Самоорганизация и неравновесные
процессы в физике, химии и биологии
 Мысли | Доклады | Самоорганизация 
  на первую страницу НОВОСТИ | ССЫЛКИ   

К.А. Тимирязев. Лекция II. Клеточка
от 19.06.07
  
Доклады


Наиболее выдающаяся черта в жизни растения заключается в том, что оно растет; на это указывает самое название его. Анализируя явление роста, убеждаемся, что оно состоит в размножении клеточек. Вникая еще глубже в сущность этого явления, убеждаемся, что оно состоит в появлении, в накоплении вещества там, где его прежде не было. Мы бросаем в землю жолудь, - вырастает дуб; бросаем невидимую пылинку, спору, - вырастает древесный папоротник. Естественно возникает вопрос: откуда взялось это вещество?

Наиболее выдающаяся черта в жизни растения заключается в том, что оно растет; на это указывает самое название его. Анализируя явление роста, убеждаемся, что оно состоит в размножении клеточек. Вникая еще глубже в сущность этого явления, убеждаемся, что оно состоит в появлении, в накоплении вещества там, где его прежде не было. Мы бросаем в землю жолудь, - вырастает дуб; бросаем невидимую пылинку, спору, - вырастает древесный папоротник. Естественно возникает вопрос: откуда взялось это вещество? Но этот вопрос, очевидно, уже предполагает в нас убеждение, что вещество не может ни образовываться вновь, ни исчезнуть. Этот закон неисчезаемости или сохранения материи действительно лежит в основе всех наших научных представлений о природе. Древние допускали, что ex nihilo nil fit (из ничего ничего не происходит), но они, конечно, затруднились бы доказать это положение на опыте, если бы им пришлось, например, доказать, что сгоревшее вещество не превратилось в ничто, или решить, откуда взялось вещество растения. Только долгим, кропотливым путем опыта можно было оправдать закон сохранения материи в применении к явлениям растительной жизни. Долго были убеждены, да и в настоящее время люди, незнакомые с приобретениями науки, еще убеждены, что вещество растения берется из земли. Между тем несостоятельность этого взгляда уже доказана на опыте почти триста лет тому назад. Ван-Гельмонт, один из предвестников эры научного естествознания, один из тех светлых и смелых умов, которые, несмотря на опутывавшие их сети схоластической метафизики, пролагали путь для положительной науки, мистик и в то же время гениальный экспериментатор, - Ван-Гельмонт сделал первый точный опыт, клонившийся к разрешению вопроса, откуда берется вещество растения. Опыт этот замечателен не только как первый точный опыт в области физиологии растений, но и как один из первых случаев применения весов к разрешению химического вопроса, так как известно, что Ван-Гельмонту химия обязана первым применением инструмента, сделавшего впоследствии в руках Лавуазье переворот в этой науке. Опишем опыт собственными словами Ван-Гельмонта: Я насыпал, - говорит он, - в глиняный сосуд двести фунтов земли, высушенной в печи, и посадил в нее ивовую ветвь, весившую пять фунтов. По прошествии пяти лет выросшая ива весила сто шестьдесят девять фунтов и три унции. Сосуд поливался, когда оказывался нужным, всегда дождевой или перегнанной водой. Сосуд был широк и зарыт в землю, а для того, чтобы предохранить его от пыли, я его закрыл жестяным листом с большим числом отверстий...Я не взвешивал листьев, которые потеряло растение в четыре предшествовавшие осени...Наконец, я вновь высушил землю и нашел, что она весила те же двести фунтов без двух унций. Значит, одной воды было достаточно, чтобы образовать сто шестьдесят четыре фунта древесины, коры и корней (Orius medicinae, p. 109). Этот опыт, несомненно, доказывал, что в земле, в почве, нельзя видеть исключительного и даже главного источника растительного вещества. Ван-Гельмонт видел этот источник в воде, который он поливал растение, но в настоящее время мы знаем, что в образовании растения участвуют не только земля и вода, но и воздух. Тем не менее вывод Ван-Гельмонта был совершенно верен для его времени: до него наука не обладала никакими определенными понятиями о третьей, т.е. газообразной, форме вещества; ему наука обязана первыми своими сведениями о газах и даже самым словом газ. Только в конце прошлого столетия. С развитием так называемой пневматической химии, т.е. химии газов, происхождение вещества растения могло вполне выясниться и действительно выяснилось, благодаря исследованием трех ученых: Пристли, Ингенгуза и Сенебье.
