«Химия навсегда». Глава из книги
Почему дирижабль «Гинденбург» был наполнен водородом, а не гелием, и почему это привело к трагедии? Чем занимались зелейщики и почему крестьяне их не жаловали? Зачем ацетон был нужен военно-морскому флоту Великобритании? …
Глава 5. Биопиратство, или Проклятие мускатного ореха
В этой главе мы раскроем химическую составляющую худшей в истории сделки по продаже недвижимости, познакомимся с ароматными молекулярными близнецами и научимся рисовать как химики.
Правительства и частные грантодатели часто пытаются контролировать исследования, проводимые за счет государственного бюджета, выдавая весьма специфические гранты и ожидая тесно связанных с ними результатов — таких как патенты, новые компании и изобретения в предписанных областях.
Исследователи, как правило, яростно противятся подобной политике, утверждая, что если их предоставить самим себе и позволить им самим решать, когда и как использовать шпатели, шприцы и микроскопы, то в результате появятся лучшие патенты, новые компании и изобретения. Заявки на гранты иногда пишутся послушным языком, придерживающимся той политики и формы, которые в данный момент в моде, но за этим языком более или менее хорошо скрыт план Б, содержащий настоящие научные вопросы, на которых, по нашему мнению, следует сконцентрироваться.
Это, конечно же, не новый феномен, и одно из самых чудовищных злоупотреблений грантом, должно быть, случилось в 1609 году. Капитан Генри Гудзон получил корабль, людей и провизию от Голландской Ост-Индской компании (VOC, Vereenigde Oost-Indische Compagnie); согласованный исследовательский план предполагал изучение пути в Индию через так называемый северо-восточный морской путь, пролегавший к северу от Скандинавии и России. Капитан попытался следовать этому плану, но где-то к востоку от самой северной точки Скандинавии, рядом с мысом Нордкап, ему пришла в голову идея получше, и он повернул корабль на запад. Он пересек Атлантику и, помимо прочего, исследовал реку, которая позже будет названа его именем — Гудзон. Это дало Республике Соединенных провинций возможность претендовать на большой остров, который местные жители называли Манна-хата; надо думать, английские соотечественники Гудзона очень об этом пожалели.
Необходимость отправиться на восток возникла отчасти из-за огромных прибылей, которые можно было получить от торговли специями, как по возвращении домой, так и при транспортировке гвоздики, перца и мускатного ореха в пределах Азии. В некотором смысле (если слегка побыть химическим шовинистом) торговлю специями можно рассматривать как торговлю химическими веществами, поскольку некоторое количество весьма занятных молекул лежит в основе нашего восприятия специй в отличие, скажем, от поедания риса — еще одного важного компонента ост-индской торговли.
В первом приближении рис представляет собой смесь очень больших молекул, таких как углеводы и белки. Такие факторы, как текстура и содержание воды, также важны для общего вкусового восприятия. Сравните его, например, с гвоздикой, характерный запах которой некогда повсеместно царил на Занзибаре и других островах соответствующего архипелагаI. При экстракции масла из высушенных бутонов гвоздичного дерева оно будет состоять почти исключительно (до 95 %) из одного-единственного вещества — молекулы под названием эвгенол, и наши ощущения в тот момент, когда мы нюхаем или едим пищу с гвоздикой, возникают исключительно благодаря этому веществу и нескольким другим родственным ему молекулам.
Иногда это может вводить нас в заблуждение, как недавно показал выпуск научно-популярной программы на шведском государственном радио. Группа психологов хотела продемонстрировать мощную связь между запахами и нашими воспоминаниями о местах и событиях — обонятельную память, самый известный пример которой мы находим в начале книги Марселя Пруста «В поисках утраченного времени»1, когда его альтер эго пробует приготовленное матерью печенье мадлен и мысленно переносится в забытые дни детства.
Но шведские психологи перемудрили. Они дали испытуемому понюхать химический препарат из зубоврачебного кабинета. «Рождество», — последовал немедленный ответ подопытного кролика, поскольку гвоздика — это один из ингредиентов шведских имбирных печений в виде человечков, которые готовят к празднику Йоль. «Ага! — сказали психологи. — А вот вы и ошиблись, потому что это ингредиент под названием эвгенол, который стоматологи используют в качестве мягкого обезболивающего и антисептика, и он не имеет к гвоздике никакого отношения!» И разумеется, на флаконе написано «Эвгенол», там не сказано, что это полученный методом паровой дистилляции экстракт гвоздики, так что откуда человеку знать? Уж конечно, химические препараты делаются на фабриках, а не растут на деревьях.
