3. От Демэрана до Аррениуса

Нам, свидетелям космических полетов, по-видимому, трудно так сузить свое восприятие мира, чтобы посмотреть на окружающее глазами ученых восемнадцатого столетия. Но давайте все-таки попытаемся взглянуть на историю развития проблемы биологических часов ретроспективно.

Представьте себе Париж 1729 года. Приезжий легко мог бы заблудиться в нем — названий улиц практически не было, лишь немногие обозначения выбивались на фасадах угловых зданий. Для натуралистов же надежных путеводных знаков в те времена было еще меньше. Прошло всего несколько десятилетий с тех пор, как Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, а Пьер Лаплас, которого называли «французским Ньютоном», еще даже не родился. Теория флогистона (утверждавшая, что во всех веществах, способных гореть с выделением пламени или превращаться при обжигании в окалину, имеется некое горючее начало — флогистон) была камнем преткновения на пути развития химии. Минует еще четверть столетия, прежде чем Вениамин Франклин получит разряд статического электричества от бечевы, на которой запущен воздушный змей, показав тем самым, что молния — это всего лишь явление природы, а не устрашающее свидетельство божьего гнева. Лабораторное оборудование было крайне примитивным, в медицине даже стетоскопу предстояло появиться только через столетие. Тем не менее к 1729 году эпоха Просвещения уже расчистила пути, позволившие ученым применять в своих исследованиях экспериментальные методы.

Таково вкратце положение вещей, которое сложилось к моменту спора между французским астрономом Жан-Жаком де Мэраном и его другом Маршаном. А разгорелся этот спор из-за одной научной публикации. Маршан настаивал на том, чтобы де Мэран написал в Парижскую академию о своем открытии: он обнаружил у чувствительного растения движение листьев, которое соответствовало периодам «сна и бодрствования». Однако, погруженный в исследование таких проблем, как природа северного сияния и взаимосвязь цветов радуги, возникающей при разложении призмой солнечного луча, занятый изучением суточного вращения Земли и анализом наблюдений полного затмения солнца 1706 года, ученый не желал тратить драгоценное время на описание того, как спит растение! Но, настроенный решительно, Маршан счел своим прямым долгом сообщить научному миру Франции о наблюдениях де Мэрана. По его мнению, они были первым доказательством того, что растение может определять положение солнца на небосводе даже тогда, когда не подвергается прямому действию его лучей. В Академии — а Маршан был одним из ее членов — было принято сообщать о работах других ученых. Вот вольный перевод его сообщения.

Общеизвестно, что наиболее чувствительные из гелиотропов поворачивают свои листья и стебли в направлении максимальной интенсивности освещения[1]. Это свойство присуще и многим другим растениям, однако гелиотроп обладает особой чувствительностью к солнечному свету (или времени дня): его листья и стебли с заходом солнца опускаются; то же самое происходит с растением, если к нему прикоснуться или встряхнуть.

Однако де Мэран обратил внимание на то, что растение ведет себя подобным образом и в случае, если оно находится не на открытом воздухе, а постоянно содержится в темном помещении. Растение также раскрывается на день и складывается на ночь. Эксперимент проводился в конце лета. Чувствительное растение реагировало на положение солнца, даже будучи совершенно изолированным от него.

Рис. 6. Растение, наблюдавшееся де Мэраном, «просыпалось» с рассветом, даже если содержалось в полной темноте. Крупным планом показано положение листьев «спящего» растения.

В заключение своего письма Маршан призывал ботаников и врачей исследовать это явление, заметив, однако, что «прогресс настоящей естественной философии, которая связана с экспериментальной работой, может быть удручающе медленным». Но ни ботаники, ни врачи не откликнулись на его призыв. И только через тридцать лет во Франции появился человек, который подтвердил открытие де Мэрана и продолжил его исследования.

