Краткая история биологии

Азот и диета

Дарвиновская теория эволюции, казалось бы, могла послужить основой стройного мировоззрения. Однако, если взглянуть внимательнее, она еще больше подчеркнула таинственность жизни. С самого возникновения живое, преодолевая противодействие среды, неудержимо стремится к все большей сложности и производительности. В этом живое никак нельзя сравнить со стабильной неживой природой. Вновь образующиеся горы являются лишь повторением тех, что существовали в другие эпохи; жизненные формы, возникающие в процессе эволюции, всегда новы, всегда отличаются от предшествовавших. Таким образом, теория Дарвина на первый взгляд как бы подтверждала представление виталистов об огромном барьере между живым и неживым. Витализм вновь стал популярен во второй половине XIX в.

В XIX в. главным вызовом витализму были достижения химиков-органиков. Оборону против этого натиска виталисты пытались строить на молекуле белка и почти до конца века довольно успешно защищали свои позиции.

Молекула белка чрезвычайно занимала биохимиков. Огромное значение белка в жизни организмов впервые показал французский физиолог Франсуа Мажанди (1783–1855). Нехватка пищевых ресурсов, небывалое ухудшение жизни народов после наполеоновских войн привели к тому, что правительства ряда стран создали комиссию под руководством Мажанди для исследования вопроса, возможно ли получить полноценную пищу из чего-либо дешевого и доступного, вроде желатина. В опытах Мажанди (1816) с кормлением собак пищей, в которой отсутствовал белок (диета состояла из сахара, оливкового масла и воды), животные погибали от голода. Выяснилось, что одних калорий недостаточно и белок — необходимый компонент пищи. Далее обнаружилось, что не все белки одинаково полезны: если желатин был единственным белком в рационе, собаки все же погибали. Эти работы положили начало современной диететике — науке о питании и его действии на организм.

Белки в отличие от углеводов и жиров содержат азот. Поэтому внимание ученых сосредоточилось на азоте, как на необходимой составной части живого организма. В 40-х годах XIX в. французский химик Жан Батист Буссенго (1802–1887), изучая потребность растений в азоте, нашел, что некоторые растения, например бобовые, не только прекрасно растут на почве, не содержащей азота, но и заметно увеличивают его содержание в организме. Буссенго предположил, что растения берут азот из воздуха. Теперь мы знаем, что азот из воздуха поглощают не сами растения, а определенные азотфиксирующие бактерии, живущие в особых клубеньках на корнях растений. Буссенго своими дальнейшими опытами доказал, что животные не могут усваивать азот из воздуха, а получают его только с пищей. Уточнив в деталях исследования Мажанди, которые носили скорее качественный, чем количественный, характер, Буссенго подсчитал содержание азота в пище и показал прямую зависимость скорости роста организма от количества усваиваемого азота. Он заключил, что наиболее богатые азотом корма самые ценные. Однако при одинаковом содержании азота одна пища оказывалась более эффективной для роста, чем другая. Отсюда было сделано единственно возможное заключение: ценность белков в питательном отношении различна. Причина этого отличия оставалась неясной до конца века. К 1844 г. Буссенго чисто эмпирически определил относительную ценность различной пищи в зависимости от содержания белка.

В последующем десятилетии исследования Буссенго продолжал немецкий химик Юстус Либих (1803–1873), который детально разработал учение о полноценности пищи. Либих был сторонником материализма и с этих позиций подошел к разрешению проблем сельского хозяйства. Он полагал, что причиной падения плодородия почвы, использовавшейся в течение ряда лет, является ее постепенное обеднение минеральными солями. Растения должны поглощать из растворимых соединений почвы необходимые для роста небольшие количества натрия, калия, кальция и фосфора. С незапамятных времен для поддержания плодородия почвы в нее вносили навоз. Но Либих не расценивал это как добавление чего-то «витального», он считал, что навоз дает почве лишь те неорганические вещества, которые были утрачены. А почему бы не вносить в почву чистые минеральные вещества и таким образом избавиться от дурного запаха?

