Фотосинтез, процесс образования органического вещества в зеленом листе из углекислоты воздуха и воды, на счет световой энергии, чаще называемый, по предложению Сакса, ассимиляцией; один из самых существенных процессов на земной поверхности: в нем проявляется космический обмен энергии. Благодаря ему потоки солнечных лучей на земную поверхность не утрачиваются тотчас же вследствие отражения или превращения в тепло, но накапливаются про запас в горючей органической массе растений в форме высокоценной потенциальной энергии. Вся жизнь на земле непосредственно зависит от образования в зеленых растениях органических питательных веществ; все развитие промышленности за последние полтора века основывается на потреблении каменного угля, отложенного в недрах земли как результат Ф. зеленых растений в прошлые геологические периоды.
Исторический обзор. Учение о Ф. берет начало только с 1774 г. и связано с именами Пристли, Ингенгуза, Сенебье, Соссюра. Сопоставляя целый ряд процессов, протекающих на земле, — горение, дыхание и др., при которых происходит, как тогда говорили, порча воздуха, Пристли нашел, что от деятельности зеленого растения испорченный воздух восстанавливается в чистый; этим поддерживается постоянство состава атмосферного воздуха. Вместо поглощаемой углекислоты, зеленое растение выделяет кислород. Это выделение кислорода, как добавил Ингенгуз (1779), совершается только на свету. Вслед за Лавуазье, установившим состав углекислоты из углерода и кислорода, Сенебье разъяснил, что, при выделении кислорода из поглощаемой углекислоты, остающийся в растении углерод и входит в состав образующегося растительного органического вещества; следовательно, весь этот процесс есть процесс питания зеленого растения. С полной ясностью и определенностью все явление изложено у Соссюра (1804), который показал, что во время усвоения углерода из углекислоты действительно происходит прибыль сухого вещества у растения, при чем одновременно с углеродом растение усваивает и элементы воды.
Самое убедительное доказательство, что все органическое, углеродистое вещество растения образуется из CO₂ воздуха, дают нам искусственные культуры. В песчаных и водных культурах растения развиваются даже лучше, чем на самых плодородных почвах, единственный же источник их углерода есть углекислота воздуха. Из почвы зеленые растения получают только воду и минеральные вещества.
Углекислоты в воздухе всего 0,03%, т.-е. немного, но если мы примем в учет всю массу воздуха в земной атмосфере, то расчеты дадут нам 2100 биллионов кг. углекислоты. Сопоставим с этой цифрой то количество углекислоты, которое все зеленые растения на всем земном шаре ассимилируют в один год. Это — внушительная цифра; по расчетам Шредера, она составляет 58,9 биллионов кг. Итак, вся растительность в год поглощает 1/35 всего запаса углекислоты. Через 35 лет весь запас углекислоты был бы исчерпан, если бы он не возобновлялся от дыхания и горения.
Крупным шагом в развитии наших знаний о Ф. были классические исследования Буссенго (в пол. XIX в.), применившего точные методы газового анализа; они лежат в основе современного учения о Ф. Буссенго (см.) доказал, между прочим, что Ф. связан с присутствием в растении зеленого пигмента — хлорофилла, что объем выделенного кислорода равен объему поглощенной углекислоты; следовательно, реакция Ф. может быть изображена уравнением 6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6O₂.
Сакс в 60-х гг. показал, что при Ф. образуется крахмал внутри хлорофилловых зерен, находящихся в протоплазме клеток у зеленого листа. Крахмал есть первый видимый и легко обнаруживаемый продукт Ф. Следовательно, главный очаг Ф. есть хлорофилловое зерно; оно является тем фокусом, в котором энергия солнечных лучей переходит в химическую энергию образующегося из углекислоты и воды крахмала.
