«Мы снимаем шляпу перед нашим веществом»
Химик о гуминовых системах
Наверное, каждый из нас не раз задумывался, каким образом из неживой материи однажды появилась живая. Где эта грань? В чем принципиальная разница? Каковы условия этого перехода? Можно ли их создать искусственно? Оказывается, возможность такого перехода осуществляют гуминовые системы, поддерживающие жизнь во всем ее разнообразии. Что это такое, почему важно их изучать и какие новые возможности нам это дает, рассказывает Ирина Васильевна Перминова, доктор химических наук, профессор, заведующая лабораторией природных гуминовых систем кафедры медицинской химии и тонкого органического синтеза химического факультета МГУ.
«Знание – сила»: Ирина Васильевна, гуминовые вещества – что это такое?
Ирина Перминова: Основная область нашего интереса – природное органическое вещество. Мы работаем на стыке живого и неживого. Гуминовые вещества – это продукт разложения всей живой органики, в который превращаются растения после отмирания. Они играют очень большую роль для сохранения и поддержания жизни природы, потому что делают неживое пригодным для жизни живого. Растения, умирая, сами удобряют почву. Такие системы, как почва, могут существовать только благодаря тому, что есть наши гуминовые системы.
«ЗС»: Почему вы их называете системами?
И. П.: Потому что на настоящий момент наконец-то химия вошла в новую для себя эпоху развития. Это химия сложных систем, в то время как вплоть до прошлого века основной областью изучения химии были единичные молекулы. Теперь химия дошла до того, что начинает работать с супрамолекулярными системами, включая сложные природные органические системы. Работа с такого рода объектами безумно сложна.
Жан-Мари Лен, Нобелевский лауреат по химии 1987 года, впервые дал определение супрамолекулярной химии. Он, слава богу, жив до сих пор и занимается химией сложных систем в Университете Страсбурга (Франция). Я слушала его в 2019 году в Париже, он выступал на конгрессе, посвященном 100‑летию Международного общества чистой и прикладной химии (IUPAC). Удивительный мыслитель, философ и потрясающий химик. Он сказал так: «Все знают, что такое основной вопрос биологии. Это происхождение жизни. Все знают основной вопрос физики – происхождение нашей Вселенной. А что такое основной вопрос химии?»
«ЗС»: И что же?
И. П.: Это вопрос, как произошло сложное вещество. Он считает, и я с ним полностью согласна, что XXI век – это век сложного вещества, сложных систем. Для меня это звездный час для моей науки, потому что гуминовыми веществами я начала заниматься еще в 1982 году. И вот уже 40 лет я пытаюсь ответить на вопрос, что такое гуминовые системы. На это нужна жизнь. Вы видите, у нас висит календарь нашей научной группы, девиз которой: «Познающее не всегда сложнее познаваемого». Нам пришлось снять шляпу перед нашей субстанцией и сказать, что она нас учит непрерывно. Благодаря тому, что мы работаем с веществом такой сложности, мы занимаемся, по сути, всеми химиями сразу.
«ЗС»: Иначе говоря, вы не знаете, что такое гуминовые вещества?
И. П.: Мы знаем, что это сложная система. Мы многое знаем, гораздо больше, чем многие, про эти вещества. Мы работаем над тем, чтобы дать им химическое определение.
«ЗС»: А его нет?
И. П.: Химического определения нет. Все существующие определения являются феноменологическими, сугубо описательными либо операционными. Например, гуминовые вещества – это то, что извлекается щелочью из почвы или твердых горючих ископаемых (торф, уголь). Мы знаем, что они берутся из растений: отмирают растения, в их составе ароматический скелет, есть углеводные, пептидные, фенольные и другие фрагменты. При этом, поскольку это продукт разложения, образуется огромное количество низкомолекулярных соединений, чуть поменьше – олигомеров, и совсем мало – остатков биомакромолекул-прекурсоров. Для изучения молекулярного состава гуминовых систем мы работаем с масс-спектрометрией сверхвысокого разрешения, это наш основной инструмент познания сложности гуминовой материи. Только он позволил нам описывать гуминовую систему числами, мы уже можем это делать. Мы видим в их составе порядка сотни тысяч молекулярных составов. А теперь попробуйте сто тысяч молекулярных составов умножить на 10 миллионов изомеров – это размер химического пространства, которое содержится в капле любой гуминовой субстанции, которую мы извлекаем из почвы, воды, угля. Сколько получится?
«ЗС»: Много!
И. П.: Природа именно так устроена. У нее распределения сложные. Зачем такие сложности, казалось бы? Это один из основных инструментариев, как природа адаптируется к антропогенным, климатическим и другим воздействиям. Это очень жесткие воздействия. Задача – защитить живое.
«ЗС»: У кого задача защитить живое?
И. П.: У живого. Живое создает себе окружающую среду, для того чтобы можно было в ней существовать. Живое не существует в отрыве от окружающей среды, это среда его обитания. А гуминовые вещества – это продукт живого, который создает для живого условия выживания.
«ЗС»: Для самого себя?
И. П.: Да, для продолжения жизни на Земле. По-английски очень красиво звучит – life sustaining functions, по-русски мы говорим «функции жизнеобеспечения». Ими обладают гуминовые вещества. Они делают доступными для растений биогенные элементы, связывают, например, токсичные металлы в недоступные комплексы, создают структуру почвы – это наноструктура. Они придают гидрофобность почвенным комочкам, за счет чего создается водостойкая структура почвы, которая не рассыпается при соприкосновении с водой.
Растения как устроены? Их корни находятся в почве. Почва насыщена воздухом, и поэтому каждый комочек почвы должен быть гидрофобным. Когда мы с вами распахиваем почву, мы нарушаем структуру почвы. Мы окисляем органику, она начинает смачиваться водой, и все комочки начинают рассыпаться.