Текст книги "Металлы, которые всегда с тобой"
Автор книги: Ефим Терлецкий
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 12 страниц)
Металлы, которые всегда с тобой
ТЕРЛЕЦКИЙ Ефим Давидович – инженер; наряду с основной работой нанимается научной популяризацией. Его перу принадлежит ряд научно-популярных статей в центральных газетах и журналах и книга «Лик невидимки» (М., Химия. 1982), удостоенная диплома на ежегодном конкурсе Всесоюзного общества «Знание» на лучшее произведение научно-популярной литературы.
Рецензенты – Н. И. Гринкевич, доктор медицинских наук, профессор;
А. Ф. Топунов, кандидат биологических наук.
Металлы, которые всегда с тобой. Микроэлементы и жизнеобеспечение организма.
Издательство «Знание», 1986
Предисловие
Рискуя повторить незабвенного Козьму Пруткова, простодушно воскликнувшего когда-то: «Глядя на мир, нельзя не удивляться!», все же призовём читателя ещё раз поразиться красоте, гармонии и целесообразности устройства Природы. И возьмём лишь сравнительно узкую область – мир металлов. Но не тот знакомый и зримый мир металлов вокруг нас, а тот, который внутри нас, неведомый и невидимый. Это микромир металлов – химических элементов, без которых невозможны процессы жизни.
О том, что в организме содержатся металлы, науке было известно давно. Но их исключительное значение для живой природы открылось не сразу. Для этого понадобились долгие годы исканий. Картина стала проясняться всего несколько десятилетий назад, когда всемогущая физика с её совершенными методами анализа неумолимо вторглась в биологию, а вездесущая химия ещё дальше проникла в медицину. И вот на стыке наук открылись новые горизонты познания.
Сегодня твёрдо установлено, что для живых существ необходимы по крайней мере 10 металлов: железо, медь, магний, кобальт, цинк, марганец, молибден, натрий, калий и кальций. Их называют металлами жизни. Содержание большинства из них в организме ничтожно. Но отсутствие хотя бы малой толики любого такого микроэлемента приводит к недугам. Металлы жизни и их соединения чрезвычайно заинтересовали учёных различных направлений. Это позволило найти принципиально новые подходы к лечению болезней, считавшихся раньше неизлечимыми.
Однако с металлами «внутри нас» далеко не все ясно. Здесь ещё много неразгаданного, и, может быть, самое удивительное впереди. Но и то, что сегодня известно, на наш взгляд, достойно удивления. Впрочем, читатель сможет судить об этом сам.
С железом в крови
Слово «руда» когда-то означало кровь. И не напрасно наши предки связывали цвет руды с цветом крови. Сегодня мы знаем: и крови, и руде цвет придаёт железо, хотя оно содержится и не во всей крови, а только в красных тельцах – эритроцитах, где сосредоточено в гемоглобине.
Про железо, разумеется, читатель знает немало. О гемоглобине же многие имеют лишь самое общее представление – лишь бы был в норме! Между тем именно гемоглобину природа доверила один из самых своих тончайших процессов – доставку кислорода живой клетке.
Слово «гемоглобин» – искусственно созданная комбинация из греческого гемо – кровь и латинского глобус – шар. По сути гемоглобин представляет собой дыхательный пигмент крови, состоящий из гема – железосодержащего соединения, и белка – глобина. Так вот, если быть совсем уж точным, то перенос кислорода в организме осуществляет не гемоглобин и даже не гем, а заключённое в нем железо.
Итак, наш рассказ о первом и первостепенном металле, о железе, знакомом и незнакомом. Знания о нем теряются в глубине веков, и определить точно, когда впервые человек познакомился с этим металлом, трудно. Известно, что на разных континентах знакомство это состоялось в разное время. Древние греки до Гомера (примерно X век до н. э.) железа не знали. В Америке ацтеки до нашествия в XVI веке испанских конкистадоров железа не знали. Папуасы Новой Гвинеи до прихода к ним Миклухо-Маклая во второй половине XIX века железа не знали. Даже и в наши дни существуют племена, по уровню развития пребывающие ещё в каменном веке и не ведающие о железе, хотя над ними летают реактивные лайнеры, а кинодокументалисты снимают их самой совершенной аппаратурой. Установлено одно: сначала узнали метеоритное железо, а уж потом, тысячелетия спустя, освоили его выплавку из руд. Древнейшие железные предметы, найденные археологами в Египте (IV тысячелетие до н. э.), сделаны именно из метеоритного железа.
То, что камни падали с неба, думается, не очень смущало наших предков. С неба светило солнце, шёл дождь, по библейским преданиям, даже сыпалась манна. Так почему же с неба не могли падать камни? Так, видимо, и зародились первобытные представления о небесном происхождении металлов. В Древнем Египте железо называли «би-ни-пет», что буквально означало «небесный металл», древнегреческое название железа «сидерос» происходит от слова звеада, а в древнеармянском языке железо – «ер-кат» значит «капнувший с неба»
Почему железо падает с неба
Древние мудрецы, не обладая ещё подлинными научными познаниями, силой своёго разума связали происхождение металлов сначала с небесными явлениями, а потом и с планетами. Железо, например, отождествляли с планетой Марс, и, как оказалось сегодня – не случайно. Анализ марсианского грунта, по внешнему виду напоминающего ржавчину, показал, что он и в самом деле состоит из окислов железа. Они-то и придают всей планете зловещий красноватый цвет, побудивший древних назвать её именем кровавого бога войны – Марса.
7 планет и 7 металлов было известно в древности, и вообще число 7 считалось магическим. А если отбросить магию, то следует признать, что древние были правы насчёт космического происхождения металлов. Действительно, атомы металлов, да и вообще всех химических элементов, возникли в недрах звёзд.
Астрономы, поэты и влюблённые, обращая свой взор к звёздам, видели примерно одно и то же. И лишь физики, взглянув на светила своим особым «физическим» взглядом, почище иных фантастов смогли представить таинство рождения звёздных атомов. Начало всему – атом водорода, из которого, по существу, построена Вселенная. Наш мир более чем на 70 % состоит из этого элемента – недаром ему присвоен первый номер. В условиях чудовищных звёздных давлений и температур атомы водорода, сливаясь, образуют атомы более тяжёлых элементов и, в первую очередь гелия – элемента номер два. Синтез гелия – ядерная реакция, знаменитый «термояд» – и есть та печка, от которой пляшут атомы остальных элементов.
В самом конце последовательных ядерных реакций при совершенно невообразимой температуре 4 млрд. градусов рождаются атомы железа. Все имеет свой предел, и цепочка ядерных превращений – тоже. С появлением железа она обрывается. На этом термоядерные ресурсы звезды исчерпаны. Преодолеть железный барьер ей не под силу. Звезда начинает сжиматься. Затем она взрывается, рассеивая вокруг своё вещёство. Астрономы говорят в таких случаях: вспыхнула сверхновая звезда. А это значит – родилось железо.
Теперь с большой долей вероятности мы можем ответить на вопрос: почему железо падает с неба? Последнее время появились весьма обоснованные предположения, что наша Солнечная система образовалась именно в результате взрыва сверхновой звезды. Разлетевшиеся при этом осколки – это астероиды, минипланеты, со множеством из которых часто встречается Земля. Те из них, что сумели пробить броню нашей атмосферы, попадают к нам в виде метеоритов.
Несколько слов о кларках
Да, железо один из самых распространённых элементов, и это не случайно. Поведением атомов, где бы они ни находились, управляет Великий Периодический Закон. Характер же химического элемента, то есть его свойства и распространённость, определены порядковым номером в менделеевской таблице.
Но как узнать, много или мало содержится данного элемента в природе? И чего, например, больше: свинца, известного с незапамятных времён, или незнакомца циркония, производство которого освоили всего лишь несколько десятилетий назад? Для этого нужны средние данные распространённости элементов. Счёт на кристаллы и молекулы, который ведут геологи, не устраивает геохимиков, учитывающих атомы.
Для того чтобы знать распространённость элемента, нужно вычислить среднее значение его содержания, допустим, в земной коре. Это же так очевидно! Увы, очевидное становится таковым далеко не всегда и не сразу. То, что было вполне ясно ещё 100 лет назад главному химику геологической службы США и куратору минералогического собрания Национального музея Франку Уиглсуорту Кларку, совершенно не воспринималось его коллегами.
Кларк затеял очень трудоёмкую, кропотливую и, по мнению многих, бесполезную работу, на которую ушло 40 лет. Есть время собирать материал и время его обобщать. Так вот, Кларк обобщил многочисленные данные о составе различных минералов, которые скрупулёзно до него получили другие исследователи. Четыре десятилетия жизни и горы статистических выкладок. Нужно было обработать результаты более чем 5000 анализов и, наконец, установить, что в составе земной коры преобладают 8 химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. И вот когда труд Кларка был завершён, стало очевидным уже для всех, что он совершил переворот в геохимии.
В 1923 году наш замечательный учёный, академик Александр Евгеньевич Ферсман предложил в честь Ф. Кларка назвать кларком числовую оценку среднего содержания элемента в земной коре или других природных образованиях. Позднее Ферсман сказал: «Только в самые последние годы выяснилось, что метод, предложенный американским химиком Кларком ещё в 1889 году, не только представляет одно из крупнейших завоеваний в совремённой геохимии, но и проливает свет на взаимоотношения между строением вещёства, с одной стороны, распределением элементов – с другой, и, наконец, с общим характером химических процессов во всем космосе, с третьей».
Кларк железа в земной коре равен 4,65 – это значит, что таково его среднее содержание в процентах. К этому стоит добавить, что по распространённости в земной коре железо занимает четвёртое место среди всех элементов и второе среди металлов после алюминия.
Теперь вернёмся к вопросу: чего на Земле больше, свинца или циркония? Судите сами: кларк циркония 0,017, а свинца 0,0016. Следовательно, циркония в земной коре содержится в 10 раз больше. И вообще, даже беглое знакомство с кларками вызывает удивление. Оказывается, мы не всегда правильно судим о распространённости химических элементов. Так, например, кларк титана в 100 раз больше кларка меди, а кларк редкостного на первый вгляд галлия более чем в 200 раз превышает кларк ртути. О чем это говорит? Только о привычке считать, что металлы встречаются в природе в виде руд или самородков. Короче говоря, мы привыкли к металлам концентрированным. Кларки же показывают, что химические элементы {а металлы не исключение) находятся в основном в состоянии рассеяния. Это особое состояние атомов ещё в начале нашего века выявил выдающийся естествоиспытатель совремённости Владимир Иванович Вернадский. По этому поводу он образно заметил, что в каждой пылинке отражается общий состав космоса.
В самом деле, не считая водорода и гелия, на долю которых приходится почти 99 % вещёства Вселенной (вспомним синтез гелия), в космических образованиях больше всего распространены практически те же элементы, что и на Земле: углерод, азот, кислород, натрий, магний, алюминий, кремний и железо. Вселенская распространённость железа объясняется тем, что реакции термоядерного синтеза идут по энергетически выгодным путям образования не слишком лёгких и не очень тяжёлых, а как бы средних атомов, которые и в менделеевской таблице занимают средние клетки. Типичным представителем таких «середнячков» и является железо – элемент № 26.
Человек, которого нет
Случается, иные талантливые весельчаки пускают гулять по свету вымышленных людей, наделяя их такими реалиями, благодаря которым порой забываешь о том, что они, эти люди, никогда и не существовали вовсе. Так произошло с писателем Козьмой Прутковым, как известно, выдуманным в середине прошлого века молодыми русскими поэтами. Так случилось и с учёным Никола Бурбаки – автором многотомного трактата «Элементы математики». Своему рождению в 1939 году Бурбаки обязан группе французских математиков, решивших скрыться под таким псевдонимом.
Человек, о котором наш рассказ, тоже был придуман в начале 60-х годов нашего века, на сей раз группой медиков, однако не шутки ради, а вполне серьёзно. Человеку этому специально не дали ни имени, ни фамилии, а назвали его просто: Человек условный. Мы же полагаем, что, дабы не нарушать традиции, принятой в биологии и медицине, его можно было бы назвать по-латыни Гомо Кондитионалис (человек условный) по аналогии с Гомо Сапиенс (человек разумный), как обозначил человека в своёй классификации великий натуралист Карл Линней.
