Этель Дуглас Хьюм

Этель Хьюм

Бешан или Пастер?
Утерянная глава истории биологии

Перевод Марии Семеновой (Санкт-Петербург)

IV. Сигнальный эксперимент Бешана

Мы уже упоминали о первых научных успехах профессора Бешана в Страсбурге, столице Эльзаса. Именно тогда, во время ряда химических исследований, у него возникла идея проверить популярную теорию о спонтанном превращении тростникового сахара (сахарозы. — прим. перев.) в виноградный1, поставив строгий эксперимент. В те времена органическое вещество, полученное из живых организмов, растительных или животных, считалось мертвым и вследствие этого, как полагали, было подвержено спонтанным изменениям. Пастер выступал против этой теории спонтанного превращения, но его методы мы уже критиковали. Бешан опередил Пастера, применив гораздо более строгий научный подход и получив, как мы увидим, значительно более ясные результаты.

Эксперимент с крахмалом заставил Бешана усомниться в справедливости популярной теории о том, что растворенная в воде сахароза при обычной температуре спонтанно превращается в инвертный сахар (смесь глюкозы и фруктозы в равных частях) — изменение, технически известное как инверсия сахара. Эта загадка требовала исследования, но приступая к решению этой химической задачи, профессор и не подозревал, какие биологические результаты последуют из ответов Природы.

В мае 1854 г. он начал серию наблюдений, которой позже дал название "Эксперимент хозяйки" ("Expérience Maîtresse"), а в конце концов согласился на "Сигнальный эксперимент".

16 мая 1854 г. была начата первая серия опытов в лаборатории фармацевтического факультета в Страсбурге. Эксперимент был завершен 3 февраля 1855 г.

В этом эксперименте совершенно чистая сахароза была растворена в дистиллированной воде и закупорена воздухонепроницаемой пробкой в стеклянной бутылке с небольшим количеством воздуха внутри. Бутылка была оставлена стоять на лабораторном столе при обычной температуре и в рассеянном свете.

В то же время были приготовлены контрольные эксперименты. Они состояли из растворов такой же дистиллированной воды и сахарозы, но к одному из растворов было добавлено немного хлорида цинка, а к остальным — небольшое количество хлорида кальция; в каждой бутылке было оставлено небольшое количество воздуха, как и в бутылке с первым, тестовым раствором. Эти бутылки были закупорены так же, как и первая, и все были оставлены стоять рядом друг с другом в лаборатории.

В течение нескольких месяцев сахароза в дистиллированной воде частично превратилась в виноградный сахар, а поляриметр показал, что среда изменилась, поскольку изменился угол вращения плоскости поляризации. Словом, изменение действительно произошло, но скорее всего не спонтанно, поскольку 15 июня появилась плесень, и с этого момента изменение значительно ускорилось.

В таблице I дана краткая сводка результатов экспериментов Бешана.

ТАБЛИЦА I2
Сигнальный эксперимент Бешана

Бешан приготовил растворы 16,365 грамм сахарозы в 100 см3 различных растворителей и несколько раз провел поляриметрические измерения каждого из растворов через различные интервалы времени, получив в результате определенные изменения угла вращения [плоскости поляризации — прим. перев.]

  16,365 г сахарозы растворено в 100 см3 следующих жидкостей:

Вращение
16 мая 1854 г.
Вращение
17 мая 1854 г.
Вращение
20 мая
1854 г.
Вращение
15 июня 1854 г.
Вращение
20 августа 1854 г.
Вращение
3 февраля 1855 г.
Примечания
1. Дистиллированная вода
23,88°
23,17°
22,85°
22,39°*
17,28°
7,80°
* Плесень появилась, но сильно не увеличилась
2. 25% р-р хлорида цинка
22,32°
22,20°
22,10°**
22,14°
22,27°
22,28°
** Раствор начал мутнеть. Позднее там был обнаружен небольшой осадок окисла хлорида цинка.
3. Р-р хлорида кальция, содержащий количество хлорида кальция, равное количеству хлорида цинка3
22,34°
22,13°
22,17°
22,25°
22,22°
22,29°
Плесень не появилась
4. 25% р-р хлорида кальция
22,34°
22,15°
22,10°
22,08°
22,14°
22,28°
Плесень не появилась

Профессор Бешан уделил особое внимание плесени и счел важным тот факт, что она вообще не появилась в растворах, куда он добавил хлорид цинка и хлорид кальция; кроме того, изменение угла вращения в этих растворах было настолько мало, что им можно было пренебречь или, как говорит сам Бешан, "Плоскость поляризации не изменялась, если не считать случайных отклонений"4.

