Джессика Браун - Поговорим о дыхании. Дар, который мы не ценим

В пятидесятые годы прошлого века рекламные щиты на въезде в курортные городки зазывали «здоровым, богатым озоном» воздухом. Сегодня многие мобильные приложения предупреждают: озон в повышенной концентрации вызывает кашель, головные боли, одышку, заставляет слезиться глаза. При попадании в легкие он может изъязвить легочные ткани. Растения тоже страдают от избытка озона: листья обвисают, иголки желтеют. Автомобили не исключение: металл и резина поддаются его воздействию. Этот агрессивный газ образуется в ближнем к поверхности земли слое атмосферы, когда солнце печет достаточно сильно, чтобы отщепить от молекулы диоксида азота один атом кислорода. Оказавшись свободным, тот прикрепляется к соседней молекуле кислорода, и таким образом образуется приземный озон, который еще называют летним смогом. В городах основными загрязнителями воздуха диоксидом азота являются старые дизельные двигатели. И по иронии судьбы окись азота, также содержащаяся в выхлопных газах транспортных средств, помогает расщеплять озон. Пока озоновое загрязнение в городах снижается до минимума, дующие ветра подхватывают его и разносят по пригородам. Так что «Добро пожаловать в богатое озоном местечко!» — которое противопоказано астматикам, пожилым людям и маленьким детям.

«Если путешествовать по суше с Мизенского мыса в Неаполь, то посередине цепи потухших вулканов увидишь Гротта-дель-Кане… — гласит "Лексикон бесед для дам", образовательное издание XIX века. — Из грота беспрерывно изливаются потоки углекислого газа, и все живые существа задыхаются здесь, если их поместить на испускающее его дно. Из-за того, что чаще это проделывают с собаками, пещера и получила свое название». Действительно, Гротта-дель-Кане — по-русски «Собачья пещера» — со времен античности пользовалась популярностью среди путешественников. Впервые упомянутая Плинием Старшим, эта расщелина на Флегрейских полях веками привлекала туристов «дыханием смерти»; ее одурманивающее воздействие возбуждало их любопытство. Желающие могли за умеренную плату взять у находчивых торговцев собачку напрокат, чтобы самолично произвести опыт, — жестокая забава, запрещенная властями только перед началом Второй мировой войны. Пещера длиной около девяти метров является мофетой — местом выхода углекислого газа. Ее можно представить как лежащую бутылку: в нижней части собирается насыщенный двуокисью углерода воздух, на уровне горлышка и выше воздух легче, с б о льшим содержанием кислорода. В Гротта-дель-Кане углекислый газ достигает почти метра в высоту. В то время как животные и маленькие дети через пару минут теряют сознание и только снаружи приходят в себя, взрослые лишь на корточках ощущают его воздействие: головокружение, боль в ногах, обильное потоотделение, учащенное сердцебиение.

Диоксид углерода не имеет ни цвета, ни запаха и обладает лишь легким кислотным привкусом. Это четвертый по концентрации газ в земной атмосфере. Однако в воздухе, который мы принимаем с одним вдохом, его доля ничтожна, а вот на выдохе концентрация увеличивается более чем в сто раз и составляет около четырех процентов. Диоксид углерода не ядовит. Он образуется от обмена веществ в организме людей и животных, от брожения разных продуктов, от разложения или горения ископаемых горючих веществ. Опасным он становится, лишь когда вытесняет кислород (как в «Собачьей пещере»). В 1986 году в Камеруне это привело к катастрофе. Вскоре после захода солнца Ниос, кратерное озеро в обрамлении зеленых холмов, внезапно загудело. Позже свидетели описывали шипящий фонтан, на двадцать секунд поднявшийся из воды. Затем он сгустился в белое облако диаметром примерно сорок пять метров, которое расползлось над озером. Оно состояло в основном из углекислого газа. Со скоростью шестьдесят километров в час газ опустился в прохладные долины и поглотил множество деревень. Свыше 1700 человек задохнулись во сне или погибли, потеряв сознание при бегстве. Пали замертво также коровы, козы, мыши и насекомые. Выжившие очнулись с сильными головными болями и тошнотой — в мертвой тишине окружающего мира. Даже жужжания мухи не слышно. До сих пор точно не известно, что привело озеро в движение.

«Докладчик на сцене, выступающий последним на трехчасовом заседании, не может быть уверен, что его речь получит подобающее внимание публики», — записал Антуан Лавуазье. Он признавал расслабляющий эффект диоксида углерода. А открыл его шотландский медик, химик и физик Джозеф Блэк, один из профессоров вышеупомянутого Даниеля Резерфорда. Между 1752 и 1754 годами, будучи еще студентом, Блэк находится в поисках лекарства, способного растворять камни в почках, поскольку удаление их оперативным путем в его время являлось делом хоть и привычным, но брутальным. Обезболивающие средства еще не были найдены. В поисках более мягкого решения проблемы он экспериментирует с карбонатом магния. Ошибочно он полагает, что при нагревании тот становится легче, однако потерю массы не объясняет общепринятая тогда флогистонная теория. В игру, должно быть, вступило другое вещество. Блэк называет его «связанным воздухом». В диссертации, которую он подает на защиту в 1754 году, этот «связанный воздух» — диоксид углерода — описан впервые. Двумя годами позже двадцативосьмилетний Блэк получает кафедру в Глазго. К вящей радости студентов. Ведь новый профессор — тот еще затейник! На лекциях по химии он наполняет шары выделенным водородом и запускает их в воздух; зрители, никогда не видевшие летающих шаров, считали это фокусом. Или он «заливал» свечи из сосуда, заполненного углекислым газом.

Но не только студенты извлекали пользу из того, что приходило Блэку в голову. Профессор не получает содержания от университета, его лекции оплачивают непосредственно студенты, причем на лекциях Блэка аудитория всегда была так полна, что воздух застаивался. Не это ли натолкнуло его на мысль, что описанный им «связанный воздух» человек выдыхает? Если в помещение на продолжительное время набивается много людей, то концентрация углекислого газа в воздухе повышается. А вот умственная концентрация падает. То, что в свое время Блэк мог только предполагать, экспериментально доказали в 2012 году ученые из группы психолога Уши Сатиш в Нью-Йоркском университете. Они рассаживали испытуемых в помещениях с бóльшим или меньшим содержанием углекислого газа в воздухе и предоставляли в их распоряжение компьютерные игры. При повышенной концентрации диоксида углерода способность испытуемых принимать быстрые решения падала в большинстве случаев.

Джозеф Блэк не знает больших офисных помещений. Но знаком со свидетельствами из Гротта-дель-Кане в Италии и делает свои выводы. Незадолго до начала церковной службы он тайно помещает сосуд с известковой водой в стропилах одной из церквей Глазго. Пока около полутора тысяч верующих поют и молятся, раствор, капая на тряпку, вступает в реакцию с воздухом: так называемый опыт с известковой водой многие учителя химии и сегодня демонстрируют на уроках, чтобы обнаружить углекислый газ. К концу десятого часа служба заканчивается — шотландцы чрезвычайно щепетильно относились к богослужению, — и Блэк мог проверить свое экспериментальное устройство. На тряпке образовалось изрядное количество карбоната кальция.