Страница 53 из 92
В 1771 г. он сообщил, что на свету зеленые растения восстанавливают воздух, «испорченный» дыханием животных или в процессе горения. Пристли открыл круговорот кислорода в природе, установив, что в организме животных он соединяется с углеродом, образуя углекислый газ, а затем восