Айзек Азимов - Краткая история биологии. От алхимии до генетики
Точка зрения Лавуазье укрепилась по мере развития физики в первой половине XIX в. В то время тепло и тепловая теория исследовались несколькими учеными, чей интерес был «подогрет» растущим значением парового генератора. Тепло можно было заставить совершать работу, с ним связаны и другие физические явления: например, падение тел, течение воды, движение воздуха, свет, электричество, магнетизм и т. д. В 1807 г. английский физик Томас Янг (1773 — 1829) предложил для представления обо всех этих явлениях термин «энергия». По-гречески это слово означает «работа, совершаемая изнутри».
Физики первой половины XIX в. занялись изучением того, каким образом одна форма энергии может трансформироваться в другую; производили точные измерения таких изменений. К 1840-м годам по меньшей мере трое ученых выдвинули концепцию «сохранения энергии». Это были: англичанин Джеймс Прескотт Джоуль (1818 — 1889) и немцы Юлиус Роберт фон Мейер (1814 — 1878) и Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821 — 1894). В соответствии с этой концепцией, одна форма энергии свободно переходит в другую; однако общее ее количество в процессе перехода нельзя ни увеличить, ни уменьшить.
Для такого общего закона, основанного на широком разнообразии точных измерений, было бы естественным базироваться как на примерах живой природы, так и неживой. Тот простой факт, что ни одно живое существо не может поддерживать жизни, не черная энергию из пищи, доказывал, что энергия не получается «из ничего». Растения не едят и не дышат аналогично животным, однако они черпают энергию из света.
Именно Мейер установил, что источником разных форм энергии на Земле является радиация и тепло Солнца; аналогично растениям, потребляющим энергию Солнца непосредственно, животные организмы потребляют ее же в виде пищи. Прямым источником энергии для растений и — через растения — для животных является энергия Солнца.
Эти смутные догадки росли в числе и утверждались, пока во второй половине XIX в. не было доказано, что закон сохранения энергии так же строго приложим к живой природе, как и к неживой.
Органические компонентыВиталистическая позиция все еще оставалась сильной. Будь необходимо признать, что закон сохранения энергии остается в силе как для живых, так и для неживых систем либо что все организмы потребляют кислород и производят углекислый газ одним и тем же способом, — то это и было бы единственным обобщением. Однако внутри этого обобщения оставались бы детали во всех своих противоречиях.
И все же разве не может быть, чтобы живые организмы, хотя и состоящие из материи, были бы сделаны из материи иного рода, нежели неживой мир? На этот вопрос даже не нужно отвечать.
Такие вещества, которые содержатся в почве, море, воздухе, тверды, стабильны и неизменны. Вода, будучи подогретой, закипает и испаряется, но пар вновь можно остудить и превратить в воду. И железо, и соль можно перевести в жидкое состояние, как и вновь сделать твердыми, В то же время вещества, получаемые из живых организмов — растений, — например, сахар, бумага, растительное масло, — характеризуются теми же непрочностью и нежностью консистенции, которыми обладали их содержащие организмы. При нагревании они дымятся, сгорают и тем самым претерпевают необратимые изменения; дым и пепел бумаги не обратятся в бумагу вновь. Значит, можно предположить, что мы имеем дело с двумя различными вариациями материи.
Шведский химик Йене Якоб Берцелиус (1779 —1848) предложил в 1807 г. вещества, получаемые из живых (либо когда-то бывших живыми) организмов, называть «органическими веществами», а иные — «неорганическими веществами». Он предположил, что, в то время как возможно конвертировать (и достаточно легко) органические вещества в неорганические, обратное изменение невозможно. Чтобы это изменение произошло, должна присутствовать некая живая сила, которой характеризуется лишь живая материя.
Такая точка зрения, однако, долго не просуществовала. В 1828 г. германский химик Фридрих Веллер (1800 — 1882) при исследовании цианидов нагревал цианат аммония, считавшийся неорганическим компонентом, и обнаружил, к своему изумлению, в продукте реакции кристаллы мочевины. Мочевина была главным твердым составляющим человеческой мочи и определенно органическим компонентом.
Это открытие воодушевило других ученых на то, чтобы синтезировать органические вещества из неорганических, и вскоре пришел успех. Французский химик Пьер Эжен Марселей Бертло (1827 — 1907) окончательно разрушил стену между органическими и неорганическими веществами. Он синтезировал некоторые хорошо известные органические вещества, например метиловый спирт, этиловый спирт, метан, бензол, ацетилен, из чисто неорганических веществ.
