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.
