постоянно помешивать. Если хочется добавить консервант – его можно найти в специализированных магазинах, – то самый подходящий момент для этого наступает, когда температура снижается примерно до 65 °C. Для получения по-настоящему однородной смеси следует воспользоваться портативным миксером и мешать получившуюся массу, пока она не остынет до 45 °C. Тогда уже можно перелить крем в баночку, предварительно тщательно вымытую и стерилизованную в кипящей воде. Закройте ее герметично и оставьте на сутки отдохнуть, прежде чем начать использовать.

Мой рецепт вылился для меня во вполне ожидаемый результат, но вам бы я посоветовал немножко поиграть с процентным содержанием ингредиентов, чтобы увидеть, как меняются характеристики крема в зависимости от состава. Только будьте внимательны, не допускайте заражения бактериями – в домашних условиях это очень просто, – и обязательно учитывайте, что всегда существует риск возникновения кожной аллергии. Вы можете развлекаться с составом крема как угодно, но я настоятельно не рекомендую наносить крем домашнего производства на лицо или чувствительные участки кожи, а также хранить приготовленный крем больше двух недель.

Да будет свет

Красота – это не только очищение и кремы для лица, но прежде всего это искусство, природа и цвет, от голубого неба до зеленой травы, от желтого солнца до красной розы. Но откуда же берется в природе цвет? Почему одни предметы кажутся фиолетовыми, а другие зелеными или красными?

Ответ, который мы даем, как правило, на этот вопрос, гласит, что объект предстает таким, потому что отражает свет определенного цвета. Нельзя сказать, что это неправильно, но тем не менее ответ определенно недостаточный. Сказать, что желтая стена кажется желтой, потому что отражает желтый свет, – это скорее упростить, чем объяснить…

По этой причине я хотел бы погрузиться ненадолго в детали, пытаясь понять, почему в одних ситуациях поглощается свет одного цвета, а в других – другого.

Свет – настоящий герой нашего повествования, и нам надо получше понять его природу и действие. Исследование его свойств занимало человечество еще со времен античных философов, от него теряли покой и сон знаменитые ученые типа Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна (представьте себе, что даже знаменитый немецкий писатель Вольфганг Гёте мучился этими проблемами) и закончилось в наше время загадками квантовой механики. Квантовая механика – одно из направлений современной физики, изучает поведение микрочастиц, и, хотя она и весьма подробно описывает атомы, молекулы и субатомные микрочастицы, сама ее сущность полна таких странностей и парадоксов, что понять и изложить ее положения в нескольких словах не представляется возможным.

Ученые многие годы спорили о природе света, поскольку, в зависимости от характера эксперимента, свет то ведет себя совершенно как волна – подобно звуковым или морским волнам, то вдруг оборачивается частицами, как если бы состоял из микроскопических «шариков», летящих с огромной скоростью. Только в начале ХХ века, с появлением квантовой механики, выяснилось, что все частицы обладают корпускулярно-волновой природой и свет не является исключением. Корпускулярная теория света построена на концепции фотона, лишенной массы частицы, перемещающейся всегда с постоянной скоростью – скоростью света, равной 300 000 км/сек, и обладает энергией, пропорциональной длине волны.

Но сейчас мы будем использовать волновую теорию света, она позволит объяснить некоторые концепции более простым для визуализации способом. Когда мы бросаем в пруд камень, на поверхности воды разбегаются волны, которые распространяются концентрическими кругами от точки события. Мы можем провести иллюстративный эксперимент, наполнив водой ванну и двигать в воде пальцем, создавая небольшие волны. Мы быстро увидим, что чем быстрее мы размахиваем пальцем, тем ближе друг к другу окажутся волны, а чем интенсивнее будет движение пальца вверх-вниз, тем волны будут глубже.

Эта самая «глубина» волны называется амплитудой, а расстояние между двумя гребнями (то есть между двумя вершинами) называется длиной волны.

Волны на поверхности воды – механические, поскольку создаются колеблющимся предметом; свет – это электромагнитная волна, она создается электромагнитным полем и распространяется в пространстве. Механическая волна нуждается в некой материальной среде для распространения, воде или воздухе, а электромагнитная волна способна распространяться даже в пустоте. Именно поэтому Вселенная кажется нам освещенной, но совершенно безмолвной: даже мощные взрывы и масштабные события, в силу отсутствия какой-либо материальной среды, которая своими колебаниями бы передавала звуковую информацию. Интересно, что энергия электромагнитной волны не зависит от ее амплитуды, только от длины этой волны. Радиоволны обладают самой низкой энергией во всем электромагнитном спектре, их длина волны варьируется от нескольких сантиметров до нескольких километров; за ними следуют микроволны (длиной от 1 мм до 10 см) и инфракрасные волны (длиной от 700 нанометров, то есть 0,0007 мм, до 1 мм). Видимый свет составляет лишь крошечную часть электромагнитного спектра, между длинами волн от 400 до 700 нанометров; самые богатые энергией излучения лежат в спектре длин волн ниже 400 нм: тут и ультрафиолетовые колебания (UV), рентгеновское излучение и гамма-излучение. Единственным различием между электромагнитными излучениями, исходящими от лампочки, радиоантенны и рентгеновского аппарата, служит длина волны.

Как же получается, что некоторые вещества поглощают волны лишь определенной длины? Чтобы ответить на вопрос, нужно углубиться в структуру материи.

Светлячки, медузы и микроволновка

В самом первом рассказе мы ограничились рассуждениями о том, что у атома есть ядро, состоящее из протонов и нейтронов и вращающихся вокруг него, как вокруг солнца, электронов. Эта модель очень упрощена, поэтому не до конца верна. Будущее положение планеты относительно ее звезды можно установить на основании данных о ее сегодняшней позиции с очень высокой точностью (это умели еще ученые античных времен), но квантовая механика показала, что выражение «орбита электрона» смысла не имеет – они не обладают сколько-нибудь точной траекторией. Мы можем вычислить лишь вероятность того, что некий электрон находится в некой точке пространства.

Кроме того, в макроскопическом мире энергия непрерывна, а в микроскопическом – дискретна. Что это значит? Представьте себе зал для игры в боулинг: вы можете взять шар и бросить его в сторону кеглей с той скоростью, какой хотите. Можете бросить его посильнее, а можете послабее, можете бросать его хоть сотню раз, и всякий раз чуть сильнее, чем в предыдущий. Вы полностью контролируете его энергию, и если потренируетесь, то и сможете контролировать и траекторию. А вот с электронами все не так. У него не только нет траектории, но «бросить» его с желаемой скоростью не получится: электрон может обладать только определенными уровнями энергии, без промежуточных значений.

Точно такие же закономерности работают и в сфере энергии вибрации и вращения молекул, она тоже может достигать только конкретных значений. Вообразите себе химические связи в виде пружины, как у куклы с качающейся головой на панели автомобиля. В макроскопическом мире вы можете заставить голову куклы трястись как угодно – достаточно сжать ее посильнее или отпустить, в квантовом мире химические связи могут осциллировать только с энергией V_1 или энергией V_2, но никогда с промежуточной.

Нам, химикам, нравится описывать подобное поведение с помощью термина энергетические уровни, что-то вроде ступеней энергетической лестницы. Вы находитесь либо на первой ступени, либо на второй, но не можете волшебным образом «болтаться» между ними. Выделяются также вращательные уровни (обозначим их буквой R), колебательные (V) и электронные (их обозначим буквой Е). Вращательные уровни связаны с вращением молекулы в пространстве, колебательные характеризуют колебания химических связей, а электронные показывают энергию вовлеченных в связи электронов.

Эти представления с трудом поддаются визуализации, но важно прежде всего понять, что эти энергетические уровни не являются чем-то «физическим», конкретным свойством. Это только способ описания энергии и поведения электронов.

Возвращаясь к нашей теме: мы уже узнали, что в квантовом мире не существуют орбиты и траектории, а энергия дискретна, то есть может принимать только определенные значения. Когда электромагнитное излучение встречается с материей, они могут реагировать только при одном условии – оно обладает энергией, достаточной для возбуждения атомов или молекул и перескока с более низкого на более высокий уровень. Это произойдет, если заставить их вращаться или колебаться быстрее или подтолкнуть электрон перейти с более низкого энергетического уровня на более высокий.

Например, при комнатной температуре бóльшая часть молекул воды вращается на определенном энергетическом уровне, назовем его R_1. Если мы нальем воду в кастрюльку и начнем ее нагревать, некоторые молекулы постепенно начнут вращаться с энергией R_2. Чем дольше мы будем нагревать воду, тем все больше молекул будут вращаться с энергией R_2, а некоторые начнут вращаться и с энергией R_3. Однако мы никогда не обнаружим молекулы, вращающиеся с промежуточной между R_1 и R_2 энергией.

А что, если бы мы захотели использовать электромагнитное излучение, чтобы возбудить молекулы воды и заставить их перейти с уровня R_1 на уровень R_2? Разница в энергии между вращательными уровнями очень мала и требует излучения с низкой энергией… например микроволнового. Именно этот принцип и работает в микроволновой печи: внутри нее установлен магнетрон, специальный источник микроволн с длиной волны около 12 см, что как раз соответствует необходимой для перехода молекул воды с одного вращательного уровня на другой – этот переход и нагревает вашу еду в тарелке.

А если мы хотим воздействовать на электронные уровни? В этом случае разница в энергии существенно выше и соответствует ультрафиолетовой солнечной радиации или облучению видимого спектра.

Солнцезащитные кремы, которые мы используем летом на пляже, к примеру, не поглощают лучи видимого спектра – они поглощают ультрафиолет: если бы наши глаза могли видеть волны этой длины, все купающиеся рядом с нами выглядели бы, как участники вечеринки у бассейна с краской. Поглощая лучи UV, солнцезащитные кремы помогают нам избежать возбуждения электронов в ДНК молекул в наших клетках, что могло бы спровоцировать нежелательные реакции. Когда молекула находится в возбужденном электронном состоянии, ее химическая реактивность меняется, и в случае с ДНК это может привести к серьезным последствиям и опухоли (поговорим об этом дальше).

Однако поговорим о более приятных вещах. В некоторых молекулах разница в энергии между электронными уровнями такова, что точно соответствует длине волны видимого спектра: в подобном случае фотоны с правильной энергией будут поглощаться молекулой и способствовать электронному переходу, в то время как другие фотоны просто пролетят мимо. Чтобы лучше понять этот процесс, попробуем вместе проанализировать спектр поглощения хлорофилла, пигмента, ответственного за зеленый цвет растений.

Спектр поглощения – не что иное, как график, показывающий количество света, поглощенного некой молекулой, как зависимость от длины волны падающего света. Инструмент, применяемый для подобных измерений, называется спектроскопом и позволяет освещать светом определенной длины волны образец и бесцветный эталон. Если повторять измерения для каждой длины волны и регистрировать разницу между интенсивностью света нужной длины волны, проходящего сквозь образец и сквозь эталон, можно построить кривую, показывающую, сколько света было поглощено образцом в зависимости от длины волны. В спектре поглощения хлорофилла, изображенного выше, четко выделяются два пика (максимумы поглощения), соответствующие длинам волн синего и красного цвета. Какая кривая неизменна? Конечно, зеленая.

Методы спектроскопии часто используются химиками, поскольку являются мощным методом познания структуры материи, выявления наличия определенных молекул в образце или измерения их содержания. Многие технические средства криминалистики, которые можно увидеть в сериалах, хоть и преувеличенно зрелищны, существуют на самом деле и основаны на свойствах взаимодействия света с материей. Например, инфракрасная спектроскопия используется в химических исследованиях, потому что разные группы атомов вибрируют в инфракрасном диапазоне на своей частоте. С помощью спектроскопии можно как обнаружить присутствие следов известных веществ в образце, поскольку всякое вещество обладает собственными инфракрасными «отпечатками пальцев», так и выяснить структуру неизвестного вещества.

Отдельное явление – люминесценция, то есть не поглощение, а эмиссия света некой молекулой. Чтобы понять, что при этом происходит, мы должны снова вспомнить об энергетических уровнях. Нашим отправным пунктом будет молекула в состоянии покоя, с электронами, вращающимися на самом низком энергетическом уровне. Вдруг появляется световой луч определенной длины волны, электрон его поглощает и возбуждается до состояния с повышенной энергией. Что же происходит потом? Молекула остается в том же состоянии с возбужденным электроном? Нет, потому что наш электрон хочет вернуться к состоянию отдыха с низкой энергией. В большинстве случаев электрон возвращается в свое базовое электронное состояние, рассеивая лишнюю энергию просто в окружающей среде. Но некоторые молекулы не позволяют своим электронам поступать так просто, и электрон может вернуться в базовое состояние только испуская новые фотоны, которые, в силу ряда сложных причин, которые очень непросто объяснить (вы должны мне просто поверить и в этом случае), обладают длиной волны чуть больше исходной, а поэтому и слегка повышенной энергией.

Если эти процессы поглощения и повторного излучения происходят очень быстро (за миллионную долю секунды), то мы имеем дело с флуоресцирующей молекулой. В некоторых случаях процесс может потребовать больше времени, несколько секунд или даже минут, – тогда это называется фосфоресценцией.

Многие отбеливающие виды мыла содержат флуоресцентные добавки, поглощающие ультрафиолетовые лучи и испускающие видимый свет. Нас регулярно уговаривают купить моющее средство, которое делает белье «белее белого». На самом деле это обман зрения: естественное пожелтение нитей скрадывается слабым синим свечением флуоресцирующих молекул моющего средства. Так у потребителя создается ощущение белой ткани.

Флуоресцентная спектроскопия, то есть исследование света, испускаемого флуоресцентными веществами, применяется не только в таких специфических областях – она является прежде всего фундаментальным методом анализа, поскольку позволяет обнаруживать даже микроскопические количества вещества. И не только: длина волны излучения, испускаемого молекулой, зависит в значительной степени от окружающей среды, поэтому ее измерение служит отличным способом исследования микроскопических сред, в которых пребывают флуоресцентные молекулы. Эта технология уже перевернула биологию и медицину: с помощью флуоресцентных маркеров можно выборочно идентифицировать определенные участки клетки, невидимые обычными методами, следить за самыми удивительными физиологическими процессами, помечать определенные ткани и не помечать другие, выявлять присутствие определенных белков. Многие методы анализа, используемые в медицине для обнаружения антител, вирусов, бактерий и белков, основаны на явлении флуоресценции: флуоресцентные антитела способны присоединяться исключительно к нужной молекуле, и ни к какой другой. Таким образом, по интенсивности света, испускаемого образцом, можно определить концентрацию интересующего нас вещества и быстро и надежно сделать правильные выводы.

И наконец, существует еще и третье явление, сочетающее в себе химию и свет: хемилюминесценция. Не надо бояться сложного названия: на самом деле речь идет о светлячках.

Вспомните, что я рассказал вам о том, что свет может возбуждать электрон в молекуле и делать таким образом молекулу готовой вступить в реакцию? Случается и наоборот: химическая реакция может закончиться молекулой, находящейся в возбужденном электронном состоянии, то есть ее электроны пребывают в возбужденном состоянии, то есть на энергетическом уровне выше основного для данной молекулы. Электроны могут таким образом вернуться в базовое энергетическое состояние, испустив фотон, то есть испустив свет в результате химической реакции. Именно так светлячкам удается светиться даже в самую темную ночь: благодаря химическим реакциям, происходящим в их брюшке, энергия высвобождается в виде света.

Разноцветный мир

А теперь, когда мы узнали, что пигменты кажутся цветными, потому что видимый свет может реагировать с электронами молекул, было бы интересно попробовать понять, по какой причине в некоторых веществах разница в энергии между электронными уровнями проявляется в видимой части спектра, а в других – в ультрафиолетовой.

И как обычно, ответ не появится немедленно, но мне придется, упрощая, поведать, что часто (но не всегда) видимую часть спектра поглощают молекулы, содержащие металл (в особенности переходные металлы), или последовательность двойных сопряженных связей.

В первом случае в виду имеются молекулы, в которые входят такие металлы, как железо, медь, магний, никель, кобальт или хром, и они в зависимости от химического окружения способны заиграть всеми цветами радуги. Небольшие примеси хрома, например, создают восхитительные переливы цвета в рубинах и изумрудах, а медь придает чудесный лазурный оттенок бирюзе. Как рубины, так и изумруды – формы существования минерала корунда, содержащего окись алюминия и обычно бесцветного, однако достаточно небольшого количества хрома, чтобы он обрел рубиновые краски, или железа и титана, чтобы превратиться в чудный сапфир. Но оставим драгоценные камни – всем известна охра, название, обозначающее различные землистые минералы содержащие окиси железа, например желтая охра, получающаяся из лимонита, или красная охра на базе гематита. Эти минералы распространены повсюду, и употреблять их для рисования начали еще дальние наши предки: самые древние из известных наскальных рисунков имеют возраст около сорока тысяч лет, а пещеры Шове или Ласко – это настоящие музеи палеолитического искусства под открытым небом.

Но отложим минералы на секунду в сторонку. А что создает цвет в органическом мире?

Значительная часть органических веществ на самом деле совершенно бесцветна, поскольку они поглощают ультрафиолет, а чтобы сделать их цветными, им нужно особое свойство: наличие обширной системы двойных сопряженных связей.

В предыдущих главах мы уже сталкивались с органическими молекулами, состоящими из длинных углеродных цепочек, в которых атомы углерода связаны между собой не только одинарными химическими связями, но и двойными (и даже тройными). Когда несколько двойных связей перемежаются одинарной, это называется двойными сопряженными связями, и они придают молекуле своеобразные химические и фотохимические свойства. Чем больше двойных сопряженных связей в молекуле, тем сильнее максимум поглощения смещается от ультрафиолетового спектра к видимому. На рисунке изображена структура молекулы индиго, одного из самых известных в мире красителей, благодаря которому цвет джинсов таков, как есть; он известен людям уже 4000 лет, но был синтезирован впервые в лаборатории Страсбурга только в 1882 году Адольфом фон Байером (нет, у него не ничего общего с фармацевтическим гигантом Bayer; и да, он получил Нобелевскую премию по химии в 1911 году за свою работу с красителями). Обратите внимание на чередование двойных и одинарных связей в молекуле на рисунке внизу страницы.

Эта кольцевая структура, так называемый порфирин, весьма распространена в природе, и ею обладает как хлорофилл – у него в центре кольца находится атом магния, – так и гемоглобин, у которого в центре атом железа. Проблема органических красителей в том, что спустя определенное время под воздействием света они выцветают и не достигают глубины и яркости неорганических красок.

До сих пор мы использовали термины «краситель» и «пигмент» в практически взаимозаменяемых смыслах, однако на самом деле между ними есть существенная разница: красители растворимы в некоем растворителе, в воде или органической жидкости, а пигменты – нет. Масляные краски, например, представляют собой именно пигменты в твердом состоянии, смешанные с жидкостью – например, льняным маслом, – которое служит связующим веществом, но не растворителем. Просто пигменты можно довести до тонкодисперсного состояния, но не растворить.

Сегодня часто используются и акриловые краски, в которых пигменты в виде тонкой пыли смешаны с синтетической смолой вместо масла. С точки зрения химии темпера, масляные краски и акриловые краски сделаны из схожих пигментов и отличаются только связующим веществом – яичный белок или иные эмульсии в темпере, масло в масляных красках, смола в акриловых. А какие же пигменты используются художниками? Их бесконечное количество, и они делятся не только оттенками, но и блеском и долговечностью. К примеру, картины Ван Гога написаны желтой и красной охрой, желтым хромом (хромат свинца PbCrO_4), желтым кадмием (сульфид кадмия, CdS), берлинской лазурью (неорганические производные железа), синим ультрамарином (древний синий пигмент, использовавшийся еще египтянами: его производили из полудрагоценного камня, ляпис-лазури) и белилами (основной карбонат свинца 2PbCO_3·Pb (OH)2).

Проблема в том, что некоторые из этих веществ вредны для здоровья: свинец и хром, будучи тяжелыми металлами, ядовиты и сегодня полностью заменены менее токсичными веществами, такими как окись титана, занявшей место свинцовых белил, или желтым арилидом (органический пигмент), применяемым вместо желтых кадмия и хрома.

Изучение красок, использованных художником, служит не только для удовлетворения любопытства, но очень важно для реставрации его работ. Краски в картинах Ван Гога со временем начали изменяться, и сам художник сильно переживал из-за этого – в своих письмах он часто и подробно рассказывал о своих экспериментах с разными типами красок. Обратите внимание при случае, что на многих из его картин не хватает красного – цвет буквально исчез с полотен. Ван Гог использовал в основном два красных пигмента, эозин и киноварь, а они быстро разлагаются под действием света, поэтому уже в 1907 году одно из его полотен, «Розы», полностью утратило первоначальный розовый цвет. Помните, я рассказывал вам о фотохимических реакциях? Это их работа. Еще одной, более известной жертвой, стала «Комната Винсента в Арле», одна из самых знаменитых картин художника. Стены комнаты, которые сегодня выглядят голубыми, изначально были фиолетовыми благодаря использованию кошенили.

Ван Гог писал и другой красной краской, которая тоже постепенно белеет: свинцовым суриком, или миниумом, пигментом на основе окиси свинца (Pb_3O_4). Особенно это заметно на картине «Пшеничное поле под облачным небом». Исследовательская группа Коэна Янссенса из Университета Антверпена попыталась изучить механизм этой странной трансформации. Янссенс и его коллеги применили специальный метод анализа, основанный на рентгеновском излучении, для определения состава образца, используя очень высокое разрешение. Исследователям оказалось достаточно проанализировать небольшой кусочек пигмента, изъятого с полотна, чтобы понять, что окись свинца покрылась тонким слоем карбоната свинца белого цвета. Благодаря этим исследованиям удалось понять в деталях механизм фотохимической трансформации: в реакции помимо света участвует еще и углекислый газ из воздуха. Даже знаменитый желтый цвет из «Подсолнухов» – хромат свинца – оказался не защищен от действия времени и начал постепенно превращаться во что-то коричневатое. В этом случае ответственным за превращения тоже оказался свет, особенно зеленовато-синий спектр. Тот самый свет, что необходим нам для наслаждения этими произведениями, медленно их разрушает.

Остается надеяться на то, что благодаря развитию химии и новым исследованиям появится способ прекратить эти процессы, реставрировать и защищать художественное наследие человечества и сохранить его для будущих поколений..

Лекция 5

В парке

Не вся грязь происходит от химии

«Химический» и «синтетический» – прилагательные, обычно используемые для характеристики чего-то ненатурального, вредного или просто неприятного, поэтому производить нечто «без химии» считается достоинством.

Химия загрязняет. Она убивает рыб и заливает все нефтью, это ядовитые испарения, пластиковый мусор, дорогущие и бесполезные лекарства, канцерогенная еда – список бесконечен. Мы можем продолжать его еще долгие часы, вспоминая все грехи науки, обвиняемой в страшных преступлениях против человека и планеты.