В темном сундуке Дюамеля

Этим человеком оказался Генри-Луи Дюамель, который большую часть времени, потраченного на образование, скучал и сокрушался. В первые годы своего пребывания в колледже он менее всего обещал стать тем, кого впоследствии именовали «инспектором Академии наук, членом Лондонского королевского общества, почетным членом академии в Санкт-Петербурге, Стокгольме, Палермо и Падуе, института в Болонье, Королевского общества в Эдинбурге, сельскохозяйственных обществ Парижа и Лейдена и добровольным членом Королевского медицинского общества».

Дюамель родился в Париже в 1700 году. Его предки были родовитыми голландцами, перебравшимися во Францию еще в 1400 году. Хотя Генри-Луи и отличался пытливым складом ума, посещать лекции по естественной истории он начал совершенно случайно и то лишь в конце своего пребывания в колледже. Увлечение естественными науками вспыхнуло в нем совершенно неожиданно. Чтобы отдавать занятиям все свое время, он даже переселился поближе к колледжу.

Но именно тогда, когда юный Дюамель с головой ушел в свое новое увлечение, родители потребовали, чтобы он изучал право. Генри-Луи согласился посещать школу права в Орлеане. На право он потратил ровно столько времени, сколько было необходимо для получения ученой степени, которой он так никогда и не воспользовался. Выполнив свое обязательство перед родителями, Генри-Луи возвращается в Париж, полный планов отдать себя служению науке, сельскому хозяйству и медицине. Он изучает математику, организует химическую лабораторию и планирует многолетние научные исследования в области сельского хозяйства.

Дюамель тщательно исследует заболевания шафрана, повреждения зерновых культур, вызываемые гусеницами пяденицы, и также причины порчи муки во время перевозки и хранения. Чтобы выяснить, можно ли применять истод для лечения плеврита, он выписывает во Францию растения из Виргинии. Ученый активно ратует за сохранение природных богатств; увлекается рыбной ловлей, которую считает занятием «весьма искусным, так как оно основано на хитрости, и самым древним, поскольку оно обеспечивало пропитание».

Вот такой человек заинтересовался вслед за де Мэраном странным поведением гелиотропа. Каким образом осуществляет растение свои ежедневные движения листьев, если оно не может знать времени суток? Не упустил ли де Мэран чего-нибудь в своих наблюдениях? Быть может, его темное помещение было не абсолютно темным? И Дюамель решил повторить эксперимент де Мэрана.

Дюамель отыскал неподалеку старый винный погреб, который не имел даже люка для вентиляции. Попасть в него можно было лишь через другой не менее темный погреб, что обеспечивало надежную защиту от света.

И вот августовским утром 1758 года Дюамель принес колючее растение в столь тщательно выбранное подземелье. Но по дороге он неосторожно тряхнул чувствительное растение, и оно опустило листья, словно его ударили. Досадуя на свою неуклюжесть, Дюамель оставил растение в погребе. На следующее утро, часов около десяти, Дюамель снова был в подвале. При свете свечи он разглядел, что растение проснулось, оно выпрямилось и развернуло листья, и абсолютная темнота подвала не стала тому помехой. Так продолжалось на протяжении многих дней, причем растение просыпалось и засыпало с такой точностью, как будто подвергалось действию лучей восходящего и заходящего солнца.

Но однажды в конце дня, когда листья растения еще оставались развернутыми. Дюамель вынес его из подвала (на этот раз с особой осторожностью). Растение осталось бодрствующим всю ночь! На следующий вечер листья опять поникли и впоследствии вернулись к своему нормальному циклу. После этого Дюамель поместил растение в большой, обшитый кожей сундук, который накрыл сверху несколькими толстыми шерстяными одеялами. Растение все так же поднималось по утрам и поникало к вечеру, как и в эксперименте де Мэрана. При полном отсутствии света оно каким-то образом чувствовало время.

