발효의 생물학적 이론. 과학적 발견의 역사와 본질

가장 중요한 과학적 발견
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발효의 생물학적 이론. 과학적 발견의 역사와 본질

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1680년 네덜란드인 안토니 반 레벤후크 나는 집에서 만든 현미경으로 맥주 효모를 처음 보았다. 그는 왕립학회에 보낸 편지에서 그것들을 설명하고 클러스터를 형성하는 싹트는 둥근 세포를 보여주는 그림을 주었습니다. 따라서 효모 형태에 대한 연구가 시작되었습니다. 이러한 관찰은 당시 과학의 상태를 훨씬 앞서 있었습니다. 1835년에야 프랑스의 Cañard de Latour, 독일의 Schwann, Kützing의 보고에서 효모가 핵이 있는 하등 식물 유기체에 속하고 설탕을 함유한 영양 배지에서 발아하여 증식하고 발효. 그러나 발효의 원인 규명과 관련된 연구에서 이러한 생물학적 방향은 XNUMX세기 전반기에 보편적인 인식을 받지 못했다.

XNUMX세기 중반에 발효의 화학 이론이 널리 퍼졌습니다. 예를 들어, Stahl은 부패하는 물질이 현재 부패하지 않는 다른 물질로 이 상태를 전달할 수 있다고 주장했습니다. 부패는 움직임을 동반하며 부패를 유발하는 능력은 움직임이 정지된 신체로 전달되는 것과 관련이 있습니다. 효소도 움직이고 발효를 일으키는 능력은 움직임의 전달과 관련이 있습니다.

당시의 저명한 화학자인 리비히(Liebig)와 베르셀리우스(Berzelius)는 이러한 관점을 발전시켰습니다. Berzelius는 다양한 유형의 발효와 부패 사이의 근본적인 차이점을 보지 못했습니다. 이 모든 것은 동일한 과정의 서로 다른 단계입니다. 발효는 두 가지 조건이 충족되어야만 가능합니다. 배지에는 글루텐이나 기타 질소 함유 유기물이 포함되어야 하며, 글루텐이 포함된 발효액은 대기 산소에 노출되어야 합니다. 이 경우 용기 바닥에 불용성 침전물이 형성되어 새로운 발효가 발생할 수 있습니다. Liebig은 모든 발효 과정을 유기 물질의 분해 및 부패와 연관시켰는데, 유기 물질이 부패하면 효소가 되어 이미 설탕과 같은 썩지 않는 물질의 발효를 일으킬 수 있습니다.

부패하는 물질이 발효물과 접촉하면 후자가 입자로 분해됩니다. Liebig은 효모가 설탕의 발효에 필요하지만 반드시 살아있는 것은 아니라는 점을 부인하지 않았습니다. 다른 썩어가는 물질과 마찬가지로 발효를 일으키는 죽어가는 썩어가는 효모이기 때문입니다.

이는 가장 일반적인 용어로 프랑스 과학자 파스퇴르가 발효에 대한 연구를 시작하기 전까지 발효 화학 이론의 기초였습니다.

루이 파스퇴르 (1822-1895)는 프랑스의 돌이라는 마을에서 태어났습니다. 루이스는 대가족에서 자랐습니다. 건강이 좋지 않고 자금이 부족함에도 불구하고 Pasteur는 처음에는 Arbois에 있는 대학에서, 그 다음에는 Besançon에서 성공적으로 학업을 마쳤습니다. 이곳에서 학사 학위를 받은 후 1843년 고등학교 교사를 양성하는 고등사범학교에 입학했습니다.

1847년 학교를 졸업한 후 파스퇴르는 물리과학과 부교수 직위 시험에 합격했습니다. 26년 후 그는 자신의 박사 논문을 옹호했습니다. 당시 파스퇴르는 아직 XNUMX세도 되지 않았지만 이미 결정구조 분야 연구로 명성을 얻은 상태였다. 젊은 과학자는 많은 주요 과학자들의 노력에도 불구하고 해결되지 않은 질문에 답했습니다. 그는 유기 물질 결정에 편광 광선이 불평등하게 영향을 미치는 이유를 발견했습니다. 이 뛰어난 발견은 이후 분자 내 원자의 공간 배열에 관한 과학인 입체화학의 출현으로 이어졌습니다.

