Как научиться синтезировать вещества

Синтез — получение из относительно простых веществ более сложных — играет важную роль в химии. По традиции, химические продукты, получаемые путем соединения или превращения молекул исходных компонентов, называют синтетическими, противопоставляя их природным веществам.

Мы говорим: синтетический каучук, синтетическое волокно, синтетические моющие средства, синтетическое топливо. Однако методами синтеза получены не только встречающиеся в природе вещества, но и такие, каких природа не создавала. Синтез — основа промышленной химии — химической технологии. Задачи в этой области настолько разнообразны, что химики и технологи уже давно специализируются на синтезе отдельных видов химической продукции.

Основной органический синтез как подотрасль химической промышленности охватывает производство таких крупнотоннажных органических продуктов, как спирты, кислоты, эфиры, альдегиды и др. Разрабатывая промышленные методы синтеза этих соединений, химики и технологи стремятся улучшить экономические показатели технологических процессов, т. е. повысить выход продукта реакции, уменьшить содержание примесей в нем, найти новые, более дешевые источники сырья.

Специалисты в области нефтехимического синтеза разрабатывают технологические процессы получения различных химических продуктов из нефтяного сырья (см. Нефть и нефтепродукты, Нефтехимия).

Широко развито производство синтетических полимеров (см. Полимеры) — пластических масс, химических волокон, эластомеров (см. Каучуки и эластомеры). Большинство из них не имеют аналогов в природе.

Синтез искусственного жидкого топлива из оксида углерода (II) и водорода или из метана приобретает все более важное значение по мере удорожания нефти.

В природе зеленые растения из углекислого газа, воды, минерлльных солей и кислорода за счет энергии солнечных лучей путем фотосинтеза создают сложнейшие органические соединения, необходимые для жизнедеятельности как самих растений, так и всех других организмов.

До сих пор растительное и животное сырье остается ценнейшим источником многих веществ, используемых в пищевой промышленности, медицине, парфюмерии и т. д. Дефицит и высокая стоимость этих веществ заставляют разрабатывать методы их химического синтеза. Сначала каждый раз приходится с помощью различных методов количественного и качественного анализа (см. Аналитическая химия) устанавливать точный состав и структуру молекул этих соединений. И только после этого можно приступать к разработке способов их синтеза.

Наряду с химическим синтезом для получения сложных органических веществ используются ферментативный синтез, при котором применяются природные катализаторы — ферменты, и микробиологический синтез, при котором используются микроорганизмы. Методами ферментативного синтеза успешно решена задача получения глюкозы из растительного сырья. Химический синтез этого соединения слишком сложен. Кормовой белок (см. Белки) оказалось экономически выгоднее получать из парафинов нефти с помощью микроорганизмов (см. Нефть и нефтепродукты). Появилась новая отрасль промышленности на стыке химии и биологии — микробиологическая промышленность.

Для развития современной биологии и ее новейших отраслей — молекулярной биологии, биоорганической химии, генной инженерии — чрезвычайно важны последние достижения в области сверхтонкого химического и биохимического синтеза сложнейших соединений, управляющих процессами жизнедеятельности организмов. Это синтез гена (носителя наследственных признаков живого организма), других белковых структур, гормонов.

Растущие требования к охране окружающей среды ставят перед химиками-синтетиками новые задачи: технологии синтеза должны быть безотходными или малоотходными. Это означает, что многие существующие технологии синтеза должны быть перестроены в соответствии с экологическими требованиями (см. Экология).

Почему «натуральные» вещества радиоактивнее полученных в лаборатории и плохо ли это?

Хемофобия — иррациональный и беспричинный страх перед всем «химическим» — стал одним из главных трендов нашего времени. Реклама пестрит эпитетами «натуральный», «органический» и другими в этом же духе, а само наличие такой пометки на товаре поднимает цену в два раза. «Нож» рассказывает, чем различаются «натуральные» и синтезированные вещества и почему «химия» часто безопаснее.

Истоки неприятия и боязни всего «химического», вероятно, следует искать в «манифесте экологов» — изданной в 1962 году книге Рейчел Карсон «Безмолвная весна». По мнению профессиональных ученых и специалистов в этой области, текст представляет собой скорее эмоциональное эссе, чем научный труд. Например, синтетические химикаты Карсон называет «зловещими и малопризнанными партнерами радиации», они «переходят от одного живого организма к другому в цепи отравления и смерти».

«Безмолвная весна», впрочем, сделала наш мир чуточку чище: под давлением общественных движений, организованных сторонниками Карсон, был введен запрет на применение свинецсодержащих присадок к бензину и ограничено использование ДДТ. Хотя злые языки поговаривают, что в последнем случае заслуга общественников не так и велика — просто у насекомых выработалась устойчивость к этому средству, и появились новые, более дешевые и эффективные инсектициды, а потому производство ДДТ свернулось само собой.

Однако ярлык «молчаливых убийц», некогда навешенный на синтезируемые в лабораториях вещества, никуда не делся, и общественное мнение предпочитает «натуральные» продукты, «органические» продукты или продукты «без химии».