В реальности, как мы уже успели заметить в предыдущих главах, химия полна противоречий. Она ярко и резко высвечивает ответственность современной цивилизации и заставляет нас взглянуть на себя в зеркало. Химик манипулирует материей, изменяет ее, формирует по своему желанию, воздействует на неуловимые и невидимые сущности. Заниматься химией – значит иметь дело с неизвестностью, с чем-то, что мы не можем контролировать: легко отличить пулю от тюбика помады, а бомбу от вазы для цветов. Но как отличить хорошую молекулу от вредной? Как мне понять, когда я покупаю бутылку воды для моего малыша, что вода чистая и не содержит вредных веществ? В целом я нахожу вполне естественным и понятным этот страх и предубеждения против химии, что-то вроде взрослого страха темноты, но не могу его оправдать. Химия – двигатель современного мира, но она настолько вездесуща и необходима, что практически уже незаметна. Она как воздух, которым мы дышим и который поддерживает в нас жизнь, но который мы считаем само собой разумеющимся, и даже не замечаем, пока он не исчезнет или не понесется ураганом.

В этой главе мы рассмотрим некоторые из концепций, касающихся загрязнения окружающей среды, которые мы уже затрагивали ранее, расширим и углубим знания, чтобы сформировать ясное представление о влиянии химии на природу, и узнаем, какие усилия предпринимают исследователи, чтобы снизить его максимально.

Безмолвная весна

27 сентября 1962 года произошел важный поворот в истории химической промышленности и экологии: именно в этот день Рейчел Карсон опубликовала свою книгу «Безмолвная весна» (Silent Spring), первый труд, посвященный публичному осуждению чудовищного влияния на окружающую среду использования пестицидов в сельском хозяйстве. Карсон родилась в 1907 году, получила академическое образование в области морской биологии и зоологии и была уже сформировавшимся ученым, когда во второй половине сороковых годов ХХ века начала исследование, выявившее серьезные нарушения экологического равновесия, вызванные повсеместным и чрезмерным использованием ДДТ и похожих средств. Все началось с того, что Ольга Оуэнс Хакинс, заведующая заповедником птиц, подвергшегося интенсивному распылению ДДТ для уничтожения комаров, написала письмо в газету The Boston Herald и самой Рейчел Карсон. Она рассказала о массовой гибели птиц в заповеднике. Все последующее десятилетие Карсон собирала свидетельства из авторитетных источников и мнения ученых, которые разделяли ее озабоченность. Ее деятельность не осталась незамеченной: индустриальное лобби и политики начали кампанию по опровержению ее исследований, дискредитации ее мнения, объявляя Карсон истеричкой, параноиком и коммунисткой. Отношение, с которым и по сей день, увы, сталкиваются активисты, поднимающие проблемы потепления климата.

Несмотря на преследования, Рейчел Карсон книгу закончила и перед публикацией предложила экспертам дать ей оценку. После публикации текст мгновенно стал бестселлером и привлек большое внимание читателей, вызвав пробуждение экологических движений и проложив дорогу серии реформ, результатом которых стал запрет ДДТ и других пестицидов и создание EPA (Environmental Protection Agency/Агентства по охране окружающей среды США). К сожалению, Рейчел не дожила до момента, когда в жизнь воплотились все те глубокие изменения, начало которыми положили ее труды, – она умерла в 1964 году от рака молочной железы.

Книга «Безмолвная весна» обрела успех благодаря объективному и рациональному стилю автора, основные выводы были поддержаны фактами, данными научных исследований и четкими доказательствами – в ней не было ни грамма паникерства. И хотя книга, как и следовало ожидать, подверглась жесткой атаке корпораций, ее публикация была поддержана многими исследователями, которые уже несколько лет назад начали публиковать научные данные, показывавшие, что распыление пестицидов на почве оказывает чудовищное воздействие на всю экосистему.

Как мы уже упоминали, именно объективный и научный стиль книги сделали ее убедительной и недоступной для критики до такой степени, что даже ее противники вынуждены были отступить перед очевидностью. Одной из тем книги стало именно использование ДДТ, пестицида, поступившего в продажу еще в 1945 году и в середине пятидесятых активно использовавшегося для искоренения малярии, болезни, передававшейся в основном комарами, принадлежащими к роду Anopheles.

История ДДТ, чью структуру можно увидеть на рисунке, чрезвычайно любопытна, поскольку показывает, как трудно найти равновесие между вредом и пользой. Первым ДДТ синтезировал австрийский химик Отмар Цейдлер в 1874 году, будучи докторантом Страсбургского университета, под руководством Адольфа фон Байера (мы уже встречали это имя в связи с индиго). Но Цейдлер не понял, насколько опасным оказалось вещество.

Только в 1939 году швейцарский химик Пауль Герман Мюллер[37] обнаружил у ДДТ инсектицидные свойства.

В отличие от Цейдлера, который синтезировал ДДТ только для того, чтобы испытать новую методику синтезирования, Мюллер как раз и искал пестицид, который был бы достаточно стабилен, недорог, безвреден для человека, но ядовитым для насекомых. Пауль Мюллер был уже выдающимся химиком, сотрудником Базельской химической компании J. R. Geigy AG, превратившейся со временем в известную фирму Novartis. В начале карьеры он занимался выделением и синтезом красителей и пигментов растительного происхождения, а потом заинтересовался защитой сельскохозяйственных растений. Его идея состояла в том, чтобы использовать разницу в физиологии и найти вещество, которое бы воздействовало на хладнокровных, а именно насекомых, но не действовало бы на теплокровных, то есть млекопитающих. Понадобились сотни опытов, чтобы наконец прийти к ДДТ, который продемонстрировал внезапно поразительную эффективность и беспрецедентную безопасность и стоил гораздо дешевле веществ природного происхождения, использовавшихся на тот момент для уничтожения вредителей. ДДТ на самом деле действует на нервную систему насекомых, а на нервную систему млекопитающих – нет, и смертельная доза для человека составляет десятки граммов. За это открытие Мюллер в 1948 году получил Нобелевскую премию за вклад в медицину и физиологию.

ДДТ быстро стал необходимым инструментом для борьбы с болезнями, переносимыми насекомыми: эти заболевания уносили в первой половине ХХ века миллионы жизней. Во время Второй мировой войны, в начале сороковых, тиф распространился по всей Европе и вызвал эпидемию, погибли сотни тысяч человек. Эта болезнь особенно свирепствовала в нацистских концлагерях, поразила она и концлагерь Берген-Бельзен в 1945 году, унеся 17 тысяч жизней – среди них была и Анна Франк[38].

Тиф вызывает бактерия Rickettsia prowazekii, живущая в кишечнике телесных вшей и выделяемая ими в экскрементах. Когда паразит поселяется на теле, его укусы вызывают сильнейший зуд, и, расчесывая кожу, человек разрушает естественный барьер и заносит в кровь экскременты с бактериями. Здоровые вши тоже питаются зараженной кровью хозяина, создавая инфекции возможность распространения.

Когда союзники высадились в Италии в 1943 году, тиф только начал распространяться на юге страны, особенно на территории Неаполя. Вполне возможно, что итальянские военные привезли его из Туниса, и резкое увеличение случаев заболевания вызвало беспокойство у американских сил, они опасались распространения болезни как среди военных, так и среди гражданских лиц. Современники[39] описывали Неаполь как город, охваченный нищетой и крайне грязный, значительная часть жителей, пытаясь выжить, жила скученно в полуразрушенных зданиях или импровизированных бомбоубежищах, а порой вообще в пещерах, в отсутствии элементарной гигиены, в непосредственном контакте с трупами умерших от тифа. Ситуация усугублялась отсутствием воды и водопровода, обычного мыла, а также чудовищной неразберихой, усложнившей доступ в больницы и к медицинской помощи.

Для оздоровления ситуации союзники начали масштабную дезинфекцию с помощью ДДТ, распыляя его в виде порошка на одежду больных и людей, которые входили с ними в постоянный контакт. Команды военных и врачей – итальянских и американских – ходили по домам, от убежища к убежищу, чтобы выявить как можно больше заболевших, госпитализировать их и дезинфицировать остальных жителей и их жилища.

К этому обходу от двери к двери впоследствии добавилась организация пятидесяти антипедикулезных станций, на которых работали итальянские врачи, обрабатывая около 100 тысяч человек в сутки.

Стратегия увенчалась просто выдающимся успехом: низкая стоимость ДДТ, его доступность и невысокая токсичность для человека позволили быстро обработать огромное количество людей и их вещи, уничтожить вшей – разносчиков инфекции и избавить всю Европу от заболевания, которое тысячелетиями вызывало длительные эпидемии. Благодаря столь поразительным результатам, использование ДДТ было распространено и на борьбу с малярией, и в 1955 году Всемирная организация здравоохранения запустила программу распыления ДДТ, целью которой было окончательное искоренение и этой болезни.

Малярия тоже вызывается паразитом – крошечным организмом, именуемым плазмодием (Plasmodium). К людям он попадает от комаров рода Anopheles, у которых он живет в слюнных железах и во время укуса комара попадает к человеку. Попав в кровеносную систему, плазмодий прежде всего закрепляется в печени, а оттуда проникает в эритроциты, где проходит различные стадии сложного жизненного цикла.

Плазмодий может достаточно долгое время пребывать в спящем состоянии, в зависимости от его вида и иммунной реакции организма. Здоровый комар, который кусает зараженного человека, тоже становится инфицированным переносчиком болезни. Когда же паразит переходит в активную стадию, он вызывает разрыв эритроцитов и очень тяжелую анемию, сопровождающуюся кровоизлиянием и повреждениями в мозгу, что приводит порой к смерти.

Победить малярию можно двумя способами: либо уничтожая паразита, уже попавшего в организм хозяина, либо предотвращая заражение, уничтожая носителей. Первый путь предполагает лечение больного – это кажется очевидным, однако не помогает решить проблему как из-за стоимости лечения, так и потому, что никак не прекращает контакты с распространителем болезни. Второй путь может быть осуществлен разными способами: уничтожением популяции комаров, препятствованием их размножению или предотвращением заражения людей специальными способами защиты.

Благодаря мелиорации болот, на которых размножаются комары, улучшению условий жизни, уже в первой половине ХХ века количество случаев малярии в западных странах заметно снизилось, но внедрение ДДТ и тут принесло выдающиеся результаты, и в течение нескольких лет малярия практически исчезла в Европе, Северной Америке и Советском Союзе, а в Северной Африке, Австралии, в Балканских странах, на Карибах и в Южной Америки существенно снизилась.

Но несмотря на столь впечатляющие результаты, некоторые исследователи начали подозревать, что ДДТ наносит серьезный ущерб окружающей среде, особенно если применяется не целенаправленно, а бесконтрольно, как в сельском хозяйстве. В 1945 году правительство США разрешило применение этого вещества не только для санитарных нужд, но и для борьбы с вредителями растений, и это привело к тому, что фермеры начали разбрасывать его тоннами повсюду, убивая не только вредителей, но и полезные для сохранения экосистемы организмы, например пчел и других насекомых-опылителей. Когда экологический ущерб стал очевиден, а ученые начали поднимать голоса против, появились робкие попытки регулировать использование пестицидов, но с ничтожными результатами. Пришлось подождать: только в 60-х годах, после книги Безмолвная весна, разразилась настоящая общественная дискуссия, и на волне сильнейшего возмущения защитников природы наконец было запрещено использование ДДТ в ряде основных индустриальных стран, начиная от Венгрии в 1968 году до США в 1973 году, Италии в 1978 году и заканчивая Великобританией в 1984-м.

В противоположность современным удобрениям, которые быстро разлагаются в почве или в воде, ДДТ, попав в естественную среду, впитывается почвой и осадочными породами, и его концентрация может оставаться высокой десятки лет, попадая таким образом в местную фауну. Вдобавок это гидрофобная молекула, плохо растворимая в воде, и она может отравить источники вод и добраться до моря, где ее поглощают морские организмы. Однажды проникнув в пищевую цепочку, она откладывается в жировых тканях вместе со своим метаболитом (ДДЕ) и оседает там надолго. В результате его в огромных количествах поглощают хищники, питающиеся более простыми организмами, «концентрирующими» его в своем мясе. Это явление называется биоаккумуляцией, и характерно для многих опаснейших загрязнителей (таких, как ртуть, как мы увидим дальше). Оно исключительно вредно, поскольку концентрации некоторых веществ могут достигать весьма серьезных значений в организмах животных, даже если количество токсина в окружающей среде уже снизилось. Чтобы вы могли представить себе степень устойчивости ДДТ в окружающей среде, знайте, что, несмотря на то что его запретили уже не один десяток лет назад, он до сих пор присутствует в почве и в воде и его следы находят в крови людей, к счастью, концентрации уже не опасны для здоровья.

Крупные хищные птицы, такие как соколы, пеликаны, орланы (орлан – символ США), сильно пострадали в 70-х годах ХХ века, воздействие высокой концентрации ДДТ и ДДЕ на них получилось отложенным – оно сказалось на выработке кальция для оболочки яиц. Их яйца оказались слишком хрупкими в результате и разбивались до вылупления птенца.

Устойчивость ДДТ в окружающей среде вначале рассматривали как одно из его преимуществ в борьбе с малярией, поскольку было достаточно всего одной-двух обработок в год, чтобы изгнать комаров из местности. Достаточно было распылить его возле домов (или непосредственно на внутренних их стенах), чтобы обеспечить защиту от укусов малярийных комаров, особенно активных вечером и по ночам. Когда же стало известно, что массовое использование ДДТ разрушает окружающую среду, его использование было запрещено в сельском хозяйстве, но не в противомалярийных целях, где выгоды заметно превышали ущерб, учитывая также, что это были вполне целенаправленные действия.

Эффективность ДДТ тем не менее оказалась не столь уж и высокой в тропических районах, в Азии и в Африке, где малярия и по сей день является эндемичным заболеванием. Тропический климат способствовал выработке сопротивляемости к ДДТ, комары стали менее чувствительными к нему, и наряду с проблемами материально-технического и политического характера это не позволило достичь тех же результатов, что в других странах. Уже в середине 70-х ВОЗ отказалась от усилий, направленных на искоренение болезни, и предпочла сконцентрироваться на контроле заболеваемости с одновременной разработкой новых лекарств, улучшением здравоохранения, мелиорацией и просвещением населения, обучением использованию противомоскитных сеток в жилищах и местах сна. Сегодня ДДТ запрещен во всех развитых странах, в том числе и для борьбы с болезнями, но при этом используется для защиты от комаров в самых бедных странах, где его применяют нелегально порой и в сельском хозяйстве.

Зеленая химия

История ДДТ показывает, как сложно сбалансировать положительные и отрицательные последствия модернизации и насколько трудно порой предусмотреть возможное наше воздействие на природу. ДДТ спас жизни около 5 миллионов человек, и благодаря ему европейским городам больше не грозят малярия и тиф. Но, как вы могли заметить, он нанес заметный ущерб окружающей среде, сказывающийся даже сорок лет спустя. В случаях, подобных этому, единственным выходом остается взвесить риски и преимущества и принять решение, основанное на научных данных и выводах, исключив как интересы бизнеса, так и эмоции. Между прочим, сама Карсон не требовала во что бы то ни стало запретить ДДТ, ибо она понимала его силу, но боролась именно с нецелевым и необоснованным его использованием.

Как чувствует себя химическая промышленность сегодня, перед лицом проблем снижения влияния на окружающую среду ее продуктов и процессов? С одной стороны, концентрируется на поиске новых веществ, которые могли бы заменить соединения прошлых поколений и обладающих более выгодным соотношением риск/польза, а с другой – стремится усовершенствовать существующие технологии, делая их менее энергоемкими и более чистыми.

В Европе одно из самых строгих законодательств по охране природы – результат невероятных усилий Европейского агентства по химикатам (European Chemicals Agency, ECHA). ECHA занимается всем, что относится к химической промышленности и ее продукции, начиная с домашних чистящих средств и кончая пестицидами, их влиянием на природу, и его задача – искать баланс между инновациями и бережным отношением к окружающей среде и здоровью людей[40]. Агентство разработало новый регламент Европейского союза о регистрации, оценке и разрешении химикатов, известный как REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals), он действует достаточно эффективно еще с июня 2007 года. Оно занимается не только защитой окружающей среды и здоровья людей от химических рисков, но и пропагандирует альтернативные методы экспериментальной проверки разных веществ не на животных. Самая интересная сторона деятельности REACH – это контроль предприятий по производству электроники, обрабатывающих предприятий, кожевенных производств, пищевой промышленности, то есть всех предприятий, где используются химические реагенты, не только непосредственно химических производств. Именно ECHA дает разрешение на использование того или иного вещества. Кроме того, согласно регламенту REACH, производственные предприятия обязаны доказывать, что продукция, которую они хотят поставлять на рынок, безопасна для человека и природы. Для этого существует сложная система контроля качества и управления возможными рисками. Если вещество вызывает сомнения, его продвижение на европейский рынок может быть запрещено или строго ограничено. Среди прочего ECHA составило список потенциально опасных соединений (List of Substances of Very High Concern), и все вещества из этого списка либо просто запрещены, либо должны использоваться под строжайшим контролем и по специальному разрешению.

Если назвать ключевые слова, на которых базируются положения REACH, то их будет всего два: информация и коммуникация. Агентство приветствует обмен токсикологической информацией и результатами анализов между производителями и коммерческими предприятиями, торгующими определенным веществом (например, производством косметики или чистящих средств и поставщиками химического сырья), и предприятиями и конечными потребителями.

There is a basic rule: no data, no market[41]

REACH стал одним из основных регламентов в Европе, поскольку уже более десяти лет он позволяет быть уверенным, что все химические вещества, с которыми мы сталкиваемся в повседневности, безопасны как для нас, так и для окружающей среды, в рамках сегодняшних наших знаний и при правильном их использовании. Я хотел бы особо подчеркнуть именно последний вывод: любое химическое вещество становится небезопасно для нашего здоровья или окружающей среды, если используется, обрабатывается или уничтожается ненадлежащим образом. Это означает, что не стоит не только пить отбеливатель или полоскать горло чистящим средством для раковины, но и выливать в раковину масло после жарки или выбрасывать батарейки в обычный мусор.

Безопасности конечного продукта сегодня уже недостаточно как для защиты нас самих, так и планеты в целом, необходима отдельная работа по улучшению всех производственных процессов. Например, несмотря на то, что использование электромобиля и возобновляемых источников энергии, как мы уже отмечали, может помочь снизить наносимый нами ущерб, аккумуляторы пока еще основаны на использовании лития, а шахты, где его добывают, оказывают весьма серьезное влияние на природу: сможем ли мы заменить литий в аккумуляторах? Аналогично, сможем ли мы удалить из промышленного обихода токсичные растворители, широко применяемые на производстве? Можно ли сократить отходы пищевой промышленности? А синтезировать аммиак менее энергозатратным путем, чем сегодня?

Чтобы ответить на эти вопросы и решить проблемы, связанные с влиянием химических процессов на окружающую среду, пришлось создать зеленую химию.

В отличие от химии окружающей среды, она изучает, как некоторые вещества влияют на природные условия, и ее целью является развитие новых технологий, которые бы снижали ущерб, наносимый химией природе и помогали избегать использования или создания опасных веществ, а также поиск новых материалов из возобновляемых и экологичных источников с помощью новых инструментов и усовершенствования старых методов.

Подход зеленой химии инновационен, поскольку делает упор на предупреждение: она не только стремится ограничить ущерб или снизить выбросы путем создания сложной системы устранения отходов, но и вообще избежать их образования.

Датой рождения зеленой химии принято считать 1998 год, когда Пол Анастас вместе со своим другом и коллегой Джоном Уорнером опубликовали книгу, в которой сформулировали основы новой дисциплины: «Зеленая химия: Теория и практика» (Green Chemistry: Theory and Practice)[42]. Пол Анастас, сегодня уже директор Центра зеленой химии и инженерии Йельского университета, предложил эту концепцию еще в начале девяностых, когда работал руководителем отделения промышленной химии Агентства по охране окружающей среды США (EPA). Термин «зеленая химия» быстро прижился. Уже в 1995 году Билл Клинтон основал Президентскую премию за воплощение в химические технологии принципов зеленой химии (Presidential Green Chemistry Challenge Awards), предназначенную для награждения как производителей, так и академических ученых за разработку и внедрение изобретений, позволивших сделать процессы более надежными и эффективными. Интерес возрос еще значительнее после публикации книги Анастаса и Уорнера, и в 1999 году Королевское химическое общество, одно из самых уважаемых издательств научных публикаций в области химии, учредило журнал «Зеленая химия» (Green Chemistry), целиком посвященный статьям, подходящим под это определение.

В своей знаменитой книге 1998 года Анастас и Уорнер сформулировали двенадцать принципов зеленой химии[43], которые вы прочтете ниже. Не беспокойтесь, если не покажутся понятными сразу: мы их потом проанализируем.

1. Лучше предотвратить потери, чем перерабатывать и чистить отходы.

2. Методы синтеза надо выбирать таким образом, чтобы все материалы, использованные в процессе, были максимально переведены в конечный продукт.

3. Методы синтеза по возможности следует выбирать так, чтобы используемые и синтезируемые вещества были как можно менее вредными для человека и окружающей среды.

4. Создавая новые химические продукты, надо стараться сохранить эффективность работы, достигнутую ранее, при этом токсичность должна уменьшаться.

5. Вспомогательные вещества при производстве, такие как растворители или разделяющие агенты, лучше не использовать совсем, а если это невозможно, их использование должно быть безвредным.

6. Обязательно следует учитывать энергетические затраты и их влияние на окружающую среду и стоимость продукта. Синтез по возможности надо проводить при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и при атмосферном давлении.

7. Исходные и расходуемые материалы должны быть возобновляемыми во всех случаях, когда это технически и экономически выгодно.

8. Где возможно, надо избегать получения промежуточных продуктов (блокирующих групп, присоединение и снятие защиты и т. д.).

9. Всегда следует отдавать предпочтение каталитическим процессам (по возможности наиболее селективным).

10. Химический продукт должен быть таким, чтобы после его использования он не оставался в окружающей среде, а разлагался на безопасные продукты.

11. Нужно развивать аналитические методики, чтобы можно было следить в реальном времени за образованием опасных продуктов.

12. Вещества и формы веществ, используемые в химических процессах, нужно выбирать таким образом, чтобы риск химической опасности, включая утечки, взрыв и пожар, были минимальными.

Вместо того чтобы анализировать эти принципы один за другим, попробуем выявить то, что их объединяет, поскольку они все так или иначе связаны между собой.

Предотвращение появления отходов вместо их утилизации является фундаментальным принципом зеленой химии, что вполне четко выражено в первом принципе и косвенно подтверждено во втором, пятом и восьмом. Концепция экономии на атомном уровне непосредственно связана с разработкой химических реакций, соединяющих все реагирующие атомы в одну конечную молекулу, и позволяет избежать образования побочных продуктов, бесполезных с коммерческой точки зрения и подлежащих утилизации. Под отходами я подразумеваю не только токсичные сточные воды: даже совсем почти безвредные вещества могут стать проблемой, поскольку очистка конечного продукта от них тоже требует энергии. И даже самое безобидное вещество при неправильном использовании может оказать катастрофическое влияние на окружающую среду.