Более 10 лет понадобилось группе экспертов из разных стран, чтобы обобщить все имеющиеся в мировой науке данные об анатомических особенностях человеческого тела, физиологических процессах организма и его химическом составе. В результате получился средний человек, среднего роста – 170 см, весящий 70 кг. Любопытным в этом деле оказалось то, что медикам, как в своё время и геохимикам, понадобились именно средние данные всех без исключения параметров человеческого организма.
В числе прочих были вычислены средние данные содержания химических элементов в теле условного человека. Ну чем не кларки! Тем более что в организме элементы тоже находятся в состоянии рассеяния. Так вот, если сравнить эти человеческие кларки (да простят нам медики эту вольность) с геохимическими, то мы увидим, что в нашем организме содержатся почти те же элементы, которые наиболее распространены и в космосе, и в земной коре: кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, сера, калий, натрий, магний, кремний и железо.
Кулинария жизни
Итак, природа построила живые существа из простых и самых распространённых химических элементов. Но при всем при том мы не железные и вообще не металлические. Человеческий кларк железа составляет всего лишь 0,006, тогда как кислорода – 61, углерода – 23, водорода – 10.
И кислород, и углерод, и водород находятся в двух первых периодах таблицы Менделеева, следовательно, атомы этих элементов имеют наименьшие размеры и способны к образованию устойчивых и кратных связей. А углерод к тому же образует длинные полипептидные цепи, из которых, как мы знаем, состоят белки. Однако в вареве жизни, помимо этих трёх важнейших компонентов, необходимы и приправы из других элементов: азота, серы, фосфора и некоторых металлов.
Мы не случайно обратились к кулинарной аналогии. Сегодня даже самые строгие научные мужи так и говорят: «жизнь зародилась в теплом питательном бульоне».
При этом имеются в виду в полном смысле тепличные условия, которые существовали на нашей планете до появления первых живых существ. Эту эпоху обычно называют предбиологической.
В первобытных лужах, как жиринки в бульоне, плавали капли органических образований, из которых, как предполагают, и произошло все живое. Но у природы, варящей свой бульон, и у повара, готовящего это блюдо, задачи совершенно разные. У первой – создать белковые вещёства, у второго – их разрушать. Поэтому кипящее варево для создания бедка не годится: при температуре более 50° он уже начинает свёртываться. Не перестаёшь удивляться, как нам повезло с нашей планетой. Ведь на ней сложились поистине идеальные условия для существования живых организмов! И кто знает, может быть, наше стремление к югу и тёплому морю есть неосознанная тяга к условиям первобытной купели? Недаром считают, что именно в мелководных, хорошо прогреваемых солнцем морских лагунах и возникла жизнь.
Первоначальная предбиологическая задача, стоявшая перед природой, была внешне проста: в обычных условиях создать соединения наиболее распространённых атомов – молекулы, способные к дальнейшему усложнению. Усложнение же под действием различных факторов приве-. ло в конце концов к образованию гигантских молекул белка.
Однако вот что интересно: биологические системы, т. е. организмы, образовались и функционируют в обычных условиях при температуре, близкой к комнатной, и атмосферном давлении. Специалисты такие условия называют мягкими.
Но давайте попробуем заставить соединиться в этих обычных условиях атомы жизни – активнейший кислород с углеродом или с водородом. Ничего не получится. Для того чтобы произошли такие реакции, нужно– нагреть смесь этих элементов почти до 600 °С. Но как совместить жизнедеятельность белковых организмов с такой высокой температурой? Здесь, пожалуй, самое время назвать топлжыеншее явление, без которого никак не могла бы возникнуть жизнь, не произошёл бы ни один из 100 тыс. (!) процессов нашего организма,– катализ. Это понятие (от греческого катализис – разрушение) означает ускорение химических реакций благодаря присутствию особых ве-iiK'f тв – катализаторов, лучшими из которых оказались многие металлы и в особенности железо.
Но сами по себе металлы ещё не годятся на роль ускорителей жизненных процессов. Их чудодейственность в полной мере проявляется в комплексе с белками, которые мы называем ферментами. В организме эти биологические катализаторы ускоряют ход реакций в миллионы раз по сравнению с катализаторами обычными. Такая эффективность и не снилась создателям самых современных каталитических способов химической технологии.
