Текст книги "У барной стойки. Алкогольные напитки как наука и как искусство"

Некоторые из самых выдающихся ученых – из тех, что заложили основы современной науки, – значительные части своих жизней посвятили изучению процесса брожения. Спустя полтора века после принятия пивного закона Reinheitsgebot голландский ученый и изобретатель микроскопа Антони ван Левенгук рассмотрел каплю бродящего пива и смог увидеть отдельные клетки дрожжей[30]30
  Phaff, Life of Yeasts, 3.


[Закрыть] сферической и овальной формы. Он их тщательно зарисовал (в те времена умение рисовать для естествоиспытателя было так же необходимо, как умение фотографировать для современного исследователя). Свои рисунки и описание этих организмов он направил в Лондонское королевское общество[31]31
  Полное название этой замечательной организации – Лондонское королевское общество по развитию знаний о природе (The Royal Society of London for the Improvement of Natural Knowledge), но обычно его называют просто «Королевское общество», и этого для знающих людей вполне достаточно. – Прим. ред.


[Закрыть]. Но тогда никто из его членов не смог понять, что это такое, так что они оставили это открытие без внимания. Такое отсутствие интереса продолжалось полтора столетия.

В 1794 году эта работа была наконец возобновлена, хотя и под несколько другим углом. Французский ученый Антуан Лоран Лавуазье, известный благодаря открытию кислорода и водорода, провел первые вычисления, касающиеся превращения сахара в этиловый спирт и углекислый газ. Лавуазье был специалистом в химических вычислениях – возможно, как предполагают некоторые биографы, благодаря своей основной работе в крупной налоговой фирме[32]32
  Dressler, Discovering Enzymes, 27.


[Закрыть]. Он пришел к выводу, что по завершении любой химической реакции должно оставаться такое же количество вещества, как и перед началом реакции. Это было первое изложение принципа сохранения массы, который гласит, что материя не может быть создана или уничтожена, а может быть лишь изменена.

Когда Лавуазье обнаружил, что виноградный сок на 25 % состоит из сахара, он предположил, что именно сахар является тем, что каким-то образом превращается в этиловый спирт. Чтобы подтвердить свою догадку, он проделал хитрый эксперимент. Лавуазье подверг реакции брожения чистый сахар, а затем сжег получившийся этанол и отдельно от него сжег такое же количество сахара. При помощи собственноручно сконструированных точных весов ученый взвесил оба продукта, получившихся в результате горения. Лавуазье начал с 26,8 фунта (12,1 кг) углерода (в сахаре), которые в результате брожения превратились в 27,2 фунта (12,3 кг) углерода (в составе этанола и углекислого газа). В рамках экспериментальной погрешности можно считать, что количество углерода не изменилось. Так что наличие дрожжей из-за их незначительной массы было проигнорировано Лавуазье[33]33
  Ibid., 28.


[Закрыть],[34]34
  James A. Barnett and Linda Barnett. «Yeast Research: A Historical Overview» (London: ASM Press. 2011): 2.


[Закрыть]. Знаменитый французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак провел более точные измерения количества этанола, но и он не принял во внимание дрожжи.

Жизнь Лавуазье закончилась трагически: французский революционный трибунал приговорил его к гильотине[35]35
  Ни с дрожжами, ни с этанолом казнь Лавуазье не связана. Убили ученого за приписанные ему махинации с откупами и отравление продуктов. В приговоре абсолютно честному и неподкупному исследователю нашлось место и для других абсурдных обвинений и откровенной клеветы. Впрочем, для приговоров революционных трибуналов это дело обычное. – Прим. ред.


[Закрыть].

Девять лет спустя – в 1803 году – Институт Франции пообещал наградить золотой медалью весом в килограмм того, кто сможет объяснить процесс брожения[36]36
  Ibid., 2.


[Закрыть]. Эта награда так и осталась неврученной. Через двадцать лет только винная промышленность Франции стоила 22,5 миллиона фунтов – в деньгах 1820-х годов. И это без учета производителей пива, сидра и дистиллятов. А медаль все еще пылилась в недрах Института Франции.

Наконец в 1837 году немецкий физиолог по имени Теодор Шванн[37]37
  Ibid., 6.


[Закрыть] предположил, что за брожение отвечают микроорганизмы, которые увидел в свой микроскоп ван Левенгук. Шванн был настоящим экспертом в клеточной биологии, это он описал леммоциты – вспомогательные клетки нервной системы, называемые сегодня шванновскими клетками. Он был первым человеком, понявшим, что дрожжи размножаются бесполым путем, что они питаются сахаром, что для выживания им необходим азот и что они выделяют этиловый спирт. Он назвал их «сахарным грибком» – Zukerpilz, а его коллега Франц Мейен перевел немецкое название на латынь, и в результате вид дрожжей, используемый в хлебопекарном деле и пивоварении, был назван Saccharomyces cerevisiae (cerveza на латыни означает «пиво»).

