Текст книги "100 великих научных открытий"

Микроорганизмы

Первые жители Земли – микробы – появились 3,9 млрд лет назад, когда на планете практически не было кислорода. Постепенно они заселили все пригодные для жизни ниши – от ледников до гейзеров, а также изловчились создавать колонии внутри крупных организмов. Всего пять столетий назад люди могли видеть лишь доступное невооруженному взгляду, и до XVII в. никто не подозревал, что совсем рядом обитают микроскопические организмы. Человеком, открывшим мир микроорганизмов, стал Антони ван Левенгук (1632—1723).

Антони никогда не думал, что его имя будет стоять в ряду великих ученых. Сын промышленника и торговца из Делфта, он тоже торговал сукном, однако врожденное любопытство постоянно подталкивало его к исследованиям окружающего мира. В течение 20 лет Левенгук осваивал у оптиков искусство обтачивать и шлифовать стекла, посещал алхимиков и аптекарей, выведывая у них тайные способы выплавлять металлы из руд, учился обращаться с золотом и серебром. Голландия всегда славилась мастерами оптики, но Левенгук достиг небывалых успехов. Свои линзы он вставлял в небольшие оправы из меди, серебра или золота, которые сам вытягивал на огне, среди дыма и чада. В итоге его микроскопы, состоявшие всего из одной линзы, получались гораздо сильнее тех, что имели несколько увеличительных стекол. Антони утверждал, что сконструировал 200 приборов – весьма неудобных, зато дававших увеличение до 270 раз.

Разумеется, имея в распоряжении такие микроскопы, Левенгук принялся наводить линзы на все, что попадалось под руку: мышечные волокна кита, чешуйки собственной кожи, овечьи, бобровые и лосиные волоски, которые под стеклышком превращались в толстые мохнатые «бревна». Рассматривая бычьи глаза, Антони восторгался тонким устройством хрусталика. Насадив на тонкую иголочку микроскопа мушиный мозг, с восхищением разглядывал детали этого «чудовищного» органа. Исследовал поперечные срезы разных пород деревьев, изучал семена растений…

В какой-то момент ему пришло в голову направить свою линзу на каплю прозрачной дождевой воды. Впечатленный увиденным, Левенгук написал дочери: «В дождевой воде есть маленькие животные. Они плавают! Они играют! Они в тысячу раз меньше любого существа, которое мы можем видеть простым глазом! Смотри! Ты видишь? Вот что я открыл!»

В 1673 г. исследователь отважился отправить подробные описания и зарисовки своих наблюдений в Лондонское королевское общество – самую авторитетную научную организацию того времени. Письмо под заголовком «Перечень некоторых наблюдений, сделанных с помощью микроскопа, изобретенного мистером Левенгуком, относительно строения кожи, мяса и т. д., жала пчелы и т. д.» удивило и позабавило маститых ученых. Отдельные исследователи и ранее высказывали смутные догадки о существовании каких-то мелких существ, повинных в распространении и возникновении заразных болезней. Но все эти догадки долгое время оставались на уровне гипотез, ведь никто никогда не видел загадочных «зверюшек». А неучу Левенгуку каким-то чудом удалось приоткрыть завесу в неведомый дотоле мир микроорганизмов, которые играют огромную роль в природе и жизни человека.

Несмотря на все сомнения, академики в итоге признали заслуги голландца, и в 1680 г. Королевское общество избрало его полноправным членом. Левенгук стал мировой знаменитостью, однако не остановился на достигнутом и открыл более 200 видов разных микроорганизмов. Позже, в ходе международной экспедиции в Саргассово море, было обнаружено еще около 1800 микробов.

О том, что микробы являются причиной всех инфекционных заболеваний, первым уверенно заявил французский ученый Луи Пастер (1822—1895). «Если бы Пастер жил во времена отдаленной древности, он превратился бы в мифического героя и память о нем была бы окутана ореолом легенд», – писал его ученик, русский микробиолог Н. Гамалея.

