Текст книги "Металлы, которые всегда с тобой"
Автор книги: Ефим Терлецкий
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 12 страниц)
Маг магний
Магний не относится к металлам древности, но его природные соединения применяли издавна. Достаточно сказать, что этот элемент входит в состав почти 200 минералов, среди которых всем известные асбест, долмит, тальк, нефрит. Поделки из нефрита ценились высоко, особенно в средние века, когда свято верили в магическую и целебную силу камней. Вот, например, один из рецептов XII века: «Если кто-нибудь носит на пальце перстень с нефритом, это предохраняет от удара молнии. Если повесят его как талисман на шею, это предохранит от заболевания желудка».
Осмысленное применение солей магния в медицине следует, по-видимому, отнести к XVII веку. С этим связывают историю, которая приключилась засушливым летом 1618 года с английским пастухом Генри Уикером. Он пас стадо в окрестностях города Эпсома и в поисках хоть какой-нибудь лужи, из которой можно было бы напоить жаждущую скотину, набрёл на яму с водой. К его разочарованию, коровы воду пить не стали, так как она оказалась очень горькой. Зато незадачливый пастух стал первооткрывателем нового минерального источника, прославившегося затем на весь мир именно своей горькой солью.
В 1695 году доктор Неми Грю, прослышав о целебных свойствах эпсомского источника, выпарил пробу воды из него и получил соль, обладавшую горьким вкусом и слабительным действием. Далее было обнаружено, что, взаимодействуя с содой и поташом, эта соль образует белый рыхлый порошок. Точно такой же белый остаток получался и при прокаливании минерала, который издавна находили в гористых окрестностях греческого города Магнезии. Так белый порошок получил латинское название «магнезия альба» – белая магнезия. Это карбонат магния. В противоположность ему окись магния, например, раньше называлась жжёная магнезия, или «магнезия уста». А собственно соль эпсомского источника представляет собой гидрат сульфата магния. С тех далёких времён она так и называется – горькая, или английская соль. Ее по-прежнему применяют в качестве слабительного. Это действие основано на том, что стенки кишечника почти полностью непроницаемы для ионов магния, чем создаётся осмотический эффект, ведущий к задержке всасывания воды из кишечника.
Своими свойствами эпсомская соль привлекала не только врачей, но и химиков, хотя лет 200—300 назад определённой разницы между теми и другими ещё не было. Так или иначе, но было установлено, что эпсомская соль могла быть получена и искусственно – при добавлении соляной кислоты к маточному раствору, оставшемуся после очистки морской соли. Таким образом её приготовляли в Портсмуте.
Собственно магний в чистом виде впервые был получен в 1808 году в результате длительных и чрезвычайно напряжённых экспериментов знаменитого английского химика Гемфри Дэви с большой вольтовой батареей. В процессе электролиза магнезии он выделил незначительное количество относительно чистого металла, который справедливее было бы назвать «магнезиум». Но это название можно было спутать со словом «магнезиум», которым обозначали марганец. Поэтому Дэви назвал новый металл «магниум»...
Если в порфирин попасть магнием
Магния на Земле очень много. По распространённости в земной коре он занимает 8-е место, а его кларк равен 1,87, то есть в 2,5 раза меньше, чем кларк железа. Зато если взять средний химический состав живого вещёства, то окажется, что магния в нем содержится 0,04 %, а железа в 4 раза меньше. Особенно много магния в виде соединений находится в морской воде. Здесь он занимает третье место после хлора и натрия. Концентрация магния в воде Мирового океана составляет 1,35 г/л, а общее его количество здесь оценивается в 2,1 • 1О15.т.
Человеческий кларк магния – 0,027, а содержание его в нашем организме не превышает 20 г.
Приведённые цифры лишний раз свидетельствуют: наиболее распространённые в природе металлы являются и важнейшими для живых организмов. Что касается магния, то вряд ли будет преувеличением назвать его главным металлом жизни.
