Научные открытия в области фотосинтеза, сделанные в XX 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 высвобождаетсяО₂и снова образуется Н₂О.

В соответствии с этим предположением полное уравнение фотосинтеза, по ван Нилю, можно записать так: