Комично, как все химично! Почему не стоит бояться фтора в зубной пасте, тефлона на сковороде, и думать о том, что телефон на зарядке взорвется

Видите ли, уже в первой главе я хочу довести до вас вот какую мысль: если хотите понять науку, нужно отвыкнуть искать простые ответы. Поначалу это кажется сложным, но я обещаю: научное мышление этот мир скучным не делает. Напротив, добавляет ему красок и в буквальном смысле наполняет чудесами. Давайте же пока что сойдемся на том, что мелатонин – это не гормон сна, а скорее «ночной гормон», переводящий на язык организма то, что видят глаза: за окном темнеет.

Пролить свет на предмет наших с Маттиасом споров может лишь долгосрочный опыт (в буквальном смысле – свет, попадающий на сетчатку глаз моего мужа). Проблема в том, что эксперименты с двумя участниками статистически недостоверны, поэтому пока нам остается только дискутировать.

* * *

Я иду на кухню приготовить себе кофе. Идеально, конечно, выпивать первую чашку не раньше, чем через час после подъема. Ведь организм уже получил порцию кортизола, действующего как пробуждающее средство, а кофеин может повысить его уровень. Прекрасно, скажете вы, тогда свой естественный утренний уровень кортизола я сдобрю еще и порцией кортизола кофейного! Увы или к счастью, но с нашим организмом так не сработает, поскольку он во всем любит сбалансированность. Следует учитывать, что со временем он привыкнет к взрывной кофейной дозе поутру и откорректирует предоставление утренней антистрессовой услуги. Поэтому лучше подождать спада эндогенного выброса кортизола – это произойдет примерно через час, – а потом уже пить кофе.

Но поскольку сейчас у меня ощущение, будто весь утренний заряд кортизола испарился за минуту, я все же прибегаю к кофе, чтобы противостоять накатившей на меня усталости.

Если вам сейчас не жарко, налейте себе чашку кофе, чая или другого горячего напитка на выбор, и можете потягивать его, читая следующие страницы. Ведь нет ничего лучше теплого напитка, если хотите увидеть мир, разложенный на молекулы. Когда я ставлю на стол чашку с дымящимся кофе, стол под ней вскоре тоже нагревается. А если немного подождать, кофе остынет. Вы когда-нибудь задавались вопросом, куда вообще уходит тепло?

Так мы вплотную подошли к одной из моих любимых тем: модели частиц. Казалось бы, звучит не очень интересно, но погодите – гарантирую, такой взгляд на вещи вас увлечет. Суть модели в том, что любое вещество во Вселенной состоит из частиц. Это могут быть атомы или молекулы. Не обязательно знать, что именно это за частицы. Несмотря на столь упрощенный подход, с помощью этой модели можно частично (ха-ха, вот вам и частицы) описать наш мир, причем сделать это на удивление хорошо. Начнем, например, с моей чашки кофе.

Итак, когда пью кофе, я пью его частицы. Или это могут быть частицы чая – все зависит от того, какой выбран напиток. Давайте представим себе эти частицы в виде крошечных невидимых шариков. В основном это молекулы воды, немного кофеина (кстати, в чае он тоже содержится) и еще несколько прочих, например ароматических. Все они находятся в постоянном движении. И это можно наблюдать, пусть даже сами молекулы разглядеть невозможно.

Каким образом? Очень просто: налейте в стакан воду из-под крана и добавьте туда две-три капли кофе (нагляднее было бы с чернилами, но сейчас мы о напитках). Даже если вы оставите стакан спокойно стоять на столе, это лишь вопрос времени, когда капля кофе растворится в воде даже без размешивания. Допустим, пока это не то наблюдение, которое могло бы ошеломить. Но только представьте себе, что же там на самом деле происходит! Там же такая сумасшедшая толкотня, просто дым коромыслом стоит, ну чисто безумная вечеринка! На эту невидимую тусовку частиц я и хочу вас пригласить, ведь именно здесь начинается химия.

Кстати, стакан, кофейная чашка, стол, пол, воздух и, разумеется, мы с вами – все это состоит из частиц. И все они тоже в движении! Ничего даже похожего на состояние покоя практически не существует. Именно в этот конкретный момент повсюду – в вашей чашке, под ногами и в теле – в разгаре безумная вечеринка, мы просто не можем ее видеть.

Тут вы можете резонно заметить: зачем представлять себе мир состоящим из крошечных частиц, если мы все равно их не видим (мало того что это просто круто, ну, по крайней мере, я так считаю). А вот зачем: представляя мир таковым, можно, например, проследить, как возникают разные агрегатные состояния. Состояние вещества – твердое, жидкое или газообразное – зависит от того, насколько подвижны составляющие его частицы.

Моя кофейная чашка твердая, потому что ее частицы способны двигаться лишь самую малость – молекулы или атомы твердого тела сохраняют свое положение неизменным благодаря сочетанию температуры и давления. Твердые тела могут иметь кристаллическое и аморфное строение. О химических соединениях мы еще поговорим подробнее, а пока давайте представим себе скопище молекул при помощи такого сравнения: вы на рок-концерте, стоите в толпе людей и едва можете пошевелиться. Но, конечно же, все- таки двигаетесь, насколько это возможно. Примерно то же самое происходит с частицами твердого вещества, например того, из которого сделана ваша кофейная чашка.

В чашке жидкое содержимое – кофе; его частицы уже подвижнее, даже если еще сильно между собой взаимодействуют. В примере с концертом жидкое состояние – это если бы вы находились перед сценой, где все дергаются и прыгают. Но самые необузданные молекулы – в газообразном веществе, например во вдыхаемом нами воздухе. Они двигаются без оглядки на соседей. Тут уж концертную площадку пришлось бы увеличивать во много раз, чтобы все зрители могли свободно бегать и кувыркаться, не мешая остальным делать то же самое.

Агрегатное состояние вещества зависит от сочетания температуры и давления. Самый простой и знакомый всем пример – вода. Если разогреть твердую воду, то есть лед, он растает в жидкость. При дальнейшем нагреве вода обратится в пар, вещество станет газообразным. А при попадании на прохладную поверхность, например на зеркало в ванной комнате, водяной пар конденсируется, то есть снова становится жидким. Если мы продолжим охлаждать воду, она когда-нибудь застынет в лед.

Вам же понятно, к чему я веду? К тому, что у меня припасено для вас нечто, что может вынести мозг: температура – это не что иное, как движение частиц. Чем горячее, тем быстрее; чем медленнее, тем холоднее. Круто же иметь молекулярное определение температуры, верно? Вы не находите, что это занятнее, чем температура на термометре?

Теперь в наблюдении за чашкой с поднимающимся паром можно увидеть гораздо больше смысла: кофе горячий, а значит, молекулы воды двигаются быстро и сталкиваются друг с другом. Те, что испаряются, весьма проворны: им требуется столько места, что, обуреваемые двигательным возбуждением, они покидают чашку и переходят в газообразное состояние.

А как же тепло передается от кофе чашке, а от нее – кухонному столу? Это происходит из-за столкновений между частицами и вследствие передачи кинетической энергии. Вот как это выглядит: мельтешащие в чашке частицы то и дело наталкиваются на стенки. В свою очередь частицы чашки, двигаясь все быстрее и все сильнее вибрируя, наталкиваются на частицы кухонного стола, раскачивая их. А поскольку тепло всегда передается по направлению к более прохладному месту, стол под чашкой нагревается.

Теперь мы понимаем, почему кофе когда-нибудь остывает – именно по той же причине, по которой с течением времени остановится приведенный в движение маятник.

При каждом столкновении частицы взаимно тормозят одна другую, и так до тех пор, пока все не обретут комнатную температуру – иными словами, «комнатную скорость».

