Біологічна теорія бродіння

У середині ХІХ століття стала вельми поширеною мала хімічна теорія бродіння. Скажімо, Сталь стверджував, що гниючі речовини можуть передавати цей стан іншій речовині, яка не гниє в даний час. Гниєння супроводжується рухом, і здатність викликати гниття пов'язана з передачею руху тілу, що покоїться. Ферменти також перебувають у русі, та його здатність викликати бродіння пов'язані з передачею руху.

Видатні хіміки на той час Лібіх і Берцеліус розвинули цю думку. Берцеліус не бачив принципової різниці між різними видами бродіння і гниттям - все це різні стадії одного й того самого процесу. Бродіння можливе тільки за наявності двох умов: в середовищі повинна знаходитися клейковина або інша азотиста органічна речовина і рідина, що містить рідину, що містить клейковину, повинна бути схильною до дії кисню повітря. В цьому випадку на дні судини утворюється нерозчинний осад, здатний викликати нове бродіння. Всі процеси бродіння Лібіх пов'язував з розкладанням і гниттям органічних речовин, останні, піддаючись гниття, стають ферментами і можуть викликати зброджування і негниющих речовин, наприклад цукру.

При дотику гниючих речовин зі зброджуваним відбувається розпад останнього на частинки. Лібіх не заперечував, що для зброджування цукру потрібні дріжджі, але не обов'язково живі, оскільки саме дріжджі, що відмирають і розкладаються, викликають бродіння як будь-яка гниюча речовина.

Такі в загальних рисах основи хімічної теорії бродіння, поки свої дослідження з бродінням не почав французький учений Пастер.

Луї Пастер (1822-1895) народився у французькому містечку Доля. Луї виріс у великій дружній родині. Незважаючи на слабке здоров'я та нестачу коштів, Пастерз успіхом завершив навчання спочатку у коледжі в Арбуа, а потім у Безансоні. Закінчивши тут курс зі ступенем бакалавра, він вступив у 1843 році до Вищої нормальної школи, яка готує вчителів для середньої школи.

Закінчивши школу в 1847 році, Пастер склав іспити на звання доцента фізичних наук. А за рік захистив докторську дисертацію. Тоді Пастер ще не було і 26 років, але він вже набув популярності своїми дослідженнями в галузі будови кристалів. Молодий вчений дав відповідь на питання, яке до нього залишалося невирішеним, незважаючи на зусилля багатьох найбільших вчених. Він відкрив причину неоднакового впливу променя поляризованого світла на кристали органічних речовин. Це визначне відкриття призвело надалі до виникнення стереохімії — науки про просторове розташування атомів у молекулах.

Того ж таки 1848 року Пастер став ад'юнкт-професором фізики в Діжоні. Через три місяці він обіймає нову посаду ад'юнкт-професора хімії у Страсбурзі. Пастер брав активну участь у революції 1848 року і навіть вступив до Національної гвардії.

У 1854 році Пастер був призначений деканом щойно організованого фізико-математичного факультету Лілльського університету. Цей район Франції славився своєю цукровою та бродильною промисловістю. Власники місцевих заводів неодноразово зверталися до Пастора з проханням допомогти раціоналізувати виробництво, покращити його, керуючись останніми досягненнями науки. Знайомлячись із роботою заводів, Пастер було дійти висновку, що сучасні наукові знання у цій галузі були більш ніж скромні, і це спонукало його розпочати вивчення бродіння.

«Всі свої дослідження з бродіння Пастер проводив з метою з'ясувати, якою мірою його власні експериментальні дані можуть підтвердити або спростуватихімічну теорію бродіння, - пише у своїй праці про вченого А.А. Імшенецький. — Результати його експериментів можуть бути резюмовані в такий спосіб.

1. Для виникнення бродіння повітря, всупереч думці прихильників хімічної теорії бродіння, не потрібне. Це дозволяє дати загальну формулу «бродіння — це життя без кисню». Для обґрунтування цієї тези виняткове значення мало відкриття Пастором масляно-кислого бродіння, що викликається строго анаеробними бактеріями, які не тільки не потребують кисню, але останній діє на них як отрута. До цього відкриття вважалося, що життя без кисню неможливе, і невипадково Гей-Люссак пов'язував стійкість продуктів у консервах Аппера до гниття з відсутністю банках кисню. Відкриття анаеробіозу зустріло різкі заперечення з боку Брефельда та інших учених, але воно виявилося настільки переконливим, що незабаром було визнано всіма.

2. Кожне бродіння викликається спеціальним збудником. Пастер вперше встановив, що молочнокисле бродіння пов'язане з розвитком мікробів, що відрізняються своєю морфологією від дріжджів. Олійна кислота утворюється внаслідок життєдіяльності особливого виду мікробів. Оцтовокисле та спиртове бродіння, як і бродіння сечовини, мають своїх збудників. Немає нічого дивного в тому, що Пастер, виходячи з сучасного стану систематики нижчих рослинних організмів, не завжди давав правильні назви описуваним їм організмам. Так, маслянокислих бактерій він відносив до представників тваринного світу, оцтовокислих бактерій позначав як Mycoderma і т. д. Все це не змінювало основного висновку, - різні бродіння викликаються різними мікробами.

