Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Состав древесины, как правило, не слишком отличается от среднего состава пищи (хотя его, пожалуй, вернее было бы представить как С2Н4O2), 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 должен был огорчить 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 XIX 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?
Остановимся более подробно на пище.
С давних пор люди не могли не замечать, 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 IV веке до нашей эры. В древности эта технология добралась до Рима, где и сложилось латинское слово «saccharum», происходящее, по всей вероятности, от названия индийского растения. И лишь в Средневековье, вместе с возвращающимися из походов крестоносцами, сахар попал в Европу.
XIX век принес открытие о том, что сахар бывает разный. В 1802 году французский химик Жозеф 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: 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 А. 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. Поэтому для нового 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».
Французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак, проанализировав химический состав сахара и близких к нему веществ, 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». В дальнейшем выяснилось, что на самом деле молекулы их имеют более сложное строение, но название к тому времени уже прижилось, и отменять его никто не стал.
Оказалось, что молекула глюкозы состоит из шести атомов углерода, поэтому 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 Шеврёль, 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 C57H104O6.
И еще одна, третья, типичная составляющая пищи, не похожая 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 XVIII 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 веществ 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 XIX века задача по составлению их общей формулы так и оставалась нерешенной.
В 1838 году голландский химик Герард-Иоганн Мёллер попытался разработать схему молекулы-составляющей, в состав которой были включены 88 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 появился новый термин. По предложению Берцелиуса Мёллер 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 процентов состоит только из них. В ней есть и неорганические составляющие (например, в костях), есть, разумеется, вода. Существуют также и органические составляющие, например нуклеокислоты, необходимые для всего живого и при этом не относящиеся ни к одной из трех перечисленных категорий.
