Маленькие ускорители больших реакций

 

 

 

Что делается

В механике,

И в химии,

И в биологии,—

Об этом знают лишь избранники,

Но, в общем, пользуются многие:

Излечиваются хворости,

Впустую сила мышц не тратится...

Л. Мартынов

Злой и добрый дух кобальт

Средневековые саксонские рудокопы своими заклятыми врагами считали зловредных гномов—кобольдов, живших глубоко под землей. Это именно из-за их колдовских проделок подчас не удавалось из найденной серебряной руды получить драгоценный металл. Более того, часто при плавке такой руды выделялись ядовитые газы, которые отравляли металлургов. Считалось, что именно так маленькие уродцы мстят людям, осмелившимся вторгнуться в их подземные кладовые. От этих злых духов не спасали даже молитвы... (рис. 10).

Со временем рудознатцы все же научились отличать истинную серебряную руду от «нечистой». Шведский химик Георг Брандт, выделивший из такой «нечистой» руды в 1735 году неизвестный металл, похожий на сталь с синеватым отливом, назвал его кобальтом. Под этим именем сегодня и известен химический элемент № 27.

Надо сказать, что некая таинственность всегда присутствовала вокруг кобальта и его соединений, с которыми человечество познакомилось ни много ни мало 5 тыс. лет назад. И в Древнем Египте, и в Китае соли кобальта применялись для окраски стекла и глазури в красивый синий цвет. В гробнице Тутанхамона, знаменитого египетского фараона, нашли осколки синего кобальтового стекла...

Кому не известно, что когда-то только в Венеции умели изготавливать цветное стекло, которое высоко ценилось в других странах. Дабы сохранить секрет варки такого стекла, все стекольные фабрики Венецианской республики были переведены на остров Мурано. Однако в XVI веке в Германии и Чехии нашли рецепт изготовления синей краски для стекла и стали ее продавать в разные концы света и даже в Венецию.

В то же время знаменитый химик и врач Парацельс любил демонстрировать картину, созданную им самим. На ней был изображен зимний пейзаж с деревьями под снежным покровом. Во время показа Парацельс незаметно подогревал картину, и на глазах изумленных зрителей снег быстро сходил, на земле зеленела трава, а деревья покрывались листьями. Чудеса объяснялись довольно просто: картина была написана кобальтовыми красками. Смесь хлористого кобальта с хлористым же никелем почти бесцветна. При ее нагревании теряется содержащаяся в этих солях кристаллизационная влага, и цвет сразу же меняется.

Но настоящая тайна кобальта, разгаданная лишь в наше время, была связана со страшной болезнью — злокачественным малокровием. Заболевшие считались приговоренными к смерти. Врачи так и называли это заболевание — пернициозная анемия, от латинского слова «гибельный».

Впервые анемию такого рода описал английский врач Томас Аддисон в 1855 году. У больных, страдавших злокачественной анемией, резко снижалось выделение желудочного сока и появлялся совершенно необычный процесс образования эритроцитов, какой наблюдался разве что только у внутриутробного пятимесячного плода. Долгое время эти два явления медики не могли связать. Лишь в 20-е годы нашего столетия стараниями американских врачей, изучавших влияние различных компонентов пищи на кроветворение, кое-что прояснилось. Им удалось установить, что наиболее благотворно действуют на образование красных кровяных шариков витамины группы В, которыми богата печень. Больным, употреблявшим печень, особенно сырую, удавалось задерживать развитие смертельной болезни.

В последующие годы, наконец, нашли связь между недостатком желудочной секреции и патологической выработкой аномальных эритроцитов. Оказалось, что в желудочном соке человека присутствует особое вещество — гастромукопротеин, являющийся переносчиком одного из витаминов В, который, вероятнее всего, и ответствен за выработку нормальных кровяных шариков. Когда возникает болезнь, резко уменьшается количество гастромуко-протеина, что сразу же сказывается на переносе витаминов и ведет к нарушению кроветворения.

