Фотосинтез

Насколько ясно Тимирязев представлял себе проблему разложения углекислоты, приступая к ее решению, говорит следующая цитата из его первой научной работы, опубликованной в 1868 г.:

«Наука, при исследовании занимающего нас явления (разложения углекислоты), не может в настоящее время довольствоваться одним количественным определением превращающихся при этом процессе веществ: она должна стремиться к столь же строгому учету тех сил, которые участвуют в этом явлении. Изучить химические условия этого явления, определить составные части солнечного луча, участвующие посредственно или непосредственно в этом процессе, проследить их участь в растении до их уничтожения, т.е. до их превращения во внутреннюю работу, определить соотношение между действующей силой и произведенной работой – вот та светлая, хотя, может быть, отдаленная задача, к достижению которой должны быть направлены все силы физиологов».

Какие данные по этому вопросу имелись в физиологии растений 60-х гг. XIX в.? Тимирязев их характеризует как весьма неточные и неоднозначные. Разграничение различных отраслей естественных наук к этому времени начало уже сказываться, проявив кроме своих положительных сторон и отрицательные. Новые идеи, связанные с сохранением и превращениями энергии, оказались достоянием, главным образом, работников физико-технических наук. Ботаники середины XIX в. понимали световые явления упрощенно в сравнении с физиками, считая чуть ли не единственным их качественным признаком яркость и совершенно игнорируя энергетическую природу света.

Тимирязев в работе «Солнце, жизнь и хлорофилл» пишет: «Я был первым ботаником, заговорившим о законе сохранения энергии и соответственно с этим заменившим и слово «свет» выражением «лучистая энергия». Это не было простой заменой одного слова другим, но существенно изменяло основную точку зрения... Став на точку зрения учения об энергии, я первый высказал мысль, что логичнее ожидать, что процесс разложения углекислоты должен зависеть от энергии солнечных лучей, а не от их яркости».

Физик Фраунгофер показал, что наиболее яркими лучами являются желтые. Отсюда рождалось представление, что и разложение углекислоты в растении должно зависеть от этих самых ярких желтых лучей спектра. Доказывали это старые, но долго считавшиеся классическими опыты Д.Дрепера, произведенные им в 1846 г.

Тимирязев, прежде всего, доказал, что техника постановки опытов Дрепера не внушает доверия к его выводам. В опытах со спектрами света лучи обычно пропускают через щель и затем через призму. Для того чтобы спектр был чистым, т.е. чтобы цвета его были разделены, щель должна быть узкая, но тогда свет, прошедший через эту узкую щель, распределяясь на большую площадь спектра, оказывается очень слабым.

Очевидно, это и было в опытах Дрепера. Свет чистого спектра был слишком слаб и не вызывал разложения углекислоты. Чтобы его усилить, Дрепер должен был открыть щель пошире. Но в полученном таким образом спектре лучи налагаются один на другой, смешиваются, причем наибольшее смешение лучей происходит в средней, желто-зеленой части, которая от этого становится почти белой, слегка окрашенной в желтый цвет. В этой-то части у Дрепера и получилось наибольшее действие, но понятно, что такой опыт ничего не доказывал.

Показав неубедительность опыта Дрепера, Тимирязев перешел к построению своей собственной теории. Он считал, что мерой энергии солнечных лучей должна считаться не их яркость, а их тепловой эффект. Но в таком случае естественно было бы ожидать наибольшего разложения углекислоты листьями от тех лучей солнечного спектра, которые обладают наибольшей теплотворной способностью, а таковыми являлись не желтые, а красные и в еще большей степени инфракрасные, лежащие за пределами видимой части спектра лучи.

В своих первых опытах Тимирязев испытывал действие на растения света, пропущенного через различно окрашенные жидкости. Эти опыты показали, что наибольшей активностью обладают не желтые, а красные лучи. Вслед за этим Тимирязев ставит опыты с лучами солнечного спектра.

Через узкую щель луч солнечного света попадал в гелиостат – прибор, позволяющий на протяжении всего дня получать неподвижный луч от движущегося по небу солнца. Отраженный гелиостатом луч проходил через призму и давал на экране широкую полосу солнечного спектра, в разных участках которого размещалось 5 стеклянных пробирок с одинаковыми по величине кружочками зеленой листовой ткани, выбитыми из одного и того же листа. Пробирки были наполнены воздухом с одинаковой во всех трубках примесью углекислоты и оставались в различных областях спектра в течение нескольких часов. И всегда, сколько бы раз ни повторялся этот опыт, наибольшее разложение углекислоты наблюдалось в красных лучах спектра.