За последующие 40 лет, к началу XX века, Ф. стал одним из наиболее изученных процессов в физиологии растений. Большое число работ было посвящено определениям количественной зависимости Ф. от внешних и внутренних условий, чтобы выяснить сущность процесса. Можно сказать, что остановились перед механизмом перехода одной формы энергии в другую: как световой луч в хлорофилловом зерне претворяется в потенциальную энергию органического вещества. Видное значение за это время, особенно в изучении физической стороны явления, имели работы К. А. Тимирязева. Краткую сводку его собственных работ и мастерское изложение основных положений в учении о Ф. к началу ХХ-го века мы находим в Круньянской лекции „Космическая роль растения“, прочитанной К. А. Тимирязевым по приглашению Лондон. Королев. Общества в 1903 г.
Ф. связан с наличностью зеленого пигмента, хлорофилла (см.). Бесспорных доказательств, что какой либо другой пигмент может заменять хлорофилл в Ф., мы не имеем. Понятно, что изучение хлорофилла, особенно его оптических свойств, составляет основу учения о Ф. Среди всех работ по химии хлорофилла выдаются работы Вильштеттера (свод работ в 1913 г.), сумевшего выделить в чистом виде это не дававшееся в течение десятилетий вещество, перед которым останавливались другие крупные химики. Эти работы Вильштеттера, а также успехи молекулярной физики и фотохимии последнего времени послужили толчком к дальнейшим исследованиям. За последующие десять лет и до настоящего времени появилось сразу большое число работ по Ф., в которых приняли участие не столько ботаники-физиологи, сколько химики и физики. В связи с теорией квант на очередь стал вопрос, раньше казавшийся недоступным, о механизме перехода одной формы энергии в другую. Почти все основные положения в учении о Ф. вновь подверглись пересмотру и с опытной и с теоретической стороны.
Приемы исследования Ф. Определение Ф. сводится, главным образом, к газовому анализу. Для кратковременного опыта можно взять не только отрезанный лист, но даже, как показал Буссенго, часть листа. При сильно выраженной индивидуальности растительной клетки и в отрезанной части листа обмен веществ продолжается без заметных изменений. По методу, предложенному К. А. Тимирязевым, помещают лист в эвдиометрическую стеклянную трубку с делениями, запаянную с одного конца; открытым концом трубку ставят вертикально в сосуд со ртутью. Высосав часть воздуха из эвдиометра, так, чтобы ртуть в эвдиометре поднялась на некоторую высоту, измеряют объем взятого воздуха; затем впускают через ртуть некоторое количество чистой углекислоты: увеличение объема газа даст количество прибавленной углекислоты. Выставляют прибор на свет. Объем газовой смеси на свету не изменяется, так как вместо поглощаемой углекислоты выделяется кислород в равном объеме. После освещения прибавляют раствор едкой щелочи (7—10%); уменьшение объема соответствует количеству оставшейся углекислоты. Разность между объемами прибавленной и оставшейся углекислоты дает количество углекислоты усвоенной. У водяных растений легко показать Ф. наглядно. Отрезанную веточку элодеи, рдеста или любого водяного цветкового растения в простой водопроводной воде выставим на солнце или осветим электрической или керосиновой лампой. При достаточно сильном свете, из среза начинают выделяться пузырьки газа. Газ этот состоит преимущественно из кислорода, количество которого может служить мерою интенсивности Ф.
По методу Сакса закрывают лист на растении с обеих сторон непрозрачной бумагой; в темноте крахмал, образовавшийся в результате Ф., растворяется и оттекает в осевые органы, где он и потребляется в процессах роста или отлагается в запас на долгий срок. Крахмал, образовавшийся днем, за теплую летнюю ночь успевает оттечь из листа. Если осветить такой обескрахмаленный лист, то в освещенных участках уже через 5—10 минут появится крахмал. В присутствии крахмала убеждаются иодной пробой: лист обесцвечивают спиртом и окрашивают иодом. Те части листа, которые содержат крахмал, синеют, а при большом количестве крахмала чернеют, и тем сильнее, чем больше крахмала. Образующийся при Ф. крахмал оттекает все время из листа, но днем, на свету, образование крахмала пересиливает его растворение и отток; поэтому мы и обнаруживаем крахмал. По количеству образовавшегося крахмала или, правильнее, по количеству образовавшихся углеводов вообще можно судить о силе Ф. Так как образующиеся углеводы увеличивают сухой вес листовой пластинки, то прибыль ее веса дает указание на интенсивность Ф. Сакс первый применил метод половинок: он отрезал половины от листьев крупнолистных растений (подсолнуха, тыквы) — утром, а оставшиеся половинки — вечером, и высушивал те и другие. При соответствующих перечислениях он нашел, что привес сухого вещества на 1 кв. метр листовой поверхности в час составляет около 1 грамма; но учитывая все время идущий отток образующихся углеводов из листа, получим, что при Ф. образуется 1,5—1,9 грамма. Средний вес кв. м. листовой поверхности у этих растений 40—60 гр. На все растение за хороший летний день образуется 36—185 гр. сухого вещества. С другой стороны, в опытах Вильштеттера с отрезанными листьями подсолнуха и тыквы, при 5% углекислоты в воздухе и искусственном освещении, Ф. был настолько силен, что сухой вес листа за 10 часов удваивался: количество усвоенной углекислоты на кв. метр листовой поверхности в час составит 8 гр.