К сожалению, стройной теории катализа пока не существует, и каждый' раз для новых процессов химикам приходится подбирать наиболее действенные катализаторы опытным путём, затрачивая на исследования массу .времени и средств. Тому пример – полная драматизма борьба человека за связанный азот.
Кроме трёх основных элементов жизни – углерода, кислорода и водорода, есть ещё один, не менее важный. Это азот. Достаточно заметить, что он является неотъемлемой частью белков, входит в состав нуклеиновых кислот, ферментов, гормонов и многих витаминов. И вот уже долгие годы вслед за Фридрихом Шиллером биологи говорят:
Силы четыре, Соединяясь, Жизнь образуют, Мир создают.
Но вот какая интересная, пожалуй, даже парадоксальная ситуация сложилась. Мы, находясь, по существу, в атмосфере азота, слегка разбавленного кислородом, можем усваивать его только в связанном виде. Соединить же этот элемент с другими непросто из-за его инертности.
Животным легко достаются и кислород, и водород: они дышат воздухом и пьют воду. Углерод и азот в их организм могут попасть только с пищей. Растения к тому же легко усваивают ещё и углерод из углекислого газа атмосферы. Азот им достаётся не легче, чем животным: только из почвы, только в виде соединений, и в полной мере только тогда, когда его достаточно. Однако во все времена почти на всем земном шаре почвенный азот дефицитен. Это обстоятельство и побудило земледельца для повышения урожая применять лучшее из азотных удобрений – навоз. А сегодня и навоз, как известно, в дефиците.
В прошлом веке, когда была научно доказана необходимость применения азотных удобрений, некоторые учёные связывали судьбу человечества с богатейшими залежами азотнокислой соли – селитры в Чили. И вот почему. Ещё знаменитый немецкий химик Иоганн Глаубер, живший в XVII веке, назвал селитру солью плодородия. В те времена её добывали с большим трудом из налёта на стенах скотных дворов и конюшен. Это был чрезвычайно ценный продукт, который использовался в основном для приготовления пороха. Поэтому во Франции, например, даже запретили вывозить селитру за границу. Ее нужно было сдавать государству. В Чили же были открыты богатейшие залежи селитры. Однако в начале прошлого века вывоз её в Европу составлял всего лишь 1000 т. Почти все это количество перерабатывали в порох.
К этому времени печально известная теория перенаселения и нехватки продуктов питания англичанина Т. Мальтуса уже была опубликована и нашла своих приверженцев. В 1887 году его соотечественник, известный учёный Т. Гексли предсказал скорый конец цивилизации из-за «азотного голода», который, по его мнению, должен наступить после выработки месторождения все той же чилийской селитры, применявшейся в качестве удобрения. В это время её вывоз составлял уже 500 тыс. т в год. И, наконец, ещё один знаменитый английский учёный-физик У. Крукс в самом конце прошлого века заявил, что не пройдёт и 50 лет, как наступит продовольственный крах из-за полного-истощения чилийских залежей.
Ни одно из этих пророчеств не оправдалось. Человечество не погибло, а освоило производство связанного азота. Для этого существует мощная азотная промышленность. А доля природной селитры сегодня составляет лишь 1,5 % от мирового производства азотсодержащих вещёств.
Да, такова, пожалуй, судьба многих мрачных прогнозов, которые время от времени появлялись на протяжении нашей истории. И сегодня в них тоже нет недостатка. Взять хотя бы самые ужасные предсказания, связанные с так называемым энергетическим кризисом. Современные оракулы на Западе опять пугают нас близким концом цивилизации из-за скорого истощения запасов природного топлива, высчитывая с точностью до года, когда иссякнут последние нефтяные скважины.
Нам представляется, что для подобного пессимизма нет оснований.
Во-первых, продолжают открывать новые месторождения. Сейчас многие страны добывают нефть прямо в море. Во-вторых, если даже и кончится нефть, то останется уголь. Его запасов, по самым скромным подсчётам, хватит ещё лет на 500. И, наконец, ведутся успешные работы по созданию новых видов топлива, среди которых перспективным считается водород.
