Еще одно важное применение аналитической химии — определение вредных веществ в окружающей среде: в выбросах промышленных предприятий, в воздухе жилых и производственных помещений, в питьевой и речной воде, в лекарствах, продуктах питания т. д.
Использование различных химических, физических, биологических методов позволило не только значительно увеличить точность анализа и сократить время на его проведение, но и одновременно определить десятки различных компонентов в очень маленьком по размеру образце. Разработаны и неразрушающие методы анализа, когда образец не требуется ни растворять, ни даже отщеплять от него маленький кусочек, и он остается в неизменном виде. Особо чувствительные методы важны при анализе и лунного грунта, и краски со старинной картины, и микропримесей в питьевой воде. Например, в лаборатории лазерной диагностики Московского университета разработан сверхчувствительный метод анализа, позволяющий обнаружить в 1 мл водного раствора несколько пикограммов (т. е. триллионных долей грамма!) некоторых химических элементов. Такие сверхчувствительные методы анализа успешно используются и в космических исследованиях, о чем мы уже говорили ранее.
Среди многочисленных болезней человека есть такие, о которых знали еще тысячи лет назад, но с которыми совершенно не умели бороться. К таким болезням относится и сахарный диабет. Сведения о нем идут из глубины веков — о нем знали еще древние греки. Греческий миф рассказывает, как Зевс наказал царя Тантала за его преступления. Тантал был низвергнут в царство мертвых — Аид и осужден на вечные «танталовы» муки. Он стоит в прозрачной воде, вечно томимый жаждой и голодом. Стоит ему наклониться, чтобы утолить жажду, как вода бесследно исчезает. То же происходит и с плодами, которые свисают с окружающих его деревьев: как только он протягивает руку, ветки с плодами поднимаются и Тантал не может до них дотянуться.
Не исключено, что основанием для рождения этого мифа послужили мучения больных сахарным диабетом. Еще в древние времена врачи обратили внимание на больных, страдавших сильнейшей жаждой, несмотря на обилие выпиваемой воды. Многие из них худели, хотя пищи было вдоволь. Считалось, что причина недуга — слишком быстрое прохождение через почки выпитой воды, поэтому болезнь назвали диабетом (от греческого «диабайно» — «протекать»). В борьбе с этой болезнью врачи были совершенно бессильны. Лишь в первой половине XIX века французский химик Мишель Эжен Шеврёль выделил из мочи больных диабетом сахаристое вещество и доказал его идентичность виноградному сахару — глюкозе. Шеврёль знал толк в аналитической химии, так как в молодости прошел прекрасную школу химического анализа. (Среди химиков Шеврёль знаменит также тем, что прожил исключительно плодотворную и долгую жизнь: он родился за три года до штурма Бастилии, а умер через 103 года, простудившись при осмотре работ по постройке Эйфелевой башни. На своем столетнем юбилее, на который съехались химики со всей Европы, Шеврёль лихо отплясывал с молодой девушкой!)
После работ Шеврёля диабет стали называть также сахарной болезнью или сахарным мочеизнурением. Усиленное выделение мочи (в тяжелых случаях — до 18 литров в сутки!) приводило к обезвоживанию организма, что и вызывало ничем не утолимую жажду. Обнаружили и причину похудания больных. При нормальном обмене веществ основным источником энергии является глюкоза, и если это «топливо» не «сгорает» до углекислого газа и воды, выделяя энергию, человек фактически голодает, несмотря на усиленное питание. Таким образом, диабетики страдают не от отсутствия глюкозы, а из-за нарушения процессов ее усвоения в клетках организма. У больных диабетом глюкоза, вместо того чтобы поступать в клетки, как это ей положено, остается в крови.
Глюкоза образуется в организме человека из углеводов пищи, например, из крахмала, которым богаты картофель, хлеб и другие мучные продукты. Поэтому больным диабетом предписывалась строжайшая диета: они должны были отказаться от тех продуктов, которые содержат или из которых может образоваться сахар, и ограничиться в основном животной пищей, так как животные белки и жиры не могут служить материалом для образования сахара в организме. Соответствующая диета — это было все, что могли предложить врачи больному.
