Краткая история биологии - Азимов Айзек

Изучение газов, начатое Ван-Гельмонтом, в XVIII в. стало увлекательной областью для исследований. Возникла необходимость установить роль различных газов в жизни организмов. В 1727 г. увидела свет книга одного из первых приверженцев экспериментального направления в биологии английского ботаника и химика Стивена Гейлса (1677–1761), в которой описывались опыты по измерению темпа роста растений и давления соков. Практически Гейлса можно считать основателем физиологии растений. Экспериментируя с различными газами, Гейлс впервые установил, что один из них (углекислота — CO2) каким-то образом участвует в питании растений. Этим самым он изменил представление, что ткани растений образуются только из воды, как утверждал Ван-Гельмонт. Следующий шаг сделал полвека спустя английский химик Джозеф Пристли (1733–1804). В 1774 г. он открыл кислород. Ученый обнаружил, что этим газом приятно дышать, что он повышает активность животных и что растения обладают способностью увеличивать содержание кислорода в воздухе. Голландский врач и естествоиспытатель Ян Ингенхауз (1730–1799) установил, что процесс потребления растением углекислого газа и образования кислорода происходит только на свету.

Величайший химик века француз Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) показал огромное значение точных измерений в химии и использовал их для обоснования теории горения — химического соединения горючего вещества с кислородом воздуха. Эта теория с тех пор была признана единственно правильной. Лавуазье обнаружил также, что в воздухе наряду с кислородом содержится азот — газ, который не поддерживает горения.

«Новую химию» Лавуазье попробовали применить к живым организмам. Горящая свеча, потребляя кислород и выделяя углекислый газ, который образуется путем соединения углерода свечи с кислородом воздуха, гаснет под стеклянным колпаком, когда весь или почти весь кислород под ним израсходован; в тех же условиях мышь задыхается и гибнет, потребляя кислород и выделяя углекислый газ (последний получается в результате соединения углерода в тканях мыши с кислородом воздуха). Итак, растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, в то время как животные поглощают кислород, а выделяют углекислый газ. Таким образом поддерживается химический баланс земной атмосферы, содержащей 21 % кислорода и 0,03 % углекислого газа.

На основе этих фактов Лавуазье предположил, что дыхание представляет собой форму горения. Кроме того, в опытах Лавуазье свеча и мышь, потребляя определенное количество кислорода, выделяли соответствующее количество тепла. Техника измерений в этих опытах позволяла получить лишь приближенные результаты, но все же они подтверждали взгляды Лавуазье.

Это сильно укрепляло материалистическую концепцию жизни, так как показывало, что в живом и в неживом протекает один и тот же химический процесс, следовательно, управляют ими одни и те же законы.

С развитием физики в первой половине XIX в. точка зрения Лавуазье получает мощную поддержку. В эти десятилетия в связи с изобретением паровой машины внимание ученых привлекает теплота, которая оказалась способной производить работу, и другие явления, такие, как падение тел, движение воды и воздуха, свет, электричество, магнетизм и т. д.

В 1807 г. английский физик и врач Томас Юнг (1773–1829) предложил для обозначения явления, в результате которого происходит работа, термин «энергия» (в переводе с греческого — внутренняя работа). Физики начала XIX в. изучали процесс перехода одной формы энергии в другую и производили измерения этих изменений со все большей точностью. К 40-м годам XIX в. по крайней мере трое ученых — англичанин Джемс Прескотт Джоуль (1818–1889) и немцы Юлиус Роберт Майер (1814–1878) и Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821–1894) — открыли закон сохранения и превращения энергии, согласно которому один вид энергии может переходить в другой, но общее ее количество при этом не уменьшается и не увеличивается.

Казалось естественным применить этот закон, основанный на множестве скрупулезных измерений, и к процессам в живой природе. Тот факт, что животное не может существовать, не получая постоянно энергию из пищи, сам по себе показывает, что жизненные процессы не создают энергии из ничего. Растения не потребляют пищу и не дышат так, как животные, но, с другой стороны, они не могут существовать без периодически получаемой световой энергии.

Майер утверждал, что источником различных форм энергии на Земле являются световое излучение и тепло, идущие от Солнца. Это и есть источник энергии для растений, а через них и для животных (включая, конечно, и человека).

Применимость закона сохранения энергии как к неживой, так и к живой природе была полностью подтверждена только во второй половине XIX в.

Органические соединения

Однако виталисты еще не сдали своих позиций. Хотя им и пришлось признать, что закон сохранения энергии справедлив для живой природы и что, например, костер и животные потребляют кислород и образуют углекислый газ сходным образом, это рассматривалось лишь как обобщение, — ведь говорим же мы, что и человек и горная вершина материальны. Огромное количество неизученных частностей оставляло лазейку для виталистических толкований. А может, живые организмы включают в себя формы материи, совершенно непохожие на те, из которых состоит мертвая природа? Казалось бы, на этот вопрос следует отвечать утвердительно. Вещества земных пород, моря и воздуха представлялись стойкими и неизменными. Вода при нагревании кипела и превращалась в пар, но при охлаждении снова превращалась в жидкость. Железо или соль, плавясь, могли вновь затвердевать до первоначального состояния. С другой стороны, вещества, полученные из живых организмов, — сахар, бумага, оливковое масло — сохраняли нежность и хрупкость живых форм. При нагревании они дымились, обугливались или воспламенялись, и изменения, происходившие с ними, были необратимыми; из дыма и золы после охлаждения никак нельзя было вновь получить бумагу. Появилась полная уверенность, что это две разновидности материи. Шведский химик Иенс Якоб Берцелиус (1779–1848) предложил называть вещества, выделенные из живых (или живших когда-либо) организмов, органическими, а все остальные — неорганическими (1807). В то время как органические вещества легко превращались в неорганические, обратный процесс был невозможен без участия живых агентов. По мнению Берцелиуса, только живой организм благодаря присутствию в нем некой «жизненной силы» способен синтезировать органические вещества из неорганических (теория «жизненной силы»).

Однако и эта точка зрения продержалась недолго. Немецкий химик Фридрих Вёлер (1800–1882), изучая цианиды и близкие к ним соединения, считавшиеся в то время неорганическими, получил кристаллическое вещество, по составу и свойствам абсолютно тождественное кристаллам мочевины. Мочевина — главная составная часть мочи млекопитающих — определенно органическое соединение. Таким образом, Вёлер впервые (1824) синтезировал из неорганических веществ органическое соединение.

Открытие Вёлера положило начало синтезу органических веществ и нанесло удар теории «жизненной силы». С появлением работ французского химика Пьера Эжена Марселена Бертло (1827–1907) не оставалось сомнений, что стена между органическим и неорганическим мирами рухнула. В 50-х годах XIX в. Бертло синтезировал из явно неорганических веществ ряд хорошо известных органических соединений, таких, как метиловый и этиловый спирты, метан, бензол и ацетилен.

С развитием аналитической химии уже в первые десятилетия XIX в. стало известно, что органические соединения состоят главным образом из углерода, водорода, кислорода и азота. Химики научились соединять все эти элементы таким образом, что полученное соединение обладало общими свойствами органических веществ, но не встречалось непосредственно в живых организмах.

Во второй половине XIX в. был осуществлен синтез многих органических соединений, и с этого времени стало невозможным определять органическую химию как науку о веществах, образованных только живыми организмами. Правда, все еще удобно было разделять ее на две части, органическую и неорганическую, но уже определяя их как химию углеродных соединений и химию соединений, не содержащих углерода. Жизнь тут была ни при чем.