Текст книги "Металлы, которые всегда с тобой"
Автор книги: Ефим Терлецкий
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 12 страниц)
Витамин для витамина С
Белая магнезия получила название в противоположность уже известной до неё чёрной магнезии, под которой имелся в виду пиролюзит – минерал, содержащий марганец. Издавна он применялся для изготовления стекла. Природу этого минерала впервые выяснил в 1774 году выдающийся шведский химик Карл Шееле. В течение двух лет (тогда ещё особенно не спешили с выводами) он исследовал пиролюзит, смешивая его с различными вещёствами. При действии на минерал соляной кислотой он получал жёлто-зелёный газ с резким запахом, который впоследствии назвали хлором. После выпаривания в реторте оставался осадок в виде розовых кристалликов. Шееле попросил своего друга, искуснейшего химика и металлурга Юхана Гана исследовать их. Вскоре, расплавляя в тигле пиролюзит, Ган получил из него маленький слиток металла – королёк, который в конце концов и был назван марганцем. В обиходе, пожалуй, самое популярное вещёство, содержащее марганец,– марганцовка, или перманганат калия. Это хорошее дезинфицирующее средство.
Немногим меньше века отделяет два, казалось бы, ничем не связанных между собой события. В 1788 году в золе дикого тмина было обнаружено присутствие марганца. А в 1876 году британское исследовательское судно «Челленджер» доставило в Англию необычные образования, напоминавшие шары или булыжники, которые были подняты тралом с морского дна. В них также содержался марганец, очень много марганца. И железа. Эти странные шары получили название железо-марганцевых конкреций и были помещёны на музейные витрины. Может быть, они ещё долго оставались бы экзотическими музейными экспонатами, если бы не дефицит марганцевых руд.
В 50-е годы нашего века на конкреции обратили особое внимание и подвергли их тщательному изучению. Ими начали заниматься не только геологи, но и геохимики. Оказалось, что помимо марганца и железа в этих образованиях содержится более 30 различных элементов, в том числе такие металлы, как никель, медь и кобальт, концентрации которых в них выше, чем в рудах, залегающих на суше. С начала 60-х годов всерьёз стали подумывать о промышленной добыче таких донньус отложений. Но наш рассказ не об этом.
Подробные исследования водных районов залежей конкреций показали, что они встречаются практически всюду – от мелководья до глубин более 2000 метров, где царит вечный мрак, температура едва достигает двух градусов, а животный мир весьма беден. Железо-марганцевые конкреции устилают в иных местах дно настолько плотно, что оно напоминает булыжную мостовую ().
Как возникают конкреции, ещё точно не установлено; но многие факты говорят о роли в этом процессе живых организмов. Здесь можно усмотреть нечто общее с проблемой происхождения нефти – ведь до сих пор не утихают споры о том, являет ли она собой остатки живых организмов или продукт геологических процессов.
Известно, что живые организмы вообще и морские обитатели в частности обладают способностью накапливать в себе различные химические элементы, в том числе и металлы. Например, концентрация марганца в морской воде составляет 0,002 мг/кг, таким образом, коэффициент обогащения здесь равен 60 тыс.! Не так давно ленинградские биологи обнаружили неизвестный раньше вид металлогенических бактерий, которые также могут накапливать в себе марганец, извлекая его из воды. Интересно, что за несколько недель в лабораторных условиях эти невидимки создавали марганцевые шарики наподобие конкреций величиной со спичечную головку.
Вспомним: ведь вообще многими месторождениями полезных ископаемых суши мы обязаны простейшим организмам первичного океана, существовавшим миллиарды лет назад. При изучении органического вещества древнейших осадочных пород удалось обнаружить, что они обогащены углеродом биологического происхождения и содержат помимо этого много железа, марганца, меди и других металлов. Эти одноклеточные водоросли в невообразимо далеком прошлом, концентрируя в себе металлы, отмирали и создавали громадные залежи руд. Об этом еще в свое время говорил Вернадский: «Железо выделяется из морской воды на дне океанов и морей под влиянием железных бактерий, собираясь в форме конкреций из гидратов окиси железа (по-видимому, и хлоритов), покрывающих нередко огромные площади»...
