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.
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.