Кислород. Молекула, изменившая мир: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

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 Охford University Press, а также за многочисленные дискуссии о науке, обществе и языке. Я благодарю Майкла Роджерса из издательства Oxford University Press, чей острый глаз и издательское мастерство помогли воспитать целое поколение писателей, работающих в жанре научно-популярной литературы. Я признателен ему за то, что он поверил в возможность создания этой книги, за его своевременные подсказки и литературную правку, а также за его поддержку на протяжении всей моей работы. Наконец, я благодарю мою жену, Ану Идальго, которая жила и дышала этой книгой вместе со мной. Обладая многогранными знаниями, она с улыбкой указывала мне на глупые ошибки и при этом поддерживала мою убежденность в справедливости основных идей. Она отмечала любые неясности в тексте, и хотя порой мне было нелегко с ней соглашаться, полагаю, без ее участия книга не была бы понятна ни одному человеку, включая меня самого.

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 Oxford University Press, который быстро и четко отвечал на все мои вопросы по поводу процесса книгоиздания. Ответственность за все оставшиеся в книге погрешности полностью лежит на мне.

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 воздушной селитрой. Сендивогий считал, что обнаружил Эликсир Жизни, «без которого ни один смертный не может жить и ничто в мире не растет и не производится». Но Сендивогий не ограничился теорией. По-видимому, он научился получать кислород путем нагревания селитры и вполне мог передать свои знания датскому изобретателю и алхимику Корнелиусу Дреббелю — забытому герою науки эпохи Возрождения.

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):

«Дреббель считал, что для дыхания нужен не весь воздух, а лишь некая его „душа“, квинтэссенция воздуха, при исчерпании которой весь остальной каркас (как я [курсив Бойля. — Примеч. авт.] позволю себе выразиться) воздуха не способен поддерживать горящее в сердце пламя жизни... Поэтому время от времени он [Дреббель], осознавая, что лучшая и чистейшая часть воздуха исчерпана... приоткрывал сосуд с жидкостью, быстро заполняя испорченный воздух недостающей жизненно важной составляющей, так что он опять становился пригодным для дыхания».

Вероятно, Дреббель смог наполнить бутыли кислородом путем нагревания селитры, следуя инструкциям своего наставника Сендивогия. Совершенно очевидно, что Сендивогий, Дреббель и Бойль осознавали, что воздух представляет собой смесь газов, одним из которых является жизненно важный газ кислород. Они понимали, что при горении или дыхании в ограниченном пространстве из воздуха удаляется содержащийся в нем кислород. Бойль писал о дыхании и горении в одинаковых терминах («горящее в сердце пламя жизни»), хотя, конечно, не осознавал, насколько похожими являются эти два процесса. Современник и коллега Бойля по Лондонскому королевскому обществу Джон Мейоу продвинулся дальше. Он показал, что красный цвет крови объясняется тем, что при дыхании в легкие попадает воздушная селитра (кислород). Он считал, что воздушная селитра является нормальной составляющей воздуха, из которого она «становится пищей для огня, а также попадает в кровь животных при дыхании... Не сам воздух, а лишь его наиболее активная и тонкая часть является пищей для огня». Таким образом, несмотря на архаичность языка Мейоу, в его идеях еще в 1674 г. отразилось совершенно современное представление о кислороде.

На таком научном базисе приверженность Пристли теории флогистона (идеи о том, что при горении в воздух выделяется невидимое вещество) через сто лет кажется комичной, но он был совсем не одинок. Идея флогистона на добрую часть столетия затормозила исследования состава воздуха. Для объяснения экспериментальных результатов флогистону иногда приписывали положительный вес, иногда отрицательный, а иногда приходилось признать, что он не имеет веса. Даже те, кто считает Пристли первооткрывателем кислорода, признают, что приверженность этой теории ослепила его и не позволила в полной мере осознать значение сделанного открытия[3]. Однако в другом отношении Пристли оказался на удивление прозорливым: он предсказал не только целебные свойства кислорода (который он упорно называл лишенным флогистона воздухом), но и его потенциальную опасность. В трактате «Эксперименты и наблюдения над различными типами воздуха», опубликованном в 1775 г., он обсуждал собственный опыт вдыхания чистого кислорода:

«Ощущения от его вдыхания для моих легких не отличались в значительной степени от вдыхания обычного воздуха, но после этого на протяжении некоторого времени я чувствовал в груди особую легкость. Возможно, когда-нибудь этот очищенный воздух сможет стать предметом роскоши... Наблюдая за большой мощью и живостью пламени свечи, горящей в этом чистом воздухе, приходишь к выводу, что он может оказаться особенно полезным для легких в определенных болезненных состояниях, когда обычного воздуха не хватает, чтобы достаточно быстро уносить смрад. Однако на основании этих экспериментов, возможно, следует также заключить, что хотя этот чистый, избавленный от флогистона воздуx [кислород] может быть очень полезен в медицинских целях, он может не подходить нам в обычном, здоровом состоянии; как свеча, которая гораздо быстрее горит в этом лишенном флогистона воздухе, так и мы, как бы это выразиться, в этом чистом воздухе можем проживать слишком быстро [курсив Пристли. — Примеч.авт.] и силы живого cущества могут очень быстро подходить к концу. Моралист сказал бы, что нам гораздо больше походит тот воздух, который создала для нас природа».

