Глава 9. Металлы: дар и проклятие.

Создали прежде всего поколенье людей золотое Вечноживущие боги, владельцы жилищ олимпийских. Гесиод. Труды и дни[3].

В предыдущей главе мы рассматривали природные яды, которые синтезируются живыми организмами ради определенной цели. Большинство оставшихся глав этой книги посвящены химическим веществам антропогенного происхождения, которые могут отрицательно влиять как на окружающую природную среду, так и на здоровье человека. Эти вещества могут быть природными соединениями, изменяемыми в результате человеческой деятельности; продуктами синтеза или очистки; побочными продуктами такого синтеза или конечными продуктами использования каких-либо веществ человеком (например, сжигания ископаемого топлива).

Если рассматривать различные классы веществ, которые очищает или синтезирует человек, по ряду причин будет логичным начать с металлов. Первая причина – историческая, так как металлы были одними из первых веществ, которые древние цивилизации научились добывать, очищать и обрабатывать. Вторая причина – их простота. Металлы в своей наиболее биоактивной форме – одиночные атомы или ионы (в водном растворе). Поэтому с химической точки зрения они являются самыми простыми из токсичных веществ.

Почему же металлы исторически имели столь большое значение? Металлы как промышленное сырье обладают большой эластичностью и ковкостью: их можно вытянуть в проволоку или расплющить в тонкий лист. К тому же они хорошо проводят тепло и электричество. Металлы позволили древним цивилизациям достичь такого уровня ремесел, который был невозможен при использовании дерева или камня. Из металла, в отличие от дерева, камня или глины, можно создавать изделия самой разной формы. Более того, ценность металла никогда не падает, потому что, даже если сосуд помнется или у меча отломится кончик, их всегда можно переплавить и сделать новую вещь. Выражение «перековать мечи на орала» на самом деле имело буквальный смысл задолго до того, как стало идиомой. Металлургия изменила древнюю историю так же, как современную историю изменила органическая химия. Удобные в обращении и пригодные для вторичной переработки металлические изделия проникли во все сферы жизни и решили множество проблем, мучивших человечество на протяжении многих поколений[4].

К несчастью, оказалось, что металлы, которые использовались человеком для производства различных предметов и орудий, могут быть токсичными при неправильном обращении; поэтому за развитие методов их очистки и переработки пришлось заплатить свою цену: увеличением частоты случаев отравления ионами металлов. Возьмем, к примеру, истории свинца, вина и концентрированных сахаров в Римской Империи. 2000 лет назад римляне предпочитали сладкие и крепкие вина. Так как концентрированный сахар был в то время редкостью, вина подслащивали медом или сгущали кипячением, в результате которого они превращались в сладкий сироп – сапу. Сапу делали в плоских покрытых свинцом сосудах, и при этом процессе также образовывался ацетат свинца – сладкий на вкус нейротоксин. Поэтому, хотя использование таких сосудов удовлетворяло потребность в концентрированных сахарах, одновременно оно совершенно очевидно приводило к отравлению любителей такого продукта.

Еще один, хотя и менее драматический, пример одновременного дара и проклятия очищенных металлов для древних цивилизаций связан с амуркой, водянистой жидкостью, которая вытекает из оливок при первичном легком отжиме. Раньше ее концентрацию увеличивали с помощью кипячения в медных котлах. Сгущенная амурка использовалась для разных целей, в том числе для борьбы с насекомыми и сорняками. При кипячении ионы меди из металлической посуды попадали в раствор, усиливая его токсичность и эффективность в качестве инсектицида и гербицида.

По сей день использование металлов связано с токсикологией. Низкая температура плавления свинца и его высокая пластичность обусловили его ценность как припоя, способного соединять другие металлы. Свинцовые спайки использовались при производстве консервных банок и в сантехнике, несмотря на то что в обоих этих случаях ионы свинца потенциально могли отравлять пищу и воду. Токсичные свойства свинца были известны уже давно, однако законы, ограничивающие его применение в производстве водопроводных труб, были приняты в США лишь в 1986 г., а запрет на использование свинцового припоя в консервных банках – лишь в 1995 г. Так что использование металлов всегда было и до сих пор остается сопряжено с риском токсичного воздействия.

Металлы и их ионы.

Практичность использования металлов как материала для изготовления различных изделий, основана на их металлургических свойствах, в то время как токсичность определяется их свойствами как химических элементов – атомной структурой самих ионов. Понять закономерности этой структуры помогает периодическая таблица элементов. К металлам в периодической системе относятся щелочные (группа 1 – самая левая колонка), щелочноземельные (группа 2), переходные (группы 3–12), а также расположенные «лесенкой» семь «прочих» металлов, в том числе олово, алюминий и свинец в правой части таблицы. Положение металлов в периодической таблице говорит нам о свойствах их ионов. Например, у щелочных металлов самое простое строение атомов, так что, оказавшись в водном растворе, каждый атом теряет один отрицательно заряженный электрон и становится положительно заряженным ионом. Поэтому ионы натрия и калия в водном растворе несут заряд +1, являются одновалентными и имеют степень окисления 1. Атомы щелочноземельных металлов в водном растворе теряют два электрона, являются двухвалентными (2+) и имеют степень окисления 2.

В средней части периодической таблицы находятся переходные металлы. Они отличаются от других тем, что имеют не одну стабильную степень окисления. Например, ионы меди могут иметь заряд +1 и +2 и в обоих этих состояниях одинаково стабильны.

Среди переходных металлов имеются микроэлементы, необходимые для существования и роста организмов. К таким металлам относятся, в частности, медь, цинк, марганец и железо. Эти металлы можно найти в большинстве мультивитаминов. В организме они играют роль хелирующих, или связывающих, агентов для ферментов и клеточных мембран; например, железо – незаменимый компонент гемоглобина, переносящего кислород белка эритроцитов у позвоночных животных. Менее известный, чем железо, цинк, также является необходимым для жизнедеятельности, так как служит кофактором более чем в 300 белках. Эти металлы обязательно должны поступать в клетки, поэтому в ходе эволюции были выработаны специализированные и эффективные механизмы для получения их из среды.

Наряду с жизненно необходимыми, в тех же самых группах находятся металлы, не требующиеся живым существам. Так, например, медь принадлежит к той же группе, в которой мы видим серебро и золото, являющиеся токсичными, а цинк – к той же, что и ядовитые ртуть и кадмий. Металлы сгруппированы в периодической таблице отнюдь не произвольно; группы отражают структурное сходство между ними. Элементы одной группы имеют одинаковое распределение электронов на внешнем электронном уровне и поэтому обладают сходными химическими свойствами. Очень важно, что большинство транспортных белков, доставляющих металлы в клетку или из нее, не «видят» разницы между членами одной группы. И получается, что усилия, направленные на обеспечение клетки необходимыми металлами, например цинком, также могут приводить к поступлению в нее ненужных и даже высокотоксичных ионов, например кадмия или ртути.