В.В. Полевой - Физиология растений (1134228), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Микроскопический анализ показал, что крахмальные зерна образуются именно в хлоропластах. Эта «»роба Сакса», как ее стали называть, настолько чувствительна, что на листьях удаегся получить отпечатки с фотонегативов. На прямом солнечном свету для образования крахмала достаточно уже 5 мин. Л, С. Фаминцын в 60-е годы прошлого столетия наблюдал образование крахмала в клетках водоросли спирогиры уже через 30 мин освещения слабым светом керосиновой лампы. Первые опыты по выяснению места образования кислорогш Зд. Об ее аенение отоеннтезе 61 при фотосинтезе были сделаны немецким физиологом Т.
В. Энгельманом (1881). Нить спирогиры помещали в камеру с водой или в висячую каплю, Края покровного стекла, которым закрывали ячейку, замазывали вазелином, чтобы кислород воздуха не проникал нз внешней среды. В эту же камеру помещались бактерии, способные двигаться только в присутствии кислорода. В темноте водоросль дышала и кислород исчезал из камеры.
Затем включается свет и в ходе фотосинтеза выделяется кислород. Оказалось, что при включении света все бактерии «оживали» и скапливались вокруг локально освещенных участков хлоропластов. Следовательно, именно хлоропласты выделяют кислород на свету. Бои~росом о роли света в процессах фотосинтеза начали заниматься с середины Х1Х в. Американский физик Дж. У. ДреЬр 'П'БУ ' Ю. С В. Пф ф~ Г что фбТосинтез лучше всего осуществляется в желтых лучах, наиболее ярких для человеческого глаза.
В то же время было уже-хорошо известно, что хлорофилл имеет резко выраженные максимумы поглощения в красной и синей частях спектра. Йсхойя из этих данных делался вывод, что процесс фотосинтеза не подчиняется $акону сохранения энергии, а свет действует на зеленый лист как раздражитель. Против этого утвбрхгдбйия вйступили ГО. Р. Майер и Г. Гельмгольц, сформулировавшие закон сохранения и превращения энергии. На основе-чисто теоретических рассуждений они утверждали, что зсленые растения поглощают;Гучистую солнечную энергию и превращают ее в химическую, т, е', фотосинтез — это процесс трансформации энергии света в энергию химических связей. Однако экспериментальных доказательств этой точки зрения не было.
Они были получены крупнейшим физиологом растений К. А. Тимирязевым, который изложил их в своей докторской диссертации «Об усвоении света растением» (!875]. т" р"' " " "'"" '""р "" "" р" "р уь«« Ф« "" " ~" " б его монохроматической чистоты. Этот недостаток в постановке опытов и привел Дрепера и Пфеффера к неверным выводам. Тимирязев использовал в работе счевши узкие щели и помо~пал в пгглпекзгкпзцохроматичесяого света тонкие пробирки с высечками из листьев, Для этих'Опытов ему пришлось разработать очень чувствительные методы газового микроанализа. В результате было установлено, что интенсивность ассимиляции СОз максимальна при освещении листьев красным светом, т.
е. тем светом, который в наибольшей степени поглощается хлорофиллом. Тимирязев постулировал, что при ассимиляции СО, хлорофпнн-елуягпт-огггичйским сенсибилизамором (т. е. веществом, увеличивающим чувствительность к свету) и что он непосредственно участвует в процессе фотосинтеза, необратимо переходя из восстановленного состояния в окисленное. Он сформулировал также идею о космической роли фотосинтеза: фотосинтез — единственный процесс, с помощью которого космическая солнечная энергия улавливается и остается на Земле, 3. Фотоеинтеа трансфо~~ясь в,гпугне формы энергии.
Тимирязев писал, что в хлоропласте лучистая энергия солнечного света йренраШаетсв в.химичЕПКУю энергию углеволов. Крахмал, клейковина и. другие соединения, консервирующие солнечную' энергию, служат нам пищей. Освобождаясь в нашем теле в процессе дыхания; зта энергия солнечного луча согревает нас, приводит в движение, подцерживает мьппление. Результаты изучения воздушного питания растений за первые сто лет после опытов Пристли нашли свое выражение в общем уравнении фотосинтеза: 6СОг + 6НгΠ— — ~СеНггОе + 60г или в расчете на 1 моль СОг: 2.1.2 Происхождение Ог при фотосинтезе.
В приведенном выше уравнении остается неясным, каково происхождение выделяющегося кислорода (из СОг или из НгО?). Во второй половине Х1Х в. и в начале ХХ в. считалось, что при фотосинтезе происходит фоторазложение СОг с последующим восстановлением углерода до углеводов с участием воды. Немецкий химик А. Байер в 1870 г. предложил слелуюший порядок реакций: Две фазы фотосинтеза со, "" сс ° с — 1 Ог СО+ Н,Π— - СН,О+ Π— ~ форигльяегил 6СНгΠ— — СеН,гОе (в соответствии с реакцией альдольной конденсации, открытой А. М, Бутлеровым) Исходя из этой гипотезы разложения диоксида углерода, можно было предположить, что для образования сахаров и крахмала растения лолжны усваивать промежуточные продукты — СО или формальдегид.
