Краткая история биологии. От алхимии до генетики

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.

Виталистическая 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.

Ни 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.