В 1948 году одновременно и независимо друг от друга две исследовательские лаборатории Англии и США выделили из говяжьей печени красные кристаллы активного вещества. Поначалу оно получило название антипернициозного фактора. Это было очень важным достижением, особенно если учесть, что новое соединение содержалось в исходном продукте в пропорции 1: 100 000. Представьте, сколько печенок надо было переработать, чтобы получить ничтожное количество «фактора». И это в условиях, когда отсутствовали какие-либо надежные критерии, которые помогли бы отделить основной продукт от примесей.

Но потребовались еще годы и годы, чтобы исследовать до конца этот «фактор печени». К середине 50-х годов из Оксфордского университета поступили, наконец, сведения, что там расшифровали структуру антипернициозного фактора, который теперь получил название витамин В12. Самое необычное в этом веществе было то, что оно содержало атом кобальта. Это единственный витамин, в состав которого входит металл.

Расшифровка строения такого сложного соединения, как витамин В12, была произведена благодаря рентгено-структурному анализу (не правда ли, здесь приходит на память история с гемоглобином?). Но интересно, что и по строению своей основной части это соединение похоже на гем (да и на хлорофилл тоже): атом кобальта встроен в систему кольца коррина, только незначительно отличающегося по строению от порфирина (на рис. 11 показана часть молекулы).

Витамин В12 имеет молекулярную массу 1357, а кобальт в этой молекуле находится в трехвалентном состоянии. В связи с тем что здесь имеется цианогруппа, этот витамин называют еще и цианкоболамин. Цианогруппа может вытесняться другими атомами или группами атомов, поэтому возможно существование большого числа производных витамина В12. Однако эти так называемые гомологи в нашем организме уже не производят почти никакого эффекта, за что они получили название «псевдовитаминов».

Уже первые рентгенограммы кристаллического вещества В12, полученные еще в конце 40-х годов/вскоре после его открытия, весьма оптимистично настраивали исследователей относительно выяснения его структуры. Однако в то время еще не было полной определенности по части химического состава этого витамина. Потребовалось решать проблему с двух сторон: кристаллографам с помощью рентгеноструктурного анализа, химикам-органикам при помощи традиционных методов. Это было плодотворное сотрудничество, может быть, где-то и не без здорового спортивного азарта. Рентгеноструктурщикам первым удалось определить долгожданную структуру, и в этом труднейшем марафоне первостепенная заслуга принадлежала Дороти Кроуфут-Ходжкин, одной из самых замечательных биохимиков нашего времени. В 194:6 году она установила структуру пенициллина.

Кроуфут-Ходжкин с детства увлекалась химией. После окончания химического факультета Оксфордского университета она стала одним из первых сотрудников только что созданной кристаллографической лаборатории в Кембридже. Там под руководством выдающегося английского ученого Дж. Бернала она постигала тайны рентгеноструктурного анализа белковых веществ. Особых успехов исследователи добились при изучении глобулярных белков.

Кроуфут-Ходжкин называли лучшим кристаллографом Англии. К ней за советом и консультацией обращались молодые Уотсон и Крик, когда у них не все ладилось с расшифровкой структуры ДНК. 8 лет понадобилось Дороти, чтобы разгадать структуру витамина В12. Многим эта задача казалась совершенно неразрешимой.; За титаническую работу Дороти Кроуфут-Ходжкин в 1964 году была удостоена Нобелевской премии. Таким образом; она; стала третьей женщиной химиком после Марии и Ирэн Кюри, которой удалось получить эту высшую научную награду.

