| |
 |
Часть II. Организм
Глава 13.
Снова о живой и неживой материи
Все открытия и выводы о сохранении энергии и возрастании энтропии, о свободной энергии и катализе, были получены на основе изучения неодушевленного мира. Всю первую половину книги я описывал и объяснял эти механизмы лишь для того, чтобы теперь с их помощью попытаться объяснить работу живых клеток.
Но для этого надо сначала удостовериться, что все законы, справедливые для явлений неживой природы, справедливы и для процессов живой ткани. А так ли это? Свойства камня и ящерицы – определяются ли они одними и теми же законами или все-таки разными?
На протяжении всей истории человечества сама постановка такого вопроса казалась делом странным, и очевидно было, что ответ должен заключаться в гордом «ни в коем случае!». Я только что потратил множество страниц на тщательные поиски оснований, на которых можно было бы провести четкую границу между живой и неживой природой, и оказалось, что это не так-то просто, но еще сто лет назад о таких сложностях никто и не подозревал. Вместо этого считалось, что живая материя принципиально, безоговорочно и явно отличается от неживой. Право же, каким дураком надо быть, чтобы не видеть принципиальной разницы между камнем и ящерицей?
И действительно, вполне естественным кажется четкое, без сомнений и оговорок, разделение всех объектов во вселенной на три категории: мир неживой, состоящий из воды, земли, гор, песка и воздуха; мир растительный, к которому принадлежат объекты, рождающиеся, живущие и умирающие, но при этом укорененные в почве и не умеющие передвигаться самостоятельно; и мир животный, к которому принадлежат предметы, рождающиеся, живущие и умирающие, и при этом обладающие свободой передвижения. Это необходимо учитывать, прежде чем мы начнем игру в угадайку и будем пытаться определить «животное это, растение или минерал».
Стоит немного задуматься, и становится ясно, что различие между животными и растениями гораздо меньше, чем между ними обоими и минералами. Например, человек может употреблять в пищу как животных, так и растения. Когда же в семнадцатом веке был изобретен микроскоп, то с обнаружением микроорганизмов граница между этими двумя категориями оказалась еще более размытой, поскольку многие микроорганизмы непонятно было, куда отнести.
Поэтому более логичным казалось разделение надвое: на живую природу (куда входят и животные, и растения) и неживую.
Таким образом мир кажется совершенно четко разделенным на категории предметов с абсолютно различными свойствами, и неизбежно было предположить, что для каждой категории существуют свои законы природы. Даже в девятнадцатом веке существование различия между живой и неживой материей и между законами, управляющими бытием той и другой, казалось само собой разумеющимся.
Такие представления распространялись не только на сами предметы, такие, как камень или ящерица, но и на составляющие их химические вещества.
Раскрошите камень, и получите недвижимую инертную пыль и крошку. Оставьте их на несколько лет, и с ними не произойдет никаких перемен. Размешайте каменную пыль в воде, потом выпарите воду – каменная пыль снова станет прежней. Нагрейте каменную крошку докрасна, потом остудите ее – и снова никаких следов.
С другой стороны, если нашинковать ящерицу, то получится куча мягкого кровавого мяса, которое за короткий промежуток времени испортится, начнет вонять и в нем заведутся личинки мух. Нагрейте мясо, и оно зашипит, обуглится и изменится до неузнаваемости. И сколько его потом ни охлаждай, прежним оно уже не станет.
Эти разительные отличия в свойствах наблюдаются и если рассматривать чистое химическое вещество, выделив его из общей массы. Из камня можно извлечь чистый силикат алюминия или чистую медь. Из живого организма можно извлечь чистый сахар или чистое растительное масло. И силикат алюминия, и медь можно нагревать, потом остужать, и никаких следов этих процессов на веществе не останется. Если же нагреть сахар – он обуглится, если нагреть масло – оно загорится; и в том, и в другом случае обратно в сахар и масло эти вещества уже не превратятся.
