П. КОШЕЛЬ

Продолжение. См. № 42/2004

Фотосинтез

Однако и Ингенгуз, и Пристли рассматривали вопрос об изменении состава воздуха в результате жизнедеятельности растений, главным образом, с гигиенической точки зрения. Научное разъяснение сущности этого процесса принадлежит поэтому не им, а швейцарскому ученому Сенебье. Он первый попытался разобраться в физической и химической стороне явлений, открытых Пристли.

Сенебье не был ученым, он был скромным библиотекарем в Женеве. Посвятив много лет постановке различных физических и химических опытов, он подошел к вопросу о газообмене у растений во всеоружии современной ему техники научного эксперимента. Результаты своих исследований он изложил в работах: «Физико-химические заметки», «Исследования о влиянии солнечного света на превращение «связанного воздуха» в чистый», «Об искусстве наблюдать и ставить опыты» и «Физиология растений».

Сенебье начал свои работы с повторения опытов Бонне, но только применил к выделявшимся при этих опытах пузырькам воздуха приемы химического анализа газов. Он погружал листья в воду в сосуде, имевшем форму опрокинутой воронки с глухой узкой частью: в этой глухой, т.е. закрытой сверху, трубочке и собирался газ, выделявшийся с поверхности листьев.

Сенебье знал, что для того, чтобы на листьях появлялись пузырьки, вода должна содержать воздух. Но какой? Проведя ряд опытов, он убедился, что для выделения листьями «чистого воздуха» (кислорода) необходимо, чтобы в воде содержалось некоторое количество «связанного воздуха», т.е. углекислоты.

Сенебье повторял и варьировал свои опыты в различных направлениях и пришел к заключению, что с увеличением содержания в воде углекислоты увеличивается и количество выделяемых листьями пузырьков «чистого воздуха» (кислорода). Он показал далее, что пузырьки выделяются не на поверхности листьев, а как бы выходят из глубины тканей, из зеленой мякоти листа. Стало ясно, что листья перерабатывают, превращают один газ в другой. Но в чем же состоит это превращение? Исследования Лавуазье открывали путь к разрешению этой загадки.

Из работ Лавуазье было известно, что углекислый газ образуется при горении и тлении за счет соединения горючего вещества с кислородом воздуха. Отсюда легко было сделать вывод, что при обратном процессе, когда углекислота деятельностью растения перерабатывается опять в кислород, горючее начало должно оставаться, отлагаться в растении. Но это горючее вещество ведь и есть то самое вещество, из которого состоит растение, следовательно, процесс этот должен быть и процессом питания растения.

Сам Сенебье рассуждал следующим образом: «Вещество растения должно происходить из окружающей его среды, но из какой части этой среды из земли, из воды или из воздуха? Что оно берется не из почвы, это доказывали еще классические опыты Ван Гельмонта, выяснившие полную возможность воспитания растения в воде. Что не из воды – это доказывалось ничтожностью того твердого вещества, которое растворено в воде, а также фактом, что кактусы и некоторые другие растения могут долго существовать без воды. Остается только воздух, т.е. его углекислота. Таким образом, становится понятной возможность существования растительности на бесплодной каменистой почве, становится понятно, почему два растения, из которых одно выращено в почве, а другое – в воде, не отличаются одно от другого по составу – в том и другом случае они черпают пищу из одного и того же источника – из воздуха».

Наблюдения, проведенные Сенебье, встретили возражения со стороны аббата Фонтаны, который утверждал, что громадное большинство растений своими листьями приходит в соприкосновение с атмосферой, а не с водой, как то было в опытах Сенебье. А между тем, как утверждал Фонтана, ему при исследовании около 700 растений никогда не удавалось обнаружить поглощение листьями углекислоты из воздуха.

Преемник Сенебье в его исследованиях, тоже уроженец Женевы, Теодор Соссюр постарался разъяснить это недоразумение путем точного количественного учета прихода и расхода газообразных и твердых веществ в процессе воздушного питания растений.

В труде «Химические исследования над произрастанием растений» Соссюр так формулировал задачи своих опытов: «Пристли впервые показал, что листья обладают способностью улучшать воздух, испорченный горением или дыханием, но он не дошел до объяснений причин этого явления. Сенебье открыл, что листья разлагают углекислый газ, усваивая себе при этом углерод и освобождая кислород. Он заметил, что свежие листья, погруженные в ключевую воду или в воду, содержащую некоторое количество углекислого газа, и выставленные на солнечный свет, выделяют кислород до тех пор, пока весь содержащийся углекислый газ не исчезнет. Но продукты разложения углекислого газа еще не были анализированы, точно так же не было определено, каково количество выделенного кислорода – больше ли оно, меньше ли или равно тому количеству, которое входит в состав углекислого газа. Решению этих вопросов посвящены мои опыты».

В то время как Сенебье проводил свои исследования над листьями в сосудах с водой, т.е. в самой наглядной форме (по методу Бонне), Соссюр поставил своей задачей исследовать процесс воздушного питания растений в замкнутых объемах воздуха. Для этого он избрал более сложный и трудоемкий, но зато и несравненно более точный, так называемый эвдиометрический, метод (эвдиометр – прибор для измерения объема газа).

Дополнив результаты объемного анализа газов данными о массах обугленных остатков растений до и после опыта, Соссюр показал, что:

1) поглощение растениями углекислоты из воздуха и ее разложение с выделением кислорода не только имеет место, но и сопровождается увеличением сухого веса растений;

2) увеличение веса растений после опыта происходит благодаря отложению углерода, удерживаемого растением при разложении углекислоты воздуха;

3) привес сухой массы растений всегда превышает привес углерода, из чего Соссюр сделал заключение, что отложение углерода в растении всегда сопровождается присоединением элементов воды в процессе образования органического вещества.

Особую заслугу Соссюра составляет первое в истории науки определение концентрации углекислоты в воздухе. Хотя оно и не было точным, однако показало ничтожно малое содержание этого газа в обычном атмосферном воздухе, окружающем растение. Это обстоятельство вызвало новые сомнения у ученых-скептиков – может ли растение улавливать и разлагать углекислый газ, так скупо рассеянный в природе? Это еще предстояло доказать.

Эту задачу, требовавшую методов еще более тонких и точных, через 30 с лишним лет после Соссюра, (в 1840 г.), решил Жан-Батист Буссенго. Для доказательства способности растений улавливать углекислоту из воздуха и разлагать ее он поставил следующий опыт.

В большой стеклянный шар с тремя отверстиями через нижнее отверстие он просовывал молодой побег виноградной лозы с зелеными листьями. Побег сохранял свою связь с растением и, следовательно, находился в нормальных условиях минерального питания. При помощи особого засасывающего прибора через стеклянный шар и соединенную с ним систему изогнутых трубок постоянно и медленно прокачивался атмосферный воздух. Буссенго измерял, сколько было пропущено воздуха через шар в течение всего опыта.

Зная, сколько воздуха было пропущено через шар с растением и сколько этот воздух содержал углекислоты до входа в шар и после выхода из него, Буссенго легко определил, сколько углекислоты, было поглощено и разложено листьями. Для определения содержания углекислоты в выходящем из шара воздухе Буссенго использовал систему коленчатых трубок. Часть этих трубок содержала сухую едкую щелочь, способную поглощать углекислоту. Взвесив ее до и после опыта, по прибыли в весе легко узнать, сколько не поглощенной растением углекислоты осталось в токе воздуха.

Оказалось, что при благоприятных условиях освещения из шара выходил воздух, почти лишенный углекислоты. Ничтожного, казалось бы, содержания углекислоты в атмосферном воздухе достаточно, чтобы покрыть довольно значительную потребность растения в углероде.

До какой степени точны были измерения Буссенго, можно уяснить из его рассказа об этих опытах.

«Мы предприняли исследование вместе с Дюма, но так, что каждый производил взвешивания и вел журнал опытов отдельно, не сообщая другому, для того, чтобы лучше контролировать полученные результаты. Сначала все шло хорошо: растение, как и следовало ожидать, разлагало углекислоту. Вдруг картина изменилась. Несмотря на ясные солнечные дни, оно закапризничало и вместо того, чтобы разлагать углекислоту, стало ее выделять.

С недоумением подводили мы в своих записных книжках вечерние итоги, бросая друг на друга немые вопросительные взгляды. Обоим невольно приходила на память неудача, испытанная Пристли, когда он хотел повторить свой знаменитый опыт. Так продолжалось несколько дней.

Наконец, в одно прекрасное утро Реньо (знаменитый физик), внимательно за нами следивший, видя наши вытянутые физиономии, разразился неудержимым хохотом и покаялся нам, что причиной нашего горя был он: каждый день, когда мы уходили завтракать, он подкрадывался к прибору и немного в него дышал. «Для того чтобы убедиться, – как он выразился, – что вы не шарлатаните, а действительно можете учитывать такие малые количества углекислоты».

Таким образом, в результате ряда блестящих опытов Пристли, Соссюра, Сенебье и Буссенго было установлено явление воздушного питания растений с усвоением ими углерода из углекислоты воздуха.