Воистину, нет предела совершенству! Как бы принимая эстафету от Кроуфут-Ходжкин, а может быть напротив, бросая ей вызов, «король синтеза» Вудворт по ту сторону океана решается на искусственное получение витамина В12. 11 лет — с 1961 по 1972 год - «лепил» он неподатливую молекулу. Синтез витамина В,2 считается высшим достижением за всю историю органической химии. Жаль, что Нобелевскую премию не дают дважды за успехи в одной и той же области науки. Но по части научных поощрений Вудворт, пожалуй, обижен меньше всех. Вряд ли мы ограничились бы одной страницей, если бы стали перечислять почетные степени и награды, академии и научные общества, членом которых он состоит. Этот выдающийся ученый создал научную школу, насчитывающую не менее 300 учеников — не только в Америке, но и в Европе. Половина из них — сами уже маститые ученые, члены различных академий. В работе над синтезом витамина В12 принимало участие 8 известных швейцарских химиков и 17 исследователей из Англии.

Вудворт неоднократно бывал в нашей стране и, для того чтобы читать в подлиннике советскую периодику, выучил русский язык. По словам его друга, профессора МГУ А. Н. Коста, «часто на лекциях или докладах, взяв в обе руки по кусочку мела, он с легкостью иллюзиониста начинал с обоих концов рисовать химическую структуру, и его пространственное видение молекулы было столь тонко, что не было случая, когда линии на доске не сошлись».

Получив витамин В12, человечество открыло путь к избавлению от злокачественного малокровия. Видный советский терапевт академик АМН И. А. Кассирский назвал победу над этим страшным недугом «медицинским событием века». Однако лечение пернициозной анемии весьма сложно, и при этом не ограничиваются витамином В12, а используют и другие препараты.

Витамин В12 применяют не только при расстройстве кроветворения, но и при заболеваниях нервной системы, печени, для лечения астмы и ряда других недугов. Однако в лечебной практике пока не используют синтетический витамин то он еще слишком дорог. В фармацевтической промышленности цианкоболамин получают используя биосинтез бактерий. Вообще заметим что у животных витамин Bi2 образуется только благодаря деятельности, микроорганизмов пищевого тракта. У: человека: этот процесс.выражен очень слабо» и, основное количество витамина мы должны получать с пищей

На страницах этой книги уже упоминалось о том что учеными ведутся поиски. заменителей железа в организме. В. этом отношении особенно обнадеживают комплексы кобальта с различными лигандами. Простейшие переносчики молекулярного кислорода с атомами кобальта вместо: железа оказались более эффективными. Но тогда возникает вопрос: почему же природа выбрала именно железо?

На это имеется по крайней мере два вероятных ответа.; Во-первых, железо более распространено в природе, а, следовательно, и более доступно. Кларк кобальта в земной коре лишь 0,0018, то есть круглым счетом в 2600 раз меньше, чем кларк железа. Во-вторых, железо в организме, помимо переноса кислорода, выполняет и многие другие разнообразные функции. Оно более универсально. И все же... Имеются убедительные сведения о том, что комплексы кобальта в лабораторных моделях вполне конкурируют с некоторыми энзимами. Недаром, помимо всего прочего, кобальт является активатором для таких ферментов, как, например, карбоангидраза и карбоксипептидаза. В нашем организме кобальта содержится всего лишь 1,5 мг. Однако попробуйте обойтись без них.

 

 

 

Оцинкованные ферменты

 

 

 

Многие века истинным бедствием человечества был диабет, или, как его еще называют, сахарная болезнь. Вот одно из свидетельств: «В Европе и Америке миллионы людей болеют диабетом, и тысячи из них умирают. Дети, внезапно пораженные диабетом, превращаются в чахлых карликов и гибнут. Молодые мужчины и женщины гибнут во цвете лет, мучимые жаждой, которую они не могут утолить, и голодом, которого не могут насытить...» Такую мрачную картину «доинсулиновой эры» нарисовал автор широко известных книг по микробиологии и медицине американский популяризатор науки Поль де Крайф. У него были свои счеты с диабетом: от этой болезни умер его отец.

Сейчас на земном шаре диабетом страдают многие миллионы людей. К сожалению, ему по-прежнему «все возрасты покорны», и число диабетиков согласно статистике каждое десятилетие удваивается. Однако с открытием инсулина — гормона, вырабатываемого поджелудочной железой и снижающего уровень сахара в крови, стало возможным облегчать страдания больных, в значительной степени улучшать их углеводный обмен и успешно противостоять грозному недугу.

