ЗАКОН ВЕЧНОСТИ ВЕЩЕСТВА. - ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВЕЩЕСТВА РАСТЕНИЙ ИЗ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ. - ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕМЕНТАРНОМ И БЛИЖАЙШЕМ СОСТАВЕ РАСТЕНИЯ. - ТРИ ОСНОВНЫХ ГРУППЫ БЛИЖАЙШИХ ХИМИЧЕСКИХ НАЧАЛ: БЕЛКИ, УГЛЕВОДЫ, ЖИРЫ. - ХИМИЧЕСКОЕ И МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАСТЕНИЯ. - ПРИНЯТИЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ РАСТЕНИЕМ. - ПОНЯТИЕ О ДИФФУЗИИ ВЕЩЕСТВА: ДИФФУЗИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ. - КОЛЛОИДЫ И КРИСТАЛЛОИДЫ. - ПРЕВРАЩЕНИЕ ВЕЩЕСТВ В КЛЕТОЧКЕ ОБЪЯСНЯЕТ ИХ ПОСТУПЛЕНИЕ. - ОСНОВНОЙ МЕХАНИЗМ ПИТАНИЯ КЛЕТОЧКИ.
Наиболее выдающаяся черта в жизни растения заключается в том, что оно р а с т е т; 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 образоваться 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, 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 предвозвестников 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 насылал,—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 оказывалось нужным, всегда дождевой или перегнанной водой. Сосуд был широк и зарытв 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» (Ortus medicinae, p. 109). Этот опыт, несомненно, доказывал, что в земле, в почве, нельзя видеть исключительного и даже главного источника растительного вещества. Ван-Гельмонг видел этот источник в воде, которой 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 исследованиям трех ученых: Пристли, Ингенгуза и Сенебье.
Для того, чтобы узнать, какими своими составными частями эта троякая среда—земля, вода и воздух—участвует в образовании растения, нам необходимо узнать состав самого растения. Химия со времен Лавуазье учит нас, что вещество не только не созидается, 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 было 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 упомянем только о главнейших, играющих выдающуюся роль в жизни растения. Для того, чтобы получить понятие о химическом составе растения, мы подвергаем его действию высокой температуры. Прежде всего улетит вода. и при температуре немного выше 100° 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 (см. табл. далее). Нагревая еще сильнее, мы заметим, что сухое растительное вещество начнет буреть, чернеть, обугливаться, наконец, начнет тлеть и гореть пламенем.. и в результате получится небольшая, в сравнении со взятым веществом, кучка обыкновенной белой золы. Большая часть вещества,, следовательно, сгорела и улетучилась. Производя это сжигание с известными предосторожностями, улавливая улетающие газы, мы убеждаемся, что эта сгорающая 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 множество тел, образование которых прежде 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 телах 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 соединиться, 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 познакомиться нам придется в четвертой лекции.
Элементы органического вещества:
Углерод, водород, кислород, азот
Элементы золы:
Сера Калий
Фосфор Магний
Хлор Кальций
Кремний Железо
Первые четыре элемента 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 нелетучести 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 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. 15—А). Тычинки этого цветка отличаются мохнатыми фиолетовыми же нитями (фиг. 15—В). 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 ее под микроскоп, на верхушке нити будут более молодые, почти округлые, при основании—более старые, вытянутые клеточки (фиг. 15—C).
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 клеточки 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 водянистый 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 — б л и ж а й ш и м и 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 его долго 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. Это так называемая к л е й к о в и н а, 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 улетучиться в открытой чашке, то на дне ее получили бы остаток маслянистого вида. Следовательно, мука и хлебное зерно состоят, главным образом, из трех веществ: к л е й к о в и н ы, крахмала и масла.
Описанные приемы разделения этих веществ могут служить хотя и грубым, но наглядным примером того, что мы называем
б л и ж а й ш и м 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.
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 кристаллизоваться; камедь, как, например, вишневый клей, растворяется в воде, образуя густую тягучую жидкость, но неспособна кристаллизоваться; 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 бы 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 ярко синяя жидкость; я приливаю 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 ярко красный; 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 са-
* В Московском Политехническом музее можно видеть богатую коллекцию наглядных анализов растительных продуктов. В одной склянке находится определенное количество данного продукта, например, полфунта пшеничных зерен; в других показано, какое в этом количестве продукта заключается количество углеводов, белковых веществ, масла и золы. Там же можно видеть стеклянные модели, поясняющие элементарный анализ растительного вещества, приведенный ранее.
