История изучения фотосинтеза

Догадка о существовании фотосинтеза намного опередила его экспериментальное изучение. Так, еще в 1727 г. английский бо­таник Стивен Гейлес высказал предположение, что на свету рас­тения усваивают, пищу из воздуха. Сходную идею о воздушном питании растений высказал несколько позже М.В. Ломоносов (1753).

Основные этапы развития представлений о механизме фотосинтеза:

1. (1771-1850 гг.) начался с открытия Дж. Пристли способности зеленых растений выделять О₂ на свету. Этот этап включает первые исследования процесса фотосинтеза. Было установлено: что процесс фотосинтеза зависит от освещения (Ингенгауз, 1799); фотосинтез зависит от содержания хлорофилла в листьях и СО₂ в окружающей растение атмосфере (Сенебье, 1782). В 1804 г. Соссюр показал, что объем поглощаемого растением на свету СО₂ равен объему выделяемого О₂. В поглощении СО₂ Соссюр видел главный источник углеродного питания растений. Он же впервые доказал, что в процессе фотосинтеза участвует Н₂О, и предположил, что в основе химизма фотосинтеза лежит реакция присоединения Н₂О к углероду СО₂. Он же впервые изложил представление о фотосинтезе как о процессе воздушного питания растений. В 1817 г. французские химики Пельтье и Каванту выделили из листьев зеленый пигмент и назвали его хлорофилл. Работы первого периода позволили, установить лишь общие закономерности процесса фотосинтеза, дали возможность оценить значение этого процесса в жизни растения. В 1865 г. немец­кий физиолог растений Юлиус Сакс продемонстрировал, что в листьях на свету образуется крахмал, который локализуется в хлоропластах.

2. (1850-1900 гг.) - период работ по энергетике фотосинтеза. Было сформулировано представление о фотосинтезе как о процессе фиксации солнечной энергии (Moyer, 1842), проводились работы по изучению роли отдельных участков спектра (Добели, Дрепер, Сакс, Преффер). Эти работы привели к неправильному выводу о зависимости фотосинтеза от степени яркости света. Этот вывод противоречил закону сохранения энергии, так как наиболее яркими являются желтые лучи, менее поглощаемые хлорофиллом. Блестяще разрешил вопрос о зависимости фотосинтеза от лучей разной длины К.А. Тимирязев. Он разработал точный метод одновременного учета выделения О₂ и поглощения СО₂ в замкнутом сосуде (эвдиометре). Этот метод очень чувствителен и позволил выделить участки видимого спектра, где интенсивность фотосинтеза была очень низка или очень высока. К.А. Тимирязев показал, что фотосинтез происходит именно в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом. Работы К.А. Тимирязева послужили экспериментальным обоснованием идеи о фотосинтезе как о процессе аккумуляции солнечной энергии растением и явились стимулом развития исследований энергетики фотосинтеза в последующие годы. К.А. Тимирязев в 1875 г. сформулиро­вал учение о космической роли зеленого растения: лист - уни­кальный орган, в котором солнечная энергия улавливается и остается на Земле, трансформируясь в другие формы энергии; процесс подчиняется закону сохранения и превращения энергии; интенсивность ассимиляции СО₂ максимальна при освещении листа красным светом, который в наибольшей степени поглоща­ется хлорофиллом; хлорофилл служит фотосенсибилизатором, он непосредственно участвует в окислительно-восстановительных превращениях. В эти же годы начинаются работы по определению коэффициента использования солнечной энергии растением. Ученик Тимирязева Ф.К. Крашенинников показал накопление солнечной энергии при фотосинтезе (увеличение теплоты сгорания листьев). К.А. Пуриевич определил соотношение между увеличением теплоты сгорания листовой поверхности и количеством падающей лучистой энергии. Это позволило определить долю энергии, усваиваемой растением в процессе фотосинтеза, от всего количества энергии. В связи с работами по энергетике фотосинтеза рассматриваются исследования химии пигментов (Ненцкий, Фингер). В лаборатории М.С. Цвета разрабатываются методы хроматографического анализа пигментов зеленых листьев. В 1865 г. немецкий физиолог Ю. Сакс продемонстрировал, что на свету в листьях образуется крахмал и что находится он в хлоропластах. Только в 1877 г. немецким физиологом Пфеффером этот процесс был назван «фотосинтез», т.е. с начала изуче­ния до его названия прошло более 100 лет, а простое суммарное уравнение фотосинтеза явилось плодом коллективного труда, ра­боты нескольких поколений ученых разных стран. Тем не менее, суммарное уравнение, выражая суть процесса, оставляет неяс­ным многие вопросы механизма трансформации солнечной энергии в химическую. Потребовалось еще столетие, чтобы при­близиться к пониманию этого процесса.

