Так в работе «Диалектика природы» Ф. Энгельс еще в конце ХІХ в. определил особую форму движения материи, возникающую как новое качество в процессе ее развития.

Сегодня наука о явлениях жизни — биология — пожалуй, самая значимая из всех наук.

В классическом учебнике общей биологии читаем:

Патриарх русской физиологии И. П. Павлов писал:

Когда специалист в области автоматического регулирования слышит, что человек — «это венец творения», он не спорит с таким утверждением. Он вкладывает в него свой собственный смысл.

В самом деле, ни природа, ни техника не создали устройства, способного сравниться с человеческим организмом по обилию и разнообразию систем регулирования, их гибкости и надежности. С поразительной точностью поддерживают они температуру тела, давление крови, содержание в ней кислорода, сахара и других веществ. Особые регуляторы управляют работой глаз, другие берут на себя координацию движения рук и ног, третьи заведуют деятельностью внутренних органов. Эти системы регулирования связаны между собой сложным и не всегда понятным образом.

Рассмотрим для примера простейшую систему, которая помогает зрению приспосабливаться к изменению освещенности. Для этого существует механизм, позволяющий уменьшать или увеличивать количество света, попадающего в оптическую систему глаза путем сужения или расширения зрачка. Принцип работы системы очень прост: если на сетчатку попадает много света, то возрастает уровень нервного возбуждения ее светочувствительных клеток — нервная система на это отвечает командой «сузить зрачок».

Чтобы понять тот путь, который привел к одному из фундаментальных открытий в биологии, нужно вернуться в 1969 г.

Именно тогда американские биохимики Дж. Маккорд и И. Фридович (McCord J., Fridovich I.) открыли новый фермент — супероксиддисмутазу (СОД). Он катализирует реакцию взаимодействия (дисмутации) двух супероксидных радикалов с образованием перекиси водорода и молекулярного кислорода. Открытие СОД совершило революцию в умах биохимиков: раз есть фермент, удаляющий свободные радикалы, специально вырабатываемый животными клетками (и, как выяснилось, чрезвычайно широко распространенный живой природе), то понятно, что и сами радикалы существуют в природе и почему-то их надо обязательно удалять. До этого мало кто думал, что в метаболизме живых организмов участвуют не только «настоящие» молекулы, но и свободные радикалы.

Само понятие свободного радикала в химии существовало давно. Свободные радикалы — это молекулярные частицы, обладающие высокой реакционной способностью. Хорошо известно, что в молекулах (включая те, из которых состоит наш организм) электроны на внешней электронной оболочке располагаются парами: одна пара на каждой орбитали.

Свободные радикалы отличаются от обычных молекул тем, что у них на внешней электронной оболочке имеется неспаренный (одиночный) электрон. Это делает радикалы химически активными, поскольку они стремятся вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул и тем самым их повреждая.

Дальнейшие исследования показали, что основные радикалы, которые образуются в клетках, — это радикалы кислорода (супероксид и гидроксильный радикал), монооксид азота, радикалы ненасыщенных жирных кислот, радикалы, образующиеся в окислительно-восстановительных реакциях (например, убихинол). Радикалы образуются также при воздействии ультрафиолетовых лучей и в ходе метаболизма некоторых соединений (ксенобиотиков), в том числе некоторых препаратов, одно время применявшихся в качестве лекарств.

На протяжении многих тысячелетий люди пытались понять, что такое воздух, зачем и как они дышат. Представление о воздухе как о смеси газов сформировалось две сотни лет назад, когда была открыта живительная субстанция — «флогистон». Впоследствии эту составляющую назвали кислородом. Еще немало времени ушло на то, чтобы окончательно определить конкретный газовый состав атмосферы.

Сегодня мы знаем, что атмосфера (от греческих «атмос» — пар и «сфера» — шар) — это газовая оболочка Земли, которая простирается от ее поверхности более чем на 1500 км. Суммарная масса воздуха огромна и составляет 5,5 × 1015 тонн (нетрудно определить, что на одного живущего человека приходится около миллиона тонн воздуха). Высота ближайшей к Земле части атмосферы — тропосферы, в которой сосредоточено 80 % массы воздуха, составляет всего 10 км.

Основные компоненты воздуха у поверхности Земли — это азот (приблизительно 75 % по массе), кислород (23 %), аргон (1,3 %), углекислый газ (0,05 %).

В ничтожно малых количествах (от тысячных до миллионных долей процентов) в тропосфере также присутствуют криптон, ксенон, гелий, водород, окислы азота, озон, метан, аммиак, пары ртути и многие другие газы. Кроме того, в приземном слое воздуха постоянно находится большое количество взвешенных твердых частиц, среди которых есть и микроскопические формы жизни: вирусы, бактерии, споры грибов, пыльца растений.

Состав атмосферы — это результат эволюционных процессов в недрах Земли и на ее поверхности, причем решающим фактором была деятельность зеленых растений, животных и микроорганизмов. Баланс этого состава поддерживается фотосинтезирующими растениями как источником кислорода и животными как его потребителями. Различные газовые примеси поставляются в атмосферу гниением органических остатков и вулканической деятельностью.

В природной атмосфере практически всегда есть движение воздуха. Полнейший штиль, когда не шелохнется ни один листок, бывает крайне редко. А колыхание листьев становится заметным при скорости воздушного потока больше 0,5 м/с (то есть 1,8 км/час). Кроме того, человек вне помещения обычно и сам не стоит на месте. Поэтому на открытом воздухе респираторный отброс дыхания тут же уносится от лица и каждый новый вдох приносит в легкие действительно новый воздух.

Задача любого помещения сводится к защите его обитателей от неблагоприятных внешних условий: ветра, осадков, изменений температуры и освещенности. Если окна и дверь не открыты настежь или помещение не оборудовано принудительной вентиляцией, то воздух в нем практически неподвижен. В таких условиях с каждым новым вдохом в легкие попадает и часть воздуха из предыдущего выдоха. Если вы находитесь в большой комнате, то отброс дыхания растворяется в воздухе, не создавая в нем ощутимой концентрации выведенных из организма веществ. Если же объем помещения мал, оно плохо проветривается, да к тому же в нем находится много людей, то довольно скоро дышать им становится тяжело. Мы так и говорим: тяжело дышать, кислорода мало.

На самом деле, при большом скоплении людей тяжело дышать совсем не оттого, что в воздухе стало заметно меньше кислорода и больше углекислого газа. Причина состоит в повышении концентрации так называемых метаболитов (отходов обмена веществ в организме), выведенных через дыхательный аппарат. Понятно, что метаболиты выводятся из организма, так как они либо просто не нужны ему для жизнедеятельности, либо даже вредны.

Природа наделила человека способностью ощущать присутствие в воздухе нежелательных веществ. Главный «газоанализатор» — это обоняние. Если в воздухе плохо пахнет, мы инстинктивно стремимся покинуть место с неприятным запахом. Однако запах, который мы ощущаем, сам по себе далеко не всегда несет информацию о вреде или пользе вещества, которое его источает. О том, какое отношение обоняние имеет к предмету данной книги, я подробнее расскажу в разделе «Зачем человеку нос». Здесь же необходимо отметить, что не только обонятельный анализатор способен оценивать состав вдыхаемого воздуха. По всему пути его прохождения от носовой полости до разветвлений бронхов в слизистых оболочках стенок есть нервные окончания. Нервные рецепторы реагируют на температуру воздуха и его химический состав. Сигналы этих рецепторов поступают в центральную нервную систему и служат для регуляции дыхательной деятельности.

Если рецепторы фиксируют присутствие в воздухе вредных для организма веществ, дыхательный центр мозга реагирует на это включением защитного безусловного рефлекса «не дышать». Но вообще не дышать человек не может. Достаточно быстро от рецепторов сердечной мышцы в мозг поступает другой тревожный сигнал: «в крови недостаток кислорода».

Еще в древней Греции выдающийся врач и естествоиспытатель, один из основоположников античной медицины Гиппократ (460–377 гг. до н. э.) установил, что горный и морской воздух не только благотворно влияет на человека, но и способен исцелить его от многих болезней. Это дало врачам основание заставлять своих больных больше находиться на открытом воздухе и совершать длительные прогулки. В античной же древности были изобретены «аэрарии» — площадки, на которых собирались больные, чтобы подвергать свое тело действию внешнего воздуха. Эти аэрарии сохранились в руинах древних городов и до наших дней.

