«Сборник статей по истории науки и технологии (Бюллетень 240 Смитсоновского института)»

Если нашей долей останется продолжение мира и это паровое военное судно не потребуется для государственной обороны, нация может радоваться тому, что установленный нами факт несчастливым образом превышает по ценности затраты и что если нынешняя конструкция погибнет, у нас останутся непреходящие сведения о том, как при будущей необходимости могут быть построены другие. Необходимые изменения будут продиктованы обстоятельствами.

В связи с прекращением военных действий было сочтено нецелесообразным достраивать и оснащать его для немедленной и активной службы. За несколько недель все незавершенное могло получить надлежащую доводку.

После стольких сделанных дел и при столь обнадеживающих результатах Комиссарам подобает рекомендовать укомплектовать паровой фрегат офицерами и командой для обучения и практики. Осмотрительный командир с отбранным экипажем мог бы приобрести опыт в способах судовождения этого необычного судна. Запасы топлива, обслуживание топок, пополнение расходуемой воды, управление механизмами, нагрев ядер, обращение с орудиями и различные вопросы могут стать привычными только в ходе использования. Крайне важно, чтобы часть матросов и морских пехотинцев разбиралась в порядке и устройстве парового фрегата. Они приумножат, распространят и закрепят эти знания. Когда со временем новая война потребует больше подобных судов, люди, регулярно обученные его тактике, смогут быть направлены на различные позиции, где они понадобятся. Если при любом подобном распределении правительство пожелает иметь хорошего и верного агента, Комиссары рекомендуют обратить внимание на капитана Обеда Смита как на лицо, умело исполнявшее обязанности инспектора от начала и до конца этого дела.

В приложении к отчету вы найдете, сэр, несколько ведомостей, поясняющих предмет. Настоящим также представляется отдельный отчет нашего коллеги, достопочтенного Оливера Уолкотта, чей отъезд из Нью-Йорка помешал ему заниматься последней частью дела с присущими ему усердием и верностью. Чертеж его формы и внешнего вида работы мистера Моргана, как способный удовлетворить министерство, также прилагается вместе с описью его снабжения и имущества, а также отчетом о древесине и металлах, объединенных в его конструкции.

Есть надежда, что эти сообщения продемонстрируют старания, приложенные Комиссарами для выполнения почетного и ответственного доверия, возложенного на них правительством.

СЭМЮЭЛ Л. МИТЧЕЛ. ТОМАС МОРРИС. ГЕНРИ РАТГЕРС.

Сноски

[1] The American Neptune (1946), vol. 6, pp. 253-274.

[2] The American Neptune (1944), vol. 4, pp. 327-329.

[3] New York, 1853, pp. 13-17.

[4] Pittsburgh, 1896, pp. 8-16.

[5] См. страницы 172-176 для этого отчета, воспроизведенного из книги: Charles B. Stuart, Naval and Mail Steamers of the United States (New York, 1853), app., pp. 155-159.

[6] Национальное управление архивов и документации, планы военно-морских архивов, 80-7-14; а также: Howard I. Chapelle, History of the American Sailing Navy (New York: W. W. Norton & Co., 1949), pp. 293-295.

[7] Национальное управление архивов и документации, планы военно-морских архивов, 80-7-9; а также: Chapelle, History of the American Sailing Navy, pp. 226, 228.

[8] Национальное управление архивов и документации, планы военно-морских архивов, 80-7-15.

[9] Национальное управление архивов и документации, коллекция военно-морских документов, разные письма, 1819, II.

[10] См. стр. 169, воспроизведено из: Charles B. Stuart, Naval and Mail Steamers of the United States (New York, 1853), p. 15.

[11] Jean Baptiste Marestier, Mémoire sur les bateaux à vapeur des États-Unis d’Amérique, avec un appendice sur diverses machines relatives à la Marine (Paris: L’imprimerie Royal, 1824).

[12] 1820-1823, vol. 7, p. 437.

[13] Annales de l’industrie nationale et étrangère, ou Mercure Technologique (Paris, 1822), pp. 760-762.

[14] January 27, 1823, vol. 7, pp. 436-438.

[15] January-March 1935, vol. 61, pp. 322-328.

[16] Howard I. Chapelle, American Small Sailing Craft (New York: W. W. Norton & Co., Inc., 1951), pp. 29, 31.

[17] Newport News, Va.: The Mariners’ Museum, 1937, p. 23.

[18] Indianapolis, Ind.: Bobbs Merrill, 1932, p. 291.

[19] Henry William Edward, The Double Bottom or Twin Hulled Ship of Sir William Petty (Oxford: The Roxburghe Club, 1931).

[20] Publication No. 5 (Newport News: The Mariners’ Museum, 1939), p. 22.

[21] Статья 39 — Примечание переписчика

[22] Стр. 152: «the Simon & Jude, later» — было «the Simon & Jude, latter».

[23] Расшифровка текста на Рисунке 2.

[24] Таблица № 1.

[25] «ДЕМОЛОГОС»

[26] Рисунок I-й. Поперечное сечение. A — котел. B — паровая машина. C — гребное колесо. E, E — деревянные стены толщиной 5 футов, утончающиеся ниже ватерлинии до F, F. Осадка воды — 9 футов. D, D — орудийная палуба.

Figure IId This shews her gun deck, 140 feet long 24 feet wide, mounting 20 guns. A the Water wheel

[27] Рисунок III-й. Вид сбоку.

[28] РОБЕРТ ФУЛТОН, ноябрь 1813 г.

[29] С. Мак-Элрой (S. Mc Elroy), худ. „Stuart's Naval & Mail Steamers U.S.“ Сарони и Мейджор (Sarony & Major), грав. Нью-Йорк.

[30] Материалы Музея истории и технологии: Статья 40. История фосфора

[31] Эдуард Фарбер

THE ELEMENT FROM ANIMALS AND PLANTS 178

EARLY USES 181

CHEMICAL CONSTITUTION OF PHOSPHORIC ACIDS 182

PHOSPHATES AS PLANT NUTRIENTS 185

FROM INORGANIC TO ORGANIC PHOSPHATES 187

PHOSPHATIDES AND PHOSPHAGENS 189

NUCLEIN AND NUCLEIC ACIDS 192

PHOSPHATES IN BIOLOGICAL PROCESSES 197

MEDICINES AND POISONS 198

INDEX

[32] Эдуард Фарбер

[33] ИСТОРИЯ ФОСФОРА

[34] «Холодный свет», производимый фосфором, стал причиной того, что долгое время после его открытия около 1669 года он считался чудесным химическим веществом. За прошедшие три столетия были обнаружены многочисленные другие химические чудеса, тем не менее фосфор сохраняет особый ореол универсальной важности в химии. Этим элементом и его разнообразными химическими соединениями занимались многие исследователи. От этих усилий можно ожидать дальнейшего прояснения и понимания путей природы.

[35] История фосфора — это не только важнейшая драма в истории химии; она также иллюстрирует на ярком примере развитие этой науки через открытие связей между по-видимому несвязанными явлениями и непрерывное взаимодействие между фундаментальной наукой и поиском практического применения.