Для того, чтобы узнать, какими своими составными частями эта троякая среда - земля, вода и воздух - участвуют в образовании растения, нам необходимо узнать состав самого растения. Химия со времен Лавуазье учит нас, что вещество не только не создается, но даже в известном смысле не изменяется, что существует известное число так называемых простых тел, или элементов, неспособных взаимно превращаться. Следовательно, когда мы находим в растении какое-нибудь простое тело. Мы озираемся кругом. Мы ищем его в окружающей среде, зная, что оно должно проникнуть из нее, а не могло ни создаться в растении, ни образоваться в нем из другого простого тела.
Далеко не все химические элементы встречаются в растении, и даже из тех, которые встречаются, мы упоминаем только о главнейших, играющих выдающуюся роль в жизни растения. Для того, чтобы получить понятие о химическом составе растения, мы подвергнем его действию высокой температуры. Прежде всего улетит вода, и при температуре немного выше 100 градусов мы получим так называемое сухое вещество растения. Это - первый шаг в нашем анализе. Он убеждает нас, что различные части растения содержат воду в весьма различных количествах. Нагревая еще сильнее, мы заметим, что сухое растительное вещество начнет буреть, чернеть, обугливаться, наконец, начнет тлеть и гореть пламенем, и в результате получиться небольшая, в сравнении со взятым веществом, кучка обыкновенной белой золы. Большая часть вещества, следовательно, сгорела и улетучилась. Произведя это сжигание с известными предосторожностями, улавливая улетающие газы, мы убеждаемся, что эта сгоревшая часть растительного вещества состоит из четырех простых тел: твердого углерода и трех газов: кислорода, водорода и азота. Эта горючая составная часть, всегда содержащая углерод, что и видно по ее обугливанию перед горением, называется органическим веществом растения. Органическим оно называется потому, что из него состоят все организмы. Прежде даже полагали, что оно может образоваться только в живых телах, в организмах, что искусственно, в лаборатории, можно получать только менее сложные по составу тела, из которых состоит мертвая, неорганическая природа. Но это убеждение поколеблено успехами современной органической химии; в настоящее время химик уже в состоянии приготовлять множества тел, образование которых считалось тайной живого организма. Не все означенные вещества содержат все четыре элемента; некоторые состоят только из трех - углерода, водорода и кислорода, или из двух - углерода и водорода. Притом же эти элементы в различных соединены в весьма различных отношениях, и потому понятно, что в различных растениях или в неодинаковых частях того же растения и элементы будут соединены в различных количественных отношениях. Тем не менее, если мы воспользуемся многочисленными анализами разнообразных растений и их отдельных частей и выведем из этих анализов общую среднюю. То можем составить себе понятие о примерном среднем элементарном составе растения. В ста весовых частях сухого растительного вещества заключается средним числом:
45.0 процента углерода
6.5 - водорода
1.5 - азота
42.0 - кислорода
5.0 - золы
Эта таблица дает нам наглядное представление о том, в каком отношении твердые и газообразные элементарные вещества должны между собой соединяться. Чтобы образовать известное количество растительного вещества. Если от горючей органической части растения мы перейдем к золе, то увидим, что в ее состав входит более значительное число элементов. Сделаем здесь только перечень главнейших из них, так как ближе с ними познакомится нам придется в четвертой лекции.
Органические вещества: Золы
Углерод: Сера - Калий
Водород:  Фосфор - Магний
Кислород: Хлор - Кальций
Азот: Кремний - Железо
Первые четыре элемента золы образуют кислоты, а эти кислоты с четырьмя металлами, приведенными во втором столбце, образуют соли.
Зная, из каких элементов состоит растение, зная, что элементы неспособны взаимно превращаться, мы теперь можем вперед сказать, откуда, из каких источников могут взяться эти вещества.
В воздухе, в атмосфере, растение встречает свободный кислород и азот, небольшие количества углекислоты, газа, состоящего из углерода и кислорода, и еще очень малые количества соединений азота с кислородом и водородом. В почве, кроме всех этих веществ, оно встречает и другие тела, которые по своей летучести не могут находиться в воздухе, - это будут именно соли, содержащие остальные элементы растения. Часть этих солей будет растворена в почвенной воде, следовательно, будет составлять жидкую среду растения, другая же часть будет находиться в твердой форме.