Ф. в своей основе проявляется, как газовый обмен между зеленым листом и окружающим атмосферным воздухом. Во всякой деятельной части растения одновременно протекает обратный газовый обмен: поглощение кислорода и выделение углекислоты, зависящее от дыхания, которое присуще каждой живой клетке растений и животных. На дыхание расходуются запасные питательные вещества в клетке. Эти два противоположные газовые обмена сначала не вполне ясно различали друг от друга, обозначая их, как дневное и ночное дыхание. Даже такой крупный ученый, как Либих, в сороковых годах XIX века сомневался, свойственно-ли дыхание растениям. При обыкновенных условиях на свету ассимиляция — усвоение углекислоты — раз в 10—30 пересиливает дыхание; дыхание же в зеленом листе продолжается и на свету почти с такой же интенсивностью, что и в темноте. Усвоение углекислоты в некоторых пределах весьма зависит от силы света; с ослаблением света пропорционально ослабевает и усвоение углекислоты. Поэтому всегда можно подобрать такой слабый свет, при котором усвоение углекислоты как раз соответствует тому количеству углекислоты, которое образуется от дыхания. Установить этот „компенсационный пункт“ для разных растений, при котором не будет ни поглощения, ни выделения углекислоты, представляет существенный интерес, когда обсуждают условия развития растений различных местообитаний: напр., теневой растительности в лесу или глубоководной флоры. Только при условии, что освещение в данном месте выше компенсационного пункта для взятого вида, это растение может здесь развиваться. Впервые точная количественная зависимость Ф. от силы и качества света была установлена Тимирязевым. При усилении света выше компенсационного пункта количество усвояемой углекислоты возрастает пропорционально силе света; при силе света, равной приблизительно половине прямой инсоляции, Ф. достигает наибольшей величины. Дальнейшее усиление света уже не влияет на величину Ф. С устранением света Ф. сейчас же останавливается; обнаружить после-действие не удается. Деятельными при Ф. оказываются только те лучи, которые поглощаются хлорофиллом (см.). Это положение кажется нам очевидным на основании закона сохранения энергии: Ф. может итти только на счет энергии поглощаемых лучей. Экспериментальное доказательство этого утверждения, которое долго оспаривала немецкая школа, было дано блестящими, классическими опытами Тимирязева, о которых Вюрмсе (1921) говорит, что они до сих пор не превзойдены по точности. Из всех лучей, поглощаемых хлорофиллом, наиболее деятельны красные лучи между фрауенгоферовыми линиями B и C. Из всех солнечных лучей, достигающих земной поверхности, эти лучи обладают наибольшей энергией. В этом проявляется приспособленность растения к определенным условиям произрастания.
