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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Biologische Theorie der Fermentation. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen 1680 ein Holländer Anthony van Leeuwenhoek Ich habe Bierhefe zum ersten Mal in meinem selbstgebauten Mikroskop gesehen. Er beschrieb sie in einem Brief an die Royal Society und gab eine Zeichnung, die knospende runde Zellen zeigt, die Cluster bilden. So begann das Studium der Hefemorphologie. Diese Beobachtungen waren dem damaligen Stand der Wissenschaft weit voraus. Erst 1835 erschienen die Berichte von Cañar de Latour in Frankreich, Schwann und Kützing in Deutschland, in denen nachgewiesen wurde, dass Hefen zu niederen Pflanzenorganismen gehören, die einen Zellkern besitzen, sich durch Knospen auf zuckerhaltigen Nährböden vermehren und verursachen Fermentation. Diese biologische Forschungsrichtung zur Aufklärung der Ursachen der Gärung fand jedoch in der ersten Hälfte des XNUMX. Jahrhunderts keine allgemeine Anerkennung. Mitte des XNUMX. Jahrhunderts war die chemische Theorie der Fermentation weit verbreitet. Zum Beispiel argumentierte Stahl, dass zerfallende Substanzen diesen Zustand auf eine andere Substanz übertragen können, die derzeit nicht zerfällt. Der Zerfall wird von Bewegung begleitet, und die Fähigkeit, Fäulnis zu verursachen, ist mit der Übertragung von Bewegung auf einen ruhenden Körper verbunden. Enzyme sind auch in Bewegung, und ihre Fähigkeit, Fermentation zu verursachen, hängt mit der Übertragung von Bewegung zusammen. Die damals bedeutenden Chemiker Liebig und Berzelius entwickelten diesen Standpunkt. Berzelius sah keinen grundsätzlichen Unterschied zwischen verschiedenen Arten der Gärung und Fäulnis – all dies sind verschiedene Stadien desselben Prozesses. Eine Fermentation ist nur unter zwei Bedingungen möglich: Das Medium muss Gluten oder andere stickstoffhaltige organische Stoffe enthalten und die fermentierte glutenhaltige Flüssigkeit muss Luftsauerstoff ausgesetzt sein. In diesem Fall bildet sich am Boden des Gefäßes ein unlöslicher Niederschlag, der eine neue Gärung auslösen kann. Liebig verband alle Fermentationsprozesse mit der Zersetzung und dem Zerfall organischer Stoffe, wobei diese durch den Zerfall zu Enzymen werden und bereits eine Gärung nicht verrottender Stoffe wie Zucker bewirken können. Wenn die zerfallenden Stoffe mit dem Vergärbaren in Kontakt kommen, zerfällt letzteres in Partikel. Liebig leugnete nicht, dass Hefe für die Gärung von Zucker benötigt wird, aber nicht unbedingt lebende, da es sterbende und zerfallende Hefe ist, die die Gärung verursacht, wie jede faulende Substanz. Dies waren im Allgemeinen die Grundlagen der chemischen Theorie der Fermentation, bis der französische Wissenschaftler Pasteur seine Forschungen zur Fermentation begann. Louis Pasteur (1822-1895) wurde in der französischen Stadt Dole geboren. Louis wuchs in einer großen freundlichen Familie auf. Trotz angeschlagener Gesundheit und Geldmangel schloss Pasteur sein Studium erfolgreich ab, zunächst an einem College in Arbois, dann in Besançon. Nachdem er hier seinen Bachelor-Abschluss gemacht hatte, trat er 1843 in die Höhere Normalschule ein, die Lehrer für höhere Schulen ausbildet. Nach seinem Schulabschluss im Jahr 1847 bestand Pasteur die Prüfungen für den Titel eines Assistenzprofessors für Naturwissenschaften. Und ein Jahr später verteidigte er seine Doktorarbeit. Damals war Pasteur noch keine 26 Jahre alt, aber er hatte bereits durch seine Forschungen auf dem Gebiet der Kristallstruktur Berühmtheit erlangt. Der junge Wissenschaftler gab eine Antwort auf eine Frage, die trotz der Bemühungen vieler führender Wissenschaftler vor ihm ungelöst blieb. Er entdeckte den Grund für den ungleichen Einfluss eines polarisierten Lichtstrahls auf die Kristalle organischer Substanzen. Diese herausragende Entdeckung führte später zur Entstehung der Stereochemie – der Wissenschaft von der räumlichen Anordnung von Atomen in Molekülen. Ebenfalls 1848 wurde Pasteur außerordentlicher Professor für Physik in Dijon. Drei Monate später tritt er eine neue Stelle als außerordentlicher Professor für Chemie in Straßburg an. Pasteur nahm aktiv an der Revolution von 1848 teil und trat sogar der Nationalgarde bei. 1854 wurde Pasteur zum Dekan der neu organisierten Fakultät für Physik und Mathematik an der Universität Lille ernannt. Diese Region Frankreichs war berühmt für ihre Zucker- und Fermentationsindustrie. Die Besitzer