100 великих научных открытий
Шрифт:
Дело в том, что в середине XIX в. была распространена химическая теория брожения. Скажем, Г. Э. Шталь утверждал, что гниение сопровождается движением, следовательно, процесс этот связан с передачей движения от гниющего тела к здоровому. Ю. Либих и Й. Берцелиус не видели разницы между гниением и брожением и полагали, будто сгнившие органические вещества превращаются в ферменты, ускоряющие химические реакции внутри организма. Ферменты также постоянно движутся и вызывают сбраживание негниющих веществ, например сахара, путем разложения последних на частицы. Чтобы это произошло, сбраживаемая среда должна содержать клейковину или другое органическое азотистое соединение и контактировать с воздухом – в итоге на дно сосуда выпадает нерастворимый осадок, способный запустить новое
Вот так ученые представляли себе этот процесс, пока брожением не заинтересовался француз Луи Пастер (1822-1895). Ему не было и 26 лет, когда он выявил причину неодинакового влияния луча поляризованного света на кристаллы разных органических веществ и этим открытием положил начало стереохимии – науке о пространственном расположении атомов в молекулах. Через семь лет Пастер стал деканом физико-математического факультета Лилльского университета и переехал в регион О-де-Франс, который издревле славился своей сахарной, пивоваренной и винодельной промышленностью. Владельцы местных заводов неоднократно обращались к нему с просьбой улучшить их производство, и, вникая в рабочий процесс, Луи постепенно убеждался, что явление брожения исследовано очень слабо. Дабы разобраться в вопросе, ученый стал проводить собственные эксперименты, сравнивая полученные результаты с химической теорией брожений, и в конце концов сделал революционные выводы. 1. Воздух брожению не нужен! И молочнокислое, и спиртовое брожение протекает без доступа воздуха, то есть «брожение – жизнь без кислорода». Доказательством этого тезиса стало открытие маслянокислого брожения, вызываемого анаэробными бактериями, которые не только не нуждаются в кислороде, но и воспринимают его как яд.
2. Каждое брожение вызывается особым возбудителем. Пастер впервые установил, что молочнокислое брожение (и образование масляной кислоты) связано с развитием особого вида микробов, не похожих по строению на дрожжи. Точно так же для ферментации мочевины, образования уксусной кислоты и спирта нужны «индивидуальные» микроорганизмы. Хотя ученый не всегда давал правильные названия этим самым организмам (например, маслянокислых бактерий относил к представителям животного мира, а уксуснокислых обозначал как Mycoderma), главная мысль – о том, что различные брожения требуют разных возбудителей, – была верной.
3. Брожение связано с жизнью и размножением, а не с гибелью и разложением микробов. В процессе вес микробов постоянно увеличивается – организмы используют сбраживаемые вещества для построения своего тела.
4. Для сбраживания не обязательны белковые соединения (клейковина), которые, по мнению адептов химической теории, якобы передают свое движение другим частицам, чем и вызывают брожение либо гниение. Образование спирта или молочной кислоты из сахара может происходить в среде, не содержащей белка, ведь источниками азота служат и неорганические соединения, например сернокислый аммоний.
Результаты экспериментов Пастера нанесли сокрушительный удар по теории Либиха, чьи последователи больше не могли объяснять брожение передачей движения частиц и разложением гниющих веществ. Однако уже в начале 1860-х М. Бертло заявил, что «ограниченная биологическая точка зрения не должна удовлетворять физиолога, тем более химика». Изучая тепловые эффекты, сопровождающие химические процессы, Бертло утверждал, будто брожение не связано с жизнедеятельностью дрожжевых клеток – рост дрожжей не нуждается в притоке энергии извне.
