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».
1905. Колонка Цвета
Описанная в предыдущей главе попытка делить науки на «свои» и «чужие» касается не только студентов. Часто можно наблюдать, особенно ближе ко времени вручения Нобелевской премии, сетования химиков-синтетиков о том, что Нобелевский комитет игнорирует настоящую химию (каковой, по мнению синтетиков, может быть только синтетическая органическая или элементоорганическая химия), вручая премии за биохимию ученым, которые совсем даже не химики, а в лучшем случае молекулярные биологи, а может и вообще физиологи.
То ли было дело, когда Премию получали творцы синтеза — Гриньяр, Хек, ну или просто химики, а не изобретатели флуоресцентной наномикроскопии или криоэлектронной микроскопии. Между тем, «настоящая химия» не отступает, и даже не перегруппировывается, она уверенно входит в биологию и другие области, которые ранее не считались химическими (а еще раньше единственным достойным делом для [ал]химика была трансмутация, а не органический синтез). Между тем, хотелось бы напомнить синтетикам, что один из важных химических методов, в том числе позволяющих им без проблем разделить сложные смеси продуктов реакции, разработал ботаник, пытающийся понять, как протекает фотосинтез.
Михаил Семёнович Цвет родился в итальянском городе Асти в 1872 году. Его отцом был русский подданный, по долгу государственной службы работавший в Италии, а матерью — родившаяся на земле Турции итальянка, ради брака с отцом Михаила принявшая православие и известная как Мария Николаевна де Дороцца-Цвет. Цвет рано потерял мать, после смерти которой его отец переехал в швейцарскую Лозанну, где кроме французского языка Михаил освоил и русский. Михаил изучал ботанику в Университете Женевы и получил степень бакалавра за работу, в которой он предложил наличие связи между работой белков и хлорофиллом. В 1896 году отец Михаила получил назначение в Санкт-Петербург, и Михаил последовал за ним. В те времена Российское образование и наука были на таком уровне, что диплом Университета Женевы не котировался в нашей стране (видимо потом кто-то раздавил не ту бабочку, и за сто лет всё перевернулось), и для подтверждения своей квалификации, достаточной для работы в высших учебных заведениях Российской Империи, Цвету пришлось проходить дополнительные экзамены и защищать магистерскую диссертацию. Тема диссертации была «Физико-химическое строение хлорофилльного зерна», а её защита, равно как и экзамены, проводилась в Казанском университете. После успешного подтверждения квалификации Михаил Цвет высочайшим повелением был утверждён на должность ассистента кафедры анатомии и физиологии растений в Варшавском университете.
В Варшаве Цвет воспроизводил эксперименты Джорджа Габриеля Стокса и Генри Клифтона Сорби, выделивших несколько соединений из растительных экстрактов, используя различную растворимость выделенных соединений в разных растворителях. Надеясь нейтрализовать кислые компоненты, которые могли способствовать разрушению пигментов, Цвет перемешивал гексановый экстракт, выделенный из листьев, с мелко раздробленным карбонатом кальция. Он быстро обнаружил, что к карбонату прилипают все пигменты, кроме каротина. Выделив частички карбоната кальция с осадившимися на них пигментами и обрабатывая их порциями этанола, Цвет смог добиться контролируемого отделения всех других компонентов экстракта — зелёных пигментов, которые он назвал хлорофиллинами (проявлявших флуоресцентные свойства), и не флуоресцировавших жёлтых пигментов, которые Цвет назвал ксантофилами. С помощью аналогичного способа Цвет выделил фукоксантины из водорослей и еще один вид хлорофилла, который сейчас мы знаем как хлорофилл С.
Сложно сказать, когда Цвету пришла идея перейти от перемешивания растительных экстрактов с адсорбентами и последующей обработки этих адсорбентов растворителями к колонке, заполненной адсорбентами и промываемой растворителем. Сложно сказать, был ли Цвет в курсе экспериментов Фридлиба Фердинанда Рунге, а затем Кристиана Шонбейна с капиллярными явлениями. В 1906 году Цвет опубликовал две свои программные статьи «Физико-химические исследования хлорофилла. Адсорбция» (Ber. Dtsch. bot. Gel., Bd. 24, S. 235–244) и «Адсорбционный анализ и хроматографический метод. Применение к химии хлорофилла» (Ber. Dtsch. bot. Gel., Bd. 24, S. 384–393), в которых описал новый метод разделения. В статьях говорилось, что растительный экстракт заливался в колонку, набитую сухим карбонатом кальция, а потом колонка промывалась растворителем, подаваемым через верх колонки. То, что наблюдалось, казалось удивительным:
«Пигменты располагались серией окрашенных зон… среди которых более прочно адсорбируемые пигменты оставались вверху колонны, а менее адсорбируемые — проходили её с большей скоростью».
Цвет назвал метод разделения «хроматографией», став тем самым вторым ученым, фамилия которого не исключает возможности того, что он назвал свое открытие в честь себя (хромато — по-гречески «цвет»). Первым химиком, которого можно заподозрить в присвоении открытию своего имени, был француз Поль Эмиль Лекок де Буабодран, перооткрыватель галлия. Галлий по латыни — и Франция, и петух, а Лекок — петух, но уже по-французски. Ну, что сказать — повезло Цвету и де Буабодрану с фамилиями. Цвет считал, что его метод может иметь более широкое применение, чем разделение растительных пигментов. В более поздней статье он продолжил работать над модификацией метода, пытаясь подобрать «идеальные адсорбенты», испытывая несколько десятков материалов. Ещё в более поздних работах Цвет описал существование двух разных хлорофиллов (a и b) и четырёх ксантофиллов.
Работу Цвета критиковали многие коллеги и эксперты. Так, еще один специалист по химии хлорофилла Леон Павел Мархлевский многократно пытался упрекнуть Цвета в том, что сами основы хроматографии не имеют научного смысла, сам по себе метод, предложенный Цветом, неправильный, результаты невоспроизводимы и вообще, скорее всего, это артефакты — хлорофилл, по мнению пана Мархлевского, мог быть только один. Но Цвет стоял на своём и продолжал работу, выявляя связи и взаимоотношения между различными типами хлорофилла. Параллельно работам Цвета немецкий химик Рихард Мартин Вильштеттер, получивший в 1915 году Нобелевскую премию по химии «за исследования красящих веществ растительного мира, особенно хлорофилла», тоже не уверенный в методике Цвета, проводил свои эксперименты по старинке, используя большое количество растворителей для экстракции. Цвет, проанализировав работы немецкого коллеги и используя хроматографию для разделения, обнаружил в них некоторые неточности, которые Вильштеттер учёл в своей работе, что, возможно, и позволило получить ему Премию. Методически же это означало, что хроматография — метод воспроизводимый, результаты, которые получены с помощью хроматографии, правильны и вполне научны (научная база различных видов хроматографии была создана позже, фактически в работах другого Нобелевского лауреата — Ирвина Лэнгмюра, изучавшего процессы адсорбции). В 1918 году Вильштеттер, пользуясь правом Нобелевского лауреата (из-за Первой мировой войны получить премию и прочитать Нобелевскую лекцию Вильштеттер смог только в 1920 году), выдвинул Цвета на Нобелевскую премию именно за создание метода хроматографии, но в том году Премию получил разработавший технологию промышленного производства аммиака соотечественник Вильштеера — Фриц Габер. После этого решения на Нобелевский комитет посыпались гневные письма, а в прессе стали появляться разгромные статьи, в основном от учёных из Франции, Бельгии и Британии. Нобелевская премия 1918 года была предметом столь оживлённых дебатов не из-за того, что она не досталась Цвету, а из-за личности Габера: кроме разработки метода синтеза аммиака Фриц Габер разработал основные принципы химической войны, и именно он руководил первой газобаллонной атакой во время Второй Битвы при Ипре 22 апреля 1915 года (кстати, помогали ему в этом будущие Нобелевские лауреаты Джеймс Франк, Густав Герц и Отто Ган, а с другой стороны линии фронта противодействовать химическому оружию пытался не только британец Холдейн, но и уже ставший Нобелевским лауреатом француз Виктор Гриньяр). В 1919 году Михаил Цвет умер под Воронежем, куда его с другими сотрудниками Варшавского университета эвакуировали с началом Первой мировой войны. По одной версии, он умер от голода, по другой — из-за осложнения после операции. На его могиле в 1992 году было установлено надгробие с надписью: «Ему было дано открыть хроматографию, разделяющую молекулы, объединяющую людей». Несмотря на то, что хроматография помог