И в самом деле, на уроках химии в школе вам не расскажут о таких вещах, и, несмотря на беззлобные насмешки над магглами со стороны химиков, нам, возможно, стоит задаться вопросом, насколько сильно мы стараемся исправить эту ситуацию. Иногда я чувствую себя так, словно преподаю в Хогвартсе, раскрывая секреты древнего ремесла, о котором мало кто знает, если не считать его дурной репутации, как у колдовства, и что многих из нас, как ведьм и волшебников из «Гарри Поттера», такое положение дел вполне устраивает.
Следует, однако, добавить, что университетские учебные лаборатории, как правило, более приятное место, чем подземелье, в котором профессор Северус Снегг ведет уроки зельеварения. С другой стороны, есть и кое-что общее. Ученикам в Хогвартсе приходится изучать руны и другие графические изображения магических вещей; изучающим химию необходимо выучить ее графический язык, поскольку химики общаются картинками и рисунками почти так же часто, как словами.
Начнем с того, что у нас два языка. Первый — это язык условных обозначений для повседневного использования, в котором структуры и материалы имеют прозвища — или, как мы выражаемся, тривиальные названия — такие как эвгенол или его химический близнец изоэвгенол (компонент одной из самых редких восточных специй — мускатного ореха). У этих кратких и удобных наименований есть значительный недостаток: они никак не связаны с внешним видом молекулы и с формулой вещества, и их остается лишь выучить наизусть. Вместо этого мы можем назвать два этих вещества «2-метокси-4-(проп-2-енил)фенол» и «транс-2-метокси-4-(проп-1-ен-1)фенол», и большинство химиков сразу поймут, о каких молекулах идет речь. На письме это выглядит прекрасно, пусть и несколько громоздко, но, конечно же, произнести это совершенно невозможно, особенно если в названии нужны скобки. Вот почему мы любим рисовать, и в процессе создания картинки рисование становится и способом мыслить. На рисунке 12 показаны изображения эвгенола и изоэвгенола.
Когда я учился на инженерном факультете, у нас были уроки черчения, на которых мы делали детальные чертежи реакторов с профилями в разрезе и всем прочим, осваивая таким образом весьма эффективный и очень стильный с эстетической точки зрения язык общения. Формально у нас не было занятий по изображению химических формул, но нам всегда давали понять, что небрежная картинка — это признак небрежного мышления.
Поэтому все углы шестиугольников на рисунке 12 должны составлять точно 120°, вторая линия, изображающая двойную связь, должна помещаться внутри цикла, а не снаружи, и самое важное: атомы углерода находятся во всех углах и точках соединений, но никогда и ни за что нельзя писать символ «С», и никогда нельзя рисовать атомы водорода, соединенные с углеродом.
В мускатном орехе содержится мягкое психотропное вещество, родственное эвгенолам, — миристицин, два изображения формулы которого вы видите на рисунке 13. Надеюсь, вы согласитесь со мной в том, что формула справа по-настоящему уродлива, хотя она и несет в себе больше информации для непосвященного человека.
Рис. 13. Разные способы изображения формулы миристицина С12Н12О3. Красивый способ (слева) и один из многих безобразных способов (справа).
Приятной специей мускатный орех делает не только миристицин; на самом деле его содержание настолько низкое, что в том небольшом количестве мускатного ореха, которое мы обычно добавляем в пищу (например, он хорошо сочетается с картофелем и шпинатом), он не оказывает совершенно никакого галлюциногенного эффекта, а большее количество просто сделает блюдо несъедобнымII. Нет, популярным в кулинарии ингредиентом мускатный орех стал благодаря сложной смеси нескольких молекул.
Если миристицин можно считать кузеном эвгенола и изоэвгенола, то молекулы двух последних, безусловно, должны быть братьями или сестрами с одинаковой формулой С10Н12О2. Химики называют таких молекулярных братьев изомерами.
В химии есть много видов изомеров, и эвгенол с изоэвгенолом принадлежат к самому базовому типу. Они отличаются по своим химическим связям, как видно из разного положения двух параллельных черточек (двойных связей) в «хвосте» этих молекул в правой их части на рисунке 12. Совсем как неполнородные братья и сестры, такие изомеры могут походить друг на друга не только химической формулой, но в этом случае они действительно весьма близки и очень напоминают друг друга.
Какой была бы химическая параллель с настоящими близнецами? Это молекулы с одинаковой формулой и эквивалентными связями, но при этом их пространственные формы отличаются.
Изоэвгенол — как раз такая молекула с полным названием транс-2-метокси-4-(проп-1-ен-1)фенол, и у него есть родной брат (или, если угодно, сестра), который называется цис-2-метокси-4-(проп-1-ен-1)фенол. В менее формальной версии они известны нам как цис- и транс-изомеры; у транс-изомеров одинарные связи находятся с противоположных сторон от двойной связи, а у цис-изомеров они находятся с одной стороны, как видно по жирной линии вверху слева на рисунке 14.
Рис. 14. Слева: молекулярные сиблинги изоэвгенолы. Справа: два изображения одной и той же молекулы эвгенола. Связи, изображенные жирной линией, подчеркивают разницу между цис- и транс-изомерами.
Показанные здесь транс- и цис-изомеры точно такие же, как и те, что содержатся в широко обсуждаемых транс-жирах — тех, что порой можно обнаружить в печенье и других продуктах промышленного производства и которые не особенно полезны для здоровья из-за содержащихся в них частично гидрогенизированных жиров. Не стоит думать, что ярлык «транс-» становится «меткой Пожирателя Смерти» для любой молекулы искусственного происхождения. Многие природные вещества содержат транс-изомеры — на ум приходит, к примеру, важный витамин А, а в коровьем молоке содержится некоторое количество природных транс-жиров.
Как вы уже поняли, в этих схемах содержится большое количество информации, незаметной, пока у вас нет ключа, — совсем как на средневековых картинах, которые радуют взгляд, но истинное значение которых теряется без знания лежащего в их основе символизма. Линии, изображающие химические связи, выглядят цельными и жесткими, словно спицы, но на самом деле молекулы гибки, а их атомы никогда не остаются неподвижными; они испытывают колебания и вращаются, так что нужно мысленно заменить спицы на пружины разной степени жесткости. Возьмем двойные связи: будучи двойными, они более прочны, и можно было бы подумать, что их достаточно нарисовать толще и короче, но тут есть самый настоящий механический символизм. Если два шара соединены спицей, каждый шар можно вращать независимо от другого, но, если они соединены двумя спицами, это невозможно.
Однако атомы соединяются при помощи электронов, а не спиц, и то, почему эта аналогия из области механики работает, не очевидно (да и не должно быть очевидным). Но она все же работает, и на том мы и остановимся, иначе всю оставшуюся часть книги нам пришлось бы посвятить квантовой химии — это крайне увлекательная ее часть, но она не для слабонервных. Позвольте мне упомянуть лишь один, самый важный вывод квантовой химии: электроны не вращаются вокруг атомов, словно планеты вокруг Солнца. Некоторые из них совершают нечто подобное, но другие движутсяIII в совершенно особых, часто взаимоисключающих направлениях, и именно это приводит к жесткости двойных связей и пресекает вращение. Это причина того, почему изоэвгенол существует в виде двух встречающихся в природе изомеров, а эвгенол — только в виде одного.
Все это было неизвестно двум Ост-Индским компаниям, Голландской и Английской, которые с жаром — и часто с применением чрезмерного насилия — боролись за контроль над торговлей специями в Европе. Будь эта химия известна в то время, можно было бы собрать веские доводы, которые помогли бы избежать борьбы за острова Банда — единственное место, где было найдено мускатное дерево.
Гвоздичное дерево легко вырастить почти в любом тропическом регионе, а если взять сушеную гвоздику и извлечь из нее масло, то в результате простой реакции с использованием едкого кали (КОН) эвгенол можно превратить в изоэвгенол — и вуаля, вы сделали из основного ингредиента гвоздики одну из характерных молекул мускатного ореха, и вам больше не требуется мускатное дерево, которое так трудно вырастить! Но все не так просто. Как и в случае со многими вкусными продуктами, аромат мускатного ореха рождается из сложной смеси разных составляющихIV; гвоздика скорее исключение, поскольку производимый ею эффект основывается почти исключительно на одной молекуле.
Так что простая химия не спасла бы жизнь в этой ситуации. Жестокая борьба за острова Банда, особенно за один из самых маленьких — Рун, — вместо этого закончилась Бредским соглашением 1667 года, заключенным после англо-голландской войны. Маленькой деталью в этих переговорах было то, что Рун — единственный «английский» остров архипелага, взятый голландцами после четырехлетней осады, — должен был остаться у голландцев, а взамен англичане сохраняли за собой остров Манхэттен на реке Гудзон, который они оккупировали незадолго до того2.
В краткосрочной перспективе это было очень выгодно голландцам, у которых теперь оказалась мировая монополия на мускатный орех. Однако этой монополии постоянно угрожало то, что в наши дни называют биопиратством. Разумеется, голландцы бессовестно получали прибыль с того, что по праву являлось ресурсами, принадлежавшими жителям островов Банда, но 15 000 островитян могли бы сейчас вести приятную жизнь на годовую прибыль 80 миллионов долларов США, которую приносит экспорт мускатного ореха, если бы в 1817 году британцы не умудрились посадить мускатные деревья в других тропических регионах3.
Сегодня, когда действует Конвенция ООН о биологическом разнообразии, подобное перемещение биологического материала стало бы грубым нарушением соглашения, подписанного в 1992 году правительствами 150 стран на Саммите Земли в Рио-де-Жанейро4. Одна из главных задач — защита биологических ресурсов и знаний о них, особенно в бедных странах, от эксплуатации в интересах других государств.
Другая причина защищать биологическое разнообразие планеты заключается в том, что это один из важнейших для нас молекулярных ресурсов. Можно считать, что химическая промышленность могла бы легко состряпать технологию изготовления любой прибыльной молекулы, но это не всегда так. Синтезировать «с нуля» молекулы, такие как эвгенол, изоэвгенол и миристицин, не всегда целесообразно, и поэтому часто используются их природные источники. Это станет особенно актуально, когда закончится нефть — чудесный источник начальных реагентов.
На самом деле есть шанс, что существует еще множество неоткрытых ценных молекул — в растениях, которые в эту самую минуту находятся на грани исчезновения; это лекарства против ВИЧ и туберкулеза, новые антибиотики или идеальный прекурсор для изготовления катализатора, превращающего солнечные лучи в полезную энергию.
Голландская Ост-Индская компания утратила свое значение к концу XVIII века и исчезла в 1800 году. Вскоре после этого острова Банда утратили для голландцев экономическую важность. Однако цены на недвижимость на Манхэттене продолжали расти и сейчас являются одними из самых высоких в мире. Можно утверждать, что даже если американские индейцы сильно прогадали на этой сделке, то голландцы прогадали еще больше, а британцы, конечно, разыграли свои карты в Северной Америке так плохо, что в любом случае все было потеряно.
Однако по сей день Нидерланды являются крупнейшим рынком импорта мускатного ореха. Красочный рассказ об истории этого ореха, который с ботанической точки зрения орехом вовсе не является, можно найти в книге Джайлса Милтона «Мускатный орех Натаниэля»5.
I «Тогда, как и сейчас, ветерок с ароматом гвоздики и других тропических специй приветствовал путешественника с самого берега, а медленные, вкрадчивые волны чудесного синего цвета накатывали на белоснежные коралловые пляжи». Так Алан Мурхед описывал в своей книге «Белый Нил» (The White Nile, Harper & Row, 1960) прибытие Джона Хеннинга Спика и сэра Ричарда Бёртона в Африку в 1856 г., когда они отправились в экспедицию на поиски Великих Африканских озер.
II Несколько лет назад один шведский журнал для гурманов опубликовал рецепт яблочного пирога, в который вкралась опечатка: 20 мускатных орехов вместо 2 kryddmått (примерно половина чайной ложки). Тем, кто случайно последовал указаниям в рецепте, пирог должен был показаться несъедобным, но все же несколько человек умудрились съесть достаточно, чтобы у них развились такие симптомы, как головная боль и головокружение.
III Ладно, на самом деле мне нельзя этого говорить, не следует столь фривольно выражаться, когда речь идет об электронах. Мне следовало бы рассуждать о вероятностной электронной плотности и о волновых функциях, потому что электроны, как и отдельных зебр в их защитной окраске, невозможно отличить друг от друга таким способом.
IV Еще больше дело осложняется тем, что эта смесь меняется в зависимости от разновидности дерева и от того, где оно выросло.
1 Пруст М. В сторону Свана: В поисках утраченного времени. Асаdemia, 1927; оригинал впервые опубликован в 1913 г.
2 Milton G. Nathaniel’s Nutmeg. Penguin Books, 1999.
3 International Trade Centre, World Markets in the Spice Trade 20002004 //UNCTAD/WTO. 2005.
4 Конвенция ООН о биоразнообразии: The Convention on Biological Diversity, 120901.
5 Milton, Nathaniel’s Nutmeg.
Рис. 12. Разные способы передачи информации о молекулах главного «пряного» ингредиента гвоздики (слева) и одного из основных компонентов мускатного ореха (справа) при помощи названий и схем. Оба имеют формулу С10Н12О2.