Восьмой принцип знакомит нас с новой концепцией блокирующих групп. В некоторых случаях молекула может вступить в реакцию с другим реагентом сразу в нескольких точках, в то время как нам может быть необходимо модифицировать только определенную часть; блокирующие группы служат для защиты некой части молекулы, вступления в реакцию которой мы не желаем. Использование блокирующих групп похоже на укладку газет на пол во время окраски стен: это помогает избежать пятен на полу, но требует расхода газет и времени. То же самое происходит и в химическом синтезе, и чтобы сократить количество отходов, разрабатываются чрезвычайно специфические и чистые реакции, которые действуют только на определенные группы атомов, игнорируя другие, и количество отходов и побочных продуктов снижается.

Чтобы избежать образования отходов и для оптимизации эффективности в 2001 году была предложена концепция клик-химии. Приставка «клик» намекает на звукоподражание щелчку, например защелкиванию карабина или соединению деталей лего: клик-химия предлагает развивать химические процессы, в которых молекулы соединяются «одним щелчком», не производя при этом отходов и не требуя большого количества реагентов. Одним из самых знаменитых примеров стала циклическая переходная реакция Хьюсгена, представленная на рисунке ниже.

Посредством этой реакции соединяются две молекулы, изображенные темно-серым и светло-серым пятнами, и одна из них содержит группу, именуемую «азидом» и состоящую из трех атомов азота, соединенных между собой (-N_3), а другая – тройную углерод-углеродную связь. В соответствующих условиях эти две молекулы могут вступить в реакцию, чтобы образовать циклическое соединение, в котором два атома углерода алкина (алкины – общее название для органических веществ, содержащих тройную связь между атомами углерода) образуют два ребра пятиугольника, в то время как азотные группы – остальные ребра. Это особое циклическое расположение атомов, называющееся «1,2,3-триазол», представляет большой интерес для фармацевтики, поскольку позволяет «имитировать» поведение других групп, более токсичных и менее стабильных. По этой причине оно часто встречается в соединениях, используемых в фармацевтике, например в лекарстве Tazobactam (тазобактам), антибиотике, получаемом на основе пенициллина, или в лекарствах для лечения ВИЧ[44].

Стандартная версия этой реакции требует повышенных температур и органических растворителей, и в результате образуются не только нужное соединение, в котором две исходные молекулы образуют кольцо, располагаясь на противоположных его сторонах, но и ненужные отходы, в которых исходные группы «висят» на одной стороне циклической структуры. Из-за этого приходилось не только тратить большое количество исходных реагентов, часть из которых идет в отходы (с точки зрения экономии атомов!), но и проводить очистку конечного продукта, расходуя время и энергию.

Современная версия этой реакции происходит при температуре, близкой к температуре окружающей среды (80–90 °C), в качестве растворителя используется вода, а самое главное, в результате образуется только нужное вещество: эта революция стала возможной благодаря развитию технологии медных катализаторов, которые, вдобавок еще и в микроскопических количествах, позволяют реакции пойти более эффективным и экологичным путем. Это соотносится вполне с девятым принципом из списка, касающегося использования катализаторов. Несмотря на то что поиск подходящего катализатора на самом деле процесс весьма трудоемкий, как мы уже видели в истории с аммиаком, катализаторы обладают властью над химическими процессами, переоценить которую невозможно, – достаточно совсем небольшого их количества, чтобы реакция пошла в более мягких условиях и без образования нежелательных отходов.

Возможность использования воды в качестве растворителя – далеко не мелочь, поскольку органические растворители часто ядовиты, легко возгораются, канцерогенны и утилизируются с большим трудом. Учитывая, что они могут составлять 80 % всей массы расходных материалов в фармацевтическом производстве – притом что потом их приходится удалять во время фазы очистки и подготовки активного вещества, – легко представить себе, какой эффект для окружающей среды несет работа по снижению использования растворителей и замене токсичных растворителей на экологичные.

Развивая дальше эту тему, давайте внесем ясность в терминологию. Когда мы растворяем поваренную соль в воде, мы готовим раствор, состоящий из растворимого вещества (соль) и растворителя (вода). Раствор представляет собой однородную (гомогенную) смесь двух веществ, в которой одно присутствует в большем количестве – растворитель, а другое – в меньшем. Смесь воды и песка, в отличие от смеси воды и соли, раствором не является, это неоднородная смесь (гетерогенная), поскольку песок в воде не растворяется. Воздух, которым мы дышим, логично назвать раствором, в котором кислород (21 %) растворен в азоте (78 %), но обычно термин «раствор» применяется к смеси веществ, в которых растворителем служит жидкость, а твердая фаза – растворимое вещество, а растворы из двух жидкостей или двух газов называются «смесью». Отдельное название существует и для твердых «растворов», например двух металлов: в этих случаях в основном используется название сплав, а когда одним из металлов выступает ртуть – амальгама. Одним из примеров сплава является бронза, смесь меди и олова, а смесь меди с цинком издавна называется латунью. Растворы и сплавы не имеют химической формулы, поскольку они не образуют новых веществ, – в сочетании «формула латуни» нет никакого смысла, так же как и нет смысла в «формуле» соленой воды. Это просто смеси разных веществ, имеющих однородный вид.

В то время как одни вещества растворяются в воде, другим это не дано, и им приходится искать иные растворители. Например, красители для фломастеров или лак для ногтей не растворимы в воде, но они растворяются в этиловом спирте или ацетоне. А другим веществам для растворения необходимы производные углеводородов, такие как хлороформ, трихлорэтилен или тетрахлорэтилен, которые сегодня используются в обычной жизни довольно редко из-за их токсичности; однако в прошлом они применялись активно в качестве обезжиривания или сухой химчистки.

Некоторые из этих органических растворителей, присутствующих во всех химических лабораториях мира, чрезвычайно токсичны для человека и для окружающей среды и требуют особых мер безопасности – к примеру дихлорметан и хлороформ. Эти растворители, называемые галогенированными (галогенами именуют фтор, хлор, бром и йод), следует хранить в специальных контейнерах, отдельно от всех других органических растворителей, именно из-за их потенциальной опасности для окружающей среды.

Несмотря на многочисленные недостатки, они до сих пор необходимы для многих производств, хотя в некоторых случаях уже заменены на экологически безопасные альтернативы. В качестве примера можно привести извлечение кофеина из кофе, которое одно время осуществлялось с помощью трихлорэтилена, очень токсичной и канцерогенной субстанции[45]: сегодня этот процесс совершают посредством углекислого газа в сверхкритичном состоянии, совершенно безвредного. Сверхкритичное состояние вещества – это состояние, при котором исчезают различия между жидким и газовым состояниями, оно получается путем помещения его в особые условия температуры и давления: сверхкритичная жидкость обладает массой преимуществ, в том числе повышенной вязкостью и выдающейся способностью растворять. Углекислый газ достаточно нагреть до 30 °C и подвергнуть давлению в семь атмосфер, чтобы он стал сверхкритичной жидкостью, – вполне выполнимые условия, позволяющие без слишком больших энергетических затрат и мер безопасности сделать его идеальным растворителем не только в пищевой промышленности, но и в химчистках.

В 2019 году команда французских исследователей решила пойти дальше и заменить такие растворители, как диэтиловый эфир или толуол, эссенцией эвкалипта. Эфирное масло этого растения, помимо того, что служит надежным экологичным репеллентом против комаров, может использоваться для некоторых химических реакций в фармацевтике, что приведет к отказу от токсичных и с трудом утилизируемых веществ: возможно, его трудно будет использовать в широких промышленных масштабах, но может играть важную роль в более локальных процессах.

Замена органических растворителей позволяет снизить и степень другого риска, всегда присутствующего в химической индустрии, – риска пожара или взрыва. Многие органические растворители обладают высокой возгораемостью, и их использование опасно не только для окружающей среды и работников в случае разлива или вдыхания паров – они могут просто взорваться. Замена их «зелеными» растворителями типа воды или CO_2 сделает для всех доброе дело.

Еще один важный момент – помимо исследований по оптимизации самого процесса, необходим поиск возможностей модификации и исходных материалов, стремление использовать только возобновляемые их источники.

По этой причине многие химические вещества сегодня синтезируются не «в пробирке» путем взаимодействия реагентов, но все чаще с использованием действия микроорганизмов, которые могут питаться органическими отходами, превращая их в нечто полезное.

Можно привести массу примеров – ванилин, пенициллин, этиловый спирт, уксусная кислота или полигидроксиалканоаты, исходное вещество для производства биоразлагающегося пластика. С помощью сложных техник генной инженерии можно создать микроорганизмы, которые способны синтезировать достаточно значительное количество разнообразной продукции из сельскохозяйственных или домашних органических отходов, превращая таким образом бросовые материалы, которые при этом достаточно затратно утилизировать, в полезные для общества. Пример этому уже работает в медицине – зеленый синтез Симвастатина, одного из самых используемых в мире холестериновых препаратов; еще всего несколько лет назад его получали путем модификации ловастатина, в свою очередь результата процесса ферментации дрожжей Aspergillus terreus. Эта модификация шла в несколько этапов и требовала затрат большого количества растворителя и ресурсов. В 2012 году Йи Танг, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, получил президентскую медаль за вклад в зеленую химию (она была учреждена в 1995 году Биллом Клинтоном, и мы уже упоминали ее в начале главки), за разработку альтернативного метода, в котором вместо многочисленных промежуточных этапов просто применяется фермент, вырабатываемый генно-модифицированной культурой Escherichia coli[46].

На данный момент существует всего один фактор, недостающий для заметного снижения влияния на окружающую среду: необходимость постоянного поиска новых субстанций, которые были бы более безопасны для природы и человека и которые могли бы быть использованы все более и более эффективно. Самым простым примером может служить биоразлагаемый пластик: мы все знаем, что пластик очень важен в современном мире для многих процессов, но знаем и то, что он очень опасен для морской фауны. Помимо макроотходов, засоряющих наши пляжи и желудки морских птиц, млекопитающих, черепах и рыб, в последние годы появились и микроотходы – мельчайшие частицы пластика, попадающие в природу из косметики, зубной пасты, во время процессов производства и стирки синтетической одежды, и они постепенно достигли пугающей концентрации в морях и попали в пищевые цепочки. Помимо совершенствования техники сбора и сортировки отходов для повторной переработки и принятия новых законов для сокращения отходов из пластика, уже не один десяток лет исследователи пытаются создать биоразлагаемый пластик, который мог бы перевариваться природными организмами в естественной среде или разлагаться в воде и атмосфере на нетоксичные составляющие. Проблема существующих сегодня вариантов биоразлагаемого пластика в том, что его механические характеристики не позволяют ему заменить обычный пластик во всех сферах. Если вы посмотрите вокруг себя, то увидите, что не только окружены пластиковыми предметами, но и что их множество видов с самыми разными свойствами: из него сделаны синтетические ткани нашей одежды, все непромокаемые плащи и куртки, телевизор, бутылки, мобильный телефон и даже мебель. Заменить все эти полимеры биоразлагаемыми материалами – задача не из простых. Вы можете себе вообразить телевизор, который вдруг начнет биоразлагаться как раз в самый интересный момент любимого сериала? Или детали машины, решившие разложиться в тот момент, когда вы мчитесь по трассе на скорости? Пока сочетание достаточно длительного срока службы и нужных механических характеристик – только мечта: но это все равно только вопрос времени.

Безумный Шляпник

С пластиком нам пока не очень везет, но есть и еще одно вещество, которое мы не можем устранить и заменить более эффективными и безопасными веществами: это ртуть. Если в Великобритании отправиться на прогулку в трусах, надев один носок лиловый, а другой зеленый, и сообщая прохожим о приближении апокалипсиса, весьма вероятно, что можно услышать, как проходящие мимо люди бормочут «He’s mad as a hatter!», «Он безумен, как шляпник!». Но почему же шляпник должен быть более сумасшедшим, чем трубочист или почтальон? Самое время вспомнить Безумного Шляпника из знаменитой книги Льюиса Кэрролла «Алиса в стране чудес»…

А на самом деле у шляпников были веские причины носить прозвище «безумных».

Ртуть (химический символ Hg), которую вплоть до 90-х годов ХХ века использовали в термометрах и тонометрах, – единственный металл в периодической таблице, сохраняющий жидкое состояние при комнатной температуре. Но при чем тут шляпники?

Начиная с середины XVII века и практически до конца XIX века одним из этапов обработки шкур для изготовления шляп было погружение их в раствор нитрата ртути Hg(NO_3)2. Эта процедура была очень важна, потому что помогала избавить от волосяного покрова кожу, которую потом били и мяли для получения шляпного материала, так и потому, что она делала кожу более мягкой и гладкой; потом ее кипятили в воде и сушили. В ходе всех этих процедур небольшое количество ионов ртути, содержащихся в нитрате ртути (Hg2+), могло превратиться в металлическую ртуть (Hg). Ртуть обладает весьма своеобразными химическими свойствами: это очень тяжелый металл, а его электроны движутся по орбитам столь стремительно, что описание его поведения может смутить самого Альберта Эйнштейна вместе с теорией относительности. Из-за релятивистских эффектов атомы металлической ртути не стремятся соединяться друг с другом, как это обычно происходит с другими металлами, и взаимодействуют очень слабо.

Результатом этих странностей и является жидкое состояние ртути при комнатной температуре, и не только – она еще постоянно испаряется. Так бедные шляпники и заглатывали большие дозы ртути, которая весьма негативно воздействует на нашу нервную систему, приводя к таким неврологическим проблемам, как тремор, потеря чувствительности, паралич и утрата когнитивных способностей.

Процесс изготовления шляп родился во Франции, но быстро распространился по всей Европе и даже в Соединенных Штатах.

Несмотря на то что довольно быстро стало понятно, что использование ртути приводит к серьезным побочным поражениям, запрета на эту технологию пришлось ждать до 1898 года. Вначале она была запрещена во Франции, потом в Англии. Несмотря на существование альтернативных, достаточно недорогих технологий, стоимость жизни рабочих для работодателей была столь низка, что использование ртути в Италии и в США продолжалось вплоть до середины ХХ века.

Как мы уже неоднократно повторяли, токсичность того или иного вещества зависит от множества факторов, но прежде всего от его химической природа. Ранее мы рассматривали пример хлора, который в газообразном состоянии представляет собой страшное химическое оружие, но в состоянии иона совершенно безвреден.

То же самое можно сказать и о ртути, причем, и это может показаться невероятным, токсичность жидкой металлической ртути совсем незначительно. Раньше ее даже глотали как слабительное, чтобы «расслабить» кишечник, поскольку она очень плотная и тяжелая. К тому же она плохо всасывается в нашем организме и так или иначе выходит наружу. Попытки покончить жизнь самоубийством с помощью инъекции ртути в вену заканчивались смертью, но не от отравления, а от закупорки сосудов и легких.

Как правило, ртуть находится в трех основных своих формах:

• простое вещество ртуть (Hg), то есть чистая металлическая ртуть, не связанная с другими элементами;

• неорганическая ртуть, в виде ионов ртути разной степени окисления (Hg_2 2+) и (Hg2+);

• органическая ртуть, металл связывается с молекулами, содержащими углеродные цепочки.

Как я уже говорил, простое вещество ртуть не токсично в жидком виде, но чрезвычайно опасно в газообразном состоянии – после вдыхания она сразу проникает в центральную нервную систему.

Неорганическая ртуть тоже обладает достаточно низкой токсичностью и использовалась в медицине с древних времен. В XV веке ее использовали для лечения сифилиса, в виде каломеля или киновари (сульфид ртути) в мазях, кремах и пилюлях, и эти средства применялись вплоть до середины ХХ века. Хлорид ртути, или каломель (Hg_2Cl_2), применял еще Парацельс как диуретик, долгие века он служил рвотным средством, лекарством от желтой лихорадки. Токсичность производных ионов ртути затрагивает в основном почки, во вторую очередь желудочно-кишечную систему, но вряд ли влияет на нервную систему. Наш мозг защищен гематоэнцефалическим барьером, чем-то вроде «таможни», тщательно контролирующей, какие молекулы могут проникать в мозг, и пропускающей внутрь в основном лишь частично липофильные молекулы, такие как этиловый спирт или некоторые производные органической ртути, и лишь очень редко заряженные ионы, такие как катионы ртути.

Органические производные ртути (некоторые), такие как метилртуть, тоже могут стать причиной серьезных отравлений и значительного ущерба для окружающей среды. Это вещество, к примеру, будучи липофильным, накапливается внутри рыб и моллюсков, примерно так же, как это происходило с ДДТ. Но, в то время как ДДТ практически не вреден для людей, потребление в пищу рыбы, зараженной значительным количеством метилртути, равно смертному приговору. Потребление метилртути приводит к неврологической патологии – синдрому Минамата[47], названному так по имени японского поселка, обитатели которого пострадали от высокого содержания метилртути в пище. Яд попадал в рыбу из местного предприятия, Chisso Corporation, сливавшего отходы в залив, на берегу которого располагался поселок. В первой половине пятидесятых компания Chisso на заводе в Минамата выпускала разные вещества, в том числе ацетальдегид. Процесс синтеза этого соединения задействует большие количества сульфата ртути, который сам по себе не очень ядовит, но в процессе производства образует небольшие количества метилртути, постепенно накапливавшиеся в сточных водах, сливавшихся в залив, – это было обнаружено в ходе расследования причин массового заболевания жителей Минамата. А из вод бухты метилртуть попадала в ткани рыб и моллюсков, обитавших у побережья, и ими питались пострадавшие. Самое удивительное, что предприятие Chisso сливало жидкие отходы с тяжелыми металлами с самого момента образования в 1908 году, что уже вызвало массовую гибель рыбы и уже вынуждено было заплатить по суду рыбакам за упущенную выгоду. Использование ртути на производстве началось в 1932 году и прекратилось только в 1968-м, только двенадцать лет спустя обнаружения в Минамате заболевания и разгадки его причин. Несмотря на то, что уже в 1958 году было ясно, что причиной эпидемии стала ртуть, и власти, и местные жители подвергали жертв и их требования остракизму из-за страха экономического ущерба и увольнений, которые могли последовать в результате удовлетворения требований и закрытия завода. Японское правительство приняло решение только в 1968 году, несколько месяцев спустя решения компании заменить ртуть другим реагентом. В 2001 году уже насчитывалось 2265 жертв, из них 1784 человека скончались.

Гораздо менее известен случай Карен Веттерхан, профессора химии из Дартмуртского колледжа и эксперта по токсичным веществам в окружающей среде. Она погибла в 1997 году в результате отравления ртутью после контакта с несколькими каплями диметилртути (CH_3)2Hg[48]. Пока она готовила некие образцы для рутинного анализа, две капли упомянутого вещества попали на ее лабораторные перчатки. Несмотря на то что она работала под вытяжкой, соблюдая все требования техники безопасности, сотрудница не озаботилась немедленным обеззараживанием и упустила несколько минут, заканчивая начатую работу. Потом анализы показали, что всего за несколько прошедших секунд яд не только прошел сквозь перчатки, но и прошел сквозь кожу. Она умерла около года спустя в страшнейших мучениях. Диметилртуть добавил ее к своим жертвам, двум лаборантам, которые в 1965 году впервые работали над ее синтезом, и чешскому химику, погибшему в 1972 году.

Сегодня, учитывая страшную историю смертей и несчастных случаев, ртуть изъята из обращения во всех процессах, даже считавшихся относительно безопасными.

Еще несколько лет назад металлическая ртуть использовалась в термометрах, включая и те, что предназначались для домашнего пользования, а также аппаратах для измерения давления, барометрах и разных лабораторных приборах. В химических лабораториях еще десять лет назад можно было встретить в вытяжных шкафах ртутные всасывающие клапаны, использовавшиеся для проведения замены воздуха азотом при проведении некоторых реакций, и нередко рассеянные студенты провоцировали распыление ртути неумелой настройкой аппаратуры. А про пломбы для зубов, в которых ртуть использовалась как растворитель для металлов, лучше и не вспоминать. Золото, например, растворяется в ртути, как кусочек сахара в чае. Сегодня ртутные пломбы, в которых металла, смешанного в разных пропорциях с золотом, медью, оловом, цинком, почти 50 %, практически выходят из употребления, хотя еще и распространены в некоторых странах. Несмотря на то, что металлическая ртуть, как уже было сказано, не особенно токсична, ее пары, распространяясь в атмосфере, очень ядовиты. Именно поэтому соединения ртути сегодня изъяты из оборота.

То же самое касается и множества промышленных операций, в которых ртуть использовалась ранее в самых разных видах, – сегодня производство обходится без нее.

Яркий пример можно найти в Италии – завод компании Solvay в селении Розиньяно-Мариттимо, расположенном на берегу моря в провинции Ливорно; название принадлежит известной бельгийской компании. Рядом с Розиньяно расположен знаменитый Белый пляж, береговая зона, удивительный цвет которой возник благодаря многолетним промышленным выбросам, – на берегу моря оседали тонны карбоната кальция, сделав пляж похожим на пляж какого-нибудь тропического атолла. Благодаря сегодняшнему своему облику Белый пляж стал одной из самых посещаемый морских достопримечательностей Тосканы и любимым местом рекламщиков. Очень жаль, поскольку, несмотря на то, что карбонат кальция совершенно безвреден, вместе с ним в море попали и разные другие вещества, использовавшиеся в производстве (они, к счастью, присутствуют в виде неорганических соединений ртути, без крайне опасных органических соединений). В 2010 году компания Solvay, впрочем, полностью отказалась от использования ртути и улучшила эффективность очистки стоков. Несмотря на то, что в них все еще содержание тяжелых металлов выше среднего, сегодня они не представляют опасности, и на пляже разрешено купаться. Ему даже неоднократно вручали Голубой флаг[49], последний раз в 2019 году.

Говоря о ртути, нельзя обойти вниманием ее присутствие в вакцинах – это часто используют в качестве аргумента скептики, выступающие против вакцинации. Публичная полемика вокруг вакцин началась после публикации статьи английского врача Эндрю Уэйкфилда, который в 1998 году приписал трехвалентной вакцине против кори, эпидемического паротита и краснухи (MMR) побочный эффект в форме аутизма у детей. Это исследование, опубликованное одним из самых уважаемых научных журналов мира, породило панику в научном сообществе. Почти сразу стало ясно, что данные, представленные в статье, не были должным образом проверены, а расследование показало, что Уэйкфилд сфальсифицировал данные, чтобы дискредитировать вакцину по чисто материальным мотивам из-за конфликта интересов[50].

