Научные открытия в области фотосинтеза, сделанные в 20 в.
Научные открытия в области фотосинтеза, сделанные в 20 в.
научные открытия в области фотосинтеза, сделанные в XX в.
История изучения фотосинтеза начинается с момента обнаружения
известным английским химиком Джозефом Пристли факта, что зеленые растения в отличие
от животных организмов способны исправлять испорченный последними воздух, делая
его вновь пригодным для поддержания жизни. Это событие относится к 1771 г.; оно произошло еще до того, как стало известно существование кислорода, открытого тем же Пристли
лишь через несколько лет.
Исследователи, работавшие в XIX и в первой четверти XX столетия,
рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения СО2 или комплекса
СО2 с хлорофиллом, происходящий под действием солнечного света.
К.А. Тимирязев (1871) впервые высказал идею о непосредственном
участии хлорофилла в акте фотосинтеза и о том, что в ходе этого процесса пигмент
подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям.
Вильштеттер (1918) в предложенной им схеме уже постулировал наличие
в фотосинтезе световой и темновой (энзиматической) стадий. Прогрессивное значение
этой идеи подрывалось, однако, тем, что к темновой стадии Вильштеттер относил реакции
окислительно-восстановительных превращений хлорофилла.
Все предлагавшиеся в тот период схемы исходили из того, что выделяющийся
при фотосинтезе кислород образуется при разложении углекислого газа. Второе утверждение
состояло в том, что фотосинтез осуществим лишь в интактной клетке, в отсутствие
каких-либо нарушений ее целостности. Эту идею развивал и крупнейший биохимик первой
четверти XX в.Р. Вильштеттер. Она опиралась на наблюдения, согласно которым разрушение
хлоропластов приводило к исчезновению фотосинтеза. К такого же рода выводу пришел
Р. Эмерсон, который в 1936 г. писал, что фотосинтез может протекать только в абсолютно
нетронутом организме.
Вместе с тем в те же тридцатые годы стали появляться высказывания,
согласно которым поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не
на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле воды. Эта идея
основывалась на чисто априорных термодинамических расчетах, путем сопоставления
величин энергии связи кислорода с углеродом в молекуле СО2 с энергией
любого из квантов в видимой части спектра. Экспериментальные доказательства ее правильности
были получены в 1941 г. Решающую роль при этом сыграли исследования, в которых был
использован меченый кислород. Как известно, природный кислород существует в виде
трех изотопов (16О, 17О и 18О), соотношение между
которыми неодинаково у кислорода разного происхождения. Наименьшее содержание 18О
характерно для кислорода воды, наибольшее - для кислорода углекислого газа. Среднее
положение занимает по этому признаку кислород атмосферы.
В 1945 г.А.П. Виноградова и Р.В. Тейс обнаружили совпадение изотопного
состава кислорода "обычной" воды и воды, синтезированной ими из
"обычного" водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету
(фотосинтетического).
С. Рубен и М. Камен применили несколько иной принцип. Они синтезировали
СО2 и Н2О с разным содержанием 18О. Давая эти соединения
хлорелле на свету, авторы установили, что варьирование изотопного состава кислорода,
входящего в состав СО2, на изотопном составе кислорода фотосинтеза не
сказывалось. Одновременно выявилось, что состав кислорода фотосинтеза можно было
произвольно изменять путем изменения доли 18О в молекуле воды. Всем этим
обосновываются представления о том, что основная масса кислорода, выделяющегося
при фотосинтезе, принадлежит воде, а, следовательно, в ходе фотосинтеза имеет место
не разложение СО2, а диссоциация молекулы воды, вызываемая энергией кванта
света.
Для преодоления других обосновавшихся в учении о фотосинтезе
неправильных представлений также понадобилась напряженная работа многих ученых.
Успеху исследований способствовало широкое использование великих завоеваний физики
и химии нашего времени и созданных на основе этих успехов новых, высокоэффективных
методов исследования. В числе таких методов спектрометрия, включая импульсную, дифференциальную
и флуоресцентную спектрофотометрию; электрометрия, включая измерения фотопроводимости,
магнитные измерения, метод меченых атомов, дифференциальное центрифугирование; электронная,
фазоиоконтрастная микроскопия и др. Полученные в ходе исследований материалы легли
в основу современных представлений о фотосинтезе как о сенсибилизируемой хлорофиллом
системе сопряженных окислительно-восстановительных реакций. Специфика фотосинтеза
состоит в том, что в ходе этого процесса имеет место превращение электромагнитной
энергии света в энергию химических связей конечных фотопродуктов.
Краткая хронология главнейших открытий ХХ века в области фотосинтеза
выглядит следующим образом:
1930-1940 гг.Г. Фишер расшифровал структуру молекул хлорофиллов
а и b.
1937 г. Г.А. Кребс описал цикл лимонной кислоты (цикл Кребса).
1937 г. Р. Хилл показал, что при освещении суспензии хлоропластов
в присутствии акцептора электронов происходит выделение кислорода.
1937-1941 гг. К.Б. ван Ниль доказал, что при фотосинтезе происходит
фоторазложение Н2О, а не СО2.
1946-1956 гг. М. Кальвин и сотр. экспериментально расшифровали
основной путь углерода в процессе фотосинтеза (цикл Кальвина).
1943-1957 гг. Р. Эмерсон на основании экспериментальных данных
(эффект усиления Эмерсона) предположил, что в световой фазе фотосинтеза функционируют
две пигментные системы.
фотосинтез открытие тимирязев пристли
1960 г.Р.Б. Вудворд и М. Штрель осуществили синтез молекулы хлорофилла.
1966 г. М.Д. Хетч и К.Р. Слэк экспериментально обосновали С4-путь
фотосинтеза (Полевой, 1989).
