Химический состав табачного дыма
как фактор жизнедеятельности
человеческого организма
Дым табачный воздух выел.
В.Маяковский, «Лиличка!» (1916 г.)
Что такое дымы (дым)? Это дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды и диспергированного (мелко измельченного) твердого вещества (дисперсной фазы).
Табачный дым – это дым, образующийся в процессе курения изделий из табака, это многокомпонентная система. Количество веществ, составляющих табачный дым, исчисляется тысячами (идентифицировано от 1000 до 4000 веществ, из которых около 60 являются канцерогенами). Часть веществ находится в твердой или жидкой фазе, часть – в состоянии газа.
Можно говорить
о качественном составе табачного дыма – какие именно вещества входят в эту систему – и
о количественном составе – сколько, например, микрограмм (мкг – 10–6 г, т.е. миллионная доля грамма) вещества образуется при выкуривании одной сигареты. Можно говорить и о процентной доле в общей токсичности сигареты. Например, на долю бензпирена приходится 4,6%, а угарного газа – 9,2%.
Главное вещество табачного дыма
(действующее наркотическое начало) – никотин. Одна сигарета содержит от 1,0 до 2,5 мг никотина (есть данные, что содержание никотина достигает 10 мг), пачка сигарет (20 шт.) – 20–50 мг.
Смертельная доза никотина – 50–100 мг для некурящего человека. Для курящего – 100–400 мг. Даже 3–5 мг никотина могут вызвать одышку, обморок, тошноту, головокружение, спазматическое состояние продолжительностью до трех суток (это связано с возбуждением никотиновых холинорецепторов).
В
химическом плане никотин –
алкалоид (трудно определяемое понятие, но в принципе это – специфическая группа азотсодержащих органических веществ растительного или иного природного происхождения, обладающих высокой биологической активностью, причем, в зависимости от концентрации, как позитивного, так и негативного действия), содержащийся в листьях и семенах табака. Табак – растение семейства пасленовых, содержание никотина в нем в зависимости от сорта – 0,3–5%. Следы никотина обнаружены в помидорах, картофеле, зеленом перце, баклажанах – растениях из этого же семейства, – но встречается также в плаунах, хвоще полевом…
Брутто-формула никотина – С10Н14N2. Гигроскопичен (присоединяет воду из воздушной среды), на воздухе легко окисляется – вплоть до осмоления. Является азотистым основанием, т.е. реагирует с кислотами, образуя соли. В форме солей никотин и содержится в табаке, так что сам табак не пахнет никотином. Химическое строение никотина (рис. 1) было установлено трудами многих химиков.
Рис. 1. Никотин
Кроме никотина, в табачном листе содержатся другие алкалоиды –
норникотин (С9Н12N2 – у него нет метильного радикала СН3, место которого занимает атом водорода) (рис. 2),
никотеин,
анабазин и др. В организме человека никотин превращается в норникотин, что чревато серьезными неустранимыми последствиями (возникновение диабета, рака, болезни Альцгеймера, ускорение старения организма). Метаболитом никотина является
котинин (см. рис. 2), попадающий в мочу. Он оказался прекрасным биомаркером концентрации никотина в организме – у курящих и пассивно курящих (в том числе детей любого возраста).
Рис. 2. Превращения никотина
в человеческом организме и в промышленности
В высшем сорте табака на долю никотина приходится 0,8–1,3%, а в третьесортном табаке содержится 1,6–1,8%. По стандартам США крепость табака имеет следующую градацию: 0,6–1% –
light (слабый), 1–2% –
medium (средний), 2–3% –
strong (крепкий), 3–4% –
extra strong (очень крепкий). Табак не пригоден для курения, если содержание никотина в нем более 4%.
Кроме никотина, в собственно табаке содержатся углеводы (крахмал, глюкоза) – 15–25%, щелочные вещества – 16%, различные органические кислоты (прежде всего лимонная, связывающая никотин в соль, никотиновая кислота) – 10%, полифенолы, глюкозиды, минералы – 10%, пектин – 6–10%, есть в табаке и белки (в том числе ферменты – амилаза, каталаза, карбоангидраза и др.) – 10%, жиры, смолы, эфирные масла (ароматические и терпеноидные соединения, влияющие на запах). Запах табачного дыма зависит от сорта табака, соотношения углеводов (чем их больше, тем дым «вкуснее») и белков; тонкий аромат определяется смоляным спиртом (или же – смоляными фенолами, или же – глюкозидами). Свежесобранные листья на 80–90% состоят из воды. Влажность готового табака (высушенного) – 12–18%. Химический состав табака зависит от сорта, условий выращивания, способа и времени сбора урожая, в большой степени – от состава почвы. Промелькнула цифра: в табаке содержится порядка 2500 веществ.
В
физическом плане никотин – это летучая, бесцветная маслообразная жидкость (
tкип= 246 °С,
tпл= – 30 °С,
~1 г/см3). С водой смешивается в любых отношениях. Вращает плоскость поляризованного луча влево.
В
биологическом плане – сильно ядовитая жидкость с неприятным запахом и жгучим вкусом. Вызывает паралич нервной системы, остановку дыхания, прекращение сердечной деятельности. В малых дозах вызывает физическую и психологическую зависимость. Никотин, попадая в кровь, повышает давление, сужает периферические сосуды. Ни в свободном, ни в химически связанном состоянии никотин в медицине не используется*.
В принципе, а зачем табаку (самому растению) никотин? Он – самозащита от поедания насекомыми.
Наиболее чувствительны к никотину кошки, а козы спокойно поедают никотинсодержащую зелень. Птицы же погибают, если комната наполнена табачным дымом. Если заядлому курильщику поставить пиявку, она отваливается и гибнет. Никотин хорошо поглощается волосами, что находит применение в аналитической практике.
В
историческом плане никотин (вероятно, в виде соли) из табака выделил французский химик Луи Воклен (1763–1829) в 1809 г. Однако в жидком состоянии никотин был получен только в 1828 г. усилиями студентов Гейдельбергского университета (Германия) Вильгельмом Поссельтом и Людвигом Рейманном. Они же первые указали, что никотин – «опасный яд», а в табаке присутствует в форме соли лимонной кислоты (поэтому при выделении никотина на первой стадии используется известь как щелочь).
Свое название никотин получил от фамилии французского посла в Португалии Жана Нико де Виллемейна (
Jean Nicot, 1530–1600), который в 1560 г. ввез табак во Францию.
Среди других веществ, содержащихся в табаке и табачном дыме, укажем на:
• фенол (С6Н5–ОН);
• орто-, мета- и пара- крезолы (СН3–С6Н4–ОН);
• карбазол (С12Н8=NH) (рис. 3);
Рис. 3. Карбазол
• индол (С8Н6=NH) (рис. 4);
Рис. 4. Индол
• бензопирены (С20Н12 – пять конденсированных ядер бензола в виде двух изомеров, оба изомера – светложелтые кристаллы; один из изомеров (рис. 5) – канцероген (еще в 1939 г. это доказал бразильский ученый А.Раффо), вещество 1-го класса опасности) образуются при сгорании всех видов топлива, допустимая концентрация в воздухе населенных мест – 0,001 мкг/м3, при курении образуется в момент затяжки;
Рис. 5. 1,2-бензопирен – один
из наиболее сильных канцерогенов
• пирен (С16Н10 – четыре симметрично конденсированные ядра бензола) (рис. 6) раздражает кожу, слизистую оболочку дыхательных путей, глаз;
Рис. 6. Пирен
• антрацен (С14Н10 – три последовательно конденсированные ядра бензола), его действие аналогично пирену;
• монооксид углерода, или угарный газ (СО);
• углекислый газ (диоксид углерода, СО2);
• аммиак (NH3);
• синильная кислота (цианистый водород, HCN);
• изопрен (СН2=С(СН3)–СН=СН2);
• ацетальдегид (СН3–СН=О);
• акролеин (СН2=СН–СН=О);
• гидразин (H2N–NH2);
• нитрометан (СН3–NO2);
• нитробензол (C6H5–NO2);
• ацетон (СН3–СО–СН3);
• бензол (С6Н6);
• дициан (CN)2;
• сажа (С
n – на ее долю приходится 7,8% токсичности сигареты);
• муравьиная кислота (Н–СООН);
• уксусная кислота (СН3–СООН);
• масляная кислота (СН3СН2СН2–СООН);
• оксиды азота (NO, NO2, N2O4, во влажной среде последние превращаются в азотную и азотистую кислоты, а азотная кислота – это кислота сильная);
• анилин (C6H5–NH2);
• бутиламин (С4Н9–NH2);
• диметиламин (CH3–NH–CH3);
• этиламин (СН3–СН2–NH2);
• метиловый спирт (СН3–ОН);
• метиламин (СН3–NH2);
• формальдегид (Н–СНО);
• сероводород (Н2S);
• гидрохинон (НО–С6Н4–ОН, гидроксильные группы находятся в параположении);
• нитрозамины (N=O, где R может быть метилом СН3, этилом СН3СН2);
• 2-нафтиламин (С10Н7–NH2) (рис. 7) способен вызвать опухоль мочевого пузыря, легких;
Рис. 7. 2-нафтиламин
• 4-аминобифенил (С6Н5–С6Н4–NH2) (рис. 8), мишень атаки – мочевой пузырь;
Рис. 8. 4-аминобифенил
• пиридин (С5Н5N, азотистое основание, фрагмент молекулы никотина);
• стирол (С6Н5–СН=СН2) влияет на слух, зрение, органы осязания;
• 2-метилпропаналь ((СН3)2СН–СНО);
• пропионитрил (СН3–СН2–СN).
Образуются при курении и неорганические вещества, содержащие атомы следующих металлов и неметаллов: калий (K) – 70 мкг; натрий (Na) – 1,3 мкг; цинк (Zn) – 0,36 мкг; свинец (Pb) – 0,24 мкг; алюминий (Al) – 0,22 мкг; медь (Cu) – 0,19 мкг; кадмий (Cd) – 0,121 мкг; никель (Ni) – 0,08 мкг; марганец (Mn) – 0,07 мкг; сурьма (Sb) – 0,052 мкг; железо (Fe) – 0,042 мкг; мышьяк (As), в форме оксида (ІІІ) – 0,012 мкг; теллур (Te) – 0,006 мкг; висмут (Bi) – 0,004 мкг; ртуть (Hg) – 0,004 мкг; лантан (La) – 0,0018 мкг; скандий (Sc) – 0,0014 мкг; хром (Cr) – 0,0014 мкг; серебро (Ag) – 0,0012 мкг; селен (Se) – 0,001 мкг; кобальт (Co) – 0,0002 мкг; цезий (Cs) – 0,0002 мкг; золото (Au) – 0,00002 мкг.
Особо следует подчеркнуть, что в табаке и табачном дыме содержатся радиоактивные элементы, т.е. альфа- и (или) бета-распадающиеся радиоактивные изотопы химических элементов: полоний 210Po, свинец 210Pb (образуется при распаде урана), торий 228Th, рубидий 87Rb, цезий 137Cs (искусственный радионуклид), радий 226Ra (образуется при распаде урана) и 228Ra (образуется при распаде тория).
Доза радиации от пачки сигарет эквивалентна 200 рентгеновским снимкам.
Радиоактивные элементы накапливаются в легких, печени, поджелудочной железе, лимфатических узлах, костном мозге… Тело курящего человека в 30 раз радиоактивнее, чем некурящего.
В целом табак (табачный дым) атакует и поражает легкие, мочевой пузырь, полость рта, гортань, глотку, пищевод, поджелудочную железу, почки, очень страдает сердечно-сосудистая система. Живой пример: Павел Луспекаев (актер, сыгравший Верещагина в фильме «Белое солнце пустыни»), из-за облитерирующего эндартериита и связанной с ним гангрены не только лишился ног, но и умер в 43 года. А причина этому – упорное курение, от которого он не отказался и после ампутации. Такова же судьба выдающегося футбольного вратаря Льва Яшина, который, правда, дожил до 61 года (умер в 1990 г.).
Курящий вдыхает «букет» веществ, образующихся при тлении табака, содержащегося в сигаретах, сигарах, папиросах, самокрутках, трубках и пр. В этом процессе участвует кислород воздуха, без которого невозможно
окисление, в данном случае –
тление (беспламенное горение), усиливающееся при втягивании через сигарету новых порций воздуха. При затяжке (рис. 9) температура достигает 600–800 °С и даже более – за 1000 °С. При этих условиях имеет место
сухая перегонка (возгонка) и пиролиз, т.е. высокотемпературное разложение веществ без доступа кислорода, и образуются смолы и низкомолекулярные вещества.
Рис. 9. Схема раскуренной сигареты
Продукты пиролиза и горения при затягивании попадают в дыхательные пути, легкие, желудочно-кишечный тракт, образовавшиеся твердые частицы и смолы оседают на поверхности (стенках) дыхательных путей, альвеолах (легочных мешочках), т.е. легкие засоряются (рис. 10). Организм на это реагирует кашлем, воспалением, аллергией, перерождением клеточной ткани (т.к. многие вещества табачного дыма обладают канцерогенным действием), эмфиземой легких (необратимая дегенерация легочной ткани).
Рис. 10. Легкие курильщика (слева) и некурящего человека
Сам никотин канцерогенным веществом не является. Он – холиномиметический агент, иначе говоря, имитирует действие
ацетилхолина. Известно, что накопление ацетилхолина сначала приводит к ускорению передачи нервных импульсов (возбуждению). Возможно, это и является фактором получения удовольствия от курения.