Зависимость Ф. от внешних и внутренних условий. На фотохимический процесс температура влияет весьма мало; фотографировать можно на сильном морозе; поэтому мы ожидали бы, что и на Ф., который в основе тоже есть процесс фотохимический, температура будет влиять слабо. Температурный коэффициент, или усиление процесса при повышении температуры на 10° в определенное число раз, для Ф. будет меньше, чем для других процессов. Действительно, влияние температуры на противоположный процесс — дыхание — будет сильнее, чем на Ф. Поэтому может случиться, что при низкой температуре Ф. пересиливает дыхание: в растении образуется вещества больше, чем тратится на дыхание, и растение может развиваться, например, бурые водоросли в Ледовитом океане. Но те же водоросли в теплых морях уже не развиваются, так как с повышением температуры дыхание усиливается гораздо больше, чем Ф., и поэтому трата вещества может пересиливать его образование. В южных морях развиваются иные растения, приспособившиеся к другим температурным условиям. Температурный коэффициент при Ф. больше единицы; по Вильштеттеру, он равен 1,5; он несколько увеличивается с возрастанием температуры. Это указывает, что при Ф. чисто фотохимическая реакция составляет лишь одну часть всего процесса Ф. Другие стадии процесса усиливаются с повышением температуры, подобно иным химическим реакциям.
Влияние различных количеств углекислоты на Ф. Уже со времен Соссюра и Буссенго было установлено, что с повышением количества углекислоты, по сравнению с атмосферным воздухом, где ее 0,03%, Ф. возрастает. При большом же содержании углекислоты Ф. ослабевает, и в атмосфере чистой углекислоты Ф. прекращается. Точные опыты Броуна показали, что усиление Ф. при малых количествах углекислоты пропорционально содержанию углекислоты в окружающем воздухе.
Если с увеличением количества углекислоты в воздухе Ф. возрастает, то можно ожидать, что при повышенном содержании углекислоты в воздухе усилится и общее развитие растения. Всегда высказывали предположение, что пышное развитие растительной массы в каменноугольный период было связано с большим содержанием углекислоты в атмосферном воздухе. По расчетам Лундегорда (1924) запасы каменного угля на земле определяются до 3.000 биллионов килограммов, что соответствует 8.000 биллионов кг. углекислоты. Это вчетверо больше, чем теперешнее содержание углекислоты в воздухе. Конечно, эти расчеты приблизительны, но они показывают, что в прежние геологические эпохи могла быть лишняя углекислота, углерод которой отложен в форме каменного угля. Естественно возникает мысль, нельзя ли поднять урожай, обогащая воздух углекислотой. Этот вопрос подвергся подробному пересмотру в Германии за время мировой войны, но до сих пор не получает окончательного решения. Неоднократно пробовали выращивать растения в воздухе с повышенным содержанием углекислоты. У Броуна растения в этих условиях развивались ненормально. Культуры в специальных больших оранжереях дают бо́льший урожай в отделениях с повышенным содержанием углекислоты, но общее развитие растений не превышает хорошего развития растений на воле. Попытки же обширных культур в поле, с обогащением атмосферного воздуха углекислотою, не дают, к сожалению, определенных результатов.
Усиление Ф. при повышении количества углекислоты в воздухе объясняют тем, что при этом возрастает скорость диффузии углекислоты в лист через устьица. Значение этого внутреннего фактора — устьиц, который регулирует газовый обмен в листе, весьма велико. Поступление углекислоты в лист только через устьица доказывают тем, что у листьев, имеющих устьица только на одной, большею частью на нижней стороне, весь газовый обмен совершается исключительно через поверхность с устьицами. Исследуя скорость поступления углекислоты в лист при естественных условиях, Броун установил ряд новых, неожиданных закономерностей для диффузии: скорость диффузии пропорциональна не площади, но диаметру малого отверстия. Своеобразные условия диффузии не через одно, а через большое число мелких отверстий, стоящих рядом, как бывает в листе, даны исследованиями Ренера и Джефрейза, которые указывают детальные условия регулирующего влияния устьиц: зависимость от степени их закрывания, влияния ветра.