хара. Такое же средство для обнаружения присутствия крахмала имеем в растворе иода. Я беру большой стакан воды, прибавляю в него несколько капель крахмального клейстера 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 так же, если я, например, смочу каплей йодного раствора кусок теста или белого хлеба, то на них появляется 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 обнаруживания клетчатки. Иод сам по 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, состоящий, 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. Б е л к о в ы м и они называются потому, что типом, представителем их 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 простых 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, растворит их,—и затем, оставляя этот раствор постоять на воздухе, испаряя эфир, мы получаем 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 клеточки 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—капли масла. Таким образом, химический анализ и микроскопическое исследование идут рука об руку и взаимно пополняются. Анализ (см. последнюю таблицу) показывает, что преобладающие вещества в растении—углеводы; микроскоп подтверждает, 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.
Мы познакомились с главнейшими веществами, которые заключает в себе растительная клеточка. Мы уже ранее пришли к заключению, что все эти вещества она должна вырабатывать из веществ, газов, солей и пр., которые ее окружают. Другими словами, она должна питаться, принимать пищу извне. Каждая клеточка должна заимствовать свою пищу из почвы, из воздуха или из другой соседней клеточки. Здесь, естественно, возникает вопрос: каким же образом эта клеточка, этот пузырек, глухой, без отверстий, без органов хватания, привлекает к себе, вбирает в себя окружающее вещество?
Для того, чтобы объяснить себе этот первый фазис питания растительной клеточки, мы должны на время оставить ее в стороне и даже вовсе сойти с почвы ботаники, заняться чисто физическими явлениями, ознакомиться с некоторыми общими свойствами вещества, проявляющимися одинаково в мертвой и живой природе. Это прием, к которому мы и впредь нередко будем прибегать, это—даже единственный верный прием во всех тех случаях, когда мы желаем найти объяснение какого-нибудь жизненного явления, потому что на языке физиолога объяснять—значит сводить сложные жизненные процессы к более простым физико-химическим явлениям.
Физика учит нас, что частицам вещества присуще движение, что мы не знаем материи без движения. Это движение всего яснее обнаруживается в жидком и особенно в газообразном состоянии вещества. Частицы газообразного вещества одарены быстрым движением, они стремятся вразброд, стремятся рассеяться в пространстве, занять все места, еще ими не занятые, и это продолжается до тех пор, пока они не распределятся равномерно во всем доступном им пространстве. Эта способность, это стремление вещества распространяться, рассеиваться в пространстве называется диффузией. Убедиться в существовании явлений диффузии очень легко, особенно над газообразными или летучими веществами. Стоит мне плеснуть на воздух небольшое количество эфира, и тотчас же в ближайшем соседстве, а потом и в отдаленнейших углах залы будет ощутителен всем знакомый запах гофманских капель. Эфир превратился в пар, а этот пар рассеялся по всей зале. Нетрудно также обнаружить и диффузию жидкостей: стоит вспомнить, вероятно, многим знакомый опыт с водой и вином; если на поверхность воды осторожно налить красного вина, то обе жидкости образуют два ясно между собой разграниченных слоя. Но мало-по-малу резкая граница ме-жду ними исчезает,—вино проникает в воду, вода в вино; обе жидкости смешиваются. Тот же опыт мы можем видеть здесь в еще более наглядной форме (фиг. 16). Вот две почти бесцветные жидкости, которые, будучи слиты вместе, кровавокрасного цвета. В этот узкий и длинный сосуд на дно налита тяжелейшая из двух жидкостей, а поверх ее, соблюдая известные предосторожности, налита вторая, более легкая. На границе их образовался узкий, как черта, слой красного раствора, но с течением времени эта узкая, едва заметная красная полоска будет расти и под конец лекции превратится в поясок шириной в несколько пальцев, а по прошествии нескольких часов или, может быть, дней вся жидкость окрасится равномерным красным цветом. Обе жидкости, очевидно, взаимно проникаются, а это зависит от невидимого, но присущего их частицам движения, от их стремления рассеиваться в пространстве, потому что иначе мы не можем себе объяснить, каким образом, вопреки действию тяжести, легчайшие частицы опускаются вниз, а тяжелейшие поднимаются наверх. Различные вещества обладают этой способностью к рассеянию, к диффузии в весьма различной степени,—другими словами, частицы различных веществ движутся с различной скоростью. Это всего легче можно показать на газах. Этот сосуд (фиг. 17) из слабо обожженной и очень пористой глины (а) в нижней своей части соединен