Другая группа исследователей сегодня" утверждает, что конкреции возникают в результате взаимодействия активных поверхностей с растворенными металлами в воде и что на это требуется по крайней мере миллион лет. Но металлы опять же присутствуют в океане в виде органических комплексов, образующихся в результате жизнедеятельности планктона. Кроме того, установлено, что растворимость соединений марганца резко увеличивается в воде, насыщенной органическими веществами. Так или иначе, но рост железо-марганцевых конкреций происходит не без участия живого вещества.
Подсчитано, что воды Мирового океана содержат 15 млрд. т марганца, а его кларк в земной коре равен 0,1. Это в 46 раз меньше, чем кларк железа, но в 55 раз больше, чем кларк кобальта. Растениями суши марганец поглощается в 35 раз интенсивнее, чем железо. Вероятно, это связано с его дефицитом в почвах.
Марганец наряду с магнием совершенно необходим при фотосинтезе, а его ион близок по свойствам иону магния и может заменять его в некоторых биохимических – процессах. Поэтому роль марганца в обмене веществ у растений сходна с функциями магния. Марганец активирует многие ферменты, особенно участвующие в процессе фосфорилирования.
Взаимозаменяемость ионов марганца и магния проявляется весьма любопытно в синтезе ДНК. С участием магния этот синтез идет медленно, но верно. Марганец же весьма ускоряет процесс, но при этом могут быть сбои (спешка всегда чревата неожиданными последствиями!), являющиеся причиной различных отклонений от заданной программы наследственности – мутаций. С одной стороны, такие изменения нежелательны, так как они могут приводить к уродству, но с другой... С другой стороны, если бы не было мутаций, как бы происходил естественный отбор, благодаря которому и появились мы с вами? Таким образом, очевидно, что и магний и марганец жизненно необходимы. Просто у марганца атом тяжелее (выше заряд, больше электронов), и, видимо, в процессе усложнения организмов природа включила в их состав и более сложные атомы. Недаром у животных обнаружены такие ферменты, где марганец не может никоим образом быть заменен магнием1. Да и полное отсутствие марганца в рационе животных гибельно.
Пока известны только два фермента, в состав которых входит марганец. Этот пируват карбоксилаза и аргиназа. Но в качестве активатора марганец служит для многих энзимов. Помимо этого, он стимулирует синтез холестерина и жирных кислот, а также принимает участие в кроветворении, способствуя лучшему усвоению железа. Определенным образом марганец связан и с медью, от чего опять же зависит процесс кроветворения. Дефицит марганца, вызывавшийся экспериментально у животных, приводил к уменьшению островков Лангерганса, которые, как мы помним, являются основными поставщиками инсулина организму. В связи с этим существует предположение, что марганец способствует образованию этого гормона.
И все же самая, пожалуй, важная функция марганца – его участие в синтезе витамина С О необходимости же для нас витаминов, думается, говорить излишне.
Кроме всем известной марганцовки, в медицине нашли применение и другие соединения марганца. Это и хлористый марганец, усиливающий действие антибактериальных инъекций, и сульфат марганца, помогающий при атеросклерозе...
В последнее время препараты марганца применяют и в спорте. Специальные исследования показали, что, например, у лыжников при интенсивных тренировках в крови увеличивается содержание таких металлов, как железо, медь, цинк, марганец. Причем, чем выше квалификация спортсмена, тем концентрация их больше. Но после соревнований содержание этих металлов в организме резко падало. Например, после гонки на 50 км баланс металлов становился отрицательным, из-за чего наблюдались даже случаи спортивной анемии, приводившей к резкому снижению трудоспособности. Для компенсации нехватки биометаллов в пищевой рацион спортсменов, особенно в период ответственных соревнований, включают добавку препаратов марганца, сбалансированных с другими необходимыми элементами.
В то же время в больших количествах марганец – яд. Отравления марганцем в рудниках были описаны еще 150 лет назад.
Молибденовая кожа
Одной из сенсаций прошлого века было открытие итальянским астрономом Джованни Скиапарелли каналов на Марсе. Впоследствии это событие породило лавину невероятнейших гипотез, среди которых самая, пожалуй, заманчивая – о марсианской цивилизации, превосходящей нашу земную. И давно забытый Лассвиц, и Уэллс, и ныне здравствующий Брэдбери пытались каждый на свой манер писать марсианские хроники.
