Металлы, которые всегда с тобой - Ефим Терлецкий

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.