[36] Автор: Эдуард Фарбер — профессор-исследователь Американского университета в Вашингтоне, округ Колумбия, сотрудничал со Смитсоновским институтом в качестве консультанта по химии.

[37] Когда почти три столетия назад был открыт фосфор, его считали чудом. Единственным событием, вызвавшим сопоставимые эмоции, было открытие радия более двух веков спустя. Волнение по поводу Phosphorus igneus, «Ледяного ноктилюки» Бойля, постепенно сменилось химическими исследованиями или переросло в них. И все же, если бы мы позволили эмоциям занять место в исследованиях, мы по-прежнему могли бы восхищаться чудесным веществом, которое химическая и биологическая работа продолжает раскрывать как жизненно важное. Оно является фундаментальным питательным веществом для растений, существенной частью нервной и мозговой ткани, решающим фактором в мышечной деятельности и клеточном росте, а также компонентом быстродействующих мощных ядов. Важность фосфора осознавалась постепенно, и пути, посредством которых это происходило, харатерны и схожи с другими событиями в истории науки. Эта статья была написана с целью обобщения этих различных путей, приведших к высокосложным методам современных исследований.

[38] Элемент из животных и растений

[39] В 1669 году искать философский камень было уже несколько поздно, однако именно в ходе таких поисков был открыт фосфор. Вильгельм Гомберг (1652–1715) описывал это следующим образом: Бранд, «человек малоизвестный, низкого происхождения, с причудливым и таинственным характером во всем, что он делал, нашел это светящееся вещество в ходе поисков чего-то другого. По профессии он был стеклоделом, но забросил это дело, чтобы освободить время для погони за философским камнем, которым был поглощен. Вбив себе в голову, что секрет философского камня заключается в приготовлении мочи, этот человек трудился всевозможными способами и очень долгое время, ничего не находя. Наконец, в 1669 году, после сильной дистилляции мочи, он обнаружил в приемнике светящееся вещество, которое с тех пор называют фосфором. Он показал его некоторым из своих друзей, среди них господину Кункелю [сик]»[1].

[40] Ни название, ни само явление не были поистине новыми. Органические фосфоресцирующие материалы были известны Аристотелю, а литофосфор стал предметом книги, изданной в 1640 году на основе открытия, сделанного сапожником Винченцо Касциароло на склоне горы близ Болоньи в 1630 году[2]. Было ли новым то вещество, которое Бранд показал своим друзьям? Иоганн Готфрид Леонгарди цитирует книгу 1689 года, в которой автор, Клетвич, утверждает, что этот фосфор был уже известен Фернелию, придворному врачу короля Франции Генриха II (1154–1189)[3]. К тому же периоду относится “Ordinatio Alchid Bechil Saraceni philosophi”, в которой Фердинанд Хефер описал дистилляцию мочи с глиной и углеродистым материалом, а полученный продукт назвал эскарбункулом[4]. Стоило бы поискать этот источник; хотя Бехил все равно остался бы совершенно безуспешным предшественником, кажется странным, что во всех дистилляциях произвольных смесей условия до 1669 года никогда прежде не складывались правильно для образования и наблюдения фосфора.

[41] Рисунок 1. — Алхимик открывает фосфор. Картина Джозефа Райта (1734–1779) из Дерби, Англия.

[42] По крайней мере для современников Бранда открытие было новым и волнующим. Философ Готфрид Вильгельм фон Лейбниц (1646–1716) счел его достаточно важным, чтобы посвятить часть своего времени (между работой библиотекарем в Ганновере и Вольфенбюттеле, попытками воссоединить протестантскую и католическую церкви и обязанностями тайного советника в том, что мы назвали бы Министерством юстиции) истории фосфора. Этот друг Гюйгенса и Бойля пытался доказать, что Кункель не имел оснований приписывать открытие себе[5]. С тех пор было показано, что Иоганн Кункель (1630–1703) фактически разработал метод, который ни Бранд, ни его друг Крафт не хотели раскрывать. Бойль также независимо разработал метод, опубликовал его и проинструктировал по этой технике Готфрида Ханквица. Позднее Жан Элло (1685–1765) дал тщательное описание деталей и длинный обзор литературы[6].

[43] Рисунок 2. — Камбузная печь, 1869 г. На иллюстрации показан разрез по передней части печи, демонстрирующий одну из 36 реторт, приемники для дистиллята и пространство на верхнем ярусе, используемое для выпаривания смеси кислого раствора фосфата кальция и угля. (Согласно: Anselme Payen, Précis de Chimie industrielle, Paris, 1849; воспроизведено из: Hugo Fleck, Die Fabrikation chemischer Produkte aus thierischen Abfällen, Vieweg, Braunschweig, 1862, стр. 80 тома 2, 2-я группа „Руководства по химической технологии“ П. Болле.)

[44] Для получения фосфора к моче, предварительно сгущенной путем выпаривания и предпочтительно после гниения, добавляли хорошую порцию угля (рассматриваемого как тип флогистона), и смесь нагревали до наивысшей достижимой температуры. Было очевидно, что флогистон входит в состав продукта перегонки. Оставался вопрос, образуется ли этот продукт de novo. Своими исследованиями 1743–1746 годов Андреас Сигизмунд Маркграф (1709–1782) дал ответ. Он обнаружил новое вещество в съедобных семенах растений и пришел к выводу, что оно попадает в человеческий организм с растительной пищей, чтобы позже выделиться с мочой. Своими доводами он убедил не всех химиков. В 1789 году Маккер писал: «Есть такие, которые даже в настоящее время утверждают, что фосфорная („phosphorische“) кислота образуется сама по себе в животных, и считают ее „анималистической кислотой“»[7].

[45] Хотя в своих аргументах Маркграф продвинулся дальше тех химиков, он все же оставался ребенком своего времени. Люминесцентное и горючее, почти воскоподобное вещество произвело на него огромное впечатление. «Свои мысли о неожиданном зарождении света и огня из воды, тонкой земли и флогистона я откладываю на потом, чтобы описать их позднее». Эти мысли зашли так далеко, что связали новое чудо со сказками алхимиков. Когда Маркграф использовал «существенную соль мочи», также называемую sal microcosmicum, и примешал к ней хлорид серебра («роговое серебро») для перегонки фосфора, он ожидал «частичного превращения серебра под действием флогистона и добавленной тонкой остекловывающейся земли, но ни следа более благородного металла не появилось»[8].

[46] Роберт Бойль уже обнаружил, что при горении фосфора образуется кислота. Он идентифицировал ее по вкусу и по ее влиянию на цветные растительные экстракты, служившие «индикаторами». Ханквиц[9] описал методы получения этой кислоты, а Маркграф показал ее химические особенности. Они не обязательно утвердили фосфор как новый элемент. В то время это было не столь важно, как строить предположения об аналогах с известными веществами. В основе всех его уникальных характеристик лежала аналогия фосфора с серой. Подобно сере, фосфор может гореть двумя различными способами — либо медленно, либо более бурно, образуя две разные кислоты. Следовательно, аналогию можно распространить на объяснение результатов в обеих группах одинаковым образом. В процессе горения горючий компонент удаляется, а кислота, первоначально соединенная с горючим веществом, освобождается. Оставалось сомнительным, следует ли заходить в аналогии еще дальше, хотя некоторое время сохранялось подозрение, что фосфорная кислота может на самом деле представлять собой видоизмененную серную кислоту. Подобные аналогии и подозрения были необходимы для формулирования новых вопросов и стимуляции новых экспериментов. Они приводятся здесь за их важное положительное значение в историческом развитии, а не с целью показать, насколько неправы были эти химики с нашей точки зрения — точки зрения, в создании которой они помогли.

[47] Широкий интерес к горению серы и фосфора естественным образом привлек внимание Лавуазье. В своем первом томе Opuscules Physiques et Chimiques (1774) он посвятил 20 страниц экспериментам с фосфором. Он расширил их несколько лет спустя[10], когда отнес горение к соединению фосфора с «преимущественно пригодной для дыхания» частью воздуха. В Méthode de Nomenclature Chimique 1787 года в колонке «неразложимых веществ» сера указана как «radical sulfurique», а фосфор, соответственно, как «radical phosphorique». Кислоты теперь показаны как соединения «неразложимых» радикалов, что является полной инверсией прежней концепции этой связи. Часть старой аналогии в отношении кислот сохранилась: серная кислота соответствует фосфорной; сернистая кислота — фосфористой с меньшим количеством кислорода, чем в первой[11].

[48] Раннее применение

[49] В XVIII веке фосфор был дорогим материалом. Он производился преимущественно для показа и удовлетворения любопытства. Гийом Франсуа Руэль (1703–1770) демонстрировал этот процесс на своих лекциях и, как сообщает Маккер, ему «очень часто» удавалось его получить[12]. У Роберта Бойля была идея использовать фосфор в качестве источника света для подводных ныряльщиков[13]. Столетием позже продавались «моментальные источники света» с расплавленным фосфором в качестве «воспламенителя», но они оказались громоздкими и ненадежными[14]. Поскольку белый фосфор высокотоксичен, активное развитие его применения в спичках произошло лишь после того, как изучение превращения белой модификации в красную было проведено Эмилем Коппом (1844), Вильгельмом Гитторфом (1824–1914) и, в практическом применении, Антоном Шреттером (1802–1875)[15].

[50] Рисунок 3. — Выпарной аппарат (1849) для очистки неочищенного фосфора. Неочищенный фосфор смешивают с песком под горячей водой, охлаждают, сливают воду и загружают в реторту. Выходное отверстие реторты диаметром не менее 6 см частично погружено в воду, находящуюся в ведре. Небольшое блюдо из свинца с железной ручкой принимает дистиллированный фосфор. (Из: Hugo Fleck, Die Fabrikation chemischer Produkte…, стр. 90.)

[51] Однако наиболее захватывающим ранним применением была медицина. Неудивительно, что такое применение искали в то время. Любое новое вещество немедленно становилось надеждой страждущего человечества — и стремящихся к успеху изобретателей[16]. Фосфор прописывали в линиментах с жирными маслами или в виде раствора в спирте и эфире для наружного и внутреннего применения. Некий доктор Крамер нашел его эффективным против эпилепсии и меланхолии (1730). Профессор Хартманн рекомендовал его против судорог[17]. Однако при растущем производстве фосфора для спичек рабочие испытывали на себе токсическое воздействие. На заводе Блэка и Белла в Стратфорде это предотвращалось вдыханием скипидара. Были проведены эксперименты на собаках, показавшие, что отравление фосфором можно исцелить с помощью масла скипидара[18].

Рисунок 4.— Аппарат для получения красной аллотропной модификации белого фосфора, 1851 г. Перегнанный заново фосфор нагревают в стеклянном или фарфоровом сосуде (g), окруженном песчаной баней (e) и металлической баней (b). Сосуд (j) наполнен ртутью и водой; вместе с клапаном (k) он служит предохранительным устройством. Спиртовая горелка (l) поддерживает температуру трубки во избежание ее засорения затвердевшими парами. Из-за присутствия фосфидов водорода процесс, проводимый при температуре 260 °C, требовал тщательного наблюдения. (По данным Артура Олбрайта, 1851 г.; воспроизведено из книги Хуго Флека «Die Fabrikation chemischer Produkte…», стр. 112.)

Химический состав фосфорных кислот

В обширной статье о фосфоре Эдмонд Вилльм писал в 1876 году: «В течение столетия моча была единственным источником, из которого получали фосфор. После того как в 1769 году Ган обнаружил присутствие фосфорной кислоты в костях, Шееле указал способ получения фосфора из них» [19]. На самом деле Ган сначала использовал олений рог (Cornu cervi ustum), и Шееле сомневался в правоте своего уважаемого друга, пока не проверил это лично. Несколько лет спустя Шееле исправил предположение Гана о том, что sal microcosmicum является аммиачной солью; вместо этого она представляет собой «третичную среднюю соль, состоящую из alkali mineralifixo (т. е. натрия), alkali volatili и acido phosphori» [20].

В годы после 1770 года фосфор был обнаружен в костях и во многих других частях различных животных. Обработка серной кислотой разлагала эти материалы на твердый остаток и растворенную фосфорную кислоту. Множество солей этой кислоты было получено в кристаллическом виде. Термостойкость ранее считалась одной из выдающихся характеристик фосфорной кислоты. Однако теперь в процессе сушки и нагревания определенных фосфатов стало очевидно, что можно получать три вида фосфорных кислот: орто-, пиро- и мета-.

Берцелиус приводил эти кислоты в качестве примеров соединений, которые являются ИЗОМЕРНЫМИ. Это слово должно было обозначать соединения, содержащие одинаковое число атомов одних и тех же элементов, но соединенные по-разному, что объясняет их различные химические свойства и формы кристаллов. Именно в 1830 году Берцелиус выдвинул это понятие наряду с концепцией ИЗОМОРФИЗМА, призванной объединить все случаи одинаковой формы кристаллов у соединений, в которых равные числа атомов разных элементов объединены одинаковым образом. Вместе эти два понятия изомерии и изоморфизма, по-видимому, охватывали все известные исключения из простейшего предположения относительно специфичности и химического состава.

Однако всего несколько лет спустя Томас Грэм (1805–1869) доказал, что три фосфорные кислоты не являются изомерными. Он использовал пропорцию 2 P к 5 O в оксиде, которую Берцелиус считал обоснованной, по крайней мере, до тех пор, «пока не будет в достаточной степени установлен пример обратного» [21]. Усовершенствовав методы Гей-Люссака (1816 г.) и нескольких других исследователей, Грэм охарактеризовал три фосфорные кислоты как «трехзамещенный фосфат, двузамещенный фосфат и фосфат воды». На самом деле это была неверная терминология для того, что он имел в виду и сформулировал как тригидрат, бигидрат и моногидрат оксида фосфора. В принятом им способе написания формул каждая точка над символом элемента обозначала атом кислорода; таким образом, он писал:

… ::

. . …

. .

[22]

H3 P H2 P and H P.

Рисунок 5.— Печь для кальцинации костей, около 1870 г. «Операция выполняется в довольно высокой печи, такой как показана… Свежие кости забрасываются в верхнюю часть печи, B. Сначала разжигается топливо в камере F, и на колосниковой решетке D сжигается определенное количество костей. Когда эти кости хорошо разгорятся, печь постепенно заполняют костями, и горение поддерживается само по себе без добавления другого топлива. Круглая галерея C окружает нижнюю часть печи и выводит продукты горения в дымоход H. Кальцинированные кости выгружают через нижнее отверстие G, удаляя прутья колосниковой решетки B». (Перевод описания из книги Фигье «Merveilles de l’industrie», том 3, 1874 г., стр. 537.)

Рисунок 6.— Рекламное объявление с видом завода по производству суперфосфата, около 1867 г. (Из книги Э. Т. Фридли «Philadelphia and its Manufacturers in 1867», стр. 288.)

Рисунок 7.— Добыча флоридского твердокаменного фосфата. (Из отчета: Carroll D. Wright, The Phosphate Industry of the United States, шестой специальный доклад Уполномоченного по труду, Типография правительства США, Вашингтон, 1893 г., вклейка перед стр. 43.)

Грэм пришел к такому пониманию фосфорных кислот благодаря своим предыдущим исследованиям «алкоатов — определенных соединений солей и спирта, аналогичных гидратам» (1831 г.). Либих исходил из аналогий, которые он усматривал с определенными органическими кислотами, когда сформулировал фосфорные кислоты с постоянной долей воды (aq.) и изменяющимися долями «фосфорной кислоты» (P) следующим образом:

2 P 3 aq. фосфорная кислота

3 P 3 aq. пирофосфорная кислота

6 P 3 aq. метафосфорная кислота.

Соли образуются, когда «основание», т. е. оксид металла, замещает воду. Когда кислый сульфат калия нейтрализуется натриевым основанием, кислая соль распадается на глауберову соль и сульфат калия, что доказывает: кислая соль представляет собой смесь средней соли с ее кислотой. Кислый фосфат натрия ведет себя совершенно иначе. После нейтрализации калиевым «основанием» (гидроксидом) соль не расщепляется; получается однородный фосфат натрия-калия. Следовательно, фосфорная кислота поистине трехосновна! [23]

Этот результат был подтвержден позже, но аналогия, с помощью которой он был получен, была очень слабой, а в некоторых частях — совершенно неверной.

Кислоты, производные от двух низших оксидов фосфора, также считались трехосновными. Адольф Вюрц (1817–1884) сформулировал их в 1846 году в соответствии с теорией химических типов:

(PO) · · · O3 фосфорная кислота H3

(PHO) · · O2 фосфористая кислота H2

(PH2O) · O гипофосфористая кислота. [24] H

Дальнейшие доказательства правильности этих строений искали в изучении сложных эфиров, образующихся при взаимодействии кислот со спиртами.

Среди аналогий и обобщений, на которых основывались исследования фосфорной кислоты и в результаты которых они внесли свой полный вклад, была новая теория кислот. Не кислород — всеобщий окислитель Лавуазье, а реакционноспособный водород определяет характер кислот. В этом кратком обзоре представляется достаточным лишь упомянуть эту связь, не описывая ее подробно.

Изучение фосфорных кислот привело к важным новым концепциям в теоретической химии. Открытие полиосновности было распространено на другие кислоты и сформировало модель, которая помогла распознать полифункциональность в других соединениях, таких как спирты и амины. Водородная теория кислот имела фундаментальное значение для дальнейшего прогресса. С другой стороны, особенно интересно видеть, что крупномасштабные применения последовали практически немедленно и напрямую из нового теоретического понимания. Первым и главным из таких применений стало сельское хозяйство.

Фосфаты как питательные вещества для растений

Сто лет спустя после открытия «холодного света» присутствие фосфора в растениях и животных было установлено, а его форма определена как соединение фосфорной кислоты. Это знание имело мало практических результатов до тех пор, пока «природа» кислоты в ее различных формах не была объяснена благодаря трудам Томаса Грэма. С этого началось значительное техническое развитие.

Примерно в то же время (1833 г.) герцог Ричмонд доказал, что удобрительная ценность костей заключается не в желатине и не в кальции, а в фосфорной кислоте. Тем самым он подтвердил слова Теодора де Соссюра, сказанные им в 1804 году, о том, что «у нас нет оснований полагать», будто растения могут существовать без фосфора. Сначала неосознанно, фермер поставлял этот элемент с помощью используемых им органических удобрений: навоза, экскрементов, костей и рогов. Теперь, когда ценность фосфора стала известна, начались поиски минеральных фосфатов для применения в качестве удобрений. Жан Батист Буссенго (1802–1887), сельскохозяйственный химик из Лиона, отправился в Перу, чтобы посмотреть на залежи гуано. Гарсиласо де ла Вега (ок. 1540 — ок. 1616) отмечал в своей истории Перу (1604 г.), что гуано использовалось инками в качестве удобрения. Двести лет спустя Александр фон Гумбольдт возродил это знание, а Хамфри Дэви писал о пользе гуано для почвы. Тем не менее применение этого удобрения развивалось медленно, пока Юстус Либих не воспел его достоинства. Импорт в Англию возрос и намного превзошел импорт во Францию, куда в период между 1857 и 1867 годами ежегодно поступало около 50 000 тонн.

Другой великий прорыв в использовании фосфорных питательных веществ для растений начался с рекомендации Либиха (1840 г.) обрабатывать кости серной кислотой для их перевода в растворимое состояние. Эта идея не была совершенно новой; с 1832 года в Праге велось производство «суперфосфата» из костей и серной кислоты. В Ротэмстеде в 1842 году Джон Беннет Лоуз получил патент на производство суперфосфата. Другие производства в Англии последовали этому примеру и имели успех, хотя Джеймс Маспратт (1793–1886) в Ньютоне потерял много времени и «несколько тысяч фунтов стерлингов» на осуществление идеи Либиха о «минеральном удобрении».

Рисунок 8.— Добыча флоридского мелкогалечного фосфата. (Из отчета: Carroll D. Wright, The Phosphate Industry of the United States…, вклейка перед стр. 58.)

Было достаточно трудно доказать эффективность костей и искусственно произведенных фосфатов в стимулировании роста растений в особых условиях почв и климата; поэтому вопрос о действии фосфатов в растущем растении тогда даже не ставился серьезно. Благотворный эффект был достаточно очевиден, чтобы увеличить использование фосфатов в качестве питательных веществ для растений и потребовать новых источников снабжения. Активное развитие добычи и переработки фосфатов началось в Южной Каролине в 1867 году и во Флориде в 1888 году [25].

В качестве ответной реакции усиленное внесение фосфатов в почву стимулировало углубленные исследования условий и реакций, протекающих в почве — сложной и изменчивой по своему составу среде. Выводы бактериологов показали, что для подлинного понимания действия удобрений физику и химию необходимо дополнить биологией. После 1900 года, например, Юлиус Стокласа (1857–1936) указал, что бактериальная активность в почве переводит нерастворимые в воде фосфаты в растворимое состояние и делает их доступными для растений [26].

