Принести людям цвет

И. А. Болдырев,
кандидат химических наук
«Химия и жизнь» №1, 2012

А. И. Куинджи. «Лунная ночь на Днепре» (1880). Государственный Русский музей

Вино и тоник

Когда-то очень давно, когда Джордж Габриель Стокс только окончил Кембриджский университет (1841), а Николай Николаевич Зинин изобрел простой способ получения анилина (1842), мировая фармацевтика получала, наверное, первую свою сверхприбыль. Все дело было в коре хинного дерева, содержащей хинин — универсальное лекарство против малярии. Учитывая размах колониальных войн, потребность в этом веществе исчислялась тоннами, а цена из-за монополии Ост-Индской компании на плантации хинного дерева могла быть сколь угодно высокой. Раствор хинина в воде под названием «тоник» до сих пор продается в любой палатке. Однако в воде удается растворить не очень много хинина. Лучше использовать что-нибудь алкогольное, например вино. Если в Индии и Африке раствор хинина в вине применяли, по всей видимости, в терапевтических целях, то повсеместное употребление коктейля «джин-тоник» в Англии оправдывалось целями профилактическими.

Хинин обладает флуоресценцией — попросту говоря, может светиться. Он поглощает невидимые человеку ультрафиолетовые лучи, а испускает очень чистый, почти волшебный голубой свет (рис. 1). Кстати, лучше всего наблюдать флуоресценцию хинина именно в спиртовых растворах, в них она гораздо ярче. Об испускании света раствором хинина впервые сообщил в научном журнале Джон Хершель (1846). Чуть позже (1852) Стокс, который стал к тому времени профессором Кембриджского университета, доказал, что при флуоресценции поглощается свет одной длины волны (одного цвета), а испускается свет другой длины волны (другого цвета).

Рис. 1. Раствор сульфата хинина в стакане облучается сверху ультрафиолетом (фото автора). Эта фотография иллюстрирует целых два физических закона. Во-первых, УФ-излучение поглощается раствором хинина, и интенсивность окраски уменьшается сверху вниз — это следствие закона Бугера—Ламберта—Бера. Во-вторых, если облучать стакан не сверху, а сбоку, то флуоресценции не будет, так как стекло не пропускает ультрафиолет. При этом свет, испускаемый раствором хинина, через стекло проходит. Это означает, что длина волны излученного света больше длины волны поглощенного света — закон Стокса. Изображение: «Химия и жизнь»

Опыт Стокса был очень прост: на одной линии он расположил синее витражное стекло (такое стекло не пропускает никакой свет, кроме синего), стакан с тоником и бокал с белым вином. У белого вина соломенный цвет, через него, наоборот, проходят лучи всех цветов за исключением синих. Если теперь посмотреть на солнечный свет сквозь вино, тоник и синее стекло, то будет видно, как светится бокал с тоником. Если же вместо тоника в стакан налить обычную воду, то никакого свечения видно не будет.

Стокс патриотично опубликовал свою работу не только в международном журнале на немецком языке, но и у себя на родине в Англии. Несмотря на это, открытому им явлению флуоресценции тогда не придали большого значения. Только почти через сто лет, во время Второй мировой войны, появился первый настоящий прибор для регистрации флуоресценции, и то сперва для контроля качества лекарств против малярии, в том числе и хинина. Принято объяснять это забвение тем, что наука того времени еще не могла корректно описать явление флуоресценции. Однако в то же время благодаря открытой Зининым реакции начали бурно развиваться химия красителей и параллельно ей — наука о цветах. Наверное, о флуоресценции забыли лишь потому, что всем было некогда. Обычные, нефлуоресцентные краски появлялись каждый день и были удивительной новинкой.

Новые краски

Рис. 2. В1842 году Н. Н. Зинин получил анилин, действуя на нитробензол сульфидом аммония. Чуть позже он доказал универсальность открытой им реакции, получив м-фенилендиамин (1844) и м-аминобензойную кислоту (1845). Изображение: «Химия и жизнь»

Открытие Зинина — простой способ получения ароматических аминов, например анилина (рис. 2). Ароматические амины — ключевые соединения при получении анилиновых и азокрасителей. Этот класс соединений стал безумно популярным. Еще бы! Амины замечательно вступали в реакцию азосочетания, давая вещества всё новых и новых цветов.

Если до середины XIX века был доступен лишь ограниченный набор природных красителей, то вскоре после открытия Зинина синтетических красителей стало больше, чем природных, а к концу века их было синтезировано уже более 1200. Химия красителей развивалась бешеным темпом. В литературе это нашло отражение в образе «анилинового короля Роллинга» (Алексей Толстой, «Гиперболоид инженера Гарина»), а в реальной жизни химики получили возможность синтезировать вообще любой цвет, хоть бы даже и «пурпур древних» (рис. 3).

Не отставая от химии, развивался посвященный цветам и свету раздел физики. Одним из пионеров теории цвета стал Джеймс Клерк Максвелл, еще недавно слушавший лекции Стокса. В числе многих его научных достижений значится диск Максвелла. На самом деле это обычная юла, юбка которой раскрашена по секторам в разные цвета. Если юлу раскрутить, то от быстрого вращения отдельные цвета уже не удается различить — они смешиваются, давая новые, составные цвета. С помощью такой юлы Максвелл впервые точно установил, что основные цвета — это зеленый, красный и синий.

Максвелл основал в Кембридже отличную физическую лабораторию, много внимания уделял популяризации науки. Работа со смешением цветов привела Максвелла к созданию первой цветной фотографии (1861).

Рис. 3. 6,6-диброминдиго известен также как «пурпур древних». На схеме анилиновые фрагменты выделены синим (подробнее см. «Химию и жизнь», 2002, № 2, с. 36–40). Изображение: «Химия и жизнь»

Тем временем в Петербурге теорией цвета и популяризацией науки о цвете занимался в только что созданной (1865) физической лаборатории Федор Фомич Петрушевский. В числе прочего он изучал отражение света от цветной поверхности. Поскольку до изобретения телевизора человек видел большинство предметов в отраженном свете, это имело большее прикладное значение. Неизвестно, использовал ли Петрушевский диск Максвелла для калибровки, но точно известно, что вместе с Дмитрием Ивановичем Менделеевым они организовали научно-популярные курсы для людей искусства, где объясняли художникам научную теорию цвета и учили смешивать краски.

По средам у Менделеева собирались художники-передвижники почти в полном составе. И если нужен пример в подтверждение того, что наука и искусство вместе решают одну и ту же задачу познания мира и разнятся лишь в методе, то это «Лунная ночь на Днепре» (1880) Архипа Ивановича Куинджи, большого друга Менделеева. По легенде, Менделеев помогал Куинджи создавать краски. Можно понять, почему возникла эта легенда: свет на картинах Куинджи так хорош, что кажется волшебством или замысловатым научным фокусом. Многие современники верили, что художник использовал светящиеся краски, другие заглядывали за картину, чтобы узнать, не спрятан ли там фонарь, третьи поговаривали о нечистой силе. На самом деле, конечно, в основе «волшебства» Куинджи было только глубокое понимание законов оптики и зрительного восприятия.

Новые достижения химии быстро находили всё новые применения. В 1884 году датский врач Ганс Кристиан Грам изобрел способ окраски бактерий анилиновыми красителями. С тех пор и по сей день все бактерии подразделяются на два основных типа: грамположительные, которые окрашиваются по методу Грама, и грамотрицательные, которые по этому методу не окрашиваются. (Причина в различном сродстве красителя к клеточным стенкам тех и других бактерий, что отражает различие в их строении.)

Рис. 4. Окрашивание обычными и флуоресцентными красителями. Слева — срез опухолевой ткани, окрашенной эозином и гематоксилином. Видны обширные поражения сосудов. Справа — клетки с проникшим в ядро противоопухолевым антибиотиком доксорубицином, который светится красным. (Предоставлено лабораторией химии липидов ИБХ РАН.) Изображение: «Химия и жизнь»

Вообще использование красителей при изучении объектов микромира перевернуло гистологию — науку о строении тканей многоклеточных животных (рис. 4). Разные вещества окрашивали различные структуры тканей, позволяя разглядеть то, что прежде было «невидимым». В свою очередь, это способствовало потрясающим успехам биологии и медицины первой половины ХХ века.

Увидеть всё

Резерв, заложенный при создании обычных красителей, биологи порядком исчерпали уже к середине ХХ века. И дело не только в том, что исследователей в ХХ веке стало во много раз больше, чем в XIX. С помощью обычных красителей можно было различить даже органеллы клетки, но этого уже не хватало. Нужно было двигаться дальше, наблюдать отдельные молекулы внутри клетки. И вот тут вспомнили про забытую вместе с малярией флуоресценцию.

Макромолекулы за редким исключением бесцветны, и, чтобы сделать их видимыми, нужно их «покрасить». Но обычный краситель для этой цели не годится — слишком они малы. Например, в вашей комнате, когда включен свет, хорошо видны и мебель, и прочие вещи, но не видно маленькой точки, нарисованной карандашом на дальней стене. А вот если бы точка светилась сама, она была бы заметней, особенно при выключенном свете. Химия во второй половине ХХ века научилась прикреплять флуоресцентную метку (рисовать светящуюся точку) на любой биомолекуле. Молекулярные биологи со своей стороны научили клетки вырабатывать белки, уже несущие флуоресцентную метку (см. «Химию и жизнь», 2005, № 8; 2008, № 12).

Интересно, что на самом деле исследователь видит именно светящуюся точку и по-прежнему не видит ту молекулу, к которой она присоединена. Однако это ничуть не мешает получать необходимую информацию. Это как если бы вы ночью смотрели в окно и видели, что по той стороне улицы идет человек и курит сигарету. Самого человека не видно, но красный огонек его сигареты позволяет точно определить, где он, куда движется и даже какой у него рост.

Идея красить обычно невидимые молекулы флуоресцентными метками оказалась очень продуктивной и конечно же способствовала быстрому развитию клеточной биологии, иммунологии и генной инженерии в конце XX — начале XIX века. Стали видны липиды, белки, ДНК и то, как они взаимодействуют друг с другом. Даже за одной-единственной молекулой белка теперь можно следить с помощью флуоресценции. Так, например, удалось получить ценную информацию о кинезинах — моторных белках эукариотических клеток. Теперь мы знаем, что молекула кинезина в буквальном смысле шагает по микротрубочкам внутри клетки.

Вдалеке от научных лабораторий, в прикладных областях флуоресценция используется едва ли не чаще. В медицине с помощью флуоресценции делают большую часть иммуноферментных анализов, например анализы на ВИЧ, герпес, гепатиты. Маленькие святящиеся вкрапления в бумаге, на которой печатают банкноты, служат дополнительной степенью защиты (рис. 5). Белые футболки и писчая бумага содержат специальные флуоресцентные метки, которые делают их белее. Читатель при случае может в этом убедиться — под УФ-лампочкой, которую легко найти в солярии или ночном клубе, такая бумага или ткань светятся голубоватым светом.

Рис. 5. Банкнота в ультрафиолетовом свете (фото автора). Прерывистая полоса слева и эмблема флуоресцируют. Изображение: «Химия и жизнь»

Существует и флуоресцентное вещество, которое помогает ловить преступников. Люминол при взаимодействии со следами крови, даже если их усердно отмывали, начинает светиться, помогая понять, что произошло на месте преступления (рис. 6).

Рис. 6. Молекула люминола в присутствии гема окисляется кислородом воздуха с испусканием света. Изображение: «Химия и жизнь»

Может быть, нечто подобное люминолу искал Шерлок Холмс. Свой реактив для обнаружения крови в следовых количествах он изобрел как раз в тот день, когда познакомился с доктором Уотсоном. Действие повести «Этюд в багровых тонах» происходит в 1881 году, через 20 лет после того, как Максвелл изобрел цветную фотографию, и за 20 лет до того, как в Германии впервые синтезировали люминол.