Teoria biologica della fermentazione. Storia ed essenza della scoperta scientifica

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Nel 1680 un olandese Anthony Van Leeuwenhoek Ho visto per la prima volta il lievito di birra nel mio microscopio fatto in casa. Li descrisse in una lettera alla Royal Society e diede un disegno che mostrava cellule rotonde in erba che formano ammassi. Inizia così lo studio della morfologia del lievito. Queste osservazioni erano molto più avanti dello stato della scienza dell'epoca. Fu solo nel 1835 che apparvero i rapporti di Cañard de Latour in Francia, Schwann e Kützing in Germania, in cui è stato dimostrato che i lieviti appartengono a organismi vegetali inferiori che hanno un nucleo, si moltiplicano per gemmazione su mezzi nutritivi contenenti zucchero e causano fermentazione. Tuttavia, questa direzione biologica nella ricerca relativa alla delucidazione delle cause della fermentazione non ha ricevuto un riconoscimento universale nella prima metà del XIX secolo.

A metà del diciannovesimo secolo era diffusa la teoria chimica della fermentazione. Ad esempio, Stahl ha affermato che le sostanze in decomposizione possono trasmettere questo stato a un'altra sostanza che attualmente non sta decadendo. Il decadimento è accompagnato dal movimento e la capacità di causare putrefazione è associata al trasferimento del movimento a un corpo a riposo. Anche gli enzimi sono in movimento e la loro capacità di provocare la fermentazione è correlata alla trasmissione del movimento.

Eminenti chimici dell'epoca, Liebig e Berzelius, svilupparono questo punto di vista. Berzelius non ha visto una differenza fondamentale tra i vari tipi di fermentazione e putrefazione: tutte queste sono fasi diverse dello stesso processo. La fermentazione è possibile solo se sono soddisfatte due condizioni: il mezzo deve contenere glutine o altra materia organica azotata e il liquido fermentato contenente glutine deve essere esposto all'ossigeno atmosferico. In questo caso, sul fondo del recipiente si forma un sedimento insolubile che può provocare una nuova fermentazione. Liebig associava tutti i processi di fermentazione alla decomposizione e al decadimento delle sostanze organiche; queste ultime, se sottoposte a decomposizione, diventano enzimi e possono già provocare la fermentazione di sostanze non putrescenti, come lo zucchero.

Quando le sostanze in decomposizione entrano in contatto con il fermentabile, quest'ultimo si disintegra in particelle. Liebig non ha negato che il lievito è necessario per la fermentazione degli zuccheri, ma non necessariamente di quelli vivi, poiché è il lievito morente e in decomposizione che provoca la fermentazione, come qualsiasi sostanza in decomposizione.

Tali, in termini più generali, sono le basi della teoria chimica della fermentazione fino a quando lo scienziato francese Pasteur non iniziò le sue ricerche sulla fermentazione.

Louis Pasteur (1822-1895) nacque nella cittadina francese di Dole. Louis è cresciuto in una grande famiglia amichevole. Nonostante le cattive condizioni di salute e la mancanza di fondi, Pasteur completò con successo i suoi studi, prima in un college ad Arbois e poi a Besançon. Dopo essersi diplomato qui con una laurea, nel 1843 entrò nella Scuola Normale Superiore, che forma insegnanti per le scuole superiori.

Dopo essersi diplomato nel 1847, Pasteur superò gli esami per il titolo di professore associato di scienze fisiche. Un anno dopo ha difeso la sua tesi di dottorato. A quel tempo Pasteur non aveva ancora 26 anni, ma aveva già guadagnato fama per le sue ricerche nel campo della struttura cristallina. Il giovane scienziato ha dato una risposta a una domanda rimasta irrisolta davanti a lui, nonostante gli sforzi di molti eminenti scienziati. Ha scoperto la ragione dell'influenza ineguale di un raggio di luce polarizzata sui cristalli di sostanze organiche. Questa eccezionale scoperta portò successivamente alla nascita della stereochimica, la scienza della disposizione spaziale degli atomi nelle molecole.

