Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
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 XVII 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 иногда «глауберовой солью», выглядит как Na2SO4∙10H2O. 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 реакцию, но психологическое значение этого достижения было 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 в научном мышлении важное место заняли различные моменты сходства между этими двумя видами веществ. Эти моменты были известны людям с незапамятных времен. Главным из этих общих моментов была роль воздуха.
Человек, как и другие сухопутные животные, для поддержания жизнедеятельности должен вдыхать воздух, и воздух этот должен быть хотя бы относительно свежим. Уже древние люди знали, что 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 если человек поймет механизм горения, то он поймет и механизм дыхания. И его предсказание оправдалось, как стало ясно с появлением трудов Лавуазье.
Когда в конце 70-х годов XVIII 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 те времена было бы еще слишком смелым выдвигать предположение о столь тесном сходстве между живой и неживой материей, но после того, как Вёлер синтезировал мочевину и резкое разграничение между живой и неживой материей пропало, такое сравнение стало неизбежным.
Когда возобладало представление о том, что законы органической химии схожи с законами химии неорганической, а то и вовсе совпадают с ними, интерес к органической химии сильно 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 С2Н4O, то процессы, происходящие в организме человека, можно представить так:
