Страница 8 из 22
Биологическая теория брожения
В 1680 г., впервые рассмотрев с помощью своего самодельного микроскопа пивные дрожжи, голландец Антони ван Левенгук описал их и зарисовал в виде почкующихся круглых клеток, образующих скопления. Эти наблюдения значительно опередили время: только в 1835 г. француз Ш. Каньяр де Ла-Тур и немец Ф. Кютцинг доказали, что дрожжи относятся к низшим растительным организмам, которые имеют ядро, размножаются почкованием на питательных сахаросодержащих средах и вызывают брожение. Однако тогда данное открытие не получило всеобщего признания.
Дело в том, что в середине XIX в. была распространена химическая теория брожения. Скажем, Г. Э. Шталь утверждал, что гниение сопровождается движением, следовательно, процесс этот связан с передачей движения от гниющего тела к здоровому. Ю. Либих и Й. Берцелиус не видели разницы между гниением и брожением и полагали, будто сгнившие органические вещества превращаются в ферменты, ускоряющие химические реакции внутри организма. Ферменты также постоянно движутся и вызывают сбраживание негниющих веществ, например сахара, путем разложения последних на частицы. Чтобы это произошло, сбраживаемая среда должна содержать клейковину или другое органическое азотистое соединение и контактировать с воздухом – в итоге на дно сосуда выпадает нерастворимый осадок, способный запустить новое брожение. Либих не отрицал, что для ферментации сахара нужны дрожжи, но предлагал использовать неживой продукт: мол, брожение запускается именно отмирающими, гниющими грибками.
Вот так ученые представляли себе этот процесс, пока брожением не заинтересовался француз Луи Пастер (1822―1895). Ему не было и 26 лет, когда он выявил причину неодинакового влияния луча поляризованного света на кристаллы разных органических веществ и этим открытием положил начало стереохимии – науке о пространственном расположении атомов в молекулах. Через семь лет Пастер стал деканом физико-математического факультета Лилльского университета и переехал в регион О-де-Франс, который издревле славился своей сахарной, пивоваренной и винодельной промышленностью. Владельцы местных заводов неоднократно обращались к нему с просьбой улучшить их производство, и, вникая в рабочий процесс, Луи постепенно убеждался, что явление брожения исследовано очень слабо. Дабы разобраться в вопросе, ученый стал проводить собственные эксперименты, сравнивая полученные результаты с химической теорией брожений, и в конце концов сделал революционные выводы. 1. Воздух брожению не нужен! И молочнокислое, и спиртовое брожение протекает без доступа воздуха, то есть «брожение – жизнь без кислорода». Доказательством этого тезиса стало открытие маслянокислого брожения, вызываемого анаэробными бактериями, которые не только не нуждаются в кислороде, но и воспринимают его как яд.
2. Каждое брожение вызывается особым возбудителем. Пастер впервые установил, что молочнокислое брожение (и образование масляной кислоты) связано с развитием особого вида микробов, не похожих по строению на дрожжи. Точно так же для ферментации мочевины, образования уксусной кислоты и спирта нужны «индивидуальные» микроорганизмы. Хотя ученый не всегда давал правильные названия этим самым организмам (например, маслянокислых бактерий относил к представителям животного мира, а уксуснокислых обозначал как Mycoderma), главная мысль – о том, что различные брожения требуют разных возбудителей, – была верной.
3. Брожение связано с жизнью и размножением, а не с гибелью и разложением микробов. В процессе вес микробов постоянно увеличивается – организмы используют сбраживаемые вещества для построения своего тела.
4. Для сбраживания не обязательны белковые соединения (клейковина), которые, по мнению адептов химической теории, якобы передают свое движение другим частицам, чем и вызывают брожение либо гниение. Образование спирта или молочной кислоты из сахара может происходить в среде, не содержащей белка, ведь источниками азота служат и неорганические соединения, например сернокислый аммоний.
Результаты экспериментов Пастера нанесли сокрушительный удар по теории Либиха, чьи последователи больше не могли объяснять брожение передачей движения частиц и разложением гниющих веществ. Однако уже в начале 1860-х М. Бертло заявил, что «ограниченная биологическая точка зрения не должна удовлетворять физиолога, тем более химика». Изучая тепловые эффекты, сопровождающие химические процессы, Бертло утверждал, будто брожение не связано с жизнедеятельностью дрожжевых клеток – рост дрожжей не нуждается в притоке энергии извне.
Вокруг самозарождения начались жаркие споры. Французская академия пообещала премию тому, кто разрешит этот вопрос, и в 1864 г. приз достался Пастеру. Дабы доказать, что микробы не заводятся в жидкой среде сами по себе, ученый взял колбы с длинными узкими искривленными горлышками, налил в них питательную жидкость и вскипятил, уничтожив все микроорганизмы. Через некоторое время он разбил горлышко одной колбы и показал, что микробы появились лишь в данном сосуде, а в другом жидкость осталась чистой. Это означало одно: организмы попадали на горлышки исключительно извне, и при повреждении стекла все осевшее на нем свободно проникало внутрь сосуда.
Впрочем, в 1870-х разгорелись новые дебаты – теперь уже на тему самозарождения плесневых грибов при брожении вина. То, что споры дрожжей все-таки переносятся воздухом, а не зарождаются в ткани винограда самопроизвольно, Пастер доказал так: в стерильных условиях вынул ягодную мякоть, поместил ее в безвоздушное пространство и пару недель спустя представил чистый, не запятнанный плесенью материал.
Впоследствии развитие биохимии и ферментологии побудило ученых вернуться к идеям Бертло. Открытие растворимых ферментов (энзимов) позволило осуществлять разложение белка, окисление, гидролиз ди- и полисахаридов (разложение сложных сахаров на простые молекулы с последующим присоединением воды и образованием глюкозы и фруктозы). Однако Пастер никогда не отрицал участия ферментов в брожении: будучи химиком, он не мог себе представить превращение молекулы в спирт без цепи реакций, которые протекают внутри клетки. Луи впервые дал исчерпывающий ответ, почему возникли брожения, и объяснил целесообразность этих процессов, показав, что они не могли бы возникнуть в природе, если бы не носили приспособительный характер.
Разгадка явления брожения не только помогла развитию французского виноделия, терпевшего огромные убытки от «болезней вина», но и сыграла огромную роль в развитии биологии, сельского хозяйства и промышленности (хлебопечения, изготовления кисломолочных продуктов и пр.).
Кроме того, именно Пастер указал на энергетическое значение брожений и продемонстрировал, что продукты жизнедеятельности бродящих микроорганизмов играют огромную роль в изменении окружающей среды. Установив, что один вид микроба вытесняет другой, Пастер отказался от поисков универсальной питательной среды, на которой могли бы расти все виды организмов без исключения, и создал среды, исходя из экологии, то есть условий существования микробов. Поэтому его можно считать основоположником особой отрасли микробиологии – экологии микроорганизмов.
Витамины
Во второй половине XIX в. ученые были уверены, что пищевая ценность продуктов заключается в содержании жиров, белков, углеводов, воды и минеральных солей. Но почему-то многие категории людей – мореплаватели, военные, путешественники, жители осажденных городов и заключенные, чей рацион включал все эти вещества, но был лишен свежих овощей, фруктов и мяса, – все равно страдали цингой, куриной слепотой, пеллагрой, бери-бери и рахитом. Так, моряки в плавании питались солониной и сухарями – продуктами длительного хранения – и в итоге заболевали цингой, которая проявляется в хрупкости сосудов, кровоточивости десен, выпадении зубов, язвах на коже. По подсчетам историков, за время великих географических открытий от цинги скончалось более 1 млн моряков – только в индийской экспедиции Васко да Гама были сражены 100 человек из 160. Медики той эпохи пытались объяснять причины заболеваний токсинами, ядами и инфекциями, хотя еще древние египтяне знали, что от куриной слепоты – неспособности видеть в темное время суток – помогает печень (теперь мы знаем, что она богата витамином А).