Фотосинтез. Історія та суть наукового відкриття

ВАЖЛИВІ НАУКОВІ ВІДКРИТТЯ
Безкоштовна бібліотека / Довідник / Найважливіші наукові відкриття

Фотосинтез. Історія та суть наукового відкриття

Найважливіші наукові відкриття

Довідник / Найважливіші наукові відкриття

Кілька років французькі хіміки Пельтьє (1788–1842) та Каванту (1795–1877) працювали разом. Ця плідна співпраця привела до відкриття стрихніну та бруцину. Найбільшу славу принесло їм відкриття хініну – вірного засобу проти малярії. У 1817 році вчені опублікували "Нотаток про зелену матерію листя".

Саме Пельтьє та Каванту і відкрили хлорофіл – та речовина, що надає всім рослинам зеленого кольору. Щоправда, вони не надали цьому надто великого значення.

Вчені залили свіже листя спиртом. Спирт забарвився в зелений колір, а листя стало зовсім безбарвним. Крім того, Пельтьє та Каванту промили отриману напіврідку зелену масу водою. Видаливши водно-розчинні домішки, вони потім просушили її та отримали зелений порошок.

Вчені назвали цю речовину хлорофілом (від грецьких "хлорос" - зелений та "філлон" - лист). Початок було покладено.

Вільштеттер (1872–1942), син торговця текстилем, німецький біохімік, свої наукові інтереси пов'язав із рослинними пігментами (хлорофіл – один з них). У 1913 році разом із найближчим учнем Артуром Штоллем він випустив фундаментальну працю "Дослідження хлорофілу". В 1915 за ці роботи Вільштеттер був удостоєний Нобелівської премії з хімії.

Наукові результати школи Вільштеттера були значними.

Тімірязєв писав пізніше, що робота Вільштеттера "залишиться надовго вихідною точкою в подальшому вивченні хлорофілу, і майбутній історик відзначить два періоди в цьому вивченні - до Вільштеттера і після нього".

"Насамперед Вільштеттер, - пише Ю Г Чирков, - виділив у зелені два початки - хлорофіл а (він найважливіший) і хлорофіл b. Друге досягнення: Вільштеттер встановив хімічний склад молекули хлорофілу.

Присутність у хлорофілі вуглецю, водню, азоту, кисню очікувалася. Але магній – це для вчених був сюрприз! Хлорофіл виявився першим з'єднанням в живій тканині, що містить цей елемент.

І, нарешті, третє: Вільштеттер поставив за мету визначити, чи у всіх рослин хлорофіл однаковий? Адже скільки на планеті різних рослин, як сильно відрізняються умови їхнього проживання, так невже всі вони обходяться однією і тією самою, так би мовити, стандартною молекулою хлорофілу?

І тут Вільштеттер знову виявив свій науковий характер. Ні у сучасників, ні у нащадків не мало виникнути й тіні сумнівів у достовірності здобутих ним фактів!

Гігантська праця тривала цілих два роки. У Цюріх, де тоді працював Вільштеттер, численні помічники доставляли темряву рослин із різних місць. Рослини наземні та водні, з долин та зі схилів гір, з півночі та півдня, з річок, озер та морів. І з кожного отриманого екземпляра витягували хлорофіл і ретельно аналізували його хімічний склад.

У результаті вчений переконався, що склад хлорофілу скрізь однаковий!

За червоний колір крові "відповідає" гем. В основі і гема, і хлорофілу лежить порфін. Ханс Фішер на початку вивчав гем, - зазначає Чирков. - Дроблячи цю молекулу, він незабаром переконався: її основу складає порфін. прикріплених до восьми кутів порфіну.

Праця Фішера з розшифровки та синтезу гема була увінчана Нобелівською премією. Але вчений не захотів заспокоїтись на досягнутому: тепер його захопила загадка хлорофілу.

Швидко було встановлено: основу хлорофілу становить той самий порфін IX, проте замість атома заліза в нього "вкраплений" атом магнію (присутність останнього довів ще Вільштеттер).

...Продовжуючи свої наукові розшуки, Фішер переконався: у тому місці, де у молекули гема висить тривуглецевий хвостик, у молекули хлорофілу стирчить величезний хвостище - двадцятивуглецевий ланцюг, названий фітолом...

Зараз у будь-якому підручнику з фізіології рослин можна знайти "портрет" цієї знаменитої молекули. Структурна формула хлорофілу займає цілу сторінку. Хоча справжні його розміри скромні - 30 ангстрем.

Молекула хлорофілу схожа на пуголовка: у неї плоска квадратна голова (хлорофілін) та довжелезний хвіст (фітол). У центрі голови, немов око циклопу чи алмаз у царській короні, красується атом магнію.

Якщо відірвати у пуголовка фітольний хвіст, а атом магнію замінити на атом заліза, отримаємо гем. І ніби за помахом чарівної палички, зміниться колір пігменту: зелене стане червоним!

Американець Дрэпер, а слідом за ним англієць Добені та німці Сакс і Пфеффер в результаті проведених експериментів зробили висновок, що найбільш інтенсивно фотосинтез відбувається у жовтих променях сонячного світла.