Помните, у нас шёл разговор об.ионах металлов, которые могут занимать вакантные места в порфириновых кольцах? Так вот, если в порфирин внедряется магний, то получается структурная основа молекулы... хлорофилла, того самого вещества, которое придаёт растениям зелёный цвет. Совсем, казалось бы, несущественная замена железа на магний – и вот красное превращается в зеленое.
Самой, пожалуй, важнейшей особенностью магний-порфиринового комплекса, в противоположность аналогичным соединениям железа, является то, что он активен лишь в возбуждённом состоянии. Этим различием и воспользовалась природа, разделив функции железо– и маг-ний-порфиринов. Первые были приспособлены для переноса кислорода, вторые – для превращения энергии1 света в химическую энергию, которая приводит в действие сложнейший механизм фотосинтеза растений. А это, как известно, важнейший процесс живой природы.
Итак, хлорофилл. Впервые такое название (от греческого «хлорос» – зелёный и «филлон» – лист) было дано в 1817 году французскими химиками-фармацевтами Ж. Пельтье и Ж. Каванту спиртовой вытяжке из зелёного листа. Учёные опубликовали исследование под названием «Заметка о зелёной материи листьев». Зелёный пигмент был открыт ими походя, случайно (а кто сказал, что открытия делаются планомерно?). Пельтье и Каванту больше' всего интересовали поиски новых лекарств из различных растений. Они прославились открытием таких препаратов, как стрихнин – сильнейший яд ; и возбудитель нервной деятельности и хинин – популярное средство лечения малярии, полученное ими из коры хинного дерева. Занимаясь лекарственными препаратами, Пельтье и Каванту не. придали особого значения открытию хлорофилла.
Человеком, который посвятил исследованию хлорофилла и фотосинтеза всю жизнь, был замечательный русский учёный Климент Аркадьевич Тимирязев. В конце 60-х – начале 70-х годов прошлого века он учился и работал за границей под руководством таких выдающихся учёных, как Кирхгоф, Бунзен, Гофмейстер, Клод Бернар, Бертло и Буссенго.
В 1871 году Тимирязев получил степень магистра, защитив диссертацию «Спектральный анализ хлорофилла». Именно в ней 28-летний учёный впервые обращает внимание на сходство между хлорофиллом итемом крови. И только более чем через четверть века—в 1897 году М. В. Ненцкий экспериментально доказал это положение.
Как и красный пигмент крови, зелёный пигмент растений весьма заинтересовал учёный мир. В дальнейшем выяснилось, что Пельтье и Каванту получили не один какой-либо пигмент, а смесь нескольких природных красителей. Были предприняты попытки их разделения, в результате чего установили: хлорофилл, по существу, состоит из двух пигментов – зелёного и жёлтого. Именно последним и объясняется цвет осенних листьев. В 1864 году
попытку спектрального анализа хлорофилла предпринял известный английский физик Дж. Стоке, обнаруживший впигментах листьев два зелёных и два жёлтых красителя.
Собственно жёлтые пигменты нас не интересуют. Стоит лишь заметить, что они относятся к природным красителям – каротинам и тоже участвуют в процессе фотосинтеза. А вот на двух зелёных красителях остановимся подробнее
Разный, разный хлорофилл
Исследованием хлорофилла занимался и замечательный русский ботаник Михаил Семенович Цвет, прославившийся: более изобретением хроматографии– простого способа разделения смесей который в наше время стал совершенно незаменимым в химическом анализе. М. С. Цвет родился в Италии и немало скитался по свету в поисках пристанища для спокойной работы.; В конце концов он обосновался в России, на родине своего отца. Здесь им были сделаны главные его открытия, здесь он и. умер в 1919 году, не дожив до 47 лет. Созданный учёным аналитический метод, который он назвал хроматографией (от греческого «хрома» – цвет), позволил доказать наличие двух пигментов, составляющих хлорофилл.
М. С. Цвет пропускал раствор пигментов через стеклянную колонку, плотно набитую толчёным мелом. И разные пигменты, даже незначительно отличающиеся друг от друга, осаждались по-разному. Таким образом получался столбик, напоминающий шлагбаум тем, что был окрашен послойно. Метод, предложенный М. Цветом, позже получил развитие и ныне широко применяется в химическом анализе.
