Скачать (6,79 Кб)

Четвёртое рождение германия

Член-корреспондент АН СССР М. Г. Воронков,
кандидат химических наук Р. Г. Мирсков
Химия и Жизнь №3, 1982 г., с. 54-56

Судьба элемента № 32 необычна. Его можно считать как минимум трижды рожденным. Первым его годом рождения, очевидно, был 1871 год, когда Д. И. Менделеев на основе периодического закона предсказал существование неизвестного аналога кремния - экасилиция. "Словесный портрет" нового элемента, прогноз основных его физических и химических свойств были весьма точны. Предвиденье подтвердилось через 15 лет, когда К. Винклер, профессор химии Фрейбергской горной академии, выделил из минерала аргиродита неизвестный элемент, свойства которого почти точно совпали с предсказанными для экасилиция. По праву первооткрывателя, К. Винклер назвал новый элемент в честь своей родины германием. Вот почему во всех справочниках 1886 г. указан как год рождения германия.

Но еще больше полувека германий оставался труднодоступным и дорогим химическим элементом, не привлекавшим особого внимания исследователей. В отличие от ближайшего соседа и аналога по периодической системе - кремния, на долю которого приходится более четверти массы земной коры, германий - элемент достаточно редкий, а главное, рассеянный. В земной коре германия 7•10^-4% - не так уж мало, больше, чем свинца или серебра. Однако известно лишь несколько экзотических минералов, в которых содержание германия составляет от одного до нескольких процентов. Ни один из этих минералов не образует промышленно значимых скоплений. В мире нет ни одного месторождения германиевого сырья. Этот элемент есть всюду и нет его нигде, так он рассеян. В очень небольших количествах его обнаружили во многих минералах (чаще всего по соседству со свинцом и серебром), в воде минеральных источников, в почве, в каменном угле, в организмах растений и животных. Встречается германий и во Вселенной: его приносят к нам гости из космоса - метеориты.

"Третье рождение" германия произошло вскоре после второй мировой войны, когда были открыты полупроводниковые свойства высокочистого германия. В 1948 году на его основе были сконструированы первые транзисторы и диоды, которые положили начало развитию всей электронной и микроэлектронной техники. Хотя позднее германий был потеснен из этой важной области производства (ножку подставил ему сосед и аналог - кремний), тем не менее этот элемент сыграл (и продолжает играть) выдающуюся роль в научно-технической революции.

О полупроводниковых свойствах германия и применении его в электронных устройствах написано очень многое, и мы не будем повторять написанного. Но вот что характерно. Выдающиеся открытия, связанные с тем или иным элементом, всегда приводят к широким исследованиям данного элемента в смежных областях знания. Это произошло и с германием сразу после обнаружения его полупроводниковых свойств. Прежде всего начались интенсивные поиски новых сырьевых источников. Расширились и углубились исследования по химии германия. Не остались в стороне и биохимики: действие германия и его соединений на животных и человека исследовалось детально. Впрочем, и эти работы возникли не на пустом месте.

Еще в первой половине нашего века было установлено, что германий в количестве до 0,1% содержится в некоторых разновидностях каменного угля - веществах растительного происхождения.

Проблема германия в углях около 30 лет назад заинтересовала японского ученого К. Асаи, ныне возглавляющего Токийский научно-исследовательский институт германия. После микроскопического изучения и химического анализа различных ископаемых углей Асаи пришел к выводу, что германий находился в исходных углеобразующих растениях при их жизни, а не был занесен в уголь позже - в процессе карбонизации растений. Интересно, что в европейских и американских каменных углях, образовавшихся в древнейший каменноугольный период из хвощей и папоротников - концентраторов кремния, германия мало. Оттого его почти нет в антрацитах. Зато в более молодых углях Японии, возникших в третичный период главным образом из деревьев хвойных пород, германия значительно больше. Асаи подверг анализу соответствующие современные растения. Оказалось, что нынешние хвощи и папоротники тоже ассимилируют германий в гораздо меньшей степени, чем хвойные деревья.

Профессор Асаи и его сотрудники определили содержание германия во многих полезных растениях, в том числе и тех, которые употребляются в пищу или используются как лекарственное сырье. И с удивлением обнаружили, что во многих растениях, издавна применяемых в китайской и тибетской медицине, повышенное количество германия.

Германий никогда не причисляли к биоэлементам. Во многих растениях концентрация его составляет всего 15-20 десятитысячных процента. Но, с другой стороны, в отдельных растениях, например в трубчатых грибах, германия в 50-100 раз больше.

Конечно, одна десятитысячная процента - величина мизерная, но, заметим, что такая концентрация ртутьорганических соединений смертельна (при попадании в пищевой тракт).

Еще больше германия, 0,02-0,07%, было обнаружено в женьшене, чайном листе, алоэ, бамбуке, хлорелле, чесноке и некоторых других растениях. И вот что интересно. На Корейском полуострове, к примеру, впрочем, как и во многих других местах на Востоке, население ежедневно употребляет в пищу очень много (по европейским меркам) чеснока. Не с этим ли, рассуждал Асаи, связан такой удивительный факт: раковые заболевания встречаются там далеко не так часто, как в промышленно развитых странах. Кстати, некоторые богатые германием трубчатые грибы и лишайники народная медицина издавна применяет как противораковые средства...

Пока мы еще не можем со всей определенностью сказать, в какой форме находится германий в растениях. Еще сложнее проследить метаболизм соединений германия в организме животных. Несомненно одно: в живом организме атомы германия связаны с органическими молекулами и существуют в природных, в том числе биологически активных веществах в виде германийорганических соединений или комплексов. Эти соединения должны быть водорастворимыми и нетоксичными. Действительно, германийорганические соединения известны уже полвека. Синтезировано их множество, и нет среди них ни одного высокотоксичного. Тем не менее еще не так давно в медицинской литературе обсуждался вопрос о влиянии соединений германия, образующихся при сгорании каменного угля, на повышенный уровень заболевания раком легких в промышленно развитых странах... Эти опасения впоследствии не подтвердились.

В 1967 году профессор Асаи (с сотрудниками) синтезировал водорастворимое органическое соединение германия с общей формулой [Ge(CH₂CH₂COOH)O_1,5]n. Назвали его бета-карбоксиэтилгерманийсесквиоксаном. Каждый атом германия в этой молекуле связан с атомами кислорода и остатками пропионовой кислоты.

Видимо, с 1967 года и нужно вести отсчет новому этапу в исследованиях германия. Появление биогерманийорганической химии и есть, видимо, четвертое рождение этого элемента.

Профессор Асаи доказал, что новое соединение германия биологически активно: оно задерживает развитие некоторых злокачественных образований, препятствует появлению метастазов. Это вещество, как оказалось, понижает кровяное давление, действует как обезболивающее, в какой-то степени защищает от радиоактивного излучения. После опытов на животных и клинических испытаний бета-карбоксиэтилгерманийсесквиоксан в Японии был разрешен в качестве противоракового средства.

Не так давно в США запатентован другой германийорганический противоопухолевый препарат с длинным названием - 2-(3-диметиламинопропин)-8,8-диэтил-2-аза-8-гермаспиро[4,5]-декан.

Исследования по биогерманийорганической химии ведутся и в нашей стране. В последние годы в Иркутском институте органической химии СО АН СССР, химических институтах Москвы и Риги синтезированы германийорганические соединения нового типа - 1-орга-нилгерматраны. Подобно своим кремнийорганическим аналогам - 1-органилсилатранам (см. "Химию и жизнь", 1973, № 2, с. 16-17) - они обладают специфической биологической активностью. В частности, препараты на их основе ускоряют заживление ран, благотворно действуют на состав крови подопытных животных. Весьма вероятно, что германий может играть в живых организмах ту же роль, что и его ближайший аналог - кремний (см. "Химию и жизнь", 1966, № 6, с. 69-71). В общем-то, это закономерно: атомы обоих элементов весьма близки по электронной и пространственной структуре, химическим свойствам...

По мнению профессора Асаи, предполагаемый механизм биологического действия соединений германия связан с особенностями электронного строения его атомов. В атоме германия 32 электрона, из которых четыре находятся на внешней электронной оболочке. Когда к такому атому приближается положительно заряженный ион (или полярная молекула), один из внешних германиевых электронов легко отрывается. В результате образуется положительно заряженный ион. Тогда любой свободный электрон, находящийся поблизости, будет стремиться восполнить эту потерю, а германий - восстановить обычную свою оболочку. Предполагают, что нечто подобное происходит и в живом организме. Атом германия здесь может взаимодействовать с заряженными ионами, понижая их электрический потенциал. А ведь известно: электрический потенциал у стенок раковых клеток выше, чем в здоровых. Возможно, германий лишает раковые клетки "лишних" электронов и таким образом понижает их электрический заряд, а это в свою очередь приводит раковую клетку к потере активности?

Вероятно, и обезболивающее действие органических соединений германия тоже связано со способностью активированного атома германия перехватывать свободные электроны. Болевое ощущение передается от нездорового органа в мозг нервными клетками по своеобразной электронной цепи. Соединения германия прерывают движение электронов, как это делают и другие известные анестезирующие средства. Однако вспомним: все органические соединения германия нетоксичны, не дают, как правило, побочных реакций и функционируют в организме достаточно долго...

Механизм радиозащитного действия германия (например, при гамма-радиационном лечении злокачественных образований) также объясняют его уникальной способностью улавливать электроны и другие отрицательно заряженные частицы. Установлено, что германийорганические соединения прилипают к клеткам крови и эффективно нейтрализуют приближающиеся электроны и отрицательно заряженные ионы, тем самым защищая клетки крови от повреждений.

Можно надеяться, что в дальнейшем будут найдены еще многие новые германийорганические соединения, способные в недалеком будущем войти и в медицинскую практику. Однако не следует видеть в них панацею (панацеи вообще не бывает), тем более что исследования в этом направлении только-только начинаются.

Похожие статьи:

1. Германий глазами геохимика Седенко С. М. Химия и Жизнь №3, 1982 г., с. 56-62