Либих был первым, кто способствовал широкому внедрению в земледелие минеральных удобрений. Вначале Либиха преследовали неудачи, так как он слишком полагался на данные Буссенго. Но когда он понял, что большинство растений получают азот из растворимых азотсодержащих соединений (нитратов) почвы, и ввел их в свои смеси, ему удалось получить весьма эффективные удобрения. Буссенго и Либих, таким образом, явились создателями агрохимии.

Калориметрия

Либих, как последовательный материалист, полагал, что углеводы и жиры служат топливом для организма. Это было явным прогрессом по сравнению со взглядами Лавуазье, жившего полстолетия назад. Если Лавуазье говорил только об углероде и водороде, теперь можно было говорить о более специфических соединениях — углеводах и жирах, состоящих из углерода и водорода (плюс кислород).

Естественно, воззрения Либиха побудили многих ученых попытаться определить, равно ли количественно тепло, полученное организмом от такого «топлива», теплу, получаемому при сжигании углеводов и жиров вне организма. Грубые опыты Лавуазье давали положительный ответ на этот вопрос. Однако значительное усовершенствование техники измерений требовало проверки данных. В 60-х годах XIX столетия Бертло для определения количества тепла, выделяемого при сжигании, использовал прибор калориметр. Сжигаемое вещество смешивали в закрытой камере с кислородом и смесь взрывали, поджигая электричеством. Камера находилась в водяной бане. По повышению температуры воды и определялось количество выделившегося тепла.

Для определения количества тепла, образующегося в организме, надо было построить калориметр достаточно больших размеров, чтобы поместить в нём живой организм. По количеству выделяемой организмом углекислоты и потребляемого им кислорода можно рассчитать количество углеводов и жиров, которое сжигает организм. Тепло, выделяемое организмом, определяется измерением температуры окружающего калориметр водяного кожуха. Количество этого тепла сопоставляется с количеством тепла, которое можно получить от сгорания того же количества углеводов и жиров вне организма.

Немецкий физиолог Карл Фойт (1831–1908), ученик Либиха, вместе с немецким гигиенистом Максом Петтенкофером (1818–1901) построили калориметр достаточно большой, чтобы помещать в него животных и даже человека. Результаты их экспериментов подтвердили, что у живых тканей нет других энергетических источников, кроме тех, которые имеются и в неживом мире. Ученик Фойта Макс Рубнер (1854–1932) продолжил исследования и экспериментально доказал приложимость закона сохранения энергии к организму животного. Сравнивая количество азота, содержащегося в моче и фекалиях, с количеством его в пище, которой кормили подопытных животных, он показал (1884), что углеводы и жиры не могут быть единственным топливом, поступающим в организм. Молекулы белка после отщепления азотсодержащей части также могут использоваться как топливо. Учитывая белок как источник энергии, Рубнер смог получить более точные данные. К 1894 г. он установил, что энергия, выделяемая пищевыми продуктами в организме, точно равна энергии, которую можно получить при сжигании этих продуктов вне организма (с учетом количества энергии, содержащейся в моче и фекалиях).

Итак, закон сохранения энергии справедлив как для неживого мира, так и для живого. Открытие этого закона нанесло сокрушительный удар по виталистическим воззрениям.

Новые количественные методы нашли применение и в медицине. Немецкий физиолог Адольф Магнус-Леви (1865–1955) определил нижний уровень энергетического обмена у человека (темп основного обмена веществ — ООВ). Магнус-Леви нашел при этом значительные изменения ООВ при заболеваниях, связанных с щитовидной железой. С этого времени измерение ООВ стало важным методом диагностики.

Брожение

Успехи калориметрии во второй половине XIX в. не затронули, однако, самых основ витализма. И человек и скала, на которой он стоит, материальны. Но между формами этих материй — непреодолимая грань, отделяющая органическую материю от неорганической. Когда оказалось, что эта грань стирается, виталисты ухватились за белок. Кроме того, признав доступность для живого энергии неживого мира, они были убеждены, что методы использования этой энергии в корне отличны.