Одной из причин паники стало присутствие в вакцине Тиомерсала производного ртути, используемого в качестве консерванта для некоторых вакцин. Что же это за вещество и что оно делает в вакцинах? Тиомерсал (коммерческое название этилртутьтиосалицилата натрия) начали использовать в 1930-х годах для защиты от бактерий и грибков, которые приводили к ужасным воспалениям. Его применяли шестьдесят лет без каких-либо побочных явлений благодаря замечательным свойствам и безопасности. Когда в середине девяностых в США начались первые кампании по просвещению и разъяснению токсичности соединений ртути, Тиомерсал тоже стал жертвой общественного мнения. Несмотря на отсутствие научных доказательств, которые подтвердили бы его токсичность, было решено изъять его из обращения, чтобы защитить детей младше семи лет от воздействия ртути в любой форме.

Одновременно с этим запретом многочисленные родители аутичных детей начали требовать компенсаций, приписывая Тиомерсалу заболевания детей.

Распространение этой теории, не имевшей под собой никаких научных доказательств, породило широкое недоверие к вакцинам, которое сохраняется и по сей день[51]. Интересно отметить, что количество случаев аутизма продолжает расти независимо от полного удаления ртути из детских вакцин: ртуть была полностью запрещена в Италии к использованию в вакцинах для детей.

Химия – источник загрязнения?

Значительная часть книг, популяризирующих химию, обладают одним недостатком: они стремятся продемонстрировать только достоинства химии и ее пользу для общества. Это совсем нетрудно: химические исследования лежат в основе многих современных инновационных изобретений и технологий, идет ли речь об экологии, транспорте, окружающей среде, телекоммуникациях, информатике, автомобилях, упаковке, еде, косметике, лекарствах, даже растительном сырье. Химия повсюду, она присутствует и в продуктах, объявленных натуральными, вегетарианскими, зелеными, биологическими или еще какими-то. Но я в этой главе хотел изложить менее распространенное и хвалебное мнение, показав, какие проблемы ставит перед нами использование химии и как их можно решить. Я хотел показать, что то, что мы сегодня полагаем безопасным, завтра может обернуться вредным. Часто именно ученые первые осознают опасность, но их голос часто игнорируется ради политической и экономической целесообразности. И здесь именно гражданское общество играет главную роль, это работа журналистов и общественников, они должны помогать исследователям обрести понимание у широкой публики. Задача всех граждан – поднимать голос, чтобы заставлять тех, кто принимает решения, основывать их на фактах и учитывать нужды людей, живущих на планете. К сожалению, сегодня мы живем в крайне поляризованном обществе, разделенном на последователей разных теорий, отказывающихся слушать аргументы противоположной стороны. Результатом подобного отношения стало распространение химиофобии как части общего недоверия к науке, часто связанного с тотальным оппортунизмом.

Истина в том, что химия дает нам инструменты, но мы сами должны решить, как их использовать и использовать ли вообще.

Как мы узнали из рассказа о зеленой химии, как значительная часть ученого мира, так и весомая часть мира промышленного считает сохранение окружающей среды одним из важнейших приоритетов, каждый день в мире публикуются сотни новых исследований, в которых предлагаются техника и технологии все более и более чистые и эффективные, в которых в деталях обсуждается возможное влияние разных веществ на окружающую среду, способы контроля загрязнений и способы защиты нашей планеты. Нам же остается только следить, чтобы исследования и рекомендации не оставались только на бумаге, а становились реальными возможностями улучшения и движения вперед, общественным приоритетом.

Лекция 6

В аптеке

Химия в пилюле

Этот рассказ будет сложным – мы затронем важные и особенно противоречивые моменты. Однако я верю, что эта глава получится интересной и волнующей, поскольку наше здоровье – самая важная вещь на свете, и понимание механизмов действия лекарств и современной медицины имеет весьма важное значение для понимания мира, который нас окружае, и должной заботы о нас самих и о наших близких. Иметь адекватное представление о том, что происходит на самом деле за дверью фармацевтической лаборатории, необходимо также и для того, чтобы быть сознательным и активным гражданином, как потому, что речь идет о мире, раздираемом сильнейшими противоречиями между большими и малыми частными предприятиями и правом на сохранение здоровья каждого человека, так и потому, что санитарная политика – как, к примеру, обязательства по вакцинации – представляект собой важный пункт политической повестки всякого правительства.

Эту главу мы начнем с разъяснений деталей процесса создания нового препарата: от предварительных исследований до клинических тестов. Я расскажу вам историю аспирина, а потом мы перейдем к изучению некоторых специфических вопросов, проанализируем самые последние достижения науки, чтобы вы смогли получить по возможности самое полное представление об этой области знаний.

Правильная идея

«Даже путь в тысячу ли начинается с первого шага». Эта знаменитая фраза великого китайского философа Лао-цзы в его труде «Дао дэ цзин» прекрасно подходит для описания долгого пути, который должна проделать молекула, прежде чем попасть на рынок в составе лекарства. Этот путь порой занимает десятилетия. Но каков же тот самый первый шаг? Откуда начинается путь?

Долгое время единственной альтернативой опоре на судьбу была опора на традицию. Фармацевтическое действие некоторых веществ было обнаружено по чистой случайности – примером тому может служить пенициллин, и целью химика было выделение экстрактов из растений, известных своим медицинским воздействием, определить их состав и структуру, проверить, действительно ли они способствуют излечению, а затем изменить их в нужную сторону, то есть сделать более эффективными и снизить побочные эффекты.

Аспирин (ацетилсалициловая кислота) представляет собой отличный пример препарата, разработанного с помощью целенаправленных изменений состава вытяжек природного происхождения, то есть салициловой кислоты, чью формулу можно видеть ниже слева.

Если мы посмотрим на его структуру, то обнаружим, что молекула салициловой кислоты состоит из трех «кусков». Шестиугольник с тремя двойными связями – это бензольное кольцо, часть молекулы, с которой мы уже встречались в главе о топливе и которая известна своей мощной канцерогенностью. Но, дочитав до этого места, вы уже должны знать, что любую молекулу достаточно изменить совсем чуть-чуть, чтобы получить совершенно неожиданный результат. И на самом деле, хотя чистый бензол – это вещество, от которого надо держаться подальше, многие его производные совершенно безобидны. Вещества, содержащие в своей структуре бензольное кольцо, называются ароматическими соединениями и в природе встречаются в изобилии: триптофан – ароматическая аминокислота, важнейшая составляющая наших белков; ванилин – ароматическое соединение, благодаря которому мы вдыхаем ванильный аромат; бензальдегид очень сладостно пахнет миндалем, именно благодаря ему орехи так приятно пахнут – и этот перечень можно продолжать еще долго. Впредь, услышав, как химик говорит об «ароматических веществах», знайте, что он говорит о производных бензола.

Помимо бензольных колец существуют еще две очень важные группы, входящие в структуру молекул, – соединения атомов, ответственных за особые химические свойства. Справа от кольца кружочком выделена группа – OH, которую химики называют гидроксильной. Гидроксил служит типичной составляющей спиртов и присутствует в них неизменно: например, во всем известном этиловом спирте (CH_3CH_2OH). А сверху изображена карбоксильная группа – COOH (обратите внимание, что каждое ребро – это атом углерода), типичная группа для класса соединений, называемых карбоксилами. Знаменитый пример – уксусная кислота (CH_3COOH), которую все мы знаем как уксус, или как лимонную кислоту, содержащуюся в лимонном соке и в чистящих средствах для удаления известкового налета.

Запоминать всю эту информацию необязательно, поэтому не бойтесь почувствовать себя перегруженным информацией. Это просто способ понять, как химик «читает молекулу»: он видит типичные соединения атомов (функциональные группы) и, зная их свойства, может оценить, какой реактивностью обладает молекула в тех или иных условиях. Если вы заглянете в справочник и посмотрите на список разных органических веществ, сравнивая их друг с другом, вы обнаружите, что все они образованы из пары десятков «соединений атомов», сцепленных друг с другом, как детали конструктора лего, и связанных более или менее длинными цепочками углерода. Мы можем сравнить органическую химию с поэтом, который, владея ограниченным набором букв и слов, может бесконечно создавать из них стихи. Химик-органик имеет в своем распоряжении совсем небольшой набор букв (в основном углерод, водород, кислород и азот, реже серу и еще реже другие элементы периодической таблицы) и с десяток разных способов соединения их между собой, но из этого скромного набора можно создать настоящие произведения молекулярного искусства. Однако вернемся к нашей салициловой кислоте, узнаем конец истории – попробуем понять, как пришлось ее изменить, чтобы получить из нее кислоту ацетилсалициловую, то есть аспирин.

Еще во времена шумеров было известно, что ивовая кора обладает сильными лечебными свойствами, и вытяжки и экстракты из нее использовались для снижения жара, боли, воспаления. Это ее свойство расценивалось как очень важное и было даже описано древними сочинителями на глиняных табличках возрастом около 4000 лет. Совершив прыжок в прошлое, мы обнаружим, что ивовая кора применялась и в китайской медицине, и в античной Греции. Знаменитый Гиппократ 2400 лет назад предписывал женщинам, готовящимся родить, жевание коры ивы или питье ее настоя, чтобы снизить боль.

Сегодня мы воспринимаем обезболивание, анестезию, успокаивающие как должное, но так было далеко не всегда: в прошлом единственным способом снизить боль были прием алкоголя или блокировка кровообращения – методы весьма ограниченного воздействия.

Научный интерес к фармацевтическим свойствам ивовой коры возник в первые годы ХIХ века – это был период активного развития органической химии. В 1825 году итальянский химик из Вероны Франческо Фонтана смог выделить небольшое количество действующего вещества, назвав его салицином (от латинского названия ивы salix). Чистая салициловая кислота была впервые выделена калабрийским химиком Рафаэлем Пириа, в пору его работы ассистентом в парижской лаборатории Жана Батиста Андре Дюма.

Благодаря этим фундаментальным исследованиям, салициловая кислота быстро стала общепринятым средством лечения разных видов боли, однако оно вызывало довольно серьезные побочные эффекты. Средство не только обладало крайне неприятным горьким вкусом, но и воздействовало очень агрессивно на желудок, что в некоторых случаях делало его применение просто опасным.

В знаменитой компании Bayer – в те времена еще довольно скромной – работал химик Феликс Хоффманн, и ему первому в мире пришла в голову идея модифицировать салициловую кислоту так, чтобы сделать ее более приятной и менее опасной. Хоффманн, ученик самого Адольфа фон Байера – с ним мы уже встречались, обсуждая индиго, – решил изменить группу – OH, обведенную на предыдущем рисунке кружочком. Он полагал, что именно она отвечает за побочное действие салициловой кислоты. Пытаясь изменить ее свойства, он прибег к классической реакции органической химии, ацетилированию, в ходе которой группа – OH превращается в производную уксусной кислоты. Так и появилась ацетилсалициловая кислота, навсегда изменившая мировую медицину.

История аспирина, как и история пенициллина, хинина и множества других веществ, бросает свет на то, насколько важно для ученого вдохновляться природными процессами в поисках инновационных технологий. Но вдохновения недостаточно: в природе существуют миллионы и миллионы веществ, и совершенно нереально было бы проверить их все одно за другим, чтобы оценить их свойства. Хотя изучение естественных соединений по-прежнему составляет важную область фармакологических исследований, сегодня используются куда как более логичные и рациональные подходы к оценке потенциальных терапевтических свойств тех или иных соединений. Исследования начинаются с изучения физиологии и молекулярных механизмов патологии, чтобы выявить главную цель лечения на молекулярном уровне. Благодаря сложным компьютерным программам сегодня можно уже реконструировать трехмерную структуру целевой молекулы, рассчитать ее гипотетическую реакцию с окружающей средой и спроектировать лекарство, которое сможет взаимодействовать с молекулярной мишенью в желаемом нами направлении.

Химия на компьютере

Какой образ химика навязывают нам стереотипы? Этакий хлюпик не от мира сего, в халате и огромных очках, толчется среди булькающих колб с ядом и вонючими жидкостями. Если я буду отрицать это, то это будет не совсем правда: те, кто занимаются синтезом, на самом деле проводят дни, погружаясь в ядовитые растворители среди перегонных кубов и сосудов с зловонными реагентами с непроизносимыми названиями. Но и среди нас есть паршивые овцы, теоретики и компьютерщики – особая категория химиков, нашедшая свою среду обитания между доской в аудитории и суперкомпьютером. Эти странные существа чувствуют себя на месте, вводя данные в компьютер, вместо того чтобы рассуждать над колбой с какой-то гадостью или аппаратом, отказывающимся работать.

Но оставим иронию: компьютерное моделирование служит основным инструментом не только для фундаментальных исследований, что позволяет предвидеть свойства веществ до их синтеза, понять механизмы реакций, которые сложно проверить экспериментальным путем или симулировать реакции в экзотических условиях – например, в космосе, – но и в фармацевтических изысканиях: симуляции позволяют, не входя в лабораторию, предсказать вещества, обладающие нужными свойствами, необходимыми для взаимодействия с биологической целью.

Это очень важная и деликатная работа, позволяющая исследованиям двигаться вперед и быстрее, и более целенаправленно. Понять всю сложность химика, специалиста по компьютерному моделированию, непросто, поскольку работа в мире молекул предполагает взаимодействия на уровне квантовой механики и использование крайне сложного математического аппарата. Но я все равно приглашаю вас за собой, поскольку это того стоит. Погружаясь в бесконечно малый мир, мы вынуждены оставить классическую механику – то есть область физики, изучающую макроскопические объекты (очень медленные по сравнению со скоростью света) снаружи, – и взять на вооружение механику квантовую, занимающуюся как раз физикой микроскопических частиц, которая, в силу невероятных их странностей, гораздо сложнее и труднее.

Основы квантовой механики стали известны еще в первой половине ХХ века, и мы можем сказать, что законы, управляющие большей частью физического мира и практически всем химическим, были сформулированы уже около семидесяти лет назад. Еще знаменитый Поль Дирак, один из отцов современной физики, в 1929 году писал: «Основные физические законы, необходимые для математической теории значительной части физики и всей химии, полностью известны, и трудность заключаются лишь в том, что правильное описание этих законов выражается уравнениями, слишком сложными, чтобы быть решаемыми. Поэтому желательно разработать приближенные методы применения квантовой механики на практике, которые бы позволили объяснить основные особенности сложного мира атомов без слишком трудоемких вычислений».

Цель современных исследований в области теоретической химии сегодня – не столько обнаружение новых законов, сколько поиск новых способов применения уже известных законов ко все более сложным системам. Несмотря на огромную вычислительную мощность современных суперкомпьютеров, совершенно невозможно учесть все параметры и решить все уравнения, необходимые для моделирования молекулярной системы, в которой действуют законы квантовой механики. Даже самые простые, на первый взгляд, системы, образованные всего лишь горсткой частиц, на самом деле – не поддающийся решению математический кошмар. Именно в этой ситуации в игру вступают компьютеры, и компьютерные симуляции позволяют обойти эти сложности путем использования техник, позволяющих получить приблизительные решения ранее не разрешимых задач. Чтобы вы смогли лучше себе представить, о чем я рассказываю, я загадаю вам математическую загадку.

Представим себе, что мы решаем уравнение x·(3+x) = 27, и нам надо найти число, которое, умноженное на сумму самого себя и трех, давало в результате 27.

Читатели, которые разбираются в математике, не увидят особых трудностей: это банальное уравнение второго порядка, и существует специальная техника решения подобных уравнений. Точный ответ – 3,9083269 и десятичные доли до бесконечности…

Однако если вы не сильны в математике, придется вам использовать более хитрый механизм: действовать наугад. Можно заменять х случайными числами: попробуем провести расчеты и постепенно приблизиться к решению. Например, можем начать с единицы и подставлять числа по мере увеличения:

Почти сразу мы поймем, что правильный ответ находится где-то между тремя и четырьмя. Попробуем подставить несколько чисел между тремя и четырьмя:

Ну вот, теперь мы знаем, что решение находится где-то между 4 и 3,9. Продолжим:

Теперь мы знаем, что решение находится в диапазоне между 3,90 и 3,91. Мы можем продолжать эти действия до бесконечности, пока точность решения нас не удовлетворит. Возможно, что в некоторых ситуациях нам вполне достаточно точности до одной десятой и ответ 3,9 вполне приемлем; в то время как для других ситуаций понадобится точность три-четыре, а может, и десять цифр после запятой. Основной вывод состоит в том, что, даже не зная, как решаются квадратные уравнения, совершив только четыре операции, мы смогли найти удовлетворительное решение. И не только: мы использовали механическую процедуру подбора, которая не потребовала ни фантазии, ни творческих подходов и замечательно годится для превращения в рабочий алгоритм для компьютера. Достаточно задать значения х, последовательно выполнить операции и повторять снова и снова, пока не будет получена требуемая точность. Очевидно, что эта техника не представляет большого практического интереса, но дает вам представление о рассуждениях, которые мы используем для систем, описываемых уравнениями, слишком сложными для математического решения.

Исследования новых лекарств и их взаимодействия с белками человеческого тела, изучение трехмерной структуры белков или других сложных молекул, а также работа по передовым направлениям, таким как искусственный фотосинтез или альтернативные источники энергии – это все примеры задач, требующих применения сложного компьютерного моделирования.

Такие процессы, как перенос электронов между молекулами белков при синтезе хлорофилла или открытие или закрытие клеточных каналов, на самом деле слишком сложны и быстры, чтобы можно было их изучить непосредственно в лаборатории с пробирками и перегонным кубом. Единственным доступным способом остается моделирование на компьютере различных гипотез и проверка, какой из предложенных механизмов является самым выгодным с энергетической точки зрения.

Запомните: природа очень скаредна на энергию. Самым вероятным процессом будет тот, который требует наименьших расходов энергии.

Проблема состоит в том, что невозможно решить уравнения, описывающие поведение одного-единственного атома углерода, – представьте, каково это пытаться работать с молекулой протеина, в которой их тысяча.

Самой подходящей стратегией для этого случая служит максимальное упрощение: есть ли в системе параметры, которые можно проигнорировать? Что-то не очень важное, что можно опустить и что осложняет мне жизнь?

Представьте, что вы хотите поразить пулей мишень, находящуюся в двух метрах перед вами. Нужно ли вычислять влияние гравитации и сопротивления воздуха на пулю? Очевидно, нет, потому что пуля будет находиться в воздухе долю секунды, и единственным ключевым фактором будет мишень.

Но спросите о том же самом снайпера, который должен поразить далекую цель, – он вам ответит: чтобы прицелиться как следует, он должен внести коррективы, учитывающие ветер и гравитацию.

Поэтому хороший химик должен быть готов решить на компьютере две задачи:

a) максимально упростить рассматриваемую систему и доказать, что упрощения не влияют слишком сильно на конечный результат;

б) создать алгоритмы, которые позволят компьютеру решить чрезвычайно сложные математические задачи в разумные сроки и не вовлекая все компьютеры НАСА в работу.

Эта задача настолько важна, что принесла Нобелевскую премию по химии 2013 года Мартину Карплусу, Майклу Левитту и Арье Уоршелу.

Эти трое ученых нашли способ сделать возможными как раз те самые симуляции на компьютере с помощью современных технологий: сочетая простоту метода, основанного на классической механике (метод молекулярной механики ММ, основанный на «простых» связях ньютоновской физики) с глубиной исследований, базирующихся на квантовой механике (QM).

В то время как первые работают с целыми атомами или группами атомов, квантовая механика «видит» также ядра и электроны. Поэтому очевидно, что метод ММ, несомненно, удобнее с точки зрения вычислительной мощности по сравнению с методом QM, поскольку не только сами уравнения проще, но и количество переменных существенно меньше.

Методы молекулярной механики ММ основаны на концепции потенциала. Как гравитационный потенциал описывает взаимодействие двух объектов, на которые действует сила гравитации, или электрический потенциал описывает взаимодействие двух или более зарядов, так же и молекулярный потенциал показывает, как атомы в молекуле притягиваются или отталкиваются. Представьте себе молекулу, состоящую из множества резиновых шариков (атомов), соединенных между собой пружинами (химическими связями): подобная модель, называемая гармонической, поможет проникнуть в природу проблемы. Для этого нужно найти способ понять, какая геометрия позволяет пружинам сохранять наименее напряженное (или сжатое) состояние, с учетом того, что каждый шарик занимает определенный объем и в одной и той же области пространства не могут находиться сразу несколько шариков.

Норман Аллинджер стал первым автором вычислительных программ, которые работали с классической динамикой (пружины) над минимизацией энергии молекулы. Его методы открыли пути изучения геометрии простейших органических молекул, позволили рассчитать наиболее стабильную конфигурацию с точки зрения величины углов и расстояний. Или, проще, позволили перейти от простой химической формулы к настоящей трехмерной геометрии молекулы.

В своей работе Аллинджер решал в основном две главные задачи:

a) формулировка уравнений, которые смогли бы математически выразить как взаимодействие атомов внутри молекулы, так и их взаимодействие с атомами молекулы соседней;

б) создание программного обеспечения, которое могло бы решать эти уравнения для всех исследуемых атомов и молекул.

Эти же задачи решали и Варшел и Левитт, которым удалось разработать еще один метод (метод CFF, Cosistent Force Field – метод согласованного силового поля), который позволяет минимизировать энергию крупных белковых молекул и тем самым предсказать теоретически их структуру.

Большим недостатком этого метода стало то, что, несмотря на потрясающие простоту и скорость расчетов, его можно было применять только к молекулам в состоянии покоя – он не годился для химических реакций, процесса взаимодействия с другими молекулами.

Это ограничение сильно тормозило исследования, ведь целью многих ученых было понимание механизма химической реакции.

Как же решить эту проблему? Наиболее подходящей стратегией, казалось бы, было не использовать единый подход к молекуле в целом и применить методы, основанные на классической динамике, только к отдельным ее частям, например, к той, что не вовлечена непосредственно в реакцию; а уравнения и алгоритмы квантовой механики оставить для реагирующих групп: идея, может быть, и очевидная, но не очень простая для воплощения на практике.

Прорыв произошел в 1970 году в Гарварде, когда к Мартину Карплусу, занимавшемуся моделированием процессов квантовой механики, присоединился Арье Уоршел. Вместе они попробовали соединить свои подходы, чтобы исследовать серию относительно простых молекул, участвующих в реализации функции зрения.

Эта первая работа легла в основу плодотворного сотрудничества, которое в последующие годы привело к революции в области вычислительной химии.

Одно из первых их исследований было посвящено структуре протеина под названием ингибитор трипсина поджелудочной железы быка (BPTI). Для изучения этого фермента они создали метод, упрощавший структуру аминокислот и их составляющих. Всякая аминокислота состоит из боковой цепи, своей собственной для каждой из двадцати аминокислот организма, и двух реакционно способных концов – то есть аминогруппы (-NH_2) и карбоксильной группы (-COOH): они одинаковы для всех аминокислот и служат связующими звеньями для образования белков. Основная идея троих исследователей состояла в том, чтобы упростить латеральные цепи до одного большого тела, вроде «мяча», сделав возможным использование классической механики, а методами QM исследовать только непосредственные связи между аминокислотами. Таким образом удалось моделировать динамику «открытия и закрытия» ингибитора трипсина поджелудочной железы быка, то есть изменения его геометрии во время исполнения им его функций. Эта модель, опубликованная в журнале Nature в 1977 году, ознаменовала собой гигантский прорыв в теоретической химии.