Не вдаваясь в подробности, заметим, что диабет возникает при недостатке в организме инсулина. Резко нарушается обмен веществ. В крови и моче появляется сахар, собственно, отсюда и происходит название этого недуга.

Инсулин был открыт всего лишь в 1921 году, и сразу же его стали использовать для лечения больных диабетам Естественно, что такое целительное вещество не могло не привлечь к себе внимания не только медиков, но и биохимиков. В 30-х годах американские исследователи Д. Скотт и А. Фишер твердо установили, что в кристаллическом препарате инсулина присутствует цинк.

Надо сказать, что в то время не было еще убедительных доказательств жизненной необходимости этого металла, хотя некоторые эксперименты как будто бы прямо доказывали это. Что было тогда известно? Во-первых, еще в 1869 году доказали, что добавка солей цинка к культуре некоторых бактерий благотворно влияет на их рост. Во-вторых, в 1914 году выяснилось, что цинк в какой-то степени необходим и для растений. Однако все попытки доказать биологическую важность этого элемента для животных ни к чему не привели.

И вот цинк обнаружили в инсулине. Что это значило? До сих пор не прекращается дискуссия о том, является ли цинк активным началом инсулина и какова его роль в функции поджелудочной железы ив развитии диабета. Именно в поджелудочной железе концентрация цинка составляет значительную величину, особенно в так называемых островках Лангерганса, клетки которых и вырабатывают инсулин. Отсюда и название этого гормона, ибо «пнсула» по латыни значит островок. Но когда в 50-х годах английский биохимик Фредерик Сенгер, затратив 10 лет, установил формулу инсулина, места для цинка в ней не нашлось. А ведь Сенгер получил за свои труды Нобелевскую премию. Таким образом, вопрос о содержании цинка в инсулине, казалось, был решен отрицательно и окончательно.

Однако специалистов все же смущало, что лекарственные препараты с добавкой цинка активнее, чем чистый гормон. Дальнейшими исследованиями было установлено, что 6 молекул инсулина, связываясь прочно с 2 атомами цинка, образуют сложную структуру с массой 36 тыс. (молекулярная масса инсулина 6 тыс.). В такой форме молекулы в растворе или в кристаллическом виде весьма стабильны. И мы знаем, что впервые цинк обнаружили именно в кристаллическом инсулине. Так как гормон, выделенный из поджелудочной железы, всегда содержит цинк, было высказано предположение, что этот металл и в естественном состоянии инсулина способствует образованию сложной устойчивой полимерной структуры. Позже возникли предположения о связи цинка и с другими гормонами.

Но если вопрос о цинке и гормонах еще не нашел своего окончательного решения, то присутствие его в ферментах совершенно бесспорно. Сегодня насчитывают чуть ли не сотню энзимов, в которых обнаружен этот металл. Первым из них оказалась угольная ангидраза, или карбоангидраза — фермент, катализирующий обратимую реакцию образования угольной кислоты из двуокиси углерода и воды. Иными словами, при помощи его происходит удаление углекислого газа, образующегося в процессе тканевого дыхания. Уже одно это позволяет некоторым биохимикам считать, что в акте дыхания карбоангидразе принадлежит не меньшая роль, чем гемоглобину. Д этот фермент еще принимает участие в образовании и соляной кислоты желудочного сока, и бикарбонатов поджелудочной железы и слюны; а у птиц — ив построении яичной скорлупы.

И вот в молекуле такого важного в физиологическом

отношении вещества, как карбоангидраза, в начале 40-х

годов американские исследователи Д. Кейлин и Т. Манн

обнаружили цинк. Содержание этого металла в тщательно

очищенных препаратах, полученных из бычьей крови, сос

тавило 0,33 %. Молекулярная масса фермента была опре

делена в 30 тыс. Открытие цинка в карбоангидразе помог

ло понять биологическую роль металлов вообще. Именно с

этого момента началась «цинковая эра» в биохимии и

медицине.

