Открытие под фонарем

Задача

По ночам современные города сияют всеми цветами радуги: магистрали отражают свет высоких желтых фонарей, подсвечены архитектурные достопримечательности, повсюду мелькает реклама. Замысловатую иллюминацию видно издалека, даже с земной орбиты — ночные огни словно визуализируют плотность населения. Но еще несколько столетий назад даже самые крупные города по ночам были не светлее, чем дикий лес.

Когда же зажглись первые огни, освещающие не отдельное жилище, а целую улицу — для всех, кто пройдет по ней после сумерек? Впервые уличные фонари появились в начале XV века в Лондоне — их вывешивали по распоряжению мэра. Век спустя к Лондону присоединился Париж. Правда, французская столица возложила обязанность на жителей города, приказав выставлять лампы у выходящих на улицу окон. Системно к проблеме ночного освещения подошел Амстердам, где в XVII веке была создана целая сеть из уличных фонарей. В начале XVIII века засветились рукотворным светом Санкт-Петербург и Москва, а также множество городов поменьше в самых разных странах.

В результате горожане стали чувствовать себя гораздо увереннее — не падали в ямы и каналы, меньше опасались разбойников и потому охотнее навещали друзей и посещали культурные мероприятия по вечерам. Городские службы вроде пожарных или правоохранителей смогли лучше выполнять свою работу в темное время суток.

Однако во второй половине XIX века наблюдательные прохожие, прогуливаясь под фонарями, стали все чаще замечать их необычный «побочный эффект». Сейчас его назвали бы экологическим. Растущие рядом с мачтами городского освещения растения нередко выглядели больными — их рост замедлялся, стебли скручивались и утолщались, корни тоже становились толще, а плоды созревали раньше срока. Вскоре к проблеме подключились ученые, изучившие влияние фонарей на растения в оранжереях и с помощью лабораторных экспериментов, — результатом стало важное открытие, одно из первых в некой области биологии.

С чем было связано такое сильное влияние фонарей на рост и другие процессы в тканях растений? И что за открытие они помогли сделать?


Подсказка 1

Само собой, уличные фонари не всегда работали от электричества. Самые первые электрические фонари появились вскоре после описанных событий. Они быстро распространились и полностью вытеснили те, что давали свет «по старинке».


Подсказка 2

До появления электричества у городских фонарей была длинная история: менялась их конструкция, менялось используемое горючее. Первые фонари, по сути, были просто плафонами, в которых стояли свечи или масляные горелки. На смену им пришел керосин, но лучше всего зарекомендовали себя фонари на светильном газе, который получали путем пиролиза (термического разложения) древесины, угля или нефти.


Подсказка 3

Химический состав светильного газа (англ. coal gas — «угольный газ») зависит от технологии получения, но его основные компоненты — водород и угарный газ. Приведем для примера состав одной из современных проб светильного газа (по данным из статьи W. Li et al., 2019. Experimental Study and Thermodynamic Analysis of Hydrogen Production through a Two-Step Chemical Regenerative Coal Gasification):

  • водород (H2) — 52%,
  • угарный газ (CO) — 22%,
  • метан (CH4) — 11,6%,
  • азот (N2) — 9%,
  • углекислый газ (CO2) — 3,5%,
  • кислород (O2) — 1,7%,
  • этилен (C2H4) — 0,5%,
  • сероводород (H2S) — 0,1%,
  • другие компоненты в меньших количествах.

Азота и кислорода в атмосфере очень много. Углекислый газ также содержится в ней в заметных количествах, к тому же он необходим растениям для фотосинтеза. Полное сгорание светильного газа приводит к образованию главным образом того же углекислого газа и паров воды.


Решение

Рис. 1. Структурная формула этилена

Рис. 1. Структурная формула этилена. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Причиной повреждения растений рядом с газовыми фонарями был этилен C2H4 (рис. 1) — небольшая органическая молекула из непредельного ряда алкенов (или олефинов). Такие углеводороды состоят всего из двух элементов — H и C — и содержат одну двойную связь. При нормальных условиях этилен (также известный как этен) — это бесцветный горючий газ со слабым сладковатым запахом, плотность которого меньше, чем у воздуха (из-за этого в атмосфере он поднимается вверх). Эта молекула — один из самых простых объектов, изучаемых в рамках органической химии, она участвует в бесчисленных естественных реакциях и промышленных синтезах (примеры см., например, здесь).