Sempre nel 1848, Pasteur divenne professore associato di fisica a Digione. Tre mesi dopo, assume una nuova posizione come professore associato di chimica a Strasburgo. Pasteur partecipò attivamente alla rivoluzione del 1848 e si unì persino alla Guardia Nazionale.

Nel 1854 Pasteur fu nominato decano della Facoltà di Fisica e Matematica dell'Università di Lille, appena organizzata. Questa regione della Francia era famosa per le sue industrie dello zucchero e della fermentazione. I proprietari delle fabbriche locali si sono rivolti ripetutamente a Pasteur con la richiesta di aiutare a razionalizzare la produzione, migliorarla, guidati dalle ultime conquiste della scienza. Conoscendo il lavoro delle fabbriche, Pasteur non poté fare a meno di giungere alla conclusione che le moderne conoscenze scientifiche in questo settore erano più che modeste, e questo lo spinse a iniziare a studiare le fermentazioni.

Ha iniziato a studiare questo problema. Il risultato della sua ricerca è stata una monografia. Il primo libro di memorie pubblicato riguardava la fermentazione dell'acido lattico. Ha fatto una grande impressione nel mondo scientifico, poiché si trattava di una nuova fermentazione: tutte le ricerche precedenti riguardavano principalmente la fermentazione alcolica.

"Pasteur ha condotto tutte le sue ricerche sulle fermentazioni per scoprire fino a che punto i suoi stessi dati sperimentali possono confermare o confutare la teoria chimica delle fermentazioni", scrive A.A. Imshenetsky nel suo lavoro sullo scienziato. "I risultati dei suoi esperimenti possono essere riassunti come segue.

1. L'aria, contrariamente all'opinione dei sostenitori della teoria chimica della fermentazione, non è necessaria affinché avvenga la fermentazione. La fermentazione dell'acido lattico avviene senza accesso d'aria allo stesso modo della fermentazione alcolica. Questo ci permette di dare una formula generale: “la fermentazione è vita senza ossigeno”. A sostegno di questa tesi, di eccezionale importanza fu la scoperta di Pasteur della fermentazione dell'acido butirrico, causata da batteri strettamente anaerobici, che non solo non necessitano di ossigeno, ma che quest'ultimo agisce su di essi come un veleno. Prima di questa scoperta si credeva che la vita senza ossigeno fosse impossibile e non è un caso che Gay-Lussac associ la resistenza dei prodotti contenuti nelle conserve Appert alla putrefazione con la mancanza di ossigeno nelle lattine. La scoperta dell'anaerobiosi incontrò forti obiezioni da parte di Brefeld e di altri scienziati, ma si rivelò così convincente che fu presto accettata da tutti.

2. Ogni fermentazione è causata da un patogeno specifico. Pasteur ha stabilito per la prima volta che la fermentazione dell'acido lattico è associata allo sviluppo di microbi che differiscono nella loro morfologia dal lievito. L'acido butirrico si forma come risultato dell'attività vitale di un tipo speciale di microbo. L'acido acetico e la fermentazione alcolica, così come la fermentazione dell'urea, hanno i loro agenti patogeni. Non c'è nulla di sorprendente nel fatto che Pasteur, in base allo stato attuale della tassonomia degli organismi vegetali inferiori, non abbia sempre dato i nomi corretti agli organismi da lui descritti. Quindi, ha attribuito i batteri dell'acido butirrico ai rappresentanti del mondo animale, ha designato i batteri dell'acido acetico come Mycoderma, ecc. Tutto ciò non ha cambiato la conclusione principale: varie fermentazioni sono causate da vari microbi.

3. La fermentazione è associata alla vita dei microbi, alla loro riproduzione, e non alla morte e alla decomposizione, come credevano i sostenitori della teoria chimica della fermentazione. Il peso dei microbi durante la fermentazione è in costante aumento e le sostanze da essi fermentate vengono utilizzate anche dai lieviti per costruire il loro corpo.

4. Per la fermentazione non è affatto necessaria la presenza di particelle di sostanze proteiche (glutine) nel mezzo che, secondo gli aderenti alla teoria chimica, si mettono in moto e, trasferendole ad altre particelle, provocano quindi fermentazione o decadimento . La fermentazione dello zucchero con formazione di alcol o acido lattico può avvenire in un mezzo che non contiene affatto proteine, ma ha un composto inorganico come unica fonte di azoto, ad esempio il solfato di ammonio.

I risultati degli studi sperimentali di Pasteur diedero un colpo decisivo alla teoria di Liebig. I suoi aderenti non potevano più spiegare la fermentazione con la trasmissione del movimento delle particelle e associarla alla morte, alla decomposizione delle sostanze putrefatte.

Ma già all'inizio degli anni Sessanta Berthelot espresse direttamente l'idea che un punto di vista biologico così limitato non doveva soddisfare il fisiologo, e ancor di più il chimico. Sulla base di dati termochimici, Berthelot ha affermato che la fermentazione e l'attività vitale delle cellule di lievito non sono correlate tra loro, poiché per la sintesi della sostanza vivente del lievito non è necessario un afflusso di energia dall'esterno.

Lo sviluppo della biochimica e dell'enzimologia incoraggiò sempre più scienziati eccezionali a tornare alle idee di Berthelot. A poco a poco, il numero degli "enzimi solubili" scoperti, cioè gli enzimi, aumentò e divenne possibile effettuare l'idrolisi senza cellule di di- e polisaccaridi, la decomposizione delle proteine e vari processi ossidativi. Tutto ciò ha portato al fatto che K.A. Timiryazev, in una conferenza nel 1895, affermò: “...Berthelot, polemizzando con Pasteur, sottolineò che la visione della fermentazione come processo chimico alla base del fenomeno fisiologico osservato da Pasteur - che questa visione deriva dall'inevitabile corso storico dello sviluppo di tutte le scienze e, in particolare, della fisiologia, secondo la quale i fenomeni complessi si riducono a quelli semplici e, quindi, fisiologici - a quelli fisici e chimici. E, come vediamo, la storia già giustifica la correttezza di questo riferimento ad essa Berthelot..."

Va detto che Pasteur non ha mai negato la partecipazione degli enzimi alla fermentazione. Sì, sarebbe illogico, poiché, essendo un chimico, non potrebbe immaginare la trasformazione di una molecola in alcol senza una catena di reazioni chimiche che avvengono all'interno della cellula: "...aggiungo che è sempre stata una mistero per me su quali basi pensano che sarei imbarazzato se si facesse la scoperta di enzimi solubili nella fermentazione, o se la conversione dello zucchero in alcol fosse provata indipendentemente dall'attività vitale della cellula.

Non c'è dubbio che lo studio della fermentazione senza cellule, gli studi con il succo di lievito e altri preparati hanno prodotto molto valore. Sono stati loro che hanno permesso di stabilire quello schema di fermentazione, in particolare l'alcol, che era incluso in tutti i manuali e ora è generalmente riconosciuto. "Ma tutti questi studi rispondono alla domanda "come" si verifica questo processo", osserva A.A. Imshenetsky, "ma non rispondono alla domanda "perché" questo funzionamento armonioso ed estremamente complesso degli enzimi all'interno della cellula di lievito è diventato possibile e "perché "quelli o altri processi di fermentazione Questo è solo un dettaglio dell'idea principale che Pasteur sviluppò allora, e non un contrasto tra la teoria chimica della fermentazione e quella biologica.

Pasteur per la prima volta, da brillante biologo, ha dato una risposta esauriente sul motivo per cui sono nate le fermentazioni. Ha spiegato l'opportunità di questi processi e ha mostrato che sono necessari per la vita delle cellule e, se non fossero di natura adattiva, non potrebbero sorgere in natura. Questo a volte viene dimenticato nella ricerca chimica.