Рисунок 9.— Добыча фосфатов из аллювиальной гальки рек Флориды. (Из отчета: Carroll D. Wright, The Phosphate Industry of the United States…, вклейка перед стр. 64.)

Понимание важности фосфора в организмах, особенно со времен Либиха, отражено в трудах Фридриха Ницше (1844–1900). Этот «переоценщик всех ценностей», скромно говоривший о себе: «Я — динамит!», однажды объяснил человеческие темпераменты влиянием содержащихся в них неорганических солей: «Различия в темпераментах, возможно, больше чем что-либо другое обусловлены различным распределением и количеством неорганических солей. У желчных людей слишком мало сульфата натрия, меланхоликам не хватает сульфата и фосфата калия; у флегматиков слишком мало фосфата кальция. Мужественные натуры имеют избыток фосфата железа». (См. том 12 «Собрания сочинений» Ницше, под ред. Науманна-Крёнера, Лейпциг, 1886 г.) В этой странной связи неорганических солей с человеческими темпераментами особенно интересна роль фосфата железа как источника мужества. Что заключил бы современный философ, если бы проследил развитие представлений о составе и функции сложных фосфорных соединений в организмах?

От неорганических фосфатов к органическим

К середине XIX века были установлены источники фосфора в природных фосфатах и химия продуктов его окисления. Главная трудность, которую необходимо было преодолеть, заключалась в том, что эти продукты окисления существовали в самых разных формах: не только на нескольких стадиях окисления, но вдобавок в виде ассоциаций и конденсаций фосфорных кислот. Как только фундаментальная химия этих кислот была выяснена, внимание химиков и физиологов переключилось на задачу поиска реального состояния, в котором фосфорные соединения присутствуют в организмах. Большим шагом вперед стало доказательство того, что растениям нужны фосфаты в почве. Это привело к следующему вопросу о тех веществах в теле растения, для которых расходовались фосфаты и в которые они включались. Подобным образом знание о том, что животные получают свои фосфаты из переваренной растительной пищи, на следующем этапе научных изысканий потребовало сведений о природе фосфатов, образующихся из этого источника.

Метод, использовавшийся в этом исследовании, заключался в подвергании анатомически разделенных частей организмов химическому разделению. Средства для такого разделения должны были быть более мягкими, чем сильный нагрев и разрушающие химикаты, которые до тех пор считались достаточными. Интерпретация новых результатов закономерно опиралась на общий прогресс химии, разработку новых методов выделения малоустойчивых веществ, новых концепций относительно расположения атомов в молекулáх и новых приборов для измерения скорости их превращений.

Рисунок 10.— Электрическая печь для получения элементарного фосфора, изобретенная Томасом Паркером из Ньюбриджа (Англия) и переданная по патенту компании The Electric Construction Corporation из того же города. Чертеж является частью патента США № 482,586 (13 сентября 1892 г.). Печь была запатентована в Англии 29 октября 1889 г. (№ 17,060); во Франции 23 июня 1890 г. (№ 206,566); в Германии 17 июня 1890 г. (№ 55,700) и в Италии 23 октября 1890 г. (№ 431). Следующее пояснение цитируется из патента США:

Рисунок 1 [представленный здесь] представляет собой вертикальный разрез печи, а рис. 2 является схемой, иллюстрирующей средства регулирования электродвижущей силы или силы тока через печь.

F — печь, содержащая загружаемый материал. Она имеет загрузочную воронку в точке a с заслонками AA, через которые загружаемый материал может подаваться без открытия сообщения между внутренней частью печи и внешним воздухом.

B — шнековый транспортер, с помощью которого загружаемый материал продвигается в печь.

c´ c´ — электроды, состоящие из блоков, цилиндров или тому подобных изделий из углерода, закрепленных в металлических гнездовых деталях c c, к которым присоединены провода электрической цепи d от динамо-машины D. Ток, как указано выше, может быть как постоянным, так и переменным. c2 c2 — стержни из металла или углерода, которые используются для замыкания электрической цепи через печь, причем указанные стержни вставляются в отверстия в проводниках c3 (находящихся в контакте с гнездовыми деталями c) и в печи, как показано на рисунке.

g — выпускное отверстие для газа или пара, h — летка для выпуска шлака, а x — отверстие для манипуляций с загрузкой, причем указанные отверстия заделываются глиной или иным способом во время работы печи.

Я использую кокс или другую форму углерода в шихте между электродами c´, причем указанный кокс находится в контакте с указанными электродами, что обеспечивает полное накаливание.

Средство для изменения электродвижущей силы или силы тока через печь в зависимости от меняющегося сопротивления шихты проиллюстрировано на схеме на рис. 2. c´ c2 обозначают электроды в печи, как на рис. 1, D — динамо-машину, а T — ее клеммы. E представляет собой цепь возбуждения. R R — сопротивления, а RS — переключатель сопротивлений, который приводится в действие для ввода большего или меньшего сопротивления в точке R по мере того, как сопротивление шихты в печи уменьшается или увеличивается. Этот переключатель может приводиться в действие автоматически, и подходящим устройством для этой цели является регулятор тока, описанный в спецификации английского патентного письма № 14,504 от 14 сентября 1889 г., выданного Уильяму Генри Дугласу и Тому Хью Паркеру.

Рисунок 11.— Омакивание спичечных соломки во Франции, около 1870 г. Рамка, которая удерживает спички так, что один конец выступает снизу, опускается в ванночку, содержащую расплавленную серу. Покрытые серой спички затем опускаются в фосфорную массу. См. рисунок 12. (Из книги Фигье «Merveilles de l’industrie», том 3, 1874 г., стр. 575.)

Рисунок 12.— Ванночка для омакивания спичечной соломки в фосфорную массу, около 1870 г. Буквы на рисунке обозначают: A — спички; B — водяная баня; C — рамка; D — пластина; E — фосфорная масса; F — печь. Фосфорная масса Бётгера (1842 г.) содержала 10 частей фосфора, 25 сульфида сурьмы, 12,5 диоксида марганца, 15 желатина. По данным Фигье (стр. 579), Р. Вагнер заменил диоксид марганца на диоксид свинца. (Из книги Фигье, том 3, 1874 г., стр. 576.)

В системе химии, какой она сложилась в первой половине XIX века, новое развитие можно охарактеризовать как поворот от неорганических фосфатов к органическим, от веществ минерального происхождения и сильных химических взаимодействий к компонентам, в которых фосфатные группы оставались связанными с углеродсодержащими веществами.