Конечно, никаких «продуктов без химии» не существует: всё, что мы едим, пьем, вдыхаем, да и сам человек — результат множества химических процессов. В живых системах они протекают менее предсказуемо, чем в лаборатории, где мы можем влиять на конечный продукт, контролируя температуру синтеза, степень чистоты и концентрацию реагентов. А вот управлять количеством солнечных и пасмурных дней, периодичностью выпадения осадков и т. д. мы пока не научились. Меж тем именно от этих условий зависит содержание различных веществ в овощах, фруктах или злаках.

Популярная инфографика показывает, как выглядели бы упаковки самых обычных продуктов сельского хозяйства, если бы фермеров обязали указывать все химические компоненты, входящие в их состав. Впрочем, на такой картинке не отображены результаты «сюрпризов» природы.

Известны случаи хронического и острого отравления больших групп людей селеном и кадмием из-за потребления зерна или риса, выращенного на почве, под которой находились естественные природные залежи этих токсичных элементов.

Два абсолютно чистых образца одного и того же вещества, первый из которых «натуральный», а второй получен с помощью лабораторного синтеза, будут обладать одинаковыми характеристиками, в том числе и биохимическими.

Еще в 1806 году французский химик Жозеф Луи Пруст сформулировал закон, гласящий, что свойства веществ постоянны и не зависят от способа их получения и предыдущей обработки.

Адепты популяризации науки, не освоившие фактчекинг, говорят о том, что основной компонент эфирного масла жасмина — «натуральный» бензилацетат — и его аналог, синтезированный в лаборатории, невозможно различить в принципе. Они не правы.

В отличие от «искусственного», «натуральный» бензилацетат, выделенный из жасмина, будет слегка радиоактивен.

Дело в том, что цветы этого растения висели на ветке и до сбора участвовали в процессе углеродного обмена. А следовательно, в натуральном бензилацетате будет присутствовать содержащийся в атмосфере и земной коре радиоактивный изотоп углерода — C-14, причем в живых продуктах его столько же, сколько и в окружающей среде.

Период полураспада этого элемента составляет 5730 лет. Если сорвать цветы жасмина с ветки и выделить из них бензилацетат, углеродный обмен прекращается, и только теперь С-14 начинает распадаться, а его концентрация в веществе «природного происхождения» медленно, но неуклонно снижается.

В лабораторных же условиях бензилацетат синтезируется из нефтехимического сырья, не содержащего радиоактивного углерода. Ведь с момента смерти живых организмов, из которых образовались залежи «черного золота», прошло уже достаточно времени, чтобы весь С-14 распался.

Возможно, кто-то не ожидал такого подвоха от веществ натурального происхождения (обычно люди, подверженные хемофобии, также страдают и от радиофобии), но на самом деле ничего страшного здесь нет. Это один из тех маломощных источников ?-излучения, что формируют естественный радиоактивный фон, и все организмы на Земле к нему уже адаптировались.

Более того, любой живой человек представляет собой слабый источник ?-излучения.

Различить «натуральное» и «синтетическое» можно и методами химического анализа. Правда, в этом случае работники лаборатории будут исследовать не свойства или строение основного вещества (они абсолютно одинаковы), а присутствующие в образце микропримеси, которые разнятся в зависимости от способа его получения. Реакция организма на них часто бывает нежелательной, но где они опаснее — в синтетическом или натуральном продукте, — определить заранее невозможно.

Входящий в состав жевательных резинок и зубных паст карбамид (Е927b), известный также под менее благозвучным названием «мочевина», получают двумя способами. Первый, «химический», — реакция аммиака с углекислым газом. Второй, «натуральный», — переработка мочи крупного рогатого скота. И синтетический продукт в этом случае куда безопаснее, нежели тот, что добыт «естественным» путем.

В промышленности твердый карбамид-мочевину получают «в комплекте» с жидкой водой из газообразных аммиака и CO2, которые благодаря разным агрегатным состояниям из образовавшейся смеси можно просто откачать.

А вот «натуральный» способ производства того же продукта представляет собой куда более сложный процесс. В моче есть аминокислоты и мочевая кислота. Они твердые, растворяются в воде примерно так же, как и мочевина, и избавиться от них полностью труднее, чем от углекислого газа. При этом отложение солей мочевой кислоты в суставах приводит к развитию подагрического артрита, так что лучше специально не потреблять — со жвачками ли, зубной пастой ли — тот продукт обмена веществ, который из организма выводится.

Конечно, можно практически полностью удалить мочевую кислоту из мочевины, но для этого нужно несколько (а то и несколько десятков!) стадий очистки. Так что тюбик зубной пасты с натуральным карбамидом будет стоить столько же, сколько эквивалентная по массе банка натуральной же черной икры.

Но иногда верно обратное, и в ряде случаев биологическое сырье служит более дешевым источником продукта.

Сегодня химики могут получить в лаборатории любое вещество, если его формула установлена. Лауреат Нобелевской премии 1975 года Роберт Вудворд в 1973-м сумел провести 100-стадийный химический синтез витамина В12, структура которого была «аналогична натуральной».

Десятки и сотни килограммов сырья, 100 стадий — и лишь несколько миллиграммов целевого вещества. Очевидно, что описанная методика в данном случае лишена практического смысла и проще «добывать» B12 из биологических источников.

Но зачастую получение и последующая очистка продукта в лаборатории обходятся дешевле, и тогда в дело вступает его величество синтез. В любом случае именно от строения вещества и свойств различных возможных примесей зависит решение о способе его получения.