Вот и решение проблемы, не правда ли? Пора вручать этим ребятам килограмм золота. Но тут за дело взялись химики.

Химики и биологи всегда воевали между собой – это настоящие Монтекки и Капулетти научного мира. Химики могут более детализированно объяснить то, что биологи изучают более целостно. Два немецких химика – Фридрик Велер и Юстус фон Либих вместе со своим учителем – шведским ученым Йенсом Якобом Берцелиусом яростно ополчились против идеи о том, что какой-то микроб способен вырабатывать алкоголь. Вполне понятно, что химики считали брожение химической реакцией – самопроизвольным процессом, который происходит во фруктовом соке, если оставить его в покое. И никакие микробы для этого не нужны.

Эти ребята не были какими-нибудь шарлатанами. У них была репутация людей, которые всегда правы. Согласно некоторым источникам, именно Берцелиус начал называть молекулы, состоящие только из углерода, водорода, кислорода и азота, «органическими», поскольку их можно было найти в составе живых существ, и тем самым стал родоначальником органической химии – дисциплины, из-за которой столько школьников рассталось с надеждой стать врачами. Либиху принадлежит идея о том, что студенты должны изучать химию в настоящих лабораториях[38]38
  Dressler, Discovering Enzymes, 40.


[Закрыть]. А вместе эта троица открыла химические изомеры – вещества, состоящие из одинаковых атомов, но обладающие разными характеристиками из-за различий в структурах соединения этих атомов. Говоря проще, представим, что, смешивая кулинарные ингредиенты в другом порядке, мы вместо пирога получаем колбасу[39]39
  Это очень вольный пример. Стоило бы привести примерчик помягче, скажем так: смешивая кулинарные ингредиенты в другом порядке, можно вместо мягкого хлеба получить твердокаменную лепешку. Изомеры, конечно, отличаются друг от друга, но все же в меньшей степени, чем колбаса от хлеба. – Прим. ред.


[Закрыть].

А еще им было не чуждо чувство юмора. Когда Велер случайно синтезировал мочевину – один из основных компонентов урины, – он написал Берцелиусу письмо, фраза из которого позднее стала широко известной: «Я, так сказать, больше не в состоянии сдерживать свою химическую воду и должен сообщить тебе, что способен производить урину без помощи почки»[40]40
  «Justus von Leibig and Friedrich Wöhler». Chemical Heritage Foundation, accessed September 7, 2013; http://www.chemheritage.org/discover/online-resources/chemistry-in-history/themes/molecular-synthesis-struc-ture-and-bonding/liebig-and-wohler.aspx


[Закрыть].

Либих полагал, что, когда дрожжи умирают и разлагаются, возникает некое подобие вибрации, которая разрушает сахар, который затем превращается в этиловый спирт[41]41
  Dressler, Discovering Enzymes, 30.


[Закрыть]. Идея была не более сумасшедшей, чем многие другие распространенные в то время представления. Поэтому, когда этот биолог-выскочка Шванн посмел не согласиться, Либих и Велер направили все силы своего разума на то, чтобы подорвать его авторитет – как при помощи науки, так и посредством жесткой сатиры. В выпускаемом ими научном журнале Annalen der Chemie und Pharmacie они анонимно опубликовали комическое описание дрожжей («имеющих форму перегонного сосуда»), наблюдаемых в микроскоп: «Говоря кратко, эти инфузории поедают сахар, выпуская из пищеварительного тракта алкоголь, а из мочеполовой системы – CO₂». Крохотные волшебные существа, которые писают углекислым газом, а испражняются пивом? Вот уж увольте.

На заре существования микроскопов качество этих приборов оставляло желать лучшего, и работающие с ними ученые имели репутацию людей, которые видят то, чего на самом деле нет. И может показаться, что эти химики ошибались, но по сути они были не так уж и неправы[42]42
  Ibid., 31.


[Закрыть]. Споры продолжались до середины XIX века, вызывая раздражение всех производителей алкоголя в мире – ведь им приходилось строить целую отрасль, полагаясь лишь на некую загадочную абстракцию. Пока все работало хорошо, это не имело большого значения. Но когда возникали проблемы, никто толком не знал, как их решать.

Вот вам пример: с 1800 по 1815 год из-за британской блокады тростниковый сахар из Вест-Индии и Азии не доставлялся во Францию. Поэтому Франции пришлось найти замену в виде сахарной свеклы – единственного растения помимо сахарного тростника, из которого довольно легко добыть сахар. К середине 1850-х годов регион Лилль на севере Франции стал лидером по производству алкоголя на основе сахарной свеклы – производству выгодному, но сопряженному с различными проблемами, аналогичными тем проблемам, с которыми сталкиваются производители вина и пива.

