П. КОШЕЛЬ

Фотосинтез

«Ни один орган растения не испытывал на себе человеческой несправедливости в такой степени, как лист, – говорил Тимирязев. – В течение веков человек упорно отказывался видеть в нем прямую пользу. Тогда как польза корня как органа питания была неоспоримо признана за ним с незапамятных времен, лист продолжал пользоваться легкомысленной славой пышного, но бесполезного наряда».

Что же такое лист в ботаническом понимании? Это орган высших растений, выполняющий функции фотосинтеза, испарения и газообмена. Он состоит из листовой пластинки и основания, представленного листовой подушечкой или расширенным влагалищем. Между пластинкой и основанием часто имеется черешок. Мякоть листа (мезофилл), в толще которой проходят жилки, покрыта эпидермисом (эпидермой, кожицей) с кутикулой – тонкой пленкой на его поверхности.

Зеленая окраска обусловлена хлорофиллом. Форма листа – видовой признак. Нередко листья превращаются в усики, колючки, чешуи. Размер листа – от нескольких миллиметров до 20 м. Продолжительность жизни листа обычно менее 1 года, реже 2–5 лет, очень редко 25 и более лет (например, у ели Шренка).

Ботаники прошлого видели в листе не более чем орган защиты растения от палящих лучей солнца. Вот, что об этом писал Чезальпино в 1583 г.:

«Маленькие листики глазков и почек даны как бы для того, чтобы защищать нежные ростки от зноя. Когда листья распустятся, они, повидимому, также должны защищать молодые побеги и плоды, чтобы они не сгорели от солнца. Листья умеряют жар солнечных лучей. Растения стремятся к тому, чтобы положение листьев и их форма служили отчасти для пропускания лучей солнца, отчасти для их задерживания. Поэтому осенью, когда созрел плод и затвердел побег, листья у многих растений опадают. Некоторые растения из теплых стран, где стоит постоянная жара, не имеют листопада, что вполне правильно, так как там растения непрестанно требуют присутствия листьев для создания тени».

Чезальпино, пытавшийся отыскать какую-то геометрическую закономерность в расположении листьев, не знал, какую роль они играют в питании растения. Оставалась она неизвестной и многим поколениям ботаников после него.

Первую попытку научного утверждения важной роли листьев в развитии растений мы находим в работе одного из основателей анатомии растений М.Мальпиги. К этому выводу Мальпиги пришел путем наблюдений над развитием семян тыквы. Он заметил, что если у проростка тыквы оборвать первые зародышевые листки, или семядоли, то проросток не развивается. Отсюда он сделал заключение, что столь же гибельно должно быть и удаление стеблевых листьев у взрослого растения. Изучая строение тех путей, по которым в тканях листа, стебля и корня движутся растительные соки, Мальпиги высказал предположение, что в листьях растений, подвергающихся действию солнечных лучей, должна происходить переработка доставляемого от корней сырого материала, а также испарение избытка воды.

Однако смутная догадка Мальпиги о том, что листья играют какую-то роль в питании растений, никак не отразилась на развитии последующих теорий питания растения, и через 90 лет после Мальпиги Дюгамель цитировал высказывания Мальпиги в качестве курьеза. Сам Дюгамель рассматривал листья как простой насос для выкачивания сока из корней.

Иногда можно встретить утверждения, что первая попытка опытного разрешения вопроса о физиологической роли листьев была предпринята женевским ученым Шарлем Бонне (1720–1793) в первой половине XVIII в.

Бонне заметил, что листья растений, погруженные в воду и выставленные на солнце, покрываются пузырьками воздуха. Его заинтересовало, откуда берется этот воздух, из растения или из воды. Для контрольного опыта он взял прокипяченную и, следовательно, не содержащую воздуха воду – пузырьков воздуха на листьях более не появлялось. Затем Бонне несколько раз выдохнул воздух через трубку в прокипяченную воду, после чего листья снова покрылись пузырьками. Так он пришел к выводу, неверному с современной точки зрения, что растение не играет существенной роли в процессе выделения пузырьков газа. Поэтому нет оснований приписывать Бонне первый шаг в открытии взаимоотношения растений с атмосферой.