До сих пор мы только узнали, из каких элементов состоит вещество растения, или, вернее, мы узнали, на какие элементы мы можем разложить это вещество, и для этого мы должны были его разрушать, сжигать его. Но из чего, из каких веществ, из каких соединений элементов состоит растение при жизни, этого, конечно, элементарный анализ нам не дает. Для этого мы должны избрать иной путь и прежде всего, как мы уже сказали, должны заглянуть в клеточку, в эту микроскопическую лабораторию, в которой вырабатываются все разнородные вещества, производимые растением. Увидеть клеточку немудрено, - все части растений состоят из них; но увидеть ее живую, нисколько не поврежденную, удобно только на таких частях, которые состоят из одной клеточки или одного ряда клеточек; таковы, например, волоски. Многим, конечно, известно, если не по названию, то по виду, растение, очень нередкое в комнатной и тепличной культуре, с длинными, узкими, сочными листьями и фиолетовыми цветами о трех лепестках. Это - Tradescantia (фиг. 15А). Тычинки этого цветка отличаются мохнатыми, фиолетовыми же, нитями (фиг. 15B). Эта мохнатость зависит от множества волосков, а каждый волосок состоит из одного ряда четками расположенных клеточек округлой или вытянутой, эллиптической формы. Стоит отделить иглой одну такую нить и положить под микроскоп, на верхушке нити будут более молодые, почти округлые, при основании - более старые, вытянутые клеточки (фиг. 15С).
В каждой такой клеточке мы прежде всего отличаем две части: ее оболочку, тонкую и совершенно прозрачную, позволяющую видеть все, что находится внутри клеточки, и содержимое клеток. Первоначально вся полость клеточек наполнена однообразной густой массой, так называемой протоплазмой, с погруженным в нее округлым телом, ядром, о котором речь впереди. Позднее в этой полужидкой протоплазме появляются как бы глазки или ноздринки, наполненные жидкостью и напоминающие, например, подобные ноздринки в сыре. Таким образом, содержимое распадается уже на две части: протоплазму и водяной клеточный сок, и становится более и более губчатым или пенистым. Еще позднее отношение между протоплазмой и соком изменяется в пользу последнего; содержание протоплазмы относительно уменьшается, а сока - увеличивается. Наконец. Почти вся полость клеточки оказывается наполненной водянистой жидкостью, а протоплазма сохраняется только в виде слоя, устилающего совнутри стенку клеточки, или перекидывается сетчатыми струйками со стенки к стенке. У традесканции это разделение содержимого заметно особенно ясно. Потому что сок окрашен в фиолетовый цвет, а протоплазма бесцветна. Кроме этих двух веществ, протоплазмы и сока, в полости клеточек нередко замечаем и другого рода вещества: маленькие блестящие капли с жирным блеском или округлые бесцветные крупинки, со свойством которых мы ближе ознакомимся впоследствии. В позднейшем возрасте клеточки нередко все ее содержимое исчезает, и полость наполняется воздухом. Такую клеточку, представляющую только один ее остов, или скелет, мы должны считать мертвой; из таких мертвых клеточек состоит, например. сухая, не содержащая соков часть дерева. Таким образом, в живой, деятельной клеточке микроскоп обнаруживает следующие вещества: стенку, протоплазму, сок и нередко другие вещества в виде капелек и крупинок.
Ограничиваясь пока этой услугой микроскопа, вернемся снова к пособию химии, к ее реактивам и весам. Но на этот раз остановимся ранее на нашем анализе, не будем вести его до конца. До элементов, а постараемся только разделить различные вещества, входящие в состав растения, не разрушая их, а получая их таковыми же, каковы они в растении. Познакомимся, одним словом, с так называемыми ближайшими составными частями растений - ближайшими в отличие от конечных его составных начал, т.е. элементов.
Понятно, что здесь не может быть и речи о знакомстве со всеми бесчисленными веществами, которые производит растительный мир, - со всем тем. Что мы встречаем в лабазе и в аптеке, у столяра и у кондитера, в прядильне и в красильне. Мы ограничимся лишь самыми распространенными телами или, вернее, группами тел, без знакомства с которыми невозможно понимание растительной жизни.
