Příloha č. 4 Vytvořený studijní materiál („verze pro tisk“) masarykova univerzita

Rozvoj oborů souvisejících s chemií

Krystalografie

Již v 17. století poukázal Steno na neměnnost úhlů mezi ploškami krystalu. Následně poukázal Huygens na to, že krystal je seskupením identických molekul. K upřesnění představy o růstu krystalů přispěl nejvýznamněji R. J.Haüy (1800). Roku 1824 byla vyslovena již moderní teorie, že mřížka krystalu je vytvořena z atomů a nikoliv z molekul, jak se předpokládalo. V pracích fyziků bylo vyzdvižena závislost vlastnosti krystalů s jejich strukturou – chemicky podobné sloučeniny mají téměř identické formy krystalů. Roku 1850 bylo popsáno 14 typů geometrických obrazců tvořených body pravidelně uspořádanými v prostoru a dokázáno, že body (částice) mohou být uspořádány v maximálně 14 typech prostorových mřížek, které byly dány do vztahu s třídami symetrie. Mocný experimentální nástroj, paprsky X, k potvrzení teoretických úvah o vnitřním uspořádání látek dal krystalografům W.C. Röentgen. Nová věda – krystalografie – se stala užitečným pomocníkem chemie.

Lékařství

S vývojem fyzikálních věd se vytvářel i nový přístup k vědeckému chápání živých organismů. Pokrokům chemické a biologické vědy nemohly vystačit staré lékařské teorie o tělesných šťávách apod.

Lékařská věda, která se začala rozvíjet především v 18. a 19. století, kladla hlavní důraz na fyziologii a anatomii. První úspěšné pokusy vakcinace v boji proti neštovicím provedl roku 1796 E. Jenner.

V 19. století dozrála doba pro zjištění úlohy mikroskopických zárodků chorob, jejichž existenci odmítala do této doby lékařská věda připustit, čímž lékaři dokonce nechtěně přispívali k šíření infekčních chorob. Za předního vůdce v boji proti mikrobům je považován L. Pasteur. Musel ale využít veškeré své autority chemika, aby se mu podařilo přemluvit vedoucí lékaře k přijetí základních antiseptických opatření v nemocnicích. Za pravdu mu daly jeho výsledky imunizace proti sněti u dobytka a proti vzteklině u člověka, což nakonec lékaře donutilo přijmout jeho názory. Revoluce zahájená Pasteurem znamenala prakticky založení vědeckého lékařství.

Tak byly postupně přemoženy choroby, které způsobovaly úmrtnost lidí v dětském věku a mládí, jako tyfus, záškrt, cholera, mor, malárie a další. Bakteriologie jako věda tak vstoupila do lékařské praxe a stala se její podstatnou součástí. Obrovské nahromadění lidí v průmyslových městech 19. století by nikdy nebylo bývalo možné bez hygienických metod, jež se vytvořily postupným uznáváním mikrobové teorie nemocí.

Dalším ze zakladatelů vědeckého lékařství je francouz Claude Bernarda (1813-1878), který dokázal, že důležité vnitřní funkce těla jsou podmíněny složitou rovnováhou chemických reakcí, z nichž mnohé popsal.

V 19. století opět ožilo i studium mechanismu nervové činnosti zásluhou Bella (1774-1842) a Magendia (1785-1855).

Pro toto období je také typické hledání a uplatňování stále lepších léků proti nemocem. Jedním z nich byl acylpyrin (aspirin). V roce 1803 izoloval německý lékárník Sertürner z opia lék využívaný především pro tišení bolestí – morfin. Objev antibiotik je připisován sice 20. století, ovšem první krůčky k jejich objevu a pochopení jejich funkce učinili vědci již v 19. století.

Rozvoj interdisciplinárních věd

Fyzikální chemie

Vznik fyzikální chemie jako samostatné vědní disciplíny se obvykle spojuje s daty 1885 (vydána učebnice W. Ostwalda Lehrbuch der allgemeinen Chemie poprvé shrnující zákonitosti fyzikální chemie) a 1887 (založen odborný časopis Zeitschrift für physikalische Chemie, u jehož vzniku stáli např. W. Ostwald, J. H. van´t Hoff a S. Arrhenius – zakladatelé fyzikální chemie).

Osamostatnění fyzikální chemie předcházela celá řada prací a objevů, z nichž některé lze datovat již do 17. století, ale většina se udála právě ve století devatenáctém. Během první poloviny 19. století začalo být zkoumáno stavové chování plynů reálných. Během první čtvrtiny 19. století se podařilo zkapalnit většinu plynů, zbývající z nich byly zkapalněny po roce 1869, kdy byla objevena tzv. kritická teplota.

Počátky studia termodynamiky sice spadají do 17. století, ale ke skutečnému vývoji dochází až po odlišení teploty a tepla v 18. století. Během 1. poloviny 19. století jsou formulovány termochemické zákony a 1. a. 2. věta termodynamická, které následně vedou k možnosti odhadu uskutečnitelnosti chemických dějů a k výpočtu hodnoty rovnovážné konstanty chemických dějů pomocí změny Gibbsovy energie.

Pozornost byla v 19. století věnována i katalýze. Přestože katalyzované reakce (fermentační procesy) byly známy a vědomě využívány již ve starověku, byl pojem katalyzátor zaveden až roku 1835 J. J. Berzeliem. Dnes přijímaná teorie katalýzy byla formulována na konci 19. století F. W. Ostwaldem.

Fotochemické děje byly pozorovány již v 17. století, avšak k jejich soustavnějšímu studiu došlo až počátkem 19. století (1835 objev fotografie).

Nauka o elektřině a elektrochemii se dlouho vyvíjely společně. Základní pilíře byly položeny již v 18. století (vodiče a nevodiče, kondenzátor, kladný a záporný náboj, Coulombův zákon). Studium iontových dějů spadá přibližně do druhé poloviny 19. století (1834 Faradayovy zákony, 1887 teorie elektrolytické disociace, 1889 teorie elektrochemických reakcí)

Poslední čtvrtinou 19. století končí období tzv. klasické fyziky. Pracemi J. C. Maxwella byla vybudována jednotná teorie elektromagnetismu, která spojila nauku o elektřině, magnetismu a optice s termikou. Kinetická teorie Maxwella-Bolzmanna vysvětlila chování látek v různých skupenských stavech i zákonitosti dříve empiricky poznané. Termodynamika především pracemi J. W. Gibbse, F. W. Ostwalda a J. H. van´t Hoffa začala ovlivňovat nejen konstrukce tepelných zařízení, ale pronikla i do chemie a chemické technologie. Teoretických poznatků se začalo hojně využívat v praxi (dynamo a elektrické motory, rozvod elektrické energie, bezdrátový přenos informací, konstrukce spalovacích motorů apod.).

Vědcům se zdálo, že vše podstatné již bylo objeveno, ale k zásadně novým objevům došlo teprve tehdy, když se začala studovat doposud málo prozkoumaná odvětví fyziky, např. elektrické výboje v plynech. Nové poznatky v této oblasti vedly nakonec k revoluci ve vědě a k narušení celé pečlivě vytvořené soustavy klasické fyziky (krize fyziky), svým rozsahem značně ovlivnily vývoj chemie 20. století.

Biochemie

Biochemie (fyziologická chemie) jako samostatná moderní věda vznikla počátkem 40. let 19. století. Velký vliv na vývoj biochemie měly práce jednoho z předních průkopníků fyziologie a biochemie výživy, J. von Liebiga, který vysvětlil svou minerální teorii.

V 19. století probíhal také několik desetiletí spor o podstatu kvašení, kterého se účastnili někteří význační chemikové, jako např. F. Wöhler, J. J. Berzelius, J. Liebig, L. Pasteur nebo E. Buchner, který nakonec objevil správnou chemickou podstatu kvašení.

Chemickou činností živých organismů se ve 2. polovině 19. století zabýval především Francouzský profesor chemie L. Pasteur, který byl jedním z největších předchůdců biochemické revoluce 20. století.

Značný význam ve vývoji biochemie v 19. století měl také výzkum fotosyntézy nebo objev a výzkum biologicky velmi významné skupiny látek - nukleových kyselin.

Biochemie - rozšíření

K porozumění biologickým pochodům přispěla především nová organická chemie. Za počátek biochemie považujeme Lavoisierovy objevy v 18. století. V tomto století byly zjištěny hlavní rysy živočišného a rostlinného metabolismu, pokud jde o uhlík, vodík a kyslík. Trvalo však ještě značnou část 19. století, než byla objevena stejně významná úloha dusíku.

Biochemie (fyziologická chemie) jako samostatná moderní věda vznikla počátkem 40. let 19. století a zdědila část problematiky, kterou předtím zkoumala organická chemie. Velký vliv na vývoj biochemie měly práce J. von Liebiga. Ten ve svém spise Chemie a její použití v zemědělství a fyziologii (1840) vysvětlil svou minerální teorii. Liebig se správně domníval, že základem životních pochodů je metabolismus, jehož podstatu tvoří chemické pochody. Jeho představy podnítily mnohé fyziology k dalším cenným výzkumům a i přes řadu dílčích omylů jej můžeme považovat za jednoho z předních průkopníků fyziologie a biochemie výživy.

V 19. století probíhal také několik desetiletí spor o podstatu kvašení, které již A. L. Lavoisier prohlásil za chemický děj.

Někteří chemikové, jako F. Wöhler, J. J. Berzelius a především J. Liebig, zastávali mechanickou hypotézu kvašení (kvašení je způsobeno inertními chemickými reakcemi). Proti nim stáli přívrženci vitalistické interpretace kvašení (kvašení je dílem živých buněk). Mezi přívržence této teorie patřil také L. Pasteur, který zjistil, že kvašení je chemický děj, vázaný však na život mikrobů (laktobacilů) a vystoupil s tímto názorem roku 1857 proti příznivcům mechanické teorie. Roku 1875 Pasteur zjistil schopnost kvasinek žít anaerobně. Jeho práce, ve kterých dokazoval, že kvašení je dílem živých buněk, mu později umožnily přistoupit ke studiu infekčních chorob.

Mezi prvními, kdo si uvědomil význam sporu mezi Liebigem a Pasteurem pro vývoj biochemie, byl majitel vinných sklepů v Německu, Moritz Traube. Ten roku 1861 upozornil na to, že chemické pochody v organismech závisí většinou na činnosti fermentů, tj. enzymů, což prý jsou bílkovinné látky vylučované mikroby, a proto porozumět chemii živého není možné bez správné teorie kvašení.

Vedle Traubeho se o kvašení zajímalo ještě několik dalších badatelů, ale správnou chemickou podstatu kvašení objevil až profesor vysoké zemědělské školy v Berlíně E. Buchner, který připravil roku 1897 šťávu z rozdrcených kvasnic, prostou buněk. Cukr byl touto šťávou rychle zkvašován. Látka, která měla toto kvašení provádět, byla nazvána zymáza.

Tímto objevem se potvrdilo Liebigovo tvrzení, že kvašení je chemický proces, ale současně se ukázalo, že enzymy jsou produktem činnosti organismů, jak tvrdil Pasteur. Buchnerovým objevem byl uspíšen proces vyčlenění biochemie jako samostatné vědecké disciplíny, jak ze sféry organické chemie, tak fyziologie.

Francouzský profesor chemie L. Pasteur se ve 2. polovině 19. století zabýval především chemickou činností živých organismů.

Jako chemik studoval nejen vzhled organismů, ale i jejich chemické vlastnosti. Vypracoval důmyslný a praktický postup zabraňující rušivému účinku mikrobů na potraviny, dnes známý jako pasterizace. Dokázal zabránit hnití účinnou filtrací vzduchu. Pasteur také zjistil, že nemoci větších organismů, zvířat i člověka jsou vyvolány mikroskopickými zárodky nemocí. Byl předním praporčíkem v boji proti mikrobům. Jeho výsledky imunizace proti sněti u dobytka a proti vzteklině u člověka jej proslavily po celém světě.

Revoluce zahájená Pasteurem znamenala prakticky založení vědeckého lékařství. Pasteur svými pracemi ukázal, že ani nejjednodušší tvorové nevznikají z ničeho, a že na Zemi již nenastává žádné stvoření života – vyvrátil tak učení o samooplození. Byl jedním z největších předchůdců biochemické revoluce 20. století.

Značný význam ve vývoji biochemie měl také výzkum fotosyntézy. Francouzští chemici J. Pelletier a J. B. Caventou získali roku 1818 zelené barvivo z rostlin v relativně čistém stavu a nazvali je chlorofyl. Vztah zeleného zbarvení rostlin a schopnosti vázat světelnou energii poznal roku 1819 německý fyzik a chemik Ch. J. D. Grotthus, který začal studovat fotochemické reakce. Roku 1862 se podařilo německéhu rostlinnému fyziologovi J. Sachsovi, žáku a chráněnci J. E. Purkyně, zjistit, že prvním metabolitem fotosyntézy je glukosa, druhým škrob.

Další výzkum chlorofylu a fotosyntézy spadal především do 20. století.

Do 19. století spadá také výzkum a objev biologicky velmi významné skupiny látek - nukleových kyselin. Jedním z průkopníků byl J. G. Mendel, brněnský augustinián, který roku 1865 otiskl své významné sdělení Pokusy s rostlinnými kříženci. V té době studoval švýcarský chemik J. F. Miescher chemické složení hnisu. Z jader buněk hnisu získal bílkovinu, kterou nazval nuklein. Kyselinami se vyluhovala z nukleinu bezbarvá kyselina obsahující fosfor, která odpovídala látce, kterou získal již ve 30. letech 19. století francouzský lékárník H. Braconnot z vinných kvasinek. Roku 1899 popsal německý chemik R. Altman zlepšenou metodu přípravy této kyseliny ze živočišných tkání a kvasnic a nazval ji kyselina nukleová. Další pokusy o rozřešení složení a struktury nukleových kyselin spadají do 20. století.