Метафизики и поэты всегда вдохновенно писали о пламени жизни. Знаменитый алхимик Парацельс писал в XVI в.: «Человек, лишенный воздуха, угасает как огонь». Считается, что метафоры проливают свет на истину, однако я подозреваю, что метафизики с презрением отнеслись бы к «отцу современной химии» Лавуазье, утверждавшему, что «пламя жизни» — не метафора, а точный аналог настоящего пламени. Горение и дыхание — одно и то же, утверждал Лавуазье, придавая метафоре буквальный научный смысл (а этого поэты терпеть не могут). Лавуазье писал: «Дыхание — это медленное горение углерода и водорода, во всех отношениях похожее на то, что происходит в лампе или зажженной свече, и, с этой точки зрения, дышащие животные являются активными горючими материалами, которые горят и поглощают сами себя… транспортирует топливо само вещество животного, кровь. Если животные не будут регулярно восполнять за счет питания то, что они теряют за счет дыхания, в лампе скоро выгорит масло и животное погибнет, как потухает лампа, из-за недостатка питания»[28].

Животное извлекает углерод и водород из органических веществ, содержащихся в пище, например из глюкозы, так что Лавуазье был прав, когда писал, что запасы дыхательного «топлива» пополняются за счет питания. Четыре года спустя, во время Французской революции, Лавуазье казнили на гильотине. Бернард Джаффе в своей книге Crucibles: The Story of Chemistry from Ancient Alchemy to Nuclear Fission («Горнило. История химии от древней алхимии до расщепления ядра») выносит этому действию приговор потомков: «До тех пор, пока мы не поймем, что самым серьезным преступлением французской революции была не казнь короля, а казнь Лавуазье, наша система ценностей останется ущербной, ибо Лавуазье был одним из трех или четырех величайших мужей Франции». Сто лет спустя, в 1890-е гг., Лавуазье поставили памятник; правда, позже выяснилось, что скульптор взял за образец не Лавуазье, а Кондорсе, секретаря Академии в последние годы жизни Лавуазье. Французы прагматично решили, что «все люди в париках на одно лицо», и статуя оставалась на месте, пока ее не переплавили во время Второй мировой войны.

Лавуазье коренным образом изменил наше представление о химии дыхания, но даже он не знал, где же происходит этот процесс, полагая, что в крови, когда она проходит через легкие. На самом деле, этот вопрос оставался спорным на протяжении большей части XIX в., и только в 1870 г. немецкий физиолог Эдуард Пфлюгер наконец убедил коллег, что дыхание происходит внутри клеток тела и является общей особенностью всех живых клеток. Но и тогда никто не знал наверняка, в каком же месте клетки происходит дыхание; большинство считали, что в ядре. В 1912 г. Бенджамин Ф. Кингсбери предположил, что дыхание приурочено к митохондриям, но эта точка зрения была принята большинством ученых лишь в 1949 г., когда Юджин Кеннеди и Альберт Леннинджер впервые показали, что в митохондриях локализуются дыхательные ферменты.

Сжигание глюкозы в процессе дыхания — это электрохимическая реакция, а если точнее, окисление. Согласно современному определению, вещество окисляется, если теряет один или несколько электронов. Кислород (O₂) — мощный окислитель, так как имеет сильное химическое «влечение» к электронам и обычно «отбирает» их у таких веществ, как глюкоза или железо. Напротив, если вещество получает электроны, оно восстанавливается. Когда кислород получает электроны от глюкозы или железа, говорят, что он восстанавливается до воды (H₂O). Обратите внимание, что при образовании воды каждый атом молекулы кислорода также приобретает два протона (H⁺), чтобы уравновесить заряд. Это означает, что, в общем и целом, окисление глюкозы равнозначно переносу двух электронов и двух протонов, которые вместе составляют два целых атома водорода, от глюкозы к кислороду.

Окисление и восстановление называют встречно-параллельными реакциями: они всегда протекают вместе. Это связано с тем, что изолированные электроны нестабильны, и их нужно извлечь из другого соединения. Любая реакция, при которой происходит перенос электронов от одной молекулы к другой, называется окислительно-восстановительной, потому что один ее участник окисляется, а другой в то же самое время восстанавливается. По сути дела, все реакции, при помощи которых живые существа производят энергию, являются окислительно-восстановительными. Для этого необязательно нужен кислород. Многие химические реакции являются окислительно-восстановительными, так как при них происходит перенос электронов, но кислород в них не вовлечен. Окислительно-восстановительной реакцией можно считать даже электрический ток в аккумуляторе, потому что электроны «текут» от донора (который окисляется) к акцептору (который восстанавливается).

Таким образом, когда Лавуазье говорил, что дыхание — это реакция сгорания (или окисления), с химической точки зрения он был прав. Однако он заблуждался в своих предположениях не только о месте, где протекает дыхание, но и о его функциях. Он считал, что дыхание нужно для производства «неразрушаемого флюида» — тепла. Но люди — не горящие свечи. При сжигании топлива мы не просто испускаем энергию в форме тепла, а используем ее, чтобы бегать, думать, поднимать тяжести, готовить обед, заниматься любовью или, если уж на то пошло, изготавливать свечи. Все эти виды деятельности можно считать «работой», в том смысле, что для их совершения нужна энергия; спонтанно они не происходят. Представления о дыхании, которые отражали бы все эти соображения, не могли появиться до того, как люди лучше поняли природу самой энергии, а это произошло в середине XIX в., когда появилась наука термодинамика. Самое поучительное открытие, которое сделали английские ученые Джеймс Прескотт Джоуль и Уильям Томпсон (лорд Кельвин) в 1843 г., заключалось в том, что тепло и механическая работа взаимозаменяемы (на этом основано действие парового двигателя). Это привело к пониманию более общего принципа, впоследствии названного первым законом термодинамики: энергию можно перевести из одной формы в другую, но нельзя создать или разрушить. В 1847 г. немецкий врач и физик Германн фон Гельмгольц приложил эти идеи к биологии, показав, что энергия, высвобождающаяся из молекул пищи в процессе дыхания, частично используется для генерации силы мышцами. Такое приложение законов термодинамики к сокращению мышц было удивительно «механистичным» откровением, необычным для эпохи господства «витализма» — веры в то, что жизнь анимируют особые силы, или духи, которые нельзя воспроизвести химическим путем.

Благодаря новому взгляду на энергию постепенно сложилось понимание того, что молекулярные связи содержат скрытую «потенциальную» энергию, которая может высвобождаться в процессе реакций. Живые существа способны отчасти улавливать или «консервировать» эту энергию в разных видах, а затем направлять ее на совершение работы, например сокращение мышц. Поэтому на самом деле говорить о «производстве энергии» живыми существами некорректно, хотя это настолько удобное выражение, что мне уже не раз случалось впадать в ересь. Когда я говорю «производство энергии», я имею в виду конверсию потенциальной энергии химических связей питательных веществ, например глюкозы, в биологическую энергетическую «валюту», которую организмы используют для совершения разнообразной работы; иными словами, я имею в виду производство большего количества такой «энергетической валюты». Именно о ней сейчас и пойдет речь.

К концу XIX в. ученые знали, что дыхание происходит в клетках и является источником энергии для жизни. Но вопрос о том, как именно это происходит, как энергия, высвобождающаяся в процессе окисления глюкозы, связана с энергетическими потребностями жизни, оставлял простор для догадок.

Было ясно, что глюкоза не воспламеняется самопроизвольно в присутствии кислорода. Как говорят химики, кислород активен термодинамически, но устойчив кинетически: он медленно вступает в реакции. Это связано с тем, что перед тем, как вступить в реакцию, кислород должен быть «активирован». Такая активация требует либо вложения энергии (например, при зажигании спички), либо присутствия катализатора — вещества, снижающего энергию активации, необходимую для реакции. Ученым Викторианской эпохи казалось очевидным, что любой катализатор дыхания должен содержать железо, так как оно имеет высокое сродство к кислороду (вспомним ржавчину), но при этом способно обратимо с ним связываться. Было известно одно вещество, которое содержит железо и обратимо связывается с кислородом. Это гемоглобин — пигмент, придающий красный цвет эритроцитам; и именно цвет крови был первой подсказкой, позволившей понять, как протекает дыхание в живых клетках.