Задачей последующих исследований было выяснение дальнейшей судьбы углерода, удержанного растением. Мы знаем уже о гениальных догадках Соссюра и Буссенго, указывавших, что удержанный растениями в процессе воздушного питания углерод входит затем в состав органического вещества, образующегося в растении. Соссюр и Буссенго указывали, что это первичное органическое вещество, образующееся в растении в результате процесса фотосинтеза, должно быть соединением трех элементов: углерода, заимствуемого растением из углекислоты воздуха, кислорода и водорода, получаемых с водой. Иначе говоря, это соединение должно быть углеводом типа крахмала или сахара.

Однако этим ученым не удалось проследить процесс образования крахмала или сахара в растении. Это открытие пришло с развитием метода микроскопических исследований в ботанике.

Присутствие крахмала в зернах хлорофилла было обнаружено еще в первой половине XIX в. Мульдером. При этом Мульдер полагал, что «зерна крахмала, постепенно зеленея, превращаются в зерна хлорофилла». X.Моль в 1845 г. подтвердил присутствие крахмала в зернах хлорофилла, но, в отличие от Мульдера, утверждал, что не зерно хлорофилла образуется из крахмала, а, наоборот, крахмал отлагается в зерне хлорофилла.

Несколько позже Артюр Гри констатировал, что при перенесении растений в темное помещение наблюдавшиеся в их хлорофилловых зернах частицы крахмала исчезают. Связь процессов образования и исчезновения частиц крахмала в зернах хлорофилла с наличием или отсутствием света была тщательно исследована Саксом.

Предметом его наблюдений были листья табака, настурции и герани. У этих растений, выращиваемых в обычных условиях на солнечном свете, Сакс отрезал от листовой пластинки каждого из этих растений маленькие кусочки, которые и исследовал под микроскопом.

В зеленых клетках хлорофилла он всегда находил частицы крахмала. Затем он переносил свои растения в темное помещение, где через определенные промежутки времени снова отрезал от тех же листовых пластинок маленькие кусочки.

Сакс обнаружил, что чем дольше растения оставались в темноте, тем меньше заключали они крахмала в зернах хлорофилла. По прошествии нескольких суток в хлорофилловых зернах листовой ткани растений, содержащихся в темноте, исчезали последние следы крахмала. При обратном перемещении «обескрахмаленных» растений на свет уже через несколько часов можно было убедиться в присутствии крахмала в зернах хлорофилла.

Сакс пришел к совершенно верному выводу о зависимости образования и исчезновения крахмала в зернах хлорофилла от воздействия на них света и указал на крахмал как на один из первых продуктов ассимиляции.

Саксу же принадлежит идея чрезвычайно наглядного приема демонстрации зависимости образования в листьях крахмала от воздействия на них света. Прием этот, вошедший теперь в школьную демонстрационную практику, заключается в частичном закрытии листовой пластинки светонепроницаемым материалом (фольгой, черной бумагой и т.п.) и экспозиции такого полузакрытого листа на солнце. Невидимые в начале скопления крахмальных зерен в незатененной части листа затем проявлялись под воздействием слабых растворов йода на предварительно убитые горячей водой и обесцвеченные спиртом клетки листа. Получались так называемые амилограммы. По степени посинения или почернения можно было приблизительно судить о количестве образовавшегося крахмала. Эта так называемая йодная проба была впервые предложена Саксом.

Вскоре после первых опытов Сакса русский ученый А.С. Фаминцын (1835–1918) произвел ряд опытов, имевших целью выяснить влияние искусственного света на образование крахмала в зеленой растительной ткани. В качестве объекта своих наблюдений он избрал пресноводную нитчатую водоросль спирогиру. Каждая тончайшая нить этой водоросли состоит, как известно, из одного ряда клеток, сросшихся своими концами. Характерную особенность внутреннего строения этих клеток составляют зеленые спирали, или ленты, хлорофилла. Каждая из клеток вполне самостоятельна и может при отделении от соседних клеток легко разрастись в новую длинную нить.

Опыты Фаминцына дали два важных результата. Во-первых, способность растений образовывать крахмал связана с наличием в их клетках хлорофилла и не зависит от формы тех телец, в которые он включен. Во-вторых, рост и размножение клеток зависят от образования крахмала.

Особую задачу представляло собой выяснение деталей процесса синтеза углеводов при воздушном питании растений. Утверждение Сакса, что крахмал является первичным продуктом ассимиляционной деятельности растений, с самого начала вызвало сомнения и возражения у целого ряда ученых. Начиная с 70-х гг. XIX в. этот вопрос был одним из основных и наиболее спорных в области изучения процессов обмена веществ у растений.

