Store opdagelser: Vitalisme og organisk kemi

Transkript

1 Case om striden mellem vitalister og anti-vitalister Casen omhandler striden mellem vitalister, som ikke mener at livsprocesser kan reduceres til kemiske reaktioner og anti-vitalister som mener at de kan. Denne strid kan I finde beskrevet i artiklen fra videnskab.dk: Store opdagelser: Vitalisme og organisk kemi af Helge Kragh. 1. Karakteriser det vitalistiske og det anti-vitalistiske paradigme indenfor den organiske kemi ud fra artiklen. 2. Analyser beskrivelsen af Eduard Buchners forsøg med gær (s. 7) ved hjælp af 6 punktsmodellen for videnskabelig metode, som er beskrevet i slides til IFVT forelæsning Diskuter hvorfor det er så svært at afgøre hvilket af de to paradigmer, der er korrekt ud fra eksperimenter. Hvilke andre faktorer end eksperimenter spiller ind i vurderingen af paradigmerne? Store opdagelser: Vitalisme og organisk kemi 15. januar 2014 ForskerZonenI 1907 modtog den tyske kemiker Eduard Buchner ( ) Nobelprisen for sine undersøgelser af den cellefri gæring. I sin forelæsning i Stockholm beskrev han dyre- og planteceller som 'kemiske fabriker' og antydede, at livets gåde ikke ville forblive en gåde. Af: Helge Kragh, professor, Inst. for Fysik og Astronomi, Videnskabsstudier, Aarhus Universitet Krystal af urinsyre eller urea.»den dag vil oprinde«, sagde han optimistisk,»da selv de livsprocesser, der i dag stadig er gåder for os, ikke længere vil være utilgængelige for os naturvidenskabsmænd.«1

2 Havde kemien givet svaret på det gamle spørgsmål, om der findes en særlig livskraft eller om livet blot er en avanceret organisation af fysisk-kemiske processer? Organisk kemi er kulstofforbindelsernes kemi Kemien er videnskaben om grundstofferne og deres forbindelser, og et af disse grundstoffer adskiller sig markant fra de andre. Der er langt flere og mere komplicerede forbindelser af kulstof end af samtlige andre grundstoffer, hvilket er baggrunden for den moderne inddeling af kemien i organisk og uorganisk kemi. Organisk kemi er simpelthen kulstofforbindelsernes kemi, selv om visse simple kulstofforbindelser som kulilte (CO) og kalk (CaCO 3 ) i praksis ikke regnes for organiske. Navnet 'organisk' relaterer til ord som 'organ' og 'organisme', idet organiske stoffer tidligere blev anset for dem, der stammede fra eller var karakteristiske for den levende del af naturen, plante- og dyreverdenen. Frem til midten af 1800-tallet var den almindelige opfattelse, at organiske stoffer kun kan dannes under medvirken af et organiserende princip eller en særlig livskraft, en vis vitalis, mens livskraften ikke fandtes i de uorganiske eller 'mineralske' stoffer. Livskræften var nu blot et fantasifoster Omkring 1900 var livskraften i det væsentlige uddrevet fra kemien, der ikke længere anerkendte en fundamental forskel mellem organiske og uorganiske stoffer. Livskraften blev nu opfattet som et fantasifoster. Uddrivelsen var dog en langsom proces og blev ikke en dødsdom over vitalismen i almindelighed, nemlig troen på at levende organismers struktur og funktion kun kan forstås ud fra antagelsen af en eller anden slags livskraft. Organisk forbindelse kan syntentiseres af uorganiske produkter Den førende kemiker i første halvdel af det 19. århundrede, svenskeren Jöns Jacob Berzelius ( ), havde ingen problemer med en livskraft, der var forbeholdt organiske forbindelser. Fakta 2

3 Denne artikel stammer fra bogen'50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her Nu kan man jo argumentere, at hvis man ud fra rent uorganiske produkter kan syntetisere en organisk forbindelse i laboratoriet, så vil det udgøre en tilbagevisning af hypotesen om en livskraft. En sådan syntese blev første gang lavet af den noget yngre tyske kemiker Friedrich Wöhler ( ), der havde studeret hos Berzelius og i et brev fra 1828 kunne fortælle ham, at»jeg kan lave urinstof uden brug af en lever eller endog af et dyr, hvad enten det er et menneske eller en hund«. Wöhler fremstiller utrinstof udfra uorganisk salt Det havde siden 1773 været kendt, at urinstof (urea, NH 2 CONH 2 ) er et affaldsprodukt fra leveren, og at det udskilles i urinen. Kort fortalt, så lykkedes det Wöhler at fremstille urinstof ud fra det uorganiske salt ammoniumcyanat, der har formlen NH 4 CNO. Processen kan skrives som en simpel omlejring, NH 4 CNO NH 2 CONH 2. Var vitalismen nu blevet gendrevet? Dette er i det mindste, hvad man kan læse i mange lærebøger i kemi, hvor myten om Wöhlers opgør med den uvidenskabelige livskraft stadig optræder. Budskabet er, at først med Wöhlers opdagelse blev den organiske kemi videnskabelig og i sit grundlag forenet med den uorganiske kemi. Men det er og har altid været en myte, og den bliver ikke mere troværdig, fordi den er blevet gentaget ad nauseam i mere end 150 år. Isomere forbindelser var et nyt fænomen for kemikerne For det første hævdede Wöhler ikke selv at have gjort op med vitalismen, men så primært betydningen af sit eksperiment i, at han ud fra et salt (ammoniumcyanat) havde produceret et stof, der ikke var et salt (urinstof). 3

4 De to stoffer bestod endvidere af de samme atomer, der blot var arrangeret på forskellig vis, sådan at de var eksempler på 'isomere forbindelser', et nyt fænomen som kemikerne netop var begyndt at undersøge. Wöhlers formål med sit eksperiment var slet ikke at syntetisere et organisk stof ud fra et uorganisk, men derimod at syntetisere ammoniumcyanat. I stedet fik han en forbindelse, der viste sig at være identisk med naturligt urinstof. Syntesen vækker stor opmærksomhed på trods af en uhåndgribelig proces Blandt hans samtidige vakte syntesen stor opmærksomhed og blev anset som vigtig, men det var sjældent på grund af dens mulige konsekvenser for vitalismen. Pasteur i sit laboratorium i Paris, 1885, maleri af Albert Edelfeldt ( ). (Pasteur. Olie på lærred, Musée Pasteur, Paris) Selv om processen selv var uangribelig, var fortolkningen det ikke. Urinstoffet var jo et affaldsstof, der ikke kom fra selve leveren, så var det berettiget at betegne det som et egentligt organisk stof? Under alle omstændigheder var begrebet om vitalisme så mangetydigt og dårligt defineret, at det umuligt kunne tilbagevises ved et enkelt eksperiment. Selv i dets begrænsede betydning af kemisk vitalisme krævede det mange eksperimenter, før det stod klart, at livskraften ikke er en aktør i den organiske kemi. Organiske synteser flytter ud af laboratoriet Ganske vist var Wöhlers tidlige syntese af urinstof af ringe betydning i vitalismedebatten, men den indledte en ny æra i den organiske kemi, hvor syntesen af organiske stoffer snart kom til at dominere. Konsekvenserne var store, både videnskabeligt og økonomisk. 4

5 I perioden eksploderede antallet af kendte organiske forbindelser fra 720 til , således at kemikerne ved slutningen af perioden havde kendskab til dobbelt så mange organiske forbindelser som uorganiske. På den tid var organiske synteser ikke længere forbeholdt laboratoriet, men var allerede blevet omformet til blomstrende og stærkt forurenende kemiske industrier, sådan som det var tilfældet med den syntetiske produktion af tekstilfarvestoffer (mauvein, fuchsin og anilinblåt) ud fra kultjære. Danner organiske forbindelser direkte fra grundstoffer I 1844 kunne den tyske kemiker Hermann Kolbe ( ), en tidligere elev af Wöhler, triumferende meddele, at han havde produceret eddikesyre (CH 3 COOH) ud fra rene og simple uorganiske stoffer. Hans metode var kompliceret, men kun baseret på mineralet svovlkis (FeS2) og grundstofferne kulstof, chlor og brint. Ud fra de førstnævnte stoffer fik han trichloreddikesyre (CCl 3 COOH), der ved tilledning af brint let kunne omdannes til eddikesyre. Der var altså uomtvisteligt tale om et organisk stof, lavet uden at der var nogen livskraft til stede. Ti år senere gik den 27-årige franske kemiker Marcellin Berthelot ( ) et skridt videre, idet han syntetiserede en række alkoholer, herunder glycerol og almindelig ethanol. Det lykkedes ham også at lave acetylen (C 2 H 2 ) og benzen (C 6 H 6 ) direkte ud fra de to grundstoffer, nemlig ved at lade kulstof og brint reagere i en elektrisk udladning. Livsprocesser kunne i princippet reduceres til ren kemi Wöhler var nær ven af Justus von Liebig ( ), hvis laboratorium i den tyske by Giessen var banebrydende for kemisk forskning og undervisning. I tegningen fra 1842 optræder flere af Liebigs og Wöhlers elever bemærk at de hvide kitler endnu ikke har gjort deres indtog i laboratoriet (Foto: Laboratorium i Giessen. Deutsches Museum.) Både Kolbe og Berthelot var overbeviste anti-vitalister, og de så det som en af den organiske kemis fornemste opgaver at gøre sig fri af overtroen om en livskraft. For dem at se havde deres og andres synteser allerede leveret det afgørende bevis for, at livsprocesser i princippet kunne reduceres til kemi. 5

6 Når anti-vitalismen på den tid fik vind i sejlene skyldtes det ikke blot de nye kemiske synteser, men også en generel trend væk fra naturromantiske forestillinger og mod en positivistisk og materialistisk videnskabsopfattelse. Inden for rammerne af den nye opfattelse af naturvidenskaben var der ingen plads for en livskraft, hverken i kemien eller i biologien. Livskraften spøger stadig i biokemiske processer Selv om livskraften omkring 1860 var dømt ude, når det gjaldt almindelige organisk-kemiske processer, spøgte den stadig i processer af en biokemisk art, såsom forrådnelses- og gæringsprocesser. Man havde i lang tid vidst, at gær var en nødvendighed for at omdanne sukkerstoffer til alkohol (ethanol) under udvikling af kuldioxid: sukker + gær C 2 H 5 OH + CO 2. Fra mikroskopiske undersøgelser vidste man også, at gær består af små cellelignende organismer måske som en primitiv plante men der var stor uenighed om gærens virkemåde. Ifølge Wöhler og flere andre kemikere var der tale om en ren kemisk proces, hvor gærcellernes mulige liv ingen rolle spillede. Pasteurs undersøgelser af vingær peger i en anden retning De undersøgelser, den fremragende franske kemiker og bakteriolog Louis Pasteur ( ) lavede af vingærens kvalitet, syntes dog at pege i en anden retning. Han viste i 1850'erne, at gær faktisk er levende celler, og at de kan ernære sig såvel aerobt som anaerobt, det vil sige med eller uden luftens ilt. Ifølge Pasteur var alkoholgæring en anaerob livsform (la vie sans air) og dermed helt afhængig af den livskraft, der var i de levende celler. Ved gæringen af kirsebær til kirsebærvin dannes bobler af kuldioxid. Det er en livlig proces, men uden nogen livskraft. I det mindste på dette område hævdede han et vitalistisk synspunkt. Buchner konkluderer at gæringsprocessen var ren og skær kemi 6

7 Striden mellem vitalister og anti-vitalister med hensyn til alkoholgæring blev først afgjort ved århundredets afslutning. Efter den vitalistiske anskuelse burde en død gærsaft, hvor der ikke længere var gærceller, ikke kunne frembringe alkoholisk gæring. Det var for at bekræfte denne anskuelse, at Eduard Buchner i 1897 lavede en række eksperimenter, der gav det modsatte resultat af det, han forventede. Da Buchner havde fremstillet sin døde gærsaft, tilsatte han sukker for at konservere saften mod bakteriel forurening, hvorefter han til sin overraskelse opdagede, at der frembragtes en livlig udvikling af kuldioxid et sikkert tegn på gæring! Buchner kunne yderligere vise, at selv tilsætning af antiseptiske stoffer ikke påvirkede gærsaftens aktivitet. Hans konklusion var derfor, at gæringsprocessen var ren og skær kemi, uden noget spor af en biologisk livskraft. Ti år senere blev han tildelt Nobelprisen i kemi for sin opdagelse, der blev fortolket som endnu et stærkt argument mod den vitalisme, der stadig spøgte i de kemiske kulisser. Den alkoholiske gæring skyldes ikke gæret selv, men derimod enzymer Vi ved i dag, at selv om gærceller faktisk er levende, nemlig encellede svampe, så var Pasteurs synspunkt forkert. Den alkoholiske gæring skyldes ikke den levende gær selv, men et kompleks af enzymer, der kan isoleres fra gæren. De indgående kemiske processer er yderst komplicerede, men det ændrer ikke ved, at de forløber helt efter den almindelige kemis lovmæssigheder og kan forstås uden at antage nogen livskraft. Men heraf følger ikke, at livsprocesser er blevet reduceret til ren og skær kemi. Der er stadig fysikere, kemikere og biologer, som mener, at der er et organiserende princip i livet, som ikke lader sig reducere til de kendte fysisk-kemiske love. 7