Все частицы, как и вся Вселенная со всем своим содержимым, подпадают под действие первого закона термодинамики. Его можно соотнести с законом сохранения энергии, который гласит: она не исчезает бесследно и может быть только преобразована. Другими словами, энергия всегда постоянна. Если одна частица получила дополнительную энергию, это значит, что то же количество в каком-то другом месте убыло. Когда частица, столкнувшись с другой, передает ей свою энергию, эта другая частица ускоряется, а отдавшая энергию должна замедлиться. Иначе получалось бы, что энергия возникала бы из ничего, а так не бывает. Согласно законам термодинамики, уничтожить энергию тоже нельзя – вот почему физики и химики, бывает, негодуют, заслышав расхожую фразу о «растрачивании энергии». (Если среди ваших знакомых есть физики или химики, попробуйте при них употребить это выражение.)

* * *

Прежде чем продолжить рассказ о своем дне, хочу поделиться еще одним умозрительным экспериментом в связи с моделью частиц. Возможно, это самое интересное: где бы вы сейчас ни находились, вам будет казаться, что окружающие предметы на ощупь разной температуры. При этом в закрытом помещении температура у всех предметов одна – комнатная. Но почему же тогда металлическая ложка явно холоднее деревянного стола?

Ну да, есть кое-что в этой комнате не комнатной температуры, и это что-то – ваше тело. У него она выше (во всяком случае я надеюсь, что это так). И то, что вы чувствуете, прикасаясь к ложке или к кухонному столу, не что иное, как тепло вашего собственного тела! Если ваше тепло уходит быстро, предмет кажется холодным на ощупь, а если медленно – теплым.

Когда я беру в руку ложку, частицы моего тела сталкиваются с ее частицами и приводят их в движение. Чем быстрее колеблются атомы металла в ложке, тем теплее она становится. Металл – хороший проводник тепла: частицы моего пальца сталкиваются с частицами металла, и это движение распространяется по ложке. Хорошая теплопроводность металла обусловлена особенностями его химических соединений. С ними мы ближе познакомимся в главе 8. А пока представьте себе конструкцию для лазания из канатов, какие бывают на детских площадках. Когда ребенок раскачивается на одном из канатов, это движение быстро передается всей конструкции. Ребенок, находящийся на другой ее стороне, тоже будет раскачиваться. По закону сохранения энергии движение прыгающего ребенка будет одновременно гаситься: передавая свою кинетическую энергию сетке из канатов и другому ребенку, сам он замедляется. Его движение амортизируется. Говоря языком термодинамики, он замедляется, его запас энергии уменьшается, то есть он охлаждается.

А бывают еще конструкции из твердых балок. Когда ребенок лазает по ней, это не сильно воздействует на его товарища по играм. Движения почти не амортизируются, и их энергия никуда не передается, поэтому сам он (с точки зрения химии) быстрее, а следовательно, теплее. Эти конструкции делают из материалов, плохо проводящих тепло, например из дерева. Положив руку на деревянный стол, вы приведете в движение только те его частички, которые находятся в непосредственной близости от руки. По дереву колебания и движение частичек хорошо передаваться не будут. И на ощупь деревянный стол окажется теплее, чем металлическая ложка.

Поняв, что температура есть не что иное, как движение частиц, можно лучше понять второй закон термодинамики. Он гласит: тепло всегда передается от теплого к холодному, но никак не в обратном направлении.

Если вы поставили бутылку колы в ведерко со льдом, то не холод будет передаваться ото льда к бутылке, а наоборот: тепло от бутылки будет переходить к кубикам льда, они будут нагреваться, а бутылка – остужаться.

Теперь, вооруженные этим знанием, в следующий раз, услышав от кого-то фразу «закрой окно, оттуда холод», вы не оставите эту формулировку без внимания и заметите: «Ты имеешь в виду, тепло уходит?»

А если ваш слух заденет чья-нибудь фраза насчет «разбазаривания энергии», вот вам шанс выступить в роли истинного «ботана». Да, ведь только что вы прошли вводный курс в физическую химию. Поздравляю! Возможно, даже кофе еще допить не успели.

* * *

На кухню входит Маттиас и ласково гладит меня по голове.

– Прости, забыл сказать, что собираюсь сегодня на пробежку.

– Да ладно уж! – отвечаю я. – Мне так и так придется снова настраивать ритм сна.