В 1874 г. Бем обнаружил, что проростки высших растений могут образовывать крахмал и в отсутствие света за счет органических соединений, отложенных в семени. Далее выяснилось, что обескрахмаленные листья, положенные в раствор сахара, также могут накапливать крахмал в хлоропластах при полном отсутствии света. Поэтому Бем сделал заключение, что первым продуктом фотосинтеза должен быть не крахмал, а сахар, из которого крахмал образуется в качестве вторичного продукта.

Последующие исследования А.Мейера показали, что среди однодольных существует ряд растений, которые в нормальных условиях накапливают в своих листьях не крахмал, а сахар. На основании этих фактов некоторые ботаники стали делить растения на две физиологические группы: крахмалистые и сахаристые. Крахмал – полисахарид, т.е. полимер, состоящий из моносахаридов, которые естественно считать начальными продуктами фотосинтеза.

Новый вклад в решение этого вопроса внесли знаменитые исследования по органическому синтезу, произведенные русским химиком Бутлеровым. В 1861 г. ему удалось при кипячении растворов формальдегида, смешанных с известковой и баритовой водой, получить сладкий сироп, который он назвал метиленитаном. Повторяя опыты Бутлерова в 1886 г., химик Лёв обнаружил в сладком сиропе Бутлерова формозу – настоящий, но не поддерживающий брожения сахар. На основании опытов Бутлерова Бейер в 1870 г. построил свою знаменитую теорию, согласно которой первичным продуктом фотосинтеза в листьях растений является именно формальдегид, а не сахар. В этом его убеждали опубликованные в 1869 г. опыты химика Гофмана, которому удалось синтезировать и сам формальдегид из простых неорганических соединений. Гофман получал формальдегид из окиси углерода или из углекислоты воздействием на них едкого или металлического калия. Продолжая опыты Гофмана и Бутлерова, в 1890 г. известный германский химик Эмиль Фишер получил, наконец, искусственным (синтетическим) путем настоящий виноградный сахар, взяв исходными материалами воду и углекислоту.

«Раз это достигнуто, – заявил Фишер, – то можно сказать, что химическое воспроизведение остальных сложных углеводов – крахмала, клетчатки, гумми и инулина – является только вопросом времени».

В ответ на первые успехи синтетической химии из лагеря ученых-консерваторов и виталистов сейчас же раздались возражения, что, мол, если современная химия и может синтезировать простейшие углеводы, то синтез более сложных органических соединений (жиров и особенно белков) составляет «тайну жизни». Необходимо было выяснить те факторы, под влиянием которых из простейших органических соединений могут образовываться сложнейшие органические молекулы.

Разгадку этой «тайны природы» принесло в 1898 г. открытие английского химика Крофт-Гиля. Исследуя работу различных растительных ферментов, он обнаружил, что один и тот же фермент, при известных условиях разлагающий сложное соединение, может в несколько измененных условиях способствовать обратному образованию первоначального сложного соединения из продуктов его распада.

Открытие Крофт-Гиля придало ферментам совершенно новое и весьма существенное значение. До этого за ферментами была признана лишь роль факторов разрушающих, теперь же они приобрели значение и факторов, созидающих сложные соединения. Данные Крофт-Гиля были затем подтверждены выдающимся английским ученым Бейлисом и известным французским химиком Е.Буркло.

Теория Крофт-Гиля прошла широкую проверку в лабораториях крупнейших научных учреждений Европы. Она оказалась верной не только по отношению к ферментам, расщепляющим углеводы, но и к ферментам, вызывающим разложение жиров. Наконец и в третьей (физиологически самой важной) группе белковых веществ рядом исследователей описаны явления, истолкованные как синтетические ферментные процессы. Поэтому в современной науке укрепилось представление о том, что все основные превращения веществ в организмах совершаются с помощью ферментов.

Дальнейшей задачей науки стало раскрытие всей сложной цепи химических превращений простых неорганических соединений в органическое вещество, совершающихся в клетках зеленого листа. Наиболее близко к разрешению поставленной задачи современной науке удалось подойти в связи с изучением хлорофилла. Это изучение было начато еще в первой половине XIX в. французскими химиками Пельтье и Каванту.

Эти ученые впервые получили из растертых с песком листьев спиртовую вытяжку изумрудно-зеленого цвета с сильной кроваво-красной флюоресценцией. Они же дали красящему веществу листьев название «хлорофилл».

Продолжение следует