Книги
Кислород. Молекула, изменившая мир
С тех пор как в 1770-х годах кислород был открыт, ученые горячо спорят о его свойствах. Этот спор продолжается по сей день. Одни объявляют кислород эликсиром жизни — чудесным тонизирующим препаратом, лекарством против старения, косметическим средством и перспективным методом лечения. Другие воспринимают его как огнеопасное вещество и страшный яд, который в конце концов уничтожит нас всех.
Ник Лэйн ответит на вопрос: кислород — наш единственный шанс на выживание или самый худший враг?
1.0 — создание файла — Demon2414
Ник Лэйн
Кислород
Молекула, изменившая мир
Посвящается Ане
Благодарности
Я хочу выразить самую большую благодарность трем людям, без которыx идея создания книги, возможно, никогда бы не была реализована. В первую очередь это Джон Эмсли, чьи увлекательные научные труды и щедрый исследовательский дух вдохновили многих восприимчивых химиков и писателей. Я благодарен ему за то, что он ввел меня в издательство
Я также выражаю признательность многим другим людям, которые нашли время, чтобы прочесть и прокомментировать отдельные части книги. Я очень благодарен коллегам, которые подробно ответили на мои письма. Я благодарю профессора геологии и геофизики из Йельского университета Роберта Бернера, профессора экологии из Университета Южной Дании в Оденсе Дональда Кэнфилда, Жозе Кастрезану из отдела биоинформатики Европейской молекулярно-биологической лаборатории в Гейдельберге, лектора по прикладной химии из Университета Абертай в Данди Дэвида Бремнера, профессора биологической геронтологии из Университета Ньюкасла Тома Кирквуда, профессора клеточной биологии растений из Университета Лунда в Швеции Джона Аллена и профессора физиологии из Университета Комплутенсе в Мадриде Густаво Барху. Я также хочу поблагодарить некоторых моих коллег за плодотворные дискуссии: лектора по хирургии из Независимого королевского госпиталя Лондона Барри Фуллера, лектора по биохимии растений и биотехнологии из Университета Абертай в Данди Эрику Бенсон, пионеров в исследовании гемоксигеназ из Института медицинских исследований в Нортвик Парке в Лондоне Роберто Моттерлини и Роберту Форести и неутомимого руководителя этого института профессора Колина Грина.
Я выражаю благодарность моим друзьям, которые прочли и прокомментировали значительные фрагменты текста, что позволило мне сделать книгу более занимательной или хотя бы менее мучительной для читателя. Я благодарен Винсу Десмонду, Яну Эмброузу, Эллисон Джонс, Полу Эсбури, Малкольму Дженкису и Майку Картеру. Я благодарю моих родителей и моего брата Макса за вдохновенные обсуждения стиля и стремление приблизиться к научным проблемам с другой стороны культурного раздела, а также за их бесконечную поддержку. Без них я бы никогда не взялся за этот труд.
Но даже при такой помощи мне не удалось избежать некоторых ошибок и неточностей. К счастью, рукопись попала в руки опытного литературного редактора Элинор Лоуренс, которая внесла в текст множество исправлений. Наконец, я благодарю Эбби Хидона из издательства
Глава первая. Введение. Эликсир жизни и смерти
Очень трудно охарактеризовать кислород. С момента его открытия в 1770-х гг. его свойства и химические реакции вызывали споры и среди ученых, и среди шарлатанов. Эти противоречия не разрешены до сих пор. Кислород вдыхают как эликсир жизни — чудодейственный тоник, средство против старости, источник красоты и мощное лекарство. Но тот же кислород — огнеопасное вещество и смертельный яд, который в конце концов нас убивает. Популярная пресса полна противоречивых высказываний. Говорят, что вдыхание чистого кислорода в «кислородных барах» и медицинских клиниках творит чудеса, тогда как противоположные, аскетичные условия «высокогорной терапии» якобы устраняют избыточный кислород. Лечение так называемым активным кислородом (под которым подразумевают озон или пероксид водорода) считают чудодейственным средством от бактериальных инфекций и даже от рака. Но в то же время нам говорят, что секрет долголетия заключается в употреблении в пищу антиоксидантов, которые защищают нас от тех же самых «активных» форм кислорода. Кажется, кислород, как магнит, притягивает к себе самые разные глупости и противоречия.
Но какими бы путаными ни были наши представления, они сходятся в одном: кислород — очень важное вещество. В конце концов, если мы перестанем им дышать, то через несколько минут умрем. Человеческое тело устроено так, что кислород может поступать ко всем 15 миллионам миллионов составляющих его клеток. Символичный красный цвет крови объясняется простой химической связью между кислородом и гемоглобином в красных клетках крови (эритроцитах). Страх задохнуться или утонуть — физически лишиться доступа кислорода — одно из самых жутких ощущений для любого человека. Планета без кислорода в нашем представлении — изрытое кратерами безжизненное пространство вроде Марса или Луны. Наличие кислорода в атмосфере — лакмусовая бумажка, свидетельствующая о присутствии жизни: вода указывает на возможность существования жизни, но кислород говорит о ее присутствии — только живые существа могут создавать ощутимое количество кислорода в атмосфере. Даже если оставить в стороне эмоциональную сторону вопроса, все согласны, что вырубка дождевых лесов и загрязнение океанов лишают Землю ее «легких», наполняющих атмосферу животворящим кислородом. Как мы увидим дальше, это не так, однако такая точка зрения указывает на нашу чрезвычайно высокую оценку значимости кислорода. Возможно, не так уж и странно, что мы приписываем этому газу без цвета и запаха мистические и целебные свойства.
