Биологична теория на ферментацията

В средата на деветнадесети век химическата теория за ферментацията е широко разпространена. Например Щал твърди, че разлагащите се вещества могат да предадат това състояние на друго вещество, което в момента не се разлага. Гниенето се придружава от движение, а способността да се предизвиква гниене е свързано с прехвърлянето на движението върху тялото в покой. Ензимите също са в движение и способността им да предизвикват ферментация е свързана с предаването на движението.

Изтъкнатите химици от онова време Либих и Берцелиус развиват тази гледна точка. Берцелиус не вижда фундаментална разлика между различните видове ферментация и гниене – всички те са различни етапи от един и същи процес. Ферментацията е възможна само при две условия: средата трябва да съдържа глутен или друга азотна органична материя и ферментиралата течност, съдържаща глутен, трябва да бъде изложена на атмосферен кислород. В този случай на дъното на съда се образува неразтворима утайка, способна да предизвика нова ферментация. Либих свързва всички процеси на ферментация с разлагането и гниенето на органични вещества, като последните, подложени на гниене, се превръщат в ензими и вече могат да причинят ферментация на негниещи вещества, като захар.

Когато разлагащите се вещества влязат в контакт с ферментируемите, последните се разпадат на частици. Либих не отрича, че за ферментацията на захарта са необходими дрожди, но не непременно живи, тъй като умиращите и гниещи дрожди причиняват ферментацията, както всяко гниещо вещество.

Такива в най-общи линии са основите на химическата теория за ферментацията, докато френският учен Пастьор не започва своите изследвания върху ферментацията.

Луи Пастьор (1822-1895) е роден във френския град Дол. Луис израства в голямо приятелско семейство. Въпреки лошото здраве и липсата на средства, Пастьоруспешно завършва обучението си, първо в колеж в Арбоа, а след това в Безансон. След като завършва тук бакалавърска степен, през 1843 г. постъпва във Висшето нормално училище, което подготвя учители за гимназии.

След като завършва училище през 1847 г., Пастьор издържа изпитите за званието асистент по физически науки. И година по-късно защитава докторска дисертация. Тогава Пастьор още не е навършил 26 години, но вече е придобил известност с изследванията си в областта на кристалната структура. Младият учен даде отговор на въпрос, който оставаше неразрешен пред него, въпреки усилията на много водещи учени. Той откри причината за неравномерното въздействие на лъча поляризирана светлина върху кристалите на органичните вещества. Това изключително откритие по-късно доведе до появата на стереохимията - науката за пространственото разположение на атомите в молекулите.

Също през 1848 г. Пастьор става доцент по физика в Дижон. Три месеца по-късно той заема нова длъжност като доцент по химия в Страсбург. Пастьор участва активно в революцията от 1848 г. и дори се присъединява към Националната гвардия.

През 1854 г. Пастьор е назначен за декан на новоорганизирания Факултет по физика и математика в университета в Лил. Този регион на Франция е известен със своята захарна и ферментационна промишленост. Собствениците на местни фабрики многократно са се обръщали към Пастор с молба да помогне за рационализиране на производството, подобряването му, ръководено от най-новите постижения на науката. Запознавайки се с работата на фабриките, Пастьор не може да не стигне до извода, че съвременните научни познания в тази област са повече от скромни и това го подтиква да започне да изучава ферментациите.

„Пастьор проведе всичките си изследвания върху ферментациите, за да разбере до каква степен неговите собствени експериментални данни могат да потвърдят или опровергаятхимическата теория на ферментацията, пише в работата си за учения А.А. Имшенецки. Резултатите от неговите експерименти могат да бъдат обобщени по следния начин.

1. За настъпването на ферментацията въздухът, противно на мнението на привържениците на химическата теория на ферментацията, не е необходим. Млечнокиселата ферментация протича без достъп на въздух по същия начин като алкохола.Това ни позволява да дадем общата формула "ферментацията е живот без кислород". За обосноваване на тази теза от изключително значение е откритието на Пастор за маслената ферментация, предизвикана от строго анаеробни бактерии, които не само не се нуждаят от кислород, но последният им действа като отрова. Преди това откритие се смяташе, че животът без кислород е невъзможен и не беше съвпадение, че Гей-Люсак свързва устойчивостта на продуктите в консервите Apper към гниене с липсата на кислород в консервите. Откритието на анаеробиозата срещна силни възражения от страна на Брефелд и други учени, но се оказа толкова убедително, че скоро беше признато от всички.

2. Всяка ферментация се причинява от определен патоген. Пастьор пръв установява, че млечнокиселата ферментация е свързана с развитието на микроби, които се различават по своята морфология от дрождите. Маслената киселина се образува в резултат на жизнената дейност на специален вид микроби. Оцетнокиселата и алкохолната ферментация, както и карбамидната ферментация имат своите патогени. Няма нищо изненадващо във факта, че Пастьор, въз основа на текущото състояние на таксономията на нисшите растителни организми, не винаги е давал правилните имена на организмите, които е описал. Така той приписва масленокисели бактерии на представители на животинския свят, обозначава оцетнокисели бактерии като Mycoderma и т.н. Всичко това не променя основното заключение - различните ферментации се причиняват от различни микроби.

