Калориметрия
Либих, как последовательный материалист, полагал, что углеводы и жиры служат топливом для организма. Это было явным прогрессом по сравнению со взглядами Лавуазье, жившего полстолетия назад. Если Лавуазье говорил только об углероде и водороде, теперь можно было говорить о более специфических соединениях — углеводах и жирах, состоящих из углерода и водорода (плюс кислород).
Естественно, воззрения Либиха побудили многих ученых попытаться определить, равно ли количественно тепло, полученное организмом от такого «топлива», теплу, получаемому при сжигании углеводов и жиров вне организма. Грубые опыты Лавуазье давали положительный ответ на этот вопрос. Однако значительное усовершенствование техники измерений требовало проверки данных. В 60-х годах XIX столетия Бертло для определения количества тепла, выделяемого при сжигании, использовал прибор калориметр. Сжигаемое вещество смешивали в закрытой камере с кислородом и смесь взрывали, поджигая электричеством. Камера находилась в водяной бане. По повышению температуры воды и определялось количество выделившегося тепла.
Для определения количества тепла, образующегося в организме, надо было построить калориметр достаточно больших размеров, чтобы поместить в нём живой организм. По количеству выделяемой организмом углекислоты и потребляемого им кислорода можно рассчитать количество углеводов и жиров, которое сжигает организм. Тепло, выделяемое организмом, определяется измерением температуры окружающего калориметр водяного кожуха. Количество этого тепла сопоставляется с количеством тепла, которое можно получить от сгорания того же количества углеводов и жиров вне организма.
Немецкий физиолог Карл Фойт (1831–1908), ученик Либиха, вместе с немецким гигиенистом Максом Петтенкофером (1818–1901) построили калориметр достаточно большой, чтобы помещать в него животных и даже человека. Результаты их экспериментов подтвердили, что у живых тканей нет других энергетических источников, кроме тех, которые имеются и в неживом мире. Ученик Фойта Макс Рубнер (1854–1932) продолжил исследования и экспериментально доказал приложимость закона сохранения энергии к организму животного. Сравнивая количество азота, содержащегося в моче и фекалиях, с количеством его в пище, которой кормили подопытных животных, он показал (1884), что углеводы и жиры не могут быть единственным топливом, поступающим в организм. Молекулы белка после отщепления азотсодержащей части также могут использоваться как топливо. Учитывая белок как источник энергии, Рубнер смог получить более точные данные. К 1894 г. он установил, что энергия, выделяемая пищевыми продуктами в организме, точно равна энергии, которую можно получить при сжигании этих продуктов вне организма (с учетом количества энергии, содержащейся в моче и фекалиях).
Итак, закон сохранения энергии справедлив как для неживого мира, так и для живого. Открытие этого закона нанесло сокрушительный удар по виталистическим воззрениям.
Новые количественные методы нашли применение и в медицине. Немецкий физиолог Адольф Магнус-Леви (1865–1955) определил нижний уровень энергетического обмена у человека (темп основного обмена веществ — ООВ). Магнус-Леви нашел при этом значительные изменения ООВ при заболеваниях, связанных с щитовидной железой. С этого времени измерение ООВ стало важным методом диагностики.
Брожение
Успехи калориметрии во второй половине XIX в. не затронули, однако, самых основ витализма. И человек и скала, на которой он стоит, материальны. Но между формами этих материй — непреодолимая грань, отделяющая органическую материю от неорганической. Когда оказалось, что эта грань стирается, виталисты ухватились за белок. Кроме того, признав доступность для живого энергии неживого мира, они были убеждены, что методы использования этой энергии в корне отличны.
Так, горение вне организма сопровождается выделением большого количества тепла и света; процесс протекает стремительно. При сгорании пищи в организме образуется небольшое количество тепла и свет не выделяется. Температура организма в норме держится около 36,8°, горение протекает медленно и прекрасно регулируется. Когда химик пытается воспроизвести в лаборатории реакцию, характерную для живых тканей, он вынужден прибегать к сильнодействующим средствам — высокой температуре, электрическому току, сильным химическим реактивам, — в которых живые ткани не нуждаются.
