Падение витализма. Ферменты

Тем не менее, если формы жизни могли совершать химические трюки, которые не могли быть выполнены в неживой природе, они должны были совершаться с помощью каких-то материальных средств (если только кто-то не хотел полагаться на сверхъестественное, чего ученые девятнадцатого века делать не хотели). Природа материальных средств медленно выявлялась.

Еще в восемнадцатом веке химики заметили, что иногда реакцию можно ускорить введением вещества, которое, по всей видимости, не участвует в реакции. Наблюдения такого рода накапливались и привлекали серьезное внимание в начале девятнадцатого века.

Русский химик Готлиб Сигизмунд Кирхгоф (1764-1833) в 1812 году показал, что при кипячении крахмала с разбавленной кислотой крахмал распадается на простой сахар, глюкозу. Этого не произошло бы, если бы кислота отсутствовала, а между тем кислота, по-видимому, не принимала участия в реакции, ибо никакая ее часть не израсходовалась в процессе разложения.

Четыре года спустя английский химик Гемфри Дэви (1778–1829) обнаружил, что платиновые проволоки способствуют соединению при обычных температурах различных органических паров, таких как спирт, с кислородом. Платина явно не участвовала в реакции.

Эти и другие примеры привлекли внимание Берцелиуса, который писал на эту тему в 1836 году и предложил для этого явления название «катализ». Это происходит от греческих слов, означающих «расщеплять» и, возможно, относится к катализируемому кислотой расщеплению крахмала.

Обычно спирт сгорает в кислороде только после нагревания до высокой температуры, при которой воспламеняются его пары. Однако в присутствии платинового катализатора та же реакция протекает без предварительного нагрева. Таким образом, можно было бы утверждать, что химические процессы в живой ткани протекают, так сказать, в очень щадящих условиях, поскольку в ткани присутствуют определенные катализаторы, которых нет в неживом мире.

Действительно, в 1833 году, незадолго до того, как Берцелиус занялся этим вопросом, французский химик Ансельм Пайен (1795–1871) выделил из проросшего ячменя вещество, которое могло расщеплять крахмал до сахара даже быстрее, чем кислота. Он назвал это «диастаз». Диастазу и другие подобные вещества назвали «заквасками», потому что превращение крахмала в сахар является одним из предварительных процессов при брожении зерна.

Ферменты вскоре были получены и из животных организмов. Первый из них был из пищеварительного сока. Реомюр показал, что пищеварение представляет собой химический процесс, и в 1824 году английский врач Уильям Праут (1785–1850) выделил соляную кислоту из желудочного сока. Соляная кислота была строго неорганическим веществом, и это было неожиданностью для химиков в целом. Однако в 1835 г. Шванн, один из основоположников клеточной теории, получил из желудочного сока экстракт, который не был соляной кислотой, но разлагал мясо еще эффективнее, чем кислота. Это то, что Шванн назвал «пепсином» (от греческого слова, означающего «переваривать»), и было истинным ферментом.

Было открыто все больше и больше ферментов, и во второй половине девятнадцатого века стало совершенно очевидно, что это катализаторы, свойственные живой ткани; катализаторы, позволившие организмам делать то, чего не могли химики. Белки оставались виталистическим щитом, поскольку было много причин полагать, что эти ферменты имеют белковую природу (хотя это не было определенно продемонстрировано до двадцатого века).

Однако с точки зрения виталистов было напряжённо то, что некоторые ферменты работают вне клетки так же хорошо, как и внутри. Ферменты, выделенные из пищеварительных соков, очень хорошо выполняли свою пищеварительную работу в пробирке. Можно было бы предположить, что если бы можно было получить образцы всех разнообразных ферментов, то любую реакцию, протекавшую в живом организме, можно было бы воспроизвести в пробирке и без вмешательства жизни, поскольку сами ферменты (по крайней мере, изученные) несомненно были неживыми. Более того, ферменты следовали тем же правилам, что и неорганические катализаторы, такие как кислоты или платина.

Таким образом, виталистская позиция заключалась в том, что ферменты пищеварительных соков в любом случае выполняют свою работу вне клеток. Пищеварительный сок, вылитый в кишечник, можно с тем же успехом вылить в пробирку. Иное дело — ферменты, оставшиеся внутри клетки и работавшие только внутри клетки. Те, настаивали виталисты, были вне досягаемости химика.

Ферменты стали разделять на два класса: «неорганизованные ферменты» или те, которые действуют вне клеток, например пепсин; «организованные ферменты» или те, которые работают только внутри клеток, например те, которые позволяют дрожжам превращать сахар в спирт.

В 1876 году немецкий физиолог Вильгельм Кюне (1837-1900) предложил использовать слово фермент для тех процессов, которые требуют жизни. Те ферменты, которые могли бы действовать вне клеток, он предложил называть «ферментами» (от греческих слов, означающих «в дрожжах»), потому что по своему действию они напоминали ферменты в дрожжах.

Затем, в 1897 г., вся виталистическая позиция в этом отношении была неожиданно подорвана немецким химиком Эдуардом Бюхнером (1860-1917). Он растирал дрожжевые клетки с песком до тех пор, пока не осталось ни одной целой, а затем профильтровал измельченный материал, получив бесклеточное количество дрожжевого сока. Он ожидал, что этот сок не будет обладать способностью к брожению живых дрожжевых клеток. Однако было важно, чтобы сок не был заражен микроорганизмами, иначе в нем все-таки будут живые клетки, и испытание будет некачественным.

Одним из проверенных временем способов предохранения материалов от заражения микроорганизмами является добавление концентрированного раствора сахара. Бюхнер добавил это и обнаружил, к своему удивлению, что сахар начал подвергаться медленному брожению, хотя смесь была абсолютно неживой. Он продолжил эксперименты, убивая дрожжевые клетки спиртом и обнаружив, что мертвые клетки ферментируют сахар так же легко, как и живые.

К концу девятнадцатого века было признано, что все ферменты, как организованные, так и неорганизованные, представляют собой мертвые вещества, которые можно выделить из клеток и заставить выполнять свою работу в пробирке. Название «фермент» относилось ко всем ферментам в равной степени, и поэтому считалось, что клетка не содержит химических веществ, которые могли бы работать только в присутствии какой-либо жизненной силы.

Было обнаружено, что изречение Пастера о том, что без жизни не может быть брожения, применимо только к ситуациям, происходящим в природе. Вмешивающаяся рука человека могла так воздействовать на дрожжевую клетку, что, хотя клетка и ее жизнь были уничтожены, составляющие ее ферменты остались нетронутыми, и тогда можно было заставить брожение протекать без жизни.

Это было самое серьезное поражение, которое когда-либо терпел витализм, но, в некотором смысле, виталистская позиция была далеко не поколеблена. Многое еще предстояло узнать о молекуле белка (как ферментов, так и неферментов), и нельзя было считать определенным, что жизненная сила не проявит себя в тот или иной момент. В частности, другое изречение Пастера (и Вирхова) о том, что никакая клетка не может возникнуть, кроме как из ранее существовавшей клетки, осталось, и, хотя это осталось, в жизни все еще было что-то особенное, чего, возможно, не могла коснуться рука простого человека.

Отдельные биологи могут все еще говорить о разбавленных формах витализма в теории (а некоторые делают это даже сегодня), но никто серьезно не действует в соответствии с ним. Общепризнанно, что жизнь следует законам, управляющим неживым миром; что в биологии нет проблемы, которую нельзя было бы решить в лаборатории, и нет ни одного жизненного процесса, который нельзя было бы сымитировать там при отсутствии жизни. Механистический взгляд превыше всего.