Другой ключевой момент, которому трое ученых посвятили много сил, – признание важности электростатического взаимодействия между разными остатками аминокислот. Сегодня это стало само собой разумеющимся пунктом практически во всех учебниках по биохимии, то, что структура белка зависит еще и от величины электрического заряда аминокислот и того, как они притягиваются или отталкиваются между собой, но тогда эта концепция была отнюдь не банальной.

Каковы же перспективы вычислительной химии в современном мире и каковы ее новые цели? Сегодня самым первым этапом любых исследований в фармакологии служит силиконовая модель. Как только цель, которую вы хотите «поразить», сформулирована, сложное моделирование поможет понять, какая молекула может вступить в желаемую реакцию. Это немножко похоже на головоломку: у вас есть одна деталь – значит, благодаря моделированию можно попытаться понять, какой должны быть форма и свойства соседней детали. Эти данные позволяют существенно снизить количество молекул для проверки и тем самым сократить число животных и образцов тканей, время ожидания, затраты, сокращая время и сложность исследований.

В то же время понять, как действует белок, как он ведет себя в человеческом теле, изучить все детали механизма, посредством которого он действует, позволяет получить новые важные знания в областях, связанных с борьбой с опухолью или лечением тяжелых патологий, типа Альцгеймера, Паркинсона, хореи Хаттингтона или губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота (знаменитое «коровье бешенство»). Все эти болезни возникают благодаря неправильному сворачиванию (misfolding)[52] белка.

От письменного стола… в лабораторию!

Исследования вычислительной химии чрезвычайно важны для выявления перспективных веществ, с которыми впоследствии можно выполнять настоящую экспериментальную работу. Компьютер – это человеческий, а не божественный инструмент и не дает никаких реальных гарантий, но помогает ученым, предлагая им подсказки, позволяющие понять, как может «выглядеть» молекула. Но этого совершенно недостаточно для достижения цели без последовательной, тщательной и долгой исследовательской работы, создающей в конечном итоге нужный препарат.

Эта работа предполагает использование таких технологий, как высокопроизводительный скрининг, с помощью которого анализируются сотни тысяч молекул за короткое время и происходит ступенчатый отбор наиболее перспективных. На этом этапе отправной точкой может служить огромное количество разных соединений, отличающихся порой друг от друга всего одним атомом и постепенно проходящих отбор. Среди них выбирается то, что сможет оказать воздействие на молекулу-мишень, например, связаться надежнее с белком, который мы считаем участником некоего патологического процесса. После выбора исходной молекулы исследователи переходят ко второму этапу, во время которого ищут способы изменить ее так, чтобы повысить ее сродство с молекулой-мишенью и сделать ее более-менее растворимой в воде, стабильной и т. д.

Вообразим, что вся наша предварительная работа привела к выбору молекулы, на бумаге кажущейся вполне перспективной. Каковы же следующие шаги, доказывающие, что она безопасна и эффективна?

Первый шаг – эксперименты in vitro, то есть «в пробирке». Этот этап очень важен, поскольку до этого мы только моделировали поведение нашей молекулы на компьютере или проверяли ее реакцию только с изолированной от всей клеточной структуры мишенью. Путем тестирования in vitro мы можем проверить, вступит ли наше средство в процесс метаболизма клетки или нет, как оно среагирует с клетками другого вида (например, какое воздействие оно окажет на клетки нервной системы или печени): воздействует ли оно не только на клетки-мишени, вступает ли в «диалог» с опухолевыми клетками по-другому, чем со здоровыми, связывается ли так или иначе с ДНК, при какой концентрации начинает оказывать токсичное воздействие и т. д.

В течение этого ряда испытаний идет сбор ценнейших данных, позволяющих отбросить менее эффективные соединения и получить представление о фармакологических и токсикологических свойствах средства, которое переходит на следующий этап проверки.

Следующая стадия – испытания in vivo, то есть на живых существах.

Тема экспериментов на животных весьма болезненна, она поднимает этические и научные вопросы большой важности и сложности, и ее невозможно обсудить на нескольких страницах.

Поэтому я хотел бы развенчать некоторые мифы и объяснить, почему они до сих пор являются фундаментальной составляющей некоторых современных исследований.

Прежде всего я хотел бы пролить свет на некоторые ложные убеждения.

• Использование животных для тестирования косметики запрещено в Европе с 2003 года, а с 2013 года запрещено и продавать косметику, произведенную в других странах, если ее тестировали на животных. Если вы покупаете косметику, произведенную после 2013 года, можете быть уверены, что ни сам продукт, ни его составляющие на животных испытаны не были.

• Любой протокол, предполагающий использование животных для опытов, должен быть одобрен Министерством здравоохранения и получить одобрение комитета по этике. Иначе он не будет принят.

• Эксперименты на бродячих животных не проводятся. Животные, участвующие в экспериментах, стоят очень дорого – их выращивают на специально сертифицированных фермах, гарантирующих, что животное здорово, и предоставляющих его генетическую историю.

• Эксперименты на приматах проводятся крайне редко и строго регулируются. Этические и научные дебаты вокруг их использования продолжаются, но уже приняты решения, что опыты на крупных обезьянах запрещены, если они не касаются сохранения их видов или борьбы с внезапной и смертельной медицинской угрозой (например, эпидемия смертельного вируса).

• Вивисекция более не существует. Как во время экспериментов, так и во время выздоровления, за животными осуществляется уход, как за пациентами: если им делают операции или болезненные процедуры, животные всегда получают анестезию и их оперируют точно так же, как если бы это был человек; выздоровление сопровождается соответствующим уходом и мониторингом. Если существует риск сильных страданий или если того не требует экспериментальный протокол, то животное просто не будят, переходя сразу к эвтаназии.

• Если животных подвергают неинвазивным процедурам, например при исследовании поведения, их передают впоследствии зоозащитникам, которые занимаются их адаптацией и находят им новый дом.

• Лаборатории сегодня – это не застенки: животные обитают в пространствах адекватных размеров, у них есть игрушки и всякие забавы. За каждым зверем следят один или даже несколько ветеринаров и контролируют его состояние и здоровье.

• Эксперименты над животными не хранятся в секрете: если они проводятся, то только в рамках проекта, материалы по которому будут впоследствии опубликованы, результатом станет заявка на патент или новое лекарство. Любая научная статья должна, в случае проведения экспериментов на животных, содержать четкие данные о них, сколько животных было использовано и давать ссылку на разрешение.

• Вход в вольеры запрещен для посторонних точно так же, как запрещен вход в операционную, в химическую лабораторию, помещения для исследований или ресторанную кухню.

Исключения из этих правил возможны только в очень редких, важнейших для науки случаях и требуют длительного и сложного процесса согласования на уровне министерств[53]. В целом надо еще и помнить о том, что сокращение использования животных в научных исследованиях и фармакологическом тестировании имеет не только этическое значение, но и немалое экономическое и организационное, с учетом дороговизны и процедурных трудностей.

Принципы, которые лежат в основе экспериментов на животных, называются «три R»:

• replacement (замена): замена тестов на животных по возможности альтернативными тестами;

• reduction (снижение): если обойтись без тестов на животных для получения результатов невозможно, то надо стремиться максимально снизить количество процедур;

• rifinire (усовершенствование): совершенствовать протокол эксперимента так, чтобы снизить страдания и стресс для животных или совсем избежать его.

Но, несмотря на весьма активные поиски альтернативных и вспомогательных экспериментальных возможностей, сегодня по-прежнему во многих случаях испытания на животных являются единственным надежным методом.

Испытания на животных незаменимы в фундаментальных исследованиях, поскольку мы не можем моделировать нечто, что мы не понимаем вовсе. Мы пока не можем создать ни сердце, ни печень: если вы знаете как – срочно признавайтесь, вас ждет невероятная благодарность со стороны всех, кто ждет пересадки. Представьте себе, что вы хотите смоделировать влияние некоего медикамента на поведение или состояние центральной нервной системы?. Пока, к сожалению, это все чистая фантастика…

Вы можете мне возразить: окей, мы не можем создать функционирующий человеческий орган, но зачем экспериментировать на животных, они же отличаются от людей? Почему то, что мы узнаем о кролике, поможет помочь в лечении человека?

Ответ двоякий: в некоторых случаях ученые используют животных именно потому, что они отличаются от человека – в частности, они проще устроены; но в других случаях они поразительно похожи на человека, гораздо больше, чем можно подумать.

В первом случае я имею в виду эксперименты, проведенные на более простых организмах, например на мушках-дрозофилах (Drosophila melanogaster) или рыбках-зебрах (Danio rerio), – мы в неоплатном долгу перед этими существами, ведь они позволили совершить важные открытия в области генетики, эмбриологии, онкологии, регенеративной медицине и нейробиологии. Известно ли вам, что мушка способна помочь в исследовании болезни Паркинсона? А между прочим, дрозофила имеет с нами 60 % общих генов и в точности, как люди, может болеть неврологическими болезнями, такими как болезни Паркинсона или Альцгеймера. Все это стало возможным благодаря огромной исследовательской работе, выполненной Томасом Морганом, лауреатом Нобелевской премии по медицине 1933 года, заложившим фундамент современной генетики и открывшим, что передача многих характеристик связана с половым размножением, что гены находятся в хромосомах, и предложившим первую молекулярную модель механизма наследственности.

Благодаря способности к очень быстрому эмбриональному развитию, возможности получить сразу несколько поколений за недолгое время и простоте, с которой меняется их геном, либо рыбки-зебры, либо мушки-дрозофилы и сегодня служат самыми надежными помощниками в медицинских исследованиях, и не проходит дня, чтобы кто-нибудь не опубликовал статью с данными, полученными с их участием. Это потому – и здесь мы возвращаемся ко второй причине, – что, пусть они и гораздо проще, чем люди, большая часть их молекулярных механизмов невероятно похожа на наши.

Все вышесказанное обязывает меня подчеркнуть: животные используются не просто для тестирования лекарств, но служат также фундаментальным инструментом для теоретических исследований. Рыбка-зебра обладает потрясающей способностью к регенерации, каковой мы сами похвастаться не можем, и если нам удастся понять в деталях их секрет, мы сможем найти решение многих трудных проблем современной медицины, например, сможем восстанавливать больные или поврежденные в результате инфаркта или инсульта ткани в сердце и в мозгу, лечить травмы позвоночника, бороться с некоторыми дегенеративными заболеваниями. Мыши тоже часто участвуют в фундаментальных исследованиях, как в области инновационных методов терапии, так и исследованиях свойств некоторых генов и белков. Мыши – млекопитающие, и гораздо больше похожи на человека, по сравнению с мушками, поэтому их можно использовать, чтобы понять функции некоторых генов или протеинов, чтобы найти способы новых фармакологических воздействий.

В противоположность тому, что принято думать, такие более крупные животные, как собаки, свиньи или приматы, гораздо реже используются в фармакологических исследованиях, как правило, лишь только после получения обширных предварительных данных, демонстрирующих высокую вероятность благоприятного исхода. Использование крупных животных позволяет лучше рассчитать дозы в клинических испытаниях препаратов или наблюдать явления, отсутствующие у более простых животных. Ни одно животное – за исключением приматов – не используется для тестирования новейших хирургических технологий или медицинских приборов, а также для профессиональной подготовки хирургов. Но и в этих секторах науки современные альтернативные технологии позволили снизить количество задействованных живых существ, в основном благодаря виртуальной реальности и искусственному моделированию, экспериментам с органами уже умерших животных. Хотя внедрение этих интегральных методов позволило заметно снизить количество морских свинок в лабораториях, потребность в опытах на живых тканях до перехода к человеку все еще очень высока.

Из лаборатории… к пациенту!

После фазы лабораторных испытаний лекарство готово к клиническим испытаниям – то есть испытаниям на людях. Эта фаза совершенно необходима, поскольку наше новое вещество не только должно продемонстрировать свою действенность, но и показать себя более эффективным, чем те, что уже есть в продаже. Клинические испытания, как правило, подразделяются на четыре фазы:

• • фаза I: предварительная оценка безопасности и дозировки препарата, в некоторых случаях допустимо участие здоровых добровольцев или пациентов-добровольцев;

• • фаза II: более углубленная оценка безопасности и сбор предварительных данных по эффективности (несколько десятков пациентов);

• • фаза III: сравнение новой терапии с существующим стандартом для той же самой болезни на большой выборке пациентов, числом более тысячи, чтобы проверить, дает ли она серьезные преимущества с точки зрения эффективности лечения;

• • фаза IV: поступление препарата в продажу и сбор статистических данных по всей популяции больных.

Эксперименты in vitro и in vivo позволяют оптимизировать структуру молекулы, оптимизировать ее воздействие и создать предварительное представление о дозировках, но только в ходе клинических испытаний можно окончательно понять, обладает ли препарат реальным потенциалом для широкого применения. Фаза I, как правило, проходит с участием здоровых волонтеров или, наоборот, умирающих больных, которым не помогает стандартное лечение: на этой стадии оптимизируется сам метод и частота приема лекарства, выявляются непредвиденные побочные эффекты и тому подобное. Если на первом этапе проблемы не возникают, можно переходить к фазе II, в ходе которой оценивается действие лекарства. На ограниченном количестве пациентов, страдающих определенной патологией, проверяется эффективность лекарства и какая его дозировка обеспечивает оптимальное соотношение риска и пользы. В случае, если надо оценить еще и фармакокинетику, то есть скорость, с какой лекарство проходит метаболический цикл, проводится тестирование с использованием плацебо, то есть безопасного вещества без терапевтических эффектов (например, сахар или раствор соли).

Фаза III еще сложнее – обычно она проводится по принципу «двойного слепого метода». Подобный тип экспериментов предполагает, что ни пациент, ни медик не знают, активное вещество они используют или плацебо, чтобы избежать малейшего влияния, порой неосознанного, на конечный результат. Эксперименты с использованием двойного слепого метода являются фундаментальным способом проверки, поскольку представляют собой единственную возможность убедиться, что лечение действительно эффективно. На самом деле врач или пациент довольно легко могут увидеть улучшения там, где их на самом деле нет. Это немного похоже на ситуацию с ребенком, который упал и ударил коленку, а мы говорим ему «дай подую»: в этом нет никакого физиологического эффекта, но заботы и утешения достаточно, чтобы боль прошла. Для поверхностной ранки этого вполне достаточно – в подавляющем большинстве случаев, – однако этот способ не годится в случае инфекции. Это психологический феномен, он называется эффект плацебо, отлично известен в медицине и используется в гомеопатии и других альтернативных методах лечения, как мы увидим чуть дальше.

И если и клинические испытания фазы III прошли удачно, препарат может поступать в аптеки. В этот момент начинается фаза IV: фармакологический контроль. Ведь даже на фазе III лекарство было проверено на ограниченном количестве пациентов, не более тысячи, поэтому на последней стадии могут проявиться более редкие побочные эффекты, ускользнувшие от специалистов. С самого начала продаж лекарства формируется база данных по его эффективности и вероятных недостатках, с целью постоянного совершенствования терапевтических предписаний и возможности приостановить использование в случае необходимости.

В школе нам преподают науку как источник определенности, но на самом деле она всегда только порождает вопросы, и это в значительной степени относится к медицине и фармакологии. Человеческое тело – это отнюдь не часы, у которых нам знакома каждая деталь, поэтому вполне возможно поступление в продажу лекарств, которые впоследствии оказываются проблематичными, несмотря на то что тщательно прошли все фазы экспериментальных испытаний. Конечно, большинство соблюдает законы, однако, к сожалению, случается, что недобросовестные предприятия или бессовестные исследователи фальсифицируют или скрывают данные в корыстных интересах.

Увы, такое случается на самом деле, и, даже опасаясь впасть в конспирологию, невозможно отрицать, что мир здравоохранения часто становится полем конфликта интересов и темных делишек.

Тем не менее в этой области существуют определенные моменты, которые полезно прояснить, и прежде всего возникающий часто вопрос: почему некоторые лекарства или лечебные курсы стоят невероятно дорого?

Рыночная цена лекарства зависит в основном от четырех факторов:

• Себестоимость препарата, то есть ценность действующего вещества. Если некоторые препараты можно синтезировать без особых проблем хоть тоннами, другие могут требовать нескольких стадий обработки и синтеза и требовать поэтому высоких производственных затрат.

• Уровень затрат на разработку и внедрение: только что появившееся на рынке лекарство не может сразу их окупить. Фармацевтическая компания вынуждена стремиться окупить затраты на исследовательские работы и внедрение конкретного препарата.

• Объем рынка для конкретного препарата.

• Местное законодательство.

Следует понимать, что фармацевтическая компания мало чем отличается от предприятия пищевой промышленности или любого другого производства: она существует для получения прибыли. На первый взгляд это может показаться ужасным – зарабатывать на здоровье людей, но достаточно поразмыслить, чтобы осознать, что это ничем не отличается от строительной фирмы или пекарни: нам нужны лекарства точно так же, как крыша над головой или хлеб на столе. Предприятие не существует без прибыли, а без предприятия нельзя создать продукцию.

Возможности рынка и законы, его регулирующие, служат самыми важными факторами, определяющими цену на лекарства. Представим себе, что мы потратили Х миллиардов евро на создание препарата Y и теперь хотим продать Y по тысяче евро за дозу. Если Y – новое лекарство против изжоги, вполне возможно, что его просто никто не купит, поскольку на рынке уже представлены аналогичные препараты, достаточно эффективные и по значительно более низкой цене. Только немногие пациенты, причем весьма состоятельные, решатся приобрести новое средство – если не найдут почему-либо привычное. Однако если Y представляет собой новое эффективное средство химиотерапии против одного из распространенных онкологических заболеваний, для которого до сих пор не было достаточно эффективного метода лечения? В этом случае компания сможет продать его и за пять тысяч евро за упаковку, ведь больные сделают все, чтобы приобрести его.

А что случится, если Y окажется препаратом против очень редкой болезни, поражающей одного человека на десять миллионов? Что должна сделать компания, чтобы работать на столь узком рынке?

Динамика рынка лекарств очень сложна, и, если он не регулируется соответствующим образом, это может привести к бесчеловечным ситуациям. В США одна ампула инсулина – жизненно важного лекарства для диабетиков – стоит около 300 долларов, притом что в 1996 году она стоила только 26 долларов. Лишь 24 мая 2019 года штат Колорадо наконец вмешался в эту ситуацию и установил максимальную цену 100 долларов за ампулу. Учитывая, что лечение болезней, возникших до получения страховки, («pre-existing conditions») в США медицинской страховкой не покрываются или связаны с выплатой огромных взносов в несколько тысяч долларов, многие диабетики вынуждены экономить на инсулине или регулярно ложиться в больницу в ожидании критического ухудшения, получая таким образом инсулин на скорой помощи. Самым известным случаем стал случай Алекса Смита, двадцатишестилетнего диабетика из Миннеаполиса, умершего месяц спустя после дня рождения в результате экономии инсулина. Причина была в том, что он не мог больше пользоваться страховкой матери по причине взрослого возраста. Он работал на полную ставку, однако работодатель не покрывал медстраховку, и зарплата была слишком высокой, чтобы молодому человеку полагалась социальная страховка, но недостаточно высокой, чтобы позволить ему приобрести частную.

В Европе то же самое лекарство стоит около десяти евро и выдается пациенту, как правило, службами здравоохранения.

Хотите еще один еще более кошмарный случай? Это история препарата Daraprim, коммерческого названия пириметамина, лекарства, использовавшегося более шестидесяти лет против токсоплазмоза – очень опасного инфекционного заболевания, а также лечения пациентов с ВИЧ или иными нарушениями иммунной защиты. Цена на лекарство подскочила за одну ночь с 13 долларов до 750 долларов за таблетку. В чем же была причина произошедшего? Молодой предприниматель тридцати двух лет Мартин Шкрели приобрел права на продажу препарата и решил, что сможет профинансировать бизнес своей новой фармацевтической компании. Шкрели уже прокручивал подобные аферы в прошлом, столкнулся с волной возмущения, охватившей все США, и вынужден был заявить, что снизит цену. Обещание свое он не сдержал и был осужден на семь лет за мошенничество (не за случай с дарапримом, но за аналогичные мошеннические действия его компании).

Вне коммерческих интересов безопасность и эффективность лекарств все-таки гарантируются посредством тестирования и сертификации, проводимыми независимыми организациями, а также практикующими врачами из поликлиник и больниц, выписывающими их больным.

Природные лекарства: действуют ли они на самом деле?

Еще и из-за ошибочной коммерческой практики, о которой я только что упоминал, у людей возникает недоверие к так называемой Big Pharma, и часть потребителей прибегает к «натуральным», «альтернативным» или «традиционным» средствам. Мир альтернативной медицины огромен и включает в себя и использование травяных настоев для лечения мелких сезонных недомоганий до наложения рук и иных подобных практик. Критики «официальной медицины» часто упрекают ее в чрезмерной концентрации на конкретной болезни, провоцировании конфликтов интересов и игнорировании интересов человека в целом: его психологии, социального положения, влияния окружающей среды. Альтернативные лекарства, по контрасту, рассматриваются как нечто чистое и природное, не скомпрометированное сторонними интересами, связанное с более человечным отношением к пациенту и вниманием к общему самочувствию и эмоциям.

Конечно, подобные характеристики притягивают к себе внимание, поскольку используют некоторые недостатки, существующие и на самом деле. Система здравоохранения – весьма дорогостоящий институт, он постоянно страдает от нехватки персонала и рабочих пространств, и это приводит к тому, что пациенты не всегда получают необходимое им внимание. Ощущение, что к ним относятся поверхностно и небрежно, приводит к возникновению чувства ненужности, потере доверия медучреждениями – а это прямой путь к общему неверию во врачей и медицину.

Это, конечно, не значит, что медицине пациент во всей его сложности безразличен и рассматривает болезнь отдельно от больного. Наоборот, все медицинское научное сообщество прекрасно знает, что существует тесная связь между телом и сознанием, это давно доказанный факт; окружающая обстановка и стресс очень сильно влияют на наше физическое состояние. Состояние пациента следует рассматривать в комплексе с его болезнью, как целостное явление, принимая во внимание ситуацию и самочувствие пациента в целом.

Прежде всего хотелось бы подчеркнуть одну особенность: «официальная медицина» совсем не обязательно рассматривает болезнь отдельно от пациента. Именно человек обычно находится в центре любого терапевтического действия. Увы, на практике не всегда удается соблюдать это правило, ввиду вышеупомянутых причин.

Научную медицину часто упрекают также в том, что она сконцентрирована на симптомах, а не на причине болезни; те, кто практикует альтернативные способы лечения, концентрируются якобы на восстановлении больным организмом равновесия так, чтобы задушить болезнь в зародыше.