Однако есть у этилена и другая ипостась. Он работает как фитогормон, то есть гормон растений, который регулирует многие процессы в их организме. Уже из описанных выше наблюдений понятно, насколько разнообразные эффекты этилен оказывает на растения. Самый характерный — это так называемый тройной ответ на этилен у этиолированных проростков (бледных и вытянутых из-за развития в темноте). Он включает в себя три реакции: укорочение и утолщение стебелька зародыша (гипокотиля), укорочение корня и искривление верхушки под прямым углом («апикальная петелька»). Такая защитная перестройка помогает юному растению пробиться через почву к свету и обогнуть преграды вроде камней. Удивительно, что газ влияет на растения даже в концентрации 0,0001%.

Этилен не привязан к какой-то одной части растений — он образуется и действует почти во всех его органах: листьях, стеблях, корнях, цветках и плодах. «Газообразный гормон» быстро перемещается по тканям и обеспечивает оперативные изменения. Его эффекты многообразны: гормон стимулирует оплодотворение, созревание плодов, опадение листьев и лепестков, старение и гибель растения. С другой стороны, этилен вырабатывается в качестве реакции на разного рода внешний стресс: механическое воздействие, повреждение тканей, недостаток или избыток воды, низкую температуру, при контакте с паразитическими микробами, грибками, растительноядными насекомыми и так далее. Более того, он участвует в «коллективных» реакциях растущих рядом растений, получающих этиленовый сигнал от своих соседей.


Послесловие

От первых наблюдений поврежденных растений до современного понимания молекулярных механизмов действия этилена прошло более века. Как мы помним, все началось с фонарей и светильного газа. Скорее всего, их действие на растения было связано именно с утечками газа — в те времена они происходили сплошь и рядом. Например, в 1913 году занимавшаяся поставками светильного газа компания в Массачусетсе (США) отметила, что лишь 90% газа достигает потребителя. Десятая его часть рассеивалась в атмосфере, жилых помещениях и оранжереях.

Первым шагом на пути к верному решению загадки стало понимание химической природы стимула. Действие фонарей вполне могло быть связано со светом, который, скажем, мог нарушать биоритмы растений, ведь живые организмы способны к фотопериодизму и точно ощущают изменения длины дня. Подсветка в темное время суток вполне могла испортить их «биологические часы». Однако очевидная связь с утечками газа и отсутствие эффекта от фонарей другого типа опровергли эту гипотезу.

Между тем новая информация продолжала поступать. В 1858 году стало известно, что светильный газ вызвал сильные повреждения растений в оранжерее Филадельфии. Большинство цветов были угнетены и теряли листья, хотя многие вскоре оправились. В 1864 году сообщалось, что в составе повредившего деревья газа был этилен. В 1906 году в США более сотни деревьев подверглись действию светильного газа из-за прорыва газопровода — пораженная область вытянулась вдоль него на четыре километра.

Проведенные в 1874 году эксперименты показали, что предварительная обработка почвы светильным газом повреждает посаженные в нее семена. Он также замедлил рост корней фуксии, шалфея и других растений. Действие газа тогда верно сочли во многом косвенным, опосредованным отравлением почвы. Помимо этилена, в светильном газе обнаружили циановодород HCN. Он оказывал на деревья прямое токсическое действие и даже приводил к их гибели. Однако характерную деформацию стеблей он вызвать не мог.

Точный физиологический эффект этилена на растение описал российский ботаник Дмитрий Николаевич Нелюбов (1879–1926), который работал в оранжерее Ботанического института Санкт-Петербургского университета. В 1901 году он заметил, что выращенные в темноте проростки гороха в его лаборатории почему-то стали расти горизонтально (вместо обычной вертикальной ориентации стебля). При этом на улице тот же горох вел себя совершенно нормально. Нелюбов последовательно исключил роль освещения и температуры в лаборатории и пришел к выводу, что дело в газовой горелке. Топливом в ней служил тот самый светильный газ. Сомнений не осталось, когда ученый подействовал светильным газом на проростки, перенесенные на свежий воздух, и получил тот же тройственный ответ (рис. 2).