Раскрытие истины пришло другим путем. В 1772 г. английский химик Д.Пристли, поставив ряд опытов, убедился, что продолжительное горение или продолжительное дыхание в ограниченном объеме воздуха делает этот воздух негодным для дальнейшего горения и для дыхания: свеча в нем тухнет, животное умирает.

«Таким образом, – рассуждал Пристли, – вся атмосфера должна была бы вскоре сделаться непригодной для горения, для жизни, а между тем сколько уже веков существует мир, а этого незаметно. Очевидно, в природе должен существовать процесс, который этот испорченный воздух вновь превращает в хороший. Не принадлежит ли эта роль растению?»

В 1772 г. Пристли провел следующий опыт: под стеклянный колпак, помещенный над водой, под которым потухла свеча или задохнулась мышь, он поместил растение (мяту) и оставил его на некоторое время. Растение не только не погибло, но даже продолжало развиваться, и когда по прошествии нескольких дней под колпак была помещена мышь или горящая свеча, то оказалось, что воздух действительно изменился, получил вновь способность поддерживать горение и дыхание. Вот как сам Пристли описывает свои опыты:

«Я взял некоторое количество воздуха, совершенно испорченного дыханием мыши, которая в нем погибла; разделив его на две части, я ввел одну часть в сосуд, погруженный в воду, в другую же часть его, также заключенную в сосуд с водой, я ввел ветку мяты. Это было сделано в начале августа 1771 г. Через 8–9 дней я нашел, что мышь прекрасно могла жить в той части воздуха, в которой росла ветка мяты, но моментально погибла в другой порции его. В течение 7 дней пребывания в сосуде с испорченным дыханием воздухом побег мяты вырос почти на 3 дюйма на старых ветвях и, кроме того, образовал несколько новых».

Едва ли когда-либо в какой-либо отрасли знания столь простой опыт сопровождался настолько значительным выводом. Одним этим опытом определялись самые характерные стороны жизни растений и животных и взаимоотношение двух царств природы.

Современники оценили всю важность открытия Пристли. Королевское общество присудило ему большую Коплейскую медаль, и президент общества в красноречивых, хотя несколько витиеватых, выражениях пояснил все значение открытия Пристли: «Это открытие убеждает нас, что не существует бесполезных растений. Начиная с величественного дуба и кончая последней мелкой былинкой, все полезны для человека. Если не всегда бывает возможно усмотреть частную пользу отдельного растения, то во всяком случае как часть общего целого оно участвует в очищении атмосферы: в этом отношении и благоухающая роза и ядовитая волчья ягода имеют одинаковое назначение: в самых отдаленных, необитаемых краях света нет ни одного луга, ни одного леса, которые не находились бы в постоянном с нами обмене, поддерживая и обеспечивая нашу жизнь».

Однако вскоре Пристли пришлось испытать одно из самых горьких разочарований, какое только может выпасть на долю ученого. Желая впоследствии повторить опыт, доставивший ему такую громкую и заслуженную славу, он потерпел неудачу: он не мог получить прежних результатов; растения упорно не хотели разлагать углекислоты, не выделяли из нее кислород. Хотя эти неудачи не пошатнули его собственного доверия к прежним опытам, но, тем не менее, стало очевидно, что от его внимания ускользнуло какое-то существенное условие, из-за которого опыт не удавалось воспроизвести.

Наконец, в 1778 г. Пристли обнаружил, что зеленый налет, покрывающий стенки аквариума («пристлева материя», оказавшаяся затем простейшими микроскопическими зелеными водорослями), также обладает способностью «исправлять воздух», причем эта способность обнаруживается лишь при освещении зеленого налета лучами солнца. Через год Пристли выяснил, что солнечный свет является необходимым условием и для «исправления воздуха» листьями растений. После этого стала ясной причина длительных неудач в повторении его первых опытов: в последующих опытах солнечный свет не попадал на растения.