Один винодел из района Лилля – человек по имени Биджо – столкнулся с такой проблемой: в нескольких бродильных чанах вместо нормальной браги получалась кислая мутная жидкость, напоминающая по вкусу испорченное молоко. Биджо поделился этой бедой с сыном, и юноша ответил, что знает профессора в своем университете, который, возможно, сумеет помочь.

Ученого, о котором говорил сын Биджо, звали Луи Пастер, и было ему тогда всего двадцать пять лет. Он был непреклонным роялистом, имел репутацию человека, хорошо разбирающегося в кристаллах, и работал с изомерами – открытыми Берцелиусом веществами с одинаковым составом, но разной структурой молекул.

Работы Пастера с оптическими изомерами к 1854 году обеспечили ему место профессора в университете Лилля. Годом позже он начал изучать изомеризацию спиртов, содержащихся в перебродившем растворе свекловичного сахара. Он обнаружил, что два из обнаруженных изомеров являются зеркальными по отношению друг к другу. Это открытие заставило Пастера углубиться в изучение удивительных и непонятных химических процессов, происходящих при брожении.

Итак, Пастер согласился взглянуть на бочки Биджо. Поездка на фабрику произошла задолго до того, как была предложена техника пастеризации; до того, как были заложены основы микробной теории инфекционных заболеваний и установлена специфичность возбудителя бешенства, – до всех его многочисленных и великих открытий и достижений. В то время процесс, при котором образовывался алкоголь, назывался «спиртовым брожением». (Впрочем, он и сейчас так называется.) Но и образование уксусной и молочной кислоты (которая сквашивает овощи и молоко) тоже было похоже на брожение. Более того, некоторые исследователи смогли привести убедительные аргументы в пользу того, что гниение – порча и разложение – тоже является разновидностью брожения. (Сейчас все такие процессы объединены термином «ферментация»[43]43
  Patrice Debré. «Louis Pasteur», trans. Elborg Forster (Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1994): 89.


[Закрыть].) Каждый из этих процессов загадочным образом превращал одно вещество в иное вещество.

Так или иначе, прибыв на фабрику Биджо, любой бы понял, что с частью продукции происходит что-то неладное. Неудачные партии браги мало того что издавали нехарактерный и довольно неприятный запах, но были еще и мутными и нечистыми[44]44
  Brendon Barnett, «Fermentation», Pasteur Brewing, modified December 29, 2011, accessed September 7, 2013; http://www.pasteurbrewing.com/lou-is-pasteur-fermenation.html


[Закрыть]. Пастер взял несколько образцов на анализ. Под микроскопом в правильно бродящем сусле из свекловичного сахара были хорошо видны те же округлые структуры, которые видели Шванн и другие ученые. В испорченных же образцах можно было различить длинные черные цепочки. А вместо алкоголя в них содержалась молочная кислота.

Пастер пришел к выводу, что круглые клетки – дрожжи – каким-то образом вырабатывают спирт. Черные элементы – чем бы они ни являлись – вырабатывают молочную кислоту. Свои догадки Пастер подкрепил остроумным экспериментом – одним из тех, что и обеспечили ему место в истории. На основе сахара он составил питательную среду, поместил ее в колбы, в одну из которых добавил осадок из «правильной» партии браги с фабрики Биджо, а в другую – из партии с молочной кислотой. В первой колбе образовался этанол, во второй – нет. Результаты эксперимента Пастера были более впечатляющими, чем догадки Шванна. Ему удалось получить доказательство![45]45
  Dressler, Discovering Enzymes, 33.


[Закрыть]

Пастер не знал, как уберечь свекловичный сахар от «неправильных» микроорганизмов, и даже не знал, что это за организмы, но он смог дать отличные советы: тщательно отмыть емкости, полностью избавиться от испорченных партий и начать все заново.

Впрочем, о достоверности этой истории есть разные мнения. Сам Пастер никогда не рассказывал анекдотов о том, как он отправился поработать на фабрику к достопочтенному мэтру Биджо. История всплыла лишь в более поздних жизнеописаниях ученого. На самом деле Пастер заинтересовался причинами брожения задолго до приезда в Лилль, хотя выпивкой как таковой сам он никогда не увлекался[46]46
  Gerald L. Geison. «The Private Science of Louis Pasteur» (Princeton: Princeton University Press, 1995): 46.


[Закрыть]. Свои ранние исследования он проводил на основе тартрата – эфира винной кислоты, побочного продукта виноделия. (Один из биографов Пастера Гилберт Гейсон записал: «Думаю, что уже в начале своих экспериментов Пастер надеялся найти взаимосвязь между кристаллической асимметрией, оптической активностью и самой жизнью»[47]47
  Ibid., 101.


[Закрыть].)

На этом его исследования не прекратились; более того, он серьезно и планомерно начал заниматься проблемами ферментации. Начиная с 1858 года Пастер опубликовал десятки статей и несколько книг, посвященных, как мы сейчас бы сказали, ферментационным технологиям. Не будет лишним заметить, что в этих работах он сделал немало открытий, на которых держится современная промышленная и медицинская микробиология.

Но вернемся чуть назад. Уже в первых опытах со сбраживанием раствора свекловичного сахара он понял, что этанол не был единственным продуктом брожения, – в зависимости от исходных компонентов ему удавалось выделить глицерол, янтарную и масляную кислоты. Он первым предположил, что микроорганизмы могут поглощать из окружающей среды некие химические соединения, проделывать с ними определенные манипуляции и выделять какие-то другие вещества. Это предположение легло в основу идеи о метаболизме – механизме получения энергии живыми существами.

В 1866 году Пастер опубликовал книгу «Études sur le Vin» («Очерки о вине») – одну из фундаментальных работ на тему брожения, а еще через десять лет – аналогичную работу о пиве.

Современник Пастера Юстус фон Либих не принял его открытий и догадок. Он настаивал, что, хотя дрожжи и содержат вещества, благодаря которым сбраживание раствора сахара дает этанол, сами они не являются обязательной составляющей этого процесса. Пастер же утверждал, что дрожжи должны быть живыми, иначе они не будут действовать. Либих привел пару убедительных примеров в пользу своей точки зрения. В 1833 году французские химики выделили химическое вещество, превращающее крахмал в сахар без участия каких-либо живых организмов[48]48
  Представление о ферментах возникло в 1814 году. Тогда действительный член Петербургской академии наук К. Кирхгоф обнаружил превращение крахмала в сахар в высушенном ячменном солоде. В 1833 году французы А. Пайен и Ж. Персо, работая с осадком, образующимся при добавлении этанола к солодовому экстракту, выделили термолабильное, т. е. неустойчивое к нагреванию, вещество, обладающее способностью переводить крахмал в сахар. Они назвали его диастазой (от греч. diastasis – разделять). Современное название вещества – амилаза. – Прим. ред.


[Закрыть]. Тремя годами позже и сам Шванн выделил из оболочек желудков животных химическое вещество, которое он назвал пепсином. Это вещество могло разрушать мышечную ткань, сгустки крови (тромбы), а также свернувшийся яичный белок. Ученые назвали такие вещества «растворимыми ферментами». Это белки, способные ускорять биологические процессы, и в следующих главах мы поговорим о них подробнее[49]49
  Ibid., 38.


[Закрыть]. Двое ученых вели открытую борьбу, высказывая свои точки зрения в обществе и на страницах научных журналов. Пастер продолжал настаивать на своих гипотезах и после смерти Либиха[50]50
  Ibid., 35.


[Закрыть].

К 1897 году все участники этого научного спора были мертвы, и отрасль должна была обходиться имеющейся информацией. В тот год немецкий химик Эдуард Бухнер на досуге посетил мюнхенскую лабораторию своего брата Ганса – микробиолога. Ганс пытался найти способ хотя бы на несколько часов сохранить активной жидкость, выделенную из дрожжей после разрушения их клеток. Одна из идей состояла в том, чтобы поместить эту жидкость в концентрированный – около 40 % – раствор сахара.

Один из образцов привлек внимание Эдуарда. Он заметил бульканье, которое, как ему было известно, означало процесс брожения. Братья принялись за работу, пытаясь выяснить, что именно произошло, и в итоге разработали способ, позволяющий бесконечно долго сохранять дрожжевой экстракт в активном состоянии: они смешали дрожжи с песком, растолкли смесь в ступке, чтобы разрушить клеточные оболочки дрожжей, добавили воду и отжали полученную пасту при помощи гидравлического пресса. Полученный «сок» они процедили через бумажный фильтр. «Самое любопытное качество отжатого сока – это его способность вызывать брожение в добавленных к нему углеводах», – писали братья. На тот момент они не знали, что полученный ими экстракт представлял собой очищенные ферменты. Бухнеры назвали его «зимазой»[51]51
  Ibid., 49.


[Закрыть]^:[52]52
  Зимаза (греч. закваска) – совокупность ферментов спиртового брожения, выделяемых дрожжами. Впервые зимаза была выделена из клеток дрожжей в 1897 году. – Прим. ред.


[Закрыть].

Итак, в конце концов и Пастер, и фон Либих оказались правы – некоторые вещества внутри живых дрожжевых клеток вызывают брожение, но и сами дрожжи определенно являются участниками процесса. В экспериментах Ганса и Эдуарда Бухнеров есть определенное изящество: для их проведения понадобилась совместная работа биолога и химика – представителей вечно противостоящих научных дисциплин. На то, чтобы в первом приближении понять, что именно происходит внутри дрожжевых клеток, понадобилось еще два десятилетия. Работы в этом направлении легли в основу совершенно новой области науки – биохимии.

Поняв, что дрожжи являются посредниками в процессе брожения, представители алкогольной отрасли оказались перед новым рядом вопросов. Почему в некоторых случаях брожение проходит более успешно, чем в других? Иными словами, какие дрожжи являются лучшими? В начале 1880-х годов – когда «дрожжевое противостояние» в научных кругах было в самом разгаре – изучением микробов занялся немецкий микробиолог Генрих Герман Роберт Кох. На его счету – разработка множества передовых технологий лабораторных исследований, среди которых – выращивание культур бактерий в чашках Петри и использование агара в качестве питательной среды. Эти революционные методики, ставшие в наше время стандартными, позволили Коху достичь выдающихся результатов – в частности, выделить бактерии, вызывающие сибирскую язву и туберкулез. Кох продолжал систематизировать свои предположения, и его разработки и сегодня используются при работе с этими микроорганизмами[53]53
  Barnett and Barnett, Yeast Research, 29.


[Закрыть].

Осенью 1882 года лабораторию Коха посетил датский микробиолог Эмиль Христиан Хансен. Хансен работал на пивоваренном предприятии Carlsberg, авторитетном производителе классического лагера. В те годы компания столкнулась с проблемой горечи и неприятного запаха своей продукции. Хансен решил попробовать применить идеи Коха к пивным микроорганизмам. При помощи разработанных Кохом технологий ему в конце концов удалось выделить четыре разных штамма дрожжей, участвовавших в пивном брожении на предприятии Carlsberg. Проведя ряд экспериментов, он установил, что хорошее пиво получается только благодаря использованию штамма, обозначенного как «дрожжи низового брожения Carlsberg номер один». Остальные штаммы были исключены из производства[54]54
  Ibid.


[Закрыть], и в 1908 году Хансен назвал этот штамм S. carlsbergensis[55]55
  Ibid., 36.


[Закрыть]. (Биологи чрезвычайно щепетильны в вопросах названий; во времена, когда еще не были описаны геномные последовательности, эксперты по систематизации горячо обсуждали любые мельчайшие детали грибков – их внешнего вида и поведения, – чтобы определить, к каким видам они относятся[56]56
  Charles Bamforth. «Scientific Principles of Malting and Brewing» (St. Paul, Minn.: American Society of Brewing Chemists. 2006): 36.


[Закрыть]. Хансен думал, что обнаружил новый вид дрожжей, а вовсе не один из близких штаммов, и хотел отделить его от вида S. сerevisiae, который в процессе брожения всплывает на поверхность и годится для более плотного пива типа эля.) Штамм (или, если верить классификации Хансена, вид) Carlsberg – это дрожжи низового брожения, которые осаждаются на дно. С их помощью варится пиво типа лагер.

На самом деле склонность некоторых видов дрожжей собираться в хлопья и опускаться во время брожения на дно – так называемая флокуляция – до сих пор представляет проблему для пивоваров и исследователей. Дрожжи для эля не собираются вместе, поэтому они всплывают на поверхность жидкости, а дрожжи, используемые для производства эля, весьма склонны к склеиванию, и образуемые ими хлопья тонут. Если вы используете дрожжи, чтобы изучать их рост в жидкой питательной среде, например в бражке, эта самая флокуляция доставит вам много хлопот. С клейкими дрожжами гораздо сложнее работать[57]57
  Sebastiaan Van Mulders et al. «The Genetics Behind Yeast Flocculation: A Brewer’s Perspective». In: Yeast Flocculation, Vitality, and Viability. Proceedings of the 2^nd International Brewers Symposium, Alex Speers, ed. (St. Paul, Minn.: Master Brewers Association of the Americas, 2012): 36.


[Закрыть]. Но если вы пытаетесь создать конкретный вид пива или восстановить ваши дрожжи после получения браги – вам будет полезно знать, что это, черт возьми, за флокуляция такая.

Оказывается, клеточные оболочки дрожжей верхового брожения отталкивают воду, что теоретически означает, что они более склонны прилипать к пузырькам углекислого газа и всплывать на поверхность[58]58
  R. Alex Speers. «A Review of Yeast Flocculation». In: Yeast Flocculation, Vitality, and Viability. Proceedings of the 2^nd International Brewers Symposium, Alex Speers, ed. (St. Paul, Minn.: Master Brewers Association of the Americas, 2012): 3.


[Закрыть]. Поверхности клеток дрожжей низового брожения покрыты ворсинками (их называют фимбриями), которые заставляют клетки приклеиваться друг к другу подобно колючкам репейника. Если удалить эти ворсинки, пропустив дрожжи через дезинтегратор (измельчитель, если попроще)[59]59
  Удалить ворсинки с поверхности дрожжевой клетки – задача очень сложная. Вряд ли пропускание через измельчитель позволит этого добиться. Скорее, дрожжи просто погибнут. Но сама по себе идея интересна. – Прим. ред.


[Закрыть], то дрожжи больше не смогут «кучковаться»[60]60
  Ibid., 5.


[Закрыть].

Дрожжи низового брожения для изготовления лагера – типа тех, что Хансен назвал S. сarlsbergensis, – в наше время обычно называют Saccharomyces pastorianus – дрожжи Пастера. Сегодня большинство пивоварен по всему миру используют именно этот тип дрожжей. По правде говоря, пивовары и виноделы не имеют ничего против флокуляции – благодаря ей проще извлекать дрожжи после того, как они переработали весь сахар. Возможно, именно поэтому после веков селекции штаммы пивных дрожжей склонны склеиваться в хлопья, а «дикие» штаммы обычно этого не делают[61]61
  Chris White and Jamil Zainasheff. «Yeast: The Practical Guide to Beer Fermentation» (Boulder, Colo.: Brewers Publications, 2010): 27.


[Закрыть]. Но вид S. pastorianus жил и процветал только благодаря пивной отрасли – без человека он бы не выжил. Никто не знал, откуда взялся этот вид дрожжей. Впрочем, и происхождение других видов было покрыто тайной – откуда они берутся в дикой природе? И как людям удалось найти дрожжи, с помощью которых можно делать хороший хлеб и хорошее пиво?

Именно этими вопросами уже в наше время задался ученый-генетик по имени Джастин Фэй. В начале 2000-х он начал собирать образцы дрожжей, обращаясь за ними к разным людям. Поступив на должность исследователя в Вашингтонский университет, он понял, что при помощи технологии секвенирования генома сможет получить ответы на некоторые из своих вопросов. «Мы имели на руках огромное количество информации о S. cerevisiae, добытой в результате многолетних лабораторных исследований. Но нам все равно было почти ничего не известно о происхождении этих микроорганизмов, – говорит Фэй. – Большинство образцов были получены из пекарен, пивоварен и виноделен. Какое-то время мы считали, что дрожжи – это одомашненный вид, как, например, собаки, рогатый скот или кукуруза». Но затем начали обнаруживаться образцы, которые не были получены в местах промышленного применения дрожжей. Люди стали размещать такие штаммы в хранилищах, подобных NCYC. Многие из таких образцов были взяты с деревьев, а некоторые – из больниц. «Вопрос был в том, являются ли эти дрожжи „одичавшими собаками“ – не „сбежали“ ли они с виноградника или пивоварни? Или же это дикие предки привычных нам дрожжевых штаммов?» – говорит Фэй.

Мы говорим об одомашнивании – процессе приручения чего-то дикого. Как объясняет Фэй, речь идет о «видах, специально модифицированных для того, чтобы они могли выполнять полезные функции для нашей пользы, решать наши конкретные задачи». Для этого недостаточно приручить и выдрессировать одно животное. Одомашнивание включает разведение и селекцию, в ходе которой на протяжении многих поколений на генетическом уровне происходит отбор наиболее подходящих к нашим нуждам свойств вида. Например, быки и коровы полностью одомашнены: человек употребляет в пищу их мясо и молоко, и в природе не существует диких коров. Фермерские свиньи не рождают диких кабанов. (Они отличаются клыками. И скверным нравом.)

Мы имеем довольно ясное представление о том, когда были одомашнены некоторые виды. В этом нам помогает секвенирование генома. Можно изучить различия между генами дошедших до нынешних времен одомашненных видов и родственных им диких видов – именно это Фэй надеялся проделать с генами дрожжей. Поскольку гены мутируют с известной скоростью, то чем больше различий в генах, тем больше времени прошло с момента разделения видов[62]62
  Следует заметить, что частота мутаций для разных организмов и даже для разных типов клеток может быть существенно различной. Для дрожжей за ориентир можно принять одно изменение гена на 6000 делений клетки. – Прим. ред.


[Закрыть].