Рис. 2. Тройственный ответ этиолированного проростков Arabidopsis thaliana на этилен

Рис. 2. Тройственный ответ этиолированного проростков Arabidopsis thaliana на этилен. A — проростки дикого типа, выращенные в отсутствие (слева) или в присутствии (справа) этилена. B — проросток дикого типа, выращенный в присутствии предшественника этилена. C — крупный план выраженной апикальной петельки, характерной при тройном ответе на этилен. D — крупный план укороченного корня при тройном ответе. Фото из статьи G. E. Schaller, J. J. Kieber, 2002. Ethylene

Дело оставалось за малым — понять, какой именно компонент газовый смеси действует на проростки. После пропускания светильного газа над нагретым CuO (оксидом меди (II)), которое привело к окислению углеводородов, негативное воздействие на растения не наблюдалось. Далее Нелюбов поочередно перепробовал несколько разных ингредиентов светильного газа по отдельности: оксид серы (IV) SO2, сероуглерод CS2, бензол, ксилол и нафталин — все они повреждали ростки, замедляли их развитие и вызывали утолщение стебля. Однако ни одно из этих соединений не вызвало горизонтальный рост, то есть резкий изгиб верхушки проростка, — еще одну реакцию тройственного ответа. Она появилась только при использовании этилена и ацетилена C2H2, причем этилен сработал гораздо лучше. Таким образом начавшееся «под фонарем» открытие окончательно состоялось.

К 1934 году физиологи растений доказали, что этилен — это не что-то чужеродное для растений, что по воле случая изменило их состояние. Оказалось, что растительные организмы вырабатывают и используют этот газ для саморегуляции. Поэтому этилен назвали «фитогормоном», по аналогии с уже известными гормонами человека и животных. Позднее стали понятны и сложные молекулярные механизмы действия этилена, а следом описан ряд других фитогормонов — ауксины, цитокинины, гиббереллины, брассиностероиды и другие. Исследования таких веществ продолжаются — это одна из «горячий точек» современной биологии. Ученые постоянно описывают все новые фитогормоны, их сложные эффекты и взаимодействия.

Такова история открытия негативного влияния этилена на растения. А как насчет его применений? Как ни странно, практическое использование этого фитогормона началось намного раньше его открытия. Впрочем, люди нередко сначала учатся использовать биологическое явление, ничего не зная о его механизмах, и лишь затем описывают их с точки зрения науки. Скажем, сыроделы и виноделы веками изготавливали продукты питания, даже не догадываясь о помогающих им бактериях.

Первые упоминания использования человеком физиологических эффектов этилена относятся к временам Ветхого Завета. В нем описано, как сборщики урожая царапали и иным образом повреждали фиги, чтобы стимулировать их созревание. Нетрудно догадаться, что механические «травмы» заставляли плоды выделять этилен, из-за которого они становились слаще.

Самый простой способ получить этилен, чтобы его использовать, — это сжечь что-то органическое. Разумеется, неполное горение приведет к смеси веществ, но для практического использования в саду она вполне сойдет. Стимуляция созревания помощью такого «внешнего» этилена — тоже очень давняя история. Такой подход испокон веков использовали китайцы, которые сжигали благовония в закрытых комнатах, где дозревали груши. Во второй половине XIX века российские огородники окуривали дымом от горящей древесины молодые огурцы — из-за этилена в его составе увеличивается число женских цветков, на которых завязываются плоды. Это также помогало получить более ранний урожай. Тем временем жители Азорских островов обрабатывали дымом ананасы — оказалось, этилен способен вызвать у них цветение независимо от времени года. Обе практики использования дыма сохранялись вплоть до 1930-х годов. Более практичным оказался керосин, который сжигали в США в хранилищах для цитрусовых и даже в вагонах для их перевозки — такая обработка улучшала цвет плодов. Хотя поначалу керосиновые горелки использовали просто как обогреватели, чтобы спасти урожай от промерзания.

