«Теперь – пируем!» – призывал древнеримский поэт Гораций в I веке до нашей эры. Он был мудрее, чем его предшественник Алкей, чья лира семью веками ранее восхваляла радость опьянения: «До забвения пей со мной»[13]. Прежде чем рассмотреть физические свойства алкогольных напитков, кратко вспомним историю виноградарства и виноделия.
Химики по случаю
По легенде, вино появилось при дворе персидского царя за несколько тысячелетий до нашей эры. Одна разочарованная жизнью дама решила покончить с собой. По совету жреца она выпила странную жидкость, образовывающуюся на дне больших бочек, в которых хранили виноград. Однако в результате ее депрессия вдруг отступила, а мрачные мысли уступили место радости! Выявленные таким образом достоинства этого напитка побудили царя, в свою очередь, попробовать его, а затем и начать пить вино регулярно. Это случайное открытие получило известность, а впоследствии виноградарство и потребление вина приобрели множество последователей во всем мире. Древние греки воспевали вино, поклоняясь богу Дионису, которого позже в древнеримской мифологии заменил Бахус (или Либер) (илл. 1). Они знали, что вино обладает целебными свойствами как при непосредственном употреблении, так и в качестве антисептика при врачевании ран. Христиане тоже наделили вино важной ролью, поместив его в центр религиозного таинства.
1. Фрагмент мозаики «Икарий и Дионис» из атриума дома Диониса (Пафос, Кипр). Бог виноделия Дионис (слева) и нимфа Акме с чашей вина
Каким же чудом виноградный сок превратился в вино при дворе персидского царя? Сами того не зная, античные химики-любители открыли алкогольную ферментацию – химическую реакцию, которая превращает сахар (см. главу 18, «Сахара, крахмал и углеводы») в алкоголь, то есть вещество, в молекуле которого углерод связывается с группой OH. В виноградном соке эта химическая реакция происходит с помощью микроорганизмов: обитающие на кожице винограда дрожжи под названием Saccharomyces cerevisiae преобразуют в спирт содержащиеся в ягодах природные сахара. Брожение простейшего моносахарида, глюкозы (и ее изомера фруктозы), приводит к возникновению этанола C2H5OH и углекислого газа CO2:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2.
Для химиков вино, как и любой алкогольный напиток, представляет собой главным образом смесь воды и этанола. Однако оно содержит и множество других соединений в небольшой пропорции (до 2000 различных молекул). Именно они и придают вину его вкус и цвет.
Искусство виноделия
Искусство винодела – нелегкий труд. Основная сложность заключается в том, что в присутствии кислорода алкоголь легко окисляется и превращается в уксусную кислоту CH3COOH. Другими словами, вино превращается в уксус! Римские агрономы и естествоиспытатели, такие как Колумелла и Плиний Старший, оставили рецепты, как это предотвратить. Например, они рекомендовали покрывать амфоры смолой – вероятно, чтобы не позволить воздуху просочиться в сосуд. Современные бутылки имеют безупречную герметичность и не нуждаются в этой сомнительной обработке, но может быть, и неплохо предотвратить проникновение воздуха через пробку с помощью слоя воска. Впрочем, хотя смолу виноградари давно уже не используют, зато часто добавляют в вино диоксид серы SO2, который обладает антиоксидантными свойствами.
Великий биолог Луи Пастер (1822–1895) весьма интересовался вином; в частности, он показал, что окисление алкоголя до уксусной кислоты происходит под влиянием бактерий. Труды Пастера подвели научную основу под методы виноградарства, которые на протяжении многих поколений виноделы совершенствовали путем проб и ошибок. Например, известно, что, для того чтобы не допустить длительного брожения виноградного сока вплоть до получения уксусной кислоты, следует вовремя отделить сусло (то есть виноградный сок, получаемый прессованием) от дрожжей. В этом и заключается основная роль фильтрации сусла. С другой стороны, ферментация – это экзотермическая реакция (то есть реакция, проходящая с выделением тепла), поэтому температура сусла может подниматься вплоть до 40 °C. Столь высокая температура может привести к испарению летучих соединений, в том числе ценных фруктовых и цветочных ароматов, которые определяют качество хороших вин. Чтобы сохранить эти природные сокровища, сегодня производители осуществляют так называемую холодную ферментацию при температуре около 18 °C. Химические реакции при этом протекают гораздо медленнее: процесс ферментации занимает примерно три недели вместо обычных 7–8 дней. После ферментации, чтобы удалить некоторые ненужные составляющие, следует провести холодную фильтрацию. Дело в том, что ввиду содержания алкоголя при температуре –4 °C вино еще остается жидким, в то время как упомянутые примеси при этой температуре уже затвердевают, что позволяет их легко отделить. Что же касается температуры, при которой вино начинает замерзать, то она убывает на треть градуса с каждым процентом спирта в объеме[14] (илл. 2).
2. Температура, при которой водно-спиртовой раствор начинает затвердевать, в зависимости от массовой доли этанола, выраженной в процентах. Заметим, что вплоть до объемной доли алкоголя в 93 % температура, при которой смесь замерзает, монотонно убывает и достигает значений заметно ниже температуры замерзания чистой воды (0 °C). Алкоголь – это антифриз!
Приведенные факты объясняют, почему современные винные заводы часто выглядят подобно лабораториям! Можно углубиться в эту тему, но давайте пока обсудим некоторые физические свойства самого вина.
«Винные слезы»
Если осторожно вращать бокал вина, немного его наклоняя, чтобы намочить стенки, то можно наблюдать любопытное явление (см. главу 14, врезку «Условия появления «винных слез»). Внутри бокала образуется винная пленка, с верхнего края которой стекают вязкие капли, называемые «винными ножками», или «винными слезами» (илл. 3). Эти капли медленно стекают по стеклу, и вместо них возникают новые. Это необычное явление связано с тем, что спирт более летуч, чем вода: его молекулы испаряются из этой тонкой и широкой области гораздо быстрее, чем молекулы воды. В результате поток жидкости ползет по стеклу вверх, чтобы эту убыль компенсировать. И дело тут не только в выравнивании концентраций, но, как заметил в 1865 году итальянский физик Карло Марангони, и в минимизации поверхностной энергии пленки, так как поверхностное натяжение воды выше, чем у алкоголя (см. таблицу в главе 6).
Так что же происходит с этим восходящим потоком? На определенной высоте сила, связанная с градиентом коэффициента поверхностного натяжения, тянущая пленку вверх, и сила тяжести уже поднятого объема пленки уравновешиваются. Пленка перестает подниматься, поступающая жидкость накапливается в венчике, образующемся по периметру бокала. Подобно тому как поток жидкости из крана разбивается на капли, так, из-за неустойчивости Рэлея – Плато (см. главу 6, «Капающий кран»), оказывается неустойчивым и этот венчик. Вдоль него образуются более толстые и более тонкие области, что приводит к нарушению равновесия: жидкость из первых проливается вниз, и вино «слезится», стекая по поверхности бокала. При этом восходящий поток жидкости постоянно подпитывает венчик, так что процесс продолжается до тех пор, пока концентрация алкоголя в вине остается достаточной.
3. «Винные слезы», также называемые «винными ножками»
Пузырьки шампанского
Шампань – самый северный из винодельческих регионов Франции. Уже в Средние века здесь производили вино: красное, не игристое и, вероятно, не очень хорошее. В этом холодном климате процесс брожения (ферментация алкоголя) часто останавливался уже в середине осени, прежде чем содержащийся в винограде сахар полностью потреблялся дрожжами, активность которых возобновлялась лишь весной. К тому времени вино уже оказывалось в бутылках. Таким образом, создаваемый в процессе брожения углекислый газ в них накапливался и создавал избыточное давление, которое могло даже разорвать бутылку! Благодаря монаху-бенедиктинцу по имени Дом Периньон (1639–1715) виноделы Шампани научились использовать эту вторую ферментацию во благо, для создания знаменитого игристого вина – шампанского. Сегодня после проводимого в бочках первого брожения вина его повторное брожение вызывается искусственно, посредством добавления в него так называемого тиражного ликера – смеси виноградного или тростникового сахара, дрожжей и вина. Вино с добавлением этой смеси помещается в толстую, прочную и плотно закрытую бутылку. Через несколько месяцев на ее стенках начинают откладываться мертвые дрожжи – признак того, что вторичная ферментация завершается и добавленный сахар уже переработан в алкоголь и углекислый газ. В течение этапа выдержки, который может длиться до трех лет, этот осадок участвует в формировании насыщенных ароматов шампанского. Постепенно наклоняя и периодически поворачивая бутылку (илл. 4), этот осадок перемещают к горлышку. Когда приходит время дегоржировать шампанское, то есть удалить осадок, часть его замораживают (обычно погружением горлышка в жидкий азот), а затем бутылку откупоривают: находящийся под давлением газообразный углекислый газ вытесняет осадок вместе с заледеневшей частью напитка. Наконец, в каждую бутылку добавляется «экспедиционный ликер» – смесь шампанского и сахара. Именно этот последний процесс определяет, будет ли созданное шампанское сухим, полусухим или брютом. Теперь остается только вновь закупорить бутылку, закрепить пробку с помощью проволочной уздечки – мюзле, и продать… по цене, с лихвой покрывающей затраченную работу.
При каких условиях наблюдаются «винные слезы»? Мы уже знаем, сколь фундаментальную роль для их образования играет пленка вина, возникающая при вращении бокала. Эта пленка должна быть достаточно устойчивой, следовательно, ее поверхностное натяжение не должно быть слишком большим. Так, если в бокале находится чистая вода, поверхностное натяжение которой велико, то пленка не образуется. Для вина или водно-спиртового раствора поверхностное натяжение оказывается слабее, что и позволяет сформироваться пленке.
В случае водного раствора с достаточной концентрацией спирта (около 20 %), чтобы наблюдать явление винных слез, даже необязательно вращать бокал: пленка жидкости самопроизвольно ползет вверх по стенке бокала (говорят, что происходит «полное смачивание»), после чего из ее венчика начинают стекать капли. Об этом свидетельствуют два французских исследователя: Жан-Батист Фурнье и Анн-Мари Казаба.
Чтобы избежать насыщения атмосферы над бокалом парами спирта, ученые приняли меры предосторожности: спиртовой раствор наливали не в бокал, а в чашку расширяющейся формы. В атмосфере с высоким содержанием алкоголя испарение уже не происходит, или, точнее, поток испаряющихся молекул спирта компенсируется молекулами возвращающимися из паров спирта обратно в раствор. Читатель может убедиться в этом сам: если накрыть бокал, по стенкам которого текут слезы, блюдцем, то они через несколько минут исчезнут. Если же теперь блюдце снять и подуть над бокалом, чтобы разогнать пары спирта, то процесс «плача» вина можно «перезапустить».
Отметим, что эксперименты Фурнье и Казаба проводились на растворах, содержащих исключительно воду и этанол. Очевидно, что в них никак не была отражена специфика самого вина при образовании его «слез». Более подробные исследования показали, что интенсивность винных слез зависит от содержащихся в вине танинов и сахаров! И напротив, вопреки распространенному мнению, на формирование винных слез наличие в вине глицерина влияет мало.
После того как бутылка куплена, рано или поздно она будет откупорена. Эта операция обычно вызывает более или менее обильный выброс пены. По какой причине? Дело в том, что в плотно закрытой бутылке скапливается выработанный в процессе вторичного брожения углекислый газ. Давление под пробкой к концу этого этапа достигает шести-семи атмосфер! Именно столь высоким давлением и объясняются взрывы бутылок, которые происходили весьма часто, пока промышленность не начала производить достаточно крепкие бутылки. Когда бутылку открывают, то давление в жидкости резко падает до атмосферного. Напомним, что количество газа, которое может быть растворено в объеме жидкости, тем больше, чем больше ее давление. При открывании бутылки давление резко падает, предел растворимости углекислого газа в шампанском значительно уменьшается, и высвободившийся по всему объему газ, образуя пузырьки, рвется наверх. Бутылка шампанского объемом в 0,75 л содержит около 9 г углекислого газа, что при нормальным давлении и температуре соответствует 5 л газа. Даже если доля газа, участвующего в бурлении шампанского, невелика (порядка 20 %), пузырьков хватает!
4. Бросив в бокал шампанского кусочек шоколада, вы увидите, как он сперва утонет, затем, через некоторое время, всплывет, потом снова утонет… Такое движение вверх-вниз может продолжаться довольно долго
Пить игристое вино детям не рекомендуется, однако оно дает возможность их позабавить. Бросьте в бокал с шампанским кусочек шоколада, и вы увидите, как он сперва утонет, затем, через некоторое время, всплывет, потом снова утонет… Такое движение вверх-вниз может продолжаться довольно долго. Объяснение этого фокуса весьма просто: образующиеся в шампанском пузырьки облепляют кусочек шоколада и благодаря возросшей подъемной силе Архимеда (см. главу 15, «Возникновение первых пузырьков») тянут его вверх. У поверхности пузырьки лопаются, углекислый газ улетучивается в атмосферу, и более плотный, чем шампанское, шоколад снова погружается на дно бокала.
Пузырьки не только играют с шоколадом, как с мячом. Они еще и перед своей гибелью исполняют симфоническую музыку: характерный треск, который не так давно был изучен физиками с помощью очень чувствительного микрофона. Для удобства исследование проводилось на мыльной пене, которая живет дольше. Что же показали записи? Если бы пузырьки лопались в пене случайным образом, то производимый ими звук должен был бы быть похожим на шум водопада или плохо настроенного радиоприемника – случайный «белый шум», имеющий одинаковую интенсивность на всех частотах. Однако исследователи услышали нечто иное.
Каждый хлопóк, который длится около 0,001 с, обычно запускает последовательность микровзрывов, которые воспринимаются нашим ухом как единый звуковой сигнал. Даже в том случае, когда некоторые пузырьки взрываются изолированно, такие единичные сигналы человеческое ухо не улавливает. Если бы разрывы пузырьков были независимыми случайными событиями, то каждый из них происходил бы с некоторой вероятностью 1/τ на единицу времени, и в результате распределение временных промежутков t, разделяющих два хлопка, было бы сосредоточено вблизи определенной выше величины τ. Однако в случае шума пены шампанского это оказалось совсем не так: поскольку разрывы пузырьков – явление коллективное, то между последовательными хлопками имеется связь и никакого характерного времени τ между двумя разрывами пузырьков определенно быть не может.
Более того, можно доказать, что вероятность того, что время t разделяет два последовательных взрыва, оказывается пропорциональной 1/t. Этому закону подчиняются многие природные явления, например лавины и оползни. Они не имеют своего характерного времени или характерной мощности. Так лавина может вовлечь в свое движение как несколько граммов снега, так и завалить дорогу. Пусть с меньшей, но не пренебрежимо малой вероятностью.