Если ответственным за суточные движения листьев был не свет, то какой же другой сигнал получало растение из окружающей среды? Не связаны ли эти движения листьев с колебаниями температуры? Ведь ночью прохладнее, чем днем. И хотя Дюамель понимал, что температура в винном погребе довольно постоянна, он все же решил выяснить, что будут делать его растения, если он нагреет их заметно выше нормальной температуры. Перенеся в теплицу некоторые из чувствительных растений, Дюамель очень скоро убедился, что не ночная прохлада заставляет листья поникать к вечеру. «…Я видел, как растения опускают свою листву по вечерам даже в теплице, — писал он. — Эти эксперименты позволяют заключить, что движение листьев у растений не зависит ни от света, ни от тепла».

Примерно за двадцать лет до того, как Лавуазье показал, что горение и дыхание — это один и тот же процесс, который идет с разными скоростями, Дюамель продемонстрировал, что живые часы каким-то образом компенсируют колебания температуры, так как в определенных пределах они функционируют независимо от нее. Таким образом, Дюамель предвосхитил предположение, что живой организм воистину располагает хронометром, который не изменяет своего хода в зависимости от показаний термометра.

Часы мимозы Декандоля уходят вперед

Прошло столетие после экспериментов Дюамеля, прежде чем в исследовании суточных движений листьев у растений были достигнуты определенные успехи.

За это время выдающийся шведский натуралист Карл Линней разработал первую разумную систему классификации растений, разделив это царство на классы, порядки, роды и виды. Его «Система природы», впервые опубликованная в 1735 году, выдержала еще при жизни автора несколько изданий. Умер Линней в 1778 году.

В тот же год в Женеве, в Швейцарии, в уважаемой и состоятельной семье Декандолей праздновали рождение сына, которого нарекли Огюстеном и которому было суждено стать одним из самых знаменитых ботаников Европы. Вначале Декандоль занимался вообще естественными науками, но позже особенно глубокий интерес он проявил к ботанике. Декандоль отправляется в Париж, где работает под руководством Ламарка, Кювье и Жоффруа Сент-Илера. В последующее десятилетие он добивается значительных успехов и в 1808 году становится профессором университета в Монпелье. В Женеву он возвращается в сорокалетнем возрасте, уже профессором ботаники и членом университетского совета.

Рис. 7. Цветочные часы Карла Линнея основаны на способности различных цветков открываться и закрываться в определенное время дня.

Большую часть своей жизни Декандоль посвятил разработке естественной системы классификации растений, введя в нее новые по сравнению с системой Линнея принципы разделения растений. Он предложил теорию, согласно которой всей природой управляют четыре главные силы: притяжение, сродство, жизненная сила и чувствительность. Именно эти силы и ответственны за те явления, которые изучают физика, химия, физиология и психология. Среди этих пространных областей наибольший интерес для Декандоля представляла физиология растений. Изучение ее проблем он посвятил большинство своих исследований. К концу жизни ученый написал ставший классическим трехтомный труд «Физиология растений», в котором мы находим описание его собственных исследований суточных движений у растений. Эти исследования добавили многое к тому, что наблюдали де Мэран и Дюамель.

Подобно своим соотечественникам, Декандоль начал исследования с наблюдений над чувствительными растениями. Поскольку он придавал большое значение линнеевской классификации, для него стало законом при описании материала, с которым приходилось работать, давать растениям полное название — родовое и видовое, — например Mimosa pudica (мимоза стыдливая). Своими наблюдениями Декандоль подтвердил результаты, полученные де Мэраном и Дюамелем, и, кроме того, доказал, что поникание и расправление листьев не зависят ни от температуры, ни от влажности (в пределах доступной в то время точности эксперимента), а явно связаны с восходом и заходом солнца. Следующий этап его исследований можно назвать действительно творческим.

Прежде всего он установил шесть ламп, которые одновременно и непрерывно освещали растения, так что интенсивность освещения приблизительно соответствовала освещенности в облачный день. С «точки зрения» этих растений ночь не наступала никогда. И тем не менее растения продолжали опускать листья на ночь, а по утрам поднимали их примерно в то же самое время, что и при нормальном чередовании дня и ночи. Но Декандолю удалось обнаружить одно очень важное отличие. Часы этих непрерывно освещаемых растений шли быстрее нормальных! Растения заканчивали свои суточные циклы не за 24 часа, а примерно за 22–22,5 часа. Такое поведение, как мы увидим дальше, очень характерно для живых часов, когда их лишают внешних временных ориентиров.

Затем Декандоль стал включать лампы на ночь и выключать их днем, так что растения освещались по ночам и были лишены света днем. Это несколько сбило растениям ритм, но не надолго. Постепенно они вошли в фазу с новым ритмом чередования света и темноты: опускали листья в соответствии с предлагаемой им ночью и поднимали их, когда включение ламп заменяло им наступление рассвета. Вскоре растения полностью перешли на новый режим и точно выдерживали его.

Продолжая свои наблюдения, Декандоль обнаружил, что поведение других чувствительных растений сходно с поведением Mimosa pudica, хотя и менее четко выражено. Но в то же время некоторые растения, например два вида кислицы, отказывались перейти на обращенный режим освещения. По-видимому, решил Декандоль, разным видам растений требуется разная интенсивность освещения для изменения их привычной реакции на чередование света и темноты. В публикациях Декандоля нет никаких других суждений на этот счет, однако в следующих главах мы увидим, насколько точными были его предположения.

Зеленые червячки Жоржа Бона

Следуя по пути накопления знаний о ритмах у растений в строго хронологическом порядке, мы должны были бы теперь обратиться к работам о движении растений, принадлежащим Чарлзу Дарвину, которые были выполнены им уже в преклонном возрасте. Но место Дарвина в науке столь велико, что этот материал выделен нами в отдельную главу, чтобы показать работу Дарвина о суточных движениях листьев в соответствии с ее значимостью. А пока мы посмотрим, насколько движение крохотных морских червячков, живших в стеклянной пробирке в Париже, точно соответствовало подъему и спаду прилива в устье Сены.

Имени Жоржа Бона вы не встретите в биографических справочниках деятелей науки. И тем не менее он сделал удивительное открытие, которое почти на полстолетия предвосхитило одну из самых поразительных работ по ритмам у морских организмов.

Оставив Париж в конце июля 1903 года, Жорж Бон провел более месяца на берегах Ла-Манша возле устья Сены, наблюдая за поведением Convoluta roscoffensis (это маленький морской плоский червь, который живет в песке на морском берегу и имеет ярко-зеленую окраску, вызванную присутствием в его тканях симбиотических водорослей). Давайте отправимся в университетскую библиотеку и откроем том Трудов Парижской академии наук за 1903 год. Там на странице 756 мы увидим сообщение «О ритмических движениях Convoluta roscoffensis», выполненное Жоржем Боном и представленное Академии Эдмоном Перье.

Непосредственно за статьей Бона следует комментарий Перье:

Кратко суммируя результаты эксперимента, можно сказать, что Convoluta и в аквариуме и в природных условиях движется вертикально вверх и вниз в толще песка, а также горизонтально вдоль песчаных склонов. Эти движения носят колебательный характер; при этом значительные передвижения, происходящие синхронно с подъемом приливов, маскируют небольшие перемещения, вызываемые подсыханием песка или изменением интенсивности освещения.

Конечно, можно только удивляться, почему ни Бон, ни Перье не подчеркнули важности того факта, что эти зеленые червячки, находясь в Парижском аквариуме, точно реагировали на приливы и отливы в устье Сены, откуда они были привезены. Вполне возможно, что Бон в своих выводах что-то упустил. Во всяком случае, этот важный момент ускользнул от внимания обоих.

Вильгельм Пфеффер — основоположник физиологии растений

Полной противоположностью Жоржу Бону был известный немецкий ботаник Вильгельм Пфеффер. Этот удивительно трудолюбивый исследователь всю свою жизнь с двадцатилетнего возраста, когда он получил докторскую степень в Гёттингенском университете, и вплоть до своей смерти в 1920 году, в возрасте семидесяти пяти лет, регулярно публиковал свои научные сообщения. Выдвинутые им идеи настолько основополагающи, что ученые наших дней в своей работе с живым материалом — растениями и животными — или объектами, занимающими промежуточное положение между живой и неживой природой, опираются на его учение так же уверенно, как и на закон всемирного тяготения.