Эта критика частично справедлива: во многих случаях лечение симптомов – либо единственная возможность, либо самое простое и надежное, что можно сделать. Например, не существует лекарств, которые могли бы победить вирус гриппа, поэтому единственным разумным способом выздоровления является ожидание завершения работы нашей иммунной системы или прием лекарств против симптомов… и опять-таки ожидание, пока наша иммунная система справится сама. То же самое годится и для диабета: можем только вводить инсулин посредством инъекций, но ничего не можем сделать (пока), чтобы победить болезнь.

И наоборот, антибиотик – пример лекарства, которое действует на причину болезни, устраняя бактериальную инфекцию, которая и приводит к недомоганиям. Однако чрезмерное использование антибиотиков привело к тому, что они перестают быть эффективными, поскольку бактерии эволюционируют и становятся устойчивыми. Эта проблема стала настолько серьезной, что уже многие годы ведется активная кампания по снижению их употребления, применяя только в тех случаях, когда без них не обойтись.

Хотя, конечно, в некоторых случаях единственным выходом остается воздействие на симптомы, по возможности все-таки следует стараться влиять на причины проблемы.

Обратимся теперь к практической стороне: средства традиционные и альтернативные – работают ли они на самом деле? Безопасны ли? Правильный ответ: смотря какие.

Как мы уже видели в начале главы, современная фармакология родилась благодаря изучению принципов действия природных средств, и по сей день природа продолжает быть источником вдохновения для фармакологов. Во многих случаях фитотерапия, то есть использование трав, травяных настоев и отваров, может оказывать вполне реальное терапевтическое действие и помогать поддерживать здоровье и бороться с небольшими недомоганиями. В этом нет ничего альтернативного или иррационального: медицина – это не только пилюли и скальпели. Фитотерапия безопасна и эффективна, если использовать ее разумно.

Гомеопатия же основывается на совершенно иных принципах и после многочисленных исследований была признана научным сообществом неэффективной.

Это альтернативное лечение основано на идеях Самуэля Ганемана (1755–1843), немецкого врача, впервые изложившего основной принцип гомеопатической практики: подобное лечит подобное. Согласно мнению Ганемана, субстанция, вызывающая определенные симптомы, может излечивать эти же симптомы, если ее использовать в сильно разведенном и динамизированном виде. Как я уже писал ранее, цель гомеопатии – лечение не болезни, но всего организма в целом.

Гомеопатические препараты основаны на очень сильном разведении действующего вещества, присутствующего в оригинальном материнском растворе, но от которого в конечном продукте остаются лишь следы. Для доказательства эффективности подобных средств гомеопаты прибегают к гипотезе «памяти воды». Согласно этой теории, присутствие активного вещества просто не обязательно, поскольку вода, используемая для его растворения каким-то образом, сохраняет «электромагнитную память» или «химическую память» о действующем компоненте; процесс динамизации, то есть взбалтывания, активирует эту память. Хотя никаких научно подтвержденных принципов, которые бы позволяли обосновать эту гипотезу, не существует, было выполнено огромное количество исследований, пытавшихся обосновать эффективность гомеопатии. Но они так и не выявили никакого эффекта вообще – средства ничем не отличались от плацебо.

Я бы хотел подчеркнуть один момент: исследования не показали, что гомеопатия «не работает», они показали, что ее воздействие аналогично действию плацебо, то есть приему нейтрального вещества. А я уже рассказал вам выше, что достоверно известно и доказано, что простая забота о самом себе, ощущение того, что тебя балуют, вызывает улучшение и помогает выздороветь. Большинство несерьезных заболеваний проходят сами по себе за несколько дней: часто достаточно самовнушения, спровоцированного просто заботой, чтобы многие симптомы исчезли и человек почувствовал себя гораздо лучше.

Некоторые утверждают, что гомеопатия отлично воздействует на детей. Гомеопатия «действует» на детей по простой причине – они более внушаемые, чем взрослые, и ласки, объятия и любовь родителей лечат порой лучше всяких лекарств и, достаточно пары дней, чтобы все прошло.

Существует и еще один фактор: эффект плацебо действует не только на больного, но и на того, кто за ним ухаживает. Родитель, переживающий из-за своего малыша, сразу замечает, что что-то не, так и спешит начать лечение. Ощущения, что вы что-то делаете, порой достаточно, чтобы прекратить обращать внимание на мелкие симптомы, которые в иной ситуации вызвали бы беспокойство и тревогу.

В заключение следует осознать, что и современные медицина и фармакология могут ошибаться, и это нормально, как в любой области человеческой деятельности. Как я уже повторил несколько раз, наука – это не книга заветов, в которой есть ответы на любые вопросы, это просто способ поиска решений разных задач. Некоторые решения находятся быстро, но большая часть требуют труда. Однако это не означает, что нужно сдаться, – это означает, что пора засучить рукава и продолжить работу.

Лекция 7

У врача

Химия опухоли

Открыто новое лекарство, которое побеждает рак!

Сколько раз уже случалось читать в газете о том, что некий ученый из некоего университета открыл окончательное лекарство от рака? К примеру, 30 октября 2018 года издание Scienze Fanpage опубликовало комментарий к сенсационному открытию: «Рак, код саморазрушения найден внутри клетки: мы можем самостоятельно избавиться от опухоли», а совсем недавно настала очередь и газеты Repubblica, опубликовавшей 2 мая 2019 года заметку «Открыт новый метод: как уморить рак голодом». Возвращаясь назад, даже в публикациях агентства ANSA можно обнаружить сообщение от 16 января 2018 года, озаглавленное «Вещество, подталкивающее опухоль к самоубийству»[54], хотя заметка «молекула-киллер, уничтожающая раковые клетки» была открыта в Падуе вообще еще в 2017 году, судя по статье в ежедневной газете Il Giornale 11 апреля того же года [55]. Очевидно, что никто из исследовательской команды не читал статью, опубликованную на сайте Института журналистики в Урбино, которая еще в 2016 году объявляла: «В Урбино открыт противоопухолевый препарат: история двух профессоров, не получивших финансирования»[56].

Но почему тогда отделения онкологии все еще заполнены больными? Если известны методы создания средства антиракTM (антиракTM потому, что так оно кажется похожим на настоящий бренд), то почему до сих пор многие больные умирают? Получается, что это все ложь? Что все эти статьи – просто бессмысленные броские заголовки?

Но надо сказать главное: антиракTM не существует, и существовать не может. Ведь нет единого заболевания, которое можно было бы назвать раком. Если вы прочтете где-нибудь, что существует некое вещество или средство, пища, которые вызывают рак или защищают от него, можете сразу же отбрасывать эту статью – текст, который вы пытались прочесть, написан никак не специалистом. Каждая опухоль – это отдельная болезнь, со своей особой биологией, со своим собственным влиянием на тело, собственными развитием, прогнозами выздоровления и необходимой терапией. Не доверяйте тем, кто рассказывает о раке, как об общеизвестной болезни.

Я хотел бы также подчеркнуть разницу между терминами «опухоль» и «рак»: опухолью может называться и доброкачественное образование, не распространяющееся на другие органы, но поражающее локализованный участок некой ткани, и злокачественное образование, способное распространяться и на другие органы, образуя метастазы. Рак же – это синоним злокачественной опухоли: поэтому и получается, что рак – это опухоль, но не все опухоли – раковые.

Но вернемся к нашим баранам, то есть сенсационным статьям в прессе: почему же люди по-прежнему умирают от рака, если чуть ли не ежедневно обнаруживаются все новые средства, излечивающие или предотвращающие болезнь? Как всегда, это просто журналистские преувеличения. Как мы уже заметили в предыдущей главе, путь от идентификации возможной терапевтической цели до синтеза нового многообещающего вещества и от последующего синтеза реального препарата до его одобрения чрезвычайно труден и в большинстве случаев приводит в никуда. К тому, что никто не опубликует статью с заголовком «Открыто вещество, которое, возможно, поступит в продажу лет через двадцать – его тестирование на клеточных культурах, вероятно, покажет снижение смертности от [длинное и непроизносимое название очень специфичного вида рака] на 10 %», а некоторые редакторы переделают его на «Найдено лечение от рака». Очевидно, это не значит, что исследование, описанное в статье, не важно, наоборот, в большинстве случаев заметки в прессе основаны на настоящих научных статьях из престижных научных журналов, пишущих о выдающихся исследованиях. Массмедиа в самом тексте и в комментариях снижают, как правило, пафос заголовка, но не сильно. Представьте себе статьи под названиями «Победа над голодом» или «Победа над бедностью», в которых речь идет об увеличении гуманитарной помощи странам третьего мира на 10 %, разочаровывает, не правда ли?

Точно так же и взаимосвязь рака с питанием, с научной точки зрения весьма явная, в Сети часто трактуется весьма поверхностно. Этот тип сенсационных сообщений уже привел к всеобщему недоверию к научным исследованиям и к распространению «альтернативных» методов лечения, использующих отчаяние больных людей для банального обогащения.

Это очень печально, потому что научные исследования в области онкологии совершили в последнее время огромные прорывы не только в области хирургических и фармацевтических методов лечения, позволяющих врачам успешно побеждать многие виды патологий, еще несколько лет назад бывших смертным приговором, но и в области предупреждения и ранней диагностики. Но совершили они их в тишине.

Как появляются опухоли?

Опухоль (или неоплазия) представляет собой ткань, сформированную аномально и бесконтрольно размножающимися, в результате генетического сбоя, клетками.

Жизнь всякой клетки строго регулируется информацией, которую она получает от ДНК, огромной молекулы, спрятанной в ядре любой клетки и хранящей ее генетическое наследство. А всякая клетка отнюдь не изолированное образование, а часть сообщества. Все клетки исполняют свои функции, синтезируют вещества, которые должны синтезировать, при необходимости делятся и, наконец, умирают, оказавшись поврежденными или ненужными. Однако некоторые повреждения ДНК могут привести к тому, что клетка начнет вести себя вне зависимости от остальных и перестанет распознавать сигналы, поступающие из внешней среды. В такой ситуации она может начать безостановочно делиться, что приведет к образованию опухоли. В некоторых случаях образующаяся масса больных клеток ограничивается определенной зоной (доброкачественная опухоль), в других клетки могут распространиться и на соседние ткани, проникнуть в кровеносную систему и поразить даже самые удаленные органы, образуя метастазы и превращаясь в злокачественную опухоль. Меланома, распространенный и опасный вид рака кожи, поражающий клетки-меланоциты, к примеру, может образовывать метастазы даже в мозгу: это означает, что больные клетки распространяются по телу и переносятся в мозг, где начинают формировать новую опухоль.

Мы поговорим о противоопухолевой терапии в следующем главке, но сейчас попробуем понять, какова природа этих мутаций, превращающих здоровую клетку в раковую, и как наше тело пытается защититься.

Когда мы думаем о твердости, силе, сопротивляемости, первыми на ум нам приходят образы скал и горных вершин. «Человек – всего лишь тростник, слабейшее из творений природы, но он – тростник мыслящий. Чтобы его уничтожить, вовсе не нужно, чтобы на него ополчилась вся Вселенная: довольно дуновения ветра, капли воды»[57]. Для всех нас жизнь – штука изменчивая и неуловимая, ведь органическая материя быстро стареет, разлагается и умирает. А гора остается на своем месте, неподвижная и безразличная к течению времени.

Подобные представления весьма распространены и кажутся вполне убедительными, но входят в противоречие с ошеломительными фактами: в то время как земной рельеф на самом деле, хоть и медленно, но неуклонно меняется – русла рек прокладывают новые долины, оползни уносят камни со склонов гор, – ДНК человека остается практически неизменной уже многие тысячи лет, за исключением мелких индивидуальных различий. А у некоторых бактерий ДНК остается неизменной вообще миллионы лет.

Так, ДНК бактерии Escherichia coli (кишечной палочки), часто используемой для генетических исследований, состоит из около 4,64 миллионов копий азотистого основания. Если рассматривать ДНК как книгу, в которой записаны все необходимые инструкции по организации жизни этой бактерии, то азотистые основания (или нуклеотиды) – это буквы, которыми книга написана. Генетический код на самом деле состоит из четырех «букв» – аденина, цитозина, гуанина и тимина, образующих две длиннющие переплетенные между собой цепи, напоминающие винтовую лестницу. Ступеньки этой винтовой лестницы образованы двумя нуклеотидами, по одному на цепь, связанными между собой особым образом: аденин (А) всегда соединяется с тимином (Т), а цитозин (С) с гуанином (G). Это значит, что если нить ДНК включает в себя последовательность ACATGGCCT, то зеркальная нить – TGTACCGGA.

С момента появления около 100 миллионов лет назад кишечная палочка делилась уже миллиарды раз и во всех этих превращениях ни разу не потеряла не только ни одной «строчки» генетического кода, но и, можно смело утверждать, умудрялась самостоятельно корректировать в своей «книге» всевозможные дефекты юности, чтобы адаптироваться к окружающему миру.

Вообразите, что вам нужно переписать от руки всю «Божественную комедию» (около четырех миллионов знаков) и передать вашу копию другу, который в свою очередь создаст собственную копию для собственного знакомого, и повторить это миллиард раз: как вы думаете, что получится в результате?

А к тому же вы должны переписывать свою рукопись, не сидя в дальнем уголке тихой библиотеки, а подвергаясь постоянным атакам, приставаниям, попыткам выдавить вас на обочину и вырвать у вас хоть парочку страниц: именно это происходит с ДНК во время взаимодействия с солнечным светом, радиацией и множеством химических веществ, стремящихся так или иначе навредить ей.

Очевидно, что должен существовать некий восстановительный механизм, защищающий размножение и корректирующий возможные ошибки.

Сегодня мы уже знаем, что на самом деле таких механизмов много: трое ученых, исследовавших эту тему – Томас Линдаль, Пол Модрич и Азиз Санкар – получили Нобелевскую премию по химии в 2017 году.

До начала 60-х годов в ученой среде считалось, что ДНК просто очень устойчивая молекула, которую особенно трудно повредить. На самом деле, это выглядело довольно странно, учитывая, что РНК, родственная ДНК молекула, предназначенная для считывания информации, хранящейся в ДНК, и переноса ее в рибосомы – клеточные органеллы, специализирующиеся на синтезе белков, – молекула нестабильная и легко повреждаемая.

Томас Линдаль был первым, кто показал, что ДНК тоже подвержена быстрому и прогрессирующему распаду и что существуют молекулярные механизмы ее починки.

Линдаль заметил, что одним из самых распространенных повреждений ДНК было изменение химической структуры одного из азотистых оснований. Подобное явление может быть крайне разрушительным, поскольку ведет к нарушению синтеза нескольких белков и способно лишить эти белки активности, тем самым нанося огромный вред всему организму. Достаточно одного нуклеотида не в том месте, и все функции белка полностью сбиваются, несмотря на то, что ошибка поражает только одну аминокислоту из сотен, составляющих белок.

В подобных случаях ДНК может починиться посредством механизма, получившего название эксцизионная репарация оснований (Base Excision Repair, BER), – некоторые ферменты способны идентифицировать дефектные азотистые основания, удалять их и заменять. Исследования Линдаля оказались столь точными, что ему удалось в 1996 году создать in vivo весь человеческий механизм BER. Это был поразительный результат.

Другой вариант повреждения ДНК – это воздействие на нее ультрафиолетовыми лучами (UV), наносящими разнообразные повреждения, вроде тех, что мы видели раньше. Страдает уже не химическая структура одного основания, но целый участок ДНК, он изменяется в основном путем образования связей, которых не должно быть, между соседними нуклеотидами тимина. В результате в структуре ДНК образуются грубые нарушения, которые приводят к серьезным сбоям в воспроизведении. Но и для этой ситуации наше тело разработало стратегию решения проблемы – механизм эксцизионной репарации нуклеотидов (Nucleotides Excission Repair, NER), обнаруженный Азизом Санкаром. Первыми вмешиваются ферменты под названием хеликаза, они служат для раскручивания спирали ДНК в нужном месте. Эндонуклеазы могут разрезать ДНК, позволяя изъять весь поврежденный кусок (он может содержать последовательность из 30 нуклеотидов). А фермент ДНК-полимераза синтезирует новый кусок цепи ДНК, вшиваемый на место ферментами-лигазами.

Хотя первые исследования были выполнены на бактериях, Санкар впоследствии сотрудничал с Линдалем, стремясь понять молекулярные основы механизма NER у людей – он оказался сложнее, чем у бактерий, однако логика у них практически одинаковая.

Это может показаться странным, но значительная часть исследований по репликации ДНК проводится на самом деле на бактериях, но получаемые результаты можно считать фундаментальными, поскольку разница между ними и более сложными человеческими клетками намного меньше, чем сходство. Честно говоря, вы были бы поражены, узнав, что значительная часть биохимических процессов у белков и ферментов, управляющих жизнью клетки бактерии, практически идентичны человеческим.

Следующим героем этого приключения стал Пол Модрич, первооткрыватель механизма репарации ошибочно спаренных нуклеотидов (Mismatch Repair), позволяющего исправить ошибки спаривания оснований, случающихся во время репликации. Если в предыдущих историях мы рассматривали ошибки, вызванные повреждениями ДНК, то теперь надо понять, как действовать, если аденин соединился с цитозином вместо положенного тимина. Если сравнивать снова с книгой – это как если бы раньше мы искали злодея, который пытался испортить наш труд, поджигая или разрывая страницы, а теперь нам нужно исправить ошибки написания – вместо «о», например, «а».

В конце 70-х годов прошлого века Модрич изучал особенный фермент, называющийся Dam-метилаза, который, как казалось, отвечал за метилирование отдельных участков ДНК. Добавление метиловой группы (то есть CH_3) предполагалось необходимым для выделения некоторых участков ДНК и обеспечения избирательности действий других ферментов.

Некоторое время спустя другой ученый, Мэтью Мезельсон, начал изучение процесса спонтанной коррекции бактериями введенных извне поврежденных ДНК. Мезельсону удалось сконструировать бактериальный вирус, содержащий поврежденную ДНК, с перепутанными соединениями; однако когда этим вирусом заражали клетки бактерий, последние исправляли ошибки, специально сделанные Мезельсоном.

Этот феномен был поразителен: по какой причине бактериям пришлось развить в себе подобный механизм? Наиболее очевидным было предположение, что он возник для исправления ошибок при воспроизводстве собственной ДНК. Проблема заключалась в том, чтобы понять, как бактерия может распознавать в ДНК, состоящей из двух цепей, которая цепь правильная, а которая с ошибкой? С химической точки зрения обе нити совершенно нормальны, в них нет испорченных нуклеотидов. Представим себе отрезок ДНК, состоящий из последовательности ACA, парной к TAT. Мы понимаем, что в ней есть ошибка, поскольку цитозин (С) связывается с гуанином (G), а не с аденином, который в свою очередь соединяется с тимином (Т), а не с цитозином. Но откуда мы узнаем, какая из версий правильная – ACA-TGT или ATA-TAT?

По мнению Мезельсона, решением проблемы как раз и служит метилирование, модификация, позволяющая различать исходную нить от той, что образуется при репликации.

Ученые начали совместное исследование, которое как раз и подтвердило гипотезу, что именно метилирование позволяет понять, какая из цепей оригинальная, а какая подлежит исправлению.

Результаты этой работы привели к открытию ферментов, вовлеченных в процесс репарации ошибочно спаренных нуклеотидов, и к концу восьмидесятых годов его удалось воспроизвести in vitro.

Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы (-CH_3, производное метана) в определенных местах, и этот процесс используется в основном для активации определенных генов. Если ДНК – книга, в которой записаны все инструкции, необходимые клетке для выполнения ею ее задачи, то точно так же каждая клетка имеет собственную задачу, и даже должна иметь возможность изменять свое поведение в зависимости от стимулов. Короче говоря, она в любой момент должна понимать, какую «информацию» ей использовать. Метилирование служит одним из процессов, позволяющих различить разные участки ДНК, какие клетке игнорировать, а на какие обращать внимание. Это очень любопытный процесс – один из способов воздействия внешней среды на наш генетический код.

Скотт и Марк Келли – близнецы и астронавты НАСА. Они решили принять участие в эксперименте[58], названном соответственно «Twins Study» (исследование близнецов). Пока один из братьев оставался на Земле, второй отправился в космический полет. Скотт провел в космосе в сумме 520 дней (из них 340 – в одном полете), а Марк летал всего 54 дня. Оба брата-близнеца прошли специальное медицинское обследование перед миссией, в марте 2015 года, и повторное обследование после возвращения Скотта в марте 2016 года.

После серии анализов генома братьев оказалось, что к концу миссии метилирование ДНК Скотта временно снизилось, в то время как тот же процесс у Марка усилился. Учитывая, что последние исследования показали, что метилирование представляет собой важнейший процесс для опухолевых клеток, можно представить важность этих экспериментов.

Но, возвращаясь к нашей основной теме, следует отметить, что эта стратегия защиты нашего генетического наследства не самая надежная, и может случиться так, что некое повреждение не будет исправлено и удалено. В этих случаях, как правило, либо клетка самоуничтожается посредством механизма, называемого апоптозом, либо иммунная система ее идентифицирует и атакует. Хотя в большинстве случаев этих двух мер предосторожности достаточно, чтобы избежать проблем, наследственная предрасположенность, заражение некоторыми вирусами или воздействие определенных химических веществ могут привести к мутациям, превращающимся в опухоль. Сегодня мы знаем, что, помимо генетической предрасположенности, самым важным фактором становится воздействие окружающей среды, и многие онкологические заболевания связаны так или иначе с загрязнением природы и с воздействием канцерогенных веществ, таких как асбест, алкоголь, продукты курения. Кроме того, важную роль играет и питание, хотя, как мы уже говорили ранее, не стоит демонизировать или обожествлять тот или иной продукт: известно, что несбалансированное питание может повысить риск заболеть раком пищеварительной системы.

Опухоли, pH и щелочные диеты

Среди многих слухов, которые сопровождают тему опухолей, одним из самых распространенных можно назвать убежденность в том, что раковые клетки размножаются в кислой среде, и поэтому процесс «подщелачивания» организма путем потребления соответствующих продуктов или другими методами может служить профилактикой.

Это правда? И да, и нет.

Прежде чем погрузиться в эту тему, попробуем поговорить о pH и понять, что такое кислота и щелочь.

Чистая вода, H_2O, представляет собой среду, в которой царит равновесие диссоциации:

H_2O ←→ H+ + OH-

В ходе обычной химической реакции реагенты превращаются в продукты реакции навсегда, а в ходе обратимой реакции продукты реакции и реагенты находятся в равновесии между собой. В дистиллированной воде, как уже было сказано, равновесие диссоциации, когда молекула воды распадается на ион водорода H+ и водный остаток, гидроксил OH-, смещается в сторону реагентов, то есть очень незначительное количество молекул воды распадается на микроскопические, равные количества ионов H+ и OH-. Когда мы растворяем в воде кислоту, это приводит к увеличению концентрации ионов Н+ и уменьшению концентрации гидроксилов, а если мы растворим щелочь – получится, наоборот, концентрация ОН- возрастет, а Н+ снизится.

По определению, рН водного раствора равен отрицательному значению десятичного логарифма концентрации ионов Н+ в растворе. Стоит отметить, что обозначение рН состоит из двух латинских букв – строчной «р» и заглавной «Н» – и произошло от латинского pondus Hydrogenii, буквально «вес водорода», то есть водородный показатель.

Не углубляясь в математические подробности, можно сказать, что логарифм – это математический оператор, с помощью которого удобно выражать очень большие или очень малые числа: можно сказать, что чем ниже концентрация ионов водорода, тем больше рН. Когда мы называем раствор кислотным (то есть его рН меньше семи), то просто сообщаем, что концентрация ионов водорода выше, чем в чистой воде (у воды рН=7), а если говорим, что он щелочной (pH больше семи) – значит в нем выше концентрация ионов гидроксилов, а концентрация ионов водорода ниже, чем в дистиллированной воде. Известные примеры кислотного раствора – это лимонный сок, содержащий лимонную кислоту, уксус, содержащий уксусную кислоту, или соляная кислота, присутствующая в нашем желудке и необходимая для переваривания пищи. Примерами щелочей могут служить пищевая сода (бикарбонат натрия), каустическая сода (гидроксид натрия), т. н. хлорка, используемая в качестве отбеливателя (гипохлорит натрия), и аммиак.

Когда щелочь реагирует с кислотой, высвобождающиеся в результате взаимодействия кислоты с водой ионы H+ вступают в реакцию с ионами OH-, образующимися в результате нейтрализации щелочи, и образуют все ту же воду. Именно поэтому, соединяя кислоту со щелочью, получаем нейтральный раствор.

Ионы Н+ вовлечены практически во все биологические процессы, именно поэтому показатель рН столь важен и столь знаменит. Показатель рН раствора определяет то, как реагируют те или иные вещества: медленно или быстро, распадаются на составные части или ведут себя аномальным образом. Когда будете в следующий раз готовить себе чай, попробуйте понаблюдать, что происходит, когда вы добавляете в него лимон: вы заметите, что он становится светлее, – но если вы решитесь добавить в него соды, он вновь потемнеет. Все вещества, содержащиеся в чае, разного цвета, в зависимости от их рН, и могут служить индикаторами соотношения кислота-щелочь. Еще более зрелищным выглядит пример цветков гортензии – их цвет меняется от голубого до розового в зависимости от рН почвы, на которой она растет.

Наше тело обладает постоянным рН, который изменяется в зависимости от органа. Например, в желудке рН очень кислотный (около 2), поскольку присутствие кислоты способствует разрушению химических связей в пище и вовлеченные в процесс пищеварения энзимы работают лучше в кислотной среде, в мышцах и в некоторых группах клеток – слегка кислотный (около 6). И наоборот, кровь и значительная часть остальных тканей слегка щелочные (рН=7,4). Любые аномалии значений рН в человеческом теле ведут моментально к серьезному ущербу здоровью, особенно в случае с кровью, и поэтому организм располагает целым комплексом физиологических процессов, целью которых является удержание рН в строгих пределах.

Уже несколько лет назад в некоторых сообществах возникла мода на разделение продуктов питания на «окисляющие» и «ощелачивающие» наше тело: речь идет о суевериях, не имеющих никакого научного значения, поскольку любая пища так или иначе попадает в желудок, где желудочный сок нейтрализует любые щелочные соединения, а оказавшись в крови, питательные вещества не меняют рН ни на самую малую долю, благодаря слаженной работе почек и прежде всего легких. Единственная жидкость, рН которой связан с пищей, – это моча, как раз потому, что почки вовлечены в процесс поддержания постоянства рН крови и тканей.

Я бы хотел, чтобы этот момент был совершенно вам ясен: не существует пищи, которая бы хоть как-то была способна повлиять на рН крови и тканей. Ее не бывает. Нигде и никогда.

А теперь, когда вы наконец осознали, что не можете изменить рН вашего тела ни с помощью брокколи, ни с помощью стейка, попробуем понять, есть ли доля правды во всей этой истории.

Как мы уже видели, что одной из характеристик, свойственных для всех опухолей, является то, что они все представляют собой массу бесконтрольно и быстро размножающихся клеток. Подобная активность требует значительного расхода энергии, а следовательно, и питания: именно поэтому значительная часть опухолей выделяет белки, стимулирующие образование новых кровеносных сосудов, которые могли бы приносить к опухоли кровь, а в ней необходимую для ускоренного метаболизма энергию.

Но, как и все, что делается в спешке, это образование не блещет качеством, а новые сосуды, питающие опухоль, немногочисленны и хрупки. Результат получается двоякий: поступление кислорода и питательных веществ ведет к росту опухоли в условиях нехватки кислорода, а отходы метаболизма, такие как молочная кислота, с трудом выводятся наружу, в том числе и из-за отсутствия лимфатической системы. В результате опухолевые ткани и на самом деле более закислены, то есть их рН (около 5,5–6) более кислотный, чем у соседних здоровых тканей.

Первым, кто обнаружил это явление, стал немецкий врач Отто Генрих Варбург, лауреат Нобелевской премии по медицине 1931 года. В те времена, когда еще почти ничего не было известно о ДНК, он предположил, что первичной причиной развития опухолей может быть кислая среда. Гипотеза Варбурга с течением времени утратила актуальность, и сегодня считается, что причиной новообразований служат генетические изменения, а кислотный показатель рН на самом деле всего лишь следствие. Некоторые исследователи пытались было проверить, могут ли инфильтрации щелочи оказать положительное влияние на опухоли и уменьшение их массы, однако все результаты были отрицательными и этот путь в науке был заброшен.

Кислотный показатель рН твердых опухолей можно использовать для разработки медикаментов, которые целенаправленно влияли бы только на раковые клетки. Лекарственная терапия опухолей очень сложна, поскольку она должна поражать только больные клетки и не касаться здоровых, что совсем не просто. Как мы уже говорили ранее, любая опухоль – это отдельная болезнь и требует индивидуального лечения. Понять эти процессы отнюдь не просто, но мы можем ограничиться только общими соображениями.

Хотя сегодня химиотерапия сделала гигантские шаги вперед, позволившие ей полностью победить многие виды опухолей и снизить смертность от остальных, она по-прежнему чрезвычайно агрессивна и имеет массу побочных эффектов. Чтобы снизить их влияние и повысить действенность препаратов, необходимо в идеале найти способ доставить лекарство непосредственно к больным тканям. Сегодня ученые исследуют среди прочих метод, предполагающий инкапсулирование лечебных молекул внутрь наночастиц или везикул, разрушающихся только в кислой среде и таким образом доставляющих лекарство непосредственно в опухоль. Помните мицеллы, которые мы рассматривали в рассказе 4? Идея немного напоминает историю троянского коня, это может помочь избежать деградации препарата в теле еще до его прибытия к месту назначения и доставить его туда, где он реально необходим. Варьируя форму, размер и химические свойства, можно направить эти частицы к определенному органу, например печени, почкам или в мозг, где кислая среда опухолевых клеток растворит капсулу и освободит действующее вещество. Подобные исследования является частью области, получившей название drug delivery, то есть «доставка лекарств», одним из самых интересных и важных направлений химии и фармакологии последних лет.

Прозорливость

Как мы уже упоминали, всякая опухоль представляет собой отдельную самостоятельную болезнь и требует специфического индивидуального лечения, включающего, как правило, хирургическое вмешательство, лучевую терапию и химиотерапию. Подробное описание историй и характеристик всех существующих противоопухолевых лекарств потребовало бы энциклопедических объемов и знаний, но я знаю одно лекарство, которое заслуживает, чтобы ему посвятили несколько страниц: цисплатин. История этого противоопухолевого средства, самого известного в мире и повсеместно используемого, очень показательна – она не только демонстрирует, как важны теоретические исследования и насколько неожиданны могут быть их результаты, но и насколько серьезны последствия химиотерапии и как важно подобрать оптимальный химический состав препарата для снижения побочных эффектов.

Когда мы представляем себе такой металл, как платина, в воображении сразу предстают дорогие ювелирные украшения и аксессуары, платиновая кредитка и другие синонимы слова «эксклюзивный». На самом деле этот металл имеет много важных свойств – он далеко не только символ расточительства или престижного потребления: на самом деле он весьма важен для жизни. Большая часть людей носит его прямо в себе в количестве около трех граммов, ведь он чрезвычайно важен для каталитических процессов: как мы узнали из рассказа 3, он позволяет сделать более экологичными наши (слишком частые) поездки по дорогам. Благодаря своим свойствам катализатора платина используется в нефтяной, фармацевтической и пищевой промышленности (например, при гидрогенизации растительного масла при производстве маргарина), из-за своей типичной химической инертности – в производстве электродов и в сплаве с иридием она служит в «стандартном килограмме» в Международном бюро мер и весов в Севре, Франция.

В этой главе мы поговорим о цисплатине, производном этого металла, которое оказалось особенно эффективным в борьбе против разных видов опухолей, от карциномы до рака легких и яичек с яичниками. Сегодня это одно из самых продаваемых лекарств против опухолей. Благодаря использованию этого препарата в сочетании с другими лекарствами доля выживших при раке яичек выросла с 10 % до 85 %.

Несмотря на тяжелые побочные эффекты, этот препарат и сегодня служит одним из наиболее используемых противоопухолевых лекарств, благодаря возможности использования защитных средств, снижающих токсичность.

История цисплатина началась в 1961 году, когда физик Барнетт Розенберг, исследователь из Нью-Йоркского университета, был нанят в новый отдел биофизики Мичиганского университета. Розенберга особенно интересовал странный параллелизм между двумя природными совершенно не связанными между собой явлениями: он заметил, что клетки в состоянии митоза, то есть деления, были удивительно похожи на изображения силовых линий магнитного или электрического поля, создаваемых на гладкой поверхности, покрытой тонкими железными опилками. Могла ли существовать некая связь между электромагнитным полем и клеточным делением?

Для физика работа с клетками, бактериями и клеточными культурами была не очень привычной, и Розенберг решил нанять молодого микробиолога для проверки гипотезы, Лоретту ван Кэмп. А она как раз мечтала о работе, связанной с медициной, но, поскольку для женщины в Америке шестидесятых стать врачом равнялось практически скандалу, решила заняться микробиологией в лаборатории Розенберга и занялась экспериментальной частью. И хотя физик разрабатывал эксперименты концептуально, именно благодаря знаниям Ван Кэмп идеи удалось подвергнуть проверке.

Еще до начала испытаний на животных клетках ученые решили провести тестирование на более простом организме – на знаменитой кишечной палочке, Escherichia coli, с которой мы уже встречались и которую и сегодня используют биологи.

Их оборудование представляло собой реактор, сделанный из двух платиновых электродов, соединенных с генератором электрического тока и погруженных в питательный бульон с культурой, температура которого поддерживалась на уровне 37 °C и в который вдувался стерильный воздух.

Выбор платиновых электродов для этого опыта казался наиболее логичным и обдуманным. Как и все благородные металлы, платина предельно инертна с химической точки зрения, поэтому для ее коррозии необходимы куда как более экстремальные условия, чем тепловатый бульон с клетками. Всякий студент, когда-либо изучавший электрохимию, знает, что платиновые электроды используются во всех лабораториях мира именно потому, что служат (должны были бы служить) гарантией инертности.

Однако предварительные результаты этого опыта оказались совершенно неожиданными. Бактерии не умерли, но и не увеличились в количестве: они просто удлинились. Обычно Escherichia coli по форме похожи на маленькие палочки, однако после воздействия они стали похожи на спагетти. Казалось, что что-то не позволило им делиться, но при этом всячески способствовало их аномальному росту в длину. Явление выглядело очень необычным и требовало углубленного изучения. Ученые решили изменять один за другим параметры эксперимента, исследуя факторы, которые могли повлиять на рост бактерий, такие как рН, концентрация магния, ультрафиолетовое излучение, температура, однако они оказались не важными. Ответ заключался видимо, в некоем соединении, образовавшемся во время прохождения тока.

Для проверки этой гипотезы они решили прибегнуть к простому решению: они подвергли воздействию электрического тока с соблюдением параметров, при которых наблюдалось удлинение бактерий, только сам питательный бульон, а бактерии добавили потом, уже после воздействия тока. Эксперимент показал, что отнюдь не электрический ток был причиной наблюдавшихся явлений. В результате ученые пригласили молодого химика Томаса Кригаса присоединиться к их группе, чтобы помочь определить вещество, образовавшееся в питательной среде, и исследовать его свойства.

И 13 февраля 1965 года в знаменитом научном журнале Nature была опубликована статья за подписями Барнетта Розенберга, Лоретты ван Кэмп и Томаса Кригаса об этом открытии, ставшая отправной точкой для революционных изменений в медицине.

Позднее были проведены эксперименты со многими веществами. После наблюдений за тем, как они блокируют клеточное деление, будучи в основном безвредны для самих бактерий, исследователи решили проверить, будет ли воздействие на клетки млекопитающих аналогичным и смогут ли они остановить рост опухолей. Эксперименты показали, что из всех возможных соединений платины самым эффективным и наименее токсичным оказался цисплатин Pt(NH_3)2Cl_2.

Эта молекула на самом деле была уже известна под названием «соль Пейроне», поскольку была синтезирована еще в 1844 году Микеле Пейроне (1813–1883), но никто и не подозревал тогда о ее возможностях. Итальянский химик родился 26 мая 1813 года в Мондови, в окрестностях Турина. Свой путь в науке он начал с работы врача, но после нескольких лет практики решил полностью посвятить себя химии, перебрался в 1839 году в Париж в лабораторию Жана Батиста Андре Дюма, а позднее, в 1842 году, в лабораторию Юстуса фон Либиха в Гисене. Там он начал исследовать свойства солей платины, особенно той, что получила название соль Магнуса [Pt(NH_3)4][PtCl_4]. Во время одной из попыток синтезировать эту молекулу Пейроне обнаружил осадок неожиданной соли, желтого цвета, с совсем другими химическими свойствами: цисплатин.

Эффективность цисплатина связана с его способностью связываться с ДНК, находящейся внутри клеточного ядра, и провоцировать апоптоз, то есть запрограммированную смерть клетки, наступающую, когда она достигает естественного конца своего жизненного цикла или когда она повреждена необратимо. Если по какой-либо причине способность клетки к апоптозу нарушается, она может стать опухолевой, начиная безостановочно воспроизводиться. Как мы уже видели в предыдущей главке, это нарушение может иметь самые разные причины: например, возникнуть благодаря присутствию токсичных веществ в организме, радиации или деятельности некоторых вирусов (например, ВПЧ, вирус папилломы человека).

Попав в кровеносную систему, цисплатин вступает в сложные реакции со многими веществами, присутствующими в крови, – такими как сахара, белки и жиры. Особенно заметны результаты его взаимодействия с белками, содержащими серу, близкую к тяжелым металлам, в данном случае платине. Помимо реакции со всеми этими биомолекулами, не снижающими эффективности цисплатина, выстраивается также сложное равновесие с ионами, растворенными в биологических жидкостях.

Внутри клетки концентрация ионов хлора намного ниже, чем в межклеточном пространстве, поэтому, как только цисплатин проникнет через клеточную мембрану, два хлорид-иона удаляются, заменяясь водой. А гидролизованная форма проникает сквозь мембрану клеточного ядра и связывается с ДНК.

Молекула ДНК состоит из трех основных элементов: нуклеотидов (аденин, тимин, цитозин и гуанин), сахара (дезоксирибоза) и фосфатных групп. Сахаро-фосфатные цепочки составляют внешний каркас двойной спирали, а нуклеотиды (или азотистые основания) встроены внутрь и служат кодирующим элементом (передатчиком информации) ДНК.

Цисплатин встраивается мостиком между двумя гуанинами или гуанином и аденином.

Этот мостик грубо искажает геометрию ДНК, порой изгибая двойную спираль почти на 40°, угол препятствует репликации и передаче информации о синтезе соединений, необходимых для выживания клетки.

В процессе деления ДНК чрезвычайно важен момент разделения нитей – так, чтобы каждая смогла послужить «формой» для синтеза новой двойной спирали. Это разделение возможно благодаря особым ферментам, ДНК-полимеразам, раскрывающим двойную спираль почти как молнию на куртке. Если эту фазу раскрытия заблокировать, деление ДНК прекратится и вместе с ним и клеточный митоз, то есть процесс деления клеток. Опухолевые клетки размножаются гораздо быстрее, чем здоровые, поэтому очевидно, что они страдают от воздействия цисплатина сильнее всех. Блокируется также и транскрипция, то есть процесс передачи генетической информации ДНК в дополнительную нить РНК, обеспечивающую непрерывный синтез белков. Блокировка транскрипции, таким образом, означает и прекращение синтеза белков клеткой – а эти белки необходимы для ее нормального функционирования.

В момент, когда платина связывается с ДНК, судьба клеток еще не решена окончательно. Возможны на самом деле две ситуации: или повреждение ДНК приводит клетку к апоптозу, или она еще может восстановиться. Это надо подчеркнуть особо: смерть клетки вызвана не невозможностью репликации или транскрипции, но запуском механизма апоптоза после того, как повреждение будет обнаружено механизмом клеточного контроля.

Несмотря на то что цисплатин спас огромное количество жизней, он не всегда эффективен. Некоторые клетки изначально оказываются устойчивы к его воздействию, другие постепенно становятся такими в ходе терапии. Механизмы, обеспечивающие эту устойчивость, многочисленны и не до конца понятны. Один весьма распространенный механизм состоит в вовлечении во взаимодействие с цисплатином некоторых веществ, содержащих серу – а ее концентрация как раз высока именно в опухолевых клетках; он дезактивирует значительную часть лекарства. Другая важная проблема – доставка препарата непосредственно в клетку и из нее, как правило осуществляющаяся посредством некоторых протеинов, присутствующих на клеточной мембране. В некоторых опухолевых клетках часть этих белков может отсутствовать, поэтому цисплатин не может проникнуть внутрь, в то время как в иных клетках действуют, наоборот, настоящие «молекулярные насосы», выбрасывающие все подряд наружу.

Но даже если все препятствия преодолены и цисплатин присоединился к ДНК, еще ничто не говорит за то, что он сможет развернуть свою разрушительную деятельность. ДНК на самом деле постоянно защищается от мутаций, в ней существуют механизмы, способные исправить дефекты и повреждения, – мы рассматривали один несколько страниц назад.

В этом процессе главную роль играет протеин р53, чья функция состоит в регулировании клеточных циклов и которой часто отключен в опухолевых клетках. Если в ходе клеточного митоза обнаруживаются повреждения, они задействуют ряд протеинов, включающих обычно спящий р53. Во время митоза клетка должна пройти через серию проверок, во время которых процесс воспроизводства клетки временно блокируется для контроля правильной последовательности событий и исправления возможных ошибок. Связывание ДНК с цисплатином как раз и приводит к активации р53 и каскаду реакций по исправлению нарушений или запрограммированной смерти клетки. Механизмы, благодаря которым р53 удается оценить повреждения, а следовательно, и вероятность восстановления, до сих пор слишком слабо изучены.

Что ждет нас в будущем?

Несмотря на огромные достоинства цисплатина, он обладает и серьезными побочными действиями, которые препятствуют его широкому распространению. Среди них, несомненно, и токсичное воздействие на почки, и воздействие на нервную систему, хотя сегодня их удается снижать благодаря развитию специальных защитных средств – таких как амифостин, и комбинированию цисплатина с другими противоопухолевыми препаратами. Лечение этим препаратом продолжает быть крайне тягостно для пациента, вынужденного проходить длинные сеансы химиотерапии, требующие госпитализации и помощи врачей и специального персонала. Другая крупная проблема связана с природной или спровоцированной устойчивостью многих опухолей к лечению и возникновению в некоторых случаях вторичных опухолей. Несмотря на то что лечение цисплатином оказало огромное воздействие на современную химиотерапию и лежит и поныне в основе терапии многих твердых опухолей, ученые надеются найти новые вещества, которые бы не имели побочных эффектов вообще или хотя бы были существенно менее токсичны, с которыми бы не возникали проблемы устойчивости и которые бы пациент мог принимать непосредственно на дому и лучше всего перорально. При разработке новых лекарственных средств на базе платины было важно определить связь между структурой молекулы и ее фармакологическим действием так, чтобы дальнейшие исследования шли более быстро и целенаправленно.

Вещества, синтезированные на этой основе, к сожалению, обладают недостатком – они напоминают цисплатин как с точки зрения фармакологических свойств, так и по побочным эффектам.

Из тысяч разных синтезированных и тестированных веществ самым подходящим оказался карбоплатин. Он был создан впервые в 1973 году, но клиническое его использование было одобрено FDA только в 1989 году.

В карбоплатине два связующих хлорида заменены одним хелатом (это часть молекулы, прицепляющаяся к другим ее частям не одним, а сразу двумя оконечностями, в точности как сделал бы клешнями держащийся за два конца краб), и это обеспечивает ему большую стабильность. Как мы уже видели ранее, одной из причин высокой токсичности цисплатина было то, что почти моментально «захватывается» большим количеством разных белков, присутствующих в крови, и только часть его проникает сквозь клеточные мембраны. Использование связей подобного типа оттягивает момент замены отделяющихся от платины групп молекулами воды или белками.

К сожалению, у карбоплатина тоже есть побочные эффекты, и весьма существенные, но его эффективность помогает ежедневно спасать еще больше жизней.

Путь к «совершенной химиотерапии» еще очень долог, это очевидно, особенно для исследователей. Цисплатин изучался пятьдесят лет, и создание новых лекарств на основе платины стало достаточно изведанной областью науки. Но несмотря на это, в этой области до сих пор много неясного, много темных пятен, особенно там, где речь идет о биохимических процессах, лежащих в основе лечения. В любом случае эксперименты над кишечной палочкой, приведшие к созданию серии лекарств, уже спасших и спасающих сегодня миллионы жизней, не могут не заставить задуматься о важности интуиции, фантазии и фундаментальной науки.

Если бы никто не профинансировал странноватую идею Барнетта Розенберга, если бы он сам не обладал трудолюбием и упорством в достижении своих целей, не бросил то, что сначала казалось пустым любопытством, эта глава не была бы написана. Может быть, стоит порой задавать себе вопрос: сколько удивительных чудес прячется до сих пор в вещах, на которые мы не обращаем внимания? А сколько неоконченных исследований из-за отсутствия денег, политических амбиций или отсутствия быстрых ожидаемых результатов могли бы изменить мир?

Мы не можем ответить на этот вопрос, но можем убедиться, что даже с относительно небольшими средствами в распоряжении исследователи могут достигать удивительных открытий. Цисплатин, несмотря на все побочные эффекты, позволил превратить болезнь, еще недавно звучавшую как смертный приговор, в сражение, в котором в большинстве случаев можно победить. И это не может не внушать надежду: тихая и трудная работа, ведущаяся в лабораториях и больницах, в конце концов окупается.

Заключение

Первая лекция, на которую я отправился, поступив в университет, был вводный курс математики, который читали в аудитории 1 старого здания химического факультета Пизанского университета.

