Зеленая кровь растений
Это красящее тело (зеленый крахмал) представляет собою особое, тонкое вещество, близко соприкасающееся с великими тайнами растения.
"Почему и зачем растение зелено?" - так называлась одна из работ К. А. Тимирязева, нашего выдающегося соотечественника, посвятившего всю свою жизнь изучению фотосинтеза.
Немало лет прошло с тех пор, одержаны замечательные научные победы, разработана невиданная для тех времен научная аппаратура, облегчающая исследования... А дать исчерпывающий ответ на этот, казалось бы, простой, поставленный Тимирязевым вопрос наука все еще не может...
1
Пельтье (1788-1842), Каванту (1795-1877), французские химики (из племени фармацевтов; у Пельтье и отец, и дед: сын Каванту также пошел по стопам отца и стал известным ученым). Несколько лет Пельтье и Каванту работали вместе, это плодотворное сотрудничество привело к открытию стрихнина (1818), бруцина (1819), хинина (1820) - алкалоидов, оказывающих сильное действие на организм человека. Введенные в арсенал фармацевтики алкалоиды совершили переворот в медицинской практике. Позднее оба ученых занимали видные посты (Пельтье - директора Школы фармацевтики в Париже, Каванту - президента Общества фармацевтики и президента медицинской академии Франции), делать новые открытия было уже некогда. Главное было позади. В 1817 году Пельтье и Каванту опубликовали "Заметку о зеленой материи листьев".
Важное открытие было совершено в смутное время, а потому прошло незамеченным.
Та благая пора, когда аптекари и священники (вспомним, к примеру, Пристли) между делом, попутно, в золотые часы досуга могли делать большие научные открытия, кончалась. Наступала эра дипломированных ученых, кормящихся наукой. Здесь уж дилетанты должны были отступить.
Однофамилец Пельтье-химика Пельтье-физик (1785-1845), тоже француз, часовщик по специальности, в 30 лет бросил свое ремесло и посвятил себя всецело науке. И сделал-таки в 1834 году выдающееся открытие - "явление Пельтье" с тех пор известно всем физикам,
Но это были последние мастодонты, динозавры научного дилетантизма... Пельтье и Каванту уже были профессиональными фармацевтами, а значит, и химиками. Из листьев растений, трав, коры деревьев, их корней они извлекали исцеляющие начала.
Особенно прославило их открытие хинина - верного средства против малярии.
Так, возясь с листьями, видимо, попутно, не придавая этому слишком большого значения, Пельтье и Каванту и открыли хлорофилл - то вещество, что придает всем растениям зеленый цвет.
Опыт с выделением хлорофилла прост и доступен каждому.
Стоит залить свежие листья спиртом, и вы заметите, что спирт окрасится в зеленый цвет, а листья станут совершенно бесцветными.
Эту нехитрую операцию и проделали Пельтье и Каванту, Но, кроме того, они промыли полученную полужидкую зеленую массу водой, удалив при этом водно-растворимые примеси, а затем просушили ее и получили зеленый порошок.
Примерно за сто лет до этих событий голландец Антони ван Левенгук, положив кусочек зеленого листа под свой микроскоп (он увеличивал в 270 раз), разглядел в растительной ткани крохотные зеленые шарики.
Открытия Левенгук делал ежедневно. Он тащил к микроскопу все, что попадалось ему на глаза и под руку: и крылышко мухи, и травинку, и даже капельку грязной воды. И обо всем этом он немедля сообщал в лондонское Королевское общество, чтоб зафиксировать, так сказать, застолбить свои открытия.
(И в наши дни некоторые ученые, завладев дорогостоящим редким прибором, часто суют в него по методу Левенгука все что ни попадя. Но - ах! - сделать значительное открытие теперь стало гораздо труднее.)
В 1698 году, говорят, когда Левенгука посетил Петр Первый, голландец и русскому царю дал поглядеть через линзу на таинственные зеленые шарики...
Левенгук одним из первых наблюдал хлорофилл. Но получили его, главное, дали ему имя Пельтье и Каванту.
Они нарекли "листозелень" (словечко, придуманное Тимирязевым) хлорофиллом (от греческих "хлорос" - зеленый и "филлон" - лист).
Начало было положено.
2
Вильштеттер (1872-1942), немецкий биохимик, сын торговца текстилем, уехавшего попытать счастья в Америку (в Германии он оставил без средств жену и сына; когда в 1900 году, с трудом собрав деньги на обратную дорогу, он вернулся, его сын был уже приват-доцентом Мюнхенского университета...). Научные наиболее значительные работы Вильштеттера связаны с растительными пигментами (хлорофилл - один из них). Эти пигменты образуют очень сложную группу веществ, разделить которые в те времена было отчаянно трудно. Проблему в 1903 году решил русский исследователь Михаил Цвет - создатель хроматографии. Однако Цвет публиковался на русском языке, и его открытие не привлекло тогда внимания. Вильштеттер сделал множество открытий (в 1913 году вместе с ближайшим учеником Артуром Штоллем он выпустил фундаментальный труд "Исследования хлорофилла"), В 1915 году за эти работы Вильштеттер был удостоен Нобелевской премии по химии. В довоенные годы Вильштеттер был избран сначала членом-корреспондентом, а потом и членом Академии наук СССР. Еврей по национальности, он в 1925 году в знак протеста против антисемитизма отказался от профессорского поста. С приходом Гитлера к власти некоторое время оставался в Германии, хотя жизнь его была в большой опасности. Мартовской ночью 1939 года тайком пересек границу и бежал в Швейцарию, где и провел последние годы жизни.
Наука знала многих: ученых-администраторов, ученых-политиков (даже ученых-иезуитов!), поэтов и философов, прятавшихся под маской ученого...
Рихард Вильштеттер был ученым-генералом. И видимо, того требовал сам объект исследований.
Только что вы прочитали: опыт с выделением хлорофилла прост и доступен каждому. На деле это не совсем так. Спирт и другие органические растворители - эфир, ацетон - извлекают из растений смесь пигментов, выделить из нее желанный хлорофилл было не так-то просто.
Словно полководец, суровый и непреклонный, готовый ради выигрыша сражения идти на любые жертвы (победителей не судят!), жестокий и к себе и к окружающим,. Вильштеттер, имея хорошую лабораторию и деятельных, преданных помощников, мог, казалось, взломать любые преграды.
Нужен был чистый, без примесей хлорофилл. Ради ничтожных граммов этого вещества изводили многие тонны зелени. Особенно удобны тут сухие листья крапивы. И вот группы студентов обшаривают все окрестности в поисках столь ненавистного огородникам сорняка. С распухшими красными руками, в бесчисленных волдырях приносили студенты своему герру профессору огромные мешки, доверху набитые крапивой.
Тонны и граммы!
Химическая кухня Вильштеттера кипела и клокотала почти круглые сутки. Свежие листья крапивы осторожно, чтобы не разрушить хлорофилл, подсушивали, затем тонко измельчали, доводя до порошкообразного состояния. Сквозь слой этого порошка в специальных воронках пропускали смесь растворителей (ацетон, метиловый спирт с водой) - так извлекали пигменты.
Но это еще было полдела. Почти чистый - 98 процентов - хлорофилл получали в результате дальнейшей сложной обработки пигментной смеси, используя то обстоятельство, что хлорофилл хорошо растворяется в одних и почти совсем не растворяется в других жидкостях.
Вильштеттер изобретал и совершенствовал все новые и новые приемы (точность, чистота, воспроизводимость научных результатов!).
На химической кухне Вильштеттера царило жесткое разделение труда, словно на мануфактуре или фабрике: каждый исполнитель знал свой участок - общий план кампании был в голове у шефа.
С ума можно было сойти от этого убийственного однообразия! От бесконечного и нудного повтора все тех же приемов и методик, от изнуряющего кропотливого труда без озарений и азарта, среди мелочей и частностей.
Но научные результаты школы Вильштеттера были значительны.
Тимирязев писал позднее, - что работа Вильштеттера "останется надолго исходной точкой в дальнейшем изучении хлорофилла, и будущий историк отметит два периода в этом изучении - до Вильштеттера и после него".
Прежде всего Вильштеттер выделил в зелени два начала - хлорофилл а (он самый важный!) и хлорофилл.
(Те самые, которые Цвет, опередивший Вильштеттера, назвал хлорофиллом альфа и хлорофиллом бета: увы, латынь вытеснила греческие буквы, прижилась терминология Вильштеттера.)
Второе достижение: Вильштеттер установил химический состав молекулы хлорофилла.
Присутствие в хлорофилле углерода, водорода, азота, кислорода ожидалось. Но магний - это для ученых был сюрприз! Хлорофилл оказался первым соединением в живой ткани, содержащим этот элемент.
И наконец, третье: Вильштеттер задался целью определить, у всех ли растений хлорофилл одинаков? Ведь сколько на планете разных растений, как сильно разнятся условия их обитания, так неужели все они обходятся одной и той же, так сказать, стандартной молекулой хлорофилла?
И тут Вильштеттер вновь показал свой научный характер. Ни у современников, ни у потомков не должно было возникнуть и тени сомнений в достоверности добытых им фактов!
Гигантский труд длился целых два года. В Цюрих, где в то время работал Вильштеттер, многочисленные помощники доставляли тьму растений из самых разных мест. Растения наземные и водные, из долин и со склонов гор, с севера и юга, из рек, озер и морей... И из каждого полученного экземпляра извлекали хлорофилл и тщательно анализировали его химический состав.
Два года - напряженных трудов убедили Вилынтеттера: да, у всех растений хлорофилл совершенно одинаков. А значит, и процесс фотосинтеза идет всюду по одним и тем же канонам и прописям...
3
Фишер Ханс (1881-1945), немецкий химик-органик и биохимик. Занятия в университете Марбурга сделали его химиком (1904), в Мюнхенском университете получил он степень доктора медицины (1908). Много лет работал под руководством своего однофамильца Эмиля Фишера (глава большой школы немецких химиков-органиков, нобелевский лауреат 1902 года). Только в возрасте 40 лет приступил Ханс Фишер к самостоятельным исследованиям: показал, что гемоглобин крови состоит из белка глобина и красителя тема (маленький гем сидит на громадине глобине, словно всадник на лошади), расшифровал структур/ гема в 1929 году (Нобелевская премия в 1930). В 1940 году окончательно установил структуру хлорофиллов айв. Всю жизнь провел в Германии, месяца не дожил до окончания второй мировой войны; в результате варварских массированных, но тогда уже бесполезных бомбежек Мюнхена англо-американской авиацией лаборатория Фишера быпа полностью уничтожена, престарелый ученый не мог этого перенести и в отчаянии покончил жизнь самоубийством.
Еще Вильштеттер установил, что в молекуле хлорофилла а 137 атомов, у хлорофилла b - 136.
Химическая формула первого - C55H72O5N4Mg, второго - C55H70O6N4Mg;, где химические символы С. Н, N, О и Mg означают углерод, водород, азот, кислород и магний, а цифры - количество этих атомов в соединении.
137 атомов. С учетом валентности атомов, возможных химических связей между ними можно получить астрономическое число пространственных комбинаций. Какую же комбинацию избрала природа? Ответить на этот вопрос - это все равно что найти иголку в стоге сена, да еще в полной темноте.
Целое поколение ученых билось над тем, чтобы разгадать строение молекулы знаменитого пигмента, его структуру.
Как ее определить? Химическая практика тех времен предлагала одно: разбить молекулу хлорофилла, так сказать, вдребезги, на кусочки, а затем, исследуя структуру отдельных фрагментов и постепенно усложняя, увеличивая их размер, построить, если повезет, восстановить целое.
(Многие годы ученые нащупывали наиболее эффективные подходы к решению задачи. Наиболее плодотворным оказался метод последовательного расщепления молекулы хлорофилла действием крепких щелочей, кислотами и другими реактивами - на холоде и при повышенных температурах - с последующим анализом образующихся при этом продуктов распада.)
В этих исследованиях (начал их Вильштеттер, продолжали другие ученые и закончил Ханс Фишер) удивительным образом научная судьба хлорофилла переплелась с научной судьбой другого не менее замечательного соединения - гема.
Когда мы думаем о растениях, то прежде всего вспоминаем их зеленый цвет.
А кровь человека красна: ее окрашивает гем. Растениям же зеленую окраску, как мы уже знаем, придает хлорофилл.
Казалось бы, все естественно: гем переносит кислород в артериях из органов дыхания в ткани, а хлорофилл помогает растениям запасать энергию солнечных лучей - разные функции, различна и окраска. И ожидать какого-то соответствия между хлорофиллом и гемом трудно.
Но в том-то и фокус, что на деле эти молекулы почти близнецы. Многие исследователи: Вильштеттер, Тимирязев, поляки - Марцелл Ненцкий и Леон Мархлевский - и другие отмечали (и доказывали!) кровное родство хлорофилла и гема.
Одно время даже пытались лечить хлорофиллом малокровие!
В основе и гема, и хлорофилла, и многих других важных биологических соединений: мир един! - лежит порфин - структура из четырех колечек (пиррола), соединенных углеродными мостиками в большое кольцо.
...Ханс Фишер вначале изучал гем. Дробя эту молекулу, он вскоре убедился: ее основу составляет порфин. Кольцо из колечек.
То же было и у хлорофилла. Отличие заключалось лишь в хвостиках, коротких цепочках атомов, прикрепленных к восьми углам порфина.
Дальнейшие исследования Фишера и его сотрудников показали, что у гема эти хвостики могут быть с одним, двумя и тремя углеродными атомами.
А всего возможных способов прикрепления хвостиков трех сортов к восьми углам, как установил Фишер, было ровно пятнадцать.
Вопрос стоял так: как надо прикрепить хвосты, чтобы получилась молекула гема?
Фишер разбил своих студентов на 15 групп: каждая группа получила свое задание - синтезировать вполне определенную (одну из 15) комбинацию порфина и хвостов.
И каждую из этих синтезированных молекул Фишер сравнивал с порфином, выделенным из гема.
Искомое решение дал порфин IX.
Ну а гем синтезировали тогда, когда в центральную часть порфина IX встроили атом железа.
Труд Фишера по расшифровке и синтезу гема был увенчан Нобелевской премией.
Но ученый не захотел успокоиться на достигнутом: теперь его увлекла загадка хлорофилла.
Быстро было установлено: основу хлорофилла составляет все тот же порфин IX, однако вместо атома железа в него "вкраплен" атом магния (присутствие последнего доказал еще Вильштеттер).
(Заметим в скобках, что хвостатые порфины - их называют порфиринами - в комплексе с металлами чрезвычайно "популярны" в природе. Это гемоглобин, хлорофилл, многие витамины, ферменты - каталаза, пероксидаза, биохимические переносчики электронов в клетках - цитохромы...)
Железо и магний. Небольшая вроде бы замена, но кровь (гем)! имеет алую окраску, а листья (хлорофилл) зеленую.
Кстати, о цвете крови: она вовсе не обязательно должна быть алой.
У червей-аннелид, к примеру, хлоркруорин - пигмент, придающий окраску крови этих созданий, - отличается лишь малой деталью от тема крови высших животных: первый содержит альдегидную группу атомов в том месте, где у второго - винильная группа. В результате кровь у аннелид не красного, как мы привыкли, а зеленого цвета!
Еще пример. Гемоцианин - пигмент крови некоторых моллюсков. В окисленном состоянии он окрашен в синий цвет. Это потому, что в гемовой оправе - порфирин IX - он содержит атом меди, а не железа.