Свидетелем этих новых изысканий Пристли был голландский врач Ингенгуз, работавший некоторое время в Англии. Он воспользовался приемами исследования Пристли и, дополнив их методами Бонне и аббата Фонтаны, произвел ряд хороших опытов, которые и описал в книжке, изданной в 1779 г., между тем как более ранние опыты Пристли были описаны лишь годом позднее. Когда возникла полемика из-за желания Ингенгуза приписать исключительно себе открытие зависимости явления «исправления воздуха листьями» от солнечного света, Пристли только сказал: «То же солнце светило на мои и ваши опыты, вы только обогнали меня в печатании вашей книги, чего я на вашем месте не сделал бы».

Открытие удивительной способности зеленых листьев изменять и улучшать состав воздуха, испорченного дыханием, было сделано Пристли в ту переломную в истории науки эпоху, когда Лавуазье своими исследованиями сущности процесса горения закладывал основы современной химии и разбивал твердыню старого учения о флогистоне. Пристли, опередивший Лавуазье в опытах по получению кислорода, не мог, однако, подняться на высоту новых крупных теоретических обобщений творца современной химии и оставался на позициях старого учения о флогистоне. Это обстоятельство не позволило ему понять до конца химическую сущность открытого им процесса газообмена у растений.

Не суждено было сделать это и самому Лавуазье, в последние годы своей жизни вплотную подошедшему к опытам над дыханием растений и животных. Судьбы этих ученых сложились трагически. В годы Французской революции Лавуазье сложил свою голову на гильотине, а Пристли был затравлен в Англии кликой реакционеров, подозревавших его в сочувствии идеям Французской революции. Вот как Тимирязев описывает преследования Пристли:

«В Бирмингеме друзья Пристли, имевшие много связей во Франции (сам он пользовался даже правом французского гражданства), предлагали отпраздновать 14 июля 1792 г. – годовщину взятия Бастилии. Враги Пристли, представители консервативных кругов английского общества, аристократы и клерикалы, давно ненавидевшие его за его независимый образ мыслей, политический и религиозный, воспользовались этим случаем, чтобы покончить с ним. Наущенная ими уличная толпа ворвалась в дом, где происходил обед, расправилась с собравшимися там и, не найдя между ними Пристли, направилась к его загородному домику с криком: «За церковь и короля!» Лаборатория, ценные инструменты, библиотека, рукописи – все было уничтожено, и дом сожжен дотла. Предупрежденный вовремя друзьями Пристли с женой и двумя детьми успел спастись от дикой расправы рассвирепевшей черни и из окон соседнего дома мог видеть, как гибли в пламени результаты целой трудовой жизни, быть может, надежды будущих великих открытий. Его биографы рассказывают, что даже в эти минуты ему не изменила обычная ясность духа и кротость характера: ни одного слова укоризны не сорвалось у него по отношению к этой жалкой, темной массе, служившей только слепым орудием, но зато до конца своей жизни не переставал он громко обличать ту руку, которая управляла этими неистовствами... Протянув еще несколько времени в Англии, не скрываясь от своих врагов, бешенство которых только росло от того, что они не имели ни малейшего повода к законному его преследованию, Пристли, наконец, изнемог в неравной борьбе и удалился в Америку. Благодаря случаю жизнь его сохранилась, но для науки он был потерян безвозвратно».

В то время как Пристли был насильственно оторван от своей научной работы и обречен на скитание за океаном, его более счастливый соперник Ингенгуз мог свободно в различных городах Европы пропагандировать сделанное Пристли открытие и результаты своих собственных наблюдений, чем и упрочил за собой в истории науки славу творца учения о роли света в жизнедеятельности растений.

Продолжение следует