Углекислота из воздуха диффундирует через устьичные отверстия в воздушные полости листа, расположенные под устьицами. Отсюда она, растворяясь в водном растворе, пропитывающем клеточную стенку, проходит дальше в протоплазму клетки, к хлорофилловым зернам. Скорость поступления углекислоты в лист зависит, кроме величины устьичного отверстия, еще от разницы в концентрации углекислоты в атмосферном воздухе и в воздушных полостях под устьицами. Это различие, как показал Броун, очень невелико при нормально-открытых устьицах: оно равно 0,030%—0,028%. Когда же устьица закрываются, то это различие в концентрации углекислоты будет возрастать, отчего поступление углекислоты увеличивается; поэтому при частичном закрывании устьиц, сильно понижающем испарение листа, ассимиляция еще может продолжаться.
Из всех исследований, посвященных выяснению роли внутренних факторов в процессе Ф., наибольшее число работ было посвящено значению хлорофилла. Зеленый пигмент — хлорофилл — состоит из двух тел, которые Вильштеттер обозначает просто буквами а и в. Одновременно с этими двумя зелеными пигментами имеются еще два желтых пигмента — каротин и ксантофилл. Так как эти четыре пигмента всегда находятся во всех хлорофилловых зернах, то можно считать, что процесс Ф. зависит от одновременного действия этих четырех пигментов. И только потому, что лучи, поглощаемые зелеными пигментами, оказываются более деятельными в Ф., хлорофиллу приписывают преобладающую роль.
Для выяснения роли хлорофилла весьма интересны определения Вильштеттера: какое количество углекислоты может быть усвоено в листе на одну весовую единицу хлорофилла, или как велика производительность Ф. на один грамм хлорофилла? Вильштеттер назвал отношение количества ассимилируемой углекислоты за один час в граммах к одному грамму хлорофилла, для данного листа, „ассимиляционным числом“. Ассимиляционное число оказывается непостоянной величиной, но сильно изменяется у разных растений, а также с возрастом листа, с временем года и от различных внутренних условий. В среднем, ассимиляционное число у нормальных листьев равно 6—9; у тыквы с подсолнухом оно повышается до 12—16; но особенно больших величин оно достигает у листьев с малым содержанием хлорофилла: например, у некоторых желтолистных разновидностей оно доходит до 120. Этим подтверждается, что в Ф. хлорофилл есть лишь одно из условий процесса, в котором участвуют еще другие вещества. Еще сильнее проявляется значение в Ф. этих бесцветных соединений, по Вильштеттеру — протоплазматических агентов, если определять влияние внешних факторов на Ф. у листьев с различным содержанием хлорофилла.
Мы легко поймем значение в Ф. бесцветного начала, если примем во внимание строение хлорофилловых зерен, у которых пигменты присоединены к бесцветной белковой основе зерна. Только при совокупном действии и стромы хлорофиллового зерна и пигментов осуществляется Ф. Все попытки воспроизвести Ф. вне клетки, с выделенными пигментами, оканчивались неудачей.
Повидимому, для Ф. имеет значение вся совокупность условий, представленных клеткою, например то, что хлорофилловые зерна погружены внутрь протоплазмы. Этими естественными условиями, в которых находится хлорофилл, можно отчасти объяснить стойкость пигмента в листе, тогда как выделенный хлорофилл чрезвычайно легко разрушается, особенно на свету. Вильштеттер показал, что углекислота дает с хлорофиллом нестойкое, легко обратно распадающееся соединение. Помимо этого, углекислота вступает в диссоциирующее соединение с веществами, входящими в состав листа, вероятно с белками или амидокислотами протоплазмы. Поэтому Вильштеттер допускает, что к хлорофиллу присоединяется не прямо углекислота, а более сложное соединение углекислоты, которое и изменяется под влиянием света в первой стадии Ф. Этим намечается химическая роль хлорофилла в Ф., где хлорофилл, вступая в соединение с углекислотою, является химическим сенсибилизатором (см. фотохимия). Но хлорофилл в Ф. имеет значение не только химического сенсибилизатора, но и оптического. Поглощая световые лучи, он передает их энергию углекислоте — сенсибилизирует ее. Свет действует не прямо на углекислоту, а на цветное соединение углекислоты с хлорофиллом.
Определение дальнейшей химической роли хлорофилла в Ф. переплетается с разъяснением механизма всего процесса и с вопросом о первых продуктах Ф. Учение Сакса, что таковым продуктом может быть крахмал, появляющийся уже через пять минут после начала Ф., было устранено опытами Бема: крахмал образуется в хлорофилловых зернах и в темноте, если обескрахмаленный лист положить на раствор сахара. Трудно допустить, чтобы даже более простой углевод — глюкоза — был первым продуктом Ф., хотя такое допущение было высказано в последнее время Макеном; ибо тогда мы были бы вынуждены принять, что в реакцию одновременно вступают шесть частиц углекислоты. Вообще попытки установить аналитическим путем, какой сахар образуется в листе при Ф., мало убедительны, в виду легкого перехода в клетке одной формы сахара в другую.
Наиболее вероятна гипотеза, высказанная Байером в 1870 г., в том видоизменении, которое ей придает теперь Вильштеттер: в результате Ф. должен образовываться, как первый продукт, формальдегид (муравьиный альдегид). Вильштеттер считает, что это утверждение даже не гипотеза, а просто химическое истолкование наблюдаемых фактов. Если бы в результате Ф. возникало какое-либо иное соединение, а не формальдегид, то количество выделяемого кислорода не могло бы равняться количеству поглощаемой углекислоты. Между тем тщательные опыты, которые Вильштеттер проверял сам, устанавливают, что отношение обменивающихся газов CO₂:O₂ строго равно 1. Следовательно, от углекислоты отщепляется весь кислород, и ничего иного, как соединение углерода с водой, CH₂O, и не может возникнуть[1].
Самый механизм Ф. вероятнее всего объясняет Вильштеттер. Образовавшееся, как указано, соединение хлорофилла с углекислотою претерпевает на свету внутреннюю перегруппировку атомов в молекуле. Это фотохимическое превращение связано с поглощением энергии. В результате атомной перегруппировки образуется нестойкое соединение типа органической перекиси, которое, под влиянием фермента, распадается с отщеплением кислорода и образованием формальдегида, при чем хлорофилл восстанавливается. В этой стадии ферментативного распада и проявляется влияние бесцветного протоплазматического агента, на который указывают разные авторы. Но Вильштеттер не мог подтвердить своих предположений на опыте. Некоторые исследователи, Варбург, Вюрмсе и др., считают, что при Ф. от действия световых лучей первым изменяется само бесцветное протоплазматическое вещество; хлорофилл же является лишь оптическим сенсибилизатором в этой, ближе не определяемой, реакции. Другие авторы стараются связать процесс Ф. со способностью хлорофилла флуоресцировать, а также с воздействием большой поверхностной энергии коллоидальной системы, имеющейся в хлорофилловом зерне. По существу, объяснение процесса Ф. будет следовать за успехами молекулярной физики и фотохимии. Приложение квантовой теории излучения к объяснению фотохимических реакций намечает путь в исследованиях перехода одной формы энергии, лучистой, в другую, химическую. Варбург уже находит, что, согласно выводам, предусматриваемым квантовой теорией света, количество энергии, используемой в Ф., под влиянием лучей различной длины волны, уменьшается с уменьшением длины волны. Он даже вычисляет, что при Ф. на разложение одной молекулы углекислоты идет около четырех квант в красных и желтых лучах и около пяти в синих.
Большой отдел в учении о Ф. составляет вопрос о количестве используемой энергии: сколько из всей лучистой энергии, падающей на лист, идет на работу Ф., то есть накопляется в растении в форме органического вещества? Вопрос этот решают следующими сопоставлениями. С одной стороны, находят, сколько солнечной энергии, выраженной в калориях, падает на определенную листовую поверхность за время опыта или на некоторый участок земли за весь вегетационный период. С другой стороны, определяют, сколько углекислоты усвоила эта листовая поверхность, или сколько образовалось органического растительного вещества на взятом участке земли. Принимая, что из усвоенной угле<…>
- ↑ Опытным путем проверить это утверждение об образовании формальдегида до сих пор не удается. Косвенное подтверждение образования формальдегида при Ф. можно усмотреть в опытах Бели (1921), который получал формальдегид из водных растворов углекислоты, под влиянием ультрафиолетовых лучей, поглощаемых углекислотою.