Калий – родной брат натрия, и их свойства порой не различить. Его, как и натрий, Гемфри Дэви получил в 1807 году электролизом. Однако в живых организмах они ведут себя по-разному. Растения не могут жить без калия, но прекрасно обходятся без натрия. В теле человека калий и натрий ведут между собой сложную игру, сбои в которой чреваты болезнями. Механизмы подобного поведения известны не до конца, и загадки калия продолжают занимать головы ученых, так же как и новые, а впрочем, и давно забытые способы применения соединений этого щелочного металла...

Сколько калия в Земле? Это совсем не такой простой вопрос, каким кажется на первый взгляд. Доподлинно известна его доля в земной коре - 2,4%. А сколько точно и каких элементов находится в недрах, не знает никто. В случае с калием это содержание можно оценить. Правда, такая оценка будет зависеть от химической модели строения Земли. Причина в том, что калий – единственный широко распространенный элемент, у которого есть долгоживущий радиоактивный изотоп – калий-40. Наряду с ураном-235 и торием-232 этот изотоп за счет своего распада обеспечивает внутреннее тепло Земли. А его можно измерить. До недавнего времени существовала одна-единственная модель Земли – кремниевая, в соответствии с которой наша планета в основном состоит из кремниевых минералов, а теплопередача в ней идет исключительно за счет диффузии тепла: сколько тепла выделилось в глубинах, столько его и было потрачено на нагрев поверхности и затем улетело в космическое пространство в виде теплового излучения. Поскольку поток тепла, уходящий с поверхности Земли, более-менее точно измерен, можно рассчитать мощность идущих в ее недрах тепловых процессов. Они дают 47 ТВт, из чего следует, что калия внутри планеты не может быть больше чем 0,024%.

Но в середине XX века стараниями доктора геолого-минералогических наук В. Н. Ларина возникла гипотеза гидридной Земли. Согласно его идеям, основным строительным материалом для планеты были гидриды, а силикаты стали преобладать позже, по мере ее дегазации. Гидриды же сохранились в глубоких недрах и постепенно теряют свой водород, который в конце концов просачивается сквозь разломы в земной коре в виде молекул либо ионов, то есть голых протонов. Часть их кинетической энергии идет на нагрев поверхности Земли, но значительная ее доля сохраняется и вместе с водородом улетает в космос. Поскольку тепло есть мера кинетической энергии молекул, выходит, что водород способен унести немалое количество тепла из недр планеты, причем сделать это незаметно для геофизиков. В этой модели тепловой поток из недр Земли измеряется сотнями тераватт, так что калий может составить до 4%, и не от массы коры, а от массы всей планеты.

Этот, казалось бы, отвлеченный, спор имеет фундаментальное значение для всей нашей жизни. В модели гидридной Земли есть механизм саморегулирования земного тепла, который предохраняет ее от чрезмерного нагрева, — если мантия перегрелась, начинается интенсивный распад гидридов, усиливается поток водорода и планета охлаждается. Но этот механизм срабатывает не мгновенно, соответственно неизбежно возникают циклы нагрева-охлаждения на геологических масштабах времен. Отсюда следует, что нынешнее глобальное потепление связано с процессами внутри Земли. Тогда мероприятия по ограничению притока парниковых газов в атмосфере не принесут желаемой миром прохлады, поскольку не устраняют причину нагрева: средства будут потрачены зря, а ведь их с большей пользой можно пустить на радикальные способы регулирования климата планеты, главные из которых — распыление серной кислоты в стратосфере и массированное изъятие парниковых газов из атмосферы (подробности см. в «Химии и жизни», 2020, № 1).

Как же проверить гипотезу Ларина? Именно сейчас, с развитием обсерваторий для изучения нейтрино, появилась возможность это сделать. Помощь опять может оказать радиоактивный калий. При своем распаде он дает антинейтрино с хорошо известной энергией. Вычленив поток таких антинейтрино и померив его, можно оценить содержание калия в планете, ну а дальше делать выводы. Подробно об этой идее рассказано в статье Л. В. Безрукова и его коллег из Института ядерных исследований РАН.

Кому нужен металлический калий? Практически никому: любую его работу ничуть не хуже выполняет гораздо более дешевый натрий. Единственное более-менее заметное использование металлического калия — получение надпероксида калия, КО₂. Его используют для регенерации воздуха во время полета космических кораблей «Союз», в различных скафандрах, где исключено соприкосновение с водой (при реакции с ней это вещество может взорваться), и как резервную систему на подводных лодках. Надпероксид поглощает углекислый газ и выделяет при этом кислород, причем весьма эффективно: 380 граммов на килограмм своего веса. Такого количества кислорода человеку хватит на пять часов работы средней тяжести. Потребность в подобном способе генерации кислорода невелика, поэтому годовое мировое производство металлического калия в тысячи раз меньше производства металлического натрия и составляет всего несколько тонн.

Зачем калий растениям? 

Без калия жизнь растений невозможна. Калий активирует ферменты, поддерживает неизменной кислотность цитоплазмы, обеспечивает электрический потенциал на мембране. Он же отвечает за внутриклеточный осмос, обеспечивает тургор, то есть давление внутри клеток растений, которое придает побегам и плодовым телам грибов силу, способную вскрывать асфальт. Чтобы поддерживать постоянное содержание калия в цитоплазме, его нужно где-то хранить. Растение делает это с помощью вакуолей; в них в зависимости от внешних факторов концентрация ионов калия может меняться десятикратно, а в цитоплазме она стабильна.

