Текст книги "Мир, созданный химиками. От философского камня до графена"

Великий ДДТ

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

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

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

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

Ядовитая помойка

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Глава 6 Из дрожжей

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

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

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

Переварить можно все, но не всем

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

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

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

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

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

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

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

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

Двоюродные братья по лактозе

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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