Фосфатиды и фосфагены

Важные соединения фосфора в организмах гораздо сложнее простейших солей, которым Ницше приписывал столь сильное влияние на характер человека. Задолго до того, как он написал об этом, было известно, что фосфорная кислота соединяется не только с неорганическими основаниями с образованием солей, но и со спиртами с образованием сложных эфиров. В середине XIX века Теофил Жюст Пелуз (1807–1867) распространил это знание на сложный эфир глицерина. Это оказалось значимым в нескольких отношениях. Мишель Шеврёль (1786–1889) показал, что глицерин является тем веществом в жирах, которое высвобождается в процессе варки мыла, когда жирные кислоты превращаются в свои соли. То, что он обладает природой спирта, было продемонстрировано Марселеном Бертло. Вместо одной «алкогольной» гидроксильной группы OH, как у этанола (спирта брожения), или двух гидроксильных групп (как у этиленгликоля), глицерин содержит три такие группы. Это был единственный «природный» спирт, известный в то время. Можно было предсказать, что этот спирт будет соединяться с фосфорной кислотой, но то, что полученный Пелузом сложный эфир все еще содержит свободные кислые функции и образует растворимую в воде бариевую соль, было новым опытом.

Рисунок 13.— Обзор спиртового брожения, 1951 г. «Хорошо известная схема спиртового брожения» по Альберту Яну Клюйверу (1888–1956), представленная Обществу химической промышленности в Королевском институте 7 марта 1951 г. В журнале Chemistry & Industry (1952, стр. 136 и след.) Клюйвер вновь заявляет, что «…брожение одной молекулы глюкозы неразрывно связано с образованием двух молекул аденозинтрифосфата (АТФ) из двух молекул аденозиндифосфата (АДФ)».

Вскоре после того, как был приобретен этот опыт, он стал ценным для понимания химической природы нового вещества, экстрагированного из природного органа. Это вещество было названо лецитином его первооткрывателем Николя Теодором Гобле [27] (1811–1876), поскольку он получил его из яичного желтка (по-гречески lékidos). Для этой экстракции он использовал эфир и спирт. Если бы он вместо этого использовал воду и минеральную кислоту, то обнаружил бы не лецитин, а только его компоненты. Когда Гобле и, чуть позже, Оскар Либрайх (1839–1908) подвергли лецитин обработке кипящей водой и кислотой, они разделили его на три части. Одной из них была глицерофосфорная кислота Пелуза, второй — хорошо известная стеариновая кислота Шеврёля, но третья оказалась несколько загадочной. Это третье вещество было тем же самым, которое ранее наблюдалось при экстракции нервной ткани кипящей водой и кислотой и поэтому называлось нервным веществом, или нейрином. Адольф Фридрих Шреккер (1822–1871) установил идентичность этого нейрина с продуктом, выделенным им из желчи, который носил название холина. Адольфу Вюрцу (1817–1884) удалось синтезировать это вещество из этиленоксида CH2·O·CH2 и триметиламина N(CH3)3 [28]. Таким образом, все три части были идентифицированы, и Шреккер объединил их для построения химической формулы лецитина: глицерофосфорной кислоты, соединенной с жирной кислотой и с холином (гидратом нейрина).

{ OH}

N (CH3)3 Choline

C2H4O

C18H33O2}HO}

PO

C16H31O2C3H5O

Fatty Acids Glycerophosphate

'—————v————'

Lecithin

according to Strecker

Эта формула оказалась не совсем верной. Рихард Вильштеттер показал, что между аминогруппой и свободным кислым остатком происходит внутренняя нейтрализация. Это выражено в предложенной им в 1918 году формуле лецитина.

Лецитин (1918 г.)

Когда ставилась задача выделить элементарный фосфор из органического материала путем дистилляции, не имело значения, был ли он свежим или гниющим. Для получения лецитина из яичного желтка и подобных материалов было принципиально важно использовать их в свежем состоянии. В противном случае ферменты разложили бы его. В ходе более поздних работ были выделены четыре фермента, которые действуют специфически на разложение лецитина. Фермент A удаляет одну жирную кислоту и оставляет в целости сложный остаток, называемый лизолецитином. Фермент B атаковывает этот остаток и отщепляет от него оставшуюся группу жирной кислоты, фермент C высвобождает из лецитина только холин, а фермент D расщепляет лецитин по эфирной связи между глицерином и фосфорной кислотой. Это показано на следующей схеме.

Enzymatic Splitting of Lecithins

Enzyme Substrate Products

A Lecithin Lysolecithin and fatty acids.

B Lysolecithin Glycero-phospho-choline and fatty acids.

C Lecithin Phosphatidic acid and choline.

D Lecithin Phosphoryl choline and diglyceride.

В лецитине из различных источников могут присутствовать несколько жирных кислот: пальмитиновая и олеиновая, помимо стеариновой кислоты, которая поначалу считалась единственной входящей в его состав. В другой группе экстрактов из ткани мозга или нервов вместо холина лецитина обнаруживается аминоэтанол H2NCH2CH2OH. Вариации затрагивают и спирт, с которым связаны жирные кислоты и холинфосфат. Например, глицерин может быть заменен так называемым «мясным сахаром» инозитом, который имеет шесть гидроксильных групп в своей гексагональной молекуле C6H6(OH)6.

Рисунок 14.— Эдуард Бухнер (1860–1917) получил Нобелевскую премию по химии за открытие бесклеточного брожения, что стало первым шагом в выяснении роли фосфата в процессах брожения (1907 г.).

Общее сходство поведения этих содержащих фосфаты и жиры веществ подчеркивал Людвиг Тюдихум (1829–1901). Он ввел название фосфатиды для этой группы веществ из семян и нервной ткани [29]. Его работы по фосфатам мозгового вещества вызвали особый интерес. Когда Уильям Крукс создал свою весьма фантастическую картину «эволюции» химических элементов, он поместил туда «фосфор для мозга, соль для моря, глину для твердой земли…» [30]. Но фосфатиды встречаются во многих местах организмов: в бактериях, в листьях и корнях растений, в жире и тканях животных. И там, где обнаруживаются фосфатиды, присутствуют также ферменты, которые действуют на них специфически. Их называют фосфатазами, подразумевая, что они расщепляют фосфатиды. Кроме того, присутствуют ферменты, которые переносят фосфатные группы с одного соединения на другое. Их больше в семенах с высоким содержанием жира, чем в семенах с преобладанием крахмала, но даже картофель и апельсиновый сок содержат фосфатазы [31].

Таким образом, из фосфатидов образуется фосфорная кислота, и их можно было бы назвать фосфагенами. Однако с 1926 года название фосфагены зарезервировано за группой органических веществ, которые очень легко высвобождают свою фосфорную кислоту. Связь между фосфором и углеродом обеспечивается кислородом в фосфатидах и азотом в фосфагенах. У позвоночных основой для фосфорной кислоты является креатин, тогда как у беспозвоночных вместо него присутствует аргинин.