("Голубая кровь" аристократов... Надо бы биохимикам заняться этим вопросом!..)
Но вернемся к хлорофиллу. Его химическая формула (смотри выше) отличается от химической формулы гема (C34H3204N4Fe) не только магнием.
Продолжая свои научные розыски, Фишер убедился: в том месте, где у молекулы гема висит трехуглеродный хвостик, у молекулы хлорофилла торчит громадный хвостище - двадцатиуглеродная цепь, названная фитолом...
Сейчас в любом учебнике по физиологии растений можно найти "портрет" этой знаменитой молекулы. Структурная формула хлорофилла занимает целую страницу. Хотя истинные его размеры предельно скромны - 30 ангстрем (ангстрем - одна стомиллионная доля сантиметра).
Молекула хлорофилла похожа на головастика: у нее плоская квадратная голова (хлорофиллин) и длиннющий хвост (фитол). В центре головы, словно глаз циклопа или алмаз в царской короне, красуется атом магния.
Если оторвать у головастика фитольный хвост, а атом магния заменить атомом железа, получим гем. И будто по волшебству, изменится цвет пигмента: зеленое станет красным!
4
Цвет (1872-1919), ботаник, сын итальянки и русского интеллигента, не поладившего с царским режимом. Родился в Италии (город Асти, неподалеку от Турина), учился в Швейцарии (окончил Женевский университет, 1903), долгое время жил в Польше (она была тогда частью Российской империи), умер в России (в Воронеже). Цвет почти наш современник, но о подробностях его жизни мы знаем немного (тут с ним может "поспорить" даже Аристотель!). Отчасти это связано с тем, что судьба бросала Цвета из страны в страну, из города в город (Лозанна, Женева, Симферополь, Петербург, Варшава, Тарту, Казань, Москва, Нижний Новгород), из одного учебного заведения, где ему приходилось работать, в другое. Он был поэтом (магистерская диссертация его начиналась словами: "Своеобразный таинственный процесс, происходящий в хлорофилловом зерне под прибоем световых волн..."), а дал толчок изобретению приборов, которые сейчас можно найти на любом заводе, связанном с химической промышленностью. В 1906 году, защитив в Женеве диссертацию ("Этюды по физиологии клетки", ее центральная глава посвящена хлорофиллу), Цвет неожиданно (для окружающих!) решает вернуться в Россию (вернуться туда, где никогда не жил!). Там он вначале работал у Фаминцина, в его фитофизиологической лаборатории (изучал все тот же хлорофилл). Но на птичьих правах: ни дипломов, ни ученых степеней, полученных за границей, в России не признавали, а без них получить штатное место ни в одном учреждении Цвет не мог. Получился заколдованный круг: чтобы получить степень доктора, надо было иметь университетский диплом, а его не давали без гимназического аттестата (гимназия почти в полные 30 лет?)... Это запутанное дело закончилось переездом в Варшаву и сверхскромной должностью сверхштатного лаборанта в тамошнем университете... В 1910 году Цвет защитил (уже второй раз, первый - 15 лет назад в Женеве) докторскую диссертацию "Хромофиллы в растительном и животном мире". 1915 год, дивизии кайзера Вильгельма вторглись в Польшу, Цвет вместе с Варшавским политехническим институтом оказался в Нижнем Новгороде. Его избрали (наконец-то!) профессором Юрьевского (Тарту) университета, который в те годы из Эстонии был эвакуирован в Воронеж, здесь (голод, неустроенность, врожденная болезнь сердца) на 47-м году жизни его настигла смерть.
В 1903 году Михаил Семенович Цвет прочел доклад со сложным для ботаников и отпугивающим названием: "О новой категории адсорбционных явлений и о применении их к биохимическому анализу".
Но суть дела была проста.
Цвет показал, что при пропускании растворенных в жидкости растительных пигментов через слой бесцветного пористого сорбента отдельные пигменты располагаются в виде окрашенных зон - каждый пигмент имеет собственный цвет или хотя бы оттенок.
Порошок сорбента (это может быть мел, сахарная пудра...) адсорбирует (поверхностно поглощает: латинское sorbere значит "глотать") разные пигменты с неодинаковой силой: одни могут "проскочить" с током раствора дальше, другие окажутся задержанными ближе. Полученный таким обоазом послойно окрашенный столбик сорбента Цвет назвал хроматограммой, а метод - хроматографией.
(Странным образом собственная фамилия - Цвет - ученого совпала с существом его наивысшего научного достижения: по-гречески "хрома" значит "цвет"!)
Видимо, открытие Цвета явилось реакцией на существующие тогда грубые и убийственные для пигментов методы их разделения.
Вот один из приемов.
Сначала добывали спиртовую вытяжку хлорофилла, затем ее три часа кипятили с добавлением в раствор крепкой щелочи (едкого калия). В результате хлорофилл разлагается на составные части - зеленый и желтый пигменты.
Но ведь в процессе изготовления этого зелья (почти алхимические манипуляции), природный хлорофилл мог разрушиться. И тогда исследователь имел бы с кусками пигментов, а то и с продуктами их химического превращения.
Иное - хроматография. Вот исследователь в стеклянную трубку, плотно набитую хорошо измельченным мелом, через воронку льет темно-зеленый хлорофилловый экстракт. И происходит чудо: медленно опускаясь вниз, жидкость окрашивает порошок в разные тона. Пояски - желтый, зеленый, сине-зеленый, оранжевый...
Осталось немного: столбик мела извлекается из стеклянной рубашки и кладется на стол. И ножом разрезается на отдельные цветные части. В каждой - чистейший пигмент.
Осталось лишь с помощью растворителя вымыть, извлечь нужный исследователю пигмент из соответствующего кольца сорбента...
5
Люблю я пышное природы увяданье, В багрец и в золото одетые леса...
Листва зелена: эту аксиому разрушает осень с ее желтой, красной и оранжевой листвой.
Хлорофилл хрупок и недолговечен: лучи солнца убивают его, но на смену погибшим молекулам лист синтезирует новые.
Однако осенью образование хлорофилла прекращается: лист теряет свою зеленую окраску, обнажая до того скрытые под зеленью другие пигменты.
Так гибель и распад рождают красоту, столь восхищавшую поэтов!
Желтизну и оранжевые тона осенним листьям придают каротин и ксантофилл. Красный цвет обусловлен особым красящим веществом - антоцианом; в отличие от других пигментов, встроенных в белково-липидные структуры-комплексы, он растворен в клеточном соке,
Семья растительных пигментов, уже и сейчас довольно многочисленная, растет с каждым годом. Число одних только хлорофиллов подошло к десяти: есть хлорофиллы (словно витамины!) a, b, с, d, e - у высших растений, у водорослей, у бактерий.
Особенно "плодовиты" каротиноиды - родственники пигментов, содержащихся в моркови и яичном желтке (они же, образуя пигментный слой под жировой оболочкой кожи у обитателей Юго-Восточной Азии, создали понятие желтой расы).
В 1947 году каротиноидов насчитывалось около 70, к 1970 году их стало известно более 200.
Здесь все обстоит так же, как в ядерной физике. Когда-то были агомы (Демокрит), затем ученые стали говорить об электронах, протонах и нейтронах. Но вскоре, орудуя мощными ускорителями, физики-экспериментаторы начали обнаруживать все новые и новые ядерные частицы. Их стали обозначать просто буквами. Так возникли Л-частицы, Σ-частицы и многие другие. Сейчас их уже набралось несколько сотен: эпитет "элементарные" был окончательно скомпрометирован. Чтобы наконец разобраться в этом хаосе, физики-теоретики ввели кварки - сверхэлементарные частицы, различными комбинациями которых вроде бы являются все остальные. Однако физики-экспериментаторы "у никак не могут их обнаружить!
И пигменты тоже: множатся и множатся, подобно элементарным частицам... И специалисты по фотосинтезу, как и ядерщики, недоуменно разводят руками, силясь объяснить подобную многоликость щедрой на выдумки Природы.