Парируя возражение оппонентов о том, что обрезки листьев могут реагировать на свет не так, как целое растение, Тимирязев провел эксперимент и с целым растением. Он выдержал в темноте горшок с гортензией до тех пор, пока весь крахмал в листьях не израсходовался на потребности роста. Затем при помощи того же гелиостата, призмы и оптической системы спроецировал на обескрахмаленный лист гортензии весьма яркую полоску спектра, которая целиком умещалась на одном листе гортензии. На поверхность листа он наклеил две бумажные полоски по краям спектра, а на краях этих бумажных полосок сделал два выреза, отмечающие положение того участка спектра, в котором во время предыдущих опытов (с пробирками) было наибольшее разложение углекислоты. Через нескольких часов экспозиции лист отрывали и обрабатывали раствором йода. Тимирязев неизменно получал на листе черное изображение спектра с наибольшей густотой черного тона (а значит, и с наибольшим отложением крахмала) именно в той части спектра, которая была отмечена вырезами на бумажных полосках. Этот удивительно изящный и наглядный способ исследования Тимирязев назвал фотографическим саморегистрированием хлорофилловой функции на живом растении.

Тимирязев не ограничился этими доказательствами особой активности красных лучей. Он стремился проследить судьбу их в микроскопически малых зеленых зернышках хлорофилла. Для этого он сконструировал особый прибор, представляющий собой сочетание спектроскопа и микроскопа, с помощью которого надеялся проследить, как работает отдельное микроскопически малое, невидимое простым глазом зерно хлорофилла в различных лучах спектра, в различно окрашенных участках его. Для этого требовалось на ряд зерен хлорофилла, видимых под микроскопом внутри клетки, спроецировать полную полосу спектра.

Эту задачу Тимирязев решил следующим образом: концентрируя лучи света, идущие из спектроскопа (в котором окуляр был заменен объективом микроскопа, помещенным под столиком микроскопа), он получал в поле зрения микроскопа миниатюрный спектр величиной с булавочную головку и в нем рассматривал хлорофилловые зерна в клетках листа. Там, где эти зерна не поглощали света, они оставались прозрачными, окрашенными в цвет соответствующей части спектра (например, зеленый или крайний красный). Там, где свет поглощался, они становились черными, как угольки (в синей и особенно в средней красной части спектра).

Получалось удивительное совпадение: полное поглощение света зернами хлорофилла наблюдалось в том же среднем участке красных лучей, где в первых опытах с пробирками наблюдалось максимальное разложение углекислоты зеленой тканью растений. Вывод мог быть только один: интенсивность разложения углекислоты в тех или иных лучах спектра зависит от степени поглощения их зелеными зернами хлорофилла в тканях растений.

Этот опыт дал ответы на вопросы Майера и Гельмгольца. Лучи, поглощаемые листом (или точнее зернышками хлорофилла в тканях листа), действительно получают иное назначение, нежели в любом нагревающемся теле, – они затрачиваются на разложение углекислоты. Вместе с тем в этих опытах получил свое объяснение и смысл зеленой окраски листьев, вырабатывавшейся в процессе эволюции растительного мира.

Почему растение зелено? Да потому, что зеленый цвет является дополнительным к красному. Окрашенные в зеленый цвет вещества лучше всего поглощают красные лучи света, поэтому из всех вариаций в окраске растительных пигментов именно зеленый цвет закрепился у растений в процессе естественного отбора.

Еще в 30-х гг. XIX в. Гершель, а еще ранее Гротгус, сформулировал основное правило фотохимии, по которому наиболее активными будут те лучи, которые поглощаются данным телом. Правило это следует из закона сохранения энергии. Световая энергия, производящая работу, должна затрачиваться, следовательно, исчезать, как свет. Те же лучи, которые прошли через тело и вышли из него, не затрачиваясь, очевидно, не могли и произвести химической работы. Утверждать обратное значило бы отрицать закон сохранения и превращения энергии.

