Долгий путь к пониманию воздуха

До XVIII века воздух рассматривался как единая, неделимая субстанция, необходимая для жизни. Древнегреческие философы, такие как Эмпедокл и Аристотель, включили воздух в число четырёх фундаментальных элементов. Эта точка зрения сохранялась почти две тысячи лет, причём учёные рассматривали атмосферу как простой носитель жизненной силы, которая поддерживала и пламя, и живые существа. Истинная природа воздуха начала проявляться только тогда, когда естественные философы начали измерять её свойства и изолировать её компоненты.

Ян Баптист ван Гельмонт, фламандский врач и алхимик 17-го века, был одним из первых, кто различал различные виды воздухоподобных веществ, которые он назвал «газами», полученными из «хаоса». Он заметил, что сжигание угля и брожение вина производят тяжелую, невидимую субстанцию, которая может погасить пламя. Роберт Бойл и его современники далее продемонстрировали, что воздух не является пассивной сущностью; они показали, что он необходим для горения и для жизни животных, но им не хватало концептуальной основы, чтобы разбить воздух на отдельные компоненты. Концепция элементарных газов была еще десятилетиями.

Теория Флогистона и головоломка горения

Доминирующей химической теорией 17 и 18 веков был флогистон, разработанный немецкими химиками Иоганном Иоахимом Бехером и Георгом Эрнстом Шталь. Согласно этой теории, все горючие материалы содержали универсальный «принцип огня» — флогистон — который выделялся при горении. Свеча теряла свой флогистон в окружающем воздухе, оставляя после себя меньшее количество пепла. Когда воздух насыщался флогистоном, горение прекращалось. Дыхание объяснялось аналогичными терминами: живые тела выдыхали флогистон, очищая воздух и сохраняя его живым.

К середине 1700-х годов модель флогистона была под напряжением. Экспериментаторы заметили, что некоторые металлы набирали вес при нагревании в воздухе, что противоречило идее потери невесомого флогистона. Воздух, оставшийся после горения, уже не мог поддерживать пламя или жизнь, но никто еще не определил, что из него извлекают. Настала очередь для серии блестящих, почти одновременных открытий, которые опрокинули бы все здание химии 18 века.

Открытие кислорода: три ученых, один элемент

Джозеф Пристли и Dephlogisticated Air

1 августа 1774 года английский священник и ученый-любитель Джозеф Пристли использовал большую горящую линзу для фокусировки солнечного света на образце оксида ртути (красный кальций ртути) внутри закрытого стеклянного сосуда. Он заметил, что вещество быстро разлагается, выделяя газ, который он собрал над водой. Этот газ поразил его: свеча горела в нем с удивительно энергичным пламенем, а мышь, помещенная в закрытый контейнер газа, выжила намного дольше, чем в обычном воздухе. В своих последующих работах Пристли лихо вдыхал газ сам и чувствовал «легкое и легкое ощущение» в груди. Он назвал новое вещество «дефлогистичным воздухом», полагая, что это обычный атмосферный воздух, лишенный своего флогистона, следовательно, его способность поглощать больше флогистона из горящих материалов и живых существ.

Пристли был набожным последователем теории флогистона и никогда полностью не отказывался от нее, даже когда его собственное открытие помогло ее демонтировать.Тем не менее, его эксперименты с дефлогистичным воздухом предоставили первое четкое описание того, что мы теперь называем кислородом, и продемонстрировали его роль в поддержании жизни и пламени.

Огненный воздух Карла Вильгельма Шееле

Неизвестный Пристли, шведский аптекарь и химик Карл Вильгельм Шееле уже производил кислород по крайней мере двумя годами ранее, около 1772 г. Шееле нагревал различные вещества — сольтпетр (нитрат калия), нитрат магния и другие — и собирал газ, который он назвал «огненным воздухом», потому что он так энергично поддерживал горение. Он заметил, что атмосфера состояла из огненного воздуха и второго, нереактивного компонента, который он назвал «нечистым воздухом» (теперь известный как азот).

Однако Шеле отложил публикацию своей работы. Его книга Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer Химический трактат о воздухе и огне появилась в печати только в 1777 году, к тому времени внимание химического мира было захвачено кем-то другим. Вклад Шеле теперь признан независимым и новаторским, даже если его отстающая публикация приглушила его непосредственное влияние.

Антуан Лавуазье и химическая революция

Французский налоговый администратор и химик-виртуоз Антуан Лавуазье услышал о выводах Пристли во время визита в Париж в октябре 1774 г. Он сразу же уловил более глубокие последствия. Лавуазье повторил эксперименты Пристли с тщательным гравиметрическим контролем, взвешивая все реагенты и продукты в герметичных сосудах. Он продемонстрировал, что при сжигании фосфора или ртути в ограниченном количестве воздуха вес оставшегося твердого вещества и поглощенной части воздуха точно соответствовал весу, потерянному из воздуха. Процессом была не потеря флогистона, а комбинация горящего материала с определенной долей атмосферы.

К 1777 году Лавуазье твердо определил эту фракцию как отдельный химический элемент, который он назвал oxygène, от греческих корней, означающих «кислотный-бывший». Он считал — правильно, для многих случаев — что кислород был принципом всех кислот, понятие, позже пересмотренное, но сильно объединяющее в то время.В его Traité Élémentaire de Chimie (1789), Лавуазье представил новую кислород-центрированную теорию горения, кальцинирования и дыхания, которая сметала модель флогистона и открыла современную химию.

От горения к дыханию: двойное видение Лавуазье

Лавуазье не остановился на горении. Он сразу же распространил ту же логику на функционирование тела животных. С математиком Пьером-Симоном Лапласом он построил в 1780-х годах калориметр с ледяной стенкой, который позволил им измерить тепло, выделяемое морской свинкой, и сравнить его непосредственно с теплом, выделяемым при сжигании известного количества углерода. Они показали, что дыхание было, по сути, медленным, контролируемым сжиганием углерода и водорода, осуществляемым в легких, с вдыхаемым кислородом и преобразованным в выдыхаемый углекислый газ и водяной пар. По их словам, «дыхание — это горение, действительно медленное, но в остальном совершенно похожее на сгорание древесного угля».

Это открытие коренным образом переориентировало физиологию. Жизнь теперь можно было изучать как химический процесс, а не как таинственную жизненную силу. Легкие больше не рассматривались просто как охлаждающие органы или сильфоны, а как основное место, где кровь поглощала кислород из воздуха и высвобождала продукты метаболического горения. Работа Лавуазье создала основу для понимания энергетического метаболизма — научной нити, которая в конечном итоге приведет к калорийности, базальной скорости метаболизма и современной науке о питании.

Кислородный транспорт и новая физиология дыхания

Как только роль кислорода стала очевидной, возникли новые вопросы. Как организм перенес этот важный газ из легких в самые глубокие ткани? В начале 19-го века физиологи впервые заподозрили, что кислород просто растворяется в сыворотке крови. Однако к 1860-м годам подробные исследования газового анализа, проведенные такими учеными, как Феликс Хоппе-Сейлер, продемонстрировали, что кровь может содержать гораздо больше кислорода, чем позволяет только физическая растворимость. Поиск ответственного агента активизировался.

В 1864 году немецкий химик Эрнст Феликс Хоппе-Сейлер (тот же Хоппе-Сейлер) кристаллизовал красный белок из крови и назвал его гемоглобином. Более поздние исследования показали, что гемоглобин содержит железосодержащие гемовые группы, которые обратимо связывают кислород — свойство, которое позволяет белку загружать кислород в легкие и разгружать его именно там, где метаболизм наиболее активен. Этот элегантный механизм объяснил ярко-красный цвет насыщенной кислородом артериальной крови и более темный, голубоватый оттенок венозной крови, возвращающейся к сердцу.

Последующие открытия быстро развивались: кривая связывания сигмоидного кислорода, эффект Бора, описывающий, как увеличение углекислого газа и кислотности способствуют высвобождению кислорода, и роль 2,3-бисфосфоглицерата в тонкой настройке сродства гемоглобина. Эти результаты кристаллизовали концепцию внутренней дыхательной системы, в которой кровь, сердце и легкие работают как интегрированная сеть доставки - понимание, которое непосредственно поддерживает современную критическую помощь, анестезию и лечение заболеваний легких.

Клеточное дыхание: внутренний огонь клетки

Модель горения, предложенная Лавуазье, была правильной в общих чертах, но неправильной в местоположении. На протяжении 19-го века считалось, что дыхание происходит в легких или кровотоке, где кислород, как полагали, «сжигает» углеродсодержащие субстраты. Истинный театр дыхания сместился в начале 20-го века, когда биохимики обратили свое внимание на мельчайшие структуры внутри клеток.

В 1920-х и 1930-х годах Отто Варбург и позже Ганс Кребс набросали сложные пути, по которым клетки извлекают энергию из питательных веществ. Цикл Кребса (или цикл лимонной кислоты), выясненный Кребсом в 1937 году, был найден центральным центром, где продукты распада углеводов, жиров и белков окисляются до углекислого газа с одновременным производством богатых энергией носителей электронов. Последний шаг — тот, который требует молекулярного кислорода — как было показано, происходит на внутренней мембране митохондрий через цепь переноса электронов. Здесь кислород действует как конечный акцептор электронов, тянущий электроны через ряд белковых комплексов для образования воды и, в процессе, приводя к синтезу аденозинтрифосфата (АТФ), энергетической валюты клетки.

Это понимание трансформировало биологию. Митохондрии, часто описываемые как электростанции клетки, по существу являются микроскопическими двигателями, которые выполняют строго регулируемую версию описанного Лавуазье. Кислород, который мы вдыхаем сегодня, достигает этих мельчайших структур миллиарды раз, поддерживая каждую мысль, движение и сердцебиение. Ядро дыхания теперь образует центральный столп биохимического образования и медицинских исследований, связывая элементный газ, обнаруженный в 1770-х годах, непосредственно с молекулярной хореографией жизни.

Клинические и медицинские наследства обнаружения кислорода

Идентификация кислорода вскоре перетекала из чистой науки в практическую медицину.К концу 18-го и началу 19-го веков практикующие начали экспериментировать с вдыханием кислорода при различных заболеваниях, от астмы до потребления.Томас Беддос открыл Пневматическое учреждение в Бристоле в 1799 году, где пациентам вводили кислород и другие газы, предвещавшие современную респираторную терапию.

Применение в реальном мире ускорилось после признания того, что многие заболевания вызывают гипоксию тканей. Кислородная терапия стала краеугольным камнем больничной помощи, от простых носовых канюлей до механических вентиляторов в отделениях интенсивной терапии. Анестезиология, которая опирается на точные смеси кислорода и других газов, выросла непосредственно из химической революции, которую помог запустить Лавуазье. Гипербарическая кислородная терапия — подвергая пациентов кислороду высокого давления — теперь лечит декомпрессионную болезнь, отравление угарным газом и хронические раны, повышая количество растворенного кислорода в плазме и тканях.

Более того, открытие роли кислорода в дыхании породило целые области: физиологию физических упражнений, высотную медицину и изучение активных форм кислорода. Ученые понимают, что, хотя кислород необходим для производства АТФ, его частично уменьшенные формы — свободные радикалы — могут повредить ДНК, белки и липиды. Эта двойная природа кислорода в настоящее время является центральной темой в исследованиях старения, нейропротекции и разработке антиоксидантной терапии. Включение кислорода во Всемирную организацию здравоохранения в список основных лекарственных средств подчеркивает его непреходящую важность для современных систем здравоохранения.

Научный склад ума, который навсегда изменил дыхание

История открытия кислорода — это не просто хроника одного элемента; это рассказ о том, как новый способ мышления — количественный, скептический к унаследованной догме и неустанно экспериментальный — может изменить всю науку. Пристли, Шееле и Лавуазье каждый подходил к одной и той же тайне с разных сторон, и их совместная работа устранила теорию флогистона и заменила ее химией на основе кислорода, которую мы все еще используем сегодня.

Когда Лавуазье заявил, что «ничего не теряется, ничего не создается, все преобразуется», он заложил интеллектуальную основу принципа сохранения массы, и одновременно для физиологии, в которой тепло и движение тела являются сбалансированным результатом химических обменов с окружающей средой.Открытие кислорода таким образом связало неодушевленный мир горения минералов с одушевленным миром дыхания и обмена веществ, соединив физику, химию и биологию в единую элегантную структуру.

От оксида ртути Пристли в летний день до современных митохондриологов, отображающих цепочку переноса электронов, путь открытия кислорода был одним из непрерывных уточнений и углубления понимания.Дыхание, которое мы рисуем, связывает нас с моментом 18-го века — моментом, когда горстка любопытных людей научилась читать скрытый язык атмосферы и, делая это, осветила внутреннюю работу самой жизни.

Непрерывный рубеж исследований кислорода

Даже спустя более двух столетий кислород продолжает бросать вызов исследователям. Поля нейроэнергетики, метаболизм рака (эффект Варбурга) и биология стволовых клеток все включают то, как клетки чувствуют и реагируют на доступность кислорода. Нобелевская премия по физиологии или медицине 2019 года была присуждена Уильяму Г. Каелин-младшему, сэру Питеру Рэтклиффу и Греггу Л. Семенце за их открытия того, как клетки чувствуют и адаптируются к доступности кислорода, молекулярный путь, который координирует экспрессию сотен генов в ответ на гипоксию. Их работа строится непосредственно на фундаменте, заложенном ранними газовыми химиками, показывая, что история кислорода далека от завершения.

То, что начиналось как любопытный газ в запечатанном сосуде, стало одной из наиболее тщательно изученных молекул в истории человечества. Его открытие не только объяснило, почему свеча ярко горит в недавно сделанном газе, но и почему мы должны дышать — и продолжает формировать то, как мы лечим болезни, понимаем старение и исследуем границы жизни в экстремальных условиях.