К чему такое изобилие? Когда-нибудь это станет ясным. Пока же известно немного.
Так, ученые установили, что каротин охраняет молекулы хлорофилла от окисления особым синглетным кислородом: он образуется как побочный продукт в процессе фотосинтеза...
Зеленый цвет вовсе не обязателен для каждого фотосинтезирующего организма. Водоросли, к примеру, в большинстве случаев бывают желтые, бурые, оливковые, красные или синие, но не зеленые. И на суше некоторые растения имеют желтые или красные, а не зеленые листья.
Но в какие бы одежды ни рядились фотоеинтетики, ключевую, доминирующую роль в них играет зеленый пигмент - хлорофилл. Всякий раз, когда пигментная система "цветного" фотосинтетика подвергалась анализу, в ней обязательно находили и хлорофилл.
Вот наглядный опыт, показывающий значение хлорофилла для растений.
В выросших в темноте (этиолированных) листьях хлорофилла нет, и такие листья неспособны к фотосинтезу. Этот процесс "включается" только после того, как листья на свету позеленеют - приобретут хлорофилл.
Надо полагать, Природа не случайно использует хлорофилл как универсальный фотосинтетический пигмент во всех растениях, начиная от простейших одноклеточных водорослей и кончая высшими растениями. Что-то в нем есть! Поэтому-то нельзя надеяться познать тайны фотосинтеза, не изучив структуру, природу электронного спектра и другие физические и химические свойства зеленых "кровяных телец" растений.
Все богатство и многообразие пигментного аппарата растений удалось выявить с. помощью хроматографического анализа. Здесь наука в долгу у М. С. Цвета.
"...без работ Майкла Цвета нам, всем "пигментщикам", делать было бы нечего..." - так решительно выразился недавно один известный английский ученый.
Удивительная все-таки эта история,
Хроматография: как все в ней просто, изящно, убедительно! Казалось бы, еще в самом начале века ученые, имеющие дело с пигментами растений, должны были бы обеими руками схватиться за новый метод.
Но этого не случилось.
Вильштеттер хорошо знал работы Цвета: он даже перевел на немецкий (для личного пользования и для своих сотрудников) его труд 1910 года, обобщающий хроматографические исследования автора. Однако Вильштеттер считал: этот метод можно применять лишь в очень ограниченных масштабах. Что гораздо более пригоден используемый им, Вильштеттером, метод Стокса: разделение пигментов между несмешивающимися растворителями.
(У многих идеи Цвета вызвали молчаливое недоверие. "Уж очень прост был эксперимент Цвета: он под силу и школьникам!" - бурчали оппоненты.)
Потомки рассудили иначе. К шестидесятым годам хроматографии было посвящено уже несколько тысяч исследований. Это был универсальный прием (хотя сам Цвет изобрел его для исследований хлорофилла и впервые выделил то, что он назвал хлорофиллом альфа и хлорофиллом бета), пригодный для исследований не только пигментов, но и бесцветных, неокрашенных смесей - белков, углеводов.
Сейчас в любой энциклопедии можно найти портрет ученого: нервное, худое лицо, напряженный взгляд, остроконечная бородка, характерные усы...
Вильштеттер и Цвет. Ровесники. Соперники: оба исследовали хлорофилл, пытаясь разделить его на компоненты. Оба все свои силы отдали науке, но каждый получил свое.
Вильштеттер был знаменит при жизни (Нобелевская премия, всеобщее признание). Однако чем дальше расходится фронт исследований хлорофилла, тем меньше становится удельный вес личных заслуг этого выдающегося ученого. Слава его как бы тускнеет, словно старинное золото.
У Цвета все наоборот. Мытарства при жизни, непонимание современников и безгранично растущая посмертная славя, восхищение и благодарность новых поколений.
6
Дрепер (1811-1882), американский естествоиспытатель и историк культуры, родился в Англии в семье священника, после смерти отца семья переехала в США. Доктор медицины (Пенсильванский университет, 1836), он прославился в областях, далеких от медицинской практики: занимался химией, физикой, астрономией, физиологией. Пионер фотографии в США, успешно применял ее во многих науках: первая фотография Луны, изобретение фотомикрографа (фотографирование микрообъектов, видимых в микроскопе). В "Истории умственного развития Европы" (1864) Дрепер попытался развить физиологический подход к историческим процессам: отождествляя историю народа с развитием отдельного человека (младенчество, детство, юность, зрелый возраст и смерть - Бек легковерия, исследования, веры, разума, упадка). Классовой борьбы Дрепер не понимал. В книге "История столкновения между наукой и религией" (1875) он резко выступил против папы Пия IX, который предал анафеме (Ватиканский собор, 1870) все достижения науки, несогласные с учением католической церкви.
Яркая красная окраска крови, способность тема поглощать видимый свет не имеет прямой связи с его биологической деятельностью переносчика кислорода. (Выражаясь по Тимирязеву, мы можем ответить, хотя бы в общих чертах, почему кровь красная, но не знаем зачем!)
В фотосинтезирующих же клетках наличие окрашенного вещества приобретает особое значение. Возникает естественный вопрос: какие именно лучи зеленый пигмент, поглощая, пускает в дело?
(Да, наука о зеленом листе становилась все тоньше и изощреннее. Хотя в те же примерно времена француз Папюс в руководстве по анатомии растений еще писал, что у растений, как и у животных, есть легкие - листья и желудок - корень и стебель, который высасывает из земли питательные вещества. А хлорофилл, по мнению Папюса, не что иное, как зеленая кровь)
Если вещество не поглощает свет, а только отражает - оно кажется белым. Наоборот: черное тело поглощает все лучи.
Это крайности, обычно же предметы лишь частично поглощают свет и потому предстают перед нами окрашенными.
Подоплеку этого дела вскрыл Ньютон: пучок света, пропущенный сквозь стеклянную призму (школьный опыт), выходит из нее цветным веером. На экране возникает радуга из семи основных цветов. Их названия зашифрованы в известной фразе: "Каждый (красный) охотник (оранжевый) желает знать, где сидит фазан".
Когда-то полагали, что стекло как-то влияет на белый свет, изменяя его окраску. Ньютон показал, что это заблуждение: просто белый свет разлагается призмой на свои составляющие. Смешением цветов радуги, демонстрировал он, мы снова можем получить белый цвет...
Впервые мысль повенчать эту простую физику и процессы питания растений пришла на ум Джону Уильяму Дреперу, американскому медику, ставшему вопреки своей профессии родоначальником фотохимии. По закону Дрепера светочувствительное вещество, поглощая свет, превращает его в химическую энергию. У хлорофилла эта доля доходит до 98 процентов.
Дрепер задался вопросом: в каких лучах спектра лучше всего идет процесс питания растений углекислотой воздуха?
Пропуская пучок света через призму, Дрепер помещал на его пути зелень растения. Но он обставил дело так, чтобы на лист попала не вся полоса спектра, а только определенная его часть - красная или зеленая либо только синяя...
Ученый перепробовал так все цвета, и что же? Он обнаружил: наибольшее количество кислорода (побочный продукт фотосинтеза, индикатор этого процесса) выделяет растение, если его облучать желтыми лучами.