Кейлин и Манн установили еще один любопытный

факт: активность карбоангидразы резко снижалась в при

сутствии сульфаниламидных препаратов. А таковыми

являются всем известные стрептоцид, сульфадимезин и

другие, Это свойство оказалось присущим только карбоан

гидразе. Пока мы не знаем других ферментов, которые

тормозились бы сульфаниламидами:. Вообще-то говоря,

эти вещества не связываются с металлами в комплексы,

нодциик; исключение, он взаимодействует с ними.

Всестороннее изучение показало, что стрептоцид,

например, в; значительной степени 'Затормаживая актив

ность карбрангидразы, оказывает мочегонное действие,

что очень важно при лечении различных почечных заболе

ваний. Это обстоятельство позволило разработать серию

так называемых диуретических препаратов, нашедших,

кроме того применение и при лечении глаукомы и гиперто

нии.

Долгое время карбоангидраза считалась единственным ферментом, содержащим цинк. Однако начиная: с 50-х годов один за другим были открыты и другие цинксодержащие энзимы. Среди них можно упомянуть кабоксипеп-тидазу А, выделенную из бычьей поджелудочной железы и участвующую в гидролизе белков, алкогольдегидроге-назу из печени, катализирующую превращения альдегидов в спирты, а также некоторые фосфатазы, способствующие гидролизу фосфоропроизводных соединений. Отметим, что сегодня из всех биометаллов цинку, пожалуй, уделяют самое большое внимание. Не случайно на одном из последних симпозиумов по обмену микроэлементов треть докладов была посвящена именно цинку.

Сейчас уже убедительно доказана необходимость цинка для функции эндокринных желез, для синтеза белков, его участие в механизме клеточного деления. Выясняется серьезная роль этого металла в развитии не только диабета, но и таких крайне тяжелых болезней, как цирроз печени и лейкемия. Обмен цинка в нашем организме, как полагают, имеет отношение и к проблеме атеросклероза. Помимо всего прочего цинку принадлежит важная роль в развитии скелета.

В то же время имеются факты, говорящие о том, что повышенное содержание этого металла в организме оказывает канцерогенное действие. Некоторое время назад видный советский физик Э. Л. Андроникашвили, исследуя со своими сотрудниками опухолевые ткани, обратил внимание на значительное содержание в них цинка. Впоследствии была установлена связь раковых образований с количеством цинка, поступающего в организм.

Как известно, некоторые злокачественные опухоли с успехом лечат ионизирующим излучением. В связи с этим Андроникашвили предположил, что целительное действие такого излучения связано с понижением концентрации металлов, в частности, присутствующих в ДНК и влияющих определенным образом на ее структуру. Вскоре это предположение нашло экспериментальное подтверждение. Было показано, что, облучая как здоровые, так и опухолевые клетки, можно добиться в них понижения уровня цинка более чем в 2 раза. Дело в том, что ион этого металла необходим для образования пептидной связи, когда углерод соединяется с азотом для построения белковой молекулы. Поэтому в зонах интенсивного деления клеток наблюдаются повышенные концентрации цинка. Недостаток его в пище замедляет развитие всего организма. С этой причиной Связывают карликовый рост представителей некоторых африканских народностей. Предполагают так же, что появление в древние времена и в Центральной Европе низкорослых племен тоже было связано с цинковой недостаточностью.

Наша ежедневная потребность в цинке около 15 мг, а общее его количество в организме не превышает 2 г, т. е. его у нас в 2 раза меньше, чем железа. После всасывания через- слизистую оболочку кишечника цинк поступает в кровь и разносится по всему организму. Самый низкий уровень цинка наблюдается у новорожденных, а наиболее высокий — у пожилых людей.

Человеческий кларк цинка составляет 0,0033 (что опять же всего лишь в 2 раза меньше, чем железа). Кларк цинка в земной коре составляет 0,0083. Это в 560 раз меньше, чем кларк железа, но почти в 2 раза больше, чем кларк меди.