Так, горение вне организма сопровождается выделением большого количества тепла и света; процесс протекает стремительно. При сгорании пищи в организме образуется небольшое количество тепла и свет не выделяется. Температура организма в норме держится около 36,8°, горение протекает медленно и прекрасно регулируется. Когда химик пытается воспроизвести в лаборатории реакцию, характерную для живых тканей, он вынужден прибегать к сильнодействующим средствам — высокой температуре, электрическому току, сильным химическим реактивам, — в которых живые ткани не нуждаются.

Не в этом ли основное отличие живого от неживого? Либих считал, что это не так, и в качестве примера приводил брожение. С доисторических времен человечество сбраживало соки из фруктов и замачивало зерно для изготовления вина и пива. Люди использовали закваски, или дрожжи (как их чаще называют), для изготовления теста. Тесто поднималось, в нем образовывались пузырьки. Хлеб получался мягким и вкусным.

В этот процесс вовлечены органические вещества. Сахар или крахмал превращается в спирт, а это напоминает реакции, протекающие в живых тканях. Однако при брожении не требуется сильнодействующих реактивов или других средств. Оно протекает при комнатной температуре в спокойном, медленном темпе. Либих видел в брожении чисто химический процесс, протекающий без участия некой «жизненной силы», и настаивал на том, что он подобен превращениям в живом организме, однако идет без участия живого.

Надо заметить, что еще со времен Левенгука было известно, что дрожжи состоят из шариков, не обнаруживающих признаков жизни. В 1836 и 1837 гг. биологам, в том числе Шванну, удалось заметить у дрожжей процесс почкования, приводящий к образованию новых шариков, что было явным признаком жизни. Биологи заговорили о дрожжевых клетках, однако Либих отверг эти представления.

В защиту живой природы дрожжей выступил французский ученый Луи Пастер (1822–1895). В 1856 г. французские виноделы пригласили его на консультацию. Вино и пиво при долгом хранении часто прокисали, принося миллионные убытки. Не могли бы химики помочь?

Пастер обнаружил довольно любопытную закономерность: хорошо сохранившиеся вино и пиво содержали крошечные круглые дрожжевые клетки. А если жидкость прокисала, дрожжевые клетки были удлиненными. Итак, ясно: существует два типа дрожжей — образующие спирт и вызывающие медленное скисание вина. Слабое нагревание убивало дрожжевые клетки и останавливало процесс. Если это делать в нужный момент, после того как спирт уже образовался, но скисание еще не началось, вино можно сохранить. Практика подтвердила выводы Пастера.

При изучении этого процесса Пастер выяснил два момента. Первый: дрожжевые клетки — живые организмы, поскольку слабое нагревание разрушает их способность вызывать брожение; клетки остаются, они не разрушаются, но в них убита жизнь. Второй: только живые дрожжевые клетки вызывают брожение. Спор между Пастером и Либихом закончился полной победой Пастера и витализма.

Вслед за этим Пастер поставил свой знаменитый опыт по самопроизвольному зарождению — теме, укреплявшей позиции витализма еще со времен Спалланцани. Религиозные лидеры, разумеется, приветствовали опровержение теории самопроизвольного зарождения, поскольку зарождение жизни на Земле можно было приписать только богу. Как раз материалисты середины XIX в. горячо отстаивали идею самопроизвольного зарождения. Спалланцани показал, что, если стерилизовать мясной бульон и изолировать его от загрязнений, в нем не появится никаких форм жизни. На этом строился вывод: тепло разрушило всякое жизненное начало в воздухе герметически закрытого сосуда.