Creatine Phosphate

Arginine phosphate

Нуклеин и нуклеиновые кислоты

Все части организма важны для жизни. Только с учетом этого имеет смысл утверждать, что важнейшей частью клетки является ее ядро. Из ядер клеток гноя и спермы лосося Иоганн Фридрих Мишер (1811–1887) получил своеобразное вещество, которое он назвал нуклеином (1868 г.). Его фосфорное содержание было обнаружено легко, но для нахождения точных пропорций и природы остальных компонентов потребовались специальные методы отделения от фосфатидов и других белков. Такие методы было трудно разработать в то время, когда мало что было известно о свойствах и особенно о стабильности нуклеина. Для получения нуклеина из дрожжевых клеток Феликс Хоппе-Зейлер (1825–1895) описал следующие подробности: дрожжи диспергируют в воде для экстракции растворимых веществ, таких как соли или сахара. Через несколько часов нерастворимый материал отделяют, еще раз промывают водой и затем экстрагируют очень разбавленным раствором гидроксида натрия. Слабощелочной раствор, освобожденный от нерастворимых остатков, медленно добавляют к слабой соляной кислоте. Образуется осадок, который отделяют фильтрованием, промывают разбавленной кислотой, затем холодным спиртом и, наконец, экстрагируют кипящим спиртом. Высушенный остаток представляет собой нуклеин [32]. Он содержит шесть процентов фосфора. Несколько более тщательная промывка водой, чуть более длительная обработка кислотой или спиртом дают продукты с более низким содержанием фосфора. Потребовалось множество экспериментальных вариаций, чтобы установить процедуру, ведущую к очистке без изменения природного вещества.

Это было справедливо и для методов химической деградации, проводимой с целью обнаружения компонентов нуклеинов в их наивысшем состоянии природной сложности. Было выяснено, например, что особый вид углевода, присутствующий в нуклеинах, очень подвержен изменениям в условиях гидрокислого расщепления. Поэтому Фебус Аарон Теодор Левин (1869–1940) использовал пищеварение живым организмом. Вместе с Э. С. Лондоном он вводил раствор нуклеиновой кислоты, например, в желудочно-кишечный сегмент собаки через желудочную фистулу и извлекал продукт пищеварения через кишечную фистулу. К счастью, продукты, получаемые при таких деградациях, сами по себе не были новыми. Углевод в этой нуклеиновой кислоте оказался идентичным D-рибозе, которую Эмиль Фишер искусственно получил из арабинозы и назвал рибозой, чтобы указать на эту взаимосвязь (1891 г.). Азотистые продукты деградации были идентичны веществам, ранее полученным в ходе долгого изучения мочевой кислоты. В ходе этого исследования Эмиль Фишер установил, что мочевая кислота и ряд ее производных имеют элементарный скелет того, что он назвал «чистой мочевой кислотой», сокращенно — пурином. Из работ Адольфа Байера по барбитуровой кислоте пришло знание о пиримидине и его производных.

Рисунок 15.— Альбрехт Коссель (1853–1927) получил Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 1910 году за работы по нуклеиновым веществам, которые содержат высокую долю фосфора. Химические связи этого фосфора в молекулах нуклеиновых веществ были определены в более поздних работах. (Фото предоставлено Национальной медицинской библиотекой, Вашингтон, округ Колумбия)

На основе этих открытий, а также того, что установил Освальд Шмидеберг (1838–1921) относительно присутствия четырех фосфатных групп в молекуле (1899 г.), Роберт Фёльген (1884–1955) построил следующую схему нуклеиновой кислоты. Формула Фёльгена 1918 года:

Фосфорная кислота — Углевод — Гуанин

Фосфорная кислота — Углевод — Цитозин

Фосфорная кислота — Углевод — Тимин

Фосфорная кислота — Углевод — Аденин

Из четырех основных компонентов справа тимин присутствует в нуклеиновой кислоте вилочковой железы (тимуса). Дрожжи вместо него содержат урацил. Разница между этими двумя основаниями заключается в одной метильной группе: тимин представляет собой 5-метилурацил. Во всех этих основных веществах задействована структура мочевины, и они образуют пары окисленных и восстановленных состояний:

PurinePyrimidine

(reduced) Adenine + (oxidized) Thymine

(oxidized) Guanine + (reduced) Cytosine

Pyrimidine

Purine

Adenine

Guanine

Uracil

Cytosine

Углевод представляет собой рибозу или дезоксирибозу.

Arabinose

l-Ribose

Fischer and Piloty, 1891

Deoxyribose

Точное положение фосфорной кислоты было установлено после долгой работы и подтверждено синтезом [33].

Соединение аденина, рибозы и фосфорной кислоты было обнаружено в дрожжах, крови и в скелетных мышцах млекопитающих. Из 100 граммов такой мышцы было выделено 0,35–0,40 грамма этого соединения. Если мышца находится в состоянии покоя, соединение содержит три молекулы фосфорной кислоты, соединенные через атомы кислорода. Оно было названо аденозинтрифосфатом или аденилтрифосфорной кислотой [34], обычно обозначаемой сокращенным символом АТФ. Оно очень легко отщепляет одну группу фосфорной кислоты и переходит в дифосфат — АДФ, но может также терять 2 P-группы в виде пирофосфорной кислоты, оставляя монофосфат — АМФ.

Отто Мейерхоф счел это изменение АТФ основным источником энергии при мышечном сокращении [35]. Были также обнаружены соответствующие производные гуанина, цитозина и урацила, которые активны в процессах временного переноса фосфорнокислых групп в биологических процессах.

Таким образом, изучение органических фосфатов продвинулось от сравнительно простых эфиров, связанных с жировыми веществами организмов, к белкам и нуклеарным веществам клетки. Пропорциональное количество фосфора в первых было больше, чем во вторых; однако реальная важность и функция в жизни организмов измеряются не количеством, а определяются особой природой соединений.

Рисунок 16.— Отто Мейерхоф (1884–1951) получил половину Нобелевской премии по медицине и физиологии в 1922 году за открытие метаболизма молочной кислоты в мышцах, который включает действие фосфатов, особенно аденозиндифосфатов. (Фото предоставлено Национальной медицинской библиотекой, Вашингтон, округ Колумбия)

Рисунок 17.— Артур Харден (1865–1940), слева, и Ханс А. С. фон Эйлер-Хельпин (род. 1875), справа, разделили Нобелевскую премию по химии в 1929 году. Харден получил ее за исследования в области брожения, которые показали влияние фосфата, в частности образование гексозодифосфата. Эйлер-Хельпин получил свою награду за исследования в области брожения. Он обнаружил кофермент А, который представляет собой нуклеотид, содержащий фосфорную кислоту.

Рисунок 18.— Дьёрдь де Хевеши (род. 1885) получил Нобелевскую премию по химии в 1943 году за исследования с изотопными индикаторными элементами, в частности радиоактивным фосфором с массовым числом 32 (обычный фосфор имеет массу 31).

Рисунок 19.— Карл Ф. Кори (род. 1896) и его жена Герти Т. Кори (1896–1957) получили часть Нобелевской премии по медицине и физиологии в 1947 году за исследование превращения гликогена. В ходе этого исследования они идентифицировали глюкозо-1-фосфат, в настоящее время обычно называемый «эфиром Кори», и его функцию в цикле гликогена. (Фото предоставлено Национальной медицинской библиотекой, Вашингтон, округ Колумбия)

Изучение этой функции является новейшим этапом в истории фосфора и представляет собой кульминацию предшествовавших усилий. Этот новейший этап развился из случайного открытия, касающегося одной из старейших отраслей органической химической промышленности — производства алкоголя путем ферментативного действия дрожжей на сахар. Было обнаружено прохождение углеводов через фосфорные соединения к конечным продуктам процесса брожения, что постепенно оказалось своего рода моделью для множества биологических процессов.