Тот, кто вдыхал чистый кислород в «кислородном баре», может посмеяться над причудливой аналогией Пристли и его моральными опасениями, но мало кто из исследователей не согласится с сутью этих замечаний. Удивительно, но в словах Пристли содержится первое (насколько я знаю) предположение о том, что кислород ускоряет старение. Это предостережение не было замечено современниками ученого, которые немедленно устремились использовать лечебный потенциал кислорода. Несмотря на имевшиеся подозрения, на протяжении следующих ста лет на токсичность кислорода не обращали внимания.

Первым человеком, который стал широко использовать чистый кислород в терапевтических целях, был Томас Беддоуз. В 1798 г. в Бристоле Беддоуз основал Пневматический институт ингаляционной терапии, в котором работал выдающийся молодой химик Гемпфри Дэви. Оба любили лечить больных, страдавших незлечимыми на тот момент недугами. К сожалению, они были чрезмерно самонадеянны при выборе пациентов, и их методы редко оказывались успешными. Хуже того, содержавшиеся в газовых смесях примеси часто вызывали воспаление легких (любопытно, что чистый кислород тоже может вызывать воспаление легких). Из-за этих сложностей и нестабильности поставок кислорода институт закрыл свои двери в 1802 г. Позже Дэви описывал эту работу как «мечты непризнанного гения, который не смог довести до конца ни одного эксперимента».

Такая череда надежд и разочарований длилась на протяжении большей части XIX в. Из-за примесей в газовых смесях и различия в способах назначения кислорода клинический консенсус так и не был достигнут. Иногда пациент дышал кислородом напрямую через маску или мешок, иногда газ пропускали через бадью с водой, расположенную у постели больного, а воздух разгоняли по комнате с помощью вентилятора. Поражение такого экспериментального подхода было неизбежным. При столь разных способах назначения и отсутствии системного анализа не приходится удивляться противоречивым результатам. Адвокаты кислородной терапии заявляли о чудодейственных исцелениях (что могло быть справедливым, например, при воспалении легких), но сторонники традиционных методов лечения по большей части не выражали энтузиазма и считали, что положительная динамика была временной, поверхностной или мнимой. Отсутствие консенсуса еще более усугубляли мошенники и шарлатаны, заявлявшие доверчивой публике о существовании секрета «сложного кислорода». Некоторые из этих рекламных заявлений 1880-х гг. удивительным образом напоминают заявления современных сторонников лечения «активным кислородом». К счастью, тогда, как и теперь, победу одержали врачи, практикующие честную кислородную терапию.

Интерес врачей к кислородной терапии возник в результате публикации ряда странных сообщений о том, что повышенное давление кислорода может влиять на здоровье. Например, пациенты с воспалением легких, живущие в высокогорной местности, например в Мехико, скорее выздоравливали, если переезжали вниз, в долину, где давление кислорода выше. Аналогичным образом, пациенты с сердечно-сосудистыми заболеваниями лучше себя чувствуют на уровне моря, чем в горах. Заинтересованный этими сообщениями американский врач Орвел Каннигем рассудил, что еще более высокое давление может усилить положительный эффект. В результате серии успешных экспериментов при финансовой помощи благодарных пациентов в 1928 г. в Кливленде (Огайо) он создал самую большую из когда-либо существовавших барокамер — полый стальной шар диаметром 20 м и высотой пять этажей, давление в котором было вдвое выше атмосферного давления на уровне моря (этот проект обошелся примерно в миллион долларов).

Каннигем превратил свой стальной шар в подобие отеля — с курительными комнатами, рестораном, богатым убранством и индивидуальными номерами. К сожалению, он использовал не кислород, а сжатый воздух, так что давление кислорода в помещении было таким же, как при подаче кислорода через маску, только стоимость лечения была значительно выше. Хуже того, Каннигем лечил больных не с воспалением легких или сердечно-сосудистыми заболеваниями, которым такая процедура могла бы помочь, а приглашал пациентов с диабетом, пернициозной анемией и раком, исходя из ошибочной идеи, что все эти состояния вызваны анаэробными (боящимися кислорода) бактериями. Как цели, так и результаты подобной терапии не удовлетворили Американскую медицинскую ассоциацию, которая назвала эту схему лечения «гораздо более интересной с экономической, чем с медицинской точки зрения». Стальной шар простоял еще несколько лет, а в 1942 г. был пущен на металлолом и использован для военных целей.