Попытки связать целебные свойства воздуха с электрическими явлениями относятся к началу ХVІІІ в., когда была изобретена электростатическая машина.

В это время широкое распространение получил способ лечения «франклинизация», названный так по имени его изобретателя Б. Франклина. Состоял он в следующем: один полюс электростатической машины соединялся с металлическим листом, на котором стоял стул с сидящим на нем человеком, а другой полюс подводился к висевшим над его головой двум металлическим дужкам, расположенным крест-накрест и снабженным несколькими остриями. При работе электростатической машины по телу больного протекал электрический ток. Этот способ применялся для лечения многих заболеваний, однако без учета полярности напряжения на остриях. Вскоре было замечено, что разные полярности оказывают различное влияние на организм. Но должное внимание этому факту тогда не уделили, и дать ему объяснение не пытались.

В середине ХVІІІ в. влияние атмосферного электричества на человека изучал М. В. Ломоносов. Он предполагал, что «…все болезни происходят от неспособности соков в теле нашем воспринимать атмосферное электричество». От взора гения не укрылось изменение самочувствия человека до и после грозы. Перед грозой случались приступы мигрени и апоплексические удары, а после грозы — думалось легко, «душа пела».

Окончательно связь между электричеством и живым организмом была доказана работами итальянского физиолога Л. Гальвани. В 1791 г. в «Трактате о силах электричества при мышечном сокращении» Гальвани описал сокращение во время грозы отделенной от тела лягушачьей лапки. Гальвани ошибся: не гроза была причиной подергиваний препарированной лапки, а ее контакт с разнородными металлами проволочек, на которых она висела (что и подсказало в 1801 г. А. Вольта идею создания гальванического элемента — вольтова столба). Но сути дела это не меняло.

В связи с возросшим в последние годы интересом к аэроионам об Александре Леонидовиче Чижевском написано достаточно много. Тем не менее есть смысл хотя бы вкратце обрисовать его жизненный путь, поскольку имя Чижевского занимает одно из мест в ряду выдающихся умов человечества. При этом результаты исследований А. Л. Чижевского интересно рассматривать в контексте его жизнеописания, так как он был весьма разносторонним ученым. Недаром на первом Международном конгрессе по биофизике и космической биологии в Нью-Йорке профессора Чижевского назвали «Леонардо да Винчи ХХ века».

Александр Чижевский родился 26 января 1897 г. в местечке Цехановец Гродненской губернии. Его отец, Леонид Васильевич, был кадровым офицером и в годы первой мировой войны дослужился до генерал-майора.

Надо сказать, что и прадед будущего ученого, Никита Васильевич, был незаурядной личностью. Он являлся прямым потомком бежавшего из Польши в XVІ в. графа Яна Казимира Чижевского, прожил 111 лет, поучаствовал за эти годы в сотне сражений, в том числе и в битвах великого Итальянского похода Суворова. Близким родственникам Чижевских был герой Крымской войны адмирал П. С. Нахимов. Кстати, отец Александра внешне был очень похож на великого флотоводца.

Но в отличие от своих предков Александр не пошел по военной линии. Наверное, потому, что с детства был очень любознателен и всесторонне развит. К моменту окончания в 1915 г. Калужского реального училища он уже сформировался как исследователь с энциклопедическими знаниями и чрезвычайной трудоспособностью. В этом же году Чижевский выступает с докладом «О солнечнобиосферных связях» в Московском археологическом институте.

Вообще, вся его дальнейшая жизнь — это непрерывная учеба и попытки реализовать свои возможности в различных областях человеческих знаний. Здесь была литература всех времен и народов, античная история, археология, математика, природоведение.

Исследования Чижевского продолжались более сорока лет и представляют собой вереницу экспериментов, которые рождали огромное количество вопросов, попытки найти на них ответы, новые вопросы и т. д.