со стеклянной трубкой (б), погруженной нижним концом в подкрашенную красной краской воду. Сосуд вместе с трубкой содержит воздух. Цель этого прибора состоит в том, чтобы обнаруживать малейшее изменение в объеме воздуха, заключенного в сосуде и трубке. Если объем почему-либо увеличится, то воздух начнет выделяться в виде пузырьков через эту окрашенную жидкость. Обратно, если объем воздуха в приборе уменьшится, то окрашенная жидкость поднимется в трубке. Ни того, ни другого пока не происходит, потому что воздух внутри и снаружи прибора один и тот же. Но если мы окружим этот сосуд другим воздухом, другим газом, то, очевидно, между двумя газами, через пористую, проницаемую для них стенку произойдет взаимный обмен; каждый будет стремиться рассеяться в другом. Но, очевидно, если оба газа стремятся рассеяться, а частицы их движутся с различной скоростью, то в приборе произойдет временное изменение объема, увеличение или уменьшение, смотря по тому, который из газов движется быстрее. Одним словом, здесь произойдет то же самое, что чрез несколько минут произойдет в дверях этой залы. Положим, что в настоящую минуту в зале находится триста лиц; положим, что из них сто, соскучившись слишком затянувшейся лекцией, с нетерпением ждут ее конца, чтобы поспешить выйти, а там, за дверями, стоят сто других лиц, желающих проникнуть в залу для следующей лекции. Если одни будут выходить с такой же поспешностью, с какой другие будут входить, то число лиц в зале ни на минуту не вменится; если же лица входящие, не утомленные часовым напряженным состоянием, окажутся энергичнее, то в первую минуту число лиц в зале возрастет, она переполнится, и только немного спустя, когда выйдут желавшие уйти, число присутствующих опустится до прежних трехсот. Точно так же и здесь, если я окружу этот пористый сосуд газом, частицы которого будут быстрее проходить внутрь сосуда, чем частицы заключенного в нем воздуха будут выходить наружу, то на время в сосуде окажется более частиц газа, чем он может вместить, и избыток газа станет выделяться пузырьками из конца трубки. Я беру стеклянный колокол, наполненный водородом; так как этот газ легче воздуха, то его можно удержать некоторое время в сосуде, обращенном отверстием вниз. Я надвигаю этот колокол (с) на пористый сосуд (а). Внутри сосуда—обыкновенный воздух, снаружи, под колоколом,— водород; если частицы водорода одарены более быстрым движением, чем частицы воздуха, внутренний объем газа должен увеличиться; и вы видите и слышите, как пузырьки газа булькают через окрашенную жидкость в рюмке. Теперь я снимаю колокол; условия совершенно извращаются: водород находится теперь внутри сосуда, воздух—снаружи; водород стремится наружу, воздух—внутрь, но частицы водорода движутся быстрее частиц воздуха, в приборе происходит уменьшение объема, и вы видите, как быстро подымается в трубке (б) столб красной жидкости.
Итак, газы, еще более чем жидкости, способны к диффузии, т. е. способны проникать всюду, где их еще нет. Этот водород устремился в сосуд только потому, что его там не было, и устремился вон из сосуда только потому, что его нет в воздухе этой залы. Точно так же всякое газообразное тело, а равно и тела, растворенные в жидкостях, спешат занять все доступное им пространство, распределяясь в нем равномерно.
Посмотрим, какое же отношение эти явления диффузии газов и жидкостей имеют к поднятому нами вопросу о питании клеточки. Вот прибор, который представляет нам довольно близкое подобие клеточки (фиг. 18). Это—тончайший, прозрачный, как стекло, и смоченный водой пузырь из вещества, очень сходного с клетчаткой, или, вернее, из самой клетчатки, несколько химически измененной. Вещество это не что иное, как коллодиум фотографов. Пузырь (А) соединен с горизонтальной стеклянной трубкой (В), в которой находится капля окрашенной жидкости (а); по движению капли к пузырю или от пузыря мы можем судить о том, уменьшается или увеличивается объем воздуха в пузыре. Я опускаю пузырь в эту пустую, широкую склянку (С) и приливаю в нее углекислоты, хотя вы этого, конечно, не видите, потому что углекислота — такой же бесцветный газ, как и воздух. Но я вправе выразиться, что я ее прилил, потому что углекислота тяжелее воздуха и ее можно невидимо для глаза переливать из сосуда в сосуд. Точно так же, как легкий водород можно некоторое время удержать в колоколе, открытом снизу, так углекислоту можно удержать в сосуде, открытом сверху. Вслед за тем, как я впустил углекислоту в склянку, окружающую пузырь, капелька окрашенной жидкости дрогнула и побежала по направлению, указанному стрелкой, обнаруживая тем, что углекислота начала проникать чрез влажную стенку пузыря нашей искусственной клетки и притом быстрее, чем воздух выходит из нее. Значит, растительной клеточке нет надобности как-нибудь привлекать, всасывать в себя газы, например, углекислоту; если только в ней нет этого газа, то он сам будет поступать в нее в силу своей способности к диффузии.