Как калий взаимодействует с другими питательными веществами?

Вот что об этом рассказано в недавнем обзоре, подготовленном Наталией Раддац и ее коллегами из Института биохимии растений и фотосинтеза Севильского университета. Возьмем азот, еще один элемент, без которого невозможна жизнь растения. Корни всасывают его из почвы в основном в виде нитрат-иона. А далее азот надо доставить к листьям. Сегодня хорошо известно семейство белков, соучаствующих в такой транспортировке азота. Их взаимоотношения довольно сложны. Одни белки открывают ворота для транспорта нитрат-иона из корня в сосудистую систему стебля. Другие позволяют ему из сока войти в сосудистую систему листа. Третьи отправляют излишний азот обратно к корням или от старых листьев к молодым. Там, где есть азот, идет рост новых тканей, при этом часть нитрат-ионов отправляется сразу в дело, а часть складируется в вакуолях. И там же, в вакуолях, находятся запасы иона калия. В этом есть глубокий смысл: имея противоположные электрические заряды, оба иона нейтрализуют друг друга, и суммарный электрический заряд вакуоли не меняется. Изменение же заряда включает соответствующий насос для изменения содержания того или другого иона.

Пути калия часто пересекаются с путями нитрат-иона. Например, при недостатке калия включается насос, выкачивающий калий из почвы. Удивительно, однако тот же фермент, что включает этот насос, активирует еще и белок, который обеспечивает всасывание корнями нитрат-иона. Если в соке оказалось мало калия, то меняется его электрический потенциал и открывается канал поставки калия из корня в сок. Однако он же открывается, если в соке оказалось слишком много нитрат-иона: так обеспечивается электрическая нейтральность соков растения. Конечно, вместо нитрат-иона в какой-то степени электронейтральность могут обеспечивать хлорид- и сульфат-ионы, а вместо калия — натрий, кальций и магний, но это когда на поле нет основных игроков.

Впрочем, имеется и прямой механизм влияния: когда калия в клетках корней мало, нитрат-ион просто перестает поступать в сок; дефицит калия отключает белок, открывающий перед нитратом дверь для выхода из клеток корня. Так и получается, что без калия растение жить не будет, сколько бы азота не было в его распоряжении. А что если создать обратный градиент калия у растения – опрыснуть листья золой? Этот прием часто используют в конце лета при выращивании на севере южных растений вроде винограда; считается, что он помогает побегам быстрее вызреть. Исследование молекулярных механизмов дает объяснение этому приему: избыток калия в листьях открывает соответствующие каналы, через которые идет отток не только калия, но и нитрат-иона от листьев к корням. Рост прекращается и начинается вызревание.

Как калий влияет на здоровье? 

Согласно рекомендациям ВОЗ, для снижения риска развития гипертонии и связанных с ней сердечно-сосудистых заболеваний нужно потреблять много калия. Минимальная доза для взрослых — 3,5 грамма калия в день, и она должна быть больше, чем доза натрия. Для детей суточная доза меньше и зависит от возраста. Больше всего калия содержится в бобах, 1300 мг на 100 граммов продукта, однако тут надо иметь в виду, что бобы в свежем виде мало кто ест, а при отваривании значительное количество калия переходит в отвар. Следующими идут орехи (600 мг на 100 г), зелень (550 мг), всякие ягоды вроде помидоров, огурцов, тыкв и прочих (300 мг), корнеплоды (200 мг).

Как вырастить бескалиевый лук? 

По данным ВОЗ, натрий хуже, чем калий. Однако на классический вопрос: а чем же натрий хуже, следует ответ: действительно, бывают случаи, когда калий хуже натрия. Калий вреден тем, у кого есть проблемы с почками. Натрий им также вреден, но с ним-то можно справиться — есть несоленую пищу. А пищи без калия не бывает. И особенно его много в той, которая связана со здоровым питанием, то есть в овощах и фруктах. Что же делать таким людям? Есть два способа. Первый: надеяться на рынок и его эффективных менеджеров. В самом деле, если есть потребность в овощах и фруктах с низким содержанием калия, значит, их вырастят и предложат к продаже. Однако как это можно сделать, если растения без калия не живут? Для этого нужно хорошо знать потребности растения в разные периоды его жизни. Возьмем один из наиболее широко используемых овощей — репчатый лук. Когда световой день короток, он гонит зеленые листья, куда и уходят весь азот с калием. А как день становится длинным, начинает формироваться луковица. В нее из листьев идет отток питательных веществ, в том числе запасенного ранее калия. Оказывается, калий из листьев составляет меньше трети всего калия луковицы. Значит, остальное она добирает из почвы. Поэтому если при наступлении длинного дня прекратить подкормку, то и калия она накопит в два раза меньше. Такой лук больше подойдет пациенту с болезнью почек. Подобный метод можно применять для многих овощей, особенно если их выращивать гидро- или аэропоникой. Однако есть второй, более радикальный способ: использование препаратов на основе ионообменных смол. Попав в пищеварительный тракт, они заберут калий из перевариваемой пищи, заменив его, например, на кальций или натрий, и проблема будет частично решена. Правда, при таком способе лечения может возникнуть и дефицит этого жизненно важного элемента.

Источник: журнал «Химия и Жизнь», № 7, 2020 г.