Разница между дикими и одомашненными видами была лучше всего продемонстрирована одним классическим экспериментом, проведенным, кстати, не на микроорганизмах, а на довольно крупных млекопитающих. В 1953 году советский биолог Дмитрий Беляев, работавший в Новосибирском институте цитологии и генетики, решил узнать, как 15 000 лет назад волки превратились в собак[63]63
  Evan Ratliff. «Taming the Wild». National Geographic, March 2011, accessed September 7, 2013; http://ngm.nationalgeographic.com/2011/03/tam-ing-wild-animals/ratliff-text


[Закрыть]. Он обзавелся 150 дикими серебристо-черными лисицами, которых собрал в близлежащих пушных хозяйствах, и вместе со своими студентами и коллегами принялся за их разведение. Для эксперимента он выбирал только самых дружелюбных лисиц – тех, которые не боялись кормивших их людей и готовы были подходить к ним за едой (и не кусались), а не тех, которые в ужасе съеживались в глубине клеток. Всего через шесть поколений лисы Беляева были ручными, словно щенки. Они и были похожи на щенков – разной окраски, со свисающими ушами, игривые даже во взрослом возрасте[64]64
  На основе популяции серебристо-черных лисиц Дмитрием Беляевым и его коллегами была выведена группа лис, похожих по поведению на собак. Произошедшие в ходе эксперимента внешние изменения – появление у некоторых особей белых пятен из-за частичной потери меланина, а также закрученных хвостов и свисающих ушей – исследователи связывали с уменьшением уровня адреналина у лисиц из-за жизни в неволе. – Прим. пер.


[Закрыть]. Выведенные лисицы приобрели внешние характеристики домашних животных. Они были игривыми, и им навилось общество человека.

Эксперимент Беляева все еще продолжается. В опытном хозяйстве содержится и контрольная группа обычных лис – специально отобранных, очень диких даже по сравнению с другими дикими собратьями, рычащих и скалящихся. За годы эксперимента сибирским исследователям удалось получить похожие результаты среди норок и крыс, и недавно генетики начали изучать ДНК лис, пытаясь связать изменения фенотипа в процессе одомашнивания с переменами, происходящими в генотипе животных. Это весьма сложная задача для любого признака, но особенно – для сложных типов поведения.

Эти эксперименты отражают исключительно рукотворные составляющие одомашнивания – то есть полученные человеком намеренно. Они не касаются более ранних непреднамеренных изменений, которые происходили, пока люди жили в осторожном симбиозе с существами, которые впоследствии были одомашнены. Но другие исследователи попытались заглянуть и за эту дверь. В одной из статей, вышедшей в 2003 году, венгерские биологи описывают эксперимент, аналогичный тому, который проводил Беляев. Они выращивали волчат и щенков-собак бок о бок. И те и другие выросли ручными. И те и другие оказались смышлеными. Но во время экспериментов по социальному взаимодействию обнаружилось, что собаки рассчитывали на помощь людей-хозяев, в то время как волки полагались только на свои силы. У них не было инстинктивного ощущения партнерства с человеком, отмечали исследователи. А собаки ожидали от людей поддержки и помощи[65]65
  Jason G. Goldman. «Dogs, But Not Wolves, Use Humans as Tools», Scientific American Blogs, accessed September 7, 2013; http://blogs.scientificamerican.com/thoughtful-animal/2012/04/30/dogs-but-not-wolves-use-humans-as-tools/


[Закрыть].

Когда-то волки впервые оторвались от своих стай, чтобы присоединиться к людям, которые занимались охотой и собирательством. Волкам пришлось учиться вилять хвостом и не поедать человеческих детенышей – а взамен получить возможность забыть об охоте, спать у огня и получать от людей остатки их пищи. Были ли они тогда версией Canis lupus[66]66
  Волк обыкновенный, или серый волк (лат.). – Прим. пер.


[Закрыть] – огромных злобных тварей, обитавших на Аляске, или иного, более адаптивного вида? Мы думали, что мы их приручили, но, может быть, это они приручили нас[67]67
  Происхождение домашних собак Canis familiaris от волков сейчас не считается очевидной версией. Не так давно появилась теория происхождения собак от шакалов. С генетической точки зрения она больше похожа на правду. Хотя волки, конечно, симпатичнее. – Прим. ред.


[Закрыть].

Такого рода эксперименты можно проводить и с микроорганизмами. И это гораздо проще. У Джастина Фэя был живой образец диких дрожжей: S. paradoxus. Дрожжи этого вида приходятся родственниками пивным дрожжам, но их не используют в лабораториях или в алкогольной промышленности. S. paradoxus живут на дубах – в коре или в древесном соке. Как и дрожжи вида S. cerevisiae, этот вид питается сахарами и выделяет этиловый спирт.

Вместе с другим исследователем – Джозефом Бенавидсом – Фэй смог собрать 81 образец дрожжей[68]68
  Justin C. Fay and Joseph A. Benavides. «Evidence for domesticated and wild populations of Saccharomyces cerevisiae». PLoS genetics 1 (2005): 66–71.


[Закрыть]. Большинство из них поступило с виноделен, но удалось добыть и дрожжи, используемые для изготовления японских напитков саке и сётю (дистиллята саке). В коллекции есть образцы, с помощью которых готовят африканское пальмовое вино – алкогольный напиток из пальмового сока, а также дрожжи для производства индонезийских дрожжевых рисовых пирогов. Есть и один образец дрожжей для яблочного сидра. Девятнадцать штаммов дрожжей были добыты из коры дубов или собраны в больницах у инфицированных пациентов с иммунными нарушениями.

