Никто из присутствующих не аплодировал. Пристли заявил, что Лавуазье присвоил его открытие, и споры о том, кого считать истинным первооткрывателем кислорода, продолжаются до сих пор. Очевидно, что Шееле первым выделил и собрал кислород, а после него независимым образом это сделал Пристли. Очевидно также, что Лавуазье никогда не упоминал о кислороде до беседы с Пристли. Некоторые историки на этом ставят точку, и Лавуазье остается не у дел. Однако ни Шееле, ни Пристли не поняли, что именно они нашли. Представьте охотника за окаменелостями, который выкопал череп и заявил, что обнаружил примата какого-то древнего вида. А потом этот череп увидел палеонтолог, который понял, что эта находка гораздо интереснее — что это вымерший вид человека, целая неизвестная ветвь филогенетического дерева. Да, первый нашел череп, но только второй понял его значение. Именно в таком положении находится Лавуазье по отношению к Шееле и Пристли.
Вообще говоря, споры о том, кого правильно считать первооткрывателем кислорода, не имеют смысла. Лавуазье интересовал не столько кислород сам по себе, сколько возможность объяснить суть химических превращений в целом. Например, некоторые химики до него предполагали, что между горением и дыханием есть некая связь, но только Лавуазье понял, что оба процесса происходят с участием кислорода. Историки иногда обвиняют Лавуазье в том, что он копировал работы других ученых, однако они не учитывают тот факт, что он практически всегда шел дальше. Как когда-то Генри Кавендиш, Лавуазье поджег смесь кислорода и водорода и получил воду. Как Кавендиш, он сравнил массу двух газов до реакции с массой образовавшейся воды и понял, что они равны (для этой цели Лавуазье сконструировал поразительно чувствительные весы, точность которых достигала 0,0005 г). Но в отличие от Кавендиша, Лавуазье увидел в этом эксперименте нечто большее: он рассудил, что аналогичное равенство должно существовать в любой химической реакции — масса продуктов всегда равна массе исходных веществ. И отсюда он вывел общий химический закон — закон сохранения массы. Этот закон гласит, что в любой химической реакции, даже при изменении цвета или фазового состояния веществ, их масса должна, должна, должна оставаться постоянной. Вещество не исчезает бесследно.
По мнению некоторых историков, установить этот закон Лавуазье помогла его работа в качестве сборщика налогов. Формулировка закона сохранения массы потребовала взвешивания множества реагирующих веществ и продуктов реакции и составления «химического баланса» — химического дебета и кредита.
В химии, как и в торговле, атомы (или доллары) не могут появляться ниоткуда и бесследно исчезать. Так что если у вас остались жуткие школьные воспоминания об уравнивании химических реакций, в этом вам следует винить экономику.
Но на этом вклад Лавуазье в развитие химии вовсе не заканчивается. Он первым объяснил, что одно и то же вещество, скажем, вода, в зависимости от температуры может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Он также предположил, что все вещества делятся на простые, которые состоят из одинаковых атомов (таких как кислород, углерод или железо), и сложные, которые состоят из атомов нескольких элементов. Возможно, это самая важная идея в химии. Как заметил один химик в XIX в., «Лавуазье не открыл ни нового вещества, ни нового свойства, ни нового явления. Его бессмертная слава объясняется тем, что он вдохнул в тело науки новый дух».
Этот «новый дух» Лавуазье отразил в «Элементарном курсе химии» (Traité Élémentaire de Chimie) — химическом аналоге таких основополагающих научных трудов, как «Математические начала натуральной философии» и «Происхождение видов». Так случилось, что книга Лавуазье была издана в 1789 г., когда во Франции разразилась революция, и историки не преминули заметить, что произведенная Лавуазье революция в химии всколыхнула мир не в меньшей степени. К сожалению, сам Лавуазье прожил недостаточно долго, чтобы увидеть плоды обеих революций.