З цією думкою не погодився російський вчений Тімірязєв.

Климент Аркадійович Тимірязєв (1843–1920) народився у старовинній дворянській родині. Початкову освіту хлопчик здобув удома.

Потім Климент вступив до природного відділення фізико-математичного факультету Петербурзького університету. Студенти-природознавці завжди відрізнялися демократизмом настроїв, і цей факультет вважався традиційним початком шляху російських різночинців. На другому курсі Тімірязєв відмовився підписати зобов'язання про те, що не займатиметься антиурядовою діяльністю. За це його виключили з університету. Однак, враховуючи видатні здібності юнака, йому було дозволено продовжувати освіту вільним слухачем.

Оскільки в Росії наукова кар'єра для Тимірязєва виявилася закритою через його неблагонадійність, відразу після закінчення університету він їде за кордон. Молодий вчений працює в лабораторіях найбільших біологів Франції - П. Бертло та Ж. Буссенго, а також проходить стажування в Німеччині у фізика Кірхгофа та фізіолога Гельмгольця. В одному з німецьких університетів йому присуджують ступінь лікаря.

Повернувшись до Росії, Тимірязєв починає працювати в Петрівській землеробській та лісовій академії. У 1871 році після захисту дисертації "Спектральний аналіз хлорофілу" його було обрано екстраординарним професором Петрівської сільськогосподарської академії. Сьогодні ця академія носить ім'я Тімірязєва. У 1875 році після захисту докторської дисертації "Про засвоєння світла рослиною" Тімірязєв став ординарним професором.

Перша книга Тімірязєва присвячена популяризації ідей Чарлза Дарвіна. Він практично перший відкрив їх для російської науки і вперше ввів дарвінізм як навчальний курс для студентів.

Більшу частину життя Тимірязєв присвятив дослідженням хлорофілу. Його блискуча книга "Життя рослини" (1878) витримала десятки видань російською та іноземними мовами.

У ній він на яскравих прикладах показав, як харчується, росте, розвивається та розмножується зелена рослина. Тимірязєв мав рідкісний дар вченого-популяризатора, який умів дуже просто пояснити наукові явища навіть недосвідченому читачеві.

Щоб спростувати висновок, ніби максимум фотолізу має місце у жовтих променях, і довести, що цей максимум припадає на червоні промені, Тимірязєв проводить цілу серію ретельно продуманих експериментів.

Він сам створює найточніші прилади для практичного доказу правильності своїх теоретичних висновків. Тимірязєв показав, що помилкові висновки Дрэпера з'явилися результатом неправильно поставлених дослідів. Неодмінною умовою успішності цих дослідів є чистота спектра. Щоб спектр був чистим, тобто щоб кожна його ділянка була чітко відмежована від інших, щілина, через яку проходить промінь світла, повинна бути не ширшою за 1–1,5 міліметра. Використовуючи відомі тоді методи газового аналізу, Дрэпер змушений був використовувати щілину розміром до 20 міліметрів в діаметрі. В результаті спектр виходив вкрай нечистим. Найбільше змішання променів при цьому мало місце в середній, жовто-зеленій частині, яка ставала від цього майже білою, трохи забарвленою у жовтий колір. Саме тут Дрепер і знайшов максимальний ефект фотосинтезу.

Тимірязєв у своїх дослідах домігся усунення помилки, допущеної Дрепером. У своєму дослідженні відносного значення різних променів спектра в процесі фотосинтезу, зробленому влітку 1868, він досягає цього шляхом застосування так званих світлофільтрів. У разі дослідження інтенсивності фотосинтезу у різних променях сонячного світла проводиться над спектрі, а окремих променях, ізольованих з інших променів з допомогою кольорових рідин.

Тимірязєву вдалося встановити, що хлорофіл найповніше поглинає червоні промені. Саме в цих променях була виявлена їм також і найбільша інтенсивність фотосинтезу, що вказувало на вирішальну роль хлорофілу у явищі, що вивчається.

Виявивши помилковість дослідів Дрэпера, Тімірязєв чудово розумів у той же час, що точних результатів, що підтверджують його гіпотезу про залежність фотосинтезу від ступеня поглинання даних променів зеленим листом і кількості їх енергії, можна досягти лише за допомогою дослідів, вироблених безпосередньо в спектрі. Задумавши цілий комплекс досліджень у цьому плані, Тімірязєв передусім звертає увагу вивчення властивостей хлорофілу.

Дослідження Тимірязєва наочно показали, як він сам говорив, "космічну роль рослин". Він називав рослину посередником між сонцем та життям на нашій планеті. "Зелений лист, або, вірніше, мікроскопічне зелене зерно хлорофілу є фокусом, точкою у світовому просторі, в яку з одного кінця притікає енергія сонця, а з іншого беруть початок усі прояви життя на землі. Рослина - посередник між небом та землею. Воно істинний Прометей, який викрав вогонь з неба. Викрадений ним промінь сонця горить і в мерехтливій лучині, і в сліпучій іскрі електрики. Промінь сонця приводить у рух і жахливий маховик гігантської парової машини, і пензель художника, і перо поета".