Эта книга — о кислороде, а еще о жизни и о смерти: о том, как и почему жизнь создала кислород и адаптировалась к нему, об эволюции и о будущей жизни на Земле, об энергии и здоровье, болезнях и смерти, половом размножении и воспроизведении, о нас самих. Об истинном значении кислорода многие из нас даже не подозревают, а оно гораздо удивительнее всех его оздоровительных свойств. Но прежде чем отправиться в путь, давайте определим правила игры. Кислород — лекарство или яд? Или и то и другое? И в чем разница? Простейший способ найти ответ — отправиться в прошлое, к самым истокам возникновения жизни на Земле.
Даже история изучения кислорода является спорной. Первенство в открытии этого элемента приписывают английскому священнику и химику Джозефу Пристли, шведскому аптекарю Карлу Шееле или французу, сборщику налогов и создателю современной химии Антуану Лавуазье. Шееле был первым из трех, но слишком долго выжидал и шесть лет не публиковал свои результаты. Пристли получил кислород в 1774 г., пропуская сфокусированный луч солнечного света через оксид ртути, и быстро написал на эту тему три трактата. Эти двое вполне могли бы разделить между собой лавры первооткрывателей, однако никто из них не смог полностью оценить значение собственного открытия. Оба отметили, что в чистом кислороде горение происходит активнее (Шееле даже назвал открытый им газ «огненным воздухом»), но оба воспринимали горение неверно, считая, что при горении не затрачивается кислород, а выделяется невидимое вещество («флогистон»). Они воспринимали кислород как чистый воздух, лишенный примеси флогистона.
Революционер в химии и консерватор в политике Лавуазье разрушил эту извращенную идею за год до французской революции. Лавуазье дал новому газу название «кислород» и окончательно доказал, что именно кислород является активным компонентом воздуха[1]. Он заявил, что горение — это реакция между кислородом и углеродом или другими веществами. В знаменитом эксперименте он показал, что алмазы Священной Римской империи (состоящие из углерода) испаряются при нагревании в присутствии кислорода (в этой реакции образуется углекислый газ), но в бескислородной среде устойчивы при нагревании. Алмазы вечны только в среде без кислорода. Лавуазье пошел дальше. Собирая газы и используя свои сверхчувствительные весы, он показал, что горение и человеческое дыхание — по сути один и тот же процесс: в обоих случаях происходит реакция между кислородом и веществами, содержащими углерод и водород, и образуются вода и углекислый газ.
Лавуазье занимался опытами по взвешиванию газов, выделяющихся при дыхании и потоотделении, когда за ним пришли солдаты революционного трибунала в сопровождении безумной толпы. За время своей научной деятельности Лавуазье нажил влиятельных врагов, в числе которых был вождь революции Жан-Поль Марат. По нелепому обвинению в подмешивании воды в табак и присвоении причитающихся государству налогов Лавуазье был приговорен к смертной казни и гильотинирован в мае 1794 г. Узнав об этом, знаменитый математик Лагранж заметил: «Понадобилось лишь одно мгновение, чтобы отрубить эту голову, но, может быть, и столетия будет мало, чтобы создать подобную ей».
Забавно, но эта знаменитая история об открытии кислорода, по-видимому, неверна. Алхимики не только обнаружили его намного раньше, но и имели совершенно четкое представление о его значении. В 1604 г., за 170 лет до Шееле, Пристли и Лавуазье, польский алхимик Михаил Сендивогий писал: «Человек возник на Земле и живет на ней благодаря воздуху; в воздухе есть тайная пища для жизни... чей сконцентрированный невидимый дух лучше, чем вся Земля». Он предположил, что эта «воздушная пища жизни» циркулирует между воздухом и землей в виде необычной соли — селитры[2]. При нагревании до температуры выше 336 °С селитра разлагается, высвобождая кислород, который алхимики называли
В 1621 г. Дреббель блестящим образом продемонстрировал практическое значение кислорода. К тому времени он уже создал для короля Англии Якова I вечный двигатель, заряжающийся от солнечного света, различные холодильники и автоматы, а теперь сконструировал первую в мире подводную лодку. Яков в окружении тысяч подданных расположился на берегу Темзы, чтобы посмотреть на первое путешествие корабля длиной в десять миль — из Вестминстера до Гринвича. Управляемая двенадцатью гребцами деревянная субмарина провела под водой около трех часов. Интереснее всего, как Дреббелю удалось осуществлять снабжение гребцов свежим воздухом на протяжении всего этого времени. По свидетельствам очевидцев, которые позднее (в 1660 г.) обсуждал великий химик Роберт Бойль, для замены «жизненно важной части воздуха» Дреббель использовал бутыль жидкости (по другим данным, это был газ):