| |
 |
Французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак проанализировал химический состав сахара и близких к нему веществ, и обнаружил, что на каждый атом углерода в молекуле приходится по два атома водорода и одному атому кислорода. Он решил, что, поскольку соединение двух атомов водорода с атомом кислорода – это вода, то молекула сахара должна представлять собой цепочку атомов углерода, к каждому из которых прикреплено по молекуле воды. Поэтому он назвал всю группу веществ – крахмал, целлюлозу, различные сахара – «углеводами». Позже выяснилось, что на самом деле молекулы их имеют более сложное строение, но название к тому времени уже прижилось, и отменять его никто не стал.
Как выяснилось, молекула глюкозы состоит из шести атомов углерода, так что ее формула выглядит так: С6Н12О6, и можно сказать, что это типичная формула углевода.
Кроме углеводов, из пищи с давних пор извлекали вещества еще одной категории – жиры и масла. Главное различие между ними заключается в том, что жиры – это твердые тела (хотя и достаточно мягкие), а масла – жидкие; по остальным же свойствам они очень близки, поэтому термин «жиры» принято распространять и на жиры, как таковые, и на масла. Жиры нерастворимы в воде и на ощупь дают характерное жирное ощущение.
Примерно в то же время, когда Браконно изучал химию углеводов, другой французский химик, Мишель Эжен Шеврель, взялся за изучение жиров. Из его трудов в конце концов стало ясно, что жиры, как и углеводы, состоят из трех элементов – углерода, водорода и кислорода, с той лишь разницей, что сравнительное содержание кислорода в них оказалось очень небольшим. Как нам сейчас известно, типичная молекула жира имеет общую формулу С57Н104О6.
И еще одна, третья, типичная составляющая пищи, непохожая ни на жиры, ни на углеводы, была обнаружена, в растворенном виде, в яичном белке. Такие вещества, как правило, образовывают вязкие растворы, подобные яичному белку, а при нагревании – сворачиваются и больше не восстанавливаются. Достаточно слабое нагревание приводит к необратимому изменению их свойств.
К концу восемнадцатого века был открыт целый ряд таких «белкообразных» веществ, формировавших вязкие растворы и почти всегда сворачивавшихся при нагревании. Их выделяли из крови, из молока, и даже из растительных продуктов.
Главным отличием этих вещество от углеводов и жиров является тот факт, что в их состав входят не только углерод, водород и кислород, но еще и азот, а иногда – сера и фосфор. Уже одного этого было достаточно, чтобы понять, что формула «белкообразных» веществ окажется сложнее, чем других составляющих пищевых продуктов, и в течение девятнадцатого века задача по составлению их общей формулы так и осталась нерешенной.
В 1838 году голландский химик Герард Иоганн Мульдер попытался разработать схему молекулы-составляющей, в состав которой были включены восемьдесят восемь атомов, и показать, что различные белкообразные вещества могут состоять из различного количества таких «молекул-кирпичиков», возможно, с добавками в виде небольших серо- и азотосодержащих молекул. Эта гипотеза с треском провалилась, но благодаря ей в мировой научной терминологии появилось новое слово. По предложению Берцелиуса Мульдер назвал свою молекулу-составляющую «протеином», от греческого слова, означающего «важнее всего», поскольку ученому показалось, что именно этот «кирпичик» является важнейшей составляющей «белкообразных» веществ. В итоге термин стал использоваться для всей молекулы целиком, и теперь на международном научном языке весь класс подобных веществ называется «протеинами». В русской же терминологии их принято называть скромнее – в честь того природного вещества, в котором они впервые были обнаружены, яичного белка. Так что слова «протеин» и «белок» являются в русском языке полными синонимами.