В наши дни отменены и сами каналы на Марсе, и его сверхцивилизация, да и вообще жизнь на этой планете – даже в самых примитивных формах. Космические исследования не принесли никаких доказательств присутствия там живых организмов.
Одной из причин, по которым в нашем, земном понимании на Марсе жизнь невозможна, считают то, что там до сих пор не обнаружен один из важнейших биометаллов – молибден.
С этим элементом связана ещё одна, на наш взгляд, тоже фантастическая гипотеза, выдвинутая лет 10 назад видными учёными Ф. Криком и Л. Оргелом. Эти исследователи выразили сомнение в том, что жизнь на Земле возникла естественным путём в результате эволюции материи. По их предположению, на нашу планету неведомой цивилизацией были занесены простейшие организмы. Они были доставлены, считают учёные, на особом космическом корабле, где были созданы условия, обеспечивающие полную сохранность этих посланцев жизни. Предоставим слово авторам гипотезы: «Химический состав живых организмов,– говорят они,– в какой-то степени отражает состав среды, в которой они развивались. Поэтому присутствие в земных организмах элементов, на нашей планете крайне редких, может означать, что жизнь имеет, внеземное происхождение. Важнейшую роль во многих ферментативных процессах имеет молибден, в то время как хром и никель принимают сравнительно небольшое участие в биохимических реакциях. Содержание хрома, никеля и молибдена на Земле составляет соответственно 0,20; 3,16 и 0,02 процента... Однако если бы удалось показать, что элементарный состав земных организмов хорошо соответствует составу того или иного типа звёзд – например, молибденовых звёзд,– то мы могли бы с большим доверием отнестись к теориям внеземного происхождения жизни».
Итак, авторы гипотезы считают, что вокруг молибденовых звёзд задолго до нас могла существовать жизнь. Попробуем разобраться.
Действительно, молибдена на нашей планете очень мало. Его кларк в земной коре составляет всего лишь 0,00011. Но все же этот металл не относят к редким. Кроме того, известны многие его минералы, следовательно, он является и не таким уж рассеянным элементом. Не совсем понятно, правда, почему Крик и Оргел сравнивают молибден именно с хромом и никелем. Может быть, потому, что эти элементы находятся в четвёртом периоде менделеевской таблицы, в одном ряду с самыми активными биометаллами (рассмотренными уже нами до этого)? Молибден же стоит как бы особняком от всей этой компании, находясь периодом ниже, среди биологически неактивных элементов.
И хром и никель сегодня признаны тоже важными металлами жизни. При недостатке в организме хрома замедляется рост животных, сокращается продолжительность жизни, нарушается углеводный обмен, наблюдается заболевание глаз. Предполагают, что недостаток хрома может приводить к диабету.
Обмен никеля в нашем организме изучается с 1924 года. Этот элемент с возрастом практически не накапливается в органах (кроме, пожалуй, лёгких). Обнаружено, что при различных формах анемии уровень никеля снижается. Этот биометалл активирует несколько ферментных систем, включая аргиназу, карбоксилазу, трипсин и другие. Относительно высокое содержание никеля обнаружено в РНК. Возможно, с этим связано предположение о стимулировании синтеза аминокислот солями никеля. Так или иначе, но никель участвует в сложных биологических процессах.
Кларк хрома в земной коре составляет 0,0083, как и кларк цинка. Кларк же никеля несколько меньше, чем хрома,– он составляет 0,0058. Следовательно, молибден распространён реже, чем хром, в 75 раз и чем никель в 53 раза. Но человеческий кларк молибдена и никеля 0,00001, а хрома всего лишь 0,000003. На рис. 13 приведено расположение металлов жизни в таблице Менделеева.
Теперь о распространённости молибдена во Вселенной. Содержание его в среднем в вещёстве Солнечной системы в относительных единицах составляет всего лишь 2,52, тогда как хрома– 12 400, а никеля – 45 700. Следовательно, Солнечная система молибденом бедна. Отметим, что распространённость различных элементов в разных объектах Вселенной неодинакова, и в красных гигантах, например, содержание молибдена может быть повышенным. Следовательно, и в планетных системах вокруг таких звёзд возможна повышенная концентрация молибдена.