Читайте так же:  Как научиться сука

Помимо «синтетических» и «натуральных», в последнее время (особенно в медицинской химии) популярность набирают «полусинтетические» продукты: часть элементов их структуры производит живой организм, а потом эту «биологическую» заготовку модифицируют в лабораториях и на промышленных предприятиях, придавая ей новые свойства. Так был получен самый популярный лекарственный препарат — ацетилсалициловая кислота, или аспирин.

Ивовая кора широко применялась в народной медицине как средство против жара и боли. В конце XIX века нашли ее активный компонент и назвали его «салициловой кислотой» (от лат. salix — «ива»). В 1897 году Феликс Хоффманн разработал способ получения производного этого вещества — ацетилсалициловой кислоты, которую запатентовали как «аспирин». Он оказался более эффективным жаропонижающим и болеутоляющим. В наше время салициловую кислоту проще и выгоднее синтезировать, а не выделять из ивовой коры. Однако есть множество лекарственных препаратов, которые дешевле производить полусинтетическим методом.

Противовирусное средство озельтамивир (торговая марка «Тамифлю») получают, модифицируя шикимовую кислоту, выделяемую из растительного сырья — китайского бадьяна (Illicium verum). Это более дешевый по сравнению с полным синтезом способ производства.

Противопоставление свойств одного и того же вещества природного и синтетического происхождения зачастую приводит к плачевным последствиям. Один из примеров — беспочвенные страхи по поводу формальдегида в вакцинах. Это соединение присутствует в самой обычной еде (фруктах, овощах, мясе, морепродуктах, зелени), в утке по-пекински (120 миллионных частей), копченом лососе (50 миллионных частей) и колбасах (20 миллионных частей). Оно образуется там в результате реакций, протекающих в ходе приготовления пищи. В организме здорового человека содержится около двух миллионных долей формальдегида — в нашем обмене веществ он играет важную роль и принимает участие в репликации ДНК.

Формальдегид применяют в фармацевтической и косметической промышленности в качестве консерванта. Хотя люди ничего не имеют против природных источников этого вещества, крошечные количества его «синтетического» аналога в лекарственных препаратах и косметике вызывают огромный общественный резонанс.

Однако в одной дозе вакцины формальдегида в сотни раз меньше, чем в обычной груше (100 микрограмм против 12 000).

После попадания этого «страшно опасного» вещества в кровь при инъекции его концентрация в организме и взрослого человека, и ребенка не изменится, не говоря уже о появлении каких-либо проблем со здоровьем. А вот отказ от вакцинации чреват серьезными последствиями: европейские СМИ говорят уже о десятках тысячах заболевших и десятках смертей от кори, которые можно было бы предотвратить, если бы люди согласились пройти эту медицинскую процедуру.

Хемофобия — одна из форм страха неизвестного. Противостоять ему сложно, но можно. Ведь равно как техно-, гомо- и ксенофобия, это не отклонение с точки зрения психологии и психиатрии, а приобретенные предубеждения.

Длительная разъяснительная работа, открытые лекции, книги, аудио- и видеоподкасты, возможно, позволили бы людям преодолеть страх перед синтетическими веществами и понять, что не всё «натуральное» прекрасно: ботулотоксин, компоненты смертельно ядовитых грибов и змеиного яда имеют природное происхождение. Тем не менее пока усилиями маркетологов агрессивная реклама продуктов питания или медикаментов строится на слоганах а-ля «Только из натуральных компонентов!», «Не содержит консервантов!» или «Никакой химии!», польза от таких разъяснений будет минимальной.

«Методы синтеза новых веществ»

Практические примеры оптимизации процессов органической химии

Как правило, химики и инженеры в условиях лаборатории могут проводить исследования лишь в ограниченном диапазоне экспериментальных условий. Из-за недостатков, присущих стандартным методам, возможности быстрой разработки новых путей синтеза ограничены. В рамках обычных методов синтеза трудно изучить влияние температуры на скорость реакции, поэтому в сжатые сроки процесс не удается оптимизировать. Для экспериментальной оценки других важных технологических параметров, таких как скорость добавления, перемешивание и уровень рН, традиционные методики не предоставляют достаточных средств контроля. Из-за этого увеличиваются сроки разработки. Кроме того, ученым иногда приходится выполнять дополнительные нормативные процедуры, связанные с регистрацией получаемых данных и их синхронизацией с результатами других измерений. Обычное лабораторное оборудование для химического синтеза (колбонагреватели, ледяные бани, криостаты и пр.) ограничивает доступный температурный диапазон и возможности наблюдения, требует больших трудозатрат и не поддерживает сбор и передачу данных о процессе синтеза в режиме реального времени.