lokaler Fabriken wandten sich wiederholt an Pasteur mit der Bitte, die Produktion zu rationalisieren und zu verbessern, geleitet von den neuesten Errungenschaften der Wissenschaft. Als er sich mit der Arbeit von Fabriken vertraut machte, kam Pasteur nicht umhin, zu dem Schluss zu kommen, dass die modernen wissenschaftlichen Erkenntnisse auf diesem Gebiet mehr als bescheiden waren, und dies veranlasste ihn, mit dem Studium der Fermentation zu beginnen. Er begann, dieses Thema zu studieren. Das Ergebnis seiner Forschung war eine Monographie. Die ersten veröffentlichten Memoiren waren der Milchsäuregärung gewidmet. In der wissenschaftlichen Welt machte sie besonders großen Eindruck, da es sich um eine neue Gärung handelte – alle bisherigen Forschungen befassten sich mit der vorwiegend alkoholischen Gärung. „Pasteur hat all seine Forschungen über Fermentationen durchgeführt, um herauszufinden, inwieweit seine eigenen experimentellen Daten die chemische Theorie der Fermentationen bestätigen oder widerlegen können“, schreibt A. A. Imshenetsky in seiner Arbeit über den Wissenschaftler. „Die Ergebnisse seiner Experimente können zusammengefasst werden folgendermaßen. 1. Für den Ablauf der Gärung ist Luft entgegen der Meinung der Befürworter der chemischen Gärungstheorie nicht erforderlich. Die Milchsäuregärung verläuft wie die Alkoholgärung ohne Luftzugang. Dies ermöglicht es uns, die allgemeine Formel „Gärung ist Leben ohne Sauerstoff“ zu geben. Um diese These zu untermauern, war die Entdeckung der Buttersäuregärung durch Pasteur von außerordentlicher Bedeutung, die durch streng anaerobe Bakterien verursacht wird, die nicht nur keinen Sauerstoff benötigen, sondern dieser auch wie ein Gift auf sie wirkt. Vor dieser Entdeckung glaubte man, dass Leben ohne Sauerstoff unmöglich sei, und es war kein Zufall, dass Gay-Lussac die Widerstandsfähigkeit der Produkte in Apper-Konserven gegen Fäulnis mit der Abwesenheit von Sauerstoff in Dosen in Verbindung brachte. Die Entdeckung der Anaerobiose stieß bei Brefeld und anderen Wissenschaftlern auf heftige Einwände, erwies sich jedoch als so überzeugend, dass sie bald von allen anerkannt wurde. 2. Jede Fermentation wird durch einen bestimmten Erreger verursacht. Pasteur stellte zunächst fest, dass die Milchsäuregärung mit der Entwicklung von Mikroben verbunden ist, die sich in ihrer Morphologie von der Hefe unterscheiden. Buttersäure wird durch die lebenswichtige Aktivität einer speziellen Mikrobenart gebildet. Essigsäure- und alkoholische Gärung sowie Harnstoffgärung haben ihre Krankheitserreger. Es ist nicht verwunderlich, dass Pasteur, basierend auf dem aktuellen Stand der Taxonomie niederer Pflanzenorganismen, den von ihm beschriebenen Organismen nicht immer die richtigen Namen gegeben hat. So schrieb er Vertretern der Tierwelt Buttersäurebakterien zu, bezeichnete Essigsäurebakterien als Mycoderma usw. All dies änderte nichts an der Hauptschlussfolgerung - verschiedene Fermentationen werden durch verschiedene Mikroben verursacht. 3. Die Fermentation ist mit dem Leben der Mikroben verbunden, mit ihrer Vermehrung, und nicht mit Tod und Verwesung, wie die Anhänger der chemischen Theorie der Fermentation glaubten. Das Gewicht der Mikroben während der Fermentation nimmt ständig zu und die von ihnen fermentierten Stoffe werden auch von der Hefe zum Aufbau ihres Körpers verwendet. 4. Für die Fermentation ist das Vorhandensein von Partikeln von Proteinsubstanzen (Gluten) im Medium nicht erforderlich, die sich nach Ansicht der Anhänger der chemischen Theorie in Bewegung setzen und durch Übertragung auf andere Partikel eine Fermentation oder einen Zerfall verursachen. Die Fermentation von Zucker unter Bildung von Alkohol oder Milchsäure kann in einem Medium erfolgen, das überhaupt kein Protein enthält, sondern eine anorganische Verbindung als einzige Stickstoffquelle hat, beispielsweise Ammoniumsulfat. Die Ergebnisse von Pasteurs experimentellen Studien versetzten Liebigs Theorie einen entscheidenden Schlag. Ihre Anhänger konnten die Gärung nicht mehr durch die Übertragung der Partikelbewegung erklären und mit dem Tod, mit der Zersetzung faulender Substanzen in Verbindung bringen. Aber schon ganz am Anfang der sechziger Jahre äußerte Berthelot direkt die Idee, dass eine solch begrenzte biologische Sichtweise den Physiologen und noch mehr den Chemiker nicht zufrieden stellen sollte. Basierend auf thermochemischen Daten argumentierte Berthelot, dass die Gärung und die Lebenstätigkeit