Аудитория 1, названная в честь моего земляка Рафаэля Пириа, о котором я рассказывал в книге, внушала священный трепет: это был небольшой амфитеатр, поднимавшийся вверх ступенями, с деревянными скамьями, вытертыми задами бесчисленных поколений студентов, исцарапанные формулами, химическими знаками, прозвищами и признаниями в любви. Внизу, возле профессорской кафедры, где когда-то, наверное, проводились наглядные опыты, запрещенные ныне из-за усиленных требований безопасности, царили огромная доска и периодическая таблица. Но было в этой старинной аудитории и что-то темное, мрачное, некое проклятие – к концу первого года обучения количество студентов на курсе уменьшилось наполовину – около пятидесяти человек ушли.

Иногда эти бедные души встречались нам в университетской столовой и объясняли выжившим, что стресс от математики или физики на других факультетах существенно легче пережить. Ведь многие из них не подозревали, что химия потребует столь усиленного изучения точных наук.

Они полагали, что изучение химии похоже на игру в ученика колдуна, поскольку именно такую химию изучают в школе. Взрывы, реакции, разноцветные жидкости, соединения со странными свойствами: разве не это химия? Им раньше не рассказывали, что химия – это сложнейшая наука, мощное и сложное средство понимания и анализа свойств природы и материи и непрерывных их изменений.

Я надеюсь, что чтение этой книги помогло вам приподнять завесу, за которой прячутся совершенство, красота, тяжкий труд, самоотверженность, любознательность, вопросы и надежды этой удивительной области человеческих исканий. Я надеюсь, что мне удалось зажечь ваше любопытство и показать вам дорогу к новым знаниям, которые ждут вас. И только вы отныне можете решить, как далеко она вас уведет.

Библиография

Источники, которые использовались для написания этой книги слишком многочисленны, чтобы перечислить все. Поэтому я ограничусь рассказом о самых важных и дам ссылки на некоторые труды, более глубоко раскрывающие темы, обсуждаемые в этой книге, – они помогут вам лучше понять химию. В большинстве случаев я основывался на оригинальных статьях или рефератах, опубликованных в международных научных журналах; читать их без специальной подготовки очень трудно. В ссылках на многих страницах книги вы найдете также указания на бесплатные, более простые, доступные ресурсы.

Основной текст, ставший источником для многих идей моей книги, совершенно прекрасен и замечателен. Это книга Луиджи Черути «Химия от истоков в XIX веке до наших дней» (Luigi Cerruti, La chimica dagli inizi del Novecento ai giorni nostri), вышедшая в издательстве Editori Riuniti. Это лучшая книга для всех, кто интересуется зарождением современной науки и проблемами химии: это глубокий, написанный прекрасным языком труд, понятный при определенных усилиях даже неспециалисту. В нем затронуты многие проблемы современной науки, в частности роль химии в глобальном потеплении, успехи зеленой химии, загрязнение планеты пластиковыми отходами и т. д.

Тем из вас, кто интересуется квантовой механикой, особенностями строения и поведения материи, я бы посоветовал «Почему стекло прозрачное» Чандрасекхара (Perché il vetro è trasparente, B.S. Chandrasekhar) – она издавалась неоднократно. Книга имеет небольшой объем и написана вполне доступным языком, однако требует тем не менее определенной концентрации для лучшего понимания: в ней рассматриваются сложные, но имеющие непосредственное отношение к повседневной практике вопросы. Автор не стремится потрясти читателя, не строит футуристических прогнозов, не рассматривает исторические корни проблем и не отвлекается на биографии ученых – ничего лишнего. Каждая строка книги стремится разъяснить читателю то или иное явление. Если вы хотите получить «конкретные» знания о квантовой механике, это наилучшая книга по теме, хотя ее не так уж просто найти сегодня. При определенном везении книгу можно найти в книжном магазине в отделе подержанных книг или на развале; она доступна и в Сети на английском языке, под названием Why things are the way they are (Cambridge University Press, 1998).

Имя Питера Эткинса[59] (Peter Atkins) известно многим студентам химических факультетов: он автор целого ряда учебных курсов. Однако он написал также несколько очень хороших научно-популярных книг, например, его авторству принадлежит Thermodynamics: Four Laws That Move the Universe (Четыре закона, управляющих Вселенной) – она рассказывает о законах термодинамики ясно, просто и интересно. Я бы посоветовал еще и его же книгу Physical Chemistry: A Very Short Introduction (Физическая химия: краткое введение) – замечательная научно-популярная книга, с помощью которой можно проверить, действительно ли вы увлечены химией и достаточно ли у вас знаний математики.

А если вас интересует что-то менее теоретическое, нельзя не упомянуть книги Дарио Брессанини (Dario Bressanini) – увлекательные рассказы о пищевой химии. Он написал множество эссе просветительского характера, которые тоже послужили мне источниками, например Contro Natura (Против природы), изданное Rizzoli, совместно с Beatrice Mautino (Беатриче Маутино), или Pane e Bugie (Хлеб и ложь), увидевшее свет в издательстве Chiarelettere. Вам стоит непременно прочесть эти книги, если вы хотите больше узнать о спорных научных темах, связанных с питанием и сельским хозяйством. А книги La Scienza della Pasticceria (Наука о булочках) и La Scienza della Carne (Наука о мясе), обе появившиеся в итальянском издательстве Gribaudo, можно назвать более «химическими» – они рассказывают, что происходит с точки зрения химии во время приготовления ваших любимых блюд.

Книги, которые я назвал, помогут вам сформировать всесторонний взгляд на химические процессы, они не только научно-популярные, но и до определенной степени «обучающие». Они написаны учеными и многому вас научат, позволят взглянуть на мир с неожиданной стороны, однако потребуют при чтении внимания и концентрации.

Кроме уже упомянутых, в большом количестве издаются научно-популярные книги более развлекательного характера, напоминающие сборники рассказов, – их можно читать и на пляже в отпуске или перед сном в кровати.

Прежде всего я хотел бы упомянуть книгу, которую каждый должен бы иметь в своей библиотеке: это «Периодическая система» Примо Леви[60]. Нет на свете другого такого поэтичного и прекрасного рассказа о химии, составленный из автобиографических рассказов, в которых Леви вспоминает о жизни и чувствах, увиденных глазами ученого. Книга была опубликована в 1975 году и сразу получила всемирное признание как самая прекрасная из когда-либо написанных книг о науке, «The best science book ever written», по мнению Королевского института Великобритании.

Также нельзя обойти вниманием книгу Uncle Tungsten: Memories of a Chemical Boyhood (Дядя Вольфрам: Воспоминания о химическом отрочестве), рассказ о юношеской любви к химии знаменитого врача и писателя Оливера Сакса[61]. И эту книгу увлекающимся химией ни в коем случае пропускать нельзя.

Пожалуй, с автобиографиями на этом можно закончить – ведь помимо них издано множество любопытных текстов, представляющих собой повести о любопытных фактах, приключениях, людях, так или иначе связанных с химией и химическими элементами.

Среди самых известных нельзя пропустить книгу Джо Шварца[62] (Joe Schwarcz) That’s the Way the Cookie Crumbles: 62 All-New Commentaries on the Fascinating Chemistry of Everyday Life, которая просто и доступно рассказывает о многих проблемах современной химии, а также издание Gianni Fochi. La chimica fa bene (Джанни Фоки. Химия – хорошая штука), вышедшую в издательстве Giunti.

Очень интересно читать также Napoleon’s Buttons: How 17 Molecules Changed History (Пуговицы Наполеона. Как 17 молекул изменили историю) авторов Penny Le Couteur и Jay Burreson. Книга на исторических примерах, от падения Рима до Бородинской битвы, рассказывает, как законы химии влияли на человеческие поступки.

А закончить свой список я хотел бы книгами о периодической таблице элементов: Sam Kean. The Disappearing Spoon (Сэм Кин. Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева. Эксмо, 2015) и Hugh Aldersey-Williams. Periodic Tales: A Cultural History of the Elements, from Arsenic to Zinc (Хью Олдерси-Уильямс. Научные сказки периодической таблицы. Занимательная история химических элементов от мышьяка до цинка. АСТ, 2019). Главными героями этих книг стали химические элементы – в легкой и популярной форме они рассказывают историю их открытия и изучения.

Примечания

1

Джакомо Леопарди (1798–1837) – крупнейший романтический поэт Италии, выразитель беспросветной «мировой скорби»; в Италии его творчество входит в школьную программу. На русский язык стихи Леопарди переводили Анна Ахматова и Анатолий Найман (прим. пер.).

2

Офиология (греч., от ophis – змея, и lego – говорю) – наука о змеях, часть естественной истории, рассматривающая змей (прим. пер.).

3

Пино Даниэле (Джузеппе Даниэле, 1955–2015) – итальянский автор-исполнитель и гитарист (прим. пер.).

4

Реклама минеральной воды Acqua Lete, в которой одинокий ион натрия, плавая в стакане воды, спрашивает, есть ли еще там ему подобные. В Италии этот рекламный ролик стал распространенным мемом: https://www.youtube.com/watch?v=D9wrpmAwAzM

5

Чтобы узнать побольше об этом, можно почитать разъяснения в книге (доступна бесплатно): N. J. Temple: Fat, Sugar, Whole Grains and Heart Disease: 50 Years of Confusion, Nutrients (2018).

6

ФАО, Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН, издает множество бесплатных, высококачественных пособий по различным вопросам сельского хозяйства.

7

Pale Blue Dot (англ. бледно-голубая точка) – название, предложенное американским астрономом, астрофизиком и выдающимся популяризатором науки для фотографии нашей планеты на фоне космоса, сделанной космическим зондом «Вояджер-1» с рекордного расстояния (прим. пер.).

8

Если история Фрица Габера вас заинтересовала, я могу посоветовать прочесть статью A brief biography of Fritz Haber/Краткая биография Фрица Габера Бретислава Фридриха (Bretislav Friedrich), размещенную на сайте Института им. Фрица Габера Общества Макса Планка в Берлине (Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft; https://www.fhi-berlin.mpg.de/history/Brief_Bio_Haber.pdf).

9

Badische Anilin– und Soda-Fabrik, в переводе с немецкого – «Баденский анилиновый и содовый завод», крупнейший в мире немецкий химический концерн, основан в 1865 году (прим. пер.).

10

Эта фраза была приписана Кларе Моррисом Гораном (Morris Goran) в книге The Story of Fritz Haber, University of Oklahoma Press (1967).

11

Сводный отчет ВОЗ/ФАО за 2016 год доступен по адресу https://www.who.int/foodsafety/jmprsummary2016.pdf?ua=1.

12

Вы можете прочесть окончательный документ МАИР по адресу: https://www.iarc.who.int/featured-news/media-centre-iarc-news-glyphosate/.

13

Много интересного по этой теме можно найти в монографии МАИР 100D, Solar and Ultraviolet Radiation (Солнечное и ультрафиолетовое излучение). Она находится в свободном доступе по адресу: https://monographs.iarc.fr/wp-content/uploads/2018/06/mono100D-6.pdf.

14

Рекомендации Европейского агентства по безопасности продуктов питания можно прочесть в пресс-релизе от 12 ноября 2015 года: Glyphosate: EFSA updates toxicological profile (Глифосат: обновление токсикологической характеристики), в свободном доступе по адресу: https://www.efsa.europa.eu/en/press/news/151112.

15

Ведущий американский журнал для публикации оригинальных научных исследований в различных областях, главным образом в биологии и медицине, а также по физике и социальным наукам, официальный орган Национальной академии наук США (прим. пер.).

16

Эта интересная и не слишком технически перегруженная статья Брюса Эймса доступна онлайн бесплатно: Dietary pesticides (99.99 % all natural), Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87 (1990), https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC54831/pdf/pnas01044-0440.pdf.

17

Больше подробностей можно найти в статьях A. Muller et al., Strategies for feeding the world more sustainably with organic agriculture, Nature Communications (2017) и V. Seufert, N. Ramankutty, J. A. Foley, Comparing the yields of organic and conventional agriculture, Nature (2012).

18

Об этом можно почитать четвертый доклад сельскохозяйственного курса Рудольфа Штейнера (https://search.rsl.ru/ru/record/01001791866). Более детальное описание органического и биодинамического сельского хозяйства можно прочесть в прекрасной книге Dario Bressanini. Pane e Bugie (Дарио Брессанини. Хлеб и свечи), Chiarelettere, Milano, 2010 и в его блоге в журнале «Le Scienze»: Biodinamica®: cominciamo da Rudolf Steiner (Биодинамика: начнем с Рудольфа Штейнера), http://bressanini-lescienze.blogautore.espresso.repubblica.it/2011/02/21/biodinamica%C2%AE-cominciamo-da-rudolf-steiner/.

19

Международное энергетическое агентство, отчет от 08 октября 2018 года, см. по адресу: https://www.iea.org/news/modern-bioenergy-leads-the-growth-of-all-renewables-to-2023-according-to-latest-iea-market-forecast.

20

Прежде чем начать строить подъемник на макаронах, прочтите следующие абзацы – вы поймете, что в реальности всю энергию использовать невозможно.

21

Это одна из самых распространенных гипотез, но она не обязательно верна. Существуют и иные альтернативные теории, более обнадеживающие. Вокруг них сейчас ведутся серьезные дискуссии.

22

Один микрограмм (мкг) соответствует 0,001 миллиграмма (мг), то есть одной миллионной грамма. Эти данные взяты из отчета за 2007 год Национального бюро экономических исследований США: «Экологическая политика как социальная политика? Влияние воздействия потребления свинца в детстве на преступность» (National Bureau of Economic Research: Environmental Policy as Social Policy: the impact of childhood lead exposure on crime https://www.nber.org/papers/w13097).

23

European Union Risk Assessment Report, 3rd Priority List, Volume 19, Tert-Butyl Methyl Ether/Отчет об оценке рисков Европейского Союза, 3-й приоритетный список, Том 19, Трет-бутилметиловый эфир (2002), в свободном доступе онлайн.

24

Указ D-5-99 Губернатора штата Калифорния (1999).

25

Чтобы узнать подробности, вы можете ознакомиться с Директивой 2009/30/EC Европейского парламента и Совета Европы от 23 апреля 2009 г.

26

Я бы отметил по этой теме недавнюю статью в журнале Nature, ее авторы – R. Neukom и его коллеги: No evidence for globally coherent warm and cold periods over the preindustrial Common Era/Отсутствие свидетельств о чередовании теплых и холодных периодов в течение доиндустриальной эпохи (2019). Также интерес вызывает статья J. L. Powell, The Consensus on Anthropogenic Global Warming Matters/Консенсус по вопросам антропогенного глобального потепления, Bulletin of Science, Technology & Society (2016), показывающая, что консенсус научной общественности по этой теме достигает 99,94 %.

27

Подробности см. в отчетах Министерства здравоохранения Италии, они доступны в Сети: https://www.salute.gov.it.

28

Чтобы узнать больше, см. статью G. Mastrangelo, E. Fadda, V. Marzia, Polycyclic aromatic hydrocarbons and cancer in man, Environ Health Perspect (1996) или отчет ВОЗ: Exposure to Benzene: a major public health concern (2010).

29

R. Dittmeyer, M. Klumpp, P. Kant, G. Ozin, Crowd oil not crude oil, Nature Communications (2019).

30

Вам, конечно, интересно, почему у меди столь странный символ Cu? Он получился из латинского названия Cuprum, в свою очередь происходящего от названия острова Кипр – Cyprium, на котором когда-то добывали медьсодержащую руду.

31

P. B. Tchounwou, C. G. Yedjou, A. K. Patlolla, D. J Sutton, Heavy Metals Toxicity and the Environment/Тяжелые металлы: токсичность и окружающая среда, Molecular, Clinical and Environmental Toxicology (2012).

32

Чемпионат, популяризирующий использование электромобилей, инициированный Международной автомобильной федерацией. Второй его целью стало создание лаборатории для исследований и разработки электрических транспортных средств (прим. пер.).

33

ISPRA, отчеты 303/2019, Факторы выбросов в атмосферу парниковых газов в электротехнической промышленности Италии и крупных стран Европы.

34

TERNA S.p.A. (итальянская компания, владеющая сетью высоковольтных линий в Италии). Статистические данные по электроэнергии Италии (2017).

35

U. S. Energy Information Administration, Short-Term Energy Outlook, май 2017 года.

36

European Commission Scientific Committees Fact Sheet, Parabens use in cosmetics (Информационный бюллетень научных комитетов Европейской комиссии, Использование парафинов в косметике), https://ec.europa.eu/health/sites/health/files/scientific_committees/docs/citizens_parabens_en.pdf.

37

Краткая биография Мюллера опубликована в журнале Nature в связи с его смертью, с ней можно ознакомится здесь: https://www.britannica.com/biography/Paul-Hermann-Muller.

38

https://www.annefrank.org/en/anne-frank/who-was-anne-frank/russian/.

39

Подробный отчет о ситуации, с которой встретились союзники, можно найти в статье C. Wheeler, Control of Typhus in Italy 1943–1944 by Use of DDT, American Journal of Public Health, 36, 1946. DOI: 10.2105/ AJPH.36.2.119.

40

Сайт ECHA (https://echa.europa.eu) – настоящая сокровищница ценной информации на разных языках. Там вы сможете найти ответы на любые вопросы о безопасности тех или иных химических соединений.

41

«Базовое правило: нет данных, нет рынка». Цитата из: https://echa.europa.eu/support/getting-started/manufacturer.

42

P. T. Anastas, J. Warner, Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, Inc. 2000.

43

https://www.acs.org/content/acs/en/greenchemistry/principles/12-principles-of-green-chemistry.html.

44

Подробный отчет о ситуации, с которой встретились союзники, можно найти в статье C. Wheeler, Control of Typhus in Italy 1943–1944 by Use of DDT, American Journal of Public Health, 36, 1946. DOI: 10.2105/ AJPH.36.2.119

45

Токсикологическую информацию по этому веществу можно найти на сайте ECHA (https://echa.europa.eu): искать нужно по номеру CAS, 79-01-6.

46

Escherichia coli – бактерия, обитающая в нашем организме и помогающая нам переваривать разную пищу. Но она может вызывать и воспалительные процессы, если попадает из кишечника в другие части организма. Это одна из самых изученных в мировых лабораториях бактерий, она служит незаменимой моделью для генной инженерии и самым популярным персонажем в промышленной биотехнологии, используется для синтеза самых разных веществ.

47

N. Hachiya, The History and the Present of Minamata Disease, Japan Medical Association Journal (2006) и T. Yorifuji, T. Tsuda, M. Harada, Minamata Disease: a Challenge for Democracy and Justice in Late Lessons from early Warnings: Science, Precaution, Innovation (2013).

48

Подробно история рассказана в статье D. W. Nierenberg et al., Delayed Cerebellar Disease and Death after Accidental Exposure to Dimethylmercury, N. Engl. J. Med. (1998).

49

Голубой флаг – международная награда, ежегодно вручаемая с 1987 года пляжам и причалам, вода в которых отвечает высоким стандартам качества и пригодна для безопасного купания (прим. пер.)

50

Подробности см. в статье: T. S. S. Rao и C. Andrade, The MMR vaccine and autism: Sensation, refutation, retraction, and fraud, Indian J. Psychiatry (2011).

51

Вот еще ссылки, связанные с этой как никогда ранее актуальной темой: https://time.com/5175704/andrew-wakefield-vaccine-autism/, https://www.historyofvaccines.org/content/articles/history-anti-vaccination-movements, и особенно: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2376879.

52

Сворачивание белка – фолдинг (англ. folding) в биологической терминологии (прим. пер.).

53

Per approfondimenti, vi rimando alla consultazione della Direttiva 2010/63/ UE del Parlamento Europeo e del Consiglio del 22 settembre 2010 sulla protezione degli animali utilizzati a fini scientifici (https://eur-lex.europa.eu/legal-content/IT/TXT/PDF/?uri=CELEX:32010L0063&from=EN).

54

https://www.pnas.org/content/115/5/E886; оригинальная статья Rezaei Araghi, R. et al. Iterative optimization yields Mcl-1-targeting stapled peptides with selective cytotoxicity to Mcl-1-dependent cancer cells. Proc. Natl. Acad. Sci. 115, E886–E895 (2018).

55

A. Albertin, Padova, scoperta la molecola killer che uccide i tumori (А. Альбертин. В Падуе открыта молекула-киллер, убивающая раковые клетки), Il Giornale (2017).

56

V. Guarcello, Scoprirono a Urbino la molecola anti tumore, la storia dei due professori ancora senza finanziamenti (В. Гарцелло. В Урбино открыт противоопухолевый препарат: история двух профессоров, не получивших финансирования), IFG Urbino (2016).

57

Паскаль Б. Мысли. СПб.: Пальмира, 2017.

58

Подробности можно найти в статье A. Witze Astronaut twin study hints at stress of space travel, Nature (2017).

59

Книги Питера Эткинса неоднократно переводились на русский язык различными издательствами (прим. пер.).

60

Il sistema periodico. Primo Levi. Книга издана на русском языке издательством Текст в 2008 году (прим. пер.).

61

Многие книги Оливера Сакса переведены на русский, публиковались издательством АСТ; в электронной форме выложены на платформе ЛитРес https://www.litres.ru/oliver-saks/. К сожалению, упоминаемые книги пока на русский не переведены (прим. пер.).

62

На русский язык переведена его книга «Загадки современной химии. Правда и домыслы» (АСТ, 2018) (прим. пер.).

Content

Джузеппе Алончи
Дело в химии. Как все устроено?

Введение

Лекция 1 На кухне

Химия в тарелке

Химические элементы, атомы и молекулы

Щепотка натрия и гималайская соль

От неорганических соединений к органике: что нам нужно для жизни?

Хорошо или плохо?

Лекция 2 В магазине

Химия сельского хозяйства

Откуда растения берут энергию

По ту сторону света

Как аммиак спас (и разрушил) мир

Удобрения и биология

Биология, биодинамика и сельское хозяйство будущего

Лекция 3 В автомобиле

Кто едет медленно… тот и опаздывает!

Соревнование, в котором нет победителей

Химия ископаемого топлива

Ископаемое топливо как источник загрязнений

Электрический мир

Электромобили и автомобили на водороде: мечта красивая, но трудоемкая

Что готовит нам будущее?

Лекция 4 В зеркале

Химия красоты

Вода, масло и крем для красоты

Да будет свет

Светлячки, медузы и микроволновка

Разноцветный мир

Лекция 5 В парке

Не вся грязь происходит от химии

Безмолвная весна

Зеленая химия

Безумный Шляпник

Химия – источник загрязнения?

Лекция 6 В аптеке

Химия в пилюле

Правильная идея

Химия на компьютере

От письменного стола… в лабораторию!

Из лаборатории… к пациенту!

Природные лекарства: действуют ли они на самом деле?

Лекция 7 У врача

Химия опухоли

Как появляются опухоли?

Опухоли, pH и щелочные диеты

Прозорливость

Что ждет нас в будущем?

Заключение

Библиография

Примечания