Никотин вызывает зависимость в большей степени, чем кофеин и марихуана, но в меньшей, чем алкоголь, кокаин и героин. Никотиновая зависимость возникает через 5 месяцев после начала курения. Освободиться от этой зависимости – бросить курить – довольно тяжело, хотя этот процесс индивидуален: одни люди просто перестают курить, другие – бросают и начинают снова, третьи лечатся…
Кратко охарактеризуем действие на организм некоторых других угрожающих здоровью и жизни человека компонентов табачного дыма.
Оксид углерода (II). Вступает в химическую реакцию с гемоглобином крови, в 200 (а по некоторым данным – в 300) раз легче, чем молекулярный кислород, образует более прочное соединение – карбоксигемоглобин. Следовательно, кислород не доставляется током крови к органам и тканям в оптимальном количестве – наступает кислородное голодание, что опасно в первую очередь для мозга, сердечной мышцы.
Аммиак. Попадая в дыхательные пути (трахею, бронхи, легкие), реагирует с водой (влага слизистых оболочек верхних дыхательных путей), образуя гидроксид аммония:
Гидроксид-ионы (ОН–) не только раздражают слизистую поверхность, но и разъедают ее (вспомните, как щиплет, когда мыльный раствор попадает в глаза). Отсюда – кашель, бронхит, аллергия… Следует добавить, что многочисленные азотистые соединения, содержащиеся в табаке и табачном дыме, тоже являются основаниями и образуют гидроксид-ионы.
Цианистый водород. Он так же, как и аммиак, акролеин, оксиды азота, разрушает реснички бронхиального дерева, которые очищают вдыхаемый нами воздух, что ведет к загрязнению легких. Кроме того, синильная кислота (раствор цианистого водорода в воде) действует на ротовую полость, легкие, кровь, нервную, дыхательную и пищеварительную системы.
Анилин, никотин, органические кислоты раздражают слюнные железы, что ведет к слюновыделению. Слюна, проглатываясь вместе с перечисленными веществами, попадает в желудок, способствует выделению желудочного сока (соляной кислоты) и, соответственно, разрушению желудка. Одновременно страдает вегетативная система – когда в организм попадает никотин, она теряет способность влиять на желудочно-кишечный тракт. Курение натощак может привести к спазмам, непроходимости кишечника, раку желудка.
Cерьезную угрозу здоровью человека, особенно детей, людей уже больных, в том числе хронически больных, представляет так называемое
«пассивное курение» (таблица), т.е. пребывание в атмосфере, испорченной, отравленной активно курящими людьми. Продукты тления табака попадают в окружающую среду, оседают на мебели, на шторах… Следует отметить, что избавиться от запаха табачного дыма очень сложно, а иногда и практически невозможно.
Таблица
В США в середине 1990-х гг. от пассивного курения ежегодно погибало 3000 человек. В ряде стран приняты законы, запрещающие курение в общественных местах, а в Ватикане – на всей его территории (44 га).
Пассивное курение опасно для детского организма. Пассивно курящие дети чаще простужаются – вплоть до пневмонии (воспаление легких). Из-за курения родителей до 80% увеличивается риск заболевания дыхательной системы, страдает умственное и физическое развитие.
Вот некоторая статистика по США. Отдаленные последствия пассивного курения дают 46 000 летальных исходов в год: 14 000 – от раковых заболеваний, 32 000 – от заболеваний сердца и сосудов.
Калифорния – первый штат, который законодательно (27 января 2006 г.) внес табачный дым в список токсичных веществ, загрязняющих воздух. Токсичность табачного дыма более чем в 4 раза превышает токсичность выхлопных газов автомобилей.
В США с недавних пор курение, показанное на экране в кино, приравнивается к сценам насилия, секса и нецензурной брани. Ассоциация курения с положительным героем или когда сигарета выступает атрибутом мужества, силы духа и независимости является основанием для максимального наказания.
Для тех, у кого пристрастие к никотину слишком сильное, изобретены бездымные сигареты. В них нет табака, но есть никотин. Они состоят из нагревательного элемента и сменного фильтра с никотином.
В настоящее время борьба с курением развернулась широким фронтом, ибо общество в целом осознало пагубность пристрастия к курению, жертвами которого являются как активные, так и пассивные курильщики – мужчины, женщины, дети. Курение – фактор, порождающий болезни, первопричиной которых являются вещества, содержащиеся в табачном дыме.