1902. Газоаналитический аппарат Холдейна
В наши дни повальной специализации чуть ли не со школьной скамьи традиционные естественные науки начинают удаляться друг от друга с такой скоростью, что, кажется еще чуть-чуть, и мы, химики, заметим красное смещение в удаляющихся от нас физических знаниях и наоборот. Дело доходит до абсурда. Вспоминается та история, когда выпускникам на пробном ЕГЭ по математике предложили рассчитать, сколько нужно будет заплатить за электричество за месяц по ряду показателей. Мало того, что задачу решали плохо, так нашлись люди, писавшие по поводу неё гневные письма, так как «…электричество – это уже физика, а я готовился к математике…» (вероятно, эти люди уже вполне способны наблюдать красное смещение удаляющейся от них логики и представлений о единстве мира).
К сожалению, противопоставление наук друг другу происходит не только на уровне школьников, готовящихся к экзамену, но и дальше. Резерфорд, помнится, утверждал: «Все науки делятся на физику и собирание марок». От современного студента-химика, готовящегося к защите дипломной работы, можно услышать, что электростатика и кинетическая энергия – это что-то, что было на физике на первом или втором курсе, а некоторые студенты-фармацевты так вообще полагают, что они все как один сразу станут директорами филиалов крупных аптечных сетей, и химию им учить нет необходимости. Но не нужно забывать, что окружающий нас мир един, а науки когда-то разделились на химию, физику и биологию просто из-за увеличения объёмов информации. К счастью, до сих пор существовали и существуют люди, которые работают не на «размежевание» наук (да и не только наук), а на их объединение с целью получения чего-то нового. В начале ХХ века одним из таких учёных, попытавшихся объединить химию с биологией, был Джон Скотт Холдейн.
Холдейн родился в аристократической шотландской семье, у его родителей не возникала проблема в обеспечении наследника хорошим образованием. Холдейн первоначально изучал медицину в Университете Эдинбурга, а затем в немецком городе Йена. Завершив образование, он получил должность лаборанта-ассистента лекций. В этой должности его обязанностью были, в том числе, и демонстрационные эксперименты по определению состава воздуха или количества бактерий, взвешенных в образце воздуха. Понимая, что ему нужно дополнительное обучение, он через некоторое время уволился и несколько месяцев стажировался в Берлине по специальности «физиологическая химия», после чего был принят на работу в Оксфорд, где его дядя, Сэр Джон Бердон-Сандерсон, был профессором физиологии. На дядиной кафедре Холдейн разработал метод гравиметрического определения углекислого газа и влаги в воздухе и стал использовать этот метод для изучения процесса дыхания животных.
Примерно в это же время Холдейна стали интересовать симптомы отравления шахтёров, контактирующих с угарным газом (моноксидом углерода, СО) и «рудничным газом» (метаном, CH4). На угольных копях Стаффордшира Холдейн с помощью портативного газового анализатора собственной разработки проверял воздух на разной глубине шахт и установил, что в некоторых случаях наблюдалось достаточно существенное снижение концентрации кислорода. В других шахтах наблюдалась повышенная концентрация угарного газа, влияние которого на здоровье и на физиологию в начале ХХ века ещё не было изучено в полной мере. В традициях мастеров старой школы Холдейн, чтобы определить сродство угарного газа к гемоглобину, начал вдыхать разные дозы моноксида углерода, анализируя при этом свою кровь. Результаты этого исследования позволили точно установить причины несчастных случаев в шахтах, связанных с отравлением. В 1896 году Холдейн написал доклад британскому министру внутренних дел, в котором рекомендовал шахтерам использовать в качестве живых индикаторов на опасное содержание угарного газа канареек или мышей, и выполнение такой рекомендации позволило спасти многие жизни.
Однако, Холдейн не останавливался на достигнутом, пытаясь далее работать над химией физиологии дыхания. Он съездил в Копенгаген посоветоваться с Кристианом Бором – в то время ведущим специалистом по методам анализа крови (это потом про Кристиана Бора будут говорить: «Отец лауреата Нобелевской премии по физике Нильса Бора»). Вернувшись в Оксфорд, Холдейн осознал, что цвет продукта реакции угарного газа с гемоглобином – карбоксигемоглобина – может стать важным маркером для разработки колориметрического метода определения содержания кислорода и других газов в крови. Также он обнаружил, что при окислении красной кровяной солью кровь быстро теряет и кислород, и угарный газ – всё это позволило Холдейну разработать портативное и быстрое устройство для анализа содержания газов в крови.
Идея устройства была довольно проста – два заполненных подкрашенной водой одинаковых стеклянных градуированных капилляра были связаны резиновой трубкой в систему U-образной формы, образуя сообщающиеся сосуды. Один отвод от этой системы был связан с небольшой ёмкостью, в которую вводили известное количество крови, в этом же резервуаре находилась ёмкость с красной кровяной солью. Измерение проводили следующим образом: ёмкость с кровью и красной кровяной солью трясли, добиваясь смешения компонентов, после смешения выделялся газ, объем которого можно было измерить, соотнося уровни подкрашенной воды в градуированных капиллярах.
Разработанное устройство позволило Холдейну добиться лидерства в изучении физиологии дыхания. Вскоре он выяснил, как незначительные изменения содержания углекислого газа в крови влияют на процессы дыхания – частоту дыхания и объём вдыхаемого воздуха. Холдейн также применял барокамеру, с помощью которой увеличивал или понижал давление газов для моделирования высокогорных районов и глубин, изучая таким образом особенности дыхания альпинистов, пилотов и водолазов. Читая работы Холдейна, можно понять, что и он, и добровольцы, согласившиеся на испытания, зачастую были на волосок от гибели – стоило экспериментатору ещё увеличить или понизить давление, и результат был бы смертелен. После начала применения химического оружия во время Первой мировой войны Холдейн разрабатывает методы защиты солдат от газобалонных атак, разработав одну из конструкций фильтрующих противогазов.
Нужно учитывать, что однозначного ответа на вопрос: «Кто же первым придумал противогаз?» – скорее всего, нет. В наших традициях приписывать изобретение противогаза Николаю Дмитриевичу Зелинскому, разработка которого поступила в войска русской армии в марте 1916 года. Британская армия была оснащена противогазами Холдейна в ноябре 1915 года, были свои противогазы и в кайзеровской армии. Первый патент на фильтрующий противогаз так вообще был оформлен американцем Гарретом Морганом в 1912 году – он предполагал использовать своё изобретение для защиты органов дыхания пожарных. Скорее всего, в отсутствие интернета и быстрого обмена научной и технической информацией близкие по стилю технические решения могли приходить в голову разным, не связанным друг с другом людям.
Холдейн продолжал заниматься экспериментальной наукой до своей смерти в 1936 году, он также участвовал в создании скафандра для высотных полётов, разработал методы декомпрессии, позволявшие водолазам не заболеть глубинной болезнью. Его сын Джон Бёрдон Сандерсон Холдейн пошёл по стопам отца и тоже посвятил жизнь науке, став не менее известным биологом и физиологом (и даже иностранным членом Академии наук СССР). Что же касается Джона Скотта Холдейна, в какой бы области он не проводил эксперименты, он никогда не терял из поля зрения единую картину окружающего мира. Именно из-за того, что мир един, я часто напоминаю студентам, которые начинают оправдывать недостаточность своего прилежания тем, что преподаваемый материал напрямую не относится к его специальности, что не стоит делить науку на «свою» и «чужую».