Однако помимо этого для подтверждения гипотезы Крика и Оргела нужны ещё свидетельства наличия на этих планетах развитой цивилизации, способной послать на Землю космический корабль, который должен был двигаться с необходимой скоростью и в то же время не проскочить Землю (а специалисты считают, что это почти неразрешимая проблема). А ещё раньше представители этой цивилизации должны были в невероятных просторах Вселенной углядеть именно нашу планету с её благоприятными условиями для развития жизни...
Не слишком ли все это сложно, и не проще ли искать истоки жизни здесь, на родной планете? Тем более что уж многие годы существует гипотеза о зарождении жизни в океане. Известно: концентрация в морской воде молибдена такая же, как, скажем, железа и цинка,–0,01 мг/л, а хрома и вовсе 0,00005 мг/л, то есть молибдена здесь в 5 раз больше, чем никеля, и в 200 раз больше, чем хрома.
История земного молибдена бедна особыми событиями. Открыт он был чуть позже марганца тем же Карлом Шееле – в 1778 году. Металлический элемент был получен впервые П. Гьельмом, химиком, работавшим на стокгольмском монетном дворе. Шееле попросил его выплавить новый металл, так как сам не имел для этого специальной печи. Название этого металла происходит от греческого «молибдос», это означает свинец. Дело в том, что основной минерал, в котором встречается молибден,– молибденит, весьма мягок и оставляет на бумаге след, как графит или свинец.
Лишь в 1900 году установили наличие молибдена в растениях, а в 1928 году – в организме животных. Через 2 года были получены первые данные, свидетельствующие о биологической роли этого металла для роста микроорганизмов-азотфиксаторов.
О важности молибдена для жизненных процессов мы уже знаем хотя бы потому, что он входит в состав активного центра нитрогеназы – фермента, катализирующего превращения азота.
У растений есть ещё один фермент, содержащий молибден,– это нитратредуктаза. Ещё в 1913 году А. Н. Бах обнаружил способность картофельного сока к ферментативному восстановлению солей азотной кислоты – нитратов. Через 15 лет другой русский исследователь Д. М. Михлин выделил из клубней картофеля активное начало и изучил его ферментативные свойства. Однако химическая природа и механизм действия этого энзима долгое время оставались неизвестными. И только в 1952 году был получен относительно чистый фермент – нитратредуктаза, свойства и состав которого сегодня изучены весьма обстоятельно. Впоследствии была доказана роль молибдена как активного компонента нитратредуктазы. Далее установили зависимость её активности от присутствия нитратов в почве или питательном растворе. Увеличение их содержания стимулирует деятельность фермента.
Нитратредуктаза играет важную роль в метаболизме азота у высших растений. Интересно, что при исследовании возможности замены молибдена другими металлами ни железо, ни медь, ни кобальт не восстанавливали активности фермента.
У животных и человека молибден обнаружен в ксанти-ноксидазе – ферменте, участвующем в обмене пуринов, и в альдегидоксидазе, контролирующей превращения спиртов на стадии окисления альдегидов (иными словами, защищающей организм от отравления). Ещё молибденсодержащие энзимы – это ксантиндегидрогеназа некоторых бактерий и сульфитоксидаза печени. Предполагают также, что молибден в малых дозах стимулирует образование гемоглобина, в больших же тормозит этот процесс.
Баланс молибдена в нашем организме очень важен. Увеличение уровня этого металла связывают с подагрой, при которой, как известно, происходит отложение солей мочевой кислоты в различных органах и тканях. При этом суставы деформируются, что затрудняет передвижение. Недаром в переводе с греческого подагра буквально означает «капкан для ног».
Увеличение содержания молибдена в организме вызывает усиленную активность ксантиноксидазы, для которой он является активатором. Этот фермент, как мы уже говорили, контролирует пуриновый обмен. А пуриновые основания участвуют в построении нуклеотидов, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений. В результате интенсификации такого процесса образуется чрезмерное количество мочевой кислоты, с которым почки перестают справляться, и тогда избыточные соли отлагаются в организме.
