Wyniki naszych pomiarów zostały sceptycznie przyjęte zarówno przez krajowych, jak i zagranicznych producentów oraz dystrybutorów papierosów.

Bronisław J. Jachym

Palenie papierosów rozprzestrzeniło się w Europie z początkiem XIX wieku. Jak "wszystko zło" w Europie, tak i palenie tytoniu rozpoczęło się od Hiszpanii i Francji. Niektórzy twierdzą, że palenie tytoniu to zemsta Indian na Europejczykach za wszystkie "dobrodziejstwa" zawleczone przez nich do Ameryki. A te wszystkie "fajki pokoju" to tylko bajki dla dzieci i kamuflażowy rytuał zastępujący brak jeszcze bardziej skutecznych narkotyków. I ze względu na krótkość życia, Indianie nie mogli się przekonać o szkodliwości palenia tytoniu. Dopiero ogólny postęp, w tym głównie medycyny, przedłużający życie "władców ziemi", pomógł ujawnić skutki nie najmądrzejszych poczynań ludzi, w szczególności dotyczące ich ziemskiego bytowania. Bo nigdy nie wiadomo, kiedy używka przestaje już nią być a staje się groźną trucizną.

DYM TO AEROZOL

Przy omawianiu szkodliwości palenia papierosów, jako jej przyczynę wymienia się w pierwszej kolejności związki chemiczne, w tym przede wszystkim występujące w postaci konsystencji smolistej, powstającej w trakcie spalania tytoniu. W celu zminimalizowania zagrożenia stosuje się różnego rodzaju filtry zatrzymujące i pochłaniające większość z tych toksycznie czynnych substancji. Wiele z nich, głównie związki cyklicznie rozpoznane zostały jako rakogenne. Dowodzą tego liczne badania prowadzone w wielu laboratoriach świata.

Szkodliwy jest również główny obiekt westchnień palaczy papierosów, niebieski dymek - układ dyspersyjny, zaliczany do aerozoli, w których fazą ciągłą jest gaz (powietrze) a fazą rozpuszczoną (rozdyspergowaną) - ciało stałe lub ciecz. Dym papierosowy to aerozol będący mieszaniną powietrza z gazem oraz ciekłymi i stałymi produktami niepełnego spalania liści tytoniu. Tak wytworzony dym zawiera kwasy, aldehydy, ketony, fenole, estry, alkohole, alkaloidy (w tym nikotynę) i różne węglowodory (oraz zgrafityzowane cząsteczki sadzy), w tym wiele składników rakotwórczych, z benzopirenem na czele.

Złożoność problemu i różnorodność związków chemicznych tworzonych przez atomy węgla nie jest zaskoczeniem, gdy się zważy, że sam czysty pierwiastek węgla występuje w trzech odmianiach alotropowych: czarnego, chociaż użytecznego grafitu, mitycznego diamentu - bardzo twardych, przezroczystych kryształów o bardzo dużym współczynniku załamania światła, oraz romantycznych fulerenów, molekuł w postaci piłek futbolowych, zawierających 60 atomów węgla w narożach molekuły utworzonej z 12 pięciokątów i 20 sześciokątów. Za odkrycie w 1985 r. tych ostatnich struktur węgla, makroskopowo występującego w postaci "szarych", żółto-brunatnych kryształów, Smalley wraz ze współpracownikami otrzymali rok temu Nagrodę Nobla.

DIAMENTY I FILTRY

Jeśli to palaczy papierosów może pocieszyć, a nawet trochę dowartościować, to warto zapamiętać, że składnikami niebieskiego dymu, wśród licznych produktów spalania są także sadze zawierające, prócz kryształków zwykłego grafitu, także i fulereny oraz diamenty. Z punktu widzenia fizyki małe, bo małe, ale takie prawdopodobieństwo istnieje.

Zatrważające wyniki badań, potwierdzające wysoki stopień korelacji pomiędzy ilością wypalanych papierosów z zapadaniem na choroby nowotworowe, zmusiły producentów papierosów do poszukiwania coraz to wymyślniejszych filtrów. W wyniku tych działań znacznie polepszyła się "jakość" papierosów, podskoczyły ich ceny oraz poprawiło się samopoczucie palaczy. Przy okazji, niestety, ujawniła się rzecz zgoła szokująca - palenie papierosów nie tylko zagraża bezpośrednio palaczom, ale wręcz szkodzi również współuczestnikom tego niebezpiecznego rytuału (tzw. palaczom biernym). W wielu przypadkach zagrożenie dla palaczy biernych jest takie, jak dla palaczy czynnych, a czasem nawet wyższe. Ponieważ we współcześnie wypalanych papierosach zdecydowana większość substancji powstających przy spalaniu wychwytywana jest przez filtry, wniosek jest prosty: największe zagrożenie niosą obłoki niebieskiego i aromatycznego dymu. I twierdzenie, że niektóre papierosy są mniej szkodliwe od innych a krajowe bardziej szkodliwe od zagranicznych, jest prawdą mocno względną.

