Газы и жизнь

Классификация животных и растений и происшедшие к этому времени коренные изменения в области химии, в частности усовершенствование методики, дали толчок развитию нового, чрезвычайно перспективного направления биологии — исследованиям на живых организмах. Особенно наглядно это видно на ранних этапах изучения относительно доступной для экспериментов функции живого организма — процесса пищеварения.

В XVII в. существовали серьезные разногласия по поводу того, является ли пищеварение физическим процессом измельчения пищи в желудке, как утверждал Борелли, или химическим процессом, происходящим под действием желудочного сока, как предполагал Сильвий.

Французский естествоиспытатель Рене Антуан Реомюр (1683–1757) нашел пути разрешения этого вопроса. Он поместил мясо в маленький металлический цилиндр, закрытый с обеих сторон металлической сеткой, и заставил ястреба проглотить его. Цилиндр защищал мясо от механического перетирания, а сетка не препятствовала проникновению желудочного сока. Ястребы обычно отрыгивают неперевариваемые остатки пищи, и, когда ястреб Реомюра отрыгнул цилиндр, мясо внутри него оказалось частично переваренным. Реомюр проделал другой опыт — он поместил в цилиндр губку. Желудочный сок, которым пропиталась губка, выжали и смешали с мясом. Мясо постепенно растворилось. Вывод был один: пищеварение — химический процесс. Так была окончательно доказана роль химии в жизненных процессах.

Изучение газов, начатое Ван-Гельмонтом, в XVIII в. стало увлекательной областью для исследований. Возникла необходимость установить роль различных газов в жизни организмов. В 1727 г. увидела свет книга одного из первых приверженцев экспериментального направления в биологии английского ботаника и химика Стивена Гейлса (1677–1761), в которой описывались опыты по измерению темпа роста растений и давления соков. Практически Гейлса можно считать основателем физиологии растений. Экспериментируя с различными газами, Гейлс впервые установил, что один из них (углекислота — CO₂) каким-то образом участвует в питании растений. Этим самым он изменил представление, что ткани растений образуются только из воды, как утверждал Ван-Гельмонт. Следующий шаг сделал полвека спустя английский химик Джозеф Пристли (1733–1804). В 1774 г. он открыл кислород. Ученый обнаружил, что этим газом приятно дышать, что он повышает активность животных и что растения обладают способностью увеличивать содержание кислорода в воздухе. Голландский врач и естествоиспытатель Ян Ингенхауз (1730–1799) установил, что процесс потребления растением углекислого газа и образования кислорода происходит только на свету.

Величайший химик века француз Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) показал огромное значение точных измерений в химии и использовал их для обоснования теории горения — химического соединения горючего вещества с кислородом воздуха. Эта теория с тех пор была признана единственно правильной. Лавуазье обнаружил также, что в воздухе наряду с кислородом содержится азот — газ, который не поддерживает горения.

«Новую химию» Лавуазье попробовали применить к живым организмам. Горящая свеча, потребляя кислород и выделяя углекислый газ, который образуется путем соединения углерода свечи с кислородом воздуха, гаснет под стеклянным колпаком, когда весь или почти весь кислород под ним израсходован; в тех же условиях мышь задыхается и гибнет, потребляя кислород и выделяя углекислый газ (последний получается в результате соединения углерода в тканях мыши с кислородом воздуха). Итак, растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, в то время как животные поглощают кислород, а выделяют углекислый газ. Таким образом поддерживается химический баланс земной атмосферы, содержащей 21 % кислорода и 0,03 % углекислого газа.

На основе этих фактов Лавуазье предположил, что дыхание представляет собой форму горения. Кроме того, в опытах Лавуазье свеча и мышь, потребляя определенное количество кислорода, выделяли соответствующее количество тепла. Техника измерений в этих опытах позволяла получить лишь приближенные результаты, но все же они подтверждали взгляды Лавуазье.

Это сильно укрепляло материалистическую концепцию жизни, так как показывало, что в живом и в неживом протекает один и тот же химический процесс, следовательно, управляют ими одни и те же законы.

С развитием физики в первой половине XIX в. точка зрения Лавуазье получает мощную поддержку. В эти десятилетия в связи с изобретением паровой машины внимание ученых привлекает теплота, которая оказалась способной производить работу, и другие явления, такие, как падение тел, движение воды и воздуха, свет, электричество, магнетизм и т. д.

В 1807 г. английский физик и врач Томас Юнг (1773–1829) предложил для обозначения явления, в результате которого происходит работа, термин «энергия» (в переводе с греческого — внутренняя работа). Физики начала XIX в. изучали процесс перехода одной формы энергии в другую и производили измерения этих изменений со все большей точностью. К 40-м годам XIX в. по крайней мере трое ученых — англичанин Джемс Прескотт Джоуль (1818–1889) и немцы Юлиус Роберт Майер (1814–1878) и Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821–1894) — открыли закон сохранения и превращения энергии, согласно которому один вид энергии может переходить в другой, но общее ее количество при этом не уменьшается и не увеличивается.

Казалось естественным применить этот закон, основанный на множестве скрупулезных измерений, и к процессам в живой природе. Тот факт, что животное не может существовать, не получая постоянно энергию из пищи, сам по себе показывает, что жизненные процессы не создают энергии из ничего. Растения не потребляют пищу и не дышат так, как животные, но, с другой стороны, они не могут существовать без периодически получаемой световой энергии.

Майер утверждал, что источником различных форм энергии на Земле являются световое излучение и тепло, идущие от Солнца. Это и есть источник энергии для растений, а через них и для животных (включая, конечно, и человека).

Применимость закона сохранения энергии как к неживой, так и к живой природе была полностью подтверждена только во второй половине XIX в.