Открытие фотосинтеза

Растения живут и цветут вокруг нас, но они не едят, не двигаются и вроде бы ничего особенного не делают. Как же они существуют? Голландский врач, живший в Англии, в 1779 г. приблизился к решению загадки.

В течение многих веков люди не знали, откуда растения берут материю для создания своих тканей, хотя самой популярной идеей было, что она берется из земли. Затем, в XVII в., Ян Баптист ван Гельмонт показал, что даже после того как он пять лет выращивал дерево в горшке, вес почвы почти не изменился. Ван Гельмонт заключил, что растение создает все свои ткани из воды, — предположение отчасти верное. Только в конце XVIII в. пришло понимание, что растения в действительности получают большинство веществ из воздуха.

Свет, пролитый на проблему

Голландский врач Ян Ингенхауз (1730-1799) разбогател, делая прививки против оспы. Он путешествовал по всей Европе, побывал в разных странах и в поездках заинтересовался устройством растений. В 1779 г. Ингенхауз остановился в усадьбе Боувуд-хауз в Уилтшире, Англия, где работал его друг Джозеф Пристли. Тот пытался понять, что такое воздух, и уже показал в 1771 г., что — по его собственным словам — воздух, «испорченный» в сосуде горящей свечой, вновь становится чистым, если в этот же сосуд посадить растение. Говоря современным языком, Пристли обнаружил, что растения производят кислород, хотя французский химик Антуан Лавуазье придумал название для этого газа лишь спустя несколько лет.

Ингенхауз исследовал феномен в ряде точных экспериментов, описания и результаты которых опубликовал в 1779 г. под заголовком «Опыты над растениями». Он показал, что растения производят кислород, когда находятся на солнечном свете, что это касается только их зеленой части и что в темноте они дышат, как и животные, высвобождая углекислый газ. Позже ученый также сделал верное предположение о том, что растения забирают из воздуха углекислый газ для генерации тканей.

Слуга-австриец Доминик помогает Яну Ингенхаузу (справа) собрать газ, который производят подопытные растения

Последующие достижения

Так началось изучение процесса, который теперь называют фотосинтезом. Однако само это слово, означающее «соединение светом», придумали в 1893 г. Но куда больше усилий потребовалось, чтобы разобраться, что же происходит в действительности. Было установлено, что растение при фотосинтезе производит сахара из воды и углекислого газа, и кислород выделяется как побочный продукт. Растения используют сахара в качестве источника энергии и для производства других веществ. Позже, в XIX в., опыты показали, что фотосинтез происходит внутри хлоропластов — крошечных образований в клетках растений, содержащих зеленый пигмент хлорофилл.

Тип света тоже важен. Растение улавливает свет с помощью хлорофилла, но использует только красный и голубой спектры света и отражает зеленый. Поэтому растения имеют зеленый цвет. (Если бы растения могли использовать энергию солнечного света полностью, они были бы черными.)

Пузырьки на листьях под водных растений, таких как элодея канадская, — это кислород, произведенный в ходе фотосинтеза

Исследования XX в. дополнили картину. Происходит сложная цепь химических реакций, которые для наглядности можно разбить на две стадии — реакции световой фазы и реакции темновой фазы. В первом случае хлорофилл расщепляет молекулы воды, используя энергию солнца. Атомы водорода и энергия, полученные в ходе этой реакции, затем передаются дальше и используются в реакциях темновой фазы, в результате которых молекулы углекислого газа превращаются в сахара.

С4-РАСТЕНИЯ

Некоторые растения собирают углекислый газ для реакции темновой фазы особым образом. Они известны как C4-растения и встречаются в основном в сухом тропическом климате. Это, например, камфорное дерево. В отличие от большинства растений, они не собирают углекислый газ в течение дня. Чтобы забрать его из воздуха, пришлось бы открыть поры на листьях, но тогда через открытые поры испарилась бы вода. Поэтому такие растения пополняют запасы углекислого газа ночью. Это вполне подходящие условия для реакции темновой фазы.