Кислород. Молекула, изменившая мир

Глава первая. Введение. Эликсир жизни и смерти

Очень трудно охарактеризовать кислород. С момента его открытия в 1770-х гг. его свойства и химические реакции вызывали споры и среди ученых, и среди шарлатанов. Эти противоречия не разрешены до сих пор. Кислород вдыхают как эликсир жизни — чудодейственный тоник, средство против старости, источник красоты и мощное лекарство. Но тот же кислород — огнеопасное вещество и смертельный яд, который в конце концов нас убивает. Популярная пресса полна противоречивых высказываний. Говорят, что вдыхание чистого кислорода в «кислородных барах» и медицинских клиниках творит чудеса, тогда как противоположные, аскетичные условия «высокогорной терапии» якобы устраняют избыточный кислород. Лечение так называемым активным кислородом (под которым подразумевают озон или пероксид водорода) считают чудодейственным средством от бактериальных инфекций и даже от рака. Но в то же время нам говорят, что секрет долголетия заключается в употреблении в пищу антиоксидантов, которые защищают нас от тех же самых «активных» форм кислорода. Кажется, кислород, как магнит, притягивает к себе самые разные глупости и противоречия.

Но какими бы путаными ни были наши представления, они сходятся в одном: кислород — очень важное вещество. В конце концов, если мы перестанем им дышать, то через несколько минут умрем. Человеческое тело устроено так, что кислород может поступать ко всем 15 миллионам миллионов составляющих его клеток. Символичный красный цвет крови объясняется простой химической связью между кислородом и гемоглобином в красных клетках крови (эритроцитах). Страх задохнуться или утонуть — физически лишиться доступа кислорода — одно из самых жутких ощущений для любого человека. Планета без кислорода в нашем представлении — изрытое кратерами безжизненное пространство вроде Марса или Луны. Наличие кислорода в атмосфере — лакмусовая бумажка, свидетельствующая о присутствии жизни: вода указывает на возможность существования жизни, но кислород говорит о ее присутствии — только живые существа могут создавать ощутимое количество кислорода в атмосфере. Даже если оставить в стороне эмоциональную сторону вопроса, все согласны, что вырубка дождевых лесов и загрязнение океанов лишают Землю ее «легких», наполняющих атмосферу животворящим кислородом. Как мы увидим дальше, это не так, однако такая точка зрения указывает на нашу чрезвычайно высокую оценку значимости кислорода. Возможно, не так уж и странно, что мы приписываем этому газу без цвета и запаха мистические и целебные свойства.

Эта книга — о кислороде, а еще о жизни и о смерти: о том, как и почему жизнь создала кислород и адаптировалась к нему, об эволюции и о будущей жизни на Земле, об энергии и здоровье, болезнях и смерти, половом размножении и воспроизведении, о нас самих. Об истинном значении кислорода многие из нас даже не подозревают, а оно гораздо удивительнее всех его оздоровительных свойств. Но прежде чем отправиться в путь, давайте определим правила игры. Кислород — лекарство или яд? Или и то и другое? И в чем разница? Простейший способ найти ответ — отправиться в прошлое, к самым истокам возникновения жизни на Земле.

Даже история изучения кислорода является спорной. Первенство в открытии этого элемента приписывают английскому священнику и химику Джозефу Пристли, шведскому аптекарю Карлу Шееле или французу, сборщику налогов и создателю современной химии Антуану Лавуазье. Шееле был первым из трех, но слишком долго выжидал и шесть лет не публиковал свои результаты. Пристли получил кислород в 1774 г., пропуская сфокусированный луч солнечного света через оксид ртути, и быстро написал на эту тему три трактата. Эти двое вполне могли бы разделить между собой лавры первооткрывателей, однако никто из них не смог полностью оценить значение собственного открытия. Оба отметили, что в чистом кислороде горение происходит активнее (Шееле даже назвал открытый им газ «огненным воздухом»), но оба воспринимали горение неверно, считая, что при горении не затрачивается кислород, а выделяется невидимое вещество («флогистон»). Они воспринимали кислород как чистый воздух, лишенный примеси флогистона.

