Конечно, есть и исключения. Бельгийское пиво сорта ламбик бродит в огромных открытых резервуарах за счет микроорганизмов, оставшихся на стенках и находящихся в воздухе (в противоположность традиционному методу, при котором в емкость закидывают порцию купленного или бережно сохраненного штамма дрожжей). Пиво сортов ламбик часто бывает достаточно кислым – возможно, из-за дрожжей вида Brettanomyces и сопровождающих их бактерий, выделяющих уксусную кислоту. Обычно пивовары и виноделы боятся этих микроорганизмов. Традиционным производителям алкоголя приходится строго придерживаться санитарных требований, чтобы нежелательные микроорганизмы не попали в емкость для брожения и не привнесли в пиво нестандартные вкусы. Но это не значит, что производители пива семейства ламбиков беспечно относятся к своим дрожжевым штаммам: один из таких пивоваров пришел в ужас, когда ему сообщили, что в его помещении для брожения требуется заменить крышу. Он был уверен, что его пиво приобретает свой уникальный вкус благодаря колонии дрожжей, живущих в стропилах потолка. Поэтому он построил новую крышу поверх старой.
С другой стороны, если нам известно, что дрожжи подвержены мутациям, мы можем контролировать их изменения и использовать их себе на пользу. К примеру, производители саке в Японии судили о том, как идет брожение, по высоте пенной шапки, образующейся в чане. Следовательно, в чанах нужно было оставлять свободное место для пены, а это уменьшало объем получаемого продукта. Поэтому в 1960-х годах известный исследователь саке по имени Хироси Акияма решил вывести новую породу дрожжей. Он знал, что бывает брожение и без образования большого количества пены, а еще ему было известно, что дрожжи прилипают к пузырькам, поэтому он взял классический штамм дрожжей для саке – Kyokai № 7 – и начал проводить эксперименты с брожением. Он снимал пену и при помощи процеживания собирал дрожжи, оставшиеся в жидкости (дрожжи для саке не образуют хлопьев). Именно эти дрожжи он использовал для дальнейшего разведения.
Акияма повторял процесс снова и снова. Он назвал эту технику «пузырьковым методом». В конце концов он получил штамм дрожжей, которые не давали большого количества пены. Акияма назвал этот штамм Kyokai № 701. В своей книге «Саке: Суть 2000-летней японской мудрости, приобретенной благодаря приготовлению алкогольных напитков из риса» он писал: «Сегодня, спустя сорок лет после успешного выведения этих не образующих пены дрожжей, их использует около 80 % японских производителей алкоголя. Успех этого эксперимента стал одним из самых выдающихся событий моей жизни».
Исследования Акиямы оказались столь значительными, что его работа и его дрожжи даже вдохновили поэта на написание стихов:
Приручение дрожжей – и, возможно, приручение дрожжами нас – продолжается по сей день. Чтобы лучше понять жизнь дрожжей, мы основали целые биологические дисциплины – ведь понимание природы этих организмов помогает ученым лучше понять и человеческую природу. Чтобы сохранить и защитить любимые нами дрожжи, мы возводим специальные сооружения – например, комнаты для дрожжей, которые есть на крупных алкогольных производствах, или лаборатории с коллекциями типа NCYC. Не обладая собственным разумом, дрожжи вдохновили нас на создание цивилизации.
2
Сахар
В 1854 году коммодор Мэтью Кэлбрейт Перри прибыл со своей эскадрой в Токийский залив, чтобы под угрозой войны вынудить японское правительство подписать договор, положивший начало дипломатическим и торговым отношениям с Японией. До этого события Япония сохраняла строгую – практически ксенофобскую – изоляцию, но прибытие Перри и его эскадры переломило ситуацию и заставило японцев учиться общаться с миром, с которым у них было очень мало общего.
Насколько Япония отличалась от Запада – от части света, которую она многие века практически игнорировала? Скажем, подобно большинству из нас, японцы время от времени позволяли себе расслабиться при помощи порции алкоголя, и этот алкоголь изготавливался при помощи дрожжей. Но субстрат – основа напитка – отличался от того, который использовали в Европе и в Новом Свете. Gaijin – что буквально значит «чужие люди», иностранцы, – использовали фрукты или злаки типа ячменя. В Японии использовался особый злак – рис.
Дрожжи питаются сахаром – но в природе существует множество различных типов сахаров, и не все из них дрожжам по вкусу. Дрожжи вида S. cerevisiae готовы переваривать простые сахара, содержащиеся в большинстве фруктов. Со злаками дело обстоит сложнее: их сахара заключены внутри полимеров – гигантских молекулярных структур, в которых молекула сахара выступает базовым элементом вроде кирпичика Lego. Один из таких полимеров – это крахмал, другой – целлюлоза, которая содержится в древесине. Дрожжи не могут разорвать Lego-конструкции, то есть не способны добраться до более простых элементов сахаров, чтобы питаться ими.
Существование пива и саке доказывает, что и азиатская и западная культуры смогли разрешить эту проблему. Но тысячу лет назад эти культуры прибегли к совершенно разным подходам, которые, впрочем, повели их по параллельным дорогам. Эти дороги говорят нам не столько о культурных различиях, сколько о значимости для человека процесса приготовления алкоголя, а также о самой молекуле сахара. Дело в том, что, поскольку людям хотелось получить выпивку – а им действительно очень, очень этого хотелось, – им пришлось найти способ расщеплять крахмал.
Полвека спустя после прибытия Перри в Японию одному молодому химику чуть было не удалось подарить западному миру азиатскую технологию. Пока он пытался это сделать, он узнал о сахаре много нового. И оказался близок к тому, чтобы перевернуть мир алкоголя с ног на голову.
Этого химика звали Йокичи Такамине, он родился в японском городе Такаока в тот же год, когда Перри впервые прибыл в Йокогаму. Отец Такамине был врачом и работал на правителя (назовем его мэром) города Кага. Он проявлял необычный для того времени интерес к западному миру – например, знал голландский язык. Семья матери Такамине владела предприятием по производству саке. Открытие западного мира, которое произошло благодаря Перри, вдохновило мэра Каги на то, чтобы отправить делегацию из подростков и молодежи в «открытый» портовый город Нагасаки, чтобы они получше узнали gaijin – чужестранцев. Так двенадцатилетний Такамине отправился в чужие края за 600 миль от дома, чтобы жить там в европейских семьях и учить английский язык. Он окончил недавно основанный Токийский университет, а затем поехал в Шотландию по программе обмена, спонсируемой японским правительством. Благодаря этому международному опыту Такамине в то время оказался одним из самых лучших знатоков Запада среди японской молодежи.
Вернувшись в 1883 году в Токио, он получил работу в Министерстве сельского хозяйства и торговли. Ему предстояло найти способы индустриализировать и расширить самобытную японскую промышленность, чтобы вывести ее на международный рынок, и эту работу он решил начать с саке. Почему его заинтересовал именно этот продукт – никто толком не знает. В Токийском университете химию ему преподавал профессор, которого больше интересовала неорганическая химия и которому не было никакого дела до ферментов и вызываемого ими брожения. У Такамине была возможность прочесть изданную в 1881 году книгу Р. В. Аткинсона «Химия изготовления Саке» – один из первых научных трудов на тему алкоголя. Но нам неизвестно, читал ли он эту книгу. Одним из лекторов Токийского университета был немецкий химик Оскар Коршельт, написавший в 1878 году статью «О саке» («Über sake»), но, по всей видимости, он не был преподавателем Такамине.
Возможно, интерес Такамине возник благодаря опыту семьи его матери в производстве саке, а еще из-за того, что саке – это один из пищевых продуктов, который является характерной частью японской культуры. На местном языке саке называли nihonshu. Его делают из риса, что тоже выделяет его из общего ряда. (В Японии рис называют gohan, что буквально означает «еда».) Но еще более важно то, что для изготовления саке, помимо дрожжей, требуется еще один ингредиент – грибок под названием кодзи.
Кодзи – это ключевой элемент японской кухни: с его помощью готовятся саке, соевый соус, мисо (паста из ферментированной сои, которая составляет основу для одноименного супа), рисовый уксус и соевый сыр тофу. Технически кодзи – это плесневый грибок вида Aspergillus oryzae. Если вы разбираетесь в инфекционных заболеваниях, этот факт может вас, мягко говоря, встревожить – ведь большинство представителей рода Aspergillus весьма опасны. Например, вид Aspergillus fumigatus – грибок, обитающий на различных растениях, – может вызывать у человека болезнь под названием аспергиллез, который проявляется тяжелыми аллергическими реакциями, пневмонией, а иногда возникновением аспергиллом – кровоточащих сферических образований в легких. Некоторые из грибов рода Aspergillus производят афлатоксины – чрезвычайно опасные яды, вызывающие поражения печени, почек, легких. Инфицированные таким грибком злаки (чаще всего кукуруза) становятся токсичными и канцерогенными. Иными словами, некоторые из родственников кодзи – настоящие чудовища.
Впрочем, сам кодзи – очень милый зверек. Как и дрожжи, это прирученный микроорганизм, ставший центральным компонентом чрезвычайно важного процесса – как в культурном, так и в экономическом смысле. Как и дрожжи, долгое время он представлял собой загадку для человека. Впервые упоминания о нем встречаются в китайских летописях 300-х годов до нашей эры и в японских летописях, датируемых 725 годом. Спустя сто лет – то есть около тысячи лет назад – изготовление и продажа кодзи были в Японии весьма прибыльным бизнесом. Предприятия под названием moyashi продавали в Японии грибок A. oryzae начиная с XIII века.
Несмотря на кажущуюся простоту действия, кодзи действительно совершает маленькое чудо: он превращает крахмал в сахар. Такамине не знал, как это происходит, – тогда никому это не было известно, – но он, вероятно, догадывался, что разгадка этой тайны поможет ему разбогатеть.
Сахар – это самое важное вещество на Земле.
Вы скажете, что этого звания больше заслуживает вода. Понимаю. Вода действительно незаменима, чтобы растворять и переносить другие молекулы из одного места в другое – как внутри нашего тела, так и в окружающей нас природе. Благодаря воде химические вещества сталкиваются друг с другом, и в результате происходит много интересного. Но присудить воде награду «Лучшая молекула» – все равно что присудить бумаге награду «Лучшая книга». Вода – это средство, своего рода фон. А сахар – это топливо. Это бензин в наших баках – молекула, в которой запасена энергия, необходимая нам – живым существам, – чтобы оставаться живыми.
(И, в отличие от настоящего бензина, сахар растворим в воде, благодаря чему он легко перемещается внутри нашего тела.)
По сути, сахар – это жизненная сила, энергия. Она хранится в связях, удерживающих атомы внутри молекулы вместе. Сахар – это углевод, то есть он состоит из атомов углерода, выстроенных в форме пяти- или шестиугольников, в вершинах которых к углероду прикреплены атомы водорода и кислорода. То, что наш мозг воспринимает сладкое как «вкусное», объясняется тем, что в ходе эволюции мы научились связывать вкус этих молекул с получением большого количества калорий без особых усилий. «Сладость» – это механизм вознаграждения мозга за поедание богатой энергией пищи.
С точки зрения пищи, благодаря сладости нектар и плоды растений выступают приманкой, привлекающей животных, которые затем распространяют их пыльцу и семена. Мед богат сахаром, потому что он является пищей для пчелиных деток, а деткам требуется много энергии.
Самые простые молекулы сахаров – это моносахариды. Молекула глюкозы представляет собой кольцо из шести атомов углерода. Молекула фруктозы состоит из пяти атомов углерода. Если соединить их вместе, то получится сахароза – привычный нам сахар для чая и кофе. Дрожжи могут питаться всеми этими сахарами, а также некоторыми более экзотичными разновидностями – например, галактозой или такими дисахаридами, как мальтоза и мелибиоза… В общем, идея понятна.
Кроме того, молекулы углеводов могут соединяться и комбинироваться, образовывая плоские и пространственные структуры. Все мы слышали о генетическом материале ДНК – это молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, основу которой составляет моносахарид рибоза.
Расположите молекулы глюкозы в одной плоскости,,, сложите вместе несколько таких «простыней», и вы получите молекулу самого распространенного в мире органического вещества – целлюлозы, которая является сверхпрочным строительным материалом для растений. Глюкоза – это кирпич, целлюлоза – это стена. Но если глюкоза является основным источником энергии для большинства живых организмов на Земле, то целлюлоза совершенно неудобоварима почти для всех, за исключением малой горстки живых существ. И эта живность – исключительно микроорганизмы – небольшое количество бактерий и еще меньшее количество грибов. Они вырабатывают ферменты, расщепляющие целлюлозу до кирпичиков – растворимых сахаров и их уже используют в качестве питания. Дрожжи в число поедателей целлюлозы не входят. Интересно, что некоторые большие животные научились переваривать целлюлозу. Например, коровы: у них большие многокамерные желудки, в которых живут разные микроорганизмы – в их задачу входит выработка ферментов для расщепления целлюлозы. Прибегают к помощи микроорганизмов и термиты. А вот из кроликов целлюлоза выходит непереваренной, как и из нас, людей. Правда, чтобы получше переварить свой корм, кролики едят свои какашки и пытаются переваривать целлюлозу по несколько раз. (Правда, она все равно до конца не разлагается.)
А вот и самая классная часть: если соединить кирпичики глюкозы под слегка измененным углом, то получится совершенно другое вещество. Вместо жесткой неудобоваримой целлюлозы образуется амилоза, более известная как крахмал. Еще увеличим угол – и синтезируем амилопектин, еще один распространенный строительный материал растений.
Посмотрите, как изящно природа распоряжается этими кирпичиками Lego – она использует их снова и снова, в качестве источника энергии и в качестве строительного материала. Вот почему сахар так важен.
И тут мы сталкиваемся с проблемой: дрожжи не могут питаться крахмалом. Без простых сахаров не будет никакого брожения, а без брожения не будет и алкоголя. Однако эти маленькие проныры способны научить нас нескольким фокусам. Помните тех собак, которые согласились быть игривыми и ласковыми в обмен на халявное мясо и теплое местечко у очага? Дрожжи тоже научились кувыркаться и бегать за палочкой – лишь бы добраться до сахаров, которые они не могут получить самостоятельно. Мы научились расщеплять сложные полимеры сахаров, содержащихся в злаках, чтобы накормить ими грибок. Мы приручили дрожжи, а дрожжи приручили нас.