Завдяки дослідженням Тимірязєва у науці міцно утвердився погляд на рослину як на чудовий акумулятор сонячної енергії.

Сьогодні немає жодних сумнівів: хлоропласт - це створений природою апарат для фотосинтезу, а довів це тепер очевидне становище в 1881 Теодор Вільгельм Енгельман (1843-1909), німецький фізіолог, автор видатних робіт з фізіології тварин.

Як зазначає Чирков: "Рішення завдання було надзвичайно дотепним. Допомогли бактерії. Вони не мають фотосинтезу, зате вони, як люди і тварини, потребують кисню. А кисень виділяють клітини рослин. У яких саме місцях? А ось це і є те, що треба з'ясувати!

Енгельман міркував так: бактерії зберуться у тих частинах рослинної клітини, де виділяється кисень, ці місця і будуть центрами фотосинтезу.

У краплю води помістили бактерії та рослинну клітину. Все це закрили склом, краї ретельно замазали вазеліном: щоб запобігти доступу кисню під скло з повітря.

Якщо тепер весь цей пристрій трохи протримати в темряві, то бактерії, споживши весь кисень у рідині, перестануть рухатися.

Тепер вирішальне: перенесемо наш пристрій на столик мікроскопа і висвітлюватимемо рослинну клітину так, щоб промені світла падали на різні її частини (а решта перебувала в тіні). І ось легко переконатися: бактерії починають рухатися лише тоді, коли промінь світла впаде на один із хлоропластів.

Так, нарешті, було чітко показано: хлоропласти - це ті фабрички, де рослина вміло переплавляє промінь світла в хімічні речовини, а хлорофіл каталізує цей процес, що міститься в хлоропластах.

Російський ботанік Андрій Сергійович Фамінцин (1835-1918) довів, що цей процес може йти і при штучному висвітленні.

У 1960 році газети США та інших країн сповістили світ про те, що відомий американський хімік-органік Роберт Берне Вудворд (1917) досяг небувалого - здійснив синтез хлорофілу.

Автор: Самін Д.К.

Рекомендуємо цікаві статті розділу Найважливіші наукові відкриття:

▪ Стереохімія

▪ Теорія груп

▪ клонування

Дивіться інші статті розділу Найважливіші наукові відкриття.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Відтворена вулканічна блискавка 01.12.2019

Вчені з Мюнхенського університету вирішили вивчити принципи утворення вулканічної блискавки – явища, яке найчастіше супроводжує виверження вулканів.

Дослідники мало знають про принципи її освіти у природі, тому вчені вирішили провести серію експериментів для відтворення блискавки у лабораторії та вивчили її властивості.

Перед початком експериментів дослідники детально вивчили, як утворюється вулканічна блискавка в природі. Їм було відомо, що ключову роль у цьому відіграє зіткнення частинок золи всередині вулкана, проте деталі явища залишалися невідомими. Тому дослідники спробували створити вулканічні блискавки у лабораторії.

Дослідницьке встановлення може змінити властивості вулканічного шлейфу, щоб з'ясувати, як зміна температури або вологості золи може збільшити або зменшити шанси на утворення блискавок.

Фахівці з'ясували, що вулканічна блискавка має той самий принцип освіти, що й звичайна блискавка – для цього треба поділити позитивний та негативний заряди. Коли такий поділ стає занадто великим, утворюється блискавка, яка нейтралізує різницю зарядів. Проте вчені з'ясували, що інші принципи освіти блискавок у вулканах відрізняються.

У вулканічних блискавках велику роль відіграють зіткнення частинок, які створюють частину електрифікації, зазначили дослідники. Зола у разі створює більше тертя, що призводить до утворення електричних зарядів. Цей ефект, відомий як трибоелектрика, також відбувається, коли ви третє повітряна куля об волосся і він може прикріпитися до цієї поверхні. Вчені зазначили, що за таким же принципом вибухи вулканічного сміття сприяють нагромадженню електричного заряду.

Для своїх експериментів вчені використовували установку, відому як фрагментарна бомба: камеру із вмістом золи під тиском, яка у певній точці під високим тиском стискується та розмножується у сталевий накопичувальний бак. Це вивільняє попіл як струмінь, що розширюється, в якому і народжується вулканічна блискавка. Дослідники сподіваються, що, зробивши достатню кількість блискавок, вони зможуть з'ясувати всі деталі її утворення.

Інші цікаві новини:

▪ BLE модуль для інтернету речей ST Microelectronics SPBTLE-1S

▪ Panasonic та Sony - нова технологія AVCHD

▪ Ліфт через автотрасу

▪ Застосування ляльок у медицині

▪ Високострумові SMD запобіжники Bourns SF-2923

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Годинники, таймери, реле, комутатори навантаження. Добірка статей

▪ стаття Наріжний камінь (камінь основи). Крилатий вислів

▪ стаття Хто намалював перші картини? Детальна відповідь

▪ стаття Редис. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ стаття Підсилювач постійного струму. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Мініатюрний радіотелефон. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages of this page

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт