Кинетика и химизм фотосинтеза.
С начала XX в. существенно изменился характер исследований зависимости фотосинтеза от внешних условий. Влияние на фотосинтез количества и качества света, концентрации углекислого газа и кислорода воздуха, влажности, температуры и других факторов стало изучаться в комплексе, а не изолированно. Стали учитывать также внутренние факторы – концентрацию хлорофилла, накопление ассимилятов, возраст листьев и др. Мысль об одновременном учете основных сопряженных факторов получила развернутое экспериментальное и теоретическое обоснование в учении английского фитофизиолога Ф. Блэкмана (1905) о лимитирующих факторах фотосинтеза, уточненном позднее Р. Хардером (1921) и Г. Лундегордом (1921, 1924, 1937).
Многочисленные исследования, посвященные анализу воздействия внешних и внутренних факторов на воздушное питание растений, породили новое направление – экологию фотосинтеза, основным содержанием которого стало изучение этого процесса в различных природных условиях. Это направление получило особенно широкую разработку в трудах советских физиологов.
В 1905 г. Ф. Блэкман и Г. Маттеи установили, что процесс фотосинтеза складывается из двух фаз: первая включает световые (фотохимические) реакции, не зависящие от температуры, вторая – темновые (химические) реакции, тесно связанные с температурным фактором. Обе фазы фотосинтеза тщательно исследовал немецкий биохимик О. Варбург (1919, 1920). Он показал, что темновые (он предложил называть их блэкмановскими) реакции фотосинтеза можно изменить действием различных температур. Применив прерывистое освещение, Варбург определил продолжительность обеих фаз.
|
|
|
Многочисленные исследования были направлены на выяснение характера превращений веществ и энергии на обоих этапах фотосинтеза. Опираясь на открытие X. Виландом (1913) процессов окисления за счет дегидрогенизации воды (см. главу 6), Т. Тунберг (1923) и Ф. Вейгерт (1923, 1924) высказали мысль, что первоначальный, фотохимический акт фотосинтеза заключается в разложении воды на водород и перекись водорода, а на последующем нефотохимическом этапе водород восстанавливает углекислый газ до углеводного соединения. Более обстоятельно гипотеза окисления воды в ходе фотохимического этапа фотосинтеза была развита К.Б. Ван‑Нилем (1931–1935) и Г. Гаффроном (1939–1944), открывшим явление фоторедукции.
Новые перспективы фотохимических исследований фотосинтеза открылись после опытов английского биохимика Р. Хилла (1937, 1939), в которых изолированные хлоропласты растертых листьев эффективно восстанавливали на свету хиноны и выделяли кислород. При этом в качестве водородного акцептора был использован не СО2, а железо‑калиевый оксалат. Эта реакция, получившая название реакции Хилла, подтвердила выводы Ван‑Ниля и Гаффрона о том, что процессы восстановления СО2 и выделения О2 независимы и их можно изучать каждый в отдельности. Кроме того, она опровергла мнение, будто изолированные выделенные из клетки хлоропласты не способны осуществлять фотосинтез. Позднее было установлено, что фотосинтезирующая способность зеленых пластид сохраняется в том случае, если их поместить в водную среду, содержащую всю совокупность ферментов зеленой клетки.
|
|
|
Метод меченых атомов позволил одновременно советским (А.П. Виноградов, Р.В. Тейс, 1941) и американским (С. Рубен с сотрудниками, 1941) исследователям окончательно доказать, что выделяемый при фотосинтезе растений кислород образуется не за счет СO2 или других окислителей, как это имело место в реакции Хилла, а за счет фотолиза воды.
Для изучения световой фазы фотосинтеза многое сделали в 40‑х годах А.Н. Теренин, а также Г.Н. Льюис и М. Каша, исследования которых разъяснили вопрос о первичной фотореакции хлорофилла и трансформировании им световой энергии[48].
Новые методы исследования позволили выявить в процессе фотосинтеза три основные стадии: 1) отщепление атомов водорода под действием света от молекулы воды с выделением молекул кислорода; 2) перенос атомов водорода в ходе двух фотохимических реакций и 3) использование тех же атомов водорода для превращения углекислоты в сахара (темновые реакции).
|
|
|
Из трех названных стадий фотосинтеза наименее изучена первая. Несколько полнее исследована вторая, на которой благодаря хлорофиллу, играющему роль фотокатализатора, происходит аккумуляция световой энергии. За этим основным фотохимическим процессом следует ряд вторичных, так называемых темновых реакций, в которых накопления энергии не происходит. Суть же совершающихся при этом окислительно‑восстановительных реакций заключается в переносе атомов водорода или электрона, образующихся на первой стадии фотосинтеза, от одной молекулы к другой.
Представление о том, что вторая стадия фотосинтеза состоит из двух фотохимических реакций, связанных с возбуждением упомянутых выше двух пигментных систем, к настоящему времени получило серьезное экспериментальное обоснование и стало почти общепризнанным. Однако механизм этих реакций раскрыт пока еще не полностью. Известно, что энергия, накопленная второй системой, используется для образования аденозинтрифосфата (АТФ), а первая система за счет энергии света обеспечивает восстановительные синтезы водородом. В итоге взаимодействие двух фотохимических систем приводит к образованию АТФ, выделению кислорода и синтезу органических веществ из углекислого газа. Подробнее с механизмом происходящих при этом процессов, нашедших свое выражение в ряде схем, можно ознакомиться в ряде работ 60‑х годов Д. Арнона, Е. Рабиновича, В.П. Скулачева и др.
|
|
|
Третья стадия фотосинтеза, или так называемый цикл углерода, изучена наиболее полно. Крупнейших успехов в этой области достигли американский биохимик М. Кальвин с сотрудником А. Бенсоном и др. В начале 50‑х годов было показано, что первым стойким продуктом фотосинтеза является фосфоглицериновая кислота, а акцептором углекислого газа – рибулезодифосфат. В итоге Кальвин (Нобелевская премия, 1961) разработал схему превращения углерода в процессе фотосинтеза, основное содержание которой сводится к следующему. Рибулезодифосфат, присоединяя молекулу СO2, распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты, а последняя подвергается восстановлению при участии АТФ и пиридиннуклеотидов. Дальнейшие сложные превращения приводят к образованию конечных продуктов (углеводов) и регенерации рибулезодифосфата, Эту стадию фотосинтеза называют также циклом Кальвина. В настоящее время изучены не только вещества, образующиеся на отдельных этапах данной стадии, но и ферментные системы, катализирующие различные реакции цикла.
Процесс образования АТФ при фотосинтезе в отличие от синтеза АТФ при дыхании (окислительное фосфорилирование) Л. Арнон (1954) назвал фотофосфорилированием. Было установлено, что использование АТФ в качестве «единой энергетической валюты» идет в основном по разным руслам. Образующийся при фотофосфорилировании АТФ используется в первую очередь в реакциях восстановления углекислого газа и только частично для вторичных синтезов. АТФ же, синтезируемый при дыхании используется преимущественно для других процессов жизнедеятельности растений – поддержания физико‑химического состояния клеточных структур, осмотических явлений, движения протоплазмы, синтеза различных сложных соединений и др. Примечательно, что источник для синтеза АТФ и при фотосинтезе, и при дыхании, как в растительной, так и в животной клетке один и тот же (см. главу 6).
Д. Арнон с сотрудниками, открывшие в 1954 г. процесс фотосинтетического фосфорилирования на изолированных хлоропластах, многое сделали для выяснения условий, необходимых для обеспечения более высокой эффективности преобразования световой энергии в энергию химических связей АТФ, и выявления особенностей этого процесса.
Управление фотосинтезом.
В 50‑х годах А.А. Ничипорович (1955, 1959) совместно с сотрудниками разработали представление о разнокачественности или разнообразии основных продуктов фотосинтеза и о возможности образования на свету, как углеводов, так и белков с преобладанием синтеза тех или иных продуктов в зависимости от внешних (снабжение азотом, количество и качество света) и внутренних (возраст растений, наследственные свойства и т. д.) условий. Знание этих условий дает возможность управлять образованием этих продуктов при фотосинтезе.
Одновременно развернулась успешная работа по использованию фотосинтеза растений в точно контролируемых и автоматически управляемых замкнутых системах. Так, В.Е. Семененко с сотрудниками в сконструированной ими установке по непрерывному выращиванию хлореллы получили фотосинтетической продукции в 25–30 г. сухого вещества на 1 л. суспензии в сутки при КПД лучистой энергии 6–8 %. Подобные фотосинтезирующие системы, способные поглощать из воздуха большие объемы углекислого газа и выделять столь же много кислорода, в будущем, возможно, окажутся спутниками человека в длительных космических полетах (см. главу 28).