Самые большие концентрации молибдена обнаружены в печени и Коже. Печень вообще богата различными вещёствами, в том числе и металлами, и это естественно, так как она является хранилищем многих элементов. Повышенное содержание молибдена в нашей коже – пока загадка.
Почему мы солим пищу
Недосол на столе, пересол – на спине.
Русская пословица
Пересол или...
Летом 1978 года в горном труднодоступном районе Хакассии в глухой тайге Юго-Восточной Сибири геологи обнаружили семью, которая более 40 лет была оторвана от мира. Это семейство «робинзонов» оказалось в добровольной изоляции по своим крайним религиозным убеждениям. Уклад жизни этих людей был почти как в каменном веке: огонь добывали кресалом, ходили босиком, надевая только зимой берестяную обувку. Не знали соли... Вся эта удивительная для конца XX века история была подробно изложена в октябрьских номерах «Комсомольской правды» за 1982 год; позднеё эти материалы вышли отдельной книгой.
Нас же в этом деле поразило то, что эти отшельники обходились без соли. Соль! Разве мы, цивилизованные люди, мыслим без неё свою трапезу? Да и добывают её без особого труда, и стоит она копейки. Единственный, пожалуй, минерал, который мы употребляем в пищу в естественном виде, разве что измельчив до нужного состояния. Квашеная капуста, солёные огурцы и другие овощи, солёная, вяленая, маринованная рыба и масса иных блюд – всюду соль, такая доступная и обычная. Так вот, об этом обыкновенном веществе, которое в обиходе называют поваренной солью, а химики именуют хлористым натрием, будет наш рассказ. Впрочем, не только о нем.
Хлористый натрий – необходимейший компонент пищи. И это было известно уже давно. Когда-то в Голландии существовала мучительная казнь: обречённые получали только хлеб и воду, а соли были совершенно лишены.
Через некоторое время эти люди умирали, а их трупы начинали мгновенно разлагаться.
Ещё две тысячи лет назад знаменитый римский поэт Вергилий оставил нам свидетельство о пользе добавок соли в корм скоту, особенно молочным коровам. В своей поэме «Георгики» он писал:
Хочет ли кто молока, пусть дрок и трилистник почаще
Сам в кормушку несёт, а также травы присоленой:
Будет милей им вода, и туже натянется вымя,
Соли же вкус в молоке останется еле заметный.
Впрочем, соль скоту давали далеко не всегда и не везде, так как она в прошлом была весьма дефицитной. В том же Древнем Риме легионерам часто платили жалованье не деньгами, а солью, собственно, отсюда и пошло слово «солдат»...
Впрочем, и сейчас кое-где соль ценится буквально на вес золота. А когда-то она нередко являлась причиной войн и соляных бунтов. Другой не менее знаменитый римлянин Плиний сказал про соль: «Это вещество так необходимо человеческому роду, что даже духовные удовольствия не могут быть лучше выражены, как словом «соль» – таково имя, данное всем проявлениям острого ума»...
Английский врач и путешественник Мунго Парк, исследовавший Африку в конце XVIII – начале XIX веков, рассказывал, что видел негритянских детей, которые с наслаждением лизали куски каменной соли. В то время некоторые районы Африки были очень бедны солью, и Парк говорил по этому поводу: «Постоянное употребление растительной пищи возбуждает до того болезненную тоску по соли, что её нельзя описать надлежащим образом. На Сиерра-Леонском берегу страсть негров к соли была так велика, что они отдавали жен, детей и все, что им было дорого, лишь бы только её получить».
Да и у нас в России к соли относились уважительно и экономно. Вот что, например, писала в 1866 году русская газета «Восток», издававшаяся в Поволжье: «Кому не известно, как бережно обращается наш сельский люд с солью? Как ревниво хранится у него соль – в тряпках и кубышках? Как скупо дается хозяйкой на кухню и на стол? Соление мяса и овощей – роскошь в доме простолюдина, в то время как в одной Астраханской губернии было открыто 700 соляных озер и 1300 солончаков!
Крестьяне ели неочищенную соль – лизунец, предназначенную для скота, потому что она стоила 2—3 копейки, а не сорок, как пищевая».
Почему мы солим пищу
Недосол на столе, пересол – на спине.
Русская пословица