Не в этом ли основное отличие живого от неживого? Либих считал, что это не так, и в качестве примера приводил брожение. С доисторических времен человечество сбраживало соки из фруктов и замачивало зерно для изготовления вина и пива. Люди использовали закваски, или дрожжи (как их чаще называют), для изготовления теста. Тесто поднималось, в нем образовывались пузырьки. Хлеб получался мягким и вкусным.
В этот процесс вовлечены органические вещества. Сахар или крахмал превращается в спирт, а это напоминает реакции, протекающие в живых тканях. Однако при брожении не требуется сильнодействующих реактивов или других средств. Оно протекает при комнатной температуре в спокойном, медленном темпе. Либих видел в брожении чисто химический процесс, протекающий без участия некой «жизненной силы», и настаивал на том, что он подобен превращениям в живом организме, однако идет без участия живого.
Надо заметить, что еще со времен Левенгука было известно, что дрожжи состоят из шариков, не обнаруживающих признаков жизни. В 1836 и 1837 гг. биологам, в том числе Шванну, удалось заметить у дрожжей процесс почкования, приводящий к образованию новых шариков, что было явным признаком жизни. Биологи заговорили о дрожжевых клетках, однако Либих отверг эти представления.
В защиту живой природы дрожжей выступил французский ученый Луи Пастер (1822–1895). В 1856 г. французские виноделы пригласили его на консультацию. Вино и пиво при долгом хранении часто прокисали, принося миллионные убытки. Не могли бы химики помочь?
Пастер обнаружил довольно любопытную закономерность: хорошо сохранившиеся вино и пиво содержали крошечные круглые дрожжевые клетки. А если жидкость прокисала, дрожжевые клетки были удлиненными. Итак, ясно: существует два типа дрожжей — образующие спирт и вызывающие медленное скисание вина. Слабое нагревание убивало дрожжевые клетки и останавливало процесс. Если это делать в нужный момент, после того как спирт уже образовался, но скисание еще не началось, вино можно сохранить. Практика подтвердила выводы Пастера.
При изучении этого процесса Пастер выяснил два момента. Первый: дрожжевые клетки — живые организмы, поскольку слабое нагревание разрушает их способность вызывать брожение; клетки остаются, они не разрушаются, но в них убита жизнь. Второй: только живые дрожжевые клетки вызывают брожение. Спор между Пастером и Либихом закончился полной победой Пастера и витализма.
Вслед за этим Пастер поставил свой знаменитый опыт по самопроизвольному зарождению — теме, укреплявшей позиции витализма еще со времен Спалланцани. Религиозные лидеры, разумеется, приветствовали опровержение теории самопроизвольного зарождения, поскольку зарождение жизни на Земле можно было приписать только богу. Как раз материалисты середины XIX в. горячо отстаивали идею самопроизвольного зарождения. Спалланцани показал, что, если стерилизовать мясной бульон и изолировать его от загрязнений, в нем не появится никаких форм жизни. На этом строился вывод: тепло разрушило всякое жизненное начало в воздухе герметически закрытого сосуда.
Пастер поставил опыт (1860) так, чтобы обычный ненагретый воздух не был изолирован от мясного бульона: кипяченый и простерилизованный бульон он оставил открытым в комнатной атмосфере. Бульон находился в колбе с длинной вытянутой горловиной, профиль которой напоминал лежащую на боку букву S. Ненагретый воздух свободно проникал в колбу, а загрязняющие частицы оседали на дне этой S-образной горловины и не попадали в колбу. При таких условиях организмы в мясном бульоне не размножались, но, если горловину удаляли, быстро наступало загрязнение. Таким образом, отпал вопрос о нагретом и ненагретом воздухе, о «жизненном начале», разрушенном и неразрушенном. Суть дела заключалась в том, что в бульон попадала пыль, частично состоящая из взвешенных в воздухе микроорганизмов, которые росли и размножались в бульоне.