3. ( 1900-1940 гг.) – период расцвета физиологических исследований фотосинтеза. Можно выделить 2 группы исследований: 1) Работы Блэкмана, Рихтера, Варбурга, Эмерсона, Арнольда, Любименко, Штоля и др. Эти работы впервые экспериментально обосновали представление о существовании 2 групп принципиально различных по природе реакций фотосинтеза – световых (фотохимических) и темновых (энзиматических), составляющих различные стадии фотосинтеза. Варбург показал зависимость фотосинтеза от температуры при низком уровне освещения и высокоинтенсивном свете. Он подтвердил предположение Блэкмана о включении в фотосинтез температурозависимых, энзиматических реакций, действие которых проявляется при высокой интенсивности света. Работы Эмерсона, Арнольда и Рихтера с прерывистым светом, а также работы Любименко по определению ассимиляционного числа легли в основу концепции о фотосинтетической единице, что развилось в представление о двух фотосистемах. Развивались работы по природе световых и темновых фаз фотосинтеза. В лаборатории М. Кальвина был открыт восстановительный пентозофосфатный цикл превращения углерода, было положено начало работам по процессам фотоактивации Н₂О и происхождению О₂ из воды. 2)Ван-Ниль, Хилл, Рубен, Виноградов, Тейер. Прежние схемы фотосинтеза были основаны на представлении, что первичная фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в «активации СО₂» и расщеплении СО₂ до СО, которая затем в реакции с Н₂О дает углевод и кислород, выделяющийся при фотосинтезе. Ван-Ниль развил идею, что первичной фотохимической реакцией фотосинтеза является диссоциация Н₂О, а не СО₂. Эта идея была основана на экспериментальных данных Хилла, который сумел разделить процессы восстановления СО₂ и фотохимические реакции, сопровождавшиеся выделением О₂. Затем Рубен, Виноградов и Тейс в опытах с ¹⁸О в качестве метки доказали, что О₂, выделяющийся в фотосинтезе происходит из Н₂О. Таким образом, экспериментально была обоснована идея, что первичной фотохимической реакцией является фотодиссоциация воды, а О₂ происходит из Н₂О. К этому же периоду относятся работы С.П. Костычева, Иванова, Бриллианта и другие по экологии фотосинтеза.

4. (1940-1950гг.) – период расцвета биохимических исследований фотосинтеза. Он широко связан с применением метода меченых атомов. Применение ¹⁴С позволило изучить процессы ассимиляции СО₂ и в 1957 г. был описан «цикл Кальвина». Изучаются также отдельные звенья метаболизма, ферментные реакции, отдельные ферменты и группы соединений (цитохромные системы).

5. (1950-1960гг.) – период всестороннего бурного исследования фотосинтеза. Работы Теренина, Красновского, Рабиновича – основные положения фотохимии пигментов, процессов миграции энергии. Развиваются биофизические работы – исследование процессов переноса энергии в биологических системах, энергетических взаимодействий молекул в возбужденном состоянии, элементарных реакций преобразования энергии в РЦ. Широко совершенствуется лабораторная техника – лазерная, спектральная, ЯМР, ЭПР. Были получены новые данные, которые породили новые теории и представления о фотосинтезе.Окончательно вопрос о двухэтапности фотосинтеза был решен американским физиологом и биохимиком Д. Арноном. В 1954-1958 гг. на хлоропластах листьев шпината было показано, что под действием света в гранах происходит восстановление НАДФ и образование АТФ, в строме эти соединения использу­ются в темновых реакциях для восстановления СО₂.

6. (с 1960 по настоящее время). Хилл, Бенделл, Хох и другие. Сформулировано представление о функционировании 2-х фотоситем в фотосинтезе. Проводятся детальные исследования I и II фотосистем, структурной организации фотосинтетической единицы, реакционных центров, механизмов функционирования ЭТЦ фотосинтеза.