Многим известно, что обработка плодов этиленом широко применяется и сейчас (рис. 3). Действительно, он незаменим для транспортировки бананов на большие расстояния, скажем, в Россию и другие далекие от тропиков страны. Плоды бананов перевозят в незрелом зеленом виде, а затем окуривают этиленом, который получают из этилового спирта. Результат мы видим на полках супермаркета — это желтые, ароматные и мягкие плоды. При этом зрелые бананы и другие фрукты и сами продолжают источать этилен. Поэтому положив такой плод рядом с незрелыми, скажем, помидорами, мы стимулируем их созревание. А вот держать цветы (например, букет) на одном столе с вазой фруктов не стоит — тот же этилен в этом случае ускоряет их увядание.

Рис. 3. Камера, в которой бананы дозревают под действием этилена

Рис. 3. Камера, в которой бананы дозревают под действием этилена. Фото с сайта indiamart.com


8
Показать комментарии (8)
Свернуть комментарии (8)

  • Олег Чечулин  | 03.09.2024 | 09:08 Ответить
    В книге "Однажды в Америке" главный герой часто читал при помощи газового светильника. Получается, там был именно светильный газ, а не пропан-бутановая смесь? Светильный газ невзрывоопасен?
    Ответить
    • Artemo > Олег Чечулин | 04.09.2024 | 04:03 Ответить
      Там вполне мог быть ацетилен из карбидного генератора, очень распространенная технология в прошлом, особенно в такой большой стране как Америка. Для светильного газа нужны трубопроводы, а карбид легко в бочке привезти. Пропан-бутан почти не светится при горении, из него плохой светильный газ.
      Светильный газ взрывоопасен и к тому же очень ядовит из-за высокого содержания угарного газа. В викторианскую эпоху смертей было множество, в том числе и роскомнадзорных
      Ответить
      • Олег Чечулин > Artemo | 04.09.2024 | 08:00 Ответить
        Он кидал монеты, чтобы пошёл газ. Если бы газ был привозной, то необходимости в этом не было бы. Явно какой-то трубопровод был, пусть и локальный (в масштабах здания).
        Ответить
        • Artemo > Олег Чечулин | 05.09.2024 | 08:15 Ответить
          Ацетиленовое освещение так и было устроено: газовый генератор помещался снаружи дома, а газ расходился по трубкам в рожки по всему дому.
          Про оплату в Америке не знаю. Но она может принимать весьма забавные для постсоветского человека формы: в Англии был платный телевизор, и довольно долго. У вас в комнате стояло арендованное оборудование - телевизор с монетоприемником, и чтобы посмотреть полчаса телевизора, нужно было кинуть денежку. Раз в месяц приходил контролёр, забирал деньги и пломбировал ящик. С газом могло быть то же самое
          Ответить
          • bonacon > Artemo | 05.09.2024 | 20:20 Ответить
            Застелив постель, Козлик подошел к другой полке и устроил
            точно таким же путем постель для Незнайки. Поскольку спать им
            еще не хотелось, друзья решили посмотреть телевидение. Подойдя
            к телевизору, Козлик повернул рукоятку. Телевизор, однако же,
            не включился, зато сверху высунулся уже знакомый нам язычок и
            потребовал плату сразу пять сантиков.
            -- Да это же грабеж! --возмутился Козлик. --Такие деньги
            платить только за то, чтоб посмотреть телевизор!
            Носов. «Незнайка на Луне»
            Ответить
            • Artemo > bonacon | 06.09.2024 | 05:36 Ответить
              В Британии требовалось 50 пенсов. Старожилы в реддите писали, фунта на 4 часа хватало. Это было дорого
              Ответить
              • Юрий Фёдоров > Artemo | 18.09.2024 | 07:39 Ответить
                Интересно, что именно прерывал этот монетоприемник - питание, сигнал? Кажется, все это легко обойти - проводок в обход пустил - и смотри весь вечер...
                Ответить
                • Andrey 1234567 > Юрий Фёдоров | 17.12.2024 | 19:38 Ответить
                  Бесплатно покупать продукты в магазине - ещё легче. Положил в карман - и пошел.
                  Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005–2026 «Элементы»