5. После добавления небольшого количества воды пастис мутнеет: молекулы атенола образуют рассеивающие свет мельчайшие капельки
Сюрпризы пастиса
Пастис – традиционный аперитив с сильным ароматом аниса, пришедший с юго-востока Франции. Приготовление напитка на его основе очень просто, однако оно сопровождается удивительным явлением. Судите сами: заполните стакан прозрачным пастисом на треть, полюбуйтесь его красивым зеленоватым цветом, а затем добавьте такое же количество воды, очевидно, также прозрачной. И, о чудо, смесь этих двух прозрачных жидкостей дает непрозрачную, похожую на молоко смесь. Как объяснить эту загадку? Ответ кроется в составе пастиса: в основном это смесь этанола (45 %) и воды с небольшим количеством анетола (0,2 %), – экстракта семян аниса, который также добавляют в некоторые лекарства и ароматы. Анетол хорошо растворяется в спирте и, наоборот, слабо растворим в воде. В чистом пастисе концентрация спирта достаточна, чтобы молекулы анетола были растворены. При добавлении дополнительного количества воды на растворение всех молекул анетола молекул алкоголя не хватает: в результате они собираются в небольшие скопления, которые остаются взвешенными в жидкости. Таким образом, смешанный с водой пастис образует «эмульсию» (как, например, молоко, в котором взвешены скопления молекул жиров, или майонез, см. главу 21). Непрозрачность эмульсии обусловлена рассеянием на этих микроскопических капельках света (см. главу 3, «Цвет неба в хорошую погоду»): в пастисе, как и в молоке, падающий свет сильно рассеивается для всех длин волн видимого диапазона. Размер этих капелек – порядка микрометра, то есть того же порядка, что и длина световой волны. Таким образом, рассеянный свет оказывается почти белым.
Размер капелек в пастисе был определен в Институте Лауэ – Ланжевена (см. главу 22, «Исследование твердых тел с помощью дифрактометрии») путем изучения рассеяния на них нейтронов. Некоторые читатели могут заподозрить ученых в использовании исследований пастиса в качестве лишь повода для удовлетворения своего пристрастия к этому напитку… Уверяем, что это не так, поскольку изучение рассеяния нейтронов в пастисе потребовало замены обычной воды (H2O) на тяжелую (D2O), в которой вместо атомов водорода содержится его более тяжелый изотоп, дейтерий. Тяжелая вода не ядовита, но имеет плохую репутацию. Поэтому использованный для эксперимента пастис был утилизирован.
Раствор пастиса в воде – умеренно стабильная эмульсия. Если оставить стакан с ним при комнатной температуре часов на десять, то капельки анетола постепенно сольются, всплывут на поверхность, где образуют тонкую невидимую пленку. Пастис вновь станет почти бесцветным и прозрачным.
6. Принцип работы ареометра. Устройство представляет собой герметичную стеклянную полую трубку с утяжелителем внизу. Колба сужается кверху, где на нее нанесены деления. Когда устройство опускают в емкость с вином, то оно погружается больше или меньше в зависимости от архимедовой силы, на нее действующей, а следовательно, и в зависимости от плотности жидкости. Шкала на стержне нанесена так, чтобы число, оказывающееся на поверхности жидкости, показывало ее плотность
Крепость водки
Культивировать виноград в холодных регионах трудно, поэтому вместо вина алкоголь получают перегонкой яблочного сидра, как нормандский кальвадос, или из зерновых, например ячменя, кукурузы или ржи, – так изготавливают виски в Великобритании, Ирландии и США. Водка, которую некогда называли «хлебным вином», также производится на основе злаков; в России ее часто употребляют во время еды, как вино во Франции или Италии.
В наши дни водка содержит около 40° спирта. Но ее состав не всегда был четко определен. Говорят, что, когда в конце XVI века была введена монополия на производство водки и тем самым возложена ответственность за ее качество на государство, кабатчики стали эту водку безбожно разбавлять. Тем самым они увеличивали свои доходы, одновременно вызывая справедливое недовольство посетителей низким качеством напитка. Чтобы положить конец злоупотреблениям, царь Иван Грозный (1530–1584) специальным указом разрешил недовольным клиентам бить кабатчиков до смерти, если пары́ поданной водки не воспламенялись. Оказалось, что 40 %-ное содержание спирта в растворе с водой есть тот нижний предел, при котором его пары́ над поверхностью жидкости еще могут гореть при комнатной температуре. Естественно, на этой нижней границе содержания спирта в водке и остановились кабатчики, найдя таким образом компромисс между погоней за наживой и здоровьем.
Существует и более простой способ проверить концентрацию этанола в водно-спиртовом растворе: достаточно измерить его плотность, которая тем меньше, чем выше доля алкоголя. Измерение осуществляется с помощью ареометра – герметичной стеклянной полой трубки с утяжелителем внизу, которая в зависимости от плотности жидкости погружается в нее в большей или меньшей степени (илл. 6). Принцип работы устройства, вероятно, был известен и при Иване Грозном, но его реализация достаточно сложна, поэтому в те времена он не был широко распространен в России. В конце XIX века император Александр III решил заменить эмпирический критерий Ивана Грозного на точный, научно обоснованный рецепт водки. Император обратился к Дмитрию Менделееву, одному из величайших русских ученых того времени, который рекомендовал содержание спирта в 38 %, округленное впоследствии императором до 40 %. При такой концентрации спирта стакан водки может много часов стоять на открытом воздухе, и алкоголь при этом не улетучится из-за постепенного испарения.
7. Состав жидкой и газообразной фаз водно-спиртового раствора в состоянии равновесия при нормальном атмосферном давлении (101 кПа). Состав каждого состояния указывается на оси абсцисс как молярная доля спирта (которая равна количеству молекул спирта, разделенному на общее количество молекул). Чистая вода закипает при 100 °C, а чистый этанол – при 78,4° C. Между этими двумя температурами сосуществуют две равновесные фазы: например, при 85 °C в жидком состоянии молярная доля спирта около 14 %, в газообразном – около 49 %
Интересно, что существует куда более сильная концентрация, при которой водно-спиртовая смесь испаряется без какого-либо изменения содержания в ней алкоголя вообще (илл. 7). Смесь такой концентрации называется азеотропной: она соответствует спиртовому раствору крепости примерно в 96° (точнее – 93,5 %). Именно по этой причине в аптеке трудно найти более высокую концентрацию спирта, которую невозможно получить путем классической дистилляции (см. врезку «Дистилляция – метод алхимиков»).
Водку пьют охлажденной. Остудить ее в России зимой легко, особенно в Сибири, где средняя температура составляет –10 °C: достаточно ненадолго оставить бутылку на улице. Как известно, если то же самое проделать с бутылкой воды, то бутылка лопнет. При замерзании вода увеличивается в объеме почти на 10 % (см. врезку «Вода – необычная жидкость»). Почему же с бутылкой водки этого не происходит? С одной стороны, как мы видим на илл. 2, водно-спиртовой раствор концентрации в 40°, такой как водка, остается жидким при температурах значительно ниже 0 °C. Если вы для опыта поставите стакан водки в морозильник, то она останется жидкой (конечно, если ваш морозильник не охлаждается до температуры ниже –30 °C). При еще более низких температурах водка все же начинает затвердевать, но происходит это своеобразно: из нее вымораживается вода, то есть образующаяся твердая фаза представляет собой практически чистый лед. Поэтому остающаяся жидкость становится более насыщенным водно-спиртовым раствором и продолжает оставаться жидкой при еще более низких температурах! Таким образом, температура жидкой фазы будет продолжать понижаться до тех пор, пока не сравняется с температурой морозильной камеры. Полностью она перейдет в твердое состояние лишь при температуре порядка –120 °C, которая не наблюдается даже в Антарктиде!
Алхимики были предшественниками современных химиков. Одно из их блестящих изобретений – дистилляция, которая позволяет производить крепкие напитки из вина, или, в более общем плане, разделять жидкую смесь на отдельные компоненты. Рассмотрим илл. 7: при заданной температуре, например 85 °C, вещество в газообразном состоянии, находящееся в равновесии с жидкостью, оказывается намного более насыщенным спиртом. Чтобы увеличить крепость жидкости (например, вина), достаточно просто нагреть его и позволить образовавшемуся пару уйти в холодную емкость, где он сконденсируется. Для практической реализации этого процесса используют так называемый перегонный куб (см. илл.). Например, если постепенно нагревать водно-этаноловую смесь с молярной долей спирта 0,2, то она начинает испаряться при 83,5 °C. Молярная доля спирта в паре уже составит 0,54, и такое же значение будет уже в первых каплях дистиллята. По мере того как испарение продолжается, температура смеси увеличивается и алкоголя становится меньше в обеих фазах, следовательно, уменьшается и концентрация алкоголя в собранной жидкости. Поэтому процесс следует вскоре остановить, пока пар все еще насыщен спиртом.
После первой дистилляции вина получают довольно крепкий самогон. Путем нескольких перегонок получают все более и более концентрированный раствор. Однако его концентрация не может превысить концентрации азеотропной смеси в 96°, или молярной доли 90 %. Для последней пар имеет тот же состав, что и жидкость: восстановленный дистиллят при этом имеет ту же концентрацию, что и нагретый раствор. Применение перегонки не ограничивается производством ликеров: например, в Провансе распространены эфирномасличные предприятия по обработке лаванды. Ароматные эфирные масла, содержащиеся в растении, посредством водяного пара концентрируются в перегонном кубе, что и позволяет их извлечь.
Принцип дистилляции в перегонном кубе. Сначала нагревают емкость с подлежащей перегонке смесью (например, вином). В верхней части емкости концентрируется насыщенный спиртами пар. Затем этот пар постепенно охлаждается в окруженном холодной водой змеевике. В результате на конце змеевика накапливается жидкость – дистиллят
А что произойдет, если поставить в морозильник бокал вина, в котором концентрация этанола намного ниже? В этом случае вино перейдет в состояние, похожее на твердое тело, однако, надавив на него пальцем, вы убедитесь, что это не совсем так. На самом деле это множество ледяных зерен, окруженных более концентрированным по сравнению с вином раствором алкоголя. Эта жидкость прилипает к зернам льда, и ее нелегко отделить. Поэтому кристаллизация не является удобным способом повысить концентрацию алкоголя в напитке – предпочтительнее дистилляция.
8. Смертность от сердечно-сосудистых заболеваний в различных странах в зависимости от среднесуточного потребления животных жиров. Во Франции эта величина оказывается аномально низкой: так называемый французский парадокс
Вино, употребление алкоголя и здоровье
В этой главе мы затронули физические и химические свойства вина, а также поговорили о его месте в нашей цивилизации и о радости, которую оно может принести в нашу жизнь. Чтобы подвести итог, добавим несколько слов и о его влиянии на здоровье. Последствия чрезмерного употребления алкоголя крайне серьезны и хорошо известны: цирроз печени, рак, психические заболевания, дорожно-транспортные происшествия… А что насчет умеренного употребления?
«Вино по праву можно считать самым полезным и здоровым напитком», – писал Пастер в 1866 году в книге, посвященной болезням вина[15]. Но его утверждение не могло основываться на реальных статистических данных: многие из них были получены только в конце XX века. Сегодня этим занимается эпидемиология – наука, роль которой заключается в изучении влияющих на здоровье и возникновение болезней факторов (а не только эпидемий).
Статистические данные из проекта под названием Monica[16] были опубликованы в 1992 году в известном медицинском журнале Lancet. Они освещались и в обычных СМИ, поскольку вывод был неожиданным: вино благотворно влияет на здоровье… если рассматривать его влияние исключительно на сердечно-сосудистые заболевания! На илл. 8 показана смертность от этих заболеваний в зависимости от количества потребляемых животных жиров в различных странах. Корреляция очевидна: чем больше в рационе животного жира (следовательно, холестерина), тем выше смертность от сердечно-сосудистых заболеваний. Рост смертности – практически линейный, точки расположены почти на одной прямой. Тем не менее одна из них резко выбивается из графика: она соответствует Франции! Французы едят довольно много масла и сыра, но их смертность от сердечно-сосудистых заболеваний относительно невелика (тем не менее она остается второй по распространенности причиной смерти после раковых заболеваний). Например, на иллюстрации видно, что французы потребляют жира даже больше, чем англичане, однако сердечные приступы для них заканчиваются смертью в четыре раза реже!
Плотность льда при обычном давлении составляет 917 кг/м3, тогда как плотность воды составляет порядка 1000 кг/м3. Свойство воды занимать в твердом состоянии больший объем, чем в жидком, можно назвать исключительным: для большинства веществ все наоборот. Например, металлы при плавлении увеличиваются в объеме примерно на 3–4 %. Такое свойство воды объясняется атомной структурой льда (см. илл.): в ней имеются лакуны, в которых можно было бы разместить другие молекулы воды. Когда вода переходит из твердого агрегатного состояния в жидкое, химические связи ослабляются, и под воздействием давления (например, атмосферного) молекулы используют это свободное пространство, чтобы немного придвинуться друг к другу. Для того чтобы лакуны заполнялись наиболее плотно, следует даже немного нагреть воду: максимальную плотность она имеет при температуре около 4 °C. При более высоких температурах вода при нагревании начинает расширяться, как и подавляющее большинство тел; но при нагревании между 0 и 4 °C она сжимается!
При нормальном давлении лед принимает форму достаточно рыхлой гексагональной решетки. В вершинах шестиугольников, изображенных на иллюстрации слева, находятся атомы кислорода. По бокам, как показано на иллюстрации справа, находятся атомы водорода. Каждый атом кислорода имеет четыре соседних атома водорода, два из которых очень близки (образуя таким образом молекулу воды), а оставшиеся два отдалены (они принадлежат двум различным молекулам воды). Атомы водорода очень малы, и пространство в основном заполнено атомами кислорода. Каждый атом кислорода имеет только четырех соседей, а не 12, как это имеет место при компактной упаковке (см. главу 8, «Если бы мир был плоским…» и далее)
Американский телеканал CBS первым из СМИ обратил внимание на эти результаты. В 1992 году они были представлены под броским названием «Французский парадокс». Следует ли объяснять его ежедневным употреблением красного вина, которое распространено во Франции? Проведенные исследования привели к выводу о том, что умеренное употребление вина (порядка двух бокалов в день) действительно приводит к снижению риска сердечно-сосудистых заболеваний (илл. 9). Согласно опубликованным работам, наиболее эффективным оказывается красное вино благодаря некоторым веществам из примерно 2000, содержащихся в нем. В частности, внимание исследователей привлекли фитоалексины, а особенно полифенолы, такие как ресвератрол, который благодаря своим антиоксидантным свойствам обладает благотворным действием на сердечно-сосудистую систему.
9. Относительные риски смертности от заболеваний кровеносной системы в зависимости от количества усваиваемого алкоголя x (в граммах в день) по сравнению с непьющими. Так, при умеренном потреблении (между 15 и 20 г/день) риск умереть от заболевания кровеносной системы на 3 % ниже, чем для людей непьющих. График построен авторами на основе эпидемиологических данных по Франции за 2009 год (согласно S. Guérin, A. Laplanche, A. Dunant, C. Hill, European Journal of Public Health du 4 mars 2013, p. 1)
Однако не все болезни сердечно-сосудистые! При рассмотрении заболеваний печени, например цирроза, а также некоторых видов рака, например рака горла или пищевода, польза от употребления вина, даже в умеренных количествах, сомнительна.
И все же вино имеет свои достоинства. Оно помогает справляться с малыми и большими бедами нашей жизни и повышает общительность. Конечно, если только им не злоупотреблять, как напоминает песня:
Boire un petit coup c’est agreable
Boire un petit coup c’est doux
Mais il ne faut pas rouler dessous la table…[17]
Чтобы «немного выпить» было приятно, вино должно быть хорошим! Знания и опыт виноделов этому лучшая гарантия. В этом можно убедиться, посетив винодельческие регионы, которые часто богаты и историческими достопримечательностями (илл. 10). Физика тоже способствует улучшению вина: например, методы ядерного магнитного резонанса раскрывают состав и происхождение соединений и добавок (см. главу 27, врезку «Несколько слов о прецессии»).
10. Замок Шинон, департамент Эндр и Луара. Здесь в 1429 году Карл VII приветствовал Жанну д’Арк. У подножия Шинона несколько десятилетий спустя родился Франсуа Рабле. Замок находится в самом сердце винодельческого региона, прославленного в «Гаргантюа и Пантагрюэле»