WOLNE RODNIKI

Substancje o konsystencji smolistej, mimo że zawierają setki związków chemicznie czynnych, zebrane i zatrzymane na filtrach papierosów lądują w koszach na śmieci. W przeciwieństwie do uroczego dymku, zawierającego rozproszone cząsteczki obdarzone tzw. wolnymi rodnikami. Rodnik to atom lub grupa atomów mających niesparowany elektron (elektron o niesprawnym spinie). Rodniki powstają w wyniku homolitycznego rozerwania wiązania kowalencyjnego między atomami węgla lub innymi atomami. Rozerwanie takie może nastąpić między innymi pod wpływem światła, promieniowania jonizującego, ogrzewania (pirolizy) lub mechanicznego rozdyspergowania, a także pod działaniem niektórych enzymów - ogólnie: w procesach redukcji i utleniania. Rodniki są często centrami barwnymi, mają właściwości paramagnetyczne i są bardzo aktywne chemicznie. Czas ich życia, zależnie do stanu skupienia, waha się od 10-4 s nawet do kilku miesięcy. Z obniżeniem temperatury wydłuża się czas życia rodników (zgubne skutki palenia na mrozie). Rodniki można wykrywać i badać metodą rezonansu paramagnetycznego (EPR) a także metodą fotolizy błyskowej. Rodniki powstają oraz biorą udział w reakcjach łańcuchowych, np. w reakcjach polimeryzacji (wulkanizacji), fotochemicznych, procesach radiacyjnych i reakacjach wybuchowych. W organizmach żywych, np. pod wpływem wysokoenergetycznego promieniowania (kwantów o dużej energii), mogą powstawać rodniki - na ogół szkodliwe dla przebiegających w tych organizmach procesów życiowych.

Podejrzenie takie zrodziło się kilkanaście lat temu w związku z badaniami elektronowych właściwości organicznych materiałów złożonych (kompozytów), w tym także sadzy, składnika tych kompozytów. W trakcie tych badań, prowadzonych w Pracowni Dielektryków i Półprzewodników Organicznych Politechniki Gdańskiej, okazało się, że nienaturalny wzrost przewodności elektrycznej pewnego kompozytu polimerowo-sadzowego (ponad 1010 razy), jest możliwy do wytłumaczenia po uwzględnieniu dodatkowej aktywności chemicznej sadzy (aktywności spinowej), wynikającej z istnienia dużej liczby niesparowanych elektronów.

Ponieważ niesparowane elektrony, znajdujące się w zewnętrznym polu magnetycznym, pochłaniają rezonansowo mikrofale (fale elektromagnetyczne), to można określić ich koncentrację z pomiaru wielkości tej absorpcji. Jest to tzw. metoda EPR (ang. electron paramagnetic resonance). Mierząc EPR w różnych stadiach badanego procesu np. spalania, można określić nawet kinetykę tego procesu.

MARYSIA TARGOWICZANKA

W naszym zespole wszystko to odbyło się tradycyjnie, według logiki naukowego przypadku. W początku lat 70. Marię Potocką, dla kolegów i przyjaciół po prostu Marysię, specjalistkę od technologii gumy, "przyprowadził" do nas, specjalistów od EPR, jej ojciec Aleksy Potocki, kierownik Katedry Technologii Gumy i Chemii Polimerów. Pomimo "hańby" Potockich (targowiczanka), na korzyść Marysi przemawiała druga połowa jej rodziny: matka z domu Mierosławska i pracowitość pszczółki. Tak więc Marysia, "dziewczyna od czarnej roboty" dosłownie i w przenośni, oprócz zapału i technologicznej wiedzy na temat gumy i opon, na których jeździ kilka setek milionów samochodów, nie licząc furmanek i jednośladów, wniosła do zespołu "zarozumiałych" fizyków i elektroników elementy praktycznej wiedzy.

Wyniki badań przeszły nasze najśmielsze oczekiwania. Po raz pierwszy mogliśmy przy pomocy EPR prześledzić mechanizmy i kinetykę wulkanizacji, technologię wytwarzania gumy i produkcji opon samochodowych. Badania te pozwoliły zrozumieć wręcz "kuglarskie" operacje stosowane od 100 lat przy produkcji gumy (analogia do hutnictwa). I zdarzył się rzadki przypadek. Naukowe czasopisma USA chętnie drukowały wyniki naszych badań. Marysia obroniła ciekawy doktorat i... wyraźnie polepszyła się jakość opon samochodowych.

TEMAT NIEPOLITECHNICZNY

Powyższe fakty dały też asumpt do wysunięcia hipotezy, że przyczyną wielu schorzeń nowotworowych może być duża koncentracja niesparowanych spinów w produktach spalania tytoniu (w dymie papierosowym). Sugestia ta, zapisana w monografii Carbon Black-Polymer Composites, wydanej w 1982 w Nowym Jorku i Bazylei, zainteresowała wielu badaczy, inspirując potrzebę jej doświadczalnej weryfikacji. Pełne doświadczalne zbadanie prawdziwości tej hipotezy musiałoby być przedsięwzięciem na dużą skalę i przerastało możliwości naszego laboratorium. My mogliśmy jedynie sprawdzić obecność i określić koncentrację elektronów o niesparowanych spinach w produktach spalania papierosów.

Uskrzydleni tą perspektywą, zaczęliśmy fantazjować na temat udziału wolnych rodników w dymach i pyłach - wszelkich, tabace też - a dymie papierosowym w szczególności. Hipoteza o rodnikowym udziale w powstawaniu nowotworów uznana została w tym czasie za "herezję". Dwukrotnie Rada Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej odrzucała propozycję tematu pracy magisterskiej EPR dymów i pyłów ze względu na podtekst biologiczny - choroby nowotworowe, a więc temat niepolitechniczny. Nieoczekiwanie "pomógł" stan wojenny. Rada Wydziału, zajęta "ważniejszymi sprawami", zaaprobowała bez większych problemów powyższy temat. Zgłosiło się kilku studentów fizyki. Wybrałem Mariusza Mertę, bo najlepiej orientował się w biofizyce. Zapewniłem mu wszechstronną pomoc. Przede wszystkim jednak dostęp do najlepszej wówczas aparatury EPR u prof. Józefa Terleckiego w Akademii Medycznej. Młodemu człowiekowi pozostawiliśmy swobodę wykonania zadania, licząc na inwencję w pomysłach na łapanie dymu papierosowego.

ZAGRANICZNE TEŻ SZKODLIWE

Pomiary, wykonane wspólnie z Katedrą Fizyki Akademii Medycznej w Gdańsku, potwierdziły w pełni pierwszą część hipotezy o występowaniu w dymie papierosowym dużej liczby elektronów o niesparowanych spinach, rzędu 1016 spinów na gram dymu. Jeśli przyjąć za miarę szkodliwości zdrowotnej koncentrację niesparowanych spinów, to nasze pomiary wskazują, że papierosy zagraniczne tych spinów mają więcej, a więc z tego punktu widzenia są bardziej szkodliwe od krajowych. Prawdopodobnie spowodowane to jest ich szybszym spalaniem. I żadne filtry tego faktu nie zmieniają. Życie też jednoznacznie weryfikuje ten wynik, bo palacze drogich papierosów oraz ich bliscy wcale nie rzadziej zapadają na choroby nowotworowe.

Fakty te tylko pośrednio, ale z dużą dozą prawdopodobieństwa, potwierdzają i drugą część hipotezy, że na dużą liczbę zachorowań nowotworowych, prócz "niesympatycznych" substancji, zbieranych na filtrach wypalanych papierosów, wpływ ma błękitny dymek unoszący się w postaci sympatycznych obłoków. Niesparowany spin nauka jednoznacznie kojarzy ze stanem aktywności cząstki, która wykazuje wówczas wyjątkową reaktywność chemiczną. Sądzić można, że zwykłe cząsteczki, nawet niebezpiecznych substancji chemicznych, mogą być usuwane z organizmu ludzkiego przez jego system obronny, wyposażony nawet w zmysł powonienia. Jeśli jednak molekuły takie w trakcie spalania papierosa "posmarowane" zostaną atomowym "klejem" w postaci niesparowanych spinów elektronowych, to wchodzą one łatwiej w reakcje chemiczne w żywych tkankach organizmu, zmieniając to wszystko, co stanowi o jego indywidualnych cechach, a więc białka oraz sposób ich produkcji, czyli strukturę kwasów nukleinowych (DNA).

W trakcie prowadzonych badań potwierdziło się, że w wyniku szczególnego doboru substancji chemicznych udało się zmniejszyć liczbę obserwowanych niesparowanych spinów elektronowych (sygnał EPR). Oczywiście, jest to znana rola "zmiataczy" rodników, neutralizujących niesparowane spiny i ładunki (jony) przez rekombinację.

CISZA O DYMKU

Wyniki naszych pomiarów sceptycznie zostały przyjęte zarówno przez krajowych, jak i zagranicznych producentów oraz dystrybutorów papierosów. Nie byliśmy tym zaskoczeni, bo z informacji nieoficjalnych wiemy, że i późniejsze badania tego typu, podjęte przez inne laboratoria (np. amerykańskie), środki masowego przekazu też przemilczają. Warto tu może jeszcze dodać rzecz dla palaczy najważniejszą, że zależność pomiędzy liczbą wypalanych papierosów i zapadnięciem na chorobę nowotworową jest natury statystycznej. Nie jest to zależność typu funkcyjnego (1:1), ale korelacyjnego. I na tym właśnie opiera się wszelka nadzieja ludzka a optymizm palaczy w szczególności. Nie bez podstaw zresztą, gdy się zważy, że człowiek korzysta z ognia od miliona lat i tylu 80-latków twórczo pracuje w oparach "niebiańskiego dymku", który wszystkich mniej genialnych zdążył już przenieść ponad ziemskie obłoki.

--------
Dr Bronisław Jachym, fizyk ciała stałego, jest emerytowanym docentem Politechniki Gdańskiej.

Uwagi.