Как и Декандоль, Пфеффер наблюдал суточные движения листьев у растений. Для своих наблюдений Пфеффер избрал молодые растения фасоли, материал легко доступный и удобный для экспериментирования. Как и Декандоль, Пфеффер обнаружил, что листья растений сохраняют ритмику суточных движений и в том случае, если освещение и температура поддерживаются постоянными. Но в отличие от Декандоля наблюдения Пфеффера были более подробными и полными и, следовательно, результаты — более убедительными.

Однако все эти наблюдения представляются малозначительными по сравнению с открытиями, сделанными ученым к 1880 году. Во-первых, он обнаружил существование функциональной зависимости осмотического давления раствора от его концентрации — зависимости, которая и в настоящее время объясняет основы поведения всех живых клеток. Кроме того, Пфеффер сконструировал новый прибор, так называемый клиностат, который позволил изучать реакцию растений на земное притяжение. Но подробнее мы поговорим об этом ниже, а сейчас познакомимся с самим ученым и диапазоном его интересов и достижений.

Вильгельм Фредерик Филипп Пфеффер родился 9 марта 1845 года в Грабенштейне около Касселя. После защиты докторской диссертации по ботанике он получил должность профессора в Боннском университете. Затем преподавал ботанику поочередно в Базеле, Тюбингене и, наконец, в Лейпциге, где он возглавлял Ботанический институт. Пфеффер был почетным членом Лондонского королевского общества и членом Парижской академии. В возрасте 35 лет он закончил и опубликовал свой капитальный труд «Физиология растений».

Содержание этого многотомного труда хорошо показывает круг интересов Пфеффера. Определив общие задачи физиологии, он попытался описать структуру и функции органов растений, связь растительных клеток со структурой вещества, механизм поглощения и переноса веществ в организме растений, движение воды в виде жидкости и пара, питательные вещества растений (включая углекислый газ, органические и минеральные вещества, в особенности азот), «созидающий» и «разлагающий» обмен веществ, а также процессы дыхания и брожения.

Обратившись к вопросам роста и гибели растений, он рассмотрел механику роста, взаимосвязь роста с клеточным делением, упругость и прочность растительного организма, давление и напряжение в тканях, влияние на рост растений таких внешних факторов, как свет, температура, магнитные и электрические поля, сила тяжести и центробежная сила, химические и механические воздействия. Кроме того, он коснулся причин, определяющих специфическую форму растений в целом и их отдельных частей, проблем изменчивости и наследственности, периодичности роста, устойчивости к экстремальным воздействиям и смерти растительного организма. Далее он описал движения растений, влияние на них силы тяжести, солнечного света, температуры, химических веществ, воды и электрических полей. Пфеффер изучал способность растений к движению. Ему удалось выяснить, что они склонны перемещаться в сторону наиболее благоприятных условий питания и развития. И наконец, он рассмотрел образование растениями тепла, света и электричества. Этот раздел он завершил коротким выводом, касающимся источников и трансформации энергии в растениях. Словом, интересы его были всесторонни.

Среди этого множества идей два направления исследований Пфеффера наиболее тесно связаны с современным изучением ритмов у растений: изучение осмотического давления в клетках и действия силы тяжести на движения растений.

В поисках путей изучения действия силы тяжести Пфеффер предположил, что если растущее в горшке растение вместо обычного вертикального положения расположить горизонтально и с помощью механического привода вращать горшок вокруг горизонтальной оси, то действие силы тяжести будет аннулировано. «Когда молодое растение медленно и равномерно вращается с помощью клиностата таким образом, что каждый оборот совершается за 3–4 минуты, положение растения непрерывно меняется и действие силы тяжести не успевает проявиться, — писал Пфеффер. — Для большинства растений при скорости вращения 2–3 оборота в час действие центробежной силы не ощущается и ни стебель, ни корни не успевают изогнуться. Вращением на клиностате можно избежать и гелиотропического искривления (наклона в сторону солнца), вызываемого односторонним освещением. Таким образом, вращение растения вокруг горизонтальной оси под прямым углом к направлению освещения позволяет освободиться и от гелиотропического и от геотропического (искривление под действием силы тяжести) действий на организм».