3. Ферментацията е свързана с живота на микробите, стяхното размножаване, а не със смърт и разлагане, както вярваха привържениците на химическата теория на ферментацията.Теглото на микробите по време на ферментацията непрекъснато нараства и ферментиралите от тях вещества се използват и от дрождите за изграждане на тялото им.

4. За ферментацията изобщо не е необходимо наличието на частици протеинови вещества (глутен) в средата, които според привържениците на химическата теория се задействат и, прехвърляйки ги на други частици, по този начин причиняват ферментация или гниене. Ферментацията на захарта с образуването на алкохол или млечна киселина може да се случи в среда, която изобщо не съдържа протеин, но има неорганично съединение като единствен източник на азот, например амониев сулфат.

Резултатите от експерименталните изследвания на Пастьор нанасят решителен удар на теорията на Либих. Неговите привърженици вече не могат да обяснят ферментацията с предаването на движението на частиците и да я свързват със смъртта, с разлагането на гниещи вещества.

Но още в самото начало на шейсетте години Бертло директно изрази идеята, че такава ограничена биологична гледна точка не трябва да задоволява физиолог, а още повече химик.Въз основа на термохимични данни Бертло твърди, че ферментацията и жизнената дейност на клетките на дрождите не са свързани помежду си, тъй като за синтеза на живата субстанция на дрождите няма нужда от приток на енергия отвън.

Развитието на биохимията и ферментологията все повече подтиква видни учени да се връщат към идеите на Бертло. Постепенно броят на откритите "разтворими ензими", т.е. ензими, се увеличава и става възможно да се извършва безклетъчна хидролиза на ди- и полизахариди, разграждане на протеини и различни окислителни процеси. Всичко това доведе до факта, че К.А. Тимирязев в лекция през 1895 г. заявява: „. Бертло, спорейки с Пастьор, посочи товавъзгледът за ферментацията като химичен процес, лежащ в основата на физиологичния феномен, наблюдаван от Пастьор - че този възглед произтича от неизбежния исторически ход на развитие на всички науки и по-специално на физиологията, според който сложните явления се свеждат до прости и, следователно, физиологичните - до физични и химични. И както виждаме, историята вече оправдава верността на това позоваване на нея от Бертло .. "

Трябва да се каже, че Пастьор никога не е отричал участието на ензими във ферментацията. Да, би било нелогично, тъй като, бидейки химик, той не можеше да си представи превръщането на една молекула в алкохол без верига от химични реакции, които протичат вътре в клетката: „. Ще добавя, че за мен винаги е било загадка на какво основание се смята, че бих се чувствал неудобно, ако бъде направено откритието за разтворими ензими във ферментацията или ако превръщането на захарта в алкохол бъде доказано независимо от жизнената активност на клетката.

Няма съмнение, че изследването на безклетъчната ферментация, изследванията със сок от дрожди и други препарати са дали много стойност. Именно те направиха възможно установяването на тази схема на ферментация, по-специално алкохол, която беше включена във всички ръководства и сега е общопризната. „Но всички тези изследвания отговарят на въпроса „как“ се случва този процес“, отбелязва A.A. Имшенецки, но те не отговарят на въпроса „защо" стана възможно това хармонично, това изключително сложно функциониране на ензимите вътре в клетката на дрождите и „защо" възникнаха определени процеси на ферментация.Това е само детайлизиране на основната идея, която Пастьор развива тогава, а не противопоставянето на химическата теория на ферментацията на биологичната.

Пастьор за първи път, като блестящ биолог, дава изчерпателен отговор защо възникват ферментациите. Той обясни целесъобразността на тези процеси и показа, че теса необходими за живота на клетките и ако не бяха с адаптивен характер, не биха могли да възникнат в природата. Това понякога се забравя при химичните изследвания.

Пастьор изтъкна енергийното значение на ферментациите и показа, че те имат екологично значение. В своите изследвания той многократно отбелязва голямата роля, която играят продуктите от собствената им жизнена дейност на ферментиращите микроорганизми в промяната на околната среда. Установявайки, че един вид микроб измества друг чрез продуктите на собствената си жизнена дейност, Пастьор решава един от най-интересните екологични проблеми. Тук също трябва да се отбележи, че за разлика от съвременните немски изследователи, той изостави търсенето на универсална хранителна среда, върху която да могат да растат всички видове микроби без изключение, и за първи път приложи средата, основана на екологията, т.е. условията за съществуване на микробите. Следователно имаме право да считаме Пастьор и за основател на все още развиващия се млад клон на микробиологията - екологията на микроорганизмите.

Разрешаването на феномена на ферментацията беше от голямо практическо значение не само за френското винопроизводство, което претърпя огромни загуби от "болести на виното", но също така изигра изключителна роля в развитието на биологичната наука, селскостопанската практика и индустрията. Задълбоченото познаване на природата на ферментациите позволява да се контролират техните процеси. Това е много важно за печенето, винопроизводството и производството на много хранителни вещества.