Современные исследователи применяют эффективные методы для разработки новых соединений и оптимизации химических процессов. В этом информационном документе рассказывается о том, как ученые находят новые возможности контроля, оптимизации и регистрации технологических параметров. Четыре примера из практики крупнейших фармацевтических компаний в области повышения эффективности работы лабораторий синтеза:

  • Поиск оптимальных условий проведения реакции трифлатирования
  • Контроль параметров реакций с участием гуанидина для подавления образования побочных продуктов
  • Планирование (DoE) экспериментов по масштабированию реакций с участием гуанидина
  • Встроенный анализатор скорости реакции для наблюдения двухстадийного процесса восстановления борогидридом лития

Ядерный распад и синтез

Согласно теории относительности, масса представляет собой особую форму энергии, о чем и свидетельствует известная формула Эйнштейна E = mc 2 . Из нее следует возможность преобразования массы в энергию и энергии в массу. И такие реакции на внутриатомном уровне вещества реально имеют место. В частности, часть массы атомного ядра может превращаться в энергию, и происходит это двумя путями. Во-первых, крупное ядро может распасться на несколько мелких — такой процесс называется реакцией распада. Во-вторых, несколько более мелких ядер могут объединиться в одно более крупное — это так называемая реакция синтеза. Реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко — достаточно упомянуть, что именно из них черпают энергию звезды. Ядерный распад сегодня служит одним из основных источников энергии для человечества — он используется на атомных электростанциях. И при реакции распада, и при реакции синтеза совокупная масса продуктов реакции меньше совокупной массы реагентов. Эта-то разница в массе и преобразуется в энергию по формуле E = mc 2 .

Распад

В природе уран встречается в форме нескольких изотопов, один из которых — уран-235 ( 235 U) — самопроизвольно распадается с выделением энергии. В частности, при попадании достаточно быстрого нейтрона в ядро атома 235 U последнее распадается на два крупных куска и ряд мелких частиц, включая, обычно, два или три нейтрона. Однако сложив массы крупных фрагментов и элементарных частиц, мы недосчитаемся определенной массы по сравнению с массой исходного ядра до его распада под воздействием удара нейтрона. Эта-то недостающая масса и выделяется в виде энергии, распределенной среди получившихся продуктов распада — прежде всего, кинетической энергии (энергии движения). Стремительно движущиеся частицы разлетаются от места распада и сталкиваются с другими частицами вещества, разогревая их.

Они представляют собой стремительно разлетающиеся от места распада частицы, при этом далеко они не улетают, врезаясь в соседние атомы вещества и разогревая их. Таким образом, энергия, порождаемая ядерным распадом, преобразуется в теплоту окружающего вещества.

В уране, добываемом из природной урановой руды, изотопа урана-235 содержится всего 0,7% от общей массы урана — остальные 99,3% приходятся на долю относительно устойчивого (слабо радиоактивного) изотопа 238 U, который просто поглощает свободные нейтроны, не распадаясь под их воздействием. Поэтому для использования урана в качестве топлива в ядерных реакторах его нужно предварительно обогатить — то есть довести содержание радиоактивного изотопа 235 U до уровня не менее 5%.

После этого уран-235 в составе обогащенного природного урана в атомном реакторе распадается под воздействием бомбардировки нейтронами. В результате из одного ядра 235 U выделяется в среднем 2,5 новых нейтрона, каждый из которых вызывает распад еще 2,5 ядер, и запускается так называемая цепная реакция. Условием для продолжения незатухающей реакции распада урана-235 является превышение числа выделяемых распадающимися ядрами нейтронов числа нейтронов, покидающих урановый конгломерат; в этом случае реакция продолжается с выделением энергии.

В атомной бомбе реакция носит умышленно неконтролируемый характер, в результате чего за доли секунды распадается огромное число ядер 235 U и выделяется колоссальная по своей разрушительности взрывная энергия. В атомных реакторах, используемых в энергетике, реакцию распада необходимо строго контролировать с целью дозирования выделяемой энергии. Хорошим поглотителем нейтронов является кадмий — его-то обычно и используют для управления интенсивностью распада в реакторах АЭС. Кадмиевые стержни погружают в активную зону реактора до уровня, необходимого для снижения скорости выделения свободной энергии до технологически разумных пределов, а в случае падения энерговыделения ниже необходимого уровня частично выводят стержни из активной зоны реакции, после чего реакция распада интенсифицируется до необходимого уровня. Выделившаяся тепловая энергия затем в обычном порядке (посредством турбогенераторов) преобразуется в электрическую.

Синтез

Термоядерный синтез — реакция прямо противоположная реакции распада по своей сути: более мелкие ядра объединяются в более крупные. Самая распространенная во Вселенной реакция вообще — это реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода: она непрерывно протекает в недрах практически всех видимых звезд. В чистом виде она выглядит так: четыре ядра водорода (протона) образуют атом гелия (2 протона + 2 нейтрона) с выделением ряда других частиц. Как и в случае реакции распада атомного ядра совокупная масса образовавшихся частиц оказывается меньше массы исходного продукта (водорода) — она и выделяется в виде кинетической энергии частиц-продуктов реакции, за счет чего звезды и разогреваются.

В недрах звезд реакция термоядерного синтеза происходит не единовременно (когда сталкиваются 4 протона), а в три этапа. Сначала из двух протонов образуется ядро дейтерия (один протон и один нейтрон). Затем, после попадания в ядро дейтерия еще одного протона, образуется гелий-3 (два протона и один нейтрон) плюс другие частицы. И наконец, два ядра гелия-3 сталкиваются, образуя гелий-4, два протона, а также другие частицы. Однако по совокупности эта трехэтапная реакция дает чистый эффект образования из четырех протонов ядра гелия-4 с выделением энергии, уносимой быстрыми частицами, прежде всего фотонами (см. Эволюция звезд).