Выберем для образца какой-нибудь растительный орган, например, хлебные зерна. Возьмем их в измельченном виде, в виде муки. Как мы сейчас убедимся, мука представит нам смесь разнородных тел. Для того, чтобы разделить их, приготовим небольшой комок теста и будем долго его промывать водой, разминая и перетирая руками. Сначала вода будет стекать молочно-белой, но потом станет совершенно прозрачной. Когда это будет достигнуто, у нас в руках очутится уже не тесто, а комок вещества серовато-белого цвета, липкого и тягучего, как резина или кожа. Эта так называемая клейковина, та составная часть муки, которая сообщает тесту его вязкость. Если с другой стороны, мы оставим отстояться сбежавшую при промывке воду, то увидим, что она вскоре совершенно просветлеет и на дне стакана окажется тончайший, нежный наощупь, белый осадок. Это - крахмал, т.е. то всем знакомое вещество, которое употребляется для отделки белья и под названием картофельной муки почти в чистом виде идет на кисели и т.п. Таким образом, одной промывкой мы разложили муку на две составных части: клейковину и крахмал. Если бы мы еще прежде настояли муку в эфире, слили этот эфир и дали ему улетучится в открытой чашке, то на дне ее получили бы остаток маслянистого вида. Следовательно, мука и хлебное зерно, состоят, главным образом, из трех веществ: клейковины, крахмала и масла.
Описанные приемы разделения этих веществ могут служить хотя грубым, но наглядным примером того, что мы называем ближайшим анализом. При этом анализе мы стараемся разделять тела, по возможности не изменяя их, а пользуясь их свойствами растворяться или не растворяться, улетучиваться, кристаллизоваться и пр. Полученные три тела: крахмал, клейковина и жир, могут в то же время служить представителями трех наиболее важных и распространенных групп растительных веществ.
Группы эти - так называемые углеводы, белковые вещества и масла; остальные вещества встречаются обыкновенно или в сравнительно малых количествах, или в исключительных органах или растениях и, следовательно, не влияют на общие явления растительной жизни. Вот таблица, в которой сопоставлены анализы ближайших составных начал нескольких наиболее различных  растительных продуктов; анализы эти вполне подкрепляют только что высказанное положение, что главная масса растения состоит из перечисленных трех групп веществ.
Группы: Клевера(растения) Пшеницы(муки) Лупина (семян) Льна (семян)        
Углеводов   16.6   74.8   45.5   26.2
Белков. Вещ. 3.7   11.8   34.5   20.5    
Масла             0.8   1.2     6.0     37.0
Золы               1.7   0.7    3.5       5.0  
Воды              78.0  12.6   14.5   12.3
Группа углеводов получила это название потому, что водород и кислород встречаются в них в том же отношении, в каком они находятся в воде; а так как здесь содержится еще углерод, то углеводы состоят как бы из угля и воды. К этой группе углеводов относятся следующие вещества: сахар, обыкновенный тростниковый или свекловичный, а также виноградный, или глюкоза, встречающийся в старом изюме; камедь, примером которой может служить вишневый клей, вытекающий из стеблей вишневого дерева, крахмал и, наконец, клетчатка, т.е. то вещество, которое образует твердый остов растения, стенки его клеточек, и которое мы употребляем в наших бумажных и льняных тканях и в писчей бумаге. Группу углеводов иногда называют сахаристыми веществами, потому что некоторые из ее представителей, как мы видели, действительно настоящий сахар, другие же легко могут быть превращены в сахар. Так, например, действуя на крахмал слабой серной кислотой, приготовляют картофельную патоку; действуя той же кислотой на клетчатку, ее также можно превратить в сахар; этим путем, как известно, можно превратить в сахар старое тряпье. Описанные тела представляют нам как бы последовательный ряд; сахар и глюкоза легко растворяются в воде и способны кристаллизироваться; камедь, как, например, вишневый клей, растворяется в воде, образуя густую тягучую жидкость, но не способна кристаллизироваться; крахмал не растворяется в холодной воде, а в горячей сильно разбухает, образуя клейстер; наконец, клетчатка не растворяется и не разбухает ни в холодной, ни в горячей воде.