Имея на руках такую коллекцию, Фэй смог выявить около 180 полиморфных участков генов – то есть таких фрагментов генома, которые у разных штаммов были различными, – провел их сравнение и получил такие результаты: наиболее близкими к S. paradoxus и, следовательно, самыми старыми оказались штаммы, извлеченные из дубов Африки и Северной Америки, а также те, что были найдены в больницах. Из образцов, которые использовались для брожения, самыми старыми были штаммы из Африки, а гены штаммов для изготовления вина и саке обладают наибольшей близостью друг к другу.

На основе полученных результатов Фэй сделал следующие предположения: S. cerevisiae – одомашненная форма африканских дрожжей, возникшая примерно 11 900 лет назад. Дрожжи для саке имеют то же происхождение, но одомашнены были лишь 3800 лет назад, а дрожжи для вина – 2700 лет назад. Фэю не удалось добиться желаемой точности, потому что для ряда вычислений требовалось знание срока жизни поколения дрожжей – времени от рождения до воспроизведения, а многочисленные оценки учеными этого срока различаются между собой в десятки раз. Но в целом оценки Фэя согласуются с данными археологов, которые датируют наиболее древние из обнаруженных свидетельств виноделия и изготовления саке примерно теми же годами, что и Фэй. «На мой взгляд, самый важный вывод этого исследования в том, что популяция дрожжей имеет развернутую структуру, как и многие другие одомашненные организмы и виды, – говорит Фэй. – Есть дрожжи, которые использовались для приготовления вина, и все группы таких дрожжей генетически сходны. Есть дрожжи для саке, и их гены тоже имеют очень много общего. Существует генетическая структура, соответствующая каждому из назначений дрожжей».

Происхождение выделенного Хансеном штамма дрожжей для изготовления лагера было неизвестно. Оказалось, что его генотип наполовину совпадает с генотипом S. cerevisiae, но другая половина оставалась полной загадкой. (Интересно, что промышленным дрожжам свойственно бесполое размножение, однако они могут скрещиваться с другими штаммами дрожжей.) В 2011 году «охотники за дрожжами» (команда из Португалии и Аргентины) решили во что бы то ни стало разгадать тайну происхождения «карлсбергских» дрожжей.

Они отправились на поиски диких дрожжей в леса Патагонии[69]69
  Патагония – местность в Южной Америке на территории Аргентины и Чили. – Прим. пер.


[Закрыть] и принялись обследовать там буковые деревья, потому что в той части света бук занимает ту же экологическую нишу, что и дуб на севере. «Наши деревья часто поражаются древесным грибком, который называется циттария, – рассказывает местный биолог Диего Либкинд. – В зоне роста этого грибка на дереве образуется опухоль – ветки опухают». Весной на деревьях появляются круглые образования бежевого цвета – по сути, это круглые древесные грибы, которые содержат почти 10 % сахара. На них поселяются дрожжи различных видов и начинают питаться ими. «Созревшие грибы падают на землю, – говорит Либкинд. – Когда они начинают бродить, можно учуять алкогольный аромат». Местные туземцы делали из этих забродивших плодов напиток («не слишком вкусный», – признает Либкинд). При этом сами плоды продаются на рынке (их называют ллао-ллао) и сами по себе вполне пригодны в пищу.

В конце концов концентрация спирта внутри гриба-плода становится такой высокой, что выдержать ее способен только один вид дрожжей. Когда коллеги Либкинда расшифровали ДНК этих дрожжей, оказалось, что это неизвестный ранее вид, а его гены совпадают с неразгаданной половиной генома карлбергских дрожжей. Либкинд с коллегами назвали этот вид дрожжей S. eubayanus. В его геноме было несколько уникальных генов, и некоторые из них отвечали за сахарный обмен[70]70
  Diego Libkind et al. «Microbe Domestication and the Identification of the Wild Genetic Stock of Lager-brewing Yeast». Proceedings of the National Academy of Sciences 108, no. 34 (August 22, 2011); doi:10.1073/ pnas.1105430108


[Закрыть]. «Нам известно, что все изменения, которые мы видим, – это результат одомашнивания в результате пивоварения, – говорит Либкинд. – Менее эффективные гены постепенно исключались, а более эффективные занимали все более прочные позиции». Выбирая партии дрожжей, благодаря которым удавалось получить лучшее пиво, ребята из Carlsberg фактически проводили селекцию, аналогичную той, которой Беляев с коллегами занимались со своими лисицами в Сибири. Дрожжи, если можно так выразиться, делались более «дружелюбными» – их становилось все легче использовать, они были все более эффективными, «стремились» делать все более освежающий лагер, и все это в обмен на «чесание животика» – хорошее обращение человека.