7
Сакс (1832-1897), основатель немецкой школы ботаников-физиологов, родился в Бреславле, учился в Пражском университете, с 1868 (до смерти) занимал кафедру в Вюрцбургском университете. Показал, что растения, как и животные, могут проявлять видимую реакцию на изменение окружающей среды (тропизмы - отклики растений или их частей на одностороннее действие света, воды, силы тяжести и т. д.). Доказал, что первым видимым продуктом фотосинтеза в листе является крахмал. Личное влияние Сакса шло через его многочисленных учеников, стекавшихся к нему со всех концов Европы и печатавших свои исследования преимущественно в "Трудах" его лаборатории. К старости Сакс обнаружил признаки самопоклонения, он писал: "Слушатели желают и должны знать только, как складывается наука в голове их профессора. Как думают другие - совершенно побочное дело..." Отрицая новейшие данные науки, он свои полученные ранее (и опровергнутые!) выводы представлял безо всяких оговорок, а только перепечатывал их более крупным шрифтом. Отрекаясь от своих прежних взглядов, признавал теорию "жизненной силы" (витализм), заявлял, что там, где кончается химия, физика и механика организмов, там вступает а свои права истинная физиология. Большой интерес (и в наши дни) представляет написанная Саксом (1875) история ботаники, иллюстрированная его собственными точными и художественно выполненными рисунками (так пригодились приобретенные им от отца, профессионального гравера, навыки в рисовании), эта книга получила широкое распространение и способствовала пропаганде ботанических знаний.
Опыты Дрепера были признаны классическими, получили всеобщее признание. Эксперименты были просты, спорить с ними, казалось бы, было невозможно. Тем более что выводы Дрепера в своих известных руководствах по ботанике поддерживал сам Юлиус фон Сакс!
В то время все восхищались тем, как просто и изящно продемонстрировал Сакс факт образования в листе крахмала.
Углерод, взятый растением из углекислого газа воздуха, откладывается в крахмал, учил Сакс, и доказывал это положение экспериментально. Он брал лист, выставлял одну его половину на солнечный свет, другую закрывал непроницаемым экраном. Спустя некоторое время, опустив лисг в спирт, обесцвечивал его (лишал хлорофилла), затем обрабатывал весь лист йодом. И вот в той половине листа, которая была выставлена на свет, обнаруживался крахмал: она синела или чернела от йода. Однако другая, затемненная часть листа цветной реакции с йодом не давала: крахмала в ней не было. Сакс и его ученики, действуя по методу Дрепера, тоже подтверждали - желтые лучи оказывают самое сильное раздражающее воздействие на растение. Они даже старались подвесги под эти опыты и некоторую научную идеологию. Желтый цвет - самый яркий из цветов, рассуждали вюрцбургские ботаники, неудивительно, что именно этот цвет предпочли растения!..
В этом пункте была допущена одна логическая ошибка. Обнаружена она была не сразу.
Вопрос, какой цвет предпочтительнее для человека, стал недавно за рубежом предметом исследований.
Психологи предлагали испытуемым выбрать из обширной цветовой гаммы тот тон, какой им наиболее желателен. Попутно велись и физиологические обследования испытуемых. Выяснилось: длительное созерцание красно-оранжевых тонов увеличивает артериальное давление и Частоту пульса, а синий цвет, наоборот, замедляет сердцебиение, успокаивает человека. Нежно-голубой цвет по вкусу людям с уравновешенной психикой, а их антиподы предпочитают красное. Желтый цвет обычно выбирают психопаты...
Эти наблюдения любопытны, но было бы нелепо приписывать растениям психопатию только потому, что они (по Дреперу и Саксу) предпочитают желтый цвет! Столь же (это уже более тонкое рассуждение) неверно отождествлять симпатии и антипатии людей и растений.
Ведь в человеческом организме энергия лучей не материализуется в крахмале. У зеленого листа нет ведь органа, хотя бы отдаленно напоминающего глаз...
Ну хорошо, а как же все-таки быть с опытами Дрепера - Сакса? Оставим в стороне их толкование и спросим: правы они или нет?
Нет! - опытами же ответил тогда еще молодой русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев.
8
Тимирязев (1843-1920), один из основоположников русской школы физиологов растений, ученый-революционер, талантливый популяризатор науки. Родился з старинной дворянской семье, мать - англичанка, начальное образование получил дома (в совершенстве владел всеми главными европейскими языками - немецким, французским, английским). Был исключен из Петербургского университета за участие в студенческих сходках, окончил его вольнослушателем. Уже на студенческой скамье добывал средства к существованию литературным трудом (переводы, статьи о Гарибальди, Дарвине, научные обзоры). Два года находился за границей (для приготовления к профессорскому званию): работал в Германии - у химика Бунзена, физика Кирхгофа, ботаника Гофмейстера, во Франции - у физиолога Клода Бернара, химика Бертло, агрохимика Буссенго. В 1871 году после защиты диссертации "Спектральный анализ хлорофилла" был избран экстраординарным профессором Петровской сельскохозяйственной академии (ныне академия имени Тимирязева), з 1875-м после защиты докторской диссертации "Об усвоении света растением" стал ординарным профессором. Преподавал также в Московском университете. Отношения с властью предержащею у Тимирязева не сложились - труды его давали ему несомненное право на звание академика, но, как и Менделеев, Сеченов, Столетов, "за непокорство" он до конца жизни так и не стал действительным членом Российской академии наук: царизму не могли понравиться страстные проповеди ученого, считавшего, что должно стремиться к достижению наибольшего блага для наибольшего числа людей и что не та демократия, которая стреляет в рабочих, а та, которая осуществляет власть трудящихся! Октябрьскую революцию Тимирязев встретил восторженно; рабочими вагоноремонтных мастерских Московско-Курской железной дороги он был избран депутатом Московского совета; принимал деятельное участие в организации Социалистической (впоследствии Коммунистической) академии. Большую часть жизни Тимирязев посвятил исследованиям хлорофилла. В 1903 году в Лондоне он прочел блестящую лекцию "Космическая роль растений"; в ней он шутливо сравнил себя с одним из героев Свифта, который 8 лет подряд созерцал огурец, запаянный в стеклянном сосуде. Обращаясь к аудитории, Тимирязев сказал: "Должен откровенно сознаться, что перед вами именно такой чудак, Более 35-ти лет провел я, уставившись если не на зеленый огурец, закупоренный в стеклянную посудину, то на нечто вполне равнозначащее - на зеленый лист в стеклянной трубке, ломая себе голову над разрешением вопроса о запасании впрок солнечных лучей..." Автор этой книги, рассказывая об исследованиях по проблеме "Фотосинтез", неоднократно ссылается на Тимирязева, и это не случайно. "С первых же шагов своей умственной деятельности, - писал Тимирязев, - я поставил себе две параллельные задачи: работать для науки и писать для народа, т. е, популярно..." Его блестящие лекции и книги "Жизнь растения" (1878, выдержала десятки изданий на русском и иностранных языках; один английский критик писал о ней: "Книга Тимирязева на целую голову с плечами впридачу выше своих товарок"), "Солнце, жизнь и хлорофилл", "Наука и демократия" и многие другие воспитывали целые поколения... В Москве сооружен памятник Тимирязеву, имя его носит район Москвы, Институт физиологии растений Академии наук, ежегодно проводятся Тимирязевские чтения, установлена Тимирязевская премия за лучшие работы по физиологии растений,
Тимирязев не согласен с Дрепером и Саксом.
Он режет лист на пять одинаковых кусков и помещает их в пять пробирок, содержащих воздух с одинаковой примесью углекислого газа. Первую пробирку освещает синим светом, вторую - зеленым и так далее.
Последующий анализ показал: процесс фотосинтеза наиболее энергично идет в красных лучах, на втором месте - пробирка, освещенная синим светом...
Ученый публикует свои результаты: наиболее действен для растений красный цвет.
- Нет, желтый! - быстро следует возражение из Вюрцбурга. - Кусочки листа - это еще не целый лист!..
И тогда Тимирязев проделал вот что: заставил растение, так сказать, "собственноручно расписаться" в том, что красные лучи ему наиболее желательны.
Амилограмма на листе гортензии (эксперимент К. А. Тимирязева). На обескрахмаленный лист был отброшен призматический спектр; черная полоса - это максимальное накопление крахмала в той части спектра, где расположены красные лучи
Он использовал оружие своих научных противников - "крахмальную пробу" Сакса,
Тимирязев сумел-таки уложить на отдельном листе весь солнечный спектр, целиком! После обработки йодом он получил амилограмму (по-гречески "амил" - крахмал, "грамм" - оттиск, запись).