Естественная реакция термоядерного синтеза происходит в звездах; искусственная — в водородной бомбе. Увы, человек до сих пор не сумел найти средств для того, чтобы направить термоядерный синтез в управляемое русло и научиться получать за счет него энергию для использования в мирных целях. Однако ученые не теряют надежды на достижение положительных результатов в области получения «мирной и дешевой» термоядерной энергии уже в обозримом будущем — для этого главное научиться удерживать высокотемпературную плазму либо посредством лазерных лучей, либо посредством сверхмощных тороидальных электромагнитных полей (см. Критерий Лоусона).

Как научиться синтезировать вещества

— Как давно вы занимаетесь изучением гормонов настроения? Почему вас заинтересовала именно эта тема?

— Я изучала психологию всю жизнь, потому что хотела лучше понимать своих близких. Но этих знаний оказалось недостаточно, чтобы объяснить низкую мотивацию моих студентов и моих собственных детей. Выяснилось, что других профессоров, преподающих социальные науки, беспокоит та же проблема. Поэтому мне захотелось еще больше углубиться в тему и понять, как работает наша психика на самом базовом уровне.

— Какие удивительные открытия вы сделали за годы исследований?

— Гормоны счастья, которые продуцирует наш мозг, мы унаследовали от предков-млекопитающих. Эти химические вещества не могут вырабатываться постоянно и без особой необходимости. Вы получаете их в качестве вознаграждения, когда совершаете действия, способствующие выживанию.

— Какую роль играют гормоны в нашем настроении? Насколько мы от них зависим?

— Гормоны счастья вырабатываются, когда вы идете навстречу своим потребностям. Гормоны стресса предупреждают вас об угрозах, которые могут помешать вам удовлетворить потребности.

Эти химические вещества влияют на наше настроение и поведение вне зависимости от того, осознаем мы это или нет. Мы стремимся испытывать хорошие эмоции и стараемся избавиться от плохих. Но распад и синтез гормонов — быстрый и безостановочный процесс, поэтому нам постоянно нужно предпринимать какие-то действия.

Кора головного мозга, отвечающая за речь, абстрактное и логическое мышление, не продуцирует гормоны счастья. Чтобы стимулировать их синтез, нам надо научиться «сотрудничать» с лимбической системой, которую мы унаследовали от наших предков.

Дофамин создает у нас чувство приятного возбуждения, когда мы ожидаем награду. Именно этот гормон мотивирует животных искать пищу.

Серотонин приносит чувство удовлетворения, когда мы получаем признание и уважение окружающих. Животным важно ощущать свою социальную значимость, потому что это повышает их шансы на передачу генов.

Окситоцин доставляет радость, когда мы выстраиваем доверительные отношения с другими людьми. Животные объединяются в стада, потому что это защищает их от хищников, а окситоцин превращает такое социальное взаимодействие в удовольствие.

Эндорфин вызывает чувство эйфории, которое смягчает физическую боль. Это дает раненому животному возможность убежать и спастись.

— Как вырабатываются эти гормоны?

— В этом механизме задействованы нейронные пути, которые ранее сформировались в вашем мозге под влиянием индивидуального опыта. Мы рождаемся с миллиардами нейронов, но при этом — с совсем небольшим количеством связей между ними. Химические вещества позволяют выстроить и укрепить новые связи. Именно поэтому мы предвкушаем удовольствие от того, что доставляло нам радость раньше, и опасаемся вещей, которые ранили нас в прошлом.

— Что снижает уровень гормонов счастья?

— Когда животное видит пищу, дофамин вступает в игру и побуждает к действию. Как только пища добыта, он перестает вырабатываться. Чтобы опять вызвать прилив гормонов счастья, нужно снова удовлетворить какую-нибудь потребность. Синтез химических веществ не происходит просто так, без причины. То, на что способна современная медицина, — это просто обман нашего мозга.

— Можно ли стать счастливым «усилием воли»?

— Вы можете стать счастливым, совершая шаги навстречу своим потребностям. Вы можете заменять разрушительные паттерны мышления и поведения здоровыми привычками. Если вы будете делать это опять и опять, то сформируете новые нейронные пути в своем мозге, который начнет предвкушать награду и охотнее вырабатывать нужные гормоны.

— Можно ли заново влюбляться в одного человека? Как повторить эйфорию первых дней?

— Романтическая любовь не длится долго, потому что дофамин перестает вырабатываться в тот момент, когда награда получена. Но вы можете стимулировать синтез окситоцина, выстраивая доверительные отношения. Гордость (за себя и партнера) будет вызывать приливы серотонина. И у вас еще остается дофаминовый нейронный путь, который сформировался во время ухаживания; поэтому мозг будет предвкушать награду, хотя большого гормонального всплеска ждать не стоит, так как потребность уже удовлетворена.

— В последние годы люди стали более счастливыми или более несчастными? Почему?

— Цель нашего мозга — помочь нам выжить, а не сделать нас счастливыми. Поэтому, когда наши потребности удовлетворены, мозг продолжает выискивать угрозы. И так будет продолжаться до бесконечности, если только мы осознанно не проложим нейронные пути, позволяющие нам чувствовать себя в безопасности.

— Как проложить эти пути?

— Фокусируйтесь на том, чего вы хотите, а не на том, чего вы не хотите. Тогда вы будете выстраивать нейронные пути вознаграждения вместо нейронных путей стресса. Конечно, всегда существует риск испытать разочарование, когда вы концентрируетесь на какой-то цели, но для создания «счастливых» нейронных связей достаточно предпринимать маленькие шаги, чтобы к ней приблизиться.

