Пастера удивило это различие, и в результате тщательного анализа с помощью увеличительных стекол он обнаружил, что при кристаллизации рацемической кислоты образуются два типа кристаллов, которые идентичны во всех отношениях, но являются зеркальными отражениями друг друга. Пастер терпеливо разделил кристаллы двух типов, поместив их в разные емкости, он растворил их и обнаружил, что растворы поворачивали поляризованный свет в противоположных направлениях и что кристаллы одного типа были идентичны кристаллам природной винной кислоты. Пастер понял, что синтетический продукт был смесью равных количеств природной формы винной кислоты и ее зеркального изомера.
Так Пастер столкнулся с явлением хиральности. Теперь химикам известно много хиральных молекул, то есть молекул, не совмещающихся в пространстве со своим зеркальным отражением, как перчатки для левой и правой руки. В обеих молекулах содержится одинаковое число атомов, соединенных между собой одинаковым образом, но их нельзя наложить друг на друга, как правую перчатку нельзя наложить на левую. Оказывается, большинство важнейших для биологии молекул, таких как компоненты белков и нуклеиновых кислот, являются гомохиральными: ориентация всех этих молекул одинакова – это либо левовращающие, либо правовращающие изомеры. На протяжении всего следующего столетия биохимики обсуждали смысл явления гомохиральности биологических молекул, а Пастер в результате своего открытия укрепился в виталистической идее о принципиальном различии между живой и неживой материей.
В 1854 г. Пастер стал профессором химии и деканом научного факультета в университете Лилля. Вскоре он занялся вопросом, имевшим еще более очевидное биологическое значение, а именно, производством спирта. Его интересовало, почему в процессе брожения образуется спирт. Эта загадка волновала многих людей, начиная с древнейших времен.
Лилль был французским центром производства свекловичного сахара. Во времена Наполеона во Франции были перебои с сахаром из-за десятилетней блокады со стороны Великобритании, поэтому Наполеон поощрял производство сахарной свеклы внутри страны. Французские мастера по перегонке спирта научились производить из свекольного сока нечто вроде рома, но превратить его в качественный алкоголь оказалось делом нелегким: жидкость имела интенсивный кислый вкус и неприятный запах. К моменту прибытия Пастера в Лилль производители спиртовой продукции были в отчаянии. Отец одного из студентов Пастера, состоятельный промышленник, пришел к ученому с просьбой помочь в разрешении проблемы, с которой столкнулась местная промышленность. Пастер имел незначительный опыт в биологии, но решил помочь. Вскоре жена Пастера писала своему отцу, что Пастер «по шею погрузился в свекольный сок».
В подвале старой сахарной фабрики Пастер организовал самодельную лабораторию, в которой не было практически никакого оборудования, кроме примитивного отапливаемого углем инкубатора. Однако там был предмет, который, как ни странно, тогда довольно редко встречался в химических лабораториях, – стандартный учебный микроскоп, позаимствованный Пастером в университете. В те времена химики измеряли и взвешивали вещества и экспериментировали с ними, чтобы вывести абстрактные химические формулы, а биологи и физиологи исследовали свои объекты, используя микроскопы для анализа их тонкой структуры. Наблюдая за процессом брожения при помощи микроскопа, Пастер начал понимать его так, как не понимал ни один химик.
Все знали, что брожение – ключевой этап в производстве спирта. Однако ничего конкретного о сути этого процесса известно не было. Пивовары и виноделы знали, что в закваске содержатся дрожжи. Первыми дрожжевые клетки разглядел Антони ван Левенгук; это были овальные микроскопические клетки, беспорядочно двигавшиеся под стеклами его микроскопа. Но поскольку он не заметил, чтобы они могли двигаться самостоятельно, он не счел их живыми организмами. Само слово yeast (дрожжи) было производным от староанглийского слова, обозначавшего пену. Когда Пастер начал изучать процесс брожения, мало кто из ученых подозревал, что именно дрожжи, даже если они живые, играют ключевую роль в образовании спирта. Антуан Лавуазье – заметная фигура в истории химии – при попытках описать процесс брожения практически полностью игнорировал присутствие дрожжей. Однако в 1830-х гг. некоторые ученые начали подозревать, что пивные дрожжи, на самом деле, представляют собой сгустки микроорганизмов и являются важнейшим участником реакций брожения.
С помощью поляриметра Пастер установил, что закваска тоже проявляет поляризационные свойства. Имея опыт работы с кристаллами кварца, он понял, что закваска является продуктом жизнедеятельности, поскольку лишь живые организмы способны производить химические соединения, состоящие из несимметричных молекул. Он также обнаружил, что клетки дрожжей со временем изменяют форму: сначала удлиняются, а затем расщепляются, образуя новые клетки. Пастер пришел к выводу, что это живые организмы и что именно они являются источником образующегося при брожении спирта.
Гипотеза Пастера имела множество следствий, причем не только для получения спирта. Стало ясно, что брожение – ключевой процесс не только в производстве спирта; этот химический процесс лежит в основе распада любой органической материи. Связав гниение с деятельностью микроорганизмов, Пастер обнаружил новый способ сохранения пищевых продуктов. В начале 1862 г. другой французский ученый, Клод Бернар, показал, что нагревание молока, вина или пива до высокой температуры убивает бактерий и плесень, предотвращает порчу и позволяет дольше сохранять продукты свежими. Данный метод обработки продуктов питания позднее был назван пастеризацией.