Революционер в химии и консерватор в политике Лавуазье разрушил эту извращенную идею за год до французской революции. Лавуазье дал новому газу название «кислород» и окончательно доказал, что именно кислород является активным компонентом воздуха[1]. Он заявил, что горение — это реакция между кислородом и углеродом или другими веществами. В знаменитом эксперименте он показал, что алмазы Священной Римской империи (состоящие из углерода) испаряются при нагревании в присутствии кислорода (в этой реакции образуется углекислый газ), но в бескислородной среде устойчивы при нагревании. Алмазы вечны только в среде без кислорода. Лавуазье пошел дальше. Собирая газы и используя свои сверхчувствительные весы, он показал, что горение и человеческое дыхание — по сути один и тот же процесс: в обоих случаях происходит реакция между кислородом и веществами, содержащими углерод и водород, и образуются вода и углекислый газ.

Лавуазье занимался опытами по взвешиванию газов, выделяющихся при дыхании и потоотделении, когда за ним пришли солдаты революционного трибунала в сопровождении безумной толпы. За время своей научной деятельности Лавуазье нажил влиятельных врагов, в числе которых был вождь революции Жан-Поль Марат. По нелепому обвинению в подмешивании воды в табак и присвоении причитающихся государству налогов Лавуазье был приговорен к смертной казни и гильотинирован в мае 1794 г. Узнав об этом, знаменитый математик Лагранж заметил: «Понадобилось лишь одно мгновение, чтобы отрубить эту голову, но, может быть, и столетия будет мало, чтобы создать подобную ей».

Забавно, но эта знаменитая история об открытии кислорода, по-видимому, неверна. Алхимики не только обнаружили его намного раньше, но и имели совершенно четкое представление о его значении. В 1604 г., за 170 лет до Шееле, Пристли и Лавуазье, польский алхимик Михаил Сендивогий писал: «Человек возник на Земле и живет на ней благодаря воздуху; в воздухе есть тайная пища для жизни... чей сконцентрированный невидимый дух лучше, чем вся Земля». Он предположил, что эта «воздушная пища жизни» циркулирует между воздухом и землей в виде необычной соли — селитры[2]. При нагревании до температуры выше 336 °С селитра разлагается, высвобождая кислород, который алхимики называли воздушной селитрой. Сендивогий считал, что обнаружил Эликсир Жизни, «без которого ни один смертный не может жить и ничто в мире не растет и не производится». Но Сендивогий не ограничился теорией. По-видимому, он научился получать кислород путем нагревания селитры и вполне мог передать свои знания датскому изобретателю и алхимику Корнелиусу Дреббелю — забытому герою науки эпохи Возрождения.

В 1621 г. Дреббель блестящим образом продемонстрировал практическое значение кислорода. К тому времени он уже создал для короля Англии Якова I вечный двигатель, заряжающийся от солнечного света, различные холодильники и автоматы, а теперь сконструировал первую в мире подводную лодку. Яков в окружении тысяч подданных расположился на берегу Темзы, чтобы посмотреть на первое путешествие корабля длиной в десять миль — из Вестминстера до Гринвича. Управляемая двенадцатью гребцами деревянная субмарина провела под водой около трех часов. Интереснее всего, как Дреббелю удалось осуществлять снабжение гребцов свежим воздухом на протяжении всего этого времени. По свидетельствам очевидцев, которые позднее (в 1660 г.) обсуждал великий химик Роберт Бойль, для замены «жизненно важной части воздуха» Дреббель использовал бутыль жидкости (по другим данным, это был газ):

«Дреббель считал, что для дыхания нужен не весь воздух, а лишь некая его „душа“, квинтэссенция воздуха, при исчерпании которой весь остальной каркас (как я [курсив Бойля. — Примеч. авт.] позволю себе выразиться) воздуха не способен поддерживать горящее в сердце пламя жизни... Поэтому время от времени он [Дреббель], осознавая, что лучшая и чистейшая часть воздуха исчерпана... приоткрывал сосуд с жидкостью, быстро заполняя испорченный воздух недостающей жизненно важной составляющей, так что он опять становился пригодным для дыхания».

Вероятно, Дреббель смог наполнить бутыли кислородом путем нагревания селитры, следуя инструкциям своего наставника Сендивогия. Совершенно очевидно, что Сендивогий, Дреббель и Бойль осознавали, что воздух представляет собой смесь газов, одним из которых является жизненно важный газ кислород. Они понимали, что при горении или дыхании в ограниченном пространстве из воздуха удаляется содержащийся в нем кислород. Бойль писал о дыхании и горении в одинаковых терминах («горящее в сердце пламя жизни»), хотя, конечно, не осознавал, насколько похожими являются эти два процесса. Современник и коллега Бойля по Лондонскому королевскому обществу Джон Мейоу продвинулся дальше. Он показал, что красный цвет крови объясняется тем, что при дыхании в легкие попадает воздушная селитра (кислород). Он считал, что воздушная селитра является нормальной составляющей воздуха, из которого она «становится пищей для огня, а также попадает в кровь животных при дыхании... Не сам воздух, а лишь его наиболее активная и тонкая часть является пищей для огня». Таким образом, несмотря на архаичность языка Мейоу, в его идеях еще в 1674 г. отразилось совершенно современное представление о кислороде.