Зеленый цвет растения и его способность к усвоению углерода Тимирязеву удалось объяснить как два явления, находящихся во вполне понятной причинной связи. Однако в этом объяснении было одно слабое место. Зеленый хлорофилл задерживает красные лучи, поглощает их, превращая в работу, но эта работа выражается в разложении не зеленого вещества хлорофилла, которое остается само по себе неизменным, а углекислого газа, который бесцветен и прозрачен, как воздух.

На первый взгляд, это возражение как бы действительно разбивало все соображения Тимирязева о значении зеленого и красного цветов, как цветов дополнительных, о значении поглощения красных лучей зеленым красящим веществом листа. Ведь суть-то дела заключалась не в этом зеленом веществе, а в бесцветной углекислоте.

Химикам известны случаи фотохимических реакций, когда цвет лучей, являющийся дополнительным к цвету смеси газов, вызывает бурное фотохимическое действие. Но тогда сама смесь газов бывает окрашенной в цвет, дополнительный к цвету действующих на него лучей. Как пример можно привести известный факт взрыва желтой смеси газов хлора и водорода от действия синих лучей.

Как же красные лучи могли воздействовать внутри листа на бесцветный углекислый газ? Для ответа на этот вопрос Тимирязев использовал новейшие открытия в области фотографии.

В то время Фогель обнаружил любопытное явление, сделавшее переворот во всей практике фотографии. Если к обыкновенной (бромсеребряной) фотографической эмульсии прибавить какое-нибудь цветное вещество, поглощающее лучи, к которым эмульсия сама по себе не чувствительна, то фотографическое действие обнаруживается и в тех лучах спектра, которые поглощаются примешанным к эмульсии цветным телом. Это означало, что свет поглощается одним веществом (цветной примесью к солям серебра), а разлагается при этом другое вещество (сами соли серебра).

Тимирязев показал, что в фотографии для придания пластинкам чувствительности к красным лучам можно пользоваться не только различными химическими красителями, но и спиртовой вытяжкой естественной листозелени, т.е. хлорофилла.

Но если хлорофилл в фотографическом процессе может передавать действие поглощаемых им лучей частицам бромистого серебра, вызывая их разложение, то очевидно, что он может оказывать такое же действие и в растении на частицы углекислоты. Все такие тела, передающие световое действие другим телам, делающие их чувствительными к лучам, к которым сами по себе эти тела не чувствительны, называются оптическими сенсибилизаторами. Хлорофилл, очевидно, должен быть отнесен к числу этих сенсибилизаторов.

Разъяснение этой роли хлорофилла составляет заслугу Тимирязева. Тимирязеву удалось одержать полную победу в борьбе за красные лучи, значение которых в процессе усвоения растением углерода он отстаивал, оспаривая мнение всех ученых авторитетов того времени в области ботаники, признававших первенствующее значение наиболее ярких желтых лучей.

Но начиналась другая борьба – борьба с мировыми авторитетами в области физики. Ведь опыты и исследования Тимирязева ясно говорили, что максимум энергии, обнаруживающий себя в процессе фотосинтеза, лежит в зоне средних красных лучей спектра. Теплотворная способность есть мерило энергетической активности тех или иных лучей спектра, значит, здесь же должен лежать и максимум тепловой деятельности лучей спектра. Но это противоречило установившимся в физике того времени понятиям. Теплотворная способность инфракрасных лучей, лежащих за пределами видимой части зоны красных лучей, считалась физиками еще большей.

Тимирязеву удалось блестяще опровергнуть и это заблуждение. Предоставим, однако, Тимирязеву самому объяснить путь, которым он шел в разрешении этого вопроса.

«Физикам я напоминал, что господствующее воззрение, будто бы наибольшим тепловым напряжением обладают темные лучи, основывается на недоразумении, что на основании имеющихся в науке данных еще нельзя заключить, какие лучи или, точнее, какие световые волны обладают наибольшим тепловым напряжением, т.е. в состоянии вызвать наибольший тепловой эффект. Я утверждал, что это еще открытый вопрос и что обладающими наибольшим тепловым напряжением могут оказаться именно те красные лучи, которые, поглощаясь хлорофиллом, вызывают разложение углекислоты. Появившиеся почти десять лет спустя исследования американского физика Ланглея и английского Абнея вполне подтвердили верность моего предположения...

Когда, благодаря усовершенствованию приемов исследования (изготовлению решеток, изобретению новых приборов для измерения малых разностей температуры и пр.), стало возможным изучить распределение тепла в спектре нормальном (спектр, получаемый не при помощи призмы, а при отражении от оптической решетки), тогда и обнаружилось, как я предсказывал, что наибольшее нагревающее действие оказывают волны красного цвета и именно того красного, который поглощается хлорофиллом».

В дальнейшем изложении Тимирязев вскрывает физико-механические причины особой активности указанных им красных лучей.

«Физика учит нас, – пишет Тимирязев, – что свет есть не что иное, как волнообразное движение. Волны света, ударяясь о тела, вызывают в них то движение частиц, которое мы называем теплотой. Когда это сотрясение частиц тела достигает известного предела, оно может иметь еще более глубокие последствия: будет нарушаться связь между составными частями химических соединений, наступит разложение этих соединений. Но какие же волны всего вероятнее будут вызывать это разрушение? Мы знаем, что буря тем опаснее, чем выше валы, чем учащеннее их удары. Оказывается, то же буквально верно и в применении к действию света на разложение углекислоты.

Физикам давно была известна длина световых волн, скорость их распространения, а следовательно и число волн в секунду, но только после упомянутых уже исследований о распределении тепла в нормальном спектре явилась в первый раз возможность определить их относительную высоту (или, выражаясь научным языком, их относительную амплитуду).

Сделав такое вычисление, я получил поразительный результат, что самые высокие волны оказываются именно в той красной части спектра, которая вызывает самое энергичное разложение углекислоты, т.е. в той части, которая поглощается хлорофиллом. Таким образом, оказывается, что растение опередило открытие физиков; из бесчисленных световых волн, бегущих от солнца и ударяющихся о поверхность нашей планеты, оно улавливает своими хлорофилловыми зернами именно те, которые обладают наибольшей высотой и вследствие этого наиболее способны вызывать химическое действие – разложение углекислоты».

Одним из вопросов, интересовавших Тимирязева, был вопрос о зависимости разложения углекислоты листьями от «напряжения» солнечного света. Задача эта имела непосредственное отношение к практическим задачам земледелия, т.к. количество лучистой энергии, получаемой растениями, определяет предел каждого данного участка пашни.

Тимирязев решил для измерения «напряжения» света воспользоваться законом его обратной пропорциональности квадрату расстояния от источника света. Для этого он в темную комнату через линзу, вделанную в глухую дверь, пропускал отраженный гелиостатом луч солнца. В полученный конус расходящихся лучей он помещал такие же пробирки с листьями, как и в первом своем опыте со спектром, но размещение этих пробирок было иное: они помещались на различных от линзы расстояниях, соответствующих различным степеням рассеяния света. Благодаря удивительной чувствительности изобретенных Тимирязевым методов анализа газов, время экспозиции пробирок с листьями в различных участках светового конуса лучей можно было сократить до 15–20 мин, чем устранялся целый ряд ошибок, присущих опытам других исследователей.

Общий итог по данным более 200 измерений Тимирязев выразил с помощью кривой, которая показывает что количество разложенной углекислоты при слабом «напряжении» быстро возрастает, затем этот прирост постепенно ослабевает и затем при «напряжении», равном, примерно, половине максимального, достигает своего максимума. Дальнейшее увеличение «напряжения» света уже не оказывает действия.

Факт этот интересен во многих отношениях. Он, например, показывает, что в условиях нашего климата приблизительно половины полуденного освещения достаточно для покрытия потребностей растения в энергии для воздушного питания. Дальнейшее увеличение интенсивности света с этой целью бесполезно, а по отношению к некоторым другим процессам (например, испарению) избыточное нагревание может быть даже вредно, что весьма важно знать для выработки рациональных методов ведения культур наших сельскохозяйственных растений.

При помощи сходного опыта, помещая в той же части конуса света свой прибор с листом, разлагающим углекислоту, и рядом с ним пиргелиометр Пулье, Тимирязев сравнил уже в абсолютных величинах (калориях) количество солнечной энергии, падающей на лист, и ее количество, затрачиваемое листом на химическую работу разложения углекислоты, т.е. подошел к определению коэффициента полезного действия лучистой энергии в листе.