Вопросов рождалось все больше, но открытия в области химии, физики, биологии и медицины, которые в ХХ в. сыпались как из «рога изобилия», на многие из них давали ответы. Тем не менее попытки Чижевского добраться до глубинных механизмов биологического действия аэроионов были безуспешными. Понять, что же происходит на биофизическом, биохимическом и биомолекулярном уровнях, — значило увидеть перспективы аэроионотерапии, а может быть, и получить возможность увеличить срок жизни человека. Вспомним, что в опытах Чижевского при искусственной ионизации воздуха мыши вырастали гораздо более сильными и жили в среднем на 40 % дольше.

Ученики Чижевского пытались развить высказанную им гипотезу каталитической активности аэроионов. Поводом к этому послужило открытие механизма биологического действия витаминов.

Оказалось, что витамины способствуют ускорению определенных биохимических реакций, то есть ведут себя как биокатализаторы. Именно в это время (начало 50-х) и появилось известное сравнение «аэроионы — витамины воздуха».

Однако развитие науки о ферментах — энзимологии — показало, что эволюция жизни на Земле шла по пути создания конкретных ферментов для конкретных реакций, а не использования существующих в неживой природе веществ. В подавляющем большинстве ферменты представляют собой сложные белковые молекулы, в которых маленький их кусочек — активный центр — служит катализатором. Что касается витаминов, то они являются вспомогательными веществами (коферментами), которые обеспечивают активность определенных ферментов. Крайне редко биокатализаторами могут быть ионы металлов — железа, меди, молибдена и т. д. Но они работают как катализаторы и в пробирке. Отрицательно заряженные ионы кислорода вне организма какой-либо каталитической активности не проявляют.

К началу 90-х гг. прошлого столетия биологи достаточно полно представляли себе роль активных форм кислорода в жизнедеятельности организмов. Роль эта двояка и в общих чертах сводится к следующему.

С одной стороны, АФК являются побочным продуктом ряда биохимических реакций с участием атмосферного кислорода. Они обладают высокой химической активностью и способны повреждать все структурные элементы живой клетки.

Многоклеточные организмы имеют антиоксидантную систему, которая защищает ткани от разрушающего действия АФК. Первым эшелоном этой защиты служит фермент супероксиддисмутаза. Он нейтрализует самую простую форму АФК — однозарядный отрицательный ион кислорода (или, по биохимической терминологии, супероксид анион радикал) и переводит его в менее активную перекись водорода. Фермент СОД в живых организмах присутствует во всех клетках, их элементах и в межклеточном пространстве. Его исключительно высокая каталитическая активность обеспечивает эффективную защиту клеток от разрушающего действия супероксида.

Вторым эшелоном антиоксидантной защиты является фермент каталаза, который разлагает перекись водорода на воду и молекулярный кислород. Этот фермент также высокоактивен, но, в отличие от СОД, он не распространен в организме повсеместно, но сосредоточен он в специальных клеточных органеллах — пероксисомах. Содержание каталазы неодинаково для различных тканей. Так, например, в крови человека избыток каталазы. Поэтому при обработке ран перекисью водорода кровь вспенивается от выделяющегося кислорода. Необходимости в «вездесущности» каталазы нет по той причине, что перекись водорода относительно малоактивна, а кроме того, она принимает участие в ряде нужных организму реакций. Например, перекись водорода служит резервным источником кислорода для тканевого дыхания. У китов и дельфинов такой механизм получения кислорода используется при нырянии на большие глубины. Кроме того, перекись участвует в синтезе некоторых гормонов, совместно с каталазой окисляет такие яды, как фенол, формальдегид, муравьиная кислота и алкоголь.

Та часть перекиси водорода, которую не разложила на кислород и воду каталаза, может участвовать в другой реакции разложения. Ее катализатором служат присутствующие в клетках ионы двухвалентного железа. Такой катализатор в миллион раз менее активен, чем каталаза. К тому же он работает по иной схеме, в которой возможен разрыв одной молекулы перекиси водорода на два гидроксильных радикала. Последние химически агрессивны и способны не только оторвать атом водорода у любой биомолекулы, тем самым повредив ее, но и запустить целую цепь таких повреждений. Именно гидроксильный радикал — та форма АФК, которая вносит основной вклад в старение организма. Для нейтрализации гидроксильных радикалов служит еще один антиоксидантный фермент — глутатионпероксидаза. Он также очень активен и присутствует во всех клетках.