На листе был виден ряд полосок. Среди них выделялась одна, наиболее темная: она была расположена не в том месте, куда, пройдя сквозь призму, падали желтые лучи, а там, где должна была бы красоваться красная полоска спектра,
Все-таки красные! - таков был окончательный, уже не подлежащий отмене (это показали все последующие исследования) научный вердикт.
Но и на этом Тимирязев не остановился: он должен был понять, в чем заблуждался Дрепер, где он допустил решающую ошибку.
В серии точнейших экспериментов Тимирязев доказал: американский ученый, сам того не ведая, получал грязный спектр.
Спектр тем чище, чем уже щель, сквозь которую пропускают в призму пучок света. Но чем щель уже, тем, естественно, меньше света выходит из призмы: его недостаточно уже для полноценного фотосинтеза, способного дать иужное для химических анализов количество кислорода.
Дрепер пошел на компромисс, выбрал (увы, не золотую!) середину: сделал щель пошире. Свет был достаточно ярок, но цвета в спектре перемешались - в желтую часть попали красные и другие лучи.
Так после многих лет жаркой полемики, неустанных поисков и трудов закончился этот важный для изучения фотосинтеза растений спор о красном и желтом.
9
Но у меня есть милый друг, Особа юных лет. Ей служат сотни тысяч слуг, - И всем покоя нет! Она гоняет, как собак, В ненастье, дождь и тьму Пять тысяч Где, семь тысяч Как, Сто тысяч Почему!
Спрашивать можно о чем угодно - так поступают дети. Но мы, взрослые, интуитивно чувствуем, какие вопросы логичны, допустимы, а какие попадают в разряд истинно "детских" (от неразумения!).
Удивительно, но схожая ситуация наблюдается и в науке.
Наука - каждый этап ее развития - характеризуется набором, и вполне определенным, разрешенных вопросов. Остальные, детские, - запрещены.
Нет, их, конечно, можно задавать, они правомерны... Да пользы науке от них не прибудет!.
Так, к примеру, бесполезен вопрос: "Зачем существует закон Ома?" Или скажем: "Для чего на Земле появился человек?"
Искусство задавать природе действительно стоящие вопросы отличает настоящих ученых.
Один видный исследователь сказал так: "Истинным признаком великого ученою является не то, что он может отвечать на вопросы, а то, что он знает, как правильно ставить вопрос".
"Почему и зачем растение зелено?" - так называлась статья Тимирязева. Во времена Аристотеля этот вопрос был бы праздным, однако в конце прошлого века это был уже насущный, продуктивный толчок для людей, размышляющих над проблемами фотосинтеза.
Сам же Тимирязев своими работами частично ответил на собственный вопрос. Растение зелено, ибо оно содержит хлорофилл - пигмент, поглощающий красные и синие лучи и отражающий зеленые. Хлорофилл, поглощая световую энергию, превращает ее в другие виды, что и составляет первичный акт фотосинтеза. Вот так в самых общих чертах выглядел тогда ответ.
Его можно уточнить следующими очевидными (для наших дней!) соображениями.
В спектр электромагнитных волн входит не только видимый свет, но и инфракрасное излучение, ультрафиолет, космические лучи гигантских энергий... Отчего же растения обходятся лишь видимым светом?
Ответ: инфракрасные лучи несут фотоны (световые корпускулы) очень малых энергий, они не способны вызвать химических изменений в молекулах (так фотолюбители работают при красном свете, чтобы не засветить фотобумагу).
С другого конца - ультрафиолетовое излучение, оно настолько богато энергией, что способно погубить зеленый росток. Эти лучи вызывают ионизацию и разрушение химических связей, повреждают белки, нуклеиновые кислоты и другие важные биологически активные соединения в растительной клетке.
К счастью для всего живого, слой озона в атмосфере почти полностью задерживает ультрафиолетовую часть солнечного спектра.
Вот и получилось: "питаться" растения могут лишь энергией видимого света. Но и этот участок электромагнитного спектра не прост: есгь желтые, зеленые, как мы знаем, и другие лучи... Отчего же растение обходится в основном только красным светом?
И на это есть ответ. Красные лучи в спектре видимого света наиболее интенсивны (они слабее всего рассеиваются атмосферой): так, в процессе длительной эволюции растения постепенно выбрали для себя наиболее подходящий источник энергии...
Ответы подобного рода, бывшие в свое время огромным шагом вперед, сейчас уже не удовлетворяют биологию, стремящуюся познать жизненные процессы на молекулярном и субмолекулярном уровнях.
Почему зелен хлорофилл, то есть каким образом действует электронная структура и "оптическая архитектоника" зеленого "головастика", каковы его структурные взаимосвязи с другими пигментами (каротином, ксантофиллом)? Так можно было бы вольно перефразировать теперь поставленный Тимирязевым вопрос.
Что ж, ситуация обычная: один правильно поставленный вопрос вместе с ответом тянет за собой множество других вопросов, которые еще вчера считались преждевременными, лишними. Нормальный ход событий. Так движется Наука к новым рубежам и победам.
10
Энгельман (1843-1909), немецкий физиолог, ровесник Тимирязева, профессор Утрехтского (с 1871) и Берлинского (с 1897) университетов, автор выдающихся работ по физиологии животных. Открыл (1888), что фотосинтез присущ не только растениям и водорослям, но также и особым пурпурным (названы так, потому что содержат темно-красный пигмент) бактериям (в отличие от растений они, правда, не выделяют кислорода и поглощают синие и зеленые лучи света). Установил связь между окраской водных растений и их распределением по глубинам. (Давно замечено: в глубинах морей и водоемов преобладают красные водоросли, а ближе к поверхности ~ бурые и зеленые. А дело, оказывается, и в том, что лучи разных участков солнечного спектра поглощаются водой неодинаково: по мере проникновения в глубину сначала исчезает фиолетовое и длинноволновое излучение - красные, затем оранжевые, желтые и зеленые пучи. На больших глубинах остаются в основном лишь синие лучи, которые хлорофилл не может эффективно использовать. Поэтому на глубинах - до 100 метров - живут красные водоросли: их красный пигмент фикоэритрин способен поглощать желто-синюю часть спектра.) Энгельман изобрел и усовершенствовал множество приборов для физиологических и иных исследований.
Лист зелен, но красящий пигмент - хлорофилл - не распределен равномерно в его клетках, а локализован в крошечных тельцах - хлоропластах.
Зачем они? Это стало понятным не сразу.
Наблюдая хлоропласты в микроскоп, ученые давно догадывались: это, видимо, и есть те микроскопических размеров живые "машины", где происходит фотосинтез. Но как это доказать?
В 1865 году Сакс опытным путем (окрашивая йодом различные части клетки) показал: под влиянием света крахмал - этот продукт фотосинтеза - образуется именно в хлоропластах. Но, может быть, эти органеллы - просто "склады" для хранения крахмала, а фотосинтез идет совсем в другом месте?..
Число хлоропластов в отдельной клетке высших растений может быть большим: до нескольких сотен. И каждое из этих живых образований имеет очень сложное строение.
Внешне (на микрофотографиях, полученных с помощью электронного микроскопа) отдельный хлоропласт напоминает... огурец или половинку его: так обычно изображают хлоропласт, чтобы можно было хорошенько разглядеть его "требуху".
Внутри хлоропласт перегорожен от одной его стенки - внешней мембраны-оболочки - до другой тонкими мембранами, называемыми "ламеллами". В отдельных местах ламеллы утолщаются, образуя "граны".
Под электронным микроскопом удается разглядеть граны - это стопка уже совсем мелких, едва видимых, аккуратно уложенных круглых плиток (словно кафель для ванны!). И в каждой такой стопке сосредоточено от 250 до 300 молекул хлорофилла.