Посмотрим теперь, как будут относиться растительные клеточки к веществам, растворенным в почвенной воде. Возьмем несколько приборов, состоящих из продолговатых мешков из того же коллодиума, приклеенных к оконечности ламповых стекол (фиг. 19). Положим, что эти коллоидальные мешки будут нам представлять корневые клеточки, посредством которых растение приходит в прикосновение с питательными веществами, находящимися в почве. Растение, как мы знаем на основании его элементарного состава, нуждается, между прочим, и в солях железа; мы выберем их для примера, так как они представляют очень наглядные реакции, по которым легко усмотреть в растворе ничтожные их следы. Вот, например, в этом стакане у меня находится вода, в которую я прилил несколько капель железной соли. Прибавляю немного другой жидкости (раствора танина), и бесцветный, как вода, раствор делается черным, как чернила, и даже нельзя сказать — к а к чернила, потому что это сами чернила и есть. Погружаем коллоидальный мешочек, наполненный водой, в сосуд с водой же (1), приливаем в сосуд железной соли, а в мешок—танина; через минуту внутри мешка, около стенок, показывается сероватый
оттенок, а через несколько минут вся жидкость в мешке превращается в чернила (2). Итак, мы видим, что железная соль сама проникает в нашу клеточку, и мы знаем, что это будет продолжаться до тех пор, пока в клеточке не окажется такой же крепкий раствор соли, как в наружном сосуде, потому что только тогда в клеточку будет в каждую минуту входить столько же частиц, сколько их будет выходить,— одним, словом, установится равновесие. Но рождается вопрос, может ли быть достигнуто такое равновесие в нашем примере? Очевидно, нет: как только наша железная соль попала в клеточку, она образовала там соединение с танином, которое мы для простоты будем называть чернилами; там есть чернила, но нет более железной соли, а если нет железной соли, то новое количество ее перейдет из наружного сосуда; это количество вновь превратится в чернила и так далее и так далее. Если только в мешке достаточно танина, то равновесие никогда не будет достигнуто, а железная соль будет устремляться непрерывным током в нашу клеточку. Таким образом, стоит только взять коллоидальный мешок с раствором танина и погрузить его в сосуд с раствором железной соли для того, чтобы извлечь из этого раствора всю соль, перенести ее во внутренность мешка. Оставим этот прибор на несколько часов или дней, и тогда в наружном сосуде не найдем более железной соли: наша искусственная клеточка съест, высосет все начисто.
Мы, очевидно, уже близки к простому физическому объяснению поступления питательных веществ в растительную клеточку. Мы видели, что вещество, газообразное или растворимое, само проникает в клеточку и продолжает поступать в нее до тех пор, пока содержание его по ту и по другую сторону не будет одинаково. Мы видели далее, что это равновесие никогда не наступит, если только вещество, попавшее в клеточку, изменит там свою форму, вступит в другое соединение; в таком случае оно будет постоянным, непрерывным током устремляться в клеточку и там отлагаться. Мы уже усматриваем в этом одну из причин увеличения массы растения, т.е. накопления в нем вещества, но для полноты нашего объяснения в нем недостает еще одного звена. Накопление вещества в клеточке станет вполне портным в таком только случае, если мы допустим, что вещества извне легко поступит в клеточку, но что те вещества, в которые они там преобразуются, что вещества, находящиеся в самой клеточке не выходят наружу. Произведенный только что опыт вполне подтверждает это предположение. В самом деле, жидкость чернеет только внутри коллоидального мешка; снаружи она бесцветна, как вода. Этого, очевидно, не бы могло бы случиться, если бы танин или его соединения с железной солью, чернила, могли выступать из клеточки. Для проверки сделаем опыт в обратном порядке: прильем железной соли в клеточку, а танина в наружный сосуд; через несколько мгновений заметим в наружном сосуде черные струйки, наконец, вся жидкость в нем становится черной, так что коллоидальный мешок более не виден (фиг. 19). Вынимаем его из сосуда,—раствор в нем так же бесцветен, как был. Не подлежит сомнению, что только железная соль свободно проходит через перепонку и все равно в каком направлении, но ни танин, ни его соединение с железом не могут проходить чрез нее. Очевидно, существуют двоякого рода тела: одни способны проникать чрез оболочку клеточек, другие неспособны, и железная соль служит примером первого случая, а танин — второго.