또한 1848년에 파스퇴르는 디종의 물리학 부교수가 되었습니다. 1848개월 후, 그는 스트라스부르에서 화학 부교수로 새로운 직책을 맡습니다. 파스퇴르는 XNUMX년 혁명에 적극적으로 참여했으며 심지어 방위군에 합류했습니다.

1854년에 파스퇴르는 릴 대학교에서 새로 조직된 물리학 및 수학 학부의 학장으로 임명되었습니다. 프랑스의 이 지역은 설탕과 발효 산업으로 유명했습니다. 지역 공장 소유주는 최신 과학 성과에 따라 생산 합리화, 개선을 돕기 위해 파스퇴르에게 반복적으로 요청했습니다. 공장의 일을 알게 된 파스퇴르는 이 분야에 대한 현대 과학 지식이 충분하지 않다는 결론에 이르지 않을 수 없었고, 이로 인해 발효 연구를 시작했습니다.

그는 이 문제를 연구하기 시작했습니다. 그의 연구 결과는 논문이었습니다. 처음 출판된 회고록은 젖산 발효에 관한 것이었습니다. 이것은 새로운 발효이기 때문에 과학계에서 특히 큰 인상을 남겼습니다. 이전의 모든 연구는 주로 알코올 발효에 관한 것이었습니다.

A.A. Imshenetsky는 과학자에 대한 작업에서 "파스퇴르는 자신의 실험 데이터가 발효의 화학 이론을 어느 정도 확인하거나 반박할 수 있는지 알아보기 위해 발효에 대한 모든 연구를 수행했습니다. 그의 실험 결과는 요약할 수 있습니다. 다음과 같이.

1. 발효 화학 이론 지지자들의 의견과는 달리 공기는 발효가 일어나는 데 필요하지 않습니다. 젖산발효는 알코올발효와 마찬가지로 공기의 접근 없이 진행된다. 이를 통해 우리는 "발효는 산소 없는 생명이다"라는 일반 공식을 제시할 수 있습니다. 이 논문을 입증하기 위해 산소가 필요하지 않을 뿐만 아니라 혐기성 박테리아가 그들에게 독으로 작용하는 엄격하게 혐기성 박테리아에 의해 발생하는 부티르산 발효에 대한 파스퇴르의 발견은 매우 중요했습니다. 이 발견 이전에는 산소가 없는 삶은 불가능하다고 믿었으며 Gay-Lussac이 Appert의 통조림 식품에 대한 저항성을 캔의 산소 부족으로 인한 부패와 연관시킨 것은 우연이 아닙니다. 혐기성 미생물의 발견은 브레펠드(Brefeld)와 다른 과학자들의 강력한 반대에 부딪혔지만, 너무 설득력이 있어서 곧 모든 사람이 받아들였습니다.

2. 각 발효는 특정 병원체에 의해 발생합니다. Pasteur는 처음으로 젖산 발효가 효모와 형태가 다른 미생물의 발달과 관련이 있음을 확인했습니다. 부티르산은 특별한 유형의 미생물의 중요한 활동의 결과로 형성됩니다. 요소 발효뿐만 아니라 아세트산 및 알코올 발효에도 병원균이 있습니다. 파스퇴르가 하위 식물 유기체의 분류 체계의 현재 상태에 기초하여 그가 기술한 유기체에 항상 정확한 이름을 부여하지 않았다는 사실은 놀라운 일이 아닙니다. 그래서 그는 부티르산 박테리아를 동물계의 대표자에게 돌렸고 아세트산 박테리아를 Mycoderma로 지정했습니다. 이 모든 것이 주요 결론을 바꾸지 않았습니다. 다양한 발효는 다양한 미생물에 의해 발생합니다.

3. 발효 화학 이론의 지지자들이 믿었던 것처럼 발효는 미생물의 삶, 번식과 관련이 있으며 죽음과 분해와는 관련이 없습니다. 발효 중 미생물의 무게는 지속적으로 증가하고 미생물에 의해 발효된 물질은 효모가 몸을 만들기 위해 사용하기도 합니다.

4. 발효를 위해 배지에 단백질 물질 (글루텐) 입자가 존재할 필요는 없으며 화학 이론의 지지자에 따르면 움직이고 다른 입자로 옮겨 발효 또는 부패를 유발합니다. 알코올 또는 젖산의 형성과 함께 설탕의 발효는 단백질을 전혀 포함하지 않지만 질소의 유일한 공급원으로 무기 화합물(예: 황산 암모늄)이 있는 배지에서 발생할 수 있습니다.

Pasteur의 실험적 연구 결과는 Liebig의 이론에 결정적인 타격을 입혔습니다. 그것의 지지자들은 더 이상 입자의 움직임을 전달함으로써 발효를 설명할 수 없었고 그것을 부패 물질의 분해와 함께 죽음과 연관시킬 수 없었습니다.

그러나 이미 XNUMX년대 초반에 Berthelot은 그러한 제한된 생물학적 관점이 생리학자, 더욱이 화학자를 만족시켜서는 안 된다는 아이디어를 직접적으로 표현했습니다. 열화학 데이터를 기반으로 Berthelot은 효모 세포의 발효와 생명 활동이 서로 관련이 없다고 주장했습니다. 왜냐하면 효모의 살아있는 물질 합성을 위해서는 외부에서 에너지가 유입될 필요가 없기 때문입니다.

생화학과 효소학의 발전은 뛰어난 과학자들이 베르텔로의 생각으로 돌아가도록 점점 더 장려했습니다. 점차적으로 발견된 “용해성 효소”, 즉 효소의 수가 증가하고, 이당류와 다당류의 무세포 가수분해, 단백질 분해, 다양한 산화 과정을 수행하는 것이 가능해졌습니다. 이 모든 것이 K.A. Timiryazev는 1895년 강의에서 다음과 같이 말했습니다. "...파스퇴르와 논쟁을 벌이는 베르텔로(Berthelot)는 발효를 파스퇴르가 관찰한 생리적 현상의 기초가 되는 화학적 과정으로 보는 견해는 불가피한 역사적 발전 과정에서 나온 것이라고 지적했습니다. 복잡한 현상이 단순한 현상으로, 따라서 생리학적인 현상이 물리적 및 화학적 현상으로 축소되는 모든 과학, 특히 생리학의 그리고 우리가 볼 수 있듯이 역사는 이미 이에 대한 이러한 언급의 정확성을 다음과 같이 정당화합니다. 베르텔로..."

파스퇴르는 발효에서 효소의 참여를 결코 부정하지 않았다고 말해야 합니다. 예, 화학자이기 때문에 세포 내부에서 일어나는 일련의 화학 반응 없이 분자가 알코올로 변환되는 것을 상상할 수 없었기 때문에 그것은 비논리적입니다. "... 발효에서 용해성 효소의 발견이 이루어지거나 설탕이 알코올로 전환되는 것이 세포의 중요한 활동과 무관하게 입증된다면 그들이 내가 당혹스러울 것이라고 생각하는 근거는 무엇 때문인지 나에게 미스터리입니다.

무세포 발효에 대한 연구, 효모 주스 및 기타 제제에 대한 연구가 많은 가치를 낳은 것은 의심의 여지가 없습니다. 발효 계획, 특히 모든 매뉴얼에 포함되어 현재 일반적으로 인정되는 알코올을 확립하는 것을 가능하게 한 것은 바로 그들이었습니다. A.A. Imshenetsky는 "그러나 이러한 모든 연구는 이 과정이 "어떻게" 발생하는지에 대한 질문에 답하지만 "왜" 효모 세포 내부의 효소가 이렇게 조화롭고 극도로 복잡한 기능을 할 수 있게 되었는지, 그리고 "왜" 또는 다른 발효 과정이 발생했습니다.이것은 파스퇴르가 당시 개발한 주요 아이디어의 세부 사항일 뿐이며 발효의 화학 이론과 생물학적 이론의 대조가 아닙니다.

파스퇴르는 뛰어난 생물학자로서 처음으로 발효가 일어나는 이유에 대해 철저한 답을 제시했습니다. 그는 이러한 과정의 편리성을 설명하고 그것이 세포의 생명에 필요하며 적응성이 없다면 자연에서 발생할 수 없음을 보여주었습니다. 이것은 때때로 화학 연구에서 잊혀집니다.

파스퇴르는 발효의 에너지적 중요성을 지적하고 그것이 생태학적 중요성을 가지고 있음을 보여주었습니다. 그의 연구에서 그는 환경 변화에서 미생물을 발효시키는 자체 활성 활동의 산물이 수행하는 큰 역할을 반복해서 언급했습니다. 한 유형의 미생물이 그 자체의 중요한 활동의 산물로 다른 유형의 미생물을 대체한다는 사실을 입증함으로써 파스퇴르는 가장 흥미로운 환경 문제 중 하나를 해결했습니다. 여기서 주목해야 할 점은 당시 독일 연구자와는 달리 그는 모든 유형의 미생물이 예외 없이 자랄 수 있는 보편적인 영양 배지에 대한 탐구를 포기하고 생태학에 기반한 배지, 즉 조건을 사용한 최초의 사람이라는 점입니다. 미생물의 존재를 위해. 그러므로 우리는 파스퇴르를 아직 발전하고 있는 미생물학의 새로운 분야, 즉 미생물 생태학의 창시자로 간주할 권리가 있습니다."

발효 현상을 푸는 것은 "와인 질병"으로 막대한 손실을 입은 프랑스 와인 양조뿐만 아니라 생물 과학의 발전, 농업 및 산업의 실천에 탁월한 역할을 수행한 프랑스 포도주 양조에서 매우 실용적으로 중요했습니다. 발효의 특성에 대한 깊은 지식을 통해 발효 과정을 제어할 수 있습니다. 이것은 제빵, 포도주 양조 및 많은 식품 물질의 제조에 매우 중요합니다.

저자: Samin D.K.

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유기 재료로 만든 플래시 메모리 10.11.2014

일본 물리화학연구소 RIKEN은 유기 재료를 기반으로 한 고밀도 비휘발성 메모리를 만들 가능성을 실험적으로 증명했습니다. "유기"가 전자 회로에 사용되는 것은 처음이 아닙니다. 많은 사람들이 삼성의 AMOLED 디스플레이와 단순히 OLED 디스플레이에 대해 들어봤을 것입니다. 또한 유기 재료를 기반으로 한 트랜지스터는 고급 태양 전지판 생산에 사용됩니다.

그러나 유기 물질의 또 다른 효과가 알려져 있습니다. 광변색성으로 아직 전자 제품에서 널리 적용되지 않습니다(카멜레온 안경은 제외). 이 효과는 자외선의 영향으로 특정 화합물의 분자가 노란색, 파란색, 빨간색과 같이 투명하게 착색된다는 사실에 있습니다. 이 효과는 되돌릴 수 있습니다. 가시광선을 조사하면 분자에 투명도가 반환됩니다. 재 노출이 발생하지 않는 한 분자의 색상 변화는 발생하지 않습니다. 필수 영양 지원 없이(조명 없이) 상태를 유지합니다. 메모리는 왜 안되지?

광변색 효과는 오랫동안 연구되어 왔습니다. 주요 과제는 SRAM 또는 DRAM 어레이와 유사한 이종 물질의 화학적 조성의 "배지"를 정렬된 구조로 전환할 수 있는 기술을 개발하는 것이 었습니다. 이 경우 분자는 전자 회로의 추가 생성에 적합한 메모리 어레이의 유사성을 재현해야 합니다. 예를 들어 - 구리 기판에.

RIKEN 연구소에서는 디아릴에틸렌 유도체로부터 분자 구조의 자가 조립의 화학적 메커니즘을 기반으로 유사한 기술을 개발하고 실제로 그 효율성을 입증했습니다. 아래 슬라이드의 오른쪽은 반복되는 원소의 정렬된 분자 집합 모델을 볼 수 있고 오른쪽은 주사 터널링 현미경을 사용하여 만든 실제 샘플의 이미지를 볼 수 있습니다.

개발자에 따르면 분자 구조를 통해 1Tbit/square inch 이상의 밀도로 데이터를 기록할 수 있습니다. 이것은 전통적인 수단의 기록 능력보다 높습니다. 사실, RIKEN 기술이 실험실을 떠나는 동안 현대 기술은 훨씬 더 발전할 수 있으며 그 중 어느 것이 진정으로 획기적인 것인지는 아직 확실하지 않습니다.

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