В XIX веке выяснили, что глюкоза не усваивается больными из-за неправильной работы поджелудочной железы. В 1869 году немецкий анатом Пауль Лангерганс (1847–1888) обнаружил в поджелудочной железе группы клеток, которые равномерно рассеяны по всей железе в виде островков. Их так и назвали — островки Лангерганса. В 1901 году русский врач и биолог Леонид Васильевич Соболев (1876–1919) доказал, что островки Лангерганса играют роль желез внутренней секреции и важны для углеводного обмена. В 1916 году вырабатываемый в островках Лангерганса гормон получил название инсулина (на латыни insula — «остров»). Наконец в 1921 году преподаватель фармакологии Торонтского университета (Канада) Фредерик Бантинг (1891–1941) и его ассистент Чарлз Бест (1899–1978), работая в лаборатории профессора физиологии Джона Маклеода (1876–1935), выделили инсулин в чистом виде. 23 января 1922 года инъекция инсулина спасла первого безнадежного больного — это был 14-летний юноша, находившийся в состоянии диабетической комы. С тех пор число спасенных исчисляется миллионами, а Бантинг и Маклеод в 1923 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине. (Достойно упоминания, что Бантинг демонстративно разделил свою долю денежной премии с Бестом, которого несправедливо обошли, а Маклеод, не принимавший участия в экспериментах, счел необходимым отдать половину своей суммы одному из сотрудников, который усовершенствовал метод выделения инсулина.)
Недостаток инсулина в организме приводит к нарушению не только углеводного, но и жирового и белкового обмена. При этом человек часто быстро худеет, даже если хорошо питается. Кроме того, нарушение жирового обмена приводит к повышению содержания ацетона в крови, который отравляет организм. В тяжелых случаях в выдыхаемом больным воздухе можно даже почувствовать запах ацетона. Один американский врач рассказал такую историю, которая произошла с ним много лет назад в баре. Он заметил, что у соседа по стойке подозрительно быстро опадает пена в кружке с пивом. Отсюда он сделал вывод о том, что у соседа — нелеченый диабет, и в выдыхаемом им воздухе содержание ацетона достаточно велико, чтобы вызвать разрушение пены. Действительно, уже очень малые количества ацетона моментально разрушают пивную пену.
Долгое время от диабета не было спасения даже самым обеспеченным людям. Этой болезнью страдал, например, великий русский певец Ф. И. Шаляпин (1873–1938). В настоящее время диабетом в той или иной степени болен почти каждый двадцатый житель промышленно развитых стран, причем число больных с каждым годом увеличивается. В нашей стране сейчас несколько миллионов больных диабетом.
Современная медицина значительно облегчила жизнь диабетиков, а многих из них спасла от преждевременной смерти, которая была бы неизбежна, живи они на несколько десятилетий раньше. Теперь больные диабетом могут вести полноценную жизнь, принимая нужные лекарства или делая инъекции. Но для успешного лечения диабета необходимо регулярно проводить анализ на содержание в крови глюкозы — это нужно для правильной дозировки лекарств. До изобретения химических методов анализа врачам для диагностики диабета приходилось даже пробовать мочу больных на вкус! Более догадливые поступали иначе — они наливали немного мочи больного в тарелочку и ставили ее туда, где было много мух. Если мухи облепляли тарелочку, то диагноз — «сахарный диабет» — не вызывал сомнения.
Потом на помощь врачам пришли химики. Они изобрели достаточно простые методы определения глюкозы в моче и в крови. Однако такие анализы делали только в поликлиниках. Больной, имея направление врача-эндокринолога, должен прийти рано утром (анализ надо делать натощак) в поликлинику и сдать кровь на анализ. Потом в лаборатории с помощью специальных реактивов определяют в крови содержание глюкозы. Результаты передают лечащему врачу, и больной узнает о них, только придя в очередной раз на прием. Это длительная и не очень эффективная процедура; ведь при некоторых формах диабета для назначения правильной дозы лекарства больному надо проводить анализ не менее 4 раз в день! А что делать сельским жителям, для которых приехать в поликлинику, где делают анализы, — целая проблема?