Таким образом, было обнаружено, что специфические фосфаты необходимы для жизни. И наоборот, неправильные типы фосфатов могут разрушить жизнь. В результате важной частью нового этапа в истории фосфора стало изучение — и использование — антибиотических фосфорных соединений.

Фосфаты в биологических процессах

Первое указание на то, что фосфор важен для жизни, пришло из опыта наблюдения за тем, как растения поглощают его из веществ почвы. Они включают его в вещество своего тела. Что делает фосфор настолько важным, что они не могут расти без него? Следующим озарением стало понимание того, что животные приобретают его из растительной пищи. Затем он обнаруживается в костях, в жировой и нервной ткани, во всех клетках и особенно в ядрах клеток. Каковы его функции там?

Ответы на такие вопросы были получены в ходе изучения давно известного процесса — превращения углеводов в углекислый газ и спирт дрожжами. Все началось с открытия Эдуарда Бухнера 1890 года о том, что брожение вызывается препаратом из дрожжей, из которого удалены все живые клетки. Если дрожжи размолоть до гибели и отжать, сок все равно сохраняет способность вызывать брожение.

Странно, но во многом характерно для процесса развития науки, что «загадка» фосфора в живой природе была решена путем предварительного устранения самой жизни. В таких «безжизненных» процессах брожения Артур Харден обнаружил, что превращение сахара начинается с образования гексозофосфата (1904 г.). «Фермент» дрожжей, названный зимазой, оказался смесью нескольких ферментов. Ханс фон Эйлер-Хельпин выделил одну часть зимазы, которая остается активной даже после кипячения ее раствора. Из 1 килограмма дрожжей он получил 20 миллиграммов этого термостабильного фермента, который он назвал козимазой и идентифицировал как нуклеотид, состоящий из пурина, сахара и фосфорной кислоты [36]. В период между двумя мировыми войнами зимаза была дополнительно разделена на большее число ферментов, один из которых, кофермент I, оказался АДФ, связанным с другой молекулой рибозы, присоединенной к амиду никотиновой кислоты, то есть дифосфопиридиннуклеотидом:

Рисунок 20.— Фриц А. Липман (род. 1899) разделил с Хансом Адольфом Кребсом Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 1953 году за работу по коферменту А. Он открыл ацетилфосфат как вещество в бактериях, которое переносит фосфат на адиниловую кислоту.

Рисунок 21.— Александер Р. Тодд (род. 1907) получил Нобелевскую премию по химии в 1957 году за исследования нуклеотидов. Он определил положение фосфатных групп в молекуле и подтвердил его синтезом динуклеотидфосфатов.

Его функция связана с переносом водорода между промежуточными соединениями, образующимися с помощью переносящих фосфаты ферментов. Брожение протекает через каскад процессов, в которых фосфатные группы перемещаются туда и обратно, а равновесия между АТФ и АДФ играют главную роль.

Многие ферменты тесно связаны с витаминами. Так, кокарбоксилаза А, которая принимает участие в отделении углекислого газа от промежуточного продукта брожения, представляет собой фосфат витамина B1. Другие витамины группы B содержат фосфатные группы, например витамины группы B2 и B6, а в витамине B12 единственный фосфор образует мостик в крупной молекуле, содержащей один атом кобальта: C63H90N14O14PCo. Образование витамина А из каротина происходит под воздействием АТФ.

Первые стадии брожения похожи на стадии дыхания, которое заканчивается углекислым газом и водой. Эти два вещества служат исходными материалами для обратного процесса в фотосинтезе. Когда свет поглощается хлорофиллом зеленых растений, одной из начальных реакций является перенос водорода из воды на трифосфопиридиннуклеотид, который впоследствии действует на восстановление углекислого газа. Под влиянием АТФ синтезируется фосфоглицериновая кислота и далее достраивается через углеводные фосфаты до гексозных сахаров и, наконец, до крахмала. Во многих крахмалистых плодах небольшая доля фосфата остается связанной с конечным продуктом.

Синтез белков находится под контролем дезоксирибонуклеиновой кислоты или рибонуклеиновой кислоты, обозначаемых сокращенно символами ДНК и РНК. Гены в ядре представляют собой участки гигантской молекулы ДНК. РНК является универсальной составной частью всех живых клеток. Там, где синтез белка интенсивен, содержание РНК велико. Так, прядильные железы тутового шелкопряда необычайно богаты РНК [37].

В своем исследовании радиоактивного изотопа P32 Дьёрдь де Хевеши получил некоторое представление о поразительной подвижности фосфатов в организмах: «Фосфатный радикал, поглощенный с пищей, может сначала участвовать в фосфорилировании глюкозы в слизистой оболочке кишечника, вскоре после этого переходить в кровоток в виде свободного фосфата, проникать в красный эритроцит, включаться в молекулу аденозинтрифосфорной кислоты, участвовать в гликолитическом процессе, протекающем в эритроците, возвращаться в кровоток, проникать в клетки печени, участвовать в образовании молекулы фосфатида, через короткий интервал времени попадать в кровоток в этой форме, проникать в селезенку и покидать этот орган через некоторое время в качестве составной части лимфоцита. Мы можем снова встретить фосфатный радикал как составную часть плазмы, откуда он может найти путь в скелет» [38]. За последние 30 лет было добавлено многое для завершения этой картины во многих деталях и распространения ее на другие биохимические процессы, включая даже изменения пигментов в сетчатке в зрительном процессе или превращение химической энергии в свет бактериями и насекомыми.

Лекарства и яды

В тонком балансе этих процессов могут возникать нарушения, которые можно исправить с помощью специфических лекарств, содержащих фосфаты. Так, аденозинфосфат был рекомендован в случаях стенокардии и продается под торговыми марками, такими как сарколит, или в соединениях под названием ангиолизин. Значительное число физиологически активных органических фосфатов можно найти в патентной литературе [39]. Сами дрожжи считаются ценной пищевой добавкой.

С другой стороны, существуют фосфатные соединения, действующие как яды. Одна группа таких соединений была открыта в 1929 году В. Ланге, который писал: «Интересно сильное действие монофторфосфатных эфиров на человеческий организм — эффект достигается очень малыми количествами» [40]. Диизопропилфторфосфат с тех пор стал потенциальным агентом для химической войны. Он инактивирует фермент, управляющий передачей нервных импульсов к мышце, — ацетилхолинэстеразу.

Органические эфиры фосфорных кислот используются в качестве инсектицидов. Гексаэтиловый эфир тетрафосфорной кислоты, полученный Герхардом Шрадером путем нагревания триэтилфосфата с оксихлоридом фосфора [41], фактически содержит, среди прочего, тетраэтилпирофосфат (ТЭПФ). Диптерекс компании «Байер», представляющий собой диметиловый эфир 2,2,2-трихлоро-1-гидроксиэтилфосфоната, был модифицирован в диметил-2,2-дихлорвинилфосфат и особенно активен против восточной фруктовой мухи [42].

L 13/59 компании «Байер» (Диптерекс)