Случайно или нет, но примерно в это же время хлорофиллом занимался и немецкий учёный, ровесник Цвета Рихард Мартин Вильштеттер. Вместе со своим ближайшим учеником Артуром Штолем ему удалось получить кристаллический хлорофилл и определить его основные компоненты. Они установили, что этот пигмент является комплексом, содержащим магний. В 1913 году Вильштеттер и Штоль опубликовали фундаментальный труд «Исследования хлорофилла». Затем Вильштеттер увлёкся и другими растительными пигментами. В 1915 году за исследования хлорофилла и других пигментов ему присудили Нобелевскую премёю по химии.
Окончательную структуру хлорофилла установил уже знакомый нам Ханс Фишер в 1940 году.
Искусственный хлорофилл был получен ещё через 20 лет. Эта заслуга принадлежит коллективу американских учёных, возглавляемому известным химиком-органиком Робертом Бёрнсом Вудвортом. Недаром его называли непревзойдённым королём синтеза, человеком, «который лепит молекулы». В самом деле, 27-летний Вудворт дебютировал синтезом хинина, на который было затрачено чуть больше года. Что же, опять случайное совпадение? Пельтье и Каванту сначала открыли хинин, а потом хлорофилл. Вудворт сначала синтезировал хинин, а потом хлорофилл. В 1951 году Вудворт сообщает, что им проведены синтезы холестерина – одного из стеринов, с которым связано нарушение обмена вещёств и отложение бляшек на стенках сосудов, а также кортизона – лекарства против различных воспалительных процессов. Далее следуют синтезы других соединений., среди которых известный нам стрихнин, а также резерпин – средство лечения психических заболеваний и гипертонии. И наконец, синтез хлорофилла, на который было затрачено 4 года. Отметим попутно, что Вудворт расшифровал к тому же и структуры молекул террамицина, ауромицина, биомицина, стрептомицина, тетрациклина. Значение этих антибиотиков в медицине общеизвестно. Все это вкупе с последующими достижениями (о которых мы ещё будем говорить) в 1965 году принесло Вудворту Нобелевскую премёю.
Итак, было обнаружено, что хлорофилл состоит из двух компонентов, которые получили название а и b, a также (и это для нашего рассказа самое главное) что в центре его порфиринового кольца заключён магний.
Вообще-то говоря, типов хлорофилла несколько, и они находятся в растительных клетках в специальных органеллах, или пластидах – хлоропластах. У бактерий, способных осуществлять фотосинтез, хлорофилл заключён в хроматофорах. У растений и у водорослей обычно встречается два типа хлорофилла – а и Ь. Впрочем, у диатомовых и бурых водорослей обнаружен вместо хлорофилла а хлорофилл с, а у красных водорослей – хлорофилл d.
Хлорофилл же, заключённый в фотосинтезирующих бактериях, не мудрствуя лукаво, назвали бактериохлорофиллом. Все эти виды зелёных пигментов отличаются друг от друга незначительными деталями, которые для нас не играют роли. На рис. 9 показано, как выглядит молекула хлорофилла а.
Длинный хвост, присоединённый к магний-порфириновому комплексу, это углеродная фитольная цепь, позволяющая молекуле связываться с жироподобными вещёствами.
Земной посредник космоса
Все мы дети Солнца. Это не только прочно установленная, но и твёрдо усвоенная всеми нами истина. В самом деле, наиболее значительное влияние мы испытываем со стороны космических явлений, из которых самое сильное – световое излучение, а попросту солнечный свет, несущий потоки самых разнообразных частиц.
Ещё древние придавали огромное значение тесной связи между Солнцем и Землёй, но объяснение этого явления носило скорее мистический характер. Прошли тысячелетия, прежде чем человек сумел научно объяснить влияние космических сил на земную жизнь.