Но, как выясняется, Каннингем был недостаточно настойчив. Несмотря на сложную историю, кислородная терапия все-таки получила теоретическое обоснование в начале ХХ в. благодаря трудам знаменитого шотландского врача Джона Скотта Холдейна (отца биолога Дж. Б. С. Холдейна). Холдейн был экспертом в области глубоководной медицины, а в годы Первой мировой войны занимался лечением больных, пострадавших от отравления хлором. Результаты своих исследований он суммировал в новаторской книге «Дыхание», опубликованной в 1922 г., в которой утверждал, что некоторые пациенты с респираторными, сердечно-сосудистыми и инфекционными заболеваниями поддаются лечению с помощью длительных ингаляций кислорода. Он считал, что при правильной подаче кислорода лечение может не только быть паллиативным, но и останавливать дегенеративные процессы, позволяя организму восстановить утерянное равновесие.

На таких же принципах основана и современная кислородная терапия, хотя даже сегодня мы толком не знаем, насколько благотворным может быть действие кислорода. Результаты обширных клинических испытаний, опубликованные в январе 2000 г. в престижном журнале New England Jоиrnal оf Medicine, показали, что вдыхание 80% кислорода на протяжении двух часов после хирургических операций на толстой и прямой кишке вдвое снижало риск развития раневых инфекций по сравнению с рутинной практикой (вдыхание 30% кислорода). Тот факт, что такое простое лечение дает столь заметные результаты, является весьма обнадеживающим. Но очень показательно, что в наши дни методы лечения XIX в. все еще могут быть медицинской сенсацией. Этот пример демонстрирует, кроме прочего, насколько деятельность мошенников и шарлатанов может затормозить прогресс науки.

Еще одна причина осторожных высказываний Холдейна заключается в возможной токсичности кислорода. Вот что он писал:

Понятно, что врачи предпочитают быть осторожнее, но в чем же, собственно, состоит риск? Возможно, сдержанное высказывание Холдейна воспринимается как сухая теория, однако кислород, особенно под давлением, может вызывать серьезные физиологические реакции, что было известно Холдейну на oсновании практики глубоководных погружений.

В обычных условиях токсичность кислорода проявляется медленно и скрыто. Многие пациенты в больницах получают кислородную терапию, проводят сутки или даже недели в кислородных палатах или вдыхают кислород в барах без каких-либо негативных последствий для здоровья. Космонавты часто дышат чистым кислородом на протяжении недель, хотя давление воздуха в кабине космического корабля составляет лишь треть атмосферного давления, так что дыхание чистым кислородом в космосе соответствует вдыханию 33% кислорода. Связь давления и концентрации кислорода в атмосфере объясняет гибель в огне трех американских астронавтов во время наземных испытаний корабля «Апполон-1» в 1967 г. В космосе в кабине корабля всегда поддерживается повышенное давление по сравнению с окружающим вакуумом, поэтому ракеты конструируют таким образом, чтобы они могли выдерживать большой перепад давления. По этой причине в кабине «Аполлона-1» даже во время тренировок создавалось повышенное давление. К сожалению, кабину заполняли не воздухом, а чистым кислородом. Это означает, что содержание кислорода составляло не 33, а 130%. Искра в электропроводке в этой обогащенной кислородом среде немедленно вызвала сильнейший пожар, и за считанные минуты температура повысилась до 2500 °С.

Но кислород не только горюч, он токсичен при вдыхании. Токсичность зависит от концентрации кислорода и длительности процедуры. Обычно люди могут дышать чистым кислородом сутки или двое, но более длительное воздействие бывает опасным. Если же концентрация кислорода растет за счет повышения давления, токсическое действие может оказаться очень серьезным.

О токсичности кислорода стали говорить в конце XIX в., когда появилось первое снаряжение для водолазов. Водолазы погружались в воду вместе с дыхательными аппаратами, обычно наполненными чистым кислородом. Под давлением воды кислород компрессировался, и вдыхание чистого кислорода на глубине ниже восьми метров вызывало состояние, напоминающее эпилептический припадок, а потеря сознания под водой может закончиться трагически.

[1] Слово «кислород» имеет греческий корень и означает «образующий кислоту», что связано с ошибочной идеей о том, что кислород входит в состав абсолютно всех кислот. Это верно в отношении серных и азотных кислот, но неверно для остальных, таких как соляная кислота. — Здесь и далее примеч. авт.

[2] Действительно можно подумать, что селитра (нитрат калия, КNО3) конденсируется из воздуха: ее белая корка образуется на хорошо удобренной почве (содержащей азот). У этой соли есть несколько замечательных свойств. Она не только является прекрасным удобрением, но использовалась также для консервирования мяса и как лекарственное средство в народной медицине. При добавлении в напитки селитра охлаждает их не хуже льда, а при приеме внутрь оказывает сильное разогревающее действие. Полученная с добавлением селитры кислота (aqua regia, царская водка) способна растворять золото. Кроме того, селитра является ключевым компонентом пороха, изобретенного китайскими алхимиками в IX в.

[3] Чтобы быть до конца честным, нужно признать, что Пристли прекрасно осознавал все недостатки теории флогистона. Он сравнивал флогистон со светом и теплом, которые тоже нельзя было взвесить (нельзя этого сделать и теперь).