Рис. 8. В клиностате Пфеффера движение осуществляется механизмом, прикрепленным к крышке (а) тяжелого ящика (б). Один из трех стержней на поверхности крышки соединен карданной передачей с осью (в), которая вращается на фрикционных колесиках (г). На пластинке, укрепленной на оси в, устанавливают горшок с растением (д). Крышка ящика наклоняется под разными углами, фиксируясь винтовым зажимом (е), так что горшок с растением можно вращать не только вокруг вертикальной, но и вокруг наклонной оси. В качестве противовеса для компенсации неправильностей в распределении вращающихся деталей используется регулируемый вес (ж).

Вращая сеянцы фасоли, Пфеффер обнаружил, что отсутствие действия силы тяжести вызывает изменения в положении листьев. Что это за изменения? Пфеффер попробовал вращать на клиностате растение, перевернутое вверх корнями, и сразу же заметил, что листья из нормального, дневного, положения «перешли в положение, напоминающее то, которое они принимают ночью».

Современному биологу ясно, что Пфеффер пытался посредством своего клиностата решить слишком много вопросов, так что полученные с помощью этого прибора результаты могут показаться недостаточно убедительными. И все же именно этот самый клиностат натолкнул ученых на эксперименты, поставленные, как мы увидим далее, в 1960 году на Южном полюсе.

Научный вклад Пфеффера в изучение влияния осмотического давления на функции живой клетки состоял в проведении исследований, которые можно назвать экспериментальными в самом современном смысле этого слова. Правильно спланированная программа исследований развивается от общего к частному. Например, биолог, интересующийся изучением зеленых червячков, с которыми работал Бон, начал бы с наблюдений за общим поведением популяции этих созданий, передвигающихся вниз и вверх в толще песка, затем перешел бы к изучению движений отдельного индивидуума, отдельной клетки такого индивидуума и, наконец, к биохимической природе составляющих клетки частей.

Пфеффер проложил путь для подобных исследований, занявшись изучением переноса химических веществ сквозь гибкие мембраны, выстилающие стенки клеток. В общем его представления сводились к следующему. Проникнет ли данное вещество внутрь клетки, зависит от характера клеточной стенки и гибких мембран. Клетка поглощает такое вещество до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Если же достигнутое равновесие постоянно нарушается, происходит непрерывное поглощение вещества. В этом случае относительно большие количества какого-то определенного вещества могут поглощаться даже из очень разбавленного раствора; при этом одно из веществ будет поглощаться в большом количестве, тогда как другое не будет поглощаться вовсе. Постоянное нарушение равновесия может иметь место в том случае, если поглощаемые вещества немедленно подвергаются химическим изменениям, переходя в растворимые или нерастворимые соединения другой природы.

Рис. 9. Горшок с Phaseolus multiflorus в перевернутом положении. У черешков первой пары листьев, фиксированных проволокой (а), изгибаться может только листовая подушечка у основания пластинки. Лист 1 принял дневное положение, а лист 2 показан так, как если бы он находился в ночном положении. Листочки трехлопастного листа 3, выполняя нормальные суточные движения, приняли дневное положение за счет искривления отделительного сочленения.

Рис. 10. Осмотическое давление в клетке кончика корешка кукурузы (увеличена в 250 раз), может достигать более 7 килограммов на квадратный сантиметр.

Но как же Пфефферу удавалось изучать действие клеточной мембраны при ограниченных возможностях лабораторного оборудования восьмидесятых годов прошлого века? Возьмем, к примеру, перенос веществ через клеточные мембраны корешков кукурузы. Размеры этих клеток настолько малы, что, даже увеличенные в 150 раз, едва достигнут одного сантиметра. Работать с таким мелким объектом с помощью доступных в то время методов было невозможно. И Пфефферу пришлось изобретать то, что наиболее близко могло бы имитировать мембрану клетки. В сущности, ему нужна была мембрана, проницаемая для мелких молекул, таких, как молекулы воды, и непроницаемая для молекул более крупных, как, например, молекулы сахара.