Всего лишь несколько десятилетий назад биологи понимали под внешней средой метеорологические и географическое факторы, воздействующие на живой организм. Сегодня понятие внешней среды вышло далеко за эти пределы. Кто-то остроумно заметил, что космос начинается с форточки.
В связи с космическим пониманием земных процессов и в особенности такого явления, как жизнь, вспомним благодарно четырёх выдающихся советских учёных: Климента Аркадьевича Тимирязева, Владимира Ивановича Вернадского, Константина Эдуардовича Циолковского и Александра Леонидовича Чижевского.
Для/первого знакомства я должен откровенно признаться, что перед вами именно такой чудак. Более тридцати пяти лет провёл я, уставившись если не на зелёный огурец, закупоренный в стеклянную посудину, то на нечто вполне равнозначащее – на зелёный лист в стеклянной трубке, ломая себе голову над разрешением вопроса о запасании впрок солнечных лучей»
Сборник своих лекций и научных работ Тимирязев ёмко и лаконично назвал «Солнце, жизнь и хлорофилл», чётко определив, таким образом, суть солнечно-земных связей. В том же 1903 году появилась знаменитая теперь работа Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где впервые была дана чёткая программа освоения космоса, которой, по существу, следуют и по сей день. Вот что в ней говорилось об искусственном «малом мире», необходимом для обеспечения нормальной жизнедеятельности внутри космического корабля:
«Как на земной поверхности совершается нескончаемый механический и химический круговорот вещёств, так и в нашем маленьком мирке он может совершаться... Как на Земле растения своими листьями и корнями поглощают нечистоты и дают взамен пищу, так могут непрерывно работать для нас и захваченные нами в путешествие растения... Как все существующее на Земле живёт одним и тем же количеством газов, жидкостей и твёрдых тел, которое никогда не убывает и не прибывает, так и мы можем вечно жить взятыми нами запасами материи... Подыскать и испытать годные для этой цели растения... определить наименьшую поверхность, освещённую солнечными лучами и достаточную для человека в отношении дыхания и питания...»
Здесь, как нетрудно понять, речь идёт о фотосинтезе и о вызываемом им круговороте вещёств. Этого мы ещё коснемся.
И наконец, Вернадский – человек немыслимой эрудиции и широты научных познаний, один из выдающихся естествоиспытателей нашего времени, разработавший учение о биосфере. Уж кто как не он представлял себе, что «живое вещёство» (понятие, которое именно он ввёл в научный обиход) является, по существу, тонкой плёнкой на поверхности Земли, развитие которой происходит под преимущественным воздействием космической энергии, и прежде всего солнечной. Вот его мысли: «Животные всецело зависят во всей своей жизни от энергии, удержанной хлорофилльными растениями из солнечных лучеиспусканий. Жизнь – есть проявление этой энергии». И ещё: «Мы, видимо, выходим за пределы планеты, так как все указывает, что действие – геохимическое – разума, жизни цивилизованного человечества не остановится размерами планеты». Тут уж явная перекличка с Циолковским.
Теперь несколько слов о Чижевском, к сожалению, не получившем заслуженного признания при жизни и понятом лишь в наши дни. Ещё юношей он начал усиленно . изучать влияние атмосферного электричества и солнечного излучения на живой организм. Помимо этого, он занимался математикой, астрономией, историей, биологией, прекрасно рисовал и писал стихи. Многие его труды рассеяны в различных изданиях, а большинство рукописей погибло во время его нелёгких скитаний.
В наше время, особенно в связи с полётами в космос, научные направления, намеченные Чижевским, продолжают активно разрабатываться. Его по праву сегодня называют основоположником космической биологии. Умер Чижевский в 1964 году. Некоторые.из его книг переизданы и вполне доступны широкому кругу читателей. Их прекрасные названия говорят сами за себя: «В ритме Солнца», «Земное эхо солнечных бурь»...
Чижевский говорил: «В химии имеется много вещёств, чувствительных к воздействию космоса... Чувствительность той или иной химической системы к воздействию космических сил связана с её структурой – иными словами, с геометрическими и энергетическими факторами её молекулярного строения и сложностью её организации».