Вокруг самозарождения начались жаркие споры. Французская академия пообещала премию тому, кто разрешит этот вопрос, и в 1864 г. приз достался Пастеру. Дабы доказать, что микробы не заводятся в жидкой среде сами по себе, ученый взял колбы с длинными узкими искривленными горлышками, налил в них питательную жидкость и вскипятил, уничтожив все микроорганизмы. Через некоторое время он разбил горлышко одной колбы и показал, что микробы появились лишь в данном сосуде,
Впрочем, в 1870-х разгорелись новые дебаты – теперь уже на тему самозарождения плесневых грибов при брожении вина. То, что споры дрожжей все-таки переносятся воздухом, а не зарождаются в ткани винограда самопроизвольно, Пастер доказал так: в стерильных условиях вынул ягодную мякоть, поместил ее в безвоздушное пространство и пару недель спустя представил чистый, не запятнанный плесенью материал.
Впоследствии развитие биохимии и ферментологии побудило ученых вернуться к идеям Бертло. Открытие растворимых ферментов (энзимов) позволило осуществлять разложение белка, окисление, гидролиз ди- и полисахаридов (разложение сложных сахаров на простые молекулы с последующим присоединением воды и образованием глюкозы и фруктозы). Однако Пастер никогда не отрицал участия ферментов в брожении: будучи химиком, он не мог себе представить превращение молекулы в спирт без цепи реакций, которые протекают внутри клетки. Луи впервые дал исчерпывающий ответ, почему возникли брожения, и объяснил целесообразность этих процессов, показав, что они не могли бы возникнуть в природе, если бы не носили приспособительный характер.
Разгадка явления брожения не только помогла развитию французского виноделия, терпевшего огромные убытки от «болезней вина», но и сыграла огромную роль в развитии биологии, сельского хозяйства и промышленности (хлебопечения, изготовления кисломолочных продуктов и пр.).
Кроме того, именно Пастер указал на энергетическое значение брожений и продемонстрировал, что продукты жизнедеятельности бродящих микроорганизмов играют огромную роль в изменении окружающей среды. Установив, что один вид микроба вытесняет другой, Пастер отказался от поисков универсальной питательной среды, на которой могли бы расти все виды организмов без исключения, и создал среды, исходя из экологии, то есть условий существования микробов. Поэтому его можно считать основоположником особой отрасли микробиологии – экологии микроорганизмов.
Витамины
Во второй половине XIX в. ученые были уверены, что пищевая ценность продуктов заключается в содержании жиров, белков, углеводов, воды и минеральных солей. Но почему-то многие категории людей – мореплаватели, военные, путешественники, жители осажденных городов и заключенные, чей рацион включал все эти вещества, но был лишен свежих овощей, фруктов и мяса, – все равно страдали цингой, куриной слепотой, пеллагрой, бери-бери и рахитом. Так, моряки в плавании питались солониной и сухарями – продуктами длительного хранения – и в итоге заболевали цингой, которая проявляется в хрупкости сосудов, кровоточивости десен, выпадении зубов, язвах на коже. По подсчетам историков, за время великих географических открытий от цинги скончалось более 1 млн моряков – только в индийской экспедиции Васко да Гама были сражены 100 человек из 160. Медики той эпохи пытались объяснять причины заболеваний токсинами, ядами и инфекциями, хотя еще древние египтяне знали, что от куриной слепоты – неспособности видеть в темное время суток – помогает печень (теперь мы знаем, что она богата витамином А).
В 1330 г. придворный диетолог китайского императора Ху Сыхуэй опубликовал трехтомный труд «Важные принципы пищи и напитков», где указал, что для поддержания здоровья необходимо комбинировать в рационе различные продукты. Два столетия спустя индейцы Северной Америки спасли от цинги команду французского землепроходца Жака Картье, предложив больным воду, настоянную на сосновой хвое. Еще через 200 лет шотландский врач Джеймс Линд провел эксперимент – разделил 20 больных моряков на несколько групп и первой добавил в рацион сидр, второй – морскую воду, третьей – уксус, а четвертой – лимоны и апельсины. В итоге поправилась лишь четвертая группа, и в 1753 г. Линд опубликовал трактат «Лечение цинги», где описал роль цитрусовых в предотвращении заболевания.