Каждому животному доводилось испытывать разочарования на пути к удовлетворению потребностей, поэтому мы унаследовали мозг, способный справиться с этими разочарованиями.

— Вам самой удается следовать этим советам? Как вы справляетесь со сложностями?

— Я счастлива, потому что спокойно отношусь к своим взлетам и падениям. Если я чем-то расстроена, то не превращаю это в трагедию. Моя первая реакция на ощущение подавленности — отдохнуть и отвлечься на что-то хорошее, например посмотреть комедию. Если это не помогает, я понимаю, что нужно создать новую нейронную связь. И тогда я пытаюсь распознать мыслительно-поведенческую схему, вызвавшую плохое настроение. Потом заменяю ее другой схемой, которая будет стимулировать выработку гормонов счастья. Я повторяю новый паттерн каждый день, пока не доведу его до автоматизма.

Больше о том, как управлять своим настроением, читайте в книгах Лоретты Бройнинг «Гормоны счастья» и «Управляй гормонами счастья».

Опережая время. Как синтез искусственного гена повлиял на развитие генетики

Возможность генетической модификации живого организма всегда интересовала учёное сообщество. Примером результата подобного любопытства можно считать генно-модицифицированные объекты (ГМО) — организмы с искусственно изменённым генотипом.

Одним из учёных, исследования которого изменили генетику, считается Хар Гобинд Корана — лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине. Ему удалось синтезировать искусственный ген и даже доказать, что он функционирует в бактерии. Американский генетик индийского происхождения синтезировал участок молекулы ДНК пекарских дрожжей. Он состоял их 77 пар нуклеотидов*, последовательность которых к тому моменту была уже известна.

«Бывают вещи, открытия и технологии, которые опережают своё время. Потому что для того, чтобы синтезировать ген, надо знать структуру. А к тому времени структура очень небольшого количества генов была известна полностью», — объяснил профессор кафедры медицинской генетики Московского государственного медико-стоматологического университета, доктор медицинских наук, Владимир Тактаров.

По словам доктора медицинских наук, сейчас синтезировать ген не составляет труда. Команде Корана пришлось сначала синтезировать мелкие фрагменты ДНК, содержащие от 4 до 13 нуклеотидных пар, а затем скреплять их в соответствующем порядке с помощью ферментов лигазы**. Сейчас этот процесс значительно упростило наличие компьютеров, где записана нуклеотидная последовательность гена.

«Есть так называемые кирпичики кода ДНК, а есть ферменты, которые выстраивают их в цепочку в соответствии с имеющейся матрицей», — объяснил специалист.

«Кирпичиками» кода ДНК доктор медицинских наук, по его словам, называет азотистые основания, или нуклеотиды: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т).

«Они всегда образуют триплеты кода. Например, АТТ кодирует аминокислоту лизин, из цепочки аминокислот и состоят белки. Один триплет — одна аминокислота. При этом в двухцепочечной молекуле ДНК нуклеотиды всегда образуют пары — А-Т и Г-Ц», — объяснил профессор.

В 1970 году своим открытием Корана доказал, что с помощью искусственных генов можно создать ГМО, к которым уже привык современный человек. Впрочем, несмотря на то, что исследования американского учёного были поистине революционным открытием, использовать его в широком производстве в то время было невозможно.

«Возможность создания ГМО была продемонстрирована тогда, когда была продемонстрирована возможность работы искусственно синтезированного гена. Открытие Хар Гобинд Корана можно сравнить с запуском спутника. Это был настоящий технологический прорыв, но до спутникового телевидения на тот момент было далеко», — отметил генетик.

По словам эксперта, сейчас гораздо проще модифицировать ген, а не создавать его заново.

«Практическое применение сейчас имеет выработка лекарственных препаратов, человеческих гормонов и ферментов на других объектах. Например, есть инсулин человеческий, а есть свиной. В последнем можно два – три кирпичика поменять, и будет синтезироваться человеческий инсулин. Поэтому зачем делать искусственное, когда ген можно просто модифицировать», — отметил генетик.

Впрочем, как объяснил Тактаров, чтобы синтезировать ген, его «надо встроить, так как сам он в пробирке не экспрессируется»***. Однако учёный уверен, что эксперименты по встраиванию искусственного гена в животных и даже людей проводят все развитые страны.

«Подобные разработки ведутся, однако они засекречены. Я уверен, что результаты этих исследований используются в спорте. Это у нас вкалывают стероиды, а у американцев и китайцев это на другом уровне работает. Встраивают, например, ген, который синтезирует более «быстрый» гемоглобин либо белок мышц. А то, что спортсмен после того, как получит медаль, может умереть, никого не волнует», — поделился своим мнением доктор медицинских наук.

По словам эксперта, Россия пока отстаёт от развитых стран в этом вопросе, и «разрыв этот увеличивается, а не сокращается». В частности, из-за того, что инвесторы не хотят вкладывать деньги в долгосрочные проекты, которые при этом не гарантируют получения прибыли.

*Нуклеотид — это химическое соединение остатков трёх веществ: азотистого основания, углевода (моносахарида — дезоксирибозы) и фосфорной кислоты.
**Лигаза — фермент, который катализирует соединение двух молекул с образованием новой химической связи.
*** Экспрессия гена — его работа или активация.

Химический аромат

В Международный год химии мы продолжаем публиковать серию статей флейвориста, руководителя отдела разработок пищевых добавок Сергея Белкова (flavorchemist.livejournal.com).

Мы привыкли считать, что химические пищевые ароматизаторы, присутствующие практически в каждом магазинном продукте, — это изобретение последних десятилетий. Это не совсем так.

Некоторые считают, что «химический» — это антоним слова «натуральный». Всё вокруг нас: воздух, вода, натуральная пища и даже мы сами — является химическим. Состоит из молекул, которые в результате химических взаимодействий могут превращаться в другие молекулы.

Многие твердо убеждены, что «химический» — это нечто вредное, полученное в лаборатории, в противовес «натуральному», полученному в природе, и поэтому обладает другими свойствами. Но свойства вещества зависят исключительно от набора и порядка расположения атомов в составе молекулы, а не от способа их получения, это один из фундаментальных законов природы. Синтез конкретных веществ в клетках живых организмов по сути своей мало отличается от промышленных методов синтеза. Разница очень часто только в аппаратурном и инженерном оформлении процесса.

Химические ароматизаторы как смесь душистых веществ, придающих аромат пище, были всегда. Они были до человека, будут и после. Синтезировать ароматизаторы, целенаправленно придавать продуктам новые, до этого не известные человеку вкусы мы научились не сразу.

Это произошло задолго до появления первых цивилизаций. С приручением огня наши предки впервые синтезировали первый в истории искусственный ароматизатор. Оказалось, что пища, приготовленная на огне, не только дольше хранится и быстрее переваривается, она еще и вкуснее. Неважно, что химическую природу появления новых вкусов мы начали познавать только сейчас. Реакциями, происходящими в процессе нагревания пищи, человечество пользовалось всегда.

От традиций к технологии

С самого своего появления кулинария как явление (свойственное абсолютно всем культурам) играла значительную роль в жизни людей. Кулинары давнего и не очень прошлого всегда ценились в обществе. Личные повара королей и вождей революции порой определяли судьбы страны, и всё из-за их владения искусством готовить вкусную пищу.

На самом деле, конечно, всё имеет под собой научную основу. Любой повар, готовя суп, добавляя в определенной пропорции и подвергая определенным режимам термообработки пищевые продукты, по сути своей лишь не очень умелый химик (это не мешает ему быть умелым поваром), проводящий в весьма примитивных условиях кухни простейшие реакции. Те вещества, которые пытаются получить всемирно известные шефы путем смешивания пищевых ингредиентов, любой химик-синтетик получит гораздо более эффективными методами и с гораздо большими выходами в лаборатории.

Задача получения аромата любого блюда, таким образом, сводится к банальному: определить, какие вещества влияют на аромат, синтезировать их в лаборатории и смешать их вместе. Эта задача, действительно, достаточно легко решается для получения природных ароматов, таких как «яблоко», или «молоко», но с продуктами термообработки всё гораздо сложнее. К примеру, аромат кофе содержит в своем составе более тысячи душистых веществ, и воспроизводство такого состава становится попросту слишком сложным и нерентабельным.

100 лет назад Луи Майяр обнаружил, что если смешать аминокислоты с сахарами и нагреть, то образуется смесь веществ темного цвета. Впрочем, ни современники, ни он сам не оценили значимость этого открытия. Механизм реакции, до сих пор не претерпевший серьезных изменений, впервые был предложен Джоном Ходжем в 1953 г. Фактически реакции, ныне известной как реакция Майяра, следовало дать имя Ходжа.

Сегодня ясно, что наблюдавшиеся Майяром эффекты лежат в основе огромного количества явлений, одно из которых мы получили в подарок от неизвестного первооткрывателя огня и можем наблюдать каждый день на нашей кухне — приготовление вкусной, ароматной пищи. Реакция Майяра — это целый набор огромного количества взаимосвязанных химических превращений. Продукты этих реакций вступают во взаимодействие между собой и с исходными веществами, и как следствие образуется неисчислимое количество веществ разной природы. Смесь этих веществ и лежит в основе вкуса и аромата так любимых нами кофе, шоколада, мяса, хлеба и многого другого.

Рис. В. Богорада

Как можно объяснить, что сырое мясо пахнет по-своему, жареное и вареное пахнут по-своему и совсем по-другому? Если говорить простым, школьным языком химии, то механизм появления аромата можно описать следующим образом:

1. В сыром мясе существуют некоторые вещества, которые при нагревании могут реагировать друг с другом.

2. Возможных механизмов взаимодействия много, скорость накопления разных возможных продуктов зависит от условий приготовления мяса, таких, как температура, кислотность, время процесса.

3. Конечный вкус и аромат продукта определяются соотношением накопленных продуктов реакции Майяра.

Технически, имея достаточный интерес, становится возможным смоделировать процесс в лаборатории. Всё, что для этого нужно, — это определить, какие же вещества в каких реакциях принимают участие, уточнить механизмы и кинетику реакций. Примерно так всё и происходит. Пусть пока еще не существует подробной модели реакции Майара (уж очень сложна), но ее основные механизмы установлены и давно используются в пищевой промышленности.