Посмотрим теперь, каким образом мы можем узнавать присутствие хотя главных из этих веществ. Все они бесцветны, но мы обладаем средствами вызывать в них известные характеристические окрашивания. В бесцветной жидкости, находящейся в этом стакане, растворено немного виноградного сахара, в другом стакане находится яркосиняя жидкость; я приливая в эту синюю жидкость бесцветный раствор из первого стакана и слегка подогреваю; она начинает мутиться, принимает грязно-зеленоватый цвет, образуется осадок, - сначала желтый, бурый, потом яркокрасный; он падает на дно, а жидкость становится бесцветной. Следовательно, виноградный сахар способен вызывать в нашей синей жидкости красный осадок, или наоборот, эта синяя жидкость (так называемый реактив Фелинга) способна обнаруживать, вследствие перемены в своем цвете, присутствие виноградного сахара. Эта реакция так чувствительна, что может обнаруживать в растворе малейшую часть этого сахара. Значит, в Фелинговой жидкости мы имеем драгоценное средство, дозволяющее обнаруживать присутствие ничтожных количеств виноградного сахара. Такое же средство для обнаружения присутствия крахмала имеем в растворе иода. Я беру большой стакан воды, прибавляю в него несколько капель крахмального кдейстера и размешиваю. В этой воде, таким образом, находятся малейшие следы крахмала. Прибавляю в нее несколько капель желтого раствора иода, и вся жидкость в стакане мгновенно окрашивается в лазуревый цвет. Точно также, если я, например, смочу каплей иодного раствора кусок теста или белого хлеба, то на них появляются темносинее, почти черное пятно, потому что и в том и другом содержится крахмал; но если я смочу тем же раствором иода кусок клейковины, то уже не получу черного пятна, потому что весь крахмал был вымыт водой. Следовательно, иод окрашивает бесцветный крахмал в синий цвет, он служит нам показателем или реактивом на крахмал. Остается найти средство для подобного же обнаружения клетчатки. Иод сам со себе не вызовет в ней синего окрашивания, но иод с хлористым цинком окрашивает ее в синий цвет. Мне стоит уронить каплю этого раствора на лист белой бумаги, состоящей, как нам известно, из клетчатки, и на нем появляется синее пятно. Таковы наши реактивы, наши средства узнавать самые распространенные углеводы: виноградный сахар, крахмал и клетчатку.
Переходим к другой группе - к белковым веществам. Белковыми они называются потому, что типом, представителем им может служить белок куриного яйца. Эти белковые вещества встречаются или растворенными, как например, в соке, выжатом из капусты, или нерастворимыми, как, например, клейковина, которую мы только что получили из пшеничного зерна. Но стоит нам только нагреть капустный сок, - и в нем появятся белые хлопья: белок свернулся точно так же, как он свертывается при варке яиц. Химия предлагает нам целый ряд реактивов, при помощи которых мы можем узнать присутствие белковых веществ. Остановимся на одном, если не на самом надежном, то на самом наглядном. Имея в стакане немного куриного белка, разведенного водой, я прибавляю туда обыкновенного сахарного сиропа и крепкой серной кислоты, - образуется осадок, который вновь растворяется, и вся жидкость окрашивается постепенно в превосходный малиновый цвет. В сахаре с серной кислотой мы, следовательно, имеем средство узнавать белковое вещество.
Остается третья группа: масла или жиры. Для них мы не имеем таких препаратов и наглядных реактивов, которые вызывали бы характеристическое окрашивание, но зато, как мы видели, стоит только вещество, в котором предполагаем присутствие масла или жира, обработать эфиром, - эфир извлечет, растворяет их, - и затем, оставляя этот раствор постоять на воздухе, испарив эфир, мы получим масло или жир с их характерными свойствами.
Все описанные реакции мы можем теперь применить под микроскопом непосредственно над клеточкой. Попробуем прибавить к воде, в которой мы рассматриваем клеточку, сахару и серной кислоты, и мы увидим, что протоплазма окрасится в розовый цвет, - доказательство, что она состоит, главным образом, из белковых веществ. Подействуем реактивом Фелинга, и, если в соке клеточек есть виноградный сахар, получим красный осадок. Прибавим каплю иода и заметим, что мелкие бесцветные крупинки в полости клетки окрасятся в синий цвет: это крахмал. Берем раствор иода в хлористом цинке, вся стенка клеточки окрашивается в синий цвет, значит она состоит из клетчатки. Приливаем, наконец, эфира и замечаем, что те капельки, которые обратили на себя внимание своим жирным блеском, исчезли, растворились; очевидно, что это - капля масла. Таким образом, химический анализ и микроскопическое исследование идут рука об руку и взаимно пополняются. Анализ (см. последнюю таблицу) показывает, что эти углеводы образуют оболочку клеточек, что они являются в виде крупинок крахмала или растворены в соке клеточек в виде сахара. Анализ показывает, что второе по количеству место принадлежит белковым веществам и что притом молодые части растения относительно богаче азотистыми веществами, чем части старые; микроскоп обнаруживает, что протоплазма состоит, главным образом, из белковых веществ, содержащих азот, и что эта протоплазма преобладает в молодых клеточках. Наконец, и микроскоп и анализ указывают на присутствие в растении и в клеточке маслянистых веществ.
...

  


СТАТИСТИКА