Нет никаких сомнений: хлоропласт - это созданный природой аппарат для фотосинтеза, а доказал это теперь очевидное положение в 1881 году Теодор Вильгельм Энгельман.
Решение задачи было чрезвычайно остроумным.
Помогли бактерии. У них нет фотосинтеза, зато они, как люди и животные, нуждаются в кислороде. А кислород выделяют клетки растений. В каких именно местах? А вот это и есть то, что надо выяснить!
Энгельман рассуждал так: бактерии соберутся в тех частях растительной клетки, где выделяется кислород, это будут центры фотосинтеза.
В каплю воды поместили бактерии и растительную клетку. Все это закрыли стеклом, края тщательно замазали вазелином: чтоб воспрепятствовать доступу кислорода под стекло из воздуха.
Если теперь все это устройство немного продержать в темноте, то бактерии, потребив весь кислород в жидкости, перестанут двигаться.
Теперь решающее: перенесем наше устройство на столик микроскопа и будем освещать растительную клетку так, чтобы лучи света падали на различные ее части (а остальное находилось в тени). И вот легко убедиться: бактерии начинают двигаться лишь тогда, когда луч света упадет на один из хлоропластов...
Так, наконец, было четко показано: хлоропласта - это те фабрички, где растение умело переплавляет луч света в химические вещества, а содержащийся в хлоропластах хлорофилл катализирует этот процесс.
11
Фаминцин Андрей Сергеевич (1835-1918), русский ботаник и общественный деятель, его отец-отставкой офицер лейб-гвардии драгунского полка, мать - немка, баронесса Местмахер; москвич, студентом физико-математического факультета Петербургского университета увлекся ботаникой (водоросли, лишайники, грибы), на собственные средства совершенствовался в науках за границей. Его магистерская диссертация (1861) - о созревании винограда, докторская (1866) - о действии света на водоросли. Академик (1884), тайный советник, инициатор (вместе с Вернадским) создания Комиссии по изучению естественных производительных сил России (КЕПС), президент Вольного экономического общества, почетный президент Русского ботанического общества, основоположник петербургской школы физиологов растений, основатель лаборатории анатомии и физиологии растений, разросшейся ныне в крупнейший в мире Институт физиологии растений Академии наук СССР... Полемизируя с Тимирязевым, Фаминцин считал: политика не дело ученого (только наука!); противореча самому себе, активно выступал в защиту студентов (а 1899 году студенты освистали ректора, явившиеся полицейские избили их нагайками, возмущенный Фаминцин составил энергичный протест и получил... строжайший выговор, и это был не последний случай), боролся с засильем иностранцев в академии, с замалчиванием заслуг в науке русских ученых... Основные труды посвящены фотосинтезу, доказал, что этот процесс может идти при искусственном освещении (сейчас это всем кажется само собой разумеющимся), пытался дополнить эволюционную теорию Дарвина: жизнь не только борьба видов, но (может быть, в первую очередь) симбиоз, сожительство различных организмов.
Андрей Сергеевич Фаминцин, хотя и родился в Москве, казался истинным петербуржцем: холодный, замкнутый, тщательно одетый...
Студенты считали его барином, сухарем, педантом; после лекций, часто никого не замечая, он сразу же спешил домой.
А торопился профессор к себе на Васильевский остров (угол Седьмой линии и Николаевской набережной, ныне Набережная лейтенанта Шмидта) просто потому, что там была его лаборатория (в университете тогда не было сносного ботанического кабинета), место ежедневных напряженных (сначала по вечерам при свечах, затем при электрическом освещении) исследований и раздумий.
Вот эвглена, одноклеточный организм, видимый лишь в микроскоп. Странное создание. Ни животное, ни растение!
У нее есть нечто вроде глотки для захвата пищи, глазок - словом, животное. Но есть и хлорофилл.
В темноте эвглена быстро теряет хлорофилл и питается, как грибы и бактерии, за счет мертвого органического материала. Но на свету - удивительно! - она вновь приобретает хлорофилл и способность к фотосинтезу...
Еще любопытнее кажутся Фаминцину лишайники - диковинная комбинация из водоросли и гриба. Природа соединила тут, казалось бы, несовместимое.
Грибам (трюфели растут под землей) не нужен свет, а вот водоросли без света погибают. Но от совместного житья (симбиоза) выгадывает каждый: водоросль дает грибу пищу - образующийся в процессе фотосинтеза сахар, гриб же снабжает водоросль минеральними солями и водой.
Должно быть, поэтому лишайники - это чемпионы неприхотливости: их найдешь и в тундре (олений ягель вовсе не мох, а лишайник), и в Антарктиде, и в пустыне.
(Кстати, лишайники - это также и легендарная "манна небесная", которой Моисей накормил евреев в Синайской пустыне. В странах Ближнего Востока манна иногда действительно опускается с неба. Эти белые лишайники - легкие сухие корки манны - ветер пустыни подхватывает и переносит на большие расстояния. Когда выпадает "манный дождь", кочующие в пустынях бедуины толкут манну в ступах и пекут из нее лепешки.)
Эвглена, хламидомонада (тоже одноклеточная водоросль, зеленящая наши лужи и пруды), всевозможные лишайники, радиолярии (микроскопические простейшие, живущие в теплых морских водах)... Каких только диковинок не перепробовал студент, магистр, профессор, академик Андрей Сергеевич Фаминцин! Он хотел утвердиться в заветной мысли, что клетка - это симбиоз нескольких простейших организмов.
Мы представляем себе (с легкой руки популяризаторов) клетку этаким заводом, где есть множество цехов, самых разных, но все они спроектированы для одной цели и по единому замыслу.
А вот Фаминцин думал иначе. Его, как и Тимирязева, всю жизнь занимали тайны фотосинтеза, связанные с хлорофиллом, хлоролластами...
А нельзя ли, если считать, что хлоропласты когда-то жили самостоятельно и лишь затем, много позднее, проникли в клетку и стали существовать в ней, - нельзя ли совершить и обратное - выделить хлоропласты из клетки и создать им такие условия, чтобы они, как на заре жизни, развивались уже самостоятельно?..
Исследователи счет опытам не ведут: регистрируются лишь положительные результаты. Сколько их, впустую потраченных усилий, кривых дорожек, уводящих все дальше от цели, ложных шагов, блестящих, казалось, замыслов, безжалостно разбитых легким движением стрелки прибора, капризностью живой ткани да просто ошибочностью положенной в основу эксперимента гипотезы!..
До последнего дня своей жизни, терпя неудачу за неудачей, упорствовал ученый, но так и не достиг заветной цели - разделить и принудить жить а одиночку части растительной клетки, и прежде всего хлорофилловые зерна (читай - хлоропласты).
Заметим в конце, что эта спорная точка зрения выдающегося русского ученого получает в последние годы все новые и новые подтверждения, хотя пока еще и не является общепризнанной.
12
Кандидат былых столетий, Полководец новых лет, Разум мой! Уродцы эти - Только вымысел и бред. Только вымысел, мечтанье, Сонной мысли колыханье, Безутешное страданье, - То, чего на свете нет.
Растения и животные. Два полюса жизни, две ее половинки, дополняющие друг друга.
Эвглена, лишайники - здесь животное и растение объединили свои силы, дав образцы жизнестойкости. Отчего же не пойти дальше: не соединить, скажем, в едином существе мозг людей и способность к фотосинтезу растений?
Зеленые человечки, они давно гуляют по страницам научной фантастики.
А почему бы и в самом деле где-нибудь в тропиках, среди красот ботаники не сидеть под горячим солнышком этакому мыслящему созданию с зеленой кожей, клетки которой наполнены хлорофиллом? Без трудов и забот о хлебе насущном! Читай себе газеты да телевизор смотри!..
