Читать книгу Химия, изменившая мир - Роман Игоревич Потапов - Страница 1

КОД: 2,4-Д

Что такое 2,4-Д? Секретный шифр, пароль? Полагаю, даже просвещенный читатель не ответит на этот вопрос, а меж тем, почти каждый агроном или фермер на любом континенте Земли расшифрует эту комбинацию.

Итак, 2,4-Д – это химическое соединение, открытое более 70-ти лет назад, по сию пору является основным компонентом множества современных гербицидов. Гербициды – это специальные химические препараты, предназначенные для борьбы с давними врагами землепашцев – сорняками. Новый послевсходовый гербицид на основе 2,4-Д позволял фермерам справляться с широколистными сорными растениями в зерновых культурах, не причиняя вреда последним. Открытие 2,4-Д стало однозначной победой науки над голодом, бедностью и тяжелым ручным трудом, послужило толчком к развитию как сельскохозяйственного производства, так и мировой химической промышленности. О том, как случилось это революционное открытие я с удовольствием расскажу…

Эта история началась в 1940-м году, в США, в городе Вестпорт штата Конектикут, в скромной лаборатории семейной химической компании Си Би Долдж, где 24-летний химик Роберт Покорни занимался созданием новых веществ. Роберт Покорни уроженец Нью-Йорка, окончивший университет четыре года назад, получил степень бакалавра в области химии. После чего устроился в небольшую химическую компанию в соседнем штате. Интересы компании Си Би Долдж, в которой работал Роберт, были довольно обширными: продажа гербицидов, борьба с насекомыми, производство моющих средств, химия для строительного бизнеса, средства гигиены и прочее, прочее. Видимо основатели Си Би Долдж, создав фирму в разгар Великой депрессии, уяснили, что не стоит «класть все яйца в одну корзину». Не менее широкими были интересы и самого Роберта, он увлекался живописью, игрой на скрипке и иностранными языками, однако главной страстью в его жизни была – химия. И так, в лаборатории Си Би Долдж из множества доступных химических веществ Роберт создавал новые соединения, область применения которых еще предстояло отыскать. Талант исследователя, удача и упорство сделали свое дело, Роберт Покорни в ходе опытов получил два новых неизвестных ранее соединения, одно из которых 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота или проще 2,4-Д.

Летом 1941 года воодушевленный успехом Роберт публикует короткую заметку в журнале Американского Химического Общества, в которой описал химический синтез 2,4-Д, впоследствии, Роберт станет почетным членом этого уважаемого научного сообщества, а описанный им метод получения 2,4-Д по сей день служит основой для промышленного синтеза. Однако, публикация сведений о новых соединениях была только половиной дела, ведь даже сам первооткрыватель не догадывался о свойствах и назначении открытых им соединений.

А между тем, в научном сообществе интерес к новинкам нарастал, в 1942 году соединения, полученные Р. Покорни классифицируют и относят к гормоноподобным веществам, тогда же появляются упоминания о 2,4-Д как о регуляторе роста растений. Все чаще в научной периодике тех лет встречаются статьи о положительном влиянии 2,4-Д на корни обработанных растений. Химический гигант Дюпон Де Немур патентует 2,4-Д в качестве регулятора роста. Казалось бы, область применения нового соединения найдена и теперь фермеры США смогут самостоятельно ускорять рост и развитие своих растений, раньше получать плоды и семена. Перспективы казались невероятными и не только для сельского хозяйства. Примечательно, что во многих отраслях промышленности в это время происходит настоящий «бум» открытий, в тоже же время за океаном – Европа полыхала в пожаре Второй мировой войны.

В условиях совершенной секретности под наблюдением военных, команда британских химиков из «Империал Кемикал Индастрис» (Ай-Си-Ай) исследует новые области применения гормоноподобных соединений. Группе химиков удается синтезировать 2,4-Д и еще одно соединение из этого класса – 2М-4Х. Руководит исследованиями Уильям Гладстон Темплмен, которому, как и Роберту Покорни посчастливилось стать первооткрывателем.

Уильям Гладстон Темплмен после окончания колледжа стал магистром, а затем кандидатом наук по ботанике и физиологии растений, в 1933 году в возрасте 22 лет устроился в Ай-Си-Ай. Молодому исследователю была поставлена задача при помощи химии ускорить рост культурных растений, тем самым помочь британским земледельцам. В ходе своих исследований У. Темплемен заметил, что если некоторые вещества, применяющиеся для стимуляции роста, использовать в повышенных количествах, то они становятся смертельно опасными для многих видов широколистных растений (таких как василек, ромашка, одуванчик, и многие другие известные читателю полевые сорные растения), при этом зерновые переносят такую обработку без потерь для урожая.

Спустя несколько месяцев, Темлемен с командой химиков опытным путем получили подтверждение, что 2,4-Д и 2М-4Х чрезвычайно эффективные, селективные гербициды против двудольных сорняков. Поделиться с мировой научной общественностью открытием и опубликовать результаты Уильям с коллегами не смогли, так как Британское правительство сразу же засекретило все материалы и патент. Стоит отметить, что позже, в знак признания работы, Темлемена наградили и произвели в офицеры Британской империи.

С чем же связано это свойство 2,4-Д, замеченное Темлеменом – убивать широколистные растения и не повреждать злаковые? Дело в том, что злаковые культурные растения, на которых применялся 2,4-Д имеют отличное от двудольных сорняков анатомическое строение. Во-первых, различна форма листьев и их положение относительно стебля. У злаков листья узкие, длинные и гладкие, направленны вверх, капля раствора гербицида, попадая на такую поверхность не задерживаясь скатывается вниз, не причиняя вреда растению. У двудольных растений листья широкие, нередко опушенные, капля раствора надежно удерживается ни них.

Есть и другое важное отличие: у злаков точка роста надежно защищена, она находится в узле кущения, внутри растения, тогда как у двудольных наоборот, точка роста – самая чувствительная часть, находиться на верхушке стебля и при обработке полностью открыта для ядовитого гербицида.

Впрочем, не только этими анатомическими различиями обусловлена устойчивость культурных однодольных растений к гербициду. Исследователи выяснили, что невосприимчивость злаков объясняется их защитной реакцией к 2,4-Д. Попадая в растение, гербицид связывается белками клеток и таким образом обеззараживаются. Затем, без негативных последствий яд выводится из организма растения. У двудольных, широколистных растений этот процесс происходит иначе – 2,4-Д без препятствий проникает внутрь, нарушает жизненный цикл, растения развиваются в неуправляемом режиме, ткани деформируются, после чего погибают. По такому принципу работают многие гормоноподобные гербициды.

Но вернемся к нашей истории, ведь она еще далеко не окончена. Итак, наступила весна 1945 года, весь мир праздновал окончание самой страшной мировой войны, военные разработки стали применяться в гражданских целях, а химические компании постепенно переводить производство на мирные рельсы. Не осталась без внимания 2,4-Д кислота, в США за коммерциализацию нового гербицида на основе перспективного соединения взялось несколько компаний, в том числе «Америкэн кемикал пэйнт Ко» и «Дау Кемикал». В 1946 году на рынке пестицидов появляются препараты под понятным каждому фермеру названиями «Weed Killer» (дословно в переводе – убийца сорняков) и «Weedone» – что можно перевести – решенный вопрос с сорняком. Гербициды на основе 2,4-Д быстро набирали популярность среди фермеров США, на многих акрах от северной Дакоты до Техаса с успехом применялись эти «киллеры». Организация производства в промышленных масштабах препарата позволила обеспечить американских фермеров большим количеством нового гербицида. Только за первый год продаж компания «Дау Кемикал» увеличила объемы производства 2,4-Д без малого в 20 раз! И это не случайность, ведь новый «чудо-гербицид» обладал хорошим проникающим действием, после обработки передвигался в корни многолетних, трудноискоренимых сорных растений и уничтожал даже вьюнок полевой. Препарат был невероятно эффективен против большой группы сорняков и при этом не повреждал культуру. Как сообщали рекламные проспекты тех лет, новый препарат быстро и надежно уничтожал сорняки, был безопасен для человека, не смывался дождем, не вызывал коррозию опрыскивающей техники и как минимум в половину снижал затраты на борьбу с ненавистными сорняками по сравнению с ручной прополкой.

Довольно быстро популярный гербицид стал известен и за пределами США. Его начали активно применять и в Европе, освобождая от сорняков все новые и новые территории. В одной только в Великобритании новый гербицид перед выходом на рынок испытывался в 111 точках и везде показал отличные результаты.

Годовое производство 2,4-Д в 1950 году составило около 6 тысяч тонн, в 1960 – 22,5 тысяч тонн, в настоящее время мировое производство 2,4-Д составляет более 250 тысяч тонн.

В современном сельскохозяйственном производстве препараты на основе 2,4-Д применяются для защиты от сорняков на зерновых культурах, сорго, кукурузе, рисе, сахарном тростнике, кормовых и газонных злаковых травах. Только в России зарегистрировано более 50 наименований гербицидов, в состав которых входит 2,4-Д. Ежегодные площади обработок превышают 20 миллионов гектар, а это примерно четверть от всех посевных площадей нашей страны.

Впрочем, история победоносного шествия гербицидов на основе 2,4-Д, давших старт «зеленой революции», имеет и свои «темные пятна» …

Говорят, «На войне все средства хороши», а уж боевые-гербициды, способные с легкостью уничтожить урожай противника казались просто незаменимыми, тем более примеров применения химии для уничтожения продовольствия на вражеских территориях в истории предостаточно. Возьмём хотя бы соль, растворы соли и других минеральных веществ были известны земледельцам в качестве гербицидов еще в эпоху античных цивилизаций. В Римской Империи широко использовалась соль для борьбы с сорняками на полях зерновых культур. Более двух тысячелетий назад Плиний Старший в своей Естественной истории описывает «полив злаков особой водой, уничтожающей сорные травы». Тоже средство, но уже в военных целях применили римляне после захвата ненавистного Карфагена в 146 г. до н.э., обильно посыпав солью прекрасные сады и парки, чтобы в будущем в этих местах не выросло ни травинки. Кроме того, римляне запретили под страхом смертной казни селиться кому-либо на территории бывшей городской земли, такой была месть победителей некогда могущественному противнику.

Но вернёмся к 2,4-Д, в самый разгар Второй мировой войны в лабораториях Великобритании и США проводились исследования по возможности уничтожения картофельных полей на территории нацистской Германии с помощью нового соединения. Предполагалось, что все растения после такой обработки погибнут, а население и солдаты останутся без пропитания. Впрочем, от идеи отказались, так как бомбардировка городов была эффективнее, да и немецкая наука могла бы ответить симметрично и тогда бы пострадало сельское хозяйство стран Антигитлеровской коалиции.

Несмотря на то, что идею применения 2,4-Д как «уничтожителя» урожая в свое время отвергли по техническим, политическим и моральным причинам, власти США вспомнили о ней позже, в период Войны во Вьетнаме, когда гербицид распылялся над тропическими лесами для уничтожения растительности. Бои в джунглях сильно затрудняли продвижение армии Соединенных Штатов, а Вьетнамские снайперы искусно использовали природные укрытия и непроходимые заросли региона. В августе 1961 года президент Кеннеди санкционировал применение химикатов для уничтожения растительности в Южном Вьетнаме, а через шесть месяцев с аэродрома Таншоннят взлетели три самолета ВВС США, несущие на борту почти 14 тонн боевого гербицида – «Agent Orange» – так началась операция «Ranch Hand». В состав «Agent Orange» входил знакомый нам 2,4-Д, только норма его расхода в 10 превышала стандартные полевые. Результаты по уничтожению зеленой растительности оказались великолепные. Около 50 тыс. тонн препарата в бочках, с оранжевой полосой на боку, срочно перебросили в войска. Известно, что из-за спешки 2,4-Д для «Agent Orange» синтезировался по упрощённой технологии и содержал значительные количества диоксинов, которые вызывали рак и генетические мутации у соприкасавшихся с ними людей. Из-за воздействия диоксинов пострадало значительное число как вьетнамцев, так и американских солдат, работавших с препаратом.

После трагической истории с дикосином, химические компании пересмотрели требования к производству 2,4-Д и гербицид вновь стал завоевывать страны и континенты как безопасное и надежное средство для сельскохозяйственного производства.

Удивительно, но препараты на основе 2,4-Д использовались не только в качестве гербицидов. Их все-таки в небольшом количестве применяли в сельском хозяйстве в качестве регуляторов роста и развития растений. Препараты на основе 2,4-Д использовали для стимуляции цветения и дружного созревания растений, для предупреждения раннего опадания плодов садовых деревьев, применяли для предотвращения полегания риса. Как уже упоминалось, этот эффект связан с двойственной активностью вещества: в зависимости от концентрации 2,4-Д может быть ядом или стимулятором. В обоих случаях он действует на механизм синтеза природного гормона – гетерауксина.

С этим свойством связан еще один интересный эпизод, который произошел в другой части света – на африканском континенте.

В Египте на великой реке Нил стоит знаменитая Асуанская плотина – жизненно важное гидросооружение для всего Египта. Вдоль реки расположены сотни полей, на которых после появления в арсенале крестьян «Убийцы сорняков» началась интенсивная и беспощадная борьба с широколистными сорными растениями на пшеничных полях. Активное применение препарата привело к тому, что постепенно, вместе со стоками часть 2,4-Д попадала в Нил. Разбавляясь до минимальных концентраций, препарат проявлял свои рострегулирующие свойства. В результате этого, на Ниле бурно разрослись водный гиацинт и другие растения, которые начали угрожать работе ГЭС. Решением этой проблемы стало сокращение объемов применения 2,4– Д-препаратов на полях вблизи Нила.

Так, долгое время 2,4-Д занимал лидирующее место по масштабам производства и применения. Но ежегодное использование на одних и тех же полях, против одних и тех же сорняков привело к появлению резистентности у некоторых видов сорных растений. Сорняки (виды щирицы, пикульника, виды ромашки, подмаренник цепкий, василек синий, виды яснотки, фиалка полевая и многие другие) научились выживать после обработки гербицидом и продолжали конкурировать с культурой, отбирая у неё питательные элементы, свет и воду. Поэтому в настоящее время разработаны специальные антирезистентные программы, в которых 2,4-Д применяется в смеси с гербицидами из других химических классов, либо применяют многокомпонентные гербициды. Поэтому в наши дни в чистом виде знаменитый препарат почти не применяется, зато количество многокомпонентных препаратов, в которых используется и 2,4-Д, постоянно растет.

Открытие Робертом Покорни 2,4-Д несомненно изменило ход истории и развития современного сельского хозяйства, это открытие по праву признано мировой наукой одним из величайших достижений агрохимии XX века.

О НЕМ ВЫ СЛЫШАЛИ

Что вам приходит на ум, когда вы слышите это слово «пестицид»? Кто-то вспомнит о глифосате, единицы назовут другие препараты и вещества, а для большинства синонимом этого слова остается ДДТ. ДДТ – это сокращенное название 4,4-дихлордифенилтрихлорметилметана, молекулы, ставшей основой для революционно-нового инсектицида – средства для борьбы с насекомыми. В годы активного применения ДДТ спасал людей от ужасных, смертельных болезней, кардинально менял расстановку сил в войне за урожай на полях фермеров, был лекарством и ядом, кошмаром для экологов и спасением для миллионов. Так что такое ДДТ? Пусть ответом на этот вопрос станет мой рассказ…