Работы Пастера объяснили происхождение инфекционных болезней человека и стали экспериментальной основой асептики и антисептики, разработанных в хирургии Н. Пироговым, Дж. Листером, а также их многочисленными учениками. Пастер открыл возбудителей куриной холеры, септицемии, остеомиелита и пр., а также разработал метод приготовления вакцин путем искусственного ослабления болезнетворных микробов для профилактики инфекционных болезней – метод, которым пользуются и в настоящее время. Последней разработкой Пастера стала вакцина против бешенства, первую прививку которой сделали 6 июля 1885 г. 9-летнему Иосифу Мейстеру.

Лечение закончилось успешно, мальчик поправился, а 27 октября Пастер сделал доклад перед Академией наук о результатах пятилетней работы над изучением бешенства. К Пастеру стали стекаться пациенты, обнадеженные победой над страшной болезнью.

Между тем за сто лет до исследований Луи С. Андреевский ввел себе содержимое сибиреязвенного карбункула от больного животного и доказал, что сибирскую язву у людей и домашних животных вызывает одна и та же причина.

Подобный эксперимент в 1870-х был повторен врачами Одесской городской больницы О. Мочутковским и Г. Минхом, которые хотели доказать, что возбудитель сыпного и возвратного тифа находится в крови больного.

Дальнейшее развитие микробиологии тесно связано с деятельностью немецкого ученого Роберта Коха (1843—1910), чье имя ассоциируется прежде всего с открытием возбудителя туберкулеза. Однако этому открытию предшествовала колоссальная работа. Сначала Кох выделил сибиреязвенного возбудителя в чистой культуре, обнаружил его способность к образованию стойких спор и объяснил, почему вблизи «проклятых холмов» (где зарывали падший от сибирской язвы скот) наблюдается массовая смерть животных, причина которой долгие годы оставалась непонятной. Затем доказал три положения, на основании которых инфекционное заболевание можно связать с тем или иным возбудителем: 1) микроб всегда должен обнаруживаться у больного при данной инфекции и отсутствовать при других; 2) возбудитель каждой инфекции должен быть выделен в чистой культуре в виде определенного микроорганизма; 3) у зараженных чистой культурой животных проявления болезни должны быть аналогичны обнаруженным у исследуемого больного, ведь они обусловливаются одинаковым числом и распределением микробов.

Эти положения привели ученого к поискам возбудителей других заразных болезней. Прежде всего Кох нашел питательные среды, на которых можно было выделить чистую микробную колонию, – такими средами оказались вареный картофель и вещество на желатиновой основе. Затем ученый посеял заразный материал, взятый у 30 умерших от туберкулеза людей, на твердую среду с последующей окраской. После нескольких неудач возбудитель наконец-то вырос из свернувшейся при нагревании кровяной сыворотки. Эксперимент был повторен многократно – и каждый раз с успехом.

Стало ясно, что возбудитель туберкулеза найден, но Коху нужно было еще доказать, что человек заражается только через вдыхание палочек. Для этого ученый закрыл 200 подопытных животных в герметическом ящике и заполнил пространство воздухом с рассеянными живыми туберкулезными палочками – в итоге все подопытные погибли от туберкулеза.

В июле 1884 г. на медицинской конференции в Берлине Кох доложил о результатах своей экспедиции в Индию. Там он обнаружил палочки холеры не только у больных, но и в водах Ганга, куда сбрасывали трупы умерших от недуга. В награду за свое открытие ученый получил 100 000 марок и почетный орден.

Наконец, в 1892 г. русский ученый Д. Ивановский открыл вирусы – доклеточные организмы, неспособные размножаться вне живых клеток.

В ХХ в. американские исследователи нашли в пробах льда, взятых в Гренландии на глубине 3000 м, многочисленные колонии микробов – всего около 40 видов. Их возраст составлял не менее 120 000 лет. Некоторые из них, попав в лабораторию, стали размножаться, однако делали это раз в пять медленнее, чем обычные микробы. Возможно, они размножались даже в толще льда, но тоже очень медленно.

В 1960-е обнаружилось, что микробы могут обмениваться информацией. К такому выводу ученые пришли, исследуя поведение морских светящихся бактерий Vibrio fischeri. Паразитируя в органе свечения каракатицы, эти микробы излучают свет – как оказалось, в результате интенсивных процессов окисления, сопровождающихся выделением энергии. Таким образом, свечение морской воды, чешуи рыб, тел мелких ракообразных, сгнившего дерева объясняется присутствием на них светящихся фотобактерий.