Может быть, подойдет ферроцианид меди, который использовал немецкий химик Траубе при изготовлении своих клеток — ячеек? Это вязкое коричневое вещество похоже на густой раствор желатина. В качестве механической опоры Пфеффер воспользовался сосудиками из необожженной пористой глины, которые «после максимально тщательного промывания» пропитывались раствором либо хлористой, либо уксуснокислой меди, затем промывались дистиллированной водой и подвешивались в растворе ферроцианида калия. Таким путем Пфеффер добивался образования исключительно тонкой пленки студенистого ферроцианида меди внутри пор глиняного сосуда. Наконец, сосудики многократно отмачивались в нескольких сменах дистиллированной воды для удаления всех следов не выпавших в осадок растворимых солей.

Оставалось узнать, действуют ли эти «мембраны» подобно мембранам живых клеток. Налив в один из сосудиков раствор сахара, ученый погрузил его в сосуд с дистиллированной водой. И вдруг, к своему неописуемому восторгу, он заметил, что уровень жидкости в сосудике начал медленно подниматься: втягивалась вода, находящаяся в нижнем сосуде. А как же сахар? Проходил ли он через мембрану вниз, в дистиллированную воду? Стала ли она сладкой? Трудно себе представить, чтобы Пфеффер не попробовал ее на вкус. Он не написал об этом. В любом случае за его первыми попытками последовала большая серия экспериментов, окончательно доказавших, что мембрана пропускает чистую воду, но препятствует прохождению сахара. Пфефферу удалось получить мембрану, которая работала, как мембрана живых клеток. При этом техника изготовления таких мембран была настолько простой, что он мог получать их в любом количестве.

Следующей задачей ученого было измерить силу, которая заставляет чистую воду проходить через мембрану в раствор сахара. Пришло время перейти от качественных наблюдений к количественным.

Для количественных измерений потребовалось всего лишь очень простое дополнение к его сосудам. Их отверстия он заткнул пробками, в которые предварительно вставил стеклянные трубки. Теперь вода, втягиваемая в сосуд, поднималась по трубке до тех пор, пока осмотическое давление раствора не компенсировалось весом столба жидкости в трубке.

Пфеффер провел целую серию экспериментов, постепенно увеличивая концентрацию сахара в исходных растворах и измеряя высоту, на которую поднимались растворы в стеклянных трубках. Оказалось, что, чем большей была концентрация сахара в исходном растворе, тем выше поднимался столб жидкости. На графике зависимости высоты столба жидкости от концентрации сахара в растворе точки, соответствующие результатам измерений, выстраивались в прямую линию. Так было окончательно доказано, что осмотическое давление раствора прямо пропорционально концентрации растворенного вещества. Современные ученые полагаются на это количественное соотношение в своей повседневной работе как на нечто само собой разумеющееся. Да и те, кто работает в наше время в области клеточной физиологии, понимают работу внутренних механизмов клетки значительно глубже, чем Пфеффер. Но, как сказал Исаак Ньютон: «Если я и видел дальше… то стоя на плечах гигантов».

Рис. 11. Простой прибор, очень похожий на тот, которым пользовался Вильгельм Пфеффер, чтобы измерить осмотическое давление в растворе сахара.

Космические указатели времени Сванте Аррениуса

В конце лета 1884 года профессор химии Рижского политехнического училища (в будущем известный физико-химик) Вильгельм Оствальд взошел на корабль, направлявшийся в Стокгольм. У него была диссертация молодого шведа по имени Сванте Аррениус, которую он считал блестящей. По его мнению, труд Аррениуса недооценили в Упсальском университете. Хотя Аррениусу и присудили докторскую степень (под аккомпанемент традиционного пушечного салюта), его работу классифицировали как труд «четвертого класса».