Pasteur ha sottolineato il significato energetico delle fermentazioni e ha dimostrato che hanno un significato ecologico. Nella sua ricerca, nota ripetutamente l'enorme ruolo svolto dai prodotti della loro stessa attività vitale di fermentazione dei microrganismi nel cambiamento dell'ambiente. Stabilendo che un tipo di microbo ne sostituisce un altro con i prodotti della propria attività vitale, Pasteur risolve uno dei problemi ambientali più interessanti. Va notato qui che, a differenza dei ricercatori tedeschi del suo tempo, abbandonò la ricerca di un mezzo nutritivo universale su cui tutti i tipi di microbi potessero crescere senza eccezioni, e fu il primo ad utilizzare terreni basati sull'ecologia, cioè sulle condizioni per l'esistenza dei microbi. Pertanto abbiamo il diritto di considerare Pasteur anche il fondatore di una branca ancora giovane della microbiologia: l'ecologia dei microrganismi."

La soluzione ai fenomeni di fermentazione è stata di grande importanza pratica non solo per la vinificazione francese, che ha subito enormi perdite a causa delle "malattie del vino", ma ha anche svolto un ruolo eccezionale nello sviluppo della scienza biologica, della pratica agricola e dell'industria. La profonda conoscenza della natura delle fermentazioni permette di controllarne i processi. Questo è molto importante per la panificazione, la vinificazione e la produzione di molte sostanze alimentari.

Autore: Samin D.K.

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Si ritiene che il cervello cambi costantemente, proprio come il mondo intorno a noi sta cambiando, e se ci troviamo di fronte a qualcosa di nuovo, a qualcosa di sconosciuto, grazie alla plasticità neurale, capiremo rapidamente come comportarci in questa situazione.

La plasticità neurale è intesa come la capacità delle connessioni interneuronali di riorganizzarsi, stabilire nuove connessioni e l'emergere di nuovi circuiti neurali progettati per risolvere un nuovo problema. D'altra parte, alcune cose ci risultano così familiari che le facciamo senza pensare e tutti i tipi di segnali che arrivano a un cervello già adulto vengono elaborati qui secondo uno schema familiare e consolidato.

Come avviene una tale assimilazione del nuovo senza distruggere il vecchio? La risposta può sembrare abbastanza ovvia: poiché i neuroni possono formare molte connessioni, ogni cellula ne ha un certo insieme permanente, una sorta di "spina dorsale di sinapsi" che sono responsabili di una routine appresa da tempo, ma quando appare qualcosa di nuovo, allora il vecchio connessioni permanenti fresche, si aggiungono quelle "non standard". In teoria, questa ipotesi esiste da molto tempo, ma solo ora è stata confermata sperimentalmente.

I ricercatori del Max Planck Institute for Neuroscience hanno condotto esperimenti con topi bendati in un occhio, dopo di che hanno osservato l'attività delle cellule nervose nella corteccia visiva. È noto che quando il cervello smette di ricevere segnali da un occhio, i neuroni ad esso "assegnati" iniziano a rispondere agli impulsi visivi provenienti dall'altro occhio. Con nuovi metodi genetici, è diventato possibile tracciare l'attività delle singole cellule e si è scoperto che la combinazione di vecchio e nuovo, di cui abbiamo appena parlato, si verifica nel cervello letteralmente a livello cellulare.

I neuroni dell'occhio chiuso, come previsto, sono passati ai dati dell'occhio aperto. Ma poi, quando l'occhio chiuso si è riaperto, l'attività delle cellule nervose è tornata al regime precedente. I neuroni separati sembravano ricordare le impostazioni precedenti e quando il flusso dei segnali visivi è tornato alla normalità, cioè quando entrambi gli occhi hanno funzionato di nuovo, le cellule hanno semplicemente "ricordato" secondo quale schema avrebbero dovuto funzionare in questo caso.

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