Текст книги "Дело в химии. Как все устроено?"

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 (CH₄) и бутан (C₄H₁₀), 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 CH₃CH₂OH), 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 (SO₄^2-), нитрат-ион – азот и кислород (NO₃^-), аммиак – азот и водород (NH₃) 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]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).


[Закрыть]. 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?