Не тут-то было: все это сплошные фантазии. Расселившись по планете, подобные ленивцы с зеленым цветом кожи быстро бы сами себя уничтожили. Ведь, кроме энергии солнечных лучей, необходим еще и строительный материал - углекислый газ (его углерод!), а его нельзя только потреблять, не возобновляя. Значит, растениям столь же необходимы животные - они возвращают в атмосферу углекислоту, как и животным - растения, хотя обычно принято думать, что вся живность и человек - это лишь паразиты, присосавшиеся к громадному зеленому телу растений.
Вот и получается, что в масштабе планеты можно говорить о чудесном симбиозе всех растений и всех животных. Это единый живой организм (как водоросль и гриб в лишгйнике), как нельзя лучше приспособленный для жизни на Земле.
Пусть так, скажет критик, а зеленые человечки - чем все-таки плохо это решение? Допустим, что мыслящие растения, или как там их еще назвать, научились извлекать углерод из карбонатов, которых на Земле полным-полно, что тогда?..
Что ж, придется продолжить наш диспут. Прежде всего еще раз сравним растение и животное: убедимся, какие они разные.
Кролик, например, или человек устроены так, что поверхность их тела минимальна. Эта эволюционная тенденция целесообразна: облегчается передвижение, сенсорное восприятие, оптимизируется термодинамика теплового обмена, животное менее уязвимо для повреждений...
У растений наоборот. Над землей торчит густейшая шевелюра зеленых листьев, в почве, словно борода Черномора, протянулись во все стороны нити корней.
И здесь тенденции ясны. В воздухе углекислого газа мало, добыть его нелегко: вот и нужны громадные поверхности; к тому же непросто поймать и солнечные лучи: коэффициент полезного действия, КПД, фотосинтеза невелик. Поэтому и пышна крона растений.
С корнями вопрос обстоит еще более остро. Они должны поглощать из почвы калий, кальций, магний, азот, фосфор, серу, хлор, кремний. Но этих веществ в почве микроскопические количества, типичная концентрация фосфора, к примеру, один атом на миллион.
Понятно: и тут нужны большие площади.
В 1930 году один исследователь проделал эффектный опыт. В ящичке объемом примерно с куриное яйцо он посадил ржаное зернышко. Растил его четыре месяца, затем заботливо освободил от почвы корни и начал педантично их измерять.
Результат: обшая длина корней вместе с корневыми волосками составила 11 тысяч километров, а общая поверхность - 630 квадратных метров. От одного лишь зернышка!
Вот какая пропасть разделяет животное и растение!
И ясно: если мы теперь будем наделять животное свойствами растений, то в конце концов зеленый человечек неизбежно превратится у нас просто в." растение. Мозг вряд ли ему будет нужен.
И наоборот, конструируя мысленно растение, которое было бы и подвижно, и целеустремленно, и могло бы мыслить, мы вынуждены будем убрать листву, обрезать корни, и рано или поздно придем... к человеку.
Растения и животные. Их союз и противоборство. Так сама жизнь зримо и наглядно дает нам урок диалектики: показывает в деле закон единства и борьбы противоположностей.
13
Вудворд, родился в 1917, американский химик-органик, химией увлекся с детства: имел дома химическую лабораторию, где проводил всевозможные опыты. В 16 лет поступил в Массачусетский технологический институт и был бы исключен в 17 за неуспеваемость, если бы преподаватели не успели разглядеть его недюжинные способности. Для него одного была организована специальная программа занятий: по сути дела, ему предоставлялась полная свобода и самостоятельность. И эта мера оправдала себя: когда в 1936 году сокурсники 20-летнего Вудворда получали степень бакалавра, он сам удостоился степени доктора философии (эта ученая степень эквивалентна степени кандидата наук в СССР). В 21 год он уже был в числе сотрудников Гарвардского университета, где работает и по сей день. Здесь им были синтезированы сложные и биологически очень важные органические соединения: хинин (1944), кортизон (1951), резерпин (1956), хлорофилл (1960), тетрациклин (1962). В 1965 году за эти работы он был удостоен Нобелевской премии.
Сен-са-ция!!!
"Ученые покорили фотосинтез!.." "Конец голоду и нищете: из солнечных лучей и воздуха теперь каждый сможет готовить себе пищу на любой вкус!.." "Ловушки для солнечной энергии!.."
Примерно такими словами газеты США и других стран могли бы оповестить в 1960 году мир о том, что известный американский химик-органик Роберт Берне Вудворд добился небывалого - осуществил синтез хлорофилла.
Да, конечно, это был крупный успех: одно дело разгадать состав и структуру знаменитой молекулы (Вильштеттер, Фишер), совсем иное - синтезировать ее искусственно.
Вудворд возглавлял большой коллектив ученых-химиков. Ведь полный синтез хлорофилла включал в себя до 30 стадий.
В популярной литературе того времени замечательное достижение химии органических соединений приравнивалось к решению (и окончательному) всей проблемы фотосинтеза. И даже к революции в производстве пищи!
Вспоминали, в частности, слова Климента Аркадьевича Тимирязева, некогда писавшего: "Тогда явится находчивый изобретатель и предложит изумленному миру аппарат, подражающий хлорофилловому зерну, - с одного конца получающий даровой воздух и солнечный свет, а с другого подающий печеные хлебы".
Однако революция не состоялась, да и не могла состояться. И слова Тимирязева нельзя было толковать столь буквоедски, в лоб.
Здесь уместно будет вспомнить еще один эпизод из жизни Вильштеттера. В конце первой мировой войны вместе со своим верным учеником Артуром Штоллем Вильштеттер предпринял отчаянно смелую попытку. Имея чистые препараты хлорофилла, они захотели в искусственных условиях повторить то, что происходит в зеленом листе.
Как истые химики, они полагали: фотосинтез - это просто химическая реакция, в которой участвуют хлорофилл, углекислый газ, вода и свет... Так за дело! Если у природы получается, отчего не сможем и мы?..
Мы помним, как решительно и целеустремленно умел работать Вильштеттер. Однако многие десятки опытов ни к чему не привели. На этот раз ученый потерпел полную неудачу.
Теперь-то (полстолетия спустя) очевидна наивность попыток Вильштеттера. Ну вспомним хотя бы о существовании хлоропластов, плотно набитых всевозможными пигментами, белками, ферментами... Среди этого нагромождения хлорофилл - лишь винтик, может быть, и очень важный, но все-таки это только часть, обеспечивающая успех целого.
Да, мы (вместе с вами, читатель) пока еще только слегка прикоснулись к таинствам и тонкостям фотосинтеза.
Ученые, знатоки фотосинтеза, давно уже поняли всю неизмеримую сложность этой грандиозной проблемы. Двухсотлетний опыт исследований показывает, что не существует одной загадки фотосинтеза, а есть целый ряд ключевых вопросов. И механизм действия хлорофилла лишь один из них.
Поэтому-то блестящий синтез хлорофилла, осуществленный американцем Вудвордом, ничего не решал окончательно.
Тем не менее следует еще раз подчеркнуть, что это был крупный успех, причем не только лично Вудворда, oно и органической химии в целом. И вот почему. По мнению экспертов Международного института прикладного системного анализа (есть такой!), будущее мировой энергетики связано в основном с двумя источниками энергии - термоядерным синтезом и солнечной радиацией, щедро изливающейся на нашу планету.
Освоение энергии Солнца только-только начинается. Еще трудно предугадать, какая технология ее преобразования окажется наиболее подходящей, лучше всего отвечающей интересам человечества. Возможно, такая, о существовании которой мы даже и не подозреваем. А может быть, именно та, что разрабатывается ныне в исследовательских лабораториях мира, так или иначе ориентирующаяся на создание фотобиохимических преобразователей с использованием синтетического хлорофилла.
Качественный светильник операционный потолочный Эмалед 500/300 купить за хорошую стоимость.
|
|
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://plantlife.ru/ 'PlantLife.ru: Статьи и книги о растениях'