Открытие двух фаз процесса фотосинтеза. Голландский микробиолог
К.Б. Ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фотосинтезом
у растений, в 1937-1941 гг. пришел к заключению, что первична фотохимическая реакция
фотосинтеза состоит в диссоциации воды, а не в разложении СО2. Способные
к фотосинтетической ассимиляции СО2 бактерии (за исключением цианобактерий)
нуждаются в восстановителях типа Н2S, Н2,
СН3 и других и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Такой тип
фотосинтеза был назван фоторедукцией. Ван Ниль пришел к выводу, что для пурпурных
или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим
образом:
СО2
+ H2S свет
[СН2О] + Н2О + S2
или в общей форме:
CO2 + 2H2A свет [CH2О]
+ H2O + 2А,
где Н2А - окисляемый субстрат (донор водорода). Он
предположил, что для высших растений и водорослей Н2А - это Н2О,
а 2А - это Од.
Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно
быть разложение воды на окислитель [ОН] и восстановитель [H]
Затем первичный восстановитель [Н] восстанавливает СО2, а первичный окислитель
[ОН] участвует в реакции, в которой высвобождается О2 и
снова образуется Н2О.
В соответствии с этим предположением полное уравнение фотосинтеза,
по ван Нилю, можно записать так:
СО2 + 4Н2О свет
[СН2О ] + ЗН2О + О2.
Идеи ван Ниля были поддержаны результатами опытов английского
физиолога растений Р. Хилла, который в 1937 г. показал, что изолированные хлоропласты под действием света способны разлагать воду и выделять кислород в присутствии
акцепторов электронов (феррицианида, бензохинона и др.). Это явление получило название
реакции Хилла. Согласно Хиллу, процесс разложения воды осуществляется в три
этапа:
4Н2О 4Н+
+ 4ОН- (фотолиз)
4ОН- → 2Н2О
+ 4ē + О2
2
Прямые экспериментальные доказательства того, что кислород при
фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г. независимо в СССР и в США.А.П. Виноградов и Р.В. Тейс с помощью масс-спектрометра показали, что
отношение 16О: 18О в кислороде, выделяющемся при фотосинтезе,
соответствует соотношению этих изотопов в воде, а не в диоксиде углерода (Лебедев,
1960).
Открытие пигментов пластид и установление структуры и состава хлорофиллов
Пигменты - важнейший компонент аппарата фотосинтеза. Изучение
растительных пигментов резко ускорилось благодаря работам русского физиолога растений
М.С. Цвета. Пытаясь найти способ разделения пигментов на индивидуальные вещества,
Цвет в 1901 - 1903 гг. открыл принципиально новый метод, который он назвал адсорбционной
хроматографией. Через колонку с сорбентом пропускается растворитель с растворенными
веществами. Так как вещества различаются по степени адсорбции, они перемещаются
по колонке с разной скоростью. В результате происходит разделение веществ. Этот
прием широко используется в современной биохимии, химии и в некоторых отраслях промышленности.
С помощью хроматографического метода Цвет обнаружил два хлорофилла - а и
b и разделил желтые пигменты
листа на три фракции (Рубин, 1975).
Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам,
фикобилинам и каротиноидам. Впервые хлорофилл в кристаллическом виде был описан
русским физиологом и ботаником И.П. Бородиным в 1883 г. В дальнейшем оказалось, что это не сам хлорофилл, а несколько видоизмененная его форма - этилхлорофиллид.
Польские биохимики М. Ненцкий и Л. Мархлевский (1897) обнаружили, что основу молекулы
хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо. Таким
образом было показано принципиальное структурное сходство этих пигментов у растений
и животных. Немецкий химик Р. Вильштеттер в 1906-1914 гг. установил элементарный
состав хлорофилла а - C55H72О5N4Mg и хлорофилла b - C55H70О6N4Mg, а немецкий биохимик Г. Фишер в 1930-1940 гг. полностью расшифровал
структурную формулу хлорофилла. В 1960 г. химики-органики Р.Б. Вудворд (США) и М. Штрель (ФРГ) осуществили искусственный синтез хлорофилла. Хлорофилл - сложный
эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа
этерифицирована остатком метилового спирта, а другая - остатком одноатомного непредельного
спирта фитола. По данным А.А. Шлыка (1965), хлорофилл b может образовываться из вновь синтезированных молекул хлорофилла
а. (Кретович, 1971).
Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена
в модельных опытах А.А. Красновским в 1948 г. Хлорофилл, растворенный в пиридине, в анаэробных условиях под действием света восстанавливается аскорбиновой кислотой
или другими донорами электронов. При этом образуется восстановленная ("красная")
форма хлорофилла. После выключения света реакция идет в обратном направлении. Фотовосстановленный
хлорофилл в свою очередь может восстанавливать различные акцепторы электронов. В
той же модельной системе, но с добавлением акцептора электронов хлорофилл при освещении
действует как сенсибилизатор. В этих условиях происходит восстановление NAD+, рибофлавина, хинона, Fe3+,
кислорода. Эти реакции получили название "реакций Красновского". Из
всего сказанного следует, что молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим
особенностям способна выполнять три важнейшие функции:
1) избирательно поглощать энергию света,
2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения,
3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния
в химическую энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений
(Полевой, 1989).
Литература
1.
Биофизика фотосинтеза / Под ред. А.Б. Рубина. М.: МГУ, 1975.
2.
Кретович В.Л. Основы биохимии растений. М.: Высшая школа, 1971.
3.
Лебедев С.И. Фотосинтез. Киев: УАСХН, 1960.
4.
Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высшая школа, 1989.
5.
Рубин Б.А. Курс физиологии растений. М.: Высшая школа, 1976.
6.
Тарчевский И.А. Основы фотосинтеза. М.: Высшая школа, 1970.
A
|