Природа дыхания.
К началу XX в. о дыхании сложилось представление как о процессе, противоположном фотосинтезу, однако о его внутреннем механизме почти ничего не знали. Существенный вклад в разрешение этой проблемы внесли русские ученые, начиная с А.Н. Баха и С.П. Костычева.
Благодаря усилиям исследователей разных стран (В.И. Палладин, О. Варбург, Д. Кейлин, Г. Виланд, А. Сцент‑Дьёрдьи, Г.А. Кребс и др.) в 50‑х годах сложились современные представления о биохимической природе процесса дыхания. Было доказано, что в основе дыхания как растительных, так и животных тканей лежат по существу одни и те же окислительные реакции и энергетические процессы (см. об этом в главе 6).
Согласно современным представлениям, дыхание – это сложная система сопряженных окислительно‑восстановительных процессов, в ходе которых происходит химическое преобразование углеводов, белков и жиров и использование высвобождающейся при этом энергии.
В 1957 г. Г.Л. Корнберг и Г.А. Кребс открыли новый дыхательный цикл глиоксалевой кислоты. Он представляет модификацию цикла лимонной кислоты и лежит преимущественно в основе дыхания бактерий и грибов, осуществляясь за счет превращения жировых веществ в углеводы.
В 50‑х годах было начато изучение у растений еще одного цикла окисления углеводов, апотомического, или гексозомонофосфатного, открытого в 30‑х годах у дрожжей и в тканях животных. Сравнение апотомического дыхательного цикла с фотосинтетическим циклом восстановления СО2, предложенным М. Кальвином (1957), показало, что первый представляет собой полное зеркальное повторение второго, т. е. протекает в обратную сторону. Открытие этого факта дает основание предполагать о существовании тесной связи этих двух процессов в организме растений[49].
Большая серия исследований была посвящена изучению зависимости дыхания от особенностей растительных организмов, от других протекающих в них процессов жизнедеятельности и различных факторов внешней среды. В. Стайльз и В. Лич в 50‑х годах установили, что растениям различных систематических групп свойственна определенная интенсивность дыхания, а А. Сцент‑Дьёрдьи еще в 30‑х годах обратил внимание На то, что различным растениям присущ даже определенный характер окислительной системы. Так, однодольные, а из двудольных крестоцветные и тыквенные, полностью или частично лишены полифенолоксидазной активности. Теперь считается вполне достоверным, что особенности дыхательной системы различных растений отражают их положение в филогенетической системе. Накапливаются также данные о различиях в дыхательной активности у различных органов растений, о зависимости дыхания от возраста. Имеются основания предполагать, что в ходе онтогенеза процесс дыхания может изменяться не только количественно, но и качественно.
Получены интересные данные о связи дыхания с фотосинтезом, минеральным и водным питанием, биосинтетической функцией клеток и ростом растения. В течение многих десятков лет было принято противопоставлять дыхание фотосинтезу: их рассматривали как два прямо противоположных по своему биологическому значению процесса ассимиляцию и диссимиляцию. Теперь, когда между ними установлена тесная связь, фотосинтез и дыхание могут служить яркой иллюстрацией кардинального положения материалистической диалектики о единстве противоположностей. Однако характер связи между дыханием и фотосинтезом выяснен еще не полностью. Это относится в первую очередь к взаимосвязи ферментативных механизмов обоих процессов.
Минеральное питание.
Проблема минерального питания растений в XX в. почти целиком стала достоянием агрохимии, составив основу учения об удобрениях. Существенный вклад в это учение внесли отечественные физиологи растений и прежде всего Д.Н. Прянишников (Ленинская премия, 1926) и его школа. Ниже будут затронуты лишь специальные, физиологические вопросы минерального питания растений.
Успешное развитие проблемы стало возможным благодаря совершенствованию методов исследования и прежде всего техники и организации вегетационных опытов. Для постановки таких опытов еще в конце прошлого века стали сооружать не только отдельные вегетационные домики, но и целые павильоны.
В 1900 г. французский агроном П. Мазэ начал выращивать растения в стерильных условиях, удаляя микроорганизмы, способные изменять состав питательной среды. Методика таких «стерильных культур» в дальнейшем получила широкое распространение. Кроме того, для сохранения постоянства состава питательных растворов на всем протяжении культивирования стали практиковать так называемые «текучие растворы» (П.С. Коссович, 1902). Изучение ионной концентрации питательных растворов позволило создать и поддерживать постоянным их оптимальный состав, что имело, в частности, важное теоретическое и практическое значение для производственного выращивания растений в теплицах гидропонным способом. Вегетационные опыты проводились в водных и песчаных или гравийных культурах.
К началу XX в. было твердо установлено, что питательные растворы должны включать в себя семь необходимых элементов: азот, фосфор, серу, калий, кальций, магний и железо (углерод, водород и кислород растение получает в основном из воздуха и воды). Однако для создания научных основ учения о минеральном удобрении нужно было знать, в каких соединениях растения способны усваивать эти элементы. В отношении азотного питания растений эта задача была решена в работах Д.Н. Прянишникова, итог которых подведен в книге «Азот в жизни растений и в земледелии СССР» (1945).
Дмитрий Николаевич Прянишников. 1865–1948.
С изучением азотного питания растений были тесно связаны исследования способности клубеньковых бактерий фиксировать азот воздуха (М.В. Бейеринк, 1901; Л. Гильтнер, К. Штермер, 1903; Ф. Ленис, Р. Ганзен, 1921; М. Экхард с сотрудниками, 1931; и др.). Они позволили установить существование на корнях бобовых растений около 20 рас клубеньковых бактерий. Было обнаружено, что эффект азотфиксации зависит от подбора симбиотических пар: с одной стороны, бобового растения, а с другой – того или иного штамма бактерий. На этой основе еще до 30‑х годов был выполнен большой объем работ по изучению применения культуры азотобактера для повышения урожая различных культурных растений. Обнаружение клубеньков на корнях ольхи и лоха позволило предположить, что симбиоз такого рода – явление, в той или иной мере присущее всему растительному миру.
С рассматриваемым периодом связана постановка и частичное решение вопроса о роли микроэлементов в жизни растений. До 20‑х годов опыты в данном направлении носили случайный характер, но уже и в них было обнаружено стимулирующее действие на рост растений марганца, цинка, кобальта, никеля, бора, мышьяка и меди. Считавшиеся до того токсичными, эти элементы в малых дозах улучшали развитие растений, почему в дальнейшем они стали использоваться в качестве добавок к удобрениям. В 30‑40‑е годы была окончательно доказана необходимость для растений марганца, цинка, меди, бора и молибдена. Их выделили в группу основных микроэлементов. В особую группу были объединены галлий, кремний и алюминий, необходимость которых доказана пока лишь в отношении некоторых растений. К 50‑м годам в составе растений было обнаружено около 40 микро‑ и ультрамикроэлементов. Но их необходимость для жизни растений была установлена не для всех микроэлементов.
С физиологической точки зрения все необходимые для растений элементы, получаемые из почвы, были условно разделены на две группы. В первую группу вошли металлоиды (азот, сера, фосфор, кремний, хлор, иод и др.), поступающие в растение в виде анионов солей, в другую – металлы (калий, кальций, магний, железо и др.), поступающие в виде катионов. С несомненностью установлена специфичность катионов металлов, т. е. невозможность замены одного другим, но полной ясности в представлениях об их функциях еще нет.
Предметом пристального внимания исследователей стала в XX в. проблема внекорневого питания растений, название которой предложили в 1903 г. русские энтомологи И.Я. Шевырев и С.А. Мокржецкий. В целях лечения и борьбы с вредными насекомыми они вводили различные вещества под кору деревьев и считали возможным таким же способом вводить и питательные вещества. Позднее понятие о внекорневом питании было расширено. Под этим понятием в практику вошли не столько инъекции в ствол, сколько опрыскивание растворами минеральных веществ листьев и других наземных органов как древесных, так и травянистых растений. Первые опыты в этом направлении провел немецкий агрохимик Л. Хильтнер (1909, 1912). Он опрыскивал картофель растворами солей азота, калия, магния и даже гумуса. В 30‑х годах исследования по внекорневому питанию растений развернулись также в лаборатории Д.Н. Прянишникова, а позднее и в полевых условиях. Большая литература, накопившаяся к настоящему времени по вопросу о внекорневом питании, свидетельствует о его высокой эффективности как средства подкормки. Оно особенно оправдало себя на культурах свеклы и хлопчатника.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 186; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!