Современные реакционные ароматизаторы

Характерно, что первое внедрение реакции Майяра в промышленность, можно даже сказать синтез первого промышленного реакционного ароматизатора, было осуществлено, когда Майяру было всего 7 лет и он не помышлял ни о каких исследованиях. В 1885 г. на рынке появились продукты, разработанные Джулиусом Магги. Имя этого предпринимателя мы до сих пор можем видеть на полках магазинов, в названиях продуктов быстрого приготовления и бульонных кубиках. Да, торговая марка «Магги» не несет в себе ничего магического, это фамилия человека, совершившего маленькую революции в пищевой промышленности.

Производство современного технологического, или, другими словами, реакционного ароматизатора, в промышленности происходит примерно так же, как на кухне модного повара.

В реактор (на кухне — кастрюлю) загружают необходимые компоненты: воду, аминокислоты, сахара, растительные и животные белки и белковые гидролизаты, жиры, витамины, некоторые другие компоненты (на кухне — продукты питания, содержащие эти вещества). Реактор нагревается в течение четко определенного количества времени. На выходе мы имеем готовый ароматизатор. Высушив его тем или иным способом, мы можем использовать его для придания аромата чипсам, лапше быстрого приготовления, бульонным кубикам и многому другому. В составе этого ароматизатора будет точно такой же набор веществ, который содержится в натуральном продукте. Всё, что мы сделали — заменили примитивный кухонный реактор — кастрюлю на профессиональный промышленный. Точно так же, как в свое время сковородки и горшочки для запекания вытеснили вертел, на котором жарили на костре мясо наши давние предки.

Фактически мы моделируем давно существующий привычный традиционный процесс. Просто наша технология дешевле, эффективнее, экологически чище и лучше. Почему?

— Невозможно приготовить 2 раза два абсолютно одинаковых блюда, потому что малейшие изменения в химическом составе продуктов (вы никогда не найдете двух одинаковых кусков мяса) и условий их кулинарной обработки приведут к изменению набора продуктов реакции Майяра, а значит, и вкуса продукта. В случае ароматизатора эта проблема легко решается установлением жестких технологических режимов и требований к сырью.

— Для ароматизации тонны, например, лапши вкусом вареной курицы нам нужно 100-200 кг этой самой курицы, или всего 1 кг ароматизатора. В первом случае кроме нестабильного качества мы получаем проблемы со сроками хранения из-за микробиологической порчи. В случае с ароматизаторами у нас таких проблем нет.

— Не применяя в качестве сырья продукты животного происхождения, можно делать продукты со вкусом мяса для вегетарианцев. Или узнать, каков на вкус жареный кенгуру, не убивая животное. А если грамотно подобрать ингредиенты, то можно сделать и неотличимую нашими органами чувств от обычной колбасу.

Это не обман наших чувств, придуманный хитрыми и ушлыми коммерсантами. Это серьезная технология, позволяющая значительно расширить наши вкусовые ощущения, в основе которой лежит труд большого количества людей.

Идентичные натуральным

Я, впрочем, немного покривил душой, описывая идентичность химического состава аромата натуральной жареной курицы и реакционного ароматизатора. В процессе нагревания смеси веществ, присутствующих в курице или в нашем ароматизаторе, образуются не только душистые вещества.

И не только безобидные.

Многие из нас слышали про вещество с названием акриламид, обладающее канцерогенными и токсичными свойствами. Многие знают, что он образуется в продуктах питания при нагревании до высоких температур, например при жарке во фритюре. Часто считают, что образуется он при нагревании жира или крахмала, хотя это совсем не так. Акриламид образуется в ходе реакции Майяра из присутствующей практически в любом белке аминокислоты аспарагиновой. Именно поэтому, на каком бы масле вы ни жарили мясо или картошку, свою порцию акриламида организм обязательно получит. В производстве реакционных ароматизаторов избегают использования аспарагиновой кислоты, а, значит, акриламид вы в них не обнаружите.

Не только акриламидом богаты привычные нам «натуральные» продукты. В процессе нагревания креатин и креатинин (которые естественным образом содержатся в мясных продуктах) превращаются в вещества, носящие аббревиатуры 4,8-DiMeIOx и PhIP, по строению являющиеся гетероциклическими соединениями, а по биологическим свойствам — сильными мутагенами. Избежать их образования при термообработке мяса, увы, невозможно. Стоит ли говорить, что в реакционных ароматизаторах таких веществ не образуется, потому что ни креатин, ни креатинин в качестве сырья не используются.

Заключение

Современная пищевая промышленность — давно уже не эксперименты на огне или в кастрюльке. Это производство массового продукта, со строгими требованиями, которые мы далеко не всегда соблюдаем на кухне. С точки зрения безопасности, современные пищевые ароматизаторы с легкостью проходят такие тесты на безопасность, которые никогда не прошли бы ни жареная картошка, ни копченая грудинка, ни квашеная капуста.

Сегодня наука и технология дают нам в руки удивительные возможности по созданию новых безопасных, доступных продуктов, возможности, которых у человечества никогда не было. Стоит ли бояться этой технологии только потому, что нам об ее вреде рассказали далекие от нее и недалекие сами по себе непонятные люди из телевизора? Не лучше ли подумать самим, постараться разобраться и сделать свои собственные выводы?

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Обращение к посетителям