Это различие между веществами, принадлежащими к двум разным группам, довлело над химиками с самого зарождения науки. К примеру, в семнадцатом веке немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер занимался исследованием веществ, получаемых как из живых, так и из неживых предметов. Из царства минералов он получил кристаллы сульфата натрия, в которых, как нам сейчас известно, каждая молекула имеет слабые связи с десятью молекулами воды. Такие слабые связи в формулах принято обозначать точками, и формула этого вещества, именуемого теперь иногда «глауберовой солью», выглядит, как Na2SO4•10Н2О. Из мира живой материи Глаубер выделил такие вещества, как ацетон и бензол.
Все эти вещества под действием плавного нагревания подвергаются изменениям. Однако, есть принципиальное различие. Глауберова соль при нагревании теряет слабо прикрепленные к ней молекулы воды, так, что остается только «обезвоженный» сульфат натрия; но если к этому «обезвоженному» веществу добавить воду, то снова образуются кристаллы глауберовой соли, идентичные изначальным.
С другой стороны, если нагреть ацетон или бензол, он вспыхнет и после этого вся королевская конница и вся королевская рать уже не смогут собрать горячие пары в изначальный ацетон или бензол, используя какие-то простые средства вроде охлаждения или добавления воды.
Казалось, что химические вещества, получаемые из неживой материи, разделяют инертность и стабильность камней, из которых они выделены, а вещества, получаемые из живых организмов, так же хрупки и тонки, как сама жизнь. Или наоборот – можно было заявить, что камни мертвы и бесчувственны потому, что состоят из мертвых и бесчувственных материалов, а живые существа состоят из нестабильных и хрупких составляющих, и поэтому сами переменчивы, тонки и чувствительны.
К 1807 году Берцелиус окончательно закрепил эти различия в терминологии, назвав все вещества, получаемые из живых существ, или из их мертвых тел, «органическими». Понятно, что вещества, имеющие неживое происхождение, стали «неорганическими». В соответствии с представлениями о том, что существует два свода законов природы, один – для живой материи, а другой – для неживой, и химия была разделена на две части – на химию «органическую» и «неорганическую».
Поскольку органические химические вещества производятся только живыми организмами, и никогда не встречаются в неживой природе, то казалось логичным предположить, что для их создания требуется некая «искра жизни», или «жизненная сила». Если бы это оказалось правдой, то химики со всеми своими горелками и мехами, со всеми своими кислотами никогда не сумели бы создать органическое вещество из неорганических, потому что одно дело – инструменты и химикаты, а совсем другое – мистическая «жизненная сила».
Самым главным сторонником такой теории был сам Берцелиус, и он был, должно быть, просто шокирован, когда его ученик, немецкий химик Фридрих Вёлер, в 1828 году разрушил всю теорию, как карточный домик. Вёлер занимался неорганической химией, именно он впервые сумел получить чистый алюминий и бериллий и разработал новые методики выделения никеля. Во время совершения своего выдающегося открытия он занимался нагреванием цианата аммония – вещества, традиционно рассматриваемого, как совершенно неорганическое. К собственному изумлению, Вёлер обнаружил, что в процессе нагревания свойства цианата аммония разительно изменяются. Вещество, полученное в итоге, обладало всеми свойствами мочевины – самой что ни на есть органической субстанции, основного вещества, растворенного в моче млекопитающих.
Таким образом, из неорганического вещества удалось создать органическое путем простого нагревания. Никакой «жизненной силы» при этом приложено не было (если не считать жизненную силу самого Вёлера). Вёлер еще много раз повторил свой эксперимент прежде чем осмелился объявить о нем публично, но когда это наконец-то было сделано, то вскоре, как это часто случается в науке, и другие химики повсеместно стали объявлять о синтезе органических веществ из неорганических.
С химической точки зрения открытие Вёлера не имеет столь уж большого значения – он провел достаточно тривиальную саму по себе реакцию, но психологическое значение этого достижения безмерно. Он сломал казавшийся незыблемым барьер между живой и неживой материей. Теории о «жизненной силе» был нанесен смертельный удар, и ученые впервые готовы были поверить в существование неких всеобщих законов природы, единых для всего на свете – живого и неживого.
С уничтожением границы между живой и неживой материей важное место в научном мышлении заняли различные моменты сходства между этими двумя видами веществ. Эти моменты отмечались учеными и раньше, когда обращать внимание на такие вещи еще не было модно. Главным из этих общих моментов была роль воздуха.
Человек, как и другие сухопутные животные, доступные для изучения древним мудрецам, для поддержания жизнедеятельности должен вдыхать воздух, и воздух этот должен быть хотя бы относительно свежим. В закрытом помещении животные впадали в сонливость и умирали, как будто исчерпав запас чего-то жизненно необходимого, что содержится в воздухе (хотя в самом воздухе при этом не отмечалось никаких заметных невооруженным глазом изменений).
Так же ведет себя и огонь. Он ярко вспыхивает при порыве ветра, а в закрытой камере гаснет. Это можно было бы списать на то, что топливом для огня являются все же органические вещества – дерево или уголь, и именно их свойства диктуют свойства пламени, если бы не существовало неорганических горючих веществ, таких, как сера или водород, огонь от которых ведет себя точно так же.
Еще в 200 году нашей эры римский физик Гален указал, что стоит человеку понять механизм горения – и он поймет механизм дыхания. И его предсказание оправдалось, как стало ясно с появлением трудов Лавуазье.
Когда в конце 70-х гг. восемнадцатого века Лавуазье показал, что воздух состоит из азота и кислорода, он также ясно дал понять, что именно кислород и является веществом, необходимым как для горения, так и для жизнедеятельности. Затем он обнаружил, что выдыхаемый воздух не только сравнительно беден кислородом, но и сравнительно богат при этом углекислотой. Но более тщательный анализ привел его к выводу о том, что не весь вдыхаемый кислород уходит на образование углекислоты. Некоторое количество кислорода должно тратиться и на что-то еще.
Когда в 1781 году английский химик Генри Кавендиш продемонстрировал, что при сжигании водорода в кислороде образуется вода, для Лавуазье все встало на свои места. Выдыхаемый воздух – заметно влажный, а в пище, потребляемой человеком, определенно содержится водород. В процессе дыхания кислород может соединяться как с водородом, так и с углеродом, и производить как воду, так и углекислоту. То же самое происходит при сгорании древесины: кислород потребляется, а вода и углекислота – производятся.
Несомненно, в то время было бы еще слишком смелым выдвигать предположения о столь тесном сходстве между живой и неживой материей, но после того, как Вёлер синтезировал мочевину и разграничение между живой и неживой материей пропало, такое сравнение стало неизбежным.
Когда возобладала точка зрения о том, что законы органической химии схожи с законами химии неорганической, а то и вовсе совпадают с ними, интерес к органической химии резко возрос. Химики принялись анализировать органические вещества и, с помощью новой теории атомного строения, составлять для них формулы, точно так же, как это делалось для веществ неорганических.
Стало ясно, что органические вещества, содержащиеся, к примеру, в пище, состоят по большей части из углерода, водорода и кислорода, в пропорции в среднем два атома углерода на четыре атома водорода на один атом кислорода. Конечно, присутствует в этом перечне в небольших количествах и азот, и, в еще меньших – сера, фосфор и прочие, но ими пока можно пренебречь. Если взять усредненную «формулу пищи» за 2С2Н4О, то процессы, происходящие в организме человека, можно представить так:
2С2Н4О + 5О2 – > 4СО2 + 4Н2О
Состав древесины, как правило, не слишком отличается от среднего состава пищи (хотя его, пожалуй, вернее было бы представить, как С2Н4О2), и древесина тоже вступает в соединение с кислородом для образования углекислоты и воды. Так стало ясно, что и человеческий организм, и тепловая машина получают энергию из одного и того же источника – из соединения атомов углерода и водорода с кислородом.
Сам по себе этот факт крайне печален для тех, кому хотелось бы видеть живой организм чем-то совершенно непохожим на бездушную машину и принципиально превосходящим ее. Строго говоря, аналогия здесь, конечно, не совсем полная. Горящая древесина испускает жар и свет, а «горящая» в организме пища света не производит вообще, а тепло – в достаточно ограниченном количестве.
Возникает вопрос, не свидетельствует ли эта разница о некоем еще более серьезном различии? Если форма энергии, производимой человеческим организмом (и любым другим живым организмом), отличается от формы энергии, производимой пламенем, то, может быть, организм использует более эффективные способы? Может быть, живая материя способна подняться над ограничениями, установленными для неодушевленной тепловой техники такими учеными, как Карно? Должен ли живой организм подчиняться законам термодинамики, разработанным в девятнадцатом веке, или мудрость природы даровала ему в виде пищи источник энергии, который паровая машина никогда не обретет ни в виде дров, ни в виде угля?
Давайте остановимся подробнее на пище.
С давних пор люди не могли не отмечать, что при приготовлении пищи используется несколько типов материалов с различными свойствами.
Например, есть белое безвкусное вещество, получаемое из зерновых, таких, как пшеница или рис. Главной составляющей муки является крахмал.
Во фруктовом соке, или, скажем, меде, содержится другое, сладкое вещество. Из соков некоторых, особо богатых им, растений, это вещество – сахар – можно получать напрямую в твердом виде. Впервые это было проделано в Индии примерно в 400-м г. до н.э. В древности эта технология добралась до Рима, где и сложилось латинское слово «saccharum», происходящее, по всей вероятности, от индийского корня. И лишь в средневековье, вместе с возвращающимися из походов крестоносцами, сахар попал в Европу.
Девятнадцатый век принес открытие о том, что сахар бывает разный. В 1802 году французский химик Джозеф Луи Пруст (работал он в Испании) объявил об обнаружении вещества, которое выглядит, как сахар, такое же белое и кристаллическое, сладкое и легкорастворимое в воде, но при этом не является обычным сахаром, уступая последнему как по сладости, так и по растворимости. Поэтому Пруст провел различие между «тростниковым сахаром» и «виноградным сахаром». Другую разновидность сахара, выделенную за десять лет до того из меда и еще более сладкую, чем тростниковый сахар, Пруст назвал «фруктовым сахаром».
Сейчас принято давать различным сахарам названия, заканчивающиеся на «-оза». Тростниковый сахар – это «сахароза», фруктовый – «фруктоза». Что же касается виноградного сахара, то он получил название «глюкоза», от греческого слова, означающего «сладкий», хотя и является изо всех трех наименее сладким. Сахар, выделяемый из молока (и больше нигде не встречающийся), называют «молочным сахаром», или «лактозой», от латинского слова, означающего «молоко». Однако, чаще всего, говоря «сахар», подразумевают именно сахарозу.
В 1812 году, как я уже писал в предыдущей главе, Кирхгоф совершил изумительное открытие – что крахмал можно превратить в виноградный сахар, стоит лишь поварить его в растворе кислоты. Это значит, что молекулу крахмала можно рассматривать, как состоящую из некоторого количества молекул глюкозы, каким-то образом собранных воедино. Кипячение в кислоте разрывает связь между ними и приводит к высвобождению глюкозы.
К 1819 году французский химик М. Браконно успел прокипятить древесные опилки, холстину, древесную кору, солому, и ряд других материалов растительного происхождения в растворе кислоты и оказалось, что во всех случаях получается глюкоза. Оставалось только сделать вывод, что все эти продукты царства растений состоят из некоего вещества, которое, как и крахмал, состоит из глюкозы, но в отличие от самого крахмала, несъедобно. Так что для этого вещества надо было придумать другое имя. Французский химик Ансельм Пайен назвал его «целлюлозой», от английского «cell» - «клетка», поскольку оказалось, что функция этого твердого вещества - предохранять и защищать уязвимые клетки растения. Именно с этого термина пошел обычай заканчивать названия сахаров на «-оза».
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