Теоретически я подкована, но мне все же больше нравится высыпаться по выходным, чем каждые субботу-воскресенье загонять себя в социальный джетлаг[3 - Синдром смены часового пояса, рассогласование циркадного ритма человека с природным суточным ритмом, вызванное быстрой сменой часовых поясов при авиаперелете. – Прим. ред.]. Конечно, мой циркадный ритм не может делать различий между рабочими днями и выходными. Ну да, выходные – дело хорошее, но это современный социальный конструкт, к которому наш организм пока что не очень приспособился. Естественный уровень мелатонина по-прежнему в той или иной степени зависит от солнца, но на восходе я чувствую себя жутко уставшей: слишком поздно ложусь спать. Постоянно возникающие ложные раздражители и соблазны – кофе, искусственный свет, громкие будильники и мобильники – и сбивают организм с толку. Ученые смогли установить, что неделя, проведенная на природе в палатках, возвращает мелатониновый цикл к солнечному времени. Жаль, что я не любительница туризма с палатками.

Но вот что на самом деле странно: наши внутренние часы в принципе работают и без света. Так уж устроен человек, что его внутренние часы с небольшими отклонениями настроены именно на сутки в 24 часа. Свет помогает настраивать эти часы – проще говоря, синхронизировать дни и приспосабливаться, например, к джетлагу.

В 2017 году Нобелевскую премию в области медицины получили трое американских ученых, расшифровавших механизм работы внутренних часов человека. Для наблюдений они держали плодовых мушек – дрозофил – в двух камерах, которым дали названия «Нью-Йорк» и «Сан-Франциско», потому что в них имитировалась освещенность, соответствующая солнечным ритмам этих приморских городов. Дрозофил периодически сажали в «самолет» (то есть в банку), и они перелетали в другой «город». Ученые отслеживали, как дрозофилы приспосабливались к трехчасовому джетлагу.

Выяснилось, что на внутренние часы существенно влияют два гена. Когда дело касается генов, химия становится особенно увлекательной! Наша ДНК не только сама является молекулой, но и способствует образованию других жизненно важных молекул.

В генах закодирована вся необходимая для нашей жизни информация, в том числе и о внутренних часах. Этот код можно считывать и расшифровывать благодаря тому, что гены запускают производство различных белков. Иными словами, в генах заложен план, а белки его воплощают. (Белки – это такие хитроумные молекулы, о которых мы еще поговорим подробнее.)

Итак, эти два «часовых» гена образуют два «часовых» белка[4 - Механизм этого процесса гораздо сложнее.].

С течением дня концентрация этих белков растет. Затем эти двое соединяются в единое целое, и такой командой они в состоянии затормозить образование самих себя. Да, вы правильно прочитали, именно так: белки образуются с целью остановить производство самих себя. Они достигают этого тем, что обеспечивают неспособность своих генов быть считанными. Как и в случае с кортизолом и стрессом, мы имеем дело с отрицательной обратной связью. Концентрация «часовых» белков падает, когда перестают образовываться новые. В конечном счете их концентрация понижается настолько, что считывание генетического кода перестает тормозиться, и образование белков начинается заново. И весь этот цикл длится как раз 24 часа. Так что смена дня и ночи закодирована в наших генах.

Впрочем, у меня такое чувство, будто с моими генами что-то не так. Я уверена, что мой организм создан для 30-часового дня – мне и день бы подлиннее, и сна намного больше. Хорошо бы когда-нибудь обследоваться на этот счет.

* * *

– Мне надо идти, – говорит Маттиас.

Мой мобильник вибрирует, пришло сообщение. Странно, это Кристина. В такое время и не спит? «Кажется, Йонасу конец», – пишет она. «Сейчас перезвоню», – отвечаю я.

Маттиас, уже одевшийся для пробежки, еще раз просовывает голову в открытую дверь и спрашивает, брать ли ему ключ.

– Не надо, – говорю, – закрой дверь, а то тепло уходит.

2. Смерть от зубной пасты

– Ты где сейчас? – спрашиваю я, когда Кристина наконец отвечает на звонок.

– На пути в лабораторию. – Судя по голосу, она раздражена.

– Так что там с Йонасом?