На таком научном базисе приверженность Пристли теории флогистона (идеи о том, что при горении в воздух выделяется невидимое вещество) через сто лет кажется комичной, но он был совсем не одинок. Идея флогистона на добрую часть столетия затормозила исследования состава воздуха. Для объяснения экспериментальных результатов флогистону иногда приписывали положительный вес, иногда отрицательный, а иногда приходилось признать, что он не имеет веса. Даже те, кто считает Пристли первооткрывателем кислорода, признают, что приверженность этой теории ослепила его и не позволила в полной мере осознать значение сделанного открытия[3]. Однако в другом отношении Пристли оказался на удивление прозорливым: он предсказал не только целебные свойства кислорода (который он упорно называл лишенным флогистона воздухом), но и его потенциальную опасность. В трактате «Эксперименты и наблюдения над различными типами воздуха», опубликованном в 1775 г., он обсуждал собственный опыт вдыхания чистого кислорода:

«Ощущения от его вдыхания для моих легких не отличались в значительной степени от вдыхания обычного воздуха, но после этого на протяжении некоторого времени я чувствовал в груди особую легкость. Возможно, когда-нибудь этот очищенный воздух сможет стать предметом роскоши... Наблюдая за большой мощью и живостью пламени свечи, горящей в этом чистом воздухе, приходишь к выводу, что он может оказаться особенно полезным для легких в определенных болезненных состояниях, когда обычного воздуха не хватает, чтобы достаточно быстро уносить смрад. Однако на основании этих экспериментов, возможно, следует также заключить, что хотя этот чистый, избавленный от флогистона воздуx [кислород] может быть очень полезен в медицинских целях, он может не подходить нам в обычном, здоровом состоянии; как свеча, которая гораздо быстрее горит в этом лишенном флогистона воздухе, так и мы, как бы это выразиться, в этом чистом воздухе можем проживать слишком быстро [курсив Пристли. — Примеч.авт.] и силы живого cущества могут очень быстро подходить к концу. Моралист сказал бы, что нам гораздо больше походит тот воздух, который создала для нас природа».

Тот, кто вдыхал чистый кислород в «кислородном баре», может посмеяться над причудливой аналогией Пристли и его моральными опасениями, но мало кто из исследователей не согласится с сутью этих замечаний. Удивительно, но в словах Пристли содержится первое (насколько я знаю) предположение о том, что кислород ускоряет старение. Это предостережение не было замечено современниками ученого, которые немедленно устремились использовать лечебный потенциал кислорода. Несмотря на имевшиеся подозрения, на протяжении следующих ста лет на токсичность кислорода не обращали внимания.

Первым человеком, который стал широко использовать чистый кислород в терапевтических целях, был Томас Беддоуз. В 1798 г. в Бристоле Беддоуз основал Пневматический институт ингаляционной терапии, в котором работал выдающийся молодой химик Гемпфри Дэви. Оба любили лечить больных, страдавших незлечимыми на тот момент недугами. К сожалению, они были чрезмерно самонадеянны при выборе пациентов, и их методы редко оказывались успешными. Хуже того, содержавшиеся в газовых смесях примеси часто вызывали воспаление легких (любопытно, что чистый кислород тоже может вызывать воспаление легких). Из-за этих сложностей и нестабильности поставок кислорода институт закрыл свои двери в 1802 г. Позже Дэви описывал эту работу как «мечты непризнанного гения, который не смог довести до конца ни одного эксперимента».

Такая череда надежд и разочарований длилась на протяжении большей части XIX в. Из-за примесей в газовых смесях и различия в способах назначения кислорода клинический консенсус так и не был достигнут. Иногда пациент дышал кислородом напрямую через маску или мешок, иногда газ пропускали через бадью с водой, расположенную у постели больного, а воздух разгоняли по комнате с помощью вентилятора. Поражение такого экспериментального подхода было неизбежным. При столь разных способах назначения и отсутствии системного анализа не приходится удивляться противоречивым результатам. Адвокаты кислородной терапии заявляли о чудодейственных исцелениях (что могло быть справедливым, например, при воспалении легких), но сторонники традиционных методов лечения по большей части не выражали энтузиазма и считали, что положительная динамика была временной, поверхностной или мнимой. Отсутствие консенсуса еще более усугубляли мошенники и шарлатаны, заявлявшие доверчивой публике о существовании секрета «сложного кислорода». Некоторые из этих рекламных заявлений 1880-х гг. удивительным образом напоминают заявления современных сторонников лечения «активным кислородом». К счастью, тогда, как и теперь, победу одержали врачи, практикующие честную кислородную терапию.

Интерес врачей к кислородной терапии возник в результате публикации ряда странных сообщений о том, что повышенное давление кислорода может влиять на здоровье. Например, пациенты с воспалением легких, живущие в высокогорной местности, например в Мехико, скорее выздоравливали, если переезжали вниз, в долину, где давление кислорода выше. Аналогичным образом, пациенты с сердечно-сосудистыми заболеваниями лучше себя чувствуют на уровне моря, чем в горах. Заинтересованный этими сообщениями американский врач Орвел Каннигем рассудил, что еще более высокое давление может усилить положительный эффект. В результате серии успешных экспериментов при финансовой помощи благодарных пациентов в 1928 г. в Кливленде (Огайо) он создал самую большую из когда-либо существовавших барокамер — полый стальной шар диаметром 20 м и высотой пять этажей, давление в котором было вдвое выше атмосферного давления на уровне моря (этот проект обошелся примерно в миллион долларов).

Каннигем превратил свой стальной шар в подобие отеля — с курительными комнатами, рестораном, богатым убранством и индивидуальными номерами. К сожалению, он использовал не кислород, а сжатый воздух, так что давление кислорода в помещении было таким же, как при подаче кислорода через маску, только стоимость лечения была значительно выше. Хуже того, Каннигем лечил больных не с воспалением легких или сердечно-сосудистыми заболеваниями, которым такая процедура могла бы помочь, а приглашал пациентов с диабетом, пернициозной анемией и раком, исходя из ошибочной идеи, что все эти состояния вызваны анаэробными (боящимися кислорода) бактериями. Как цели, так и результаты подобной терапии не удовлетворили Американскую медицинскую ассоциацию, которая назвала эту схему лечения «гораздо более интересной с экономической, чем с медицинской точки зрения». Стальной шар простоял еще несколько лет, а в 1942 г. был пущен на металлолом и использован для военных целей.

Но, как выясняется, Каннингем был недостаточно настойчив. Несмотря на сложную историю, кислородная терапия все-таки получила теоретическое обоснование в начале ХХ в. благодаря трудам знаменитого шотландского врача Джона Скотта Холдейна (отца биолога Дж. Б. С. Холдейна). Холдейн был экспертом в области глубоководной медицины, а в годы Первой мировой войны занимался лечением больных, пострадавших от отравления хлором. Результаты своих исследований он суммировал в новаторской книге «Дыхание», опубликованной в 1922 г., в которой утверждал, что некоторые пациенты с респираторными, сердечно-сосудистыми и инфекционными заболеваниями поддаются лечению с помощью длительных ингаляций кислорода. Он считал, что при правильной подаче кислорода лечение может не только быть паллиативным, но и останавливать дегенеративные процессы, позволяя организму восстановить утерянное равновесие.

На таких же принципах основана и современная кислородная терапия, хотя даже сегодня мы толком не знаем, насколько благотворным может быть действие кислорода. Результаты обширных клинических испытаний, опубликованные в январе 2000 г. в престижном журнале New England Jоиrnal оf Medicine, показали, что вдыхание 80% кислорода на протяжении двух часов после хирургических операций на толстой и прямой кишке вдвое снижало риск развития раневых инфекций по сравнению с рутинной практикой (вдыхание 30% кислорода). Тот факт, что такое простое лечение дает столь заметные результаты, является весьма обнадеживающим. Но очень показательно, что в наши дни методы лечения XIX в. все еще могут быть медицинской сенсацией. Этот пример демонстрирует, кроме прочего, насколько деятельность мошенников и шарлатанов может затормозить прогресс науки.

Еще одна причина осторожных высказываний Холдейна заключается в возможной токсичности кислорода. Вот что он писал:

Понятно, что врачи предпочитают быть осторожнее, но в чем же, собственно, состоит риск? Возможно, сдержанное высказывание Холдейна воспринимается как сухая теория, однако кислород, особенно под давлением, может вызывать серьезные физиологические реакции, что было известно Холдейну на oсновании практики глубоководных погружений.

В обычных условиях токсичность кислорода проявляется медленно и скрыто. Многие пациенты в больницах получают кислородную терапию, проводят сутки или даже недели в кислородных палатах или вдыхают кислород в барах без каких-либо негативных последствий для здоровья. Космонавты часто дышат чистым кислородом на протяжении недель, хотя давление воздуха в кабине космического корабля составляет лишь треть атмосферного давления, так что дыхание чистым кислородом в космосе соответствует вдыханию 33% кислорода. Связь давления и концентрации кислорода в атмосфере объясняет гибель в огне трех американских астронавтов во время наземных испытаний корабля «Апполон-1» в 1967 г. В космосе в кабине корабля всегда поддерживается повышенное давление по сравнению с окружающим вакуумом, поэтому ракеты конструируют таким образом, чтобы они могли выдерживать большой перепад давления. По этой причине в кабине «Аполлона-1» даже во время тренировок создавалось повышенное давление. К сожалению, кабину заполняли не воздухом, а чистым кислородом. Это означает, что содержание кислорода составляло не 33, а 130%. Искра в электропроводке в этой обогащенной кислородом среде немедленно вызвала сильнейший пожар, и за считанные минуты температура повысилась до 2500 °С.

Но кислород не только горюч, он токсичен при вдыхании. Токсичность зависит от концентрации кислорода и длительности процедуры. Обычно люди могут дышать чистым кислородом сутки или двое, но более длительное воздействие бывает опасным. Если же концентрация кислорода растет за счет повышения давления, токсическое действие может оказаться очень серьезным.

О токсичности кислорода стали говорить в конце XIX в., когда появилось первое снаряжение для водолазов. Водолазы погружались в воду вместе с дыхательными аппаратами, обычно наполненными чистым кислородом. Под давлением воды кислород компрессировался, и вдыхание чистого кислорода на глубине ниже восьми метров вызывало состояние, напоминающее эпилептический припадок, а потеря сознания под водой может закончиться трагически.

Кислородные конвульсии подробно описал французский физиолог, профессор Сорбонны Поль Берт. В знаменитой монографии, опубликованной в 1878 г., Берт обсуждал влияние давления кислорода на состояние животных, помещенных в барокамеру. При очень высокой концентрации кислорода через считанные минуты у животных начинались конвульсии и наступала смерть. Еще через десять лет, в 1899 г., шотландский физиолог Джеймс Лоррен Смит показал, что такой же смертельный, хотя и отсроченный, эффект может наблюдаться даже после вдыхания кислорода в более низкой концентрации. У животных, помещенных в cpeду с 75% кислорода и выше, даже при нормальном атмосферном давлении через некоторое время начинались очень серьезные воспалительные процессы в легких, отчего животные погибали через несколько дней. По этой причине концентрация кислорода в больничном оборудовании всегда очень строго контролируется. Однако для водолазов конвульсии и повреждение легких по-прежнему остаются реальной угрозой. Имена Поля Берта и Джеймса Лоррена Смита навсегда сохранились в терминологии аквалангистов[4].

Многие дайверы с баллонами, наполненными чистым кислородом, остерегаются погружаться на очень большую глубину, однако у моряков иногда нет выбора. В опубликованных в 1942 г. «Правилах аварийной эвакуации с подводных лодок Королевского военного флота» были перечислены симптомы кислородного отравления:

Военные аквалангисты во время войны выдумали ужасного монстра по имени Кислород Пит, который прятался на дне и поджидал неосторожных ныряльщиков. На языке моряков «встретить Пита» означало отравиться кислородом.

Очевидно, необходимо было более детально прояснить суть кислородного отравления и строго определить пределы человеческих возможностей и оптимальный состав газовых смесей. Королевский морской флот Великобритании поручил Дж. Б. С. Холдейну продолжить дело, начатое его отцом. Холдейн всегда предпочитал ставить эксперименты на самом себе, и в данном случае он подвергал себя и своих коллег воздействию разной концентрации кислорода при разном давлении и замечал время до начала конвульсий[5]. Вдыхание чистого кислорода под давлением в семь атмосфер вызывало конвульсии уже через пять минут. Позднее Холдейн писал:

Усилия Холдейна дали результат. Королевский военный флот разработал несколько секретных азотно-кислородных смесей («найтрокс»), снижавших риск кислородного отравления и азотного наркоза. Эти смеси использовались британскими коммандос, защищавшими Гибралтар во время Второй мировой войны, и хранились в таком секрете, что даже военный флот США раскрыл их только в 1950-х гг. Благодаря «найтроксу» британские аквалангисты могли работать на большой глубине. Их стратегия заключалась в том, чтобы заманивать противника на такую глубину, где он погибал от конвульсий. Поцелуй кислорода! Вот уж действительно коварный Альбион!

Очевидно, что вдыхание кислорода в высокой концентрации опасно. Под давлением выше двух атмосфер чистый кислород вызывает конвульсии и иногда приводит к смерти. Кислород создает примерно пятую часть общего атмосферного давления, так что при вдыхании чистого кислорода под давлением две атмосферы в легкие попадает примерно в десять раз больше кислорода, чем в обычных условиях. В более низкой концентрации кислород редко вызывает конвульсии, но все же вдыхание чистого кислорода при нормальном атмосферном давлении (что в пять раз выше нормы) на протяжении нескольких дней может спровоцировать опасное для жизни повреждение легких. При таком воспалении легких человек не может нормально дышать, кислород не попадает в кровь, и смерть наступает от недостатка кислорода в остальных частях тела. При еще более низкой концентрации кислорода (40-50%, что примерно вдвое выше нормы) легкие функционируют нормально, но при длительном воздействии все же могут повреждаться. В таких условиях организм потихоньку адаптируется, снижая частоту сердечных сокращений и производство эритроцитов. Эти изменения противоположны тому, что происходит при недостатке кислорода на больших высотах. В результате в обоих случаях ткани получают столько же кислорода, сколько и раньше, — не меньше и не больше. Такие адаптации подчеркивают важность поддержания постоянного уровня кислорода в тканях. Они также показывают, что мы не можем извлечь какую-либо долгосрочную выгоду от вдыхания воздуха с низким или высоким содержанием кислорода, за исключением тех случаев, когда мы больны и по этой причине испытываем недостаток кислорода[6].

Я думаю, многим понятна идея, что избыток кислорода может быть вреден — даже очень xорошиx вещей в какой-то момент становится многовато. Аналогичным образом, никого не удивляет, что организм реагирует на небольшие пертурбации, устанавливая новое физиологическое равновесие. Совсем другое дело, если нам скажут, что кислород в концентрации 21% токсичен и в конце концов убивает нас. Это означает, что за миллионы лет эволюции мы не смогли адаптироваться к той концентрации кислорода, которую выбрала для нас природа. Такое утверждение звучит как минимум странно, но именно на нем строится свободнорадикальная теория старения. Если говорить кратко, эта теория утверждает, что старение (и смерть) являются результатом вдыхания кислорода на протяжении всей жизни. Таким образом, кислород не только необходим для жизни, но также является основной причиной старости и смерти.

Многие слышали о свободных радикалах, хотя весьма смутно представляют себе, что это такое. Большинство важных для биологических систем свободных радикалов — это реакционноспособные формы молекулярного кислорода, которые могут повреждать биологические молекулы (подробнее мы поговорим об этом в главе 6). Вне зависимости от того, вызывает ли кислород конвульсии и внезапную смерть, медленные повреждения легких или очень медленное старение, действует он всегда одним и тем же образом: все формы кислородной интоксикации связаны с образованием свободных радикалов кислорода. Как заметил великий алхимик XVI в. Парацельс, все зависит от дозы. Конвульсии связаны с массированным воздействием свободных радикалов на головной мозг, легкие повреждаются в результате более слабой атаки. Но свободные радикалы оказывают не только токсическое действие. Без них невозможно горение, а также фотосинтез и дыхание. Когда с помощью кислорода мы экстрагируем энергию из пищи, в качестве промежуточных продуктов неизбежно образуются свободные радикалы. Суть всей химии кислорода, вне зависимости от того, считаем ли мы его «плохим» или «хорошим», состоит в образовании свободных радикалов.

В традиционной формулировке гипотеза о том, что вдыхание кислорода вызывает старение организма, чрезвычайна проста. В процессе клеточного дыхания внутри каждой клетки нашего тела постоянно образуются свободные радикалы. Бóльшая часть устраняется антиоксидантами, но защитные системы организма несовершенны. Некоторые свободные свободные радикалы обходят защитные механизмы и повреждают жизненно важные элементы клеток и тканей, такие как ДНК и белки. Со временем повреждения накапливаются, и в какой-то момент организм перестает функционировать. Эту постепенную деградацию организма называют старением.

В соответствии с таким традиционным (в данном случае несколько упрощенным) представлением чем больше мы потребляем антиоксидантов, тем лучше наш организм противостоит атакам свободных радикалов. Вот почему фрукты и овощи полезны для здоровья ― в них содержится много антиоксидантов. В наши дни люди часто принимают антиоксиданты в виде пищевых добавок, полагая, что в еде их недостаточно. Идея заключается в том, что употребление большого количества антиоксидантов может затормозить старение и развитие старческих заболеваний (так называемое антиоксидантное чудо).

В реальности картина чуть сложнее и гораздо интереснее. Я согласен, что свободные радикалы кислорода вызывают старение, только выводы из этого следуют практически противоположные. Даже закармливая самих себя самыми мощными антиоксидантами, мы не сможем продлить жизнь до 150 или 200 лет. Напротив, прием антиоксидантов способен повысить вероятность развития некоторых заболеваний. Антиоксиданты — всего лишь пешки в сложной системе адаптаций, возникшей в ходе развития жизни в кислородной среде. Понять роль антиоксидантов можно только при анализе всей системы в целом. Приспособление жизни к опасностям и возможностям, которые принес с собой кислород, имело чрезвычайно серьезные последствия.

Давайте рассмотрим несколько примеров. Практически вся жизнь на современной Земле существует за счет фотосинтеза — образования органического вещества растениями, водорослями и некоторыми бактериями под действием энергии солнечного света. Вполне вероятно, что фотосинтез (побочным продуктом которого является кислород) эволюционировал только по той причине, что жизнь уже научилась защищаться от свободных радикалов кислорода, возникающих под действием ультрафиолетового излучения. Возможно, именно поэтому на Земле появилась жизнь, а на Марсе нет. Другой пример. Современный мир населен крупными растениями и животными. Но первые многоклеточные организмы, возможно, эволюционировали из сгустков клеток, собиравшихся вместе, чтобы совместными усилиями справляться с возрастающей концентрацией кислорода, образующегося за счет фотосинтеза. Если бы не опасность кислородной интоксикации, жизнь, возможно, не изобрела бы ничего более сложного, чем тина. Даже размер живых веществ связан с кислородом. Большой размер тела позволяет не бояться кислородной интоксикации, поскольку у очень крупных животных скорость метаболизма сравнительно низкая, и это объясняет появление невероятных стрекоз с размахом крыльев, как у современной чайки, а также, возможно, развитие и гибель динозавров. А половое размножение? Почему полов именно два, а не один, три или несколько? Вполне вероятно, что эволюция двух полов связана с необходимостью жить в среде кислорода. Дальше я объясню, что дети могут родиться здоровыми только в том случае, если их родители относятся к двум разным полам, иначе потомство родится больным и склонным к преждевременному старению. Возможно, это объясняет, почему клонированные животные часто умирают в молодом возрасте. Например, овечка Долли в пять лет страдала от артрита, поскольку ее «реальный» возраст соответствовал 11 годам. Наконец, подумайте о летающих животных. Птицы и летучие мыши живут невероятно долго для своего размера. Почему? Способность летать требует адаптации метаболизма к кислороду, что одновременно обеспечивает большую продолжительность жизни. Если мы хотим увеличить продолжительность жизни, нужно понять, в чем заключается секрет птиц.

Эти важные тезисы я объясню и докажу позднее. Они являются частью нашего путешествия, призванного установить влияние кислорода на нашу жизнь и смерть.

Я не буду скрывать от вас, что эта книга о науке. Но перед вами не сухой перечень информации: как и сама наука, книга полна случайностей, экспериментов, странностей, спекуляций, гипотез и предсказаний. Науку часто представляют как набор фактов, иногда отрывочных. Научный метод определяют как поиск «истины», но, если бы это было так, большинству людей, включая самих ученых, наука казалась бы невероятно скучной. Мнение о том, что наука открывает доступ к объективной реальности (в отличие от субъективного мира этики), противопоставляет науку религии как системе моральных воззрений, а ученых наделяет ролью проповедников. На самом же деле наука позволяет изучать функционирование природы, но далека от объективной реальности. Очень часто научные «факты» оказываются ошибочными или неправильно истолковываются. Кроме того, ученые ссорятся между собой по поводу интерпретации малопонятных научных открытий, дискредитируя коллег перед широкой общественностью. Не приходится удивляться, что общественность относится к науке и к ученым с возрастающим скептицизмом. В результате все меньше молодых людей мечтают о карьере ученого. А это настоящая трагедия. Возможно, трагедию удастся предотвратить, если лучше объяснять людям, как функционирует наука — показать процесс творческого поиска.

Интерес ученых лежит в области неизведанного и состоит в освоении новых территорий. Однако эти изыскания редко позволяют сразу воссоздать точную картину мира, они больше напоминают составление средневековой географической карты — фрагментарного, но узнаваемого отражения реальности. Ученые пытаются соединить между собой контуры фрагментов с помощью уточняющих экспериментов. Значительная часть прелести науки заключается в разработке и интерпретации экспериментов, позволяющих проверить справедливость гипотетического пейзажа. Поэтому я постараюсь объяснять эксперименты и наблюдения, которые легли в основу данной книги. Я покажу, что факты можно интерпретировать разными способами, и представлю исходные данные со всеми их изъянами, чтобы читатель сам мог делать выводы и оценивать справедливость моих заключений. Я надеюсь, что такой подход поможет читателю почувствовать дух приключений, который толкает ученых в область неизведанного.

Таким образом, наука создает гипотезы на основе специфических, но ограниченных по объему доказательств — островков знаний в океане неизвестности. Очень часто отдельные результаты приобретают смысл только в контексте более общей картины. Во всех научных статьях есть раздел «Обсуждение результатов», в котором исследователи пытаются представить свои новые результаты в свете общей теории. Однако современная наука характеризуется очень сильной специализацией. Крайне редко медики ссылаются на результаты геологов или палеонтологов, а химики почти никогда не рассматривают свои результаты в свете теории эволюции. Чаще всего это не важно, но при изучении кислорода слишком узкий взгляд непозволительно ограничивает перспективу. В этом конкретном случае геология и химия имеют непосредственное отношение к эволюции, а палеонтология и физиология животных вносят значительный вклад в медицину. Все эти дисциплины позволяют лучше понять механизмы нашей жизни и смерти.

Такой междисциплинарный подход не только необходим для понимания роли кислорода в жизни и смерти, но и предлагает новые перспективы развития всех смежных дисциплин. Взгляд на эволюцию и медицинские вопросы через призму кислорода позволяет найти разгадки очень старых загадок. Я уже привел один пример — эволюция двуполой системы размножения. Анализ самой системы (почему полов именно два) не позволяет дискриминировать различные гипотезы. Мы даже не можем исключить возможность, что «просто так получилось». Может показаться, что изучение роли кислорода в процессах старения не имеет к этому никакого отношения, но системный подход позволяет сделать вывод, что только наличие двух полов обеспечивает воспроизведение видов с подвижными половыми клетками, ищущими полового партнера. Такой подход также объясняет, почему невозможно увеличить продолжительность жизни просто с помощью приема антиоксидантов, и указывает нам более реальные способы замедления старения и развития старческих заболеваний. Кислород служит своеобразным увеличительным стеклом, позволяющим разглядывать жизнь в необычном ракурсе. Вот почему эта книга — о жизни, смерти и кислороде, а не только о кислороде.

Я старался писать для широкой аудитории, которая, возможно, мало знакома с наукой, и надеюсь, что результат будет понятен любому читателю, готовому приложить небольшое усилие. Вся книга — это единое доказательство, и, чтобы понять смысл полностью, ее придется прочесть до конца! Однако каждая глава содержит отдельную историю, и для ее понимания не нужно запоминать всю информацию, изложенную в предыдущих главах. Мы увидим, что адаптация жизни к кислороду, начавшаяся примерно 4 млрд лет назад, до сих пор влияет на строение нашего организма. Мы поймем, что кислород связывает между собой столь разные факты и явления, как излучение, ядерные реакции, Всемирный потоп, фотосинтез, глобальное оледенение, гигантские насекомые, хищные монстры, пища, половое размножение, стресс и инфекционные заболевания. Мы обнаружим, что через призму кислорода удается иначе взглянуть на природу старения, болезней и смерти. Мы увидим, что простой газ без цвета и запаха создал тот мир, в котором мы живем, и определил наш путь в этом мире. Итак, давайте поговорим о том, как и почему кислород влиял на эволюции жизни на планете с самого начала.