Бешан опубликовал этот эксперимент в отчете Французской Академии наук 19 февраля 1855 г.5 Там он упомянул о плесени, но не дал объяснения причин ее появления. Он отложил этот важный вопрос до будущих экспериментов, чувствуя, что объяснение может стать ключом к разгадке причин того, что в то время считалась спонтанным зарождением. Ему не терпелось понять химический механизм превращения сахара и причину отсутствия этих изменений в растворах с хлоридами.

Тем временем другой исследователь, Момене (Maumené), также провел эксперименты, и хотя Бешан не был согласен с его выводами, он был поражен наблюдениями Момене, которые тот представил в Академию наук 7 апреля 1856 г. и опубликовал в "Анналах химии и физики" в сентябре 1856 г.

Эксперименты Момене тоже были связаны с поляриметрическими измерениями. В таблице II вкратце приведены его основные результаты:

ТАБЛИЦА II6
Эксперимент Момене

Различные виды сахара 16,35 г в 100 см3 раствора
Первоначальное вращение в 200 мм пробирке
Вращение через 9 месяцев в 200 мм пробирке
Примечания
Белый сахар + 100° + 22° Небольшая плесень
Еще один образец + 100° + 23° То же самое
Сахар-рафинад + 98,5° + 31,5° Плесени немного больше
Еще один образец + 96,5° + 88° Небольшая плесень

Бешан увидел в этом подтверждение своих собственных результатов. На страницах 50 и 51 книги "Микрозимы" он формулирует два вопроса, которые возникли у него в результате собственных экспериментов и экспериментов Момене:

Наделена ли плесень химической активностью?

Каково происхождение плесени, которая появляется в сладкой воде?

С намерением найти ответ на эти вопросы, 25 июня 1856 г. он начал в Страсбурге новую серию экспериментов, которая была завершена 5 декабря 1857 г. в Монпелье. В процессе выполнения этой работы он уехал из Страсбурга и начал свою удачную и счастливую карьеру в знаменитом южном университете.

В следующей таблице III на стр. 47 книги продемонстрированы его новые наблюдения:

ТАБЛИЦА III7
Сигнальный эксперимент Бешана

Раствор 15,1 г сахарозы в 100 см3 воды с некоторыми химическими веществами и без них Вращение плоскости поляризации Наблюдения
25 июня
1856 г.
13 июля 1856 г. 26 ноября 1856 г. 19 марта 1857 г. 13 июля
1857 г.
5 декабря 1857 г.
Чистая вода +22,03° +21,89° +16,6° +15,84° +10,3° +1,5° Небольшой пушистый осадок, который постепенно превратился в объемную плесень
Чистый раствор очень малого количества мышьяковой кислоты +22,04° +21,65° +12,24° +10,8° +7,2° +0,7° Плесень 26 ноября, которая увеличивалась и стала обильнее, чем в растворе чистого сахара
Дихлорид ртути, очень немного +22,03° +22,0° +21,9° +22,03° +22,04° +22,1° Жидкость остается прозрачной
Чистая вода и одна капля креозота +22,03° +22,0° +22,1° +22,2° +22,2° +22,2° То же самое
Сульфат цинка +22,04°
–3,12°
–7,2°
То же самое
Сульфат алюминия +22,02°
–8,7°
26 ноября много зеленой плесени
Нитрат калия +22,05° +21,6° +3.0°
Огромное количество плесени образовалось к 26 ноября
Нитрат цинка +22,01° +22,0° +22.1°
+22,0° +22,2° Прозрачная жидкость
Фосфат натрия +20,23° +19,16° –9,7°
22 ноября — объемная плесень
Карбонат калия +20,0° +20,0° +20,0°
+20,3°
Жидкость остается прозрачной
Оксалат калия +22,0° +20,34° +10,5°
–0,2° Красная плесень

Результаты ясно говорят о различном влиянии солей в среде, и Бешан подчеркивал это во второй главе своей работы "Микрозимы". Как показали и предыдущие эксперименты, хлорид цинка и хлорид кальция предотвращали изменение сахарозы; креозот (или дихлорид ртути) в очень малых количествах оказывал такое же защитное действие. Совершенно иначе дело обстояло с мышьяковой кислотой в маленьких пропорциях, а также с некоторыми другими солями, которые не мешали появлению плесени и превращению сахарозы. Некоторые соли, очевидно, даже способствовали появлению плесени, в то время как креозот, который лишь к моменту этих экспериментов стали различать с карболовой кислотой, напротив, оказался особенно эффективен в предупреждении плесени и изменений сахара.

С присущей ему любовью к точности, профессор Бешан решил тщательно исследовать роль креозота и с этой целью 27 марта приступил к серии новых экспериментов, которые продолжились до 5 декабря того же года.

Вот как он сам описывал процедуру8. Он

приготовил несколько сахарных растворов согласно технике антигетерогенистов, а именно: вода кипятилась, а затем охлаждалась таким образом, что воздух к ней поступал лишь через трубки с серной кислотой. Эта вода очень быстро растворила сахар, и несколько сосудов были доверху заполнены тщательно отфильтрованным раствором, так что в них не оставалось воздуха. Другая часть раствора, без креозота, была разлита по сосудам в контакте с достаточным количеством обычного воздуха, без особых мер предосторожности, кроме чистоты. Один из этих сосудов содержал некоторое количество мышьяковой кислоты. Два сосуда — один с креозотом в растворе, другой без креозота — были поставлены отдельно и не открывались в течение всего эксперимента.

В таблице IV приведены результаты наблюдений:

ТАБЛИЦА IV9
Сигнальный эксперимент Бешана

16,365 г сахарозы в 100 см3 раствора Вращение плоскости поляризации Наблюдения
27 марта 1857 г. 30 апреля 30 мая 30 июня 30 июля 5 декабря
Раствор без креозота (№1) +24° +24° +24° +23°
+19,68° Беловатые хлопья покрыли дно бутылей
То же (№2) +24° +24° +22,8° +21,6°
+15,6° В бутыли №2 хлопья стали более обильными; 30 июня, без фильтрации, была добавлена одна капля креозота; это не остановило дальнейшее превращение сахара.
То же (№3) +24°
+24°
 
То же (№4) +24°
+24° +24°
 
То же (№5) +24°
+24°  
Растворы с креозотом (№1а) +24° +24° +24° +24° +24° +24°  
То же (№2а) +24°
+24° +24° +24° +24°  
То же (№3а) +24°
+24° +24° +24°  
То же (№4а) +24°
+24° +24°  
То же (№5а) +24°
+24°  
Раствор с креозотом и мышьяковой кислотой +24° +24°
+24° +24° +24°  

Вот как Бешан сам объяснил результаты.

Сосуды 1 и 2 потеряли немного жидкости во время манипуляций с ними и поэтому оказались заполнены не доверху. Из-за этого жидкость в сосудах соприкасалась с воздухом — в них появилась плесень и произошли изменения в среде, причем в разное время: более быстрыми изменения оказались в сосуде, где плесень была обильнее.

В противоположность этому, сахарная вода, защищенная от контактов с воздухом в течение всех восьми месяцев наблюдения, не подверглась изменениям, хотя содержалась в теплом климате Монпелье в течение июня, июля, августа и сентября. Это было особенно примечательным, потому что воде ничто не мешало действовать, существуй в природе спонтанное зарождение, как тогда считалось. К тому же, хотя растворы с креозотом с самого начала соприкасались с воздухом и были оставлены в открытых сосудах, в них не произошли изменения, не появилось и следов плесени, даже в растворе с мышьяковой кислотой.

Теперь вернемся к раствору № 2, в котором плесень появилась до 30 мая, а данные поляриметра на эту дату свидетельствовали об уменьшении угла вращения, продолжавшемуся несмотря на добавление капли креозота 30 июня.

Великий труженник пишет в предисловии к своей книге "Кровь" ("Le Sang"), что различия в этих наблюдениях поразили его не меньше, чем раскачивание кафедральной люстры поразило Галилея в шестнадцатом веке.

В то время, когда Бешан проводил свои исследования, считалось, что ферментация может происходить только в присутствии альбуминоидного вещества. Мы уже видели, что Пастер использовал дрожжевой бульон (сложный альбуминоидный раствор). В растворах, приготовленных Бешаном, напротив, не было альбуминоидных веществ. Он использовал тщательно дистиллированную воду и чистую сахарозу, которая, по словам Бешана, не выделяла аммиак при нагревании со свежегашеной известью. Тем не менее, в его химических растворах появилась плесень — несомненно живой организм, содержащий альбуминоидное вещество.

Гений Бешана подсказывал ему, что эта поразительная находка таила в себе много открытий. Будь он Пастером, эта новость уже гремела бы на всю страну, а подробности были бы уже рассказаны в письмах ко всем знакомым. Но Бешан, не думая о себе, погрузился в тайны, которые открывала перед ним природа. Ему не терпелось приступить к новым экспериментам с учетом своих недавних открытий.

Результаты наблюдений он изложил в своих записках, которые сразу же, в декабре 1857 г., выслал в Академию наук. Выдержки из них были опубликованы 4 января 1858 г., среди прочих отчетов Академии10. Публикация полной версии этого важнейшего документа была по неизвестной причине отложена на восемь месяцев — до сентября 1858 г., когда она появилась в "Анналах химии и физики"11.

Этим запискам было дано название "О влиянии холодной воды, чистой и с различными солями, на сахарозу".

Вот как Бешан сам комментирует его:

Из названия следует, что это чисто химическая работа, целью которой было выяснить, способна ли холодная вода превращать сахарозу, и влияют ли соли на превращение. Однако вскоре, как я и предвидел, вопрос усложнился: из чисто химического он превратился в физиологический, и одновременно оказался связан с явлением ферментации и вопросом спонтанного зарождения. Таким образом, изучение простого химического факта привело меня, вслед за другими, к исследованию причин ферментации, природы и происхождения ферментов12.

Главным радикальным результатом всех экспериментов стало то, что "холодная вода изменяет сахарозу лишь пропорционально развитию плесени, этой примитивной формы растительной жизни, которая выступает в роли фермента"13.

Так одним ударом он опроверг теорию превращения под действием воды, а изменение, известное как ферментация, объяснил ростом живых организмов.

Более того, он доказал, что "плесень не образуется, если нет контакта с воздухом, и в этом случае вращающая сила остается без изменений"; а также, что "растворы, контактировавшие с воздухом, изменялись пропорционально развитию плесени". Таким образом, необходимость присутствия этих живых организмов для осуществления ферментации стала очевидной.

Далее Бешан объясняет роль плесени:

Она действует подобно ферменту.

Откуда берется фермент?

В этих растворах не было альбуминоидного вещества; они были приготовлены на чистой сахарозе, которая при нагревании со свежегашеной известью не выделяла аммиак. Это значит, что сахарный раствор оказался подходящей средой для развития микроорганизмов, содержащихся в воздухе, и необходимо признать, что этот фермент был произведен грибками.

Здесь, в полную противоположность мнению Пастера о спонтанном происхождении пивных дрожжей и других организмов, Бешан подтверждает справедливость учения Шванна о микробах воздушного происхождения и даже устанавливает принадлежность дрожжей к отряду грибов. Удивительно, что в эпоху полного хаоса научных идей великий ученый сделал такое ясное заявление и настолько опередил время своими наблюдениями.

Кроме того, он заявил:

Вещество, развивающееся в сахарной воде, иногда бывает в виде маленьких отдельных тел, а иногда в виде объемистых бесцветных пленок, которые выливаются единой массой из сосудов. Нагретые с едким кали, эти пленки в изобилии выделяют аммиак.

Это наблюдение о многообразии форм плесени впоследствии привело его к глубокому проникновению в жизнь клетки и первому верному пониманию цитологии.

Бешан предложил еще одно точное объяснение действия плесени: "Превращение сахарозы в присутствии плесени можно сравнить с воздействием диастазы на крахмал".

Именно этот вывод, по словам Бешана14, оказал огромное влияние на проблему и был настолько новаторским для той эпохи, что Пастер даже впоследствии игнорировал и отрицал его.

Далее Бешан объясняет, что

холодная вода оказывает воздействие на сахарозу, только если в этой воде способна развиваться плесень; иначе говоря, превращение происходит благодаря ферментации и благодаря образованию кислоты вслед за появлением фермента.

Именно кислотой, которую производит плесень, он и объяснил процесс ферментации.

На основании разнообразного влияния солей в растворах, он сделал еще множество выводов. Если бы лорд Листер последовал учению Бешана, а не Пастера, ему бы не пришлось впоследствии отказываться от своего изобретения — карболового спрея, который оказался смертельным для многих пациентов.

Бешан учил, что

креозот, предупреждая развитие плесени, тем самым контролирует превращение сахарозы.

Он учил также, что

креозот, при длительном контакте с воздухом или без него, не дает образовываться плесени и одновременно предупреждает превращение сахарозы. Но из наблюдений следует, что если плесень уже появилась, то креозот не останавливает ее действие.

Он сделал множество выводов на основании влияния различных солей и обобщил их следующим образом:

Влияние солевых растворов разнообразно, и зависит не только от вида и типа соли, но в большей степени от насыщенности и нейтральности этих солей. Соли, не позволяющие сахарозе превращаться в глюкозу (виноградный сахар), в основном известны как антисептики. В любом случае, требуется определенная минимальная температура, чтобы произошло превращение.

Итак, мы видим, что уже в 1857 г., когда ферментация была еще настолько загадочной, что Пастер, экспериментировавший с альбуминоидными веществами (в том числе с мертвыми дрожжами), считал эти дрожжи и другие организмы продуктами спонтанного зарождения, всеобъемлющее объяснение Бешана оказалось настоящим прожектором, луч которого рассеял темноту этого вопроса на все времена.

Если вкратце обобщить, он учил, что сахароза является природным веществом, которое не изменяется при растворении в воде. Он учил, что воздух сам по себе не оказывает действия на сахарозу, но благодаря поступающим из воздуха живым организмам, его влияние приобретает решающее значение. Он показал, что эти организмы сами нерастворимы, но вызывают процесс ферментации при помощи так называемого растворимого фермента — кислоты, которую они выделяют. Он учил, что предотвратить вторжение организмов в сахарный раствор можно путем добавления туда небольшого количества креозота, но показал, что если организмы появились раньше, добавление креозота не остановит их развитие и дальнейшее превращение сахара.

Для полноты картины лучше всего процитировать два-три параграфа из собственных выводов Бешана об этом открытии в предисловии к его последней работе — "Кровь"15.

Он пишет:

В результате было установлено, что растворимый фермент связан с нерастворимым отношениями продукта с продуцентом, причем, растворимый фермент невозможен без организованного фермента, который обязательно нерастворим.

Далее, растворимый фермент и альбуминоидное вещество, являющееся азотным, могли формироваться только при помощи азота из оставшегося в сосудах ограниченного объема воздуха. Это означает, что свободный азот в воздухе непосредственно способствует синтезу азотистых веществ в растениях; что до сих пор было спорным вопросом16.

Вещество, образующее структуру плесени и дрожжей, вырабатывается организмом. А значит, растворимые ферменты с продуктами ферментации тоже должны вырабатываться там, как и растворимый фермент, который преобразовывает сахарозу. Это убедило меня в том, что, на самом деле, ферментация — процесс питания, ассимиляции, диссимиляции и выделения продуктов диссимиляции17.

Итак, мы видим, что уже в 1857 году Бешан предложил полное и ясное объяснение процесса ферментации. Он доказал, что ферментация происходит благодаря процессу жизнедеятельности живых организмов, столь маленьких, что увидеть их можно только в микроскоп, а в случае с сахарными растворами они имеют воздушное происхождение. Вне всяких сомнений, он не только первым решил проблему, но и пошел дальше, благодаря своему первоначальному открытию — увы, значительно дальше границ понимания тех, кто не обладал его гениальной проницательностью и был попросту напуган теорией атмосферных организмов. Однако, прежде чем мы продолжим погружаться в учение Бешана, давайте вернемся к Пастеру и посмотрим, как повлиял на его работу великий Сигнальный эксперимент соперника, осветивший путь науке.

Кто доказал, что ферментация в химической среде
обязана живым организмам воздушного происхождения — БЕШАН или ПАСТЕР?

БЕШАН
ПАСТЕР
185518 и 185719 185720
Эксперименты с идеально чистой сахарозой и дистиллированной водой, с добавлением различных солей и без них, при этом воздух в некоторых случаях исключен, а в некоторых допущен. Молочное брожение.
Эксперимент с ферментом, полученным из смеси сахара, мела, казеина или фибрина, и глютена, и помещенным в дрожжевой бульон (сложный раствор из альбуминоидных и минеральных веществ), в котором был растворен сахар с добавлением мела.
Выводы: Выводы:
Своей инверсией сахароза обязана плесени, которая представляет собой живые организмы, попавшие из воздуха, и их влияние на сахарозу можно сравнить с влиянием, которое диастаза оказывает на крахмал.
Креозот предупреждает инвазию плесени, но не останавливает ее развитие, если плесень уже есть.
Молочный фермент зарождается спонтанно так же легко, как и пивные дрожжи, в альбуминоидной жидкости с добавлением растворимой части дрожжей. Молочный фермент является живым организмом, хотя этот вывод из разряда тех, что нельзя неопровержимо доказать.
  Спиртовое брожение21
  Эксперимент с двумя равными долями свежих дрожжей, промытых водой. Одни были оставлены для ферментации в чистой сахарной воде, а к другим, после полного извлечения их растворимой части с помощью кипячения в большом количестве воды и фильтрации для избавления от глобул, было добавлено столько же сахара, сколько и в первой ферментации, и затем еще очень маленькое количество свежих дрожжей.
  Выводы:
  В пивных дрожжах главную роль играют не глобулы, а превращение растворимой части дрожжей в глобулы, поскольку глобулы погибают при температуре в 1000, в то время как ферментация происходит спонтанно. Расщепление сахара на спирт и угольную кислоту связано с процессами жизнедеятельности.
Заключение:
Это стало первым точным объяснением и доказательством разгадки ферментации, а также теоретической базой науки об антисептиках.
Заключение:
Применение альбуминоидных веществ в этих экспериментах обесценило попытку разгадать причину изменений в чистой химической среде. Происхождение ферментов было признано спонтанным; ферментация была объявлена проявлением жизнедеятельности, но в качестве главного материала были использованы мертвые дрожжи, и общие выводы были признаны недоказуемыми.

ПРИМЕЧАНИЯ

1 См. прим. к стр. 35
2  Les Microzymas, р. 48.
3 В оригинале написано: "Solution de chlorure de calcium équivalente au poids du chlorure de zinc". Отсюда следует, что концентрация CaCl2 была эквивалентна по молекулярному весу, т.е. 25% × молекулярный вес CaCl2 / молекулярный вес ZnCl2, отсюда 25% × 111,0 / 136,3 = 20%.
4 Les Microzymas, A. Béchamp, р. 48.
5 Comptes Rendus 40, р. 436.
6 Les Microzymas, р. 50.
7 Les Microzymas, p. 52.
8 Les Microzymas, A. Béchamp, p. 53
9 Les Microzymas, A. Béchamp, р. 54
10 Comptes Rendus 46, p. 44
11 A. de Ch. et de Ph. 3e série, 54, р. 28.
12 Les Microzymas, A. Béchamp, р. 55.
13 Comptes Rendus 46, p. 44.
14 Les Microzymas, A. Béchamp, p. 57.
15 P. 16.
16 Сегодня считается, что атмосферный азот может поглощаться лишь некоторыми растениями (семейство бобовых), и только при определенных условиях.
17 В современном языке эти процессы известны как питание, анаболизм, катаболизм и удаление продуктов названного последним процесса.
18 Comptes Rendus de l'Académie des Sciences 40, р. 436.
19 C. R. 46, p. 44. См. также Annales de Chimie et de Physique, 3e série, 54, p. 28.
20 Comptes Rendus de l'Académie des Sciences 45, p. 913.
21 Comptes Rendus, 45, р. 1032. См. также Annales de Chimie et de Physique, 3e série, 52, р. 404.

предыдущая часть Предыдущая глава   оглавление Оглавление   Следующая глава следующая часть