В 1978 г. группа ученых из США во главе с К. Безе открыла новый вид бактерий – археи. Это уникальные микроорганизмы: к паразитизму они не склонны и вреда не несут, в органической пище не нуждаются, а необходимую для жизни энергию получают за счет окислительно-восстановительных реакций, в которые вовлечены неорганические молекулы. Но главное – только археи способны производить метан из солей уксусной и муравьиной кислот, которыми они питаются. Обитать археи могут в самых экстремальных условиях: горячих источниках, где температура достигает 200—300 °С, в лагунах и соляных чеках, где испарение приводит к концентрации солей; или на дне океана, в зонах вулканической активности – «черных курильщиках», расположенных на тысячеметровых глубинах; или в щелочной среде с водородным показателем 12,8 (с таким же успехом они могли бы процветать в едком натре). Ученые считают, что такие микроорганизмы выжили бы даже на Марсе.

С середины 1990-х исследователи стали применять новейшее оборудование – лазерные микроскопы, и жизнь микробов открылась во всем ее разнообразии. Если раньше считалось, что бактерии – крайне примитивные организмы, каждый вид которых живет и размножается изолированно от других, то теперь стало ясно: микробы действуют на удивление слаженно. Только так они могут вести активную геохимическую деятельность, поддерживающую круговорот жизни: разрушать мертвую органическую материю и превращать ее в углекислый газ и воду, регулировать состав атмосферы, помогать сохранению плодородия почвы.

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).

В 1330 г. придворный диетолог китайского императора Ху Сыхуэй опубликовал трехтомный труд «Важные принципы пищи и напитков», где указал, что для поддержания здоровья необходимо комбинировать в рационе различные продукты. Два столетия спустя индейцы Северной Америки спасли от цинги команду французского землепроходца Жака Картье, предложив больным воду, настоянную на сосновой хвое. Еще через 200 лет шотландский врач Джеймс Линд провел эксперимент – разделил 20 больных моряков на несколько групп и первой добавил в рацион сидр, второй – морскую воду, третьей – уксус, а четвертой – лимоны и апельсины. В итоге поправилась лишь четвертая группа, и в 1753 г. Линд опубликовал трактат «Лечение цинги», где описал роль цитрусовых в предотвращении заболевания.

Примеру Линда последовал английский путешественник Джеймс Кук: отправившись в 1772 г. во второе кругосветное плавание, он обеспечил свежими овощами, фруктами, кислой капустой, лимонным и морковным соками лишь один из двух своих кораблей, а меню другого оставил традиционным. За три года странствий ни один из членов экипажа первого судна не заболел цингой, тогда как четверть команды второго, где отсутствовали запасы овощей и фруктов, была сражена болезнью.

Установить, что полноценное питание не ограничивается белками, жирами и углеводами, в конце XIX в. смог русский биохимик Николай Лунин. В 1880 г., наблюдая за подопытными мышами, Лунин заметил, что те из них, кто пил искусственное молоко, состоящее из казеина, жира, сахара и соли, вскоре погибали, а выкормленные натуральным молоком выглядели здоровыми и бодрыми. На основании этого наблюдения ученый сделал вывод: «Если, как вышеупомянутые опыты учат, невозможно обеспечить жизнь белками, жирами, сахаром, солями и водой, то из этого следует, что в молоке, помимо казеина, жира, молочного сахара и солей, содержатся еще другие вещества, незаменимые для питания. Представляет большой интерес исследовать эти вещества и изучить их значение». Увы, научный мир не принял всерьез открытие русского ученого, хотя десять лет спустя К. Сосин провел аналогичный эксперимент и получил те же результаты, что и Лунин.

Следующий шаг в открытии витаминов был сделан в 1886 г., когда нидерландский бактериолог Христиан Эйкман отправился в тюремный госпиталь на острове Ява, дабы выяснить причину болезни бери-бери (полиневрита), которая уносила сотни тысяч жизней. В ходе одного из экспериментов Эйкман обнаружил, что цыплята, питающиеся шлифованным рисом, страдали полиневритом, но стоило перевести их на цельное зерно, как они выздоравливали. Кроме того, ученый заметил, что тюремные заключенные, которых кормили очищенным рисом, тоже часто болели бери-бери, а среди тех, кто употреблял неочищенную крупу, болезни подвергался всего один человек из 10 000.