Химические формулы трех классов органических веществ, гидрокарбонат, липид, протеин.
С развитием соответствующих аналитических методик в первых декадах XIX в. химики обнаружили, что органические вещества состоят главным образом из углерода, водорода, кислорода и азота. Вскоре они выявили и последовательность сочетания атомов, при котором эти вещества приобретают свойства органической субстанции.
Во второй половине XIX в. появилось уже множество синтезированных органических веществ; органическая химия не оставалась более наукой о веществах, образованных жизненными формами. Однако деление химии как науки на две части оставалось; только органическая химия стала именоваться «химией углеродных соединений». Жизнь как таковая уже не связывалась с ней.
И все же для виталистов оставалось немалое поле боя. Синтетические органические вещества были в XIX в. достаточно простыми. В живой материи наличествовали столь сложные вещества, что ни один тогдашний химик не решился бы их воспроизвести.
Более сложные вещества распадаются на три общие группы, как показал английский физиолог Уильям Прут (1785-1850). В 1827 г. он впервые назвал эти группы: гидрокарбонаты (углеводы), липиды (жиры), протеины (белки). Гидрокарбонаты, включающие сахара, крахмаль!, целлюлозу, составлены из углерода, водорода и кислорода, как и липиды (включающие жиры и масла). Гидрокарбонаты, впрочем, относительно богаты кислородом, в то время как липиды бедны им. Гидрокарбонаты либо растворимы в воде, либо растворимы первоначально в кислотах, в то время как липиды нерастворимы в воде.
Протеины, однако, наиболее сложные из этих трех групп, наиболее легко разрушаемые, а также являют собой саму характеристику жизни. Протеины содержат азот и серу, а также углерод, водород, кислород и, хотя обычно растворимы в воде, коагулируют и становятся нерастворимыми при общем нагревании. Поначалу их называли альбуминопо-добными субстанциями, поскольку единственным общеизвестным примером был белок куриного яйца (по-латински «альбумин»). В 1838 г. голландский химик Жерар Джоан Мюльдер, понимая первозданную важность альбумина, назвал протеины этим словом, которое является калькой с греческого оборота «имеющий первостепенную важность».
В XIX в. виталисты сфокусировали внимание и надежды не просто на органических веществах, но на молекуле протеина.
Развивающаяся органическая химия также внесла вклад в эволюционную концепцию. Все виды живых организмов состоят из тех же самых классов органических веществ: гидрокарбонатов, липидов, протеинов. Они различаются от вида к виду, но различия малы. Образно выражаясь, кокосовая пальма и корова — существа совершенно разные, но масло кокосовое и коровье отличаются лишь в некоторых деталях.
Более того, ученым в середине XIX в. стало ясно, что сложную структуру гидрокарбонатов, липидов, протеинов можно в процессе пищеварения разложить на относительно простые «кирпичики». Эти кирпичики одни и те же для всех видов, и все отличия сосредотачиваются в способе их комбинации. В процессе потребления одним организмом других (процессе пищеварения) кирпичики складываются в сложные вещества, которые и составляют суть питания.
С химической точки зрения, жизнь во всех вариациях, несмотря на разительные внешние различия, одна и та же. А если так, то эволюционные изменения одних видов в другие — дело деталей, и эта точка зрения утвердила правдоподобность эволюционной концепции.
Ткани и эмбрионыНи биолог, ни химик не должен зависеть от чего-либо чуждого жизни, чтобы сделать заключение о единстве всего живого. Развивающееся техническое усовершенствование микроскопа наконец-то сделало тайны жизни видимыми.
Первые «микроскописты», увлекшись многочисленными деталями, начинали фантазировать. К примеру, они переносили в действительность нарисованные своим воображением человеческие фигуры (гомункулусы) в очертания человеческого семени.
Они также предположили, что разрешительной способности жизни в мельчайших ее формах нет предела. Если яйцо иди сперматозоид уже заключает в себе крошечную жизнь, то в оболочке мельчайшего организма может быть заключен организм еще более мелкий, который в определенный момент станет отпрыском родительского и продолжит это дробление до бесконечности. Некоторые ученые даже пытались подсчитать, сколько именно гомункулусов может содержаться внутри бесконечно уменьшающихся, вложенных друг в друга фигур самовоспроизводящихся организмов. Они гадали, не придет ли конец человечеству, когда истощатся эти заключенные внутри друг друга генерации. Эта доктрина «преформации» стала антиподом эволюционной доктрины; следуя ей, все возможные члены видов уже существовали изначально внутри первого вида, и нет причины предполагать изменение (эволюцию) видового разнообразия в природе.