3. Бродіння пов'язане з життям мікробів, зїх розмноженням, а не з загибеллю і розкладанням, як це вважали прихильники хімічної теорії бродіння Вага мікробів під час бродіння постійно збільшується і речовини, що зброджуються ними, використовуються дріжджами також для побудови свого тіла.

4. Для бродіння зовсім не обов'язково присутність у середовищі частинок білкових речовин (клейковини), які, на думку адептів хімічної теорії, починають рухатися і, передаючи його іншим частинкам, тим самим викликають бродіння або гниття. Зброджування цукру з утворенням спирту або молочної кислоти може відбуватися в середовищі, що зовсім не містить білка, а неорганічна сполука, що має як єдине джерело азоту, наприклад сірчанокислий амоній».

Результати експериментальних досліджень Пастера завдали рішучого удару по теорії Лібіха. Його прихильники не могли більше пояснювати бродіння передачею руху частинок і пов'язувати його зі смертю, з розкладанням речовин, що гниють.

Але вже на початку шістдесятих років Бертло прямо висловив думку, що така обмежена біологічна точка зору не повинна задовольняти фізіолога, а тим більше хіміка. Виходячи з термохімічних даних, Бертло стверджував, що бродіння і життєдіяльність дріжджових клітин не пов'язані один з одним, так як синтезу живої речовини дріжджів немає потреби у припливі енергії ззовні.

Розвиток біохімії та ферментології все більше спонукало видатних учених повертатися до ідей Бертло. Поступово кількість відкритих «розчинних ферментів», тобто ензимів, збільшувалася, і стало можливим здійснювати безклітинний гідроліз ді- та полісахаридів, розкладання білка, різні окислювальні процеси. Усе це призвело до того що, що К.А. Тимірязєва в лекції 1895 заявив: «. Бертло, полемізуючи з Пастером, вказував, щопогляд на бродіння як на хімічний процес, що лежить в основі того фізіологічного явища, яке спостерігав Пастер, - що ця думка випливає з неминучого історичного ходу розвитку всіх наук і, зокрема, фізіології, за яким складні явища зводяться до простих і, отже, фізіологічних - До фізичних та хімічних. І, як бачимо, історія вже виправдовує вірність цього посилання її у Бертло ..»

Треба сказати, що Пастер ніколи не заперечував участі ферментів у бродінні. Так це було б і нелогічно, оскільки, будучи хіміком, він не міг собі уявити перетворення молекули на спирт без ланцюга хімічних реакцій, що протікають усередині клітини: «. Додам, що для мене завжди було загадкою, на якій підставі думають, що мені було б незручно, якби було зроблено відкриття розчинних ферментів у бродінні або якби було доведено перетворення цукру на спирт незалежно від життєдіяльності клітини».

Безперечно, вивчення безклітинного бродіння, дослідження з дріжджовим соком та іншими препаратами дали багато цінного. Саме вони дозволили встановити ту схему бродіння, зокрема спиртового, яка увійшла до всіх керівництв і є зараз загальновизнаною. «Але всі ці дослідження відповідають питанням, «як» відбувається цей процес, — зазначає А.А. Імшенецький, — але не відповідають на запитання, «чому» стало можливим це гармонійне, це виключно складне функціонування ферментів усередині дріжджової клітини і «навіщо» ті чи інші процеси бродіння виникли Це лише деталізація основної ідеї, яку розвинув тоді Пастер, а не протиставлення хімічної теорії бродіння біологічної.

Пастер вперше як геніальний біолог дав вичерпну відповідь, чому виникли бродіння. Він пояснив доцільність цих процесів і показав, що вонинеобхідні життєдіяльності клітин, і якби вони носили пристосувальний характер, не могли б виникнути у природі. Це іноді забувається у хімічних дослідженнях.

Пастер вказав на енергетичне значення бродіння і показав, що вони мають екологічне значення. У своїх дослідженнях він неодноразово відзначає ту велику роль, яку відіграють продукти власної життєдіяльності мікроорганізмів у зміні навколишнього середовища. Встановлюючи, що одне вид мікроба витісняє продуктами своєї життєдіяльності інший, Пастер вирішує одне з найцікавіших екологічних завдань. Тут же слід зауважити, що він відмовився, на відміну від сучасних йому німецьких дослідників, від пошуків універсального живильного середовища, на якому могли б зростати всі види мікробів без винятку, і вперше застосував середовища, виходячи з екології, тобто умов існування мікробів . Тому ми маємо право вважати Пастера також основоположником молодої галузі мікробіології, що ще розвивається, — екології мікроорганізмів».

Розгадка явищ бродіння мала величезне практичне значення як для французького виноробства, що зазнавав величезних збитків від «хвороб вина», а й зіграла виняткову роль розвитку біологічної науки, практики сільського господарства та промисловості. Глибоке пізнання природи бродіння дає можливість керувати їх процесами. Це дуже важливо для хлібопечення, виноробства, приготування багатьох харчових речовин.