Пастер поставил опыт (1860) так, чтобы обычный ненагретый воздух не был изолирован от мясного бульона: кипяченый и простерилизованный бульон он оставил открытым в комнатной атмосфере. Бульон находился в колбе с длинной вытянутой горловиной, профиль которой напоминал лежащую на боку букву S. Ненагретый воздух свободно проникал в колбу, а загрязняющие частицы оседали на дне этой S-образной горловины и не попадали в колбу. При таких условиях организмы в мясном бульоне не размножались, но, если горловину удаляли, быстро наступало загрязнение. Таким образом, отпал вопрос о нагретом и ненагретом воздухе, о «жизненном начале», разрушенном и неразрушенном. Суть дела заключалась в том, что в бульон попадала пыль, частично состоящая из взвешенных в воздухе микроорганизмов, которые росли и размножались в бульоне.

В 50-х годах XIX в. немецкий врач Рудольф Вирхов, которого считают основоположником современной патологической анатомии, науки об изменении тканей в результате болезни, продолжил исследования. Он изучал пораженные болезнью ткани и доказал применимость клеточной теории к тканям как здорового, так и больного организма. Клетки тканей, пораженных болезнью, происходят от нормальных клеток здоровых тканей. При этом не наблюдается какого-либо нарушения преемственности, скажем возникновения ненормальных клеток из неизвестного начала. В 1855 г. Вирхов сформулировал основное положение своей клеточной теории: «Всякая клетка происходит из клетки путем деления».

Таким образом, Вирхов и Пастер совершенно ясно показали, что каждая клетка, будь то самостоятельный организм или часть многоклеточного, произошла от ранее существовавшей клетки. Никогда еще живое не казалось столь четко и необратимо отграниченным от неживого. Никогда еще позиции витализма не казались столь прочными.

Ферменты

Если в живом организме происходят химические превращения, которые не могут осуществляться в неживой природе, они должны совершаться с помощью каких-то материальных средств (в XIX в. уже трудно было ссылаться на сверхъестественное). Природа этих материальных средств постепенно прояснялась.

Еще в XVIII в. химики обнаружили, что реакцию иногда можно ускорить введением веществ, которые, по всей видимости, не принимают в ней участия. В начале XIX в. эти наблюдения привлекают особое внимание. В 1811 г. русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф (1764–1833) показал, что крахмал, прокипяченный с раствором кислоты, расщепляется до простого сахара — глюкозы, чего не происходит в отсутствие кислоты. Кислота, казалось, не принимала участия в реакции, так как не расходовалась в процессе расщепления.

В 1817 г. английский химик Гемфри Дэви (1778–1829) открыл способность паров спирта и эфира окисляться на платине при комнатной температуре. Платина, конечно, не участвовала в реакции.

Эти и другие примеры привлекли внимание Берцелиуса, и он назвал (1835) явление ускорения реакции в присутствии веществ, остающихся в конце реакции неизменными, катализом (от греческого katalysis — растворение, распад), что, вероятно, относилось к процессу расщепления крахмала, катализируемого кислотой.

Спирт обычно горит в кислороде, только будучи нагретым до высокой температуры, при которой воспламеняются его пары. В присутствии платинового катализатора эта реакция протекает без предварительного нагревания. Казалось вероятным, что химические процессы в живых тканях могут протекать при очень мягких условиях, потому что в тканях присутствуют различные катализаторы, которых не существует в неживой природе.

Действительно, в 1833 г., незадолго до работ Берцелиуса, французский химик Ансельм Пэйян (1795–1871) экстрагировал из проросшего ячменя вещество, которое расщепляло крахмал до сахара даже быстрее, чем кислота. Он назвал это вещество диастазой. Диастаза и другие подобные вещества были названы ферментами, поскольку превращение крахмала в сахар является одним из первичных этапов ферментации зерна.

Вскоре были выделены ферменты и из животных организмов. В числе первых был фермент желудочного сока. Еще Реомюр установил, что переваривание пищи — химический процесс. А в 1824 г. английский врач Уильям Праут (1785–1850) выделил из желудочного сока соляную кислоту. Соляная кислота — чисто неорганическое вещество, поэтому ее выделение было неожиданным для химиков. В 1836 г. Шванн, один из основателей клеточной теории, получил экстракт желудочного сока, не содержащий соляной кислоты и значительно интенсивнее, чем кислота, разлагающий мясо. Это вещество, которое Шванн назвал пепсином (от греческого pepsis — пищеварение), было истинным ферментом.