Однако оба соелинения оказались гоксичными лля растений, что указывало на ошибочность схемы Байера. В 1893 г. крупнейший русский биохимик А. Н. Бах высказал мысль о том, что ассимиляция СОг при фотосинтезе связана не с отшеплением Ог от диоксида углерода, а является сопряженным окислительно-восстановительным процессом, происхолящим за счет водорода и гидроксила воды, причем Ог вылеляется из воды через промежуточные перекисные соединения. Голланлский микробиолог К.
Б. ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фотосинтезом у растений, в 1937 в 1941 гг. также пришел к заключению, что первичная фотохимическая реакция фотосинтеза Зд. Об ее у аенение фотосинтеза 63 состоит в диссоциации воды, а не в разложении СОь Способные к фотосинтетической ассимиляции СО, бактерии (за исключением цианобактерий) нуждаются в восстановителях тина Нзб, Нн СНэ и лругих и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород, Такой тип фотосинтеза был назван фоеоредукццей. Ван Ниль пришел к выволу, что для пурпурных или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть прелставлено следующим образом: СОэ + Нэб — ~СНэОэ э-~- НэО + Бх или в общей форме: СОз + 2НзА м ~СНэО~ + НзО + 2А, гле Н,А — окисляемый субстрат (донор водорода).
Он предположил, что для высших растений и водорослей НэА — это НзО, а 2А — это О,. Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно быть разложение воды на окислитель ) ОН) и восстановитель ) Н). Затем первичный восстановитель [Н) восстанавливает СО„а первичный окислитель )"ОН) участвует в реакции, в которой высвобождается О, и снова образуется НзО.
В соответствии с этим предположением полное уравнение фотосинтеза, по ван Нилю, можно записать так: СОз+4НзΠ— ' — "' — ' )СНзО] '-ЗНзО Ч- О,„ причем эта суммарная реакция слагается из трех этапов: 4) Н) + СОз ) СНзО) + НэО 4) ОН) — — — 2НэО + Оэ Идеи ван Нила были поддержаны результатами опытов английского физиолога растений Р. Хилла, который в 1937 г. показал, что изолированные хлоропласты под действием света способны разлагать воду и вылелять кислорол в присутствии акцепторов электронов (феррицианида, бензохинона и др.).
Это явление получило название реакции Хилла. Согласно Хиллу, процесс раздожения воды осуществляется в три этапа: 4НхΠ— '-' — 4Н' ч- 4ОН' (фотолиз) хлорофилл 40Н вЂ” ~ 2НзО + 4е + Оз ОН О 2 + 4Н +4е — ' 2 ОН О бенюхинон гндрохинон 3. Фотосинтаа 64 Прямые экспериментальные доказательства того, что кислород при фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г. независимо в СССР и в США. А. П, Вн ноградов и Р.
В. Тейс с помощью масс-спектрометра пока зали, что отношение '~О: "О в кислороде, вылеляющемся прп фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воле а не в диоксиде углерода. Группа американских ученых, возглавляемая С. Рубеном и М. Камелем, одновременно проволила опыты с водорослями. В одной камере, куда помешались водоросли, вода содержала тяжелый изотоп кислорода (Нз"О), а кислород СОз не метился. Во второй камере, нао. борот, использовался меченый СОз (С' Оз), а в состав волы входил обычный кислород, При освещении водорослей в этщ камерах 'вОз выделялся в значительно большем количестве, если метка была у кислорода воды. Доказательства существования световой и темновой фаз фотосинтеза.
Уравнение ван Ниля включает две группы реакций, причем одна связана с фотодиссоциацией воды, а лругая. не зависящая от света,— с восстановлением СОз до углевода: 1) 2НзΠ— -'- — 4[Н) + О, 2) СОз + 4 [Н3 ~ [СНгО) + НзО Первую реакцию можно назвать световой, вторую — темновой Экспериментальные доказательства реального существования этих двух фаз фотосинтеза были получены в опытах с мигающим светом, которые ставились следующим образом. Межлу источником света и растением помещали непрозрачный вращающийся диск с вырезанным сектором.
Изменяя скорость вращения диска и величину вырезанного сектора. создавали различную длительность и соотцошенне светового и темпового периодов. Были использованы и другие способы импульсного освещения. Определялась интенсивность фотосинтеза листьев или суспензии клеток хлореллы. Опыты с мигающим светом, проведенные в России (А. А. Рихтер, 1914) и в США (Р. Эмерсон и У. Арнольд, 1932, 1941), показали, что максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается не прн непрерывном, а при импульсном освещении (пересчет сделан на время освещения) и особенно в тех случаях, когда продолжительность темповых промежутков составляла 0,04 — 0,06 с (при 25'С).
Оптимальное время световой вспышки оказалось порядка 10 с. Большая эффективность импульсного света доказывает наличие темповых реакций в фотосинтезе, так как темновые (энзиматические) процессы осуществляются более медленно, чем фотохимические. Другим доказательством существования темновой фазы фотосинтеза является величина его температурного коэффициента Д,„, показывающего, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10'С, Для химических, в том числе энзиматнческих процессов, Д,е составляет от 2 до 4, для фотохимических, не зависящих от температуры,— он близок к единице.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