Ученые прекрасно понимают, что бо́льшая часть кислорода в воздухе образуется благодаря фотосинтетической активности растений и бактерий. Гораздо менее понятно, как организмы впервые начали синтезировать кислород и как за счет этого насыщенная азотом атмосфера прошлого сменилась пригодной для жизни современной атмосферой.
Первые живые организмы, вероятно, возникли вблизи подводных вулканов, а их метаболизм был связан с превращениями соединений серы. Такие микроорганизмы называют анаэробными бактериями*, и их аналоги существуют до сих пор (например, именно они являются причиной неприятного запаха изо рта). Однако около 3 млрд лет назад одна группа анаэробных бактерий превратилась в цианобактерии, которые существуют не за счет тепловой энергии подводных вулканов, а за счет энергии солнечного света. Цианобактерии, называемые также сине-зелеными водорослями, были не первыми организмами, которые смогли превращать солнечный свет в энергию химических связей (этот процесс называют фотосинтезом). Скорее всего, одновременно с ними существовало еще несколько видов микробных клеток разного цвета, поглощающих и использующих свет с разной длиной волны. Представляю себе береговую полосу, напоминающую полотна Ротко, с перемежающимися зонами роста пурпурных, зеленых и красных микроорганизмов. Цианобактерии отличаются от других бактерий не тем, что умеют использовать солнечный свет, а тем, что с его помощью отнимают электроны у молекул воды. Как мы поняли, именно передача электронов является движущей силой химической реакции. Цианобактерии не зависят от наличия таких сравнительно редких доноров электронов, как соединения серы, а могут использовать электроны из воды, которая имеется в изобилии, и за счет этого очень быстро размножаются.[20]
Превращение солнечного света в химическую энергию начинается в зеленой молекуле хлорофилла, которая выступает в роли биологической антенны и поглощает свет. Дальнейшие процессы достаточно сложны, но суть их сводится к тому, что с помощью солнечного света цианобактерии расщепляют одни молекулы и синтезируют другие, в которых запасают энергию для последующего использования. Например, цианобактерии могут расщеплять воду до H2 и O2, а затем соединять их с CO2 и другими молекулами с образованием таких сахаров, как глюкоза.
Но в суммарном процессе есть одна деталь, на которую непременно обратил бы внимание Антуан Лавуазье, придававший столь большое значение химическим уравнениям. Для производства одной молекулы глюкозы необходимо шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6. Однако, как можно заметить, в молекуле сахара (C6H12O6) всего шесть атомов кислорода, тогда как в начале их было 18. В соответствии с законом сохранения массы атомы не могут ни уничтожаться, ни возникать из ничего, следовательно, в результате реакции в качестве побочного продукта должен выделяться свободный кислород (O2). И действительно, по мере того как на Земле стали появляться и множиться цианобактерии, в атмосфере впервые начал накапливаться кислород.
Сегодня нам кажется очевидным, что кислород — основа жизни, однако для первых живых организмов он был ядом.
Дело в том, что при взаимодействии молекулы кислорода с ультрафиолетовым излучением образуются свободные радикалы, которые нападают на молекулы ДНК и белков и разрушают их. Кроме того, при наличии свободного кислорода нарушается активность многих азотфиксирующих бактерий, поскольку кислород вытягивает атомы железа из активного центра нитрогеназы. Так что в те давние времена кислород принес с собой не жизнь, а смерть.
К счастью для первых хрупких микроорганизмов, поначалу кислород накапливался медленно, поскольку реагировал практически со всеми веществами в воде и в воздухе (за исключением газообразного азота). В частности, в океанах кислород реагировал с растворенным железом, образуя частицы ржавчины. Постепенно эти частицы осаждались на дно и за многие тысячелетия образовали так называемые полосатые железные пласты — красноватые слои отложений, до сих пор сохранившиеся во многих горах, когда-то находившихся на дне океана. Благодаря микробам, в этих отложениях по-прежнему хранится 90 % мировых запасов железа.