Почему мы остановились на именах этих четырёх естествоиспытателей? Разумеется, не только они сознавали важность влияния космоса на нашу планету. Но думается, что именно эти выдающиеся учёные, такие разные в своих научных интересах, в начале XX.века заложили основы космизации науки – перехода к космическому объяснению земных процессов. Вот что говорил по этому поводу Чижевский: «К сожалению, геоцентрическое мировоззрение средневековья господствовавшее до Коперника, до сих пор ещё не изжито во многих научных концепциях. Мы зачастую представляем себе жизненные процессы на Земле изолированными, ограниченными земными рамками, связанными лишь с непосредственно окружающей их обстановкой, забывая о космических связях, не учитывая того громадного влияния, которое оказывают на биосферу космические факторы, из коих одним из самых влиятельных и мощных для живых существ является Солнце и прежде всего его активность».
Рамки книги не позволяют нам остановиться на прикладном значении проблемы «Солнце – Земля» для радиосвязи, магнитной навигации, безопасности космических полётов, прогнозирования погоды и прочего. Наша задача другая – связь между явлениями жизни и солнечным лучом. И опять не обойтись без цитаты, на сей раз из Тимирязева: «Зерно хлорофилла тот фокус, та точка в мировом пространстве, в которой живая сила солнечного луча, превращаясь в химическое напряжение, слагается, накопляется для того, чтобы впоследствии исподволь освобождаться в тех разнообразных проявлениях движения, которые нам представляют организмы, как растительные, так и животные. Таким образом, зерно хлорофилла – исходная точка всякого органического движения, всего того, что мы разумеем под словом жизнь». Это было сказано более 100 лет назад...
Резюмируя приведённые высказывания, можно выстроить такую цепочку: солнечный луч – хлорофилл – фотосинтез—энергия–жизнь.
Что же касается магния, которому посвящена настоящая глава, то связь здесь такая: без магния не было бы хлорофилла, и в этом случае неизвестно, каким путём развивалась бы жизнь на Земле.
Совсем недавно была выдвинута любопытная гипотеза о том, что природные условия на одном из спутников Юпитера – Европе позволяют предположить возможность существования на ней живых организмов. Как установлено при помощи новейших космических исследований, этот спутник покрыт слоем льда толщиной в несколько километров, под которым находится океан воды глубиной до 50 км. Лёд испещрён гигантскими трещинами, через которые в воду проникает солнечный свет. Воды океана, видимо, разогреваются за счёт радиоактивного распада элементов в недрах этой планеты. Американские учёные, обработав данные космического аппарата «Вояджер», заявили, что на Европе могут быть простейшие фотосинтезирующне организмы.
Да, наличие воды – первейшее условие для возникновения жизни, но не достаточное. А каково содержание магния, совершенно необходимое для хлорофилла и фотосинтеза, в породах, слагающих этот спутник Юпитера? Этого мы пока не знаем. Юпитерианская Европа схожа с Луной, и поэтому её называют луноподобной. На Луне магний есть. Если допустить, что химический состав планет Солнечной системы и их спутников примерно одинаков, то можно думать, что и на Европе есть магний, или что его туда по крайней мере занесли метеориты. При таком допущении действительно есть основания предполагать возможность фотосинтезирующих организмов на этой юпитерианской луне.
В активных свойствах хлорофилла в возбуждённом состоянии много непознанного, впрочем, как и в процессе фотосинтеза. Понятен тот интерес, с которым исследователи стремятся проникнуть в тайны такого изумительного преобразователя энергии. Когда Вудворт осуществил синтез хлорофилла, казалось, вот она – победа над энергией. А с нею связывали и полное искоренение голода: представлялось, что это верный путь к созданию самых разнообразных синтетических продуктов питания. Увы, зелёный лист не раскрыл нам пока всех своих тайн.
Недаром близкий друг Чижевского замечательный поэт Николай Заболоцкий сказал:
В каждом маленьком растеньице,
Словно в колбочке живой,
Влага солнечная пенится
И кипит сама собой.
Вот именно, сама собой.
