Биологическая теория брожений.

В 1680 году голландец Антони Ван-Левенгук впервые увидел пивные дрожжи в свой самодельный микроскоп. Он описал их в письме, адресованном в Королевское общество, и дал рисунок, на котором видны почкующиеся круглые клетки, образующие скопления. Так было начато изучение морфологии дрожжей. Эти наблюдения значительно опередили состояние науки того времени. Только в 1835 году появились сообщения Каньяр де Латура во Франции, Шванна и Кютцинга в Германии, в которых было доказано, что дрожжи относятся к низшим растительным организмам, имеющим ядро, размножающимся почкованием на питательных средах, содержащих сахар, и вызывающим брожение. Однако это биологическое направление в исследованиях, связанных с выяснением причин брожения, не получило в первой половине XIX века всеобщего признания.
В середине девятнадцатого века широкое распространение имела химическая теория брожения. Скажем, Сталь утверждал, что гниющие вещества могут передавать это состояние другому, не гниющему в данное время веществу. Гниение сопровождается движением, и способность вызывать гниение связана с передачей движения покоящемуся телу. Ферменты также находятся в движении, и их способность вызывать брожение связана с передачей движения.
Выдающиеся химики того времени Либих и Берцелиус развили эту точку зрения. Берцелиус не видел принципиальной разницы между различными видами брожений и гниением — все это различные стадии одного и того же процесса. Брожение возможно только при наличии двух условий: в среде должна находиться клейковина или другое азотистое органическое вещество и сбраживаемая жидкость, содержащая клейковину, должна быть подвержена действию кислорода воздуха. В этом случае на дне сосуда образуется нерастворимый осадок, способный вызывать новое брожение. Все процессы брожения Либих связывал с разложением и гниением органических веществ, последние, подвергаясь гниению, становятся ферментами и уже могут вызвать сбраживание и негниющих веществ, например сахара.
При соприкосновении гниющих веществ со сбраживаемым происходит распад последнего на частицы. Либих не отрицал, что для сбраживания сахара нужны дрожжи, но не обязательно живые, так как именно отмирающие и разлагающиеся дрожжи вызывают брожение как всякое гниющее вещество.
Таковы в самых общих чертах основы химической теории брожения, пока свои исследования по брожениям не начал французский ученый Пастер.
Луи Пастер (1822—1895) родился во французском местечке Доль. Луи вырос в большой дружной семье. Несмотря на слабое здоровье и недостаток средств, Пастер с успехом завершил обучение сначала в колледже в Арбуа, а затем в Безансоне. Окончив здесь курс со степенью бакалавра, он поступил в 1843 году в Высшую нормальную школу, готовящую учителей для средней школы.
Окончив школу в 1847 году, Пастер сдал экзамены на звание доцента физических наук. А спустя год защитил докторскую диссертацию. Тогда Пастеру еще не было и 26 лет, но он уже приобрел известность своими исследованиями в области строения кристаллов. Молодой ученый дал ответ на вопрос, который до него оставался нерешенным, несмотря на усилия многих крупнейших ученых. Он открыл причину неодинакового влияния луча поляризованного света на кристаллы органических веществ. Это выдающееся открытие привело в дальнейшем к возникновению стереохимии — науки о пространственном расположении атомов в молекулах.
В том же 1848 году Пастер стал адъюнкт-профессором физики в Дижоне. Через три месяца он занимает новую должность адъюнкт-профессора химии в Страсбурге. Пастер принимал активное участие в революции 1848 года и даже вступил в Национальную гвардию.
В 1854 году Пастер был назначен деканом только что организованного физико-математического факультета Лилльского университета. Этот район Франции славился своей сахарной и бродильной промышленностью. Владельцы местных заводов неоднократно обращались к Пастору с просьбой помочь рационализировать производство, улучшить его, руководствуясь последними достижениями науки. Знакомясь с работой заводов, Пастер не мог не прийти к выводу, что современные научные знания в этой области были более чем скромны, и это побудило его начать изучение брожений.
Он приступил к изучению этого вопроса. Результатом его исследований стала монография. Первый опубликованный мемуар был посвящен молочнокислому брожению. Он произвел особенно большое впечатление в научном мире, так как это было новым брожением — все предшествующие исследования касались преимущественно спиртового брожения.
«Все свои исследования по брожениям Пастер проводил с целью выяснить, в какой мере его собственные экспериментальные данные могут подтвердить или опровергнуть химическую теорию брожений, — пишет в своем труде о ученом А.А. Имшенецкий. — Результаты его экспериментов могут быть резюмированы следующим образом.
1. Для возникновения брожения воздух, вопреки мнению сторонников химической теории брожения, не нужен. Молочнокислое брожение протекает без доступа воздуха так же, как и спиртовое Это позволяет дать общую формулу «брожение — это жизнь без кислорода». Для обоснования этого тезиса исключительное значение имело открытие Пастором масля-нокислого брожения, вызываемого строго анаэробными бактериями, которые не только не нуждаются в кислороде, но последний действует на них как яд. До этого открытия считалось, что жизнь без кислорода невозможна, и не случайно Гей-Люссак связывал устойчивость продуктов в консервах Аппера к гниению с отсутствием в банках кислорода. Открытие анаэробиоза встретило резкие возражения со стороны Брефельда и других ученых, но оно оказалось настолько убедительным, что вскоре было всеми признано.
2. Каждое брожение вызывается особым возбудителем. Пастер впервые установил, что молочнокислое брожение связано с развитием микробов, отличающихся по своей морфологии от дрожжей. Масляная кислота образуется в результате жизнедеятельности особого вида микробов. Уксуснокислое и спиртовое брожения, так же как и брожение мочевины, имеют своих возбудителей. Нет ничего удивительного в том, что Пастер, исходя из современного ему состояния систематики низших растительных организмов, не всегда давал правильные названия описываемым им организмам. Так, маслянокислых бактерий он относил к представителям животного мира, уксуснокислых бактерий обозначал как Mycoderma и т. д. Все это не меняло основного вывода, — различные брожения вызываются различными микробами.
3. Брожение связано с жизнью микробов, с их размножением, а не с гибелью и разложением, как это считали сторонники химической теории брожения Вес микробов во время брожения постоянно увеличивается и сбраживаемые ими вещества используются дрожжами также для построения своего тела.
4. Для брожения совершенно не обязательно присутствие в среде частиц белковых веществ (клейковины), которые, по мнению адептов химической теории, приходят в движение и, передавая его другим частицам, тем самым вызывают брожение или гниение. Сбраживание сахара с образованием спирта или молочной кислоты может происходить в среде, совершенно не содержащей белка, а имеющей в качестве единственного источника азота неорганическое соединение, например сернокислый аммоний».
Результаты экспериментальных исследований Пастера нанесли решительный удар по теории Либиха. Его сторонники не могли больше объяснять брожение передачей движения частиц и связывать его со смертью, с разложением гниющих веществ.
Но уже в самом начале шестидесятых годов Бертло прямо высказал мысль, что такая ограниченная биологическая точка зрения не должна удовлетворять физиолога, а тем более химика Исходя из термохимических данных, Бертло утверждал, что брожение и жизнедеятельность дрожжевых клеток не связаны друг с другом, так как для синтеза живого вещества дрожжей нет необходимости в притоке энергии извне.
Развитие биохимии и ферментологии все более и более побуждало выдающихся ученых возвращаться к идеям Бертло. Постепенно число открытых «растворимых ферментов», т. е. энзимов, увеличивалось, и стало возможным осуществлять бесклеточный гидролиз ди- и полисахаридов, разложение белка, различные окислительные процессы. Все это привело к тому, что К.А. Тимирязева в лекции 1895 года заявил: «...Бертло, полемизируя с Пастером, указывал, что воззрение на брожение как на химический процесс, лежащий в основе того физиологического явления, которое наблюдал Пастер, — что это воззрение вытекает из неизбежного исторического хода развития всех наук и, в частности, физиологии, по которому сложные явления сводятся к простым и, следовательно, физиологические — к физическим и химическим. И, как мы видим, история уже оправдывает верность этой ссылки на нее Бертло ..»
Надо сказать, что Пастер никогда не отрицал участия ферментов в брожении. Да это было бы и нелогично, так как, будучи химиком, он не мог себе представить превращение молекулы в спирт без цепи химических реакций, которые протекают внутри клетки: «...Прибавлю, что для меня всегда было загадкой, на каком основании думают, что мне было бы неудобно, если бы было сделано открытие растворимых ферментов в брожении или если было бы доказано превращение сахара в спирт независимо от жизнедеятельности клетки».
Бесспорно, что изучение бесклеточного брожения, исследования с дрожжевым соком и другими препаратами дали много ценного. Именно они позволили установить ту схему брожения, в частности спиртового, которая вошла во все руководства и является сейчас общепризнанной. «Но все эти исследования отвечают на вопрос, «как» происходит этот процесс, — отмечает А.А. Имшенецкий, — но не отвечают на вопрос, «почему» стало возможно это гармоничное, это исключительно сложное функционирование ферментов внутри дрожжевой клетки и «зачем» те или иные процессы брожения возникли Это лишь детализация основной идеи, которую развил тогда Пастер, а не противопоставление химической теории брожения биологической.
Пастер впервые как гениальный биолог дал исчерпывающий ответ, почему возникли брожения. Он объяснил целесообразность этих процессов и показал, что они необходимы для жизнедеятельности клеток, и если бы они не носили приспособительный характер, то не могли бы возникнуть в природе. Это иногда забывается в химических исследованиях.
Пастер указал на энергетическое значение брожений и показал, что они имеют экологическое значение. В своих исследованиях он неоднократно отмечает ту большую роль, которую играют продукты собственной жизнедеятельности бродящих микроорганизмов в изменении окружающей среды. Устанавливая, что один вид микроба вытесняет продуктами собственной жизнедеятельности другой, Пастер решает одну из интереснейших экологических задач. Здесь же следует заметить, что он отказался, в отличие от современных ему немецких исследователей, от поисков универсальной питательной среды, на которой могли бы расти все виды микробов без исключения, и впервые применил среды, исходя из экологии, т. е. условий существования микробов. Поэтому мы вправе считать Пастера также основоположником только еще развивающейся молодой отрасли микробиологии — экологии микроорганизмов».
Разгадка явлений брожения имела огромное практическое значение не только для французского виноделия, терпевшего огромные убытки от «болезней вина», но и сыграла исключительную роль в развитии биологической науки, практики сельского хозяйства и промышленности. Глубокое познание природы брожений дает возможность управлять их процессами. Это очень важно для хлебопечения, виноделия, изготовления многих пищевых веществ.