Список открываемых ферментов расширялся. Уже во второй половине XIX в. стало совершенно ясно, что ферменты являются катализаторами, только если речь идет о живых тканях; благодаря им организм осуществляет то, что недоступно экспериментатору. Итак, белки продолжали оставаться щитом для виталистов, так как много данных свидетельствовало о белковой природе ферментов (хотя до XX в. это и не было точно доказано). Однако в позиции виталистов обнаружилось слабое место: ферменты действовали как внутри клетки, так и вне ее. Ферменты, выделенные из желудочного сока, производили расщепление пищи в пробирке. Казалось, если бы удалось создать образцы всех ферментов, можно было бы воспроизвести в пробирке любую реакцию, протекающую в живом организме, без вмешательства живого, поскольку ферменты сами по себе (по крайней мере изученные) не являются живыми. Более того, они подчиняются тем же законам, что и неорганические катализаторы, такие, как кислоты или платина.

Виталисты вынуждены были признать, что ферменты желудочного сока продолжают свою деятельность вне клетки: ведь желудочный сок можно налить в пробирку. Однако, говорили они, есть и такие ферменты, которые проявляют активность, только находясь в клетке. Эти ферменты лежат вне компетенции химиков. Виталисты разделили ферменты на два класса: «неорганизованные», например пепсин, которые могли быть выделены из живой клетки и осуществляли свое каталитическое действие вне клеток, и «организованные», действие которых, как предполагалось, неотделимо от жизнедеятельности живых клеток.

Первую группу ферментов немецкий физиолог Вильгельм Кюне (1837–1900) в 1878 г. предложил называть энзимами (от греческих en — в, zumé — дрожжи). Для вторых было сохранено название ферменты.

В 1897 г. работы немецкого химика Эдуарда Бухнера (1860–1917) неожиданно подорвали виталистическую позицию. Отфильтровав перетертую до полного разрушения массу дрожжей, Бухнер получил свободный от живых клеток дрожжевой сок и, чтобы он не загрязнялся микробами, добавил в него концентрированный раствор сахара. Бухнер ожидал, что этот сок не будет обладать ферментативной способностью. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что сахар подвергается медленному брожению. Он ставил опыт за опытом, убивая дрожжевые клетки спиртом, — результат был один: мертвые клетки сбраживали сахар так же хорошо, как и живые.

К концу XIX в. стало совершенно ясно, что все ферменты, как «организованные», так и «неорганизованные», представляют собой мертвые вещества. Выделенные из клеток, они с успехом действуют в пробирке. Название энзимы отнесли ко всем ферментам, признав, что в клетках нет особых химических веществ, которые могут проявлять свою активность только в присутствии какой-то «жизненной силы».

Категорическое заявление Пастера, что брожение не может осуществляться без живых организмов, оказалось применимым лишь к процессам, происходящим в природе. Человек сумел так искусно обработать дрожжевые клетки, что, убив и разрушив их, оставил нетронутыми содержащиеся в них ферменты, — теперь брожение стало возможным и вне живого организма. Витализм потерпел наиболее серьезное поражение, чем когда-либо, однако окончательный его разгром был впереди. Предстояло еще многое узнать о белковой молекуле, — а не обнаружится ли где-нибудь проявление «жизненной силы»? В частности, пока не было снято еще одно заявление Пастера (и Вирхова) — о возникновении клеток от клеток, — человек еще не мог сказать, что он постиг суть жизни.

И все-таки виталисты теряли под собой почву. Некоторые биологи продолжали туманно говорить о каких-то проявлениях «жизненной силы» (и говорят об этом по сей день), но никто уже не принимает этого всерьез. Общепризнано, что жизнь подчинена законам, управляющим неживым миром, что в биологии не существует проблемы, которую нельзя было бы разрешить в лабораторных условиях, и нет такого жизненного процесса, который нельзя было бы воспроизвести вне живого организма.

Материалистическая точка зрения стала господствующей.