Некоторые растения способны накапливать цинк в больших концентрациях. В Саксонии, в Рудных горах, где когда-то витал дух кобольда, из рода в род под величайшим секретом передавали предание о том, что галмейная фиалка указывает на близость месторождений цинка. Сегодня это подтверждается точнейшими исследованиями. В галмейной фиалке обнаружили содержание цинка в 200 раз большее, чем у обычных растений.

Там же, в Рудных горах имеется и другой цветок, который предпочитает более всего отвалы старых оловянных рудников. Цинк и олово в некотором роде связаны между собой: и тот и другой металлы издавна применялись в сплавах с медью. Цинк с медью образует латунь, а олово — бронзу. Даже в самом названии «цинк» некоторым исследователям слышится старонемецкое «цинн» — олово.

Впервые металлический цинк был получен в 1721 году саксонским металлургом Иоганном Генкелем, у которого, кстати, учился плавильному делу Михаил Васильевич Ломоносов.

Удивительно, что сплавы цинка с медью — латуни известны с древнейших времен, а чистый цинк получен только в XVIII веке. Минерал галмей, в котором содержится цинк, был тоже давно известен (отсюда и название галмейной фиалки). Не одно столетие люди пользуются также' лекарствами на основе цинка. Например, популярные глазные цинковые капли ввел в обиход еще Парацельс В лекарственном арсенале начала нашего века имелись такие препараты, как окись цинка в виде цинковой мази (это средство применяли внутрь при эпилепсии и различных судорогах), сернокислый цинк (он служил рвотным средством), хлористый цинк (использовался наружно— как прижигающее). И сегодня большое количество различных соединений цинка требуется фармацевтам для приготовления мазей, присыпок, гигиенических паст, суспензий, пластырей, не говоря о совершенно новых лекарствах, которые пока еще проходят клинические испытания.

В заключение маленький совет: оцинкованной посудой следует пользоваться осторожно — цинк неустойчив к действию кислот и щелочей. В такой посуде нельзя готовить пищу, квасить капусту, солить огурцы, хранить томаты. Помните: растворимые соединения цинка очень ядовиты. Недаром Парацельс, один из первых гомеопатов, любил повторять: «Все есть яд, и ничего не лишено ядовитости; одна лишь доза делает яд незаметным».

 

 

 

Витамин для витамина С

 

 

Белая магнезия получила название в противоположность уже известной до нее черной 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 еще особенно не спешили с выводами) он исследовал пиролюзит, смешивая его с различными веществами. При действии на минерал соляной кислотой он получал желто-зеленый 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 — королек, который в конце концов и был назван марганцем. В обиходе, пожалуй, самое популярное вещество, 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 помещены на музейные витрины. Может быть, они еще 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 всерьез 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, еще 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 ленин

градские биологи обнаружили неизвестный раньше вид

металлогенических бактерий, которые также могут накап

ливать 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 еще одна, на наш взгляд, тоже фантастическая гипотеза, выдвинутая лет 10 назад видными учеными Ф. Криком и Л. Оргелом. Эти исследователи выразили сомнение в том, что жизнь на Земле возникла естественным путем в результате эволюции материи. По их предположению, на нашу планету неведомой цивилизацией были занесены простейшие организмы. Они были доставлены, считают ученые, 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 звезд — например, молибденовых звезд,— то мы могли бы с большим доверием отнестись к теориям внеземного происхождения жизни».

Итак, авторы гипотезы считают, что вокруг молибденовых звезд 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 четвертом 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, легких). 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 распространен 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 распространенности молибдена во Вселенной. Содержание его в среднем в веществе 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 распространенность различных элементов в разных объектах Вселенной неодинакова, и в красных гигантах, например, содержание молибдена может быть повышенным. Следовательно, и в планетных системах вокруг таких звезд возможна повышенная концентрация молибдена.