И, действительно, эти два тела могут служить представителями двух типов, двух категорий химических тел. Тела первой категории легко проходят чрез растительные или животные перепонки; тела второй категории проходят очень трудно или почти не проходят чрез них. Говоря о диффузии жидких тел, мы заметили, что одни тела диффундируют быстрее, другие медленнее, одни более подвижны, другие менее; теперь можем прибавить, что именно те тела, которые медленно диффундируют, вообще еще медленнее проходят через перепонки. Химики называют тела первой категории кристаллоидам и,— все они способны кристаллизоваться; тела второй категории—коллоидами, клееобразными телами,—все они не способны кристаллизоваться.
Мы получаем, таким образом, одновременно объяснение нашего опыта и общий ключ для понимания явлений, совершающихся при питании растительной клеточки. Железная соль идет к танину, а не наоборот, потому что она кристаллоид, а танин — коллоид. Обращаясь к питанию клеточки, мы встречаем в общих чертах то же самое явление. В самом деле, какие тела находит клеточка в окружающей среде? Газы, воду и растворимые в ней соли, т. е. тела кристаллические, вообще, следовательно, вещества в высокой степени подвижные и легко проникающие чрез ее оболочку. Какие тела содержит в себе эта клеточка, во что перерабатывает она принятые извне вещества? Главным образом, в белковые вещества, в масла, в камеди, крахмал или, наконец, клетчатку,— следовательно, в вещества коллоидальные, мало подвижные, не проходящие чрез перепонки или, наконец, совершенно нерастворимые
В течение всей своей жизни клеточка постоянно окружена веществом, очень легко в нее диффундирующим. Так, например, углекислота воздуха постоянно устремляется в каждую клеточку, с которой приходит в прикосновение. Но если бы эта углекислота оставалась в ней углекислотой, то ее поступило бы очень немного; на деле же как мы увидим позже, попав в клеточку, она превращается: из нее и из воды образуется углевод, а это превращение вызывает поступление новых и новых количеств углекислоты. Следовательно, две фазы питания: принятие питательных веществ и их превращение в самое вещество клетки, их усвоение, находятся во взаимной связи. Один процесс обусловливается другим: если бы не было усвоения, то не было бы нового поступления; если бы не было поступления, то нечему было бы усвояться. Сверх того, так как при этом усвоении вещество переходит в трудноподвижную или вовсе неподвижную форму, то оно не рассеивается обратно в пространстве, а слагается в клеточке.
Рассматривая питание растения с подобной общей физической точки зрения, мы получаем совершенно иное о нем представление, не похожее на обыкновенные ходячие понятия. Не растение, не клеточка притягивает к себе, всасывает в себя, питательные вещества, а, напротив, вещество само, в силу присущей ему подвижности, врывается в клеточку. Клеточка, брошенная в пространство, представляется нам только микроскопическим центром, в котором постоянно нарушается равновесие окружающего вещества, какой-то микроскопической пучиной, в которую это легко подвижное вещество устремляется непрерывным током и там, превращаясь, утрачивает свою подвижность, слагается в запас. Растительная клеточка—это ловушка, это—западня, которая легко пропускает в себя вещество, но уже не выпускает его обратно. Отсюда становится понятной основная, коренная черта растительной жизни: увеличение массы, накопление вещества.
Изложенные общие понятия о питании клеточки, как мы вскоре убедимся, окажутся для нас необходимыми почти на каждом шагу при изучении явлений питания в целом растении. Будем ли мы говорить о питании корня на счет веществ, находящихся в почве, будем ли мы говорить о воздушном питании листьев на счет атмосферы или о питании одного органа на счет другого, соседнего,—везде для объяснения мы будем прибегать к тем же основным причинам: диффузии, т. е. присущей веществу способности рассеиваться, стремиться оттуда, где оно есть, туда, где его нет, и превращению, т. е. переходу веществ из легко подвижной в трудноподвижную или вовсе неподвижную форму.
Таким образом, знакомство с основными явлениями питания растительной клеточки приводит нас к заключению, что они сводятся к явлениям диффузии, не исключительно свойственным живым организмам, а, напротив, вытекающим из общих свойств материи. Мы убеждаемся, что основной механизм принятия пищи управляется законами общими для живой и неоживленной природы.
