Фотосинтез - проще простого

В то время, когда химическая природа процесса фотосинтеза представлялась

весьма туманной, подобное утверждение было весьма ценным, поскольку

привлекало внимание ученых к новой очень перспективной проблеме. А сам

термин «хлорофилл» был предложен в 1818 году французскими химиками П.

Пельтье и Ж. Каванту. Он образован из греческих слов «хлорос» — зеленый и

«филлон» — лист.

Выделить хлорофилл из листа несложно. Для этого измельчим листья

любого растения ножницами, поместим в ступку, прильем немного спирта,

разотрем и отфильтруем в чистую сухую пробирку. Если у вас нет под рукой

ступки, кусочки листьев поместите в небольшую колбочку, влейте спирт и

осторожно нагрейте на спиртовке. Очень быстро спирт окрасится в изумрудно-

зеленый цвет из-за присутствия хлорофилла.

А теперь познакомимся с некоторыми свойствами этого пигмента. Поместите

за пробиркой черную бумагу или какой-то темный предмет и направьте на нее

яркий свет. Раствор хлорофилла отражает свет с измененной длиной волны,

поэтому хлорофилл приобретает вишнево-красную окраску. Это явление носит

название флуоресценции.

В чем причина флуоресценции хлорофилла? Кванты света падают на его

молекулы, находящиеся в растворе, и вызывают их возбуждение. При этом

электрон молекулы пигмента переходит на более высокий энергетический

уровень. В растворе, в отличие от зеленого листа, энергия возбужденного

электрона не расходуется на синтез органических веществ, поэтому этот

электрон возвращается на прежний энергетический уровень, а избыток

энергии испускается в виде квантов красного света. Видимый свет, как

известно, состоит из разных лучей: фиолетовых, синих, голубых, зеленых,

желтых, оранжевых, красных. Их окраска зависит от длины волны, которая

увеличивается по направлению от синих к красным лучам солнечного спектра. А

вот величина квантов и их энергетический потенциал изменяются при этом в

противоположном направлении: кванты синих лучей значительно богаче

энергией, чем кванты красных. Когда свет падает на молекулы хлорофилла,

часть энергии квантов рассеивается в виде тепла, поэтому отраженные кванты

несут меньший запас энергии, а длина волны света увеличивается, смещаясь в

сторону длины волны красных лучей. Вот почему мы видим красное свечение при

освещении хлорофилла белым светом, то есть совокупностью разных лучей

солнечного спектра.

Любопытно в связи с этим отметить, что на прекрасных фресках

гениального Андрея Рублева мы часто видим сочетание зеленого с красным: в

складках зеленой одежды как бы скрываются красные отсветы.

Если вы имеете спектроскоп — несложный школьный прибор, в котором при

помощи призмы видимый свет разлагается на составные компоненты, — то можно

изучить спектр поглощения хлорофилла. Приложите пробирку с раствором

хлорофилла к щели спектроскопа и загляните в окуляр, вы увидите мощную

темную полосу поглощения в красной части спектра и менее выраженную в

синей. Итак, хлорофилл поглощает красные и синие лучи спектра. А вот

зеленые, беспрепятственно проходя через его раствор, сообщают ему свою

окраску.

Отчего зависит зеленая окраска пигмента? Добавим в пробирку с вытяжкой

хлорофилла несколько капель слабой соляной кислоты. Тотчас же окраска

изменится на оливково-бурую. Что при этом произошло с хлорофиллом?

Уже давно установлено, что его молекула содержит атом магния. При

взаимодействии с соляной кислотой он вытесняется из нее атомами водорода

соляной кислоты. Можно предположить, что наличие атома магния и определяет

зеленую окраску пигмента.

Теперь в ту же пробирку добавим небольшое количество ацетата меди или

ацетата цинка и подогреем содержимое пробирки на спиртовке. Едва жидкость

закипит, окраска раствора резко изменится — вместо оливково-бурой она вновь

станет изумрудно-зеленой. Что же при этом произошло? В молекуле хлорофилла

на место атома магния при взаимодействии с соляной кислотой встал водород.

В свою очередь, атомы водорода при добавлении ацетата меди или ацетата

цинка и нагревании вытесняются атомами меди или цинка. Происходит

восстановление металлоорганической связи. Следовательно, зеленая окраска

хлорофилла определяется наличием в нем атома металла вне зависимости от

того, будет ли это магний, медь или цинк.

