Том Джексон - Взламывая биологию

Вид на огромный Темперейт-хаус в Королевских ботанических садах Кью, открывшийся в 1863 г. Это крупнейшая в мире оранжерея викторианской эпохи.

Кроме того, что это приятное место для прогулок, у современных ботанических садов множество функций. Проще всего заметить, что все растения подписаны, и каждый посетитель может выяснить, чем именно любуется. Сады мирового класса, такие как в Кью и Нью-Йорке, проводят различные обучающие мепроприятия, участвуют в сохранении видов и занимаются исследованиями. В мире все еще открывают новые виды растений, особенно в тропиках, и их нужно классифицировать. Специалисты работают над составлением списков растений конкретного региона. Все большую важность приобретают банки семян, консервирующие семена растений в качестве природоохранной меры. Самый крупный из них расположен на арктическом острове Шпицберген: холодный климат облегчает сохранение биологического материала.

Зачем нужно дыхание? Только в конце XVII в. ученые начали находить ответы на этот важный вопрос. Их работа в итоге помогла подробно описать функционирование живых существ.

Изначально «респирация» – еще одно слово, обозначающее дыхание. Очевидно, что мы умрем, если не сможем дышать. Но почему? О смысле и значении дыхания люди размышляли с древних времен, но нельзя сказать, что им удалось сделать важные выводы. Согласно распространенному предположению, дыхание охлаждает тело. Далее пришлось подождать ответа на другой важный вопрос: что такое воздух? К XVII в. ученые знали, что у воздуха есть вес, но полагали, что воздух – однородная субстанция, а не смесь химических элементов, как мы знаем сегодня. Его роль в химических реакциях не осознавали совсем.

Огромная двояковыпуклая линза Лавуазье, которую химик использовал в некоторых своих экспериментах. Лучи солнца проходят через линзу, фокусируются и дают большой жар, способный поджечь даже алмаз. Так Лавуазье показал, что при горении чистого уголя выделяется углекислый газ – то же вещество, которое синтезируется при дыхании.

Французский ученый Антуан Лавуазье интересовался химией с детства. У него рано проявился талант упорядочивать спутанные мысли, и в итоге он поменял мировой подход к химии, придумав более логичную номенклатуру для своих новых открытий. Например, то, что мы называем соединения с кислородом оксидами, – заслуга Лавуазье и его коллег. Его жена Мари-Анна работала вместе с ним, делая заметки о его экспериментах. Внушительное богатство Лавуазье, заработанное на должности сборщика налогов для французского короля, позволяло ему вкладывать средства в создание сложного оборудования. После Французской революции ученого казнили на гильотине как предателя.

В конце концов ученые начали понимать, что существут разные виды «воздуха» с разными качествами. В начале 1770-х гг. газ, который мы сегодня называем кислородом, открыли независимо друг от друга англичанин Джозеф Пристли и швед Карл Вильгельм Шееле. Пристли обнаружил, что кислород поддерживает жизнь лучше обычного воздуха, но ни один из ученых не осознавал, что открыт новый химический элемент. Пристли называл его «бесфлогистонным», или «исключительно пригодным для дыхания», воздухом. Эксперименты показали, что кислород составляет около пятой части обычного воздуха. Однако раскрыть в полной мере его значение предстояло французу Антуану Лавуазье в 1770–1780-х гг.

Когда что-то горит, совсем не очевидно, что пламя питается воздухом. Больше похоже, что в воздух что-то попадает. На этом строилась тщательно разработанная – но неверная – теория, доминировавшая в химии XVIII в. Согласно ей, при горении выделяется вещество под названием флогистон. Сложность заключалась в том, что если нагреть много металлов, они превратятся в то, что мы сегодня называем окисями металлов. А окиси будут весить больше, и следовательно, флогистон должен был бы весить меньше, чем ничего! Опыты Лавуазье с кислородом позволили отбросить эту теорию за ненадобностью.

Лавуазье назвал новый газ кислородом и показал, что горение – это главным образом реакция между кислородом и топливом. Он также стал первым, кто составил список химических элементов в современном смысле, туда он включил и недавно открытый кислород. В некоторых опытах ученый сопоставлял температуру реакции и объем кислорода, потребляемый горящими веществами и вдыхаемый животными. Он пришел к уверенному выводу, что «дыхание – это разновидность горения». Эксперименты и теории Лавуазье произвели революцию в химии. И в биологии тоже.

Работа Лавуазье подняла больше вопросов, чем дала ответов. Где-то в теле происходит медленное «горение». Но где и почему? Лавуазье полагал, что в легких. Открытия XIX в. начали прояснять картину. Было доказано, что кислород поступает в легкие и затем по артериям распространяется по всему телу вместе с кровяным пигментом гемоглобином. Лишенная кислорода и насыщенная углекислым газом кровь возвращается в легкие, и этот газ выводится наружу. Гораздо позже удалось отследить, какие именно химические реакции, вплоть до уровня клеток, задействованы в этом процессе, и слово «дыхание» получило новое значение. Теперь оно относилось ко всем реакциям в клетке, в ходе которых расщепляются молекулы пищи и выделяется энергия. Обычно эти процессы текут с участием кислорода, но не всегда. Дрожжи, например, получают энергию благодаря анаэробному дыханию, то есть не нуждаются в воздухе.

Один из опытов Лавуазье, посвященный дыханию человека. Слева: Лавуазье разговаривает со своей женой Мари-Анной, которая делает записи. Рисунок сделан самой Мари-Анной. Подопытный выдыхает меньше кислорода, чем вдыхает; недостающий объем заменен углекислым газом. В этом эксперименте химик надеялся измерить количество жара, производимого подопытным в процессе дыхания.