Кремний. Мифы и реальность - Иван Неумывакин

Кроме строительных, кремний удовлетворяет и другие нужды диатомей, он необходим для их жизнедеятельности. Панцирь как бы подкармливает водоросли, регулируя поглощение ими солей из морской воды. Кремний необходим диатомеям и для размножения, синтеза ДНК, что подтверждают научные эксперименты. Если нет кремния, синтез ДНК замедляется в 10–20 раз, в то же время при добавлении в воду силиката натрия немедленно начинается бурный синтез ДНК и процессы клеточного деления. Ортокремниевая кислота играет огромную роль в обмене веществ диатомовых водорослей: она, например, усиливает синтез аминокислот и белков, локализованных в хромосомах и хлоропластах, регулирует клеточное дыхание, синтез хлорофилла.

По мнению ведущего российского исследователя кремния, академика РАН М. Г. Воронкова, изучение обмена кремния в диатомеях весьма перспективно. Ведь эти крошечные существа могут послужить хорошей моделью для исследования интимной, как говорит ученый, роли кремния в организмах высших животных. Например, после того как выяснилось, что в диатомеях кремний концентрируется в митохондриях, хлоропластах, пузырьках и микросомах, удалось найти его в ядрах, митохондриях, пузырьках и микросомах клеток печени, селезенки и почек крыс. А отсюда, как опять же говорит ученый, один шаг до лабораторных экспериментов и практики.

Продолжая перечень земной кремниевой жизни, нельзя обойти вниманием некоторых примитивных морских животных, биохимия организмов которых связана с кремнием.

Это, например, уже упоминавшиеся радиолярии, чьи ископаемые останки найдены еще в докембрийских отложениях. Известно 7 тысяч видов этих морских планктонных организмов, размером от 40 микрон до 1 мм. У многих радиолярий очень красивый, изящный и невероятно сложный наружный каркас из кремнезема, который может слагаться из геометрически правильных игл, образующих шары, многогранники или кольца. Легкие и прочные иглы выполняют не только защитную функцию, но и сильно увеличивают удельную поверхность радиолярий.

Какие еще кремнеорганизмы можно назвать? Еще в прошлом столетии исследователи предположили, что кремний нужен грибам. Во всяком случае, в их золе было найдено до 10 % кремнезема. Спустя годы эксперименты подтвердили, что грибы усваивают кремний, разлагая нерастворимые природные силикатные минералы. Есть даже такие грибы, которые могут питаться стеклом и кремнийорганическими полимерами.

Прекрасно себя чувствуют и лишайники, произрастая на голых камнях и скалах, в жарких тропиках, в холодной тундре и высоких горах, где нет другой растительности. Своими гифами они проникают по трещинам в скалы, отщепляя мелкие кусочки, которые потом химически разрушают своими органическими кислотами. Из горной породы лишайники извлекают минеральные вещества, в том числе и кремний. Количество усвоенного кремния зависит как от вида лишайника, так и от состава горной породы, которой он питается.

На скудном пайке существуют и автотрофные бактерии, они питаются одними лишь неорганическими веществами. Так называемые силикатные бактерии усваивают азот из атмосферы и фосфор из фосфорсодержащих минералов, а кремний — из кремнезема, силикатов и алюмосиликатов. Причем, как полагают исследователи, кремний они используют в качестве источника энергии. Обширные исследования микроорганизмов, разрушающих силикаты, были начаты в нашей стране в конце 40-х годов XX века профессором В. Александровым. Он изучал бактерии, живущие в почве, на граните и других силикатных породах, а также в водоемах, которые с помощью ферментов разрушают силикаты и алюмосиликаты, а потом усваивают входящий в их состав кремний. Освобождающаяся при этом энергия используется этими бактериями для усвоения углерода из атмосферы или карбонатов почвы, а также для фиксации азота воздуха. Силикатные бактерии чрезвычайно выносливы и не теряют жизнеспособности при замораживании до -40 °C и после нагревания до 150–160 °C, кроме того, они еще и длительное солнечное облучение спокойно выдерживают. И возможно, что именно силикатные бактерии миллиарды лет тому назад первыми принялись обживать сушу нашей планеты. Может, именно им мы обязаны и тем, что на Земле сегодня существуют условия для более высокоорганизованной жизни, ведь именно они могли переработать силикатный покров нашей планеты, создав тем самым почву.

Ученые отмечают, что кремний необходим не только бактериям, но и вирусам. Они в среднем содержат 0,2–0,6 % кремнезема в протеиновой матрице. Правда, роль кремния в их жизнедеятельности еще совершенно не изучена.

Изучение кремнеорганизмов, об отдельных видах которых здесь было упомянуто, занятие отнюдь не праздное. Ведь оно может предоставить много новых данных, корректирующих наши представления о формах существования живой материи и протекающих в ней биохимических процессах. Во всяком случае, так считают ученые М. Г. Воронков и И. Г. Кузнецов, авторы статьи «Земная кремневая жизнь», материалы которой были использованы мною в этом рассказе о представителях земных кремнеорганизмов.

Так как эта книга посвящена кремнию и его свойствам, более чем уместно будет сказать несколько слов о широко известном ученом, специалисте в области химии элементоорганических соединений, органической и физико-органической химии, Михаиле Григорьевиче Воронкове, чье имя уже упоминалось выше. Именно Михаил Григорьевич впервые в нашей стране начал изучение кремнеорганических соединений. Его исследования биологически активных соединений кремния привели к открытию веществ с уникальным действием на живые организмы, он создал новую область химии кремния — биокремнеорганическую химию. Ряд оригинальных разработок ученого оказались высокоперспективны в том числе и для медицины (биостимуляторы, адаптогены, катализаторы микробиологического синтеза, гидрофобные и биозащитные кремнеорганические покрытия и др.). Под руководством М. Г. Воронкова создан ряд оригинальных лекарственных препаратов, не имеющих аналогов в мировой медицине (феракрил, ацизол, крезацин и трекрезан, силокаст, силимин, дибутирин, онкосорб, кобазол и др.).

КРЕМНИЙ В ПРИРОДЕ

В природе кремний рассеян буквально всюду. Это чрезвычайно распространенный элемент, и не только на нашей планете (по распространенности в земной коре кремний занимает второе место). Частицами карбида кремния, силикатов магния и алюминия насыщено околозвездное пространство. А такое, например, кремнеорганическое соединение, как полидиметилсилоксана, отсутствующее в земной природе, в микроскопических количествах было обнаружено в лунной пыли. В падающих на Землю каменных метеоритах кремний занимает второе место после кислорода. А в космосе — седьмое место после водорода, гелия, азота, кислорода, неона и углерода. Более того, как указывают в своей книге «Удивительный элемент жизни» М. Г. Воронков и И. Г. Кузнецов, в космических масштабах атомная распространенность кремния считается общепризнанным стандартом и содержание в космосе других элементов выражается отношением числа их атомов на миллион атомов кремния.

Самые распространенные соединения кремния были известны человеку с незапамятных времен. Но с простым веществом кремнием человек познакомился относительно недавно, примерно 200 лет тому назад. Первыми исследователями, получившими кремний, были французы Ж. Л. Гей-Люссак и Л. Ж. Тенар. Проводя в 1811 году свои эксперименты, они обнаружили, что при нагревании фторида кремния с металлическим калием образуется некое буро-коричневое вещество, однако эти исследователи так и не сделали правильного вывода по поводу полученного нового простого вещества.