Идеи, выдвинутые Аррениусом, могли оказаться правильными, и их признание, несомненно, открывало для химии новые перспективы. Поэтому Оствальд не успокоился, пока не предстал перед Пером Клеве — директором Упсальской лаборатории, столь небрежно отвергнувшим новую теорию Аррениуса. Теория электролитической диссоциации (так называлась эта теория) впоследствии была восторженно принята всеми химиками мира и принесла Сванте Аррениусу Нобелевскую премию по химии.

Сущность теории электролитической диссоциации сводилась к тому, что неорганические вещества при растворении распадаются на ионы, то есть атомы, или группы атомов, несущие определенные электрические заряды: одни — положительные, другие — отрицательные. И в тех случаях, когда химическая реакция протекает в растворе, она идет только между этими ионами.

Если, например, взять столовую ложку обычной поваренной соли и растворить ее в воде, произойдет следующее:

Химический элемент натрий — это легкий белый металл. Он очень мягок (его можно резать даже тупым ножом). Натрий настолько бурно реагирует с водой, что не может сохраняться на открытом воздухе, если в нем присутствуют хотя бы следы водяного пара. Хлор представляет собой желто-зеленый ядовитый газ. Когда атомы этих двух элементов электрически заряжены и находятся вместе в водном растворе, мы имеем всего лишь обычную соленую воду. При этом ионы натрия и хлора способны быстро реагировать с другими ионами, добавляемыми в воду.

Представитель старой школы, Клеве, смотрел на Аррениуса как на молодого выскочку, считая безответственным его назначение доцентом в Упсале и подозревая, что эта новая теория граничит с помешательством.

Рис. 12. Сванте Аррениус, лауреат Нобелевской премии 1903 года по химии.

Карьера ученого, отважившегося бросить вызов укоренившимся идеям, началась весьма бурно. И последующие годы его деятельности также не были спокойными. Аррениус продолжал бороться, поддерживаемый, кроме Оствальда, еще несколькими химиками, в том числе голландским профессором Якобусом Вант-Гоффом, и спустя много лет победил. В 1903 году Аррениус был удостоен Нобелевской премии по химии, а вскоре после этого Берлинская академия наук пригласила его на должность профессора химии. Еще позже Шведская академия наук предложила Аррениусу пост директора Института физической химии в Стокгольме. Здесь, в прекрасно оборудованной лаборатории, Аррениус мог без помех работать над проблемами физической химии, биохимии, иммунохимии, метеорологии и космической физики.

Одной из увлекавших его проблем был вопрос о том, каким образом влияние космических факторов отражается на физиологическом состоянии растений, животных и человека. За разработку этой проблемы Аррениус взялся с присущей ему смелостью.

Он изучил данные о периодических вспышках бронхита, о периодичности рождений и смертей в разных частях земного шара, о периодичности менструаций у женщин. По мнению Аррениуса, период во всех этих случаях примерно соответствовал лунному месяцу. Были у него и данные, на основании которых можно было предположить периодичность приступов эпилепсии. Аррениус сравнил графики, которые отражали наибольшие и наименьшие частоты этих физиологических изменений с графиками изменений концентрации электрических зарядов в атмосфере и заключил, что между этими явлениями существует совершенно определенная зависимость.

Более того, он попробовал объяснить это. «Физиологическое воздействие атмосферного электричества, — писал он, — которое, как известно, оказывает влияние на растения, может влиять и на всю живую природу в целом. Высокая электрическая напряженность воздуха может вызывать химические реакции, которые оказывают влияние на организм, например, на репродуктивный цикл червей палоло и других животных. Вполне вероятно, что атмосферное электричество заметно сказывается на состоянии людей с расстроенной нервной системой».

Аррениус интересовался многими проблемами, предоставляя детальную разработку своих гипотез ученым с более методичным складом характера. Однако в течение полустолетия ничего не было сделано в отношении дальнейшей разработки проблемы влияния космических сил на периодичность у живых организмов[2].