Красный цвет — символ созидания

Если солнечный спектр, который мы наблюдаем в спектроскопе,

спроектировать на экран, то можно изучать скорость фотосинтеза в разных

лучах — синих, желтых, зеленых, красных.

Впервые интенсивность фотосинтеза в различных лучах спектра исследовал

физик В. Добени. В 1836 году он сделал очень важное открытие: зеленый лист

может осуществлять фотосинтез в отдельных лучах спектра, причем в

зависимости от характера лучей он идет с неодинаковой скоростью. Но вот на

вопрос, в каких именно лучах спектра фотосинтез протекает наиболее

интенсивно, В. Добени ответил неправильно. И виной тому методические

погрешности при проведении эксперимента. Во-первых, ученый получал те или

иные лучи, пропуская солнечный свет через цветные стекла или окрашенные

растворы. Во-вторых, он применял очень примитивный метод учета

интенсивности фотосинтеза. Ученый поместил отрезок побега водного

растения элодеи в пробирку с водой срезом вверх и считал, сколько пузырьков

кислорода отрывается с поверхности среза за единицу времени. Добени пришел

к выводу, что интенсивность фотосинтеза пропорциональна яркости света, а

наиболее яркими лучами в то время считались желтые. Этой же точки зрения

придерживались Джон Дрепер (1811—1882) и физиологи растений Ю. Сакс и В.

Пфеффер. В 1846 году Дрепер изучал интенсивность фотосинтеза в различных

лучах спектра, испускаемых спектроскопом, и пришел к тому же заключению,

что и Добени.

Между тем утверждение противоречило закону сохранения энергии. Ведь

желтые лучи, как мы уже знаем, незначительно поглощаются хлорофиллом. Могут

ли они быть главной движущей силой процесса фотосинтеза?

Такова была обстановка в области изучения фотосинтеза, когда к

исследованиям в этой области приступил К. А. Тимирязев. Будучи

последовательным материалистом, он утверждал, что яркость лучей зависит от

субъективного восприятия света глазом (синие лучи кажутся нам неяркими, а

желтые наоборот) и потому не может определять интенсивность усвоения

углекислого газа зелеными растениями. Наиболее деятельными в процессе

фотосинтеза могут быть только те лучи, которые поглощаются хлорофиллом.

Главной причиной ошибки Дрепера он считал недостаточную чистоту отдельных

участков спектра, возникшую из-за широко открытой щели спектроскопа.

Увеличивать же щель спектроскопа приходилось для усиления интенсивности

светового потока, иначе фотосинтез с помощью примитивных методов не

обнаруживался. Для того чтобы иметь возможность работать с узкой щелью

спектроскопа, необходимо было создать принципиально новые, значительно

более чувствительные методы учета скорости этого процесса.

Сконструированные К. А. Тимирязевым приборы позволяли резко повысить

точность исследований. В восьмидесятых годах прошлого столетия химик Пьер

Эжен Марсель Вертело говорил К. А. Тимирязеву, что каждый раз он привозит в

Париж новый метод анализа газов, в тысячу раз более усовершенствованный. С

помощью этой аппаратуры К. А. Тимирязев убедительно показал, что наиболее

активно фотосинтез идет в красных лучах спектра, которые, как уже

отмечалось, интенсивнее других поглощаются хлорофиллом. По направлению к

зеленой части спектра интенсивность фотосинтеза ослабевает. В зеленых лучах

она минимальная. И это вполне понятно: ведь они хлорофиллом почти не

поглощаются. В сине-фиолетовой части наблюдается новый подъем

интенсивности фотосинтеза. Таким образом, Тимирязев установил, что

максимум усвоения листом углекислого газа совпадает с максимумом поглощения

света хлорофиллом. Иными словами, он впервые экспериментально доказал, что

закон сохранения энергии справедлив и по отношению к фотосинтезу. Зеленый

цвет растений отнюдь не случаен. В процессе эволюции они приспособились к

поглощению именно тех лучей солнечного спектра, энергия которых наиболее

полно используется в ходе фотосинтеза.

Современная наука подтвердила правильность взглядов К. А. Тимирязева

относительно исключительной важности для фотосинтеза именно красных лучей

солнечного спектра. Оказалось, что коэффициент использования красного света

в ходе фотосинтеза выше, чем синих лучей, которые также поглощаются

хлорофиллом.

Красные лучи, по представлениям К. А. Тимирязева, играют

основополагающую роль в процессе мироздания и созидания жизни. В статье-

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8