Краткая история биологии
Шрифт:
Казалось, на заре XX столетия наступил небывалый расцвет эволюционного учения и генетики, но это было лишь прелюдией к новым, еще более поразительным достижениям.
Глава VIII
Конец витализма
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,
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.