То, что ещё не получается у человека.
Горы книг и статей написаны о хлорофилле и фотосинтезе, может быть, больше, чем о другом каком-либо вещёстве или процессе. А кто подсчитал, сколько экспериментов произведено, чтобы добиться эффекта природного преобразования светового луча? В модельных системах не происходит накопления световой энергии. Искусственный хлорофилл может пока работать только как катализатор...
Установлено, что магний-порфириновый комплекс, именуемый хлорофиллом, связан с белком и способен возбуждаться под действием света. Это его основная особенность. Но этого было бы совершенно недостаточно, если бы хлорофилл не мог ещё и передавать энергию своего возбуждённого состояния другим вещёствам клетки. Ловушкой световой энергии является порфириновое кольцо, а магний служит посредником и катализатором фотохимических реакций. Хлорофилл как бы выполняет две функции: способствует созданию сложных структур из простейших молекул и в то же время обогащается энергией.
Характерно, что фотосинтез – единственный процесс живой природы, который идёт с увеличением свободной энергии и, по сути, прямо или косвенно обеспечивает ею все земные организмы, кроме хемосинтезирующих.
Удивительная энергия возбуждённого хлорофилла
Чрезвычайно интересный и ещё не выясненный до конца процесс производства энергии зелёными растениями сегодня представляется следующим образом. Квант света, поглощаясь молекулой хлорофилла, сообщает энергию её электронам, которые переходят на возбуждённые уровни. Оттуда они совершают путешествие по другим молекулам, связанным с хлорофиллом в единую цепочку генерации энергии. Если бы не было такого «содружества» то электроны, поднятые на высокие энергетические уровни, просто опустились бы на прежние места, а поглощённая энергия рассеялась бы. Иными словами, молекула испустила бы квант энергии, не совершив никакой химической работы. Произошло бы примерно то же, что происходит, когда подскакивает стальной шарик. Он падаёт, не совершив почти никакой работы, разве что на преодоление трения воздуха и удар о землю. Иное дело, если бы шарик, подпрыгнув, например, замкнул бы собою электрическую цепь, тем самым заставив зажечься лампочку. Здесь тоже потерялась бы какая-то доля энергии, но зато была бы выполнена полезная работа, хотя шарик и вернулся бы в конце концов в исходное состояние.
Нечто подобное происходит и с возбуждёнными электронами молекулы хлорофилла. Израсходовав избыток энергии, сообщённой им квантом света, они возвращаются на прежние уровни. Кому же передают свою энергию возбуждённые электроны? Нашим хорошим знакомым – цитохромам, вырабатывающим основную энергетическую валюту организма – АТФ. Заметим, что фотосинтетическая эстафета передачи энергии светового кванта происходит с весьма высоким кпд, примерно 97 %, а весь процесс фотосинтеза совершает полезную работу несколько меньше 30 %.
Мы не зря привели эти цифры. Выработка АТФ клеткой поразительно совершенна. На единицу массы ; живое существо производит энергии гораздо больше, чем Солнце. Любопытно, что человек, весящий 70 кг, вырабатывает АТФ до 75 кг в день, то есть больше собственного веса! Такое же количество АТФ, выпускаемое промышленностью для технических нужд, стоит ни много ни мало 150 тыс. долларов.
Производство энергии – это, так сказать, одна из сторон деятельности хлорофилла, не выходящая за пределы организма. Более впечатляюща другая сторона, характерная начальными и конечными продуктами фотосинтеза. В результате этого процесса из углекислого газа и воды под действием света образуются органические соединения и кислород. Благодаря хлорофиллу ежегодно на Земле происходит усвоение 200 млрд. т углекислоты, что даёт 100 млрд. т органических вещёств и около 145 млрд. т свободного кислорода.
Сегодня уже общепризнано, что благодаря фотосинтезу первых зелёных организмов, появившихся примерно три миллиарда лет назад, сформировалась современная атмосфера и появились условия для образования биосферы (выше мы уже об этом говорили). Вот такие чудеса творит магний в порфириновом кольце.