von Hefezellen nicht miteinander zusammenhängen, da für die Synthese der lebendigen Substanz der Hefe keine Energiezufuhr von außen erforderlich ist. Die Entwicklung der Biochemie und Fermentologie veranlasste prominente Wissenschaftler immer mehr, zu Berthelots Ideen zurückzukehren. Nach und nach nahm die Zahl der entdeckten „löslichen Enzyme“, also Enzyme, zu und es wurde möglich, eine zellfreie Hydrolyse von Di- und Polysacchariden, einen Proteinabbau und verschiedene oxidative Prozesse durchzuführen. All dies führte dazu, dass K.A. Timiryazev erklärte in einem Vortrag im Jahr 1895: „... Berthelot wies im Streit mit Pasteur darauf hin, dass die Ansicht der Fermentation als ein chemischer Prozess, der dem von Pasteur beobachteten physiologischen Phänomen zugrunde liegt – dass diese Ansicht aus dem unvermeidlichen historischen Verlauf der Entwicklung aller folgt.“ Wissenschaften und insbesondere die Physiologie, nach denen komplexe Phänomene auf einfache und folglich physiologische - auf physikalische und chemische - reduziert werden. Und wie wir sehen, rechtfertigt die Geschichte bereits die Richtigkeit dieses Hinweises von Berthelot darauf. . " Es muss gesagt werden, dass Pasteur nie die Beteiligung von Enzymen an der Fermentation geleugnet hat. Ja, das wäre unlogisch, denn als Chemiker könne er sich die Umwandlung eines Moleküls in Alkohol nicht ohne eine Kette chemischer Reaktionen vorstellen, die im Inneren der Zelle ablaufen: „... Ich füge hinzu, dass es schon immer ein Es ist mir ein Rätsel, auf welcher Grundlage sie denken, dass es mir peinlich wäre, wenn die Entdeckung löslicher Enzyme in der Gärung gemacht würde oder wenn die Umwandlung von Zucker in Alkohol unabhängig von der vitalen Aktivität der Zelle nachgewiesen würde. Es besteht kein Zweifel, dass das Studium der zellfreien Gärung, Studien mit Hefesaft und anderen Präparaten viel Wert erbracht haben. Sie waren es, die es ermöglichten, dieses Fermentationsschema, insbesondere Alkohol, zu etablieren, das in allen Handbüchern enthalten war und heute allgemein anerkannt ist. „Aber all diese Studien beantworten die Frage, „wie“ dieser Prozess abläuft“, bemerkt A.A. Imshenetsky, „aber beantworten nicht die Frage, „warum“ diese harmonische, diese äußerst komplexe Funktionsweise von Enzymen innerhalb der Hefezelle möglich wurde und „warum“ diese oder andere Fermentationsprozesse entstanden.Dies ist nur eine Detaillierung der Grundidee, die Pasteur damals entwickelte, und kein Gegensatz zwischen der chemischen Theorie der Fermentation und der biologischen. Pasteur gab als brillanter Biologe zum ersten Mal eine erschöpfende Antwort, warum es zu Gärungen kam. Er erklärte die Zweckmäßigkeit dieser Prozesse und zeigte, dass sie für das Leben von Zellen notwendig sind, und wenn sie nicht adaptiver Natur wären, könnten sie in der Natur nicht entstehen. Dies wird in der chemischen Forschung manchmal vergessen. Pasteur wies auf die energetische Bedeutung von Fermentationen hin und zeigte, dass diese eine ökologische Bedeutung haben. In seinen Studien weist er immer wieder auf die große Rolle hin, die die Produkte ihrer lebenswichtigen Aktivität fermentierender Mikroorganismen bei der Veränderung der Umwelt spielen. Indem er feststellt, dass eine Mikrobenart eine andere durch die Produkte ihrer eigenen lebenswichtigen Aktivität verdrängt, löst Pasteur eines der interessantesten ökologischen Probleme. Anzumerken ist hier auch, dass er im Gegensatz zu zeitgenössischen deutschen Forschern die Suche nach einem universellen Nährboden, auf dem ausnahmslos alle Arten von Mikroben wachsen könnten, aufgab und das Medium erstmals auf der Grundlage der Ökologie, also der Bedingungen dafür, anwendete die Existenz von Mikroben. Daher haben wir das Recht, Pasteur auch als Begründer des sich noch entwickelnden jungen Zweigs der Mikrobiologie – der Ökologie der Mikroorganismen – zu betrachten. Die Enträtselung der Phänomene der Gärung war nicht nur für die französische Weinherstellung, die große Verluste durch „Weinkrankheiten“ erlitt, von großer praktischer Bedeutung, sondern spielte auch eine herausragende Rolle in der Entwicklung der biologischen Wissenschaft, der Praxis der Landwirtschaft und der Industrie. Ein tiefes Wissen über die Natur von Fermentationen ermöglicht es, ihre Prozesse zu kontrollieren. Dies ist sehr wichtig für das Backen, die Weinbereitung und die Herstellung vieler Lebensmittel. Autor: Samin D. K.
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