С момента изобретения пастеризации до выступления Пастера в Сорбонне по вопросу спонтанного зарождения жизни прошел примерно год. Однако Пастер не счел нужным даже упомянуть о своем открытии, поскольку считал, что вопрос о спонтанном зарождении во Франции был слишком важным в метафизическом плане.
Впервые он обратился к изучению вопроса о спонтанном зарождении в 1859 г., когда в Англии вышла книга Дарвина «О происхождении видов». Пастер писал своему коллеге, что собирается «предпринять решающий шаг для окончательного решения знаменитого вопроса». За год до этого Феликс Пуше представил во Французскую академию наук статью, в которой заявлял, что выполненные им эксперименты доказывают возможность спонтанного зарождения жизни. Пуше был замечательным врачом, натуралистом и автором нескольких популярных книг о естественной философии Аристотеля. Кроме того, он был истинным католиком, в отличие от Пастера, который нечасто посещал церковь. Пуше предпочел заявить, что не пытается оспорить принятую в христианстве концепцию божественного происхождения жизни, но хочет попытаться оживить этот вопрос в свете идей святого Августина. Процесс самозарождения, по его мнению, был лишь одним из способов, наряду с другими, которые Господь использовал для сотворения жизни. Тем не менее ученые консервативного толка обвинили его в том, что он оживил материалистические идеи, дискредитированные Кювье в результате его кажущейся победы над Сент-Илером.
Пуше не мог выбрать худшего момента для написания статьи. Католичество во Франции набирало силу и политизировалось. Интересы католической церкви были синонимом интересов государства. В 1848 г. прошли первые в истории страны выборы путем прямого голосования. Племянник Наполеона Бонапарта Луи Наполеон Бонапарт одержал сокрушительную победу, поддержанный католиками, которым обещал восстановить католическую власть в стране, поднять престиж церкви и поддержать римского папу. Через три года он осуществил государственный переворот и объявил себя императором Наполеоном III. Была восстановлена цензура, в тюремное заточение было отправлено около шести тысяч политических оппозиционеров, некоторые из них – во французские колонии. Виктор Гюго, ставший олицетворением французского национального сознания, публично назвал императора предателем и покинул страну, отправившись в самовольное изгнание вплоть до конца правления Наполеона III.
Кроме того, Пуше нужно было учитывать, как его идеи будут восприняты после публикации книги Дарвина, всколыхнувшей споры между сторонниками Кювье и Сент-Илера. Напряжение усилилось в 1861 г. после публикации первой французской версии книги. Книгу перевела Клеманс Руайе, которая впоследствии стала первой женщиной, принятой во Французскую академию наук. Она написала к книге длинное предисловие с обвинениями в адрес католической церкви. Дарвин, который ничего не знал о Руайе до того, как она занялась переводом его книги, позднее писал своему другу американскому ботанику Азе Грею, что она была «одной из самых умных и необычных женщин в Европе», которая «ненавидит христианство и заявляет, что естественный отбор и борьба за жизнь объясняют и мораль, и человеческую природу, и политику». Еще Дарвин сообщал, что Руайе планирует написать собственную книгу на эту тему и что это «будет странное произведение».
В начале научной карьеры Пастер часто вступал в споры с именитыми учеными, чтобы повысить собственный престиж. В момент его столкновения с Пуше тому было уже 62 года и он считался главным в стране специалистом по спонтанному зарождению жизни. Пастеру было 37 лет. И хотя он многих удивил результатами работы по изучению процесса брожения, в целом он редко занимался биологическими проблемами.
Для опровержения результатов Пуше Пастер пытался отыскать дефекты в старых экспериментальных методах. Сложность изучения спонтанного зарождения отчасти объяснялась необходимостью контролировать присутствие воздуха в реакционных сосудах. В то время считалось, что всем организмам для жизни нужен кислород, так что для создания условий для спонтанного зарождения после стерилизации приходилось вновь вводить в систему кислород. Благодаря опыту, полученному при изучении брожения, Пастер задумался о том, не могут ли микроорганизмы попадать в реакционную среду с частицами пыли из воздуха. Для проверки своей гипотезы он сконструировал простой аппарат, с этого момента ставший символом пастеровского гения, – сосуд с длинной «лебединой» шеей. Прекрасный и функциональный, он имел круглое основание и длинное тонкое горлышко, изогнутое, как лебединая шея. Воздух через такое горлышко проходил, а вот пыль и, возможно, переносимые с воздухом микроорганизмы застревали в многочисленных его изгибах. Пастер поместил в колбы питательный бульон, такой же, как когда-то использовал Нидхем, вскипятил его, а затем некоторые колбы запаял над огнем, а другие оставил открытыми для доступа воздуха. Он оставил колбы стоять дни и даже недели. Среда в колбах с запаянным горлышком осталась стерильной, но, что гораздо важнее, среда в открытых колбах тоже не заросла. В заключение эксперимента Пастер отбил запаянный край горлышка у закрытых колб и оставил их стоять открытыми – и они продолжали оставаться стерильными.