Догадавшись, что в рисовой шелухе содержится некое вещество, предупреждающее полиневрит, Эйкман выделил данное соединение с помощью воды и отметил крошечный размер молекул, свободно проходящих сквозь мембрану, через которую не могли проникнуть белки. На этом эксперименты Эйкмана закончились, однако он внес огромный вклад в открытие витаминов, за что в 1929 г. получил Нобелевскую премию.

В то же время голландский диетолог Корнелис Пекельхаринг и английский биохимик Фредерик Хопкинс провели ряд исследований, в ходе которых сделали вывод, что в молочном белке (казеине) содержится вещество, необходимое для роста и развития организма. Тем не менее вопрос о природе и структуре вещества оставался открытым до 1911 г., когда польский ученый Казимир Функ путем химического анализа выделил из рисовых отрубей (а чуть позже – из дрожжей и других продуктов) кристаллическое соединение, в настоящее время именуемое витамином В₁, или тиамином. Как оказалось, данное вещество относится к группе органических и содержит азот в составе аминогруппы -NH₂, выдерживает кипячение 20%-ным раствором серной кислоты, а значит, устойчиво к действию кислот, однако быстро разрушается щелочами. Год спустя Функ дал веществу название, оттолкнувшись от латинских vita ― жизнь и amini ― амины, азотистые соединения. Впоследствии ученый ввел понятия «авитаминоз», «гиповитаминоз» и «полигиповитаминоз», предположив, что причиной многих болезней является отсутствие в пище одного из «жизненных аминов».

В 1913 г. американские биохимики Элмер Вернер Макколлум и Маргарита Дэвис выделили из сливочного масла и яичного желтка вещество, которое хорошо растворялось в жирах и плохо – в воде. Макколлум назвал его «жирорастворимым фактором А», а «витамин» Функа, предупреждающий бери-бери, – «водорастворимым фактором В». С тех пор подобные факторы стали обозначать буквами латинского алфавита.

В 1920 г. английский биохимик Джек Сесиль Драммонд решил упорядочить номенклатуру витаминов и заменил название «жирорастворимый фактор А» на «витамин А» (в дальнейшем было выявлено, что этот витамин предупреждает сухость кожи вокруг глаз). В том же году Макколум выделил из жира печени трески вещество, препятствующее рахиту, и назвал его витамином D. А за последующие 10 лет ученые выяснили, что витамин В растворяется только в воде и включает в себя целый ряд веществ (В₁, В₂, В₃), каждое из которых имеет свои свойства и функции.

Витамин Е был открыт в1920 г., когда ученые обнаружили, что при длительной молочной диете даже у очень плодовитых белых крыс начинаются проблемы с зачатием. Два года спустя К. Бишоп и Г. Эванс заметили, что при исключении из рациона растворимых жиров, которыми богаты зародыши зерновых культур и зеленые листья, изначально здоровые крысы рождают мертвых детенышей. В то же время у самцов крыс при недостатке витамина Е происходили изменения в эпителии семенных канальцев, из-за чего животные теряли способность к оплодотворению. В 1936 г. ученые получили первые препараты витамина Е путем экстракции из масел ростков зерна, а через пару лет П. Каррер осуществил синтез витамина Е. Дальнейшие исследования показали, что этот элемент оказывает влияние не только на репродуктивную функцию.

Витамин С впервые был получен из лимонного сока в 1923―1927 гг. С. Зильвой, который затем определил основные свойства этого вещества. За последующие пять лет Э. Сент-Дьёрдьи выделил из надпочечников быка, а также из капусты и паприки вещество, названное им гексуроновой кислотой, которая позже получила название аскорбиновой.

В 1929 г. ученые предположили, что существует фактор, влияющий на свертываемость крови, после чего датский биохимик Хенрик Дам открыл жирорастворимый витамин К (Koagulations vitamin) и в 1943 г. получил Нобелевскую премию. В настоящее время исследования витаминов продолжаются, но уже понятно, что каждое из этих веществ нашему организму жизненно необходимо.