К 1827 году английский химик Уильям Прут (не путать с Прустом, французским химиком того же периода!) уже выдвинул предположение о том, что органическое вещество пищевых продуктов, а значит – и живых организмов, состоит в основном из веществ трех классов, которые мы сейчас называем углеводами, жирами и белками. Оказалось, что это действительно так. Конечно, не вся живая ткань на 100% состоит только из них. В ней есть и неорганические составляющие (например, в костях), есть, разумеется, вода. Существуют также и органические составляющей, например, нуклеокислоты, необходимые для всего живого и при этом не относящиеся ни к одной из трех перечисленных категорий.
Но все же углеводы, жиры и белки – это почти все органические составляющие живой ткани, и давайте теперь сосредоточимся именно на них.
Анализ органических веществ в первой половине девятнадцатого века привел к провозглашению принципиально нового различия между органическими и неорганическими веществами. Оказалось, что в состав всех веществ, выделяемых из живой ткани, входит водород и углерод, очень часто – кислород, часто – азот, иногда – сера и т. д. А вот в состав типичных неорганических веществ водород, кислород, азот, сера, и многие другие атомы входят тоже очень часто, но углерод – крайне редко, за редкими исключениями вроде известняка.
Этим и объясняется горючесть органических веществ, ведь и углерод, и, разумеется, водород, горючи сами по себе. Любое вещество, молекула которого включает в себя атомы водорода и углерода, тоже является горючим. Так что на этот фактор влияет банальный химический состав вещества, а не мистическая «жизненная сила».
Вторым важным отличием органических веществ от неорганических оказался размер молекул. Даже самые крупные неорганические молекулы – достаточно невелики, состоят из десятка-двух атомов. А вот у органических веществ, с другой стороны, такое количество атомов характерно лишь для самых крошечных молекул. В молекуле глюкозы, для органических веществ достаточно маленькой, содержится 24 атома, а в средней молекуле жира – 170. Молекулы крахмала или белков состоят из тысяч и даже миллионов атомов.
И именно размер и хрупкость строения органических молекул, а не какие-то таинственные «свойства жизни», приводят к тому, что они легко распадаются при высоких температурах и теряют свои свойства даже при слабом нагревании.
Подтверждение тому было впервые получено в 50-х гг. девятнадцатого века, когда химики научились синтезировать не просто вещества, идентичные выделяемым из живой ткани, но и множество других веществ с крупными молекулами, состоящими из углерода, водорода и других элементов – вещества, в природе не встречающиеся. Эти вещества, не являясь частью ни одной живой ткани на Земле, вели себя точно так же, как и природные – легко воспламенялись, оказались капризно-нестабильными, и во всех остальных отношениях – тоже «органическими».
Постепенно, ближе к концу девятнадцатого века, разграничение между органическими и неорганическими веществами перестало быть привязанным к фактору «живое-неживое», и стало основываться исключительно на химических свойствах. Поскольку в конце концов стало понятно, что возможность для создания огромных органических молекул кроется в неких особых свойствах углерода, то самым простым критерием отделения органической химии от неорганической стало наличие углерода в молекулах изучаемого вещества.
Кажется, что такое деление несправедливо, да так оно, собственно, и есть на самом деле, но не в том отношении, которое впервые приходит в голову. Способность углерода вступать в неограниченно большое количество соединений приводит к тому, что веществ, имеющих в своем составе углерод, обнаруживается гораздо больше, чем веществ, его лишенных, и с каждым годом этот разрыв все увеличивается.
Разобравшись, в первом приближении, с химическим составом пищи, теперь мы можем правильно истолковать все количественные измерения касательно дыхания.
К примеру, Лавуазье, чья величайшая заслуга перед химией состоит в первую очередь в том, что он всегда настаивал на проведении точных измерений, был первым, кто попытался установить точное количество вдыхаемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа. Приборов, которые позволили бы ученому получить точные результаты, у него еще не было, но даже если бы Лавуазье их и получил, то сделать с ними все равно бы ничего не смог – разве что записать.
Сейчас же, после того, как стал известен состав молекул веществ, обнаруживаемых в пище, можно сделать определенные выводы относительно исчезающего кислорода и появляющегося взамен него углекислого газа. Предположим, для примера, что глюкоза – это горючее, и мы сжигаем его на огне. Тогда уравновешенное выражение для соединения глюкозы и кислорода будет выглядеть так:
С6Н12О6 + 6О2 – > 6СО2 + 6Н2О
Из этого выражения (которое невозможно было составить до того, как была установлена формула глюкозы), видно, что на каждый моль используемой глюкозы тратится шесть молей кислорода и производится шесть молей углекислого газа. На каждый моль одного, потребляемого, газа производится один моль другого газа. Поскольку один моль любого газа занимает один и тот же объем, то можно сказать, что на каждый литр одного газа получается один литр другого. В данном случае – на каждый литр потребляемого кислорода производится один литр углекислого газа.
Еще раз – отношение производимого углекислого газа к потребляемому кислороду – 1/1, то есть, 1. Лавуазье и прочие интересовались этим отношением именно в связи с дыханием, так что эту величину назвали «коэффициентом дыхания», и мы говорим, что коэффициент дыхания глюкозы (да и вообще углеводов в целом) – 1.
С жирами ситуация иная. Общая формула типичной жировой молекулы – С57Н104О6, и уравновешенное выражение для соединения ее с кислородом выглядит так:
С57Н104О6 + 80О2 – > 57СО2 + 52Н2О
То есть, на 80 молей потребляемого кислорода производится 57 молей углекислого газа. Значит, коэффициент дыхания жиров – 57/80, или 0,713. Коэффициент дыхания белков – больше, чем у жиров, но меньше, чем у углеводов. Округленные цифры выглядят так:
Коэффициент дыхания углеводов = 1
К. Д. белков = 0,8
К. Д. жиров = 0,7
Каким же образом мы можем теперь применить эти чисто химические соображения к явлениям живой природы? Ответ на этот вопрос был дан в 1849 году, когда два французских химика, Генри Виктор Реньо и Ж. Рейсе, разработали камеру, куда можно было помещать животных и запускать кислород в строго определенном количестве. Углекислоту, выдыхаемую этими животными, тоже можно было собирать, абсорбировать с помощью определенных химических веществ и взвешивать. Таким образом ученые смогли измерить и объем вдыхаемого животными кислорода, и объем выдыхаемого углекислого газа. Иными словами, у них получался общий коэффициент дыхания животного, и ученые измерили его для самых разных живых существ – от червяков до собак.
У Реньо и Рейсе получилось, что коэффициент дыхания живых организмов лежит между 0,7 и 1. Более того, в этих пределах он изменялся в зависимости от предоставляемой животному пищи. Если диета животного была по преимуществу углеводной, то и коэффициент дыхания составлял приближался к единице; при преимущественно жировой диете он опускался до 0,7.
Пару десятков лет спустя немецкий химик Макс фон Петтеркофер со своим товарищем, физиологом Карлом фон Войтом, создали аналогичное устройство, куда мог поместиться и человек. И коэффициент дыхания человека оказался таким же, как у животных – от 0,7 до 1 в зависимости от диеты. При нормальном смешанном питании, или в при голодании, когда организм подчищает внутренние запасы пищи, его значение составляло примерно 0,8.
Итак, к середине столетия стало ясно, что ход реакции горения органических веществ принципиально одинаков, вне зависимости от того, проходит она в живой ткани или вне ее. По крайней мере, соотношение потребляемого кислорода к производимому углекислому газу оказалось в точности соответствующим расчетам, основанным на изучении химических реакций неорганических веществ. Пришлось признать, что и живой организм подчиняется закону сохранения энергии. Он не создает углерод из ничего, и не обходится крупицами.
Но еще остался ведь закон сохранения энергии – в то время, как Реньо и Рейсе проводили свои эксперименты, этот закон еще только-только обретал всеобщее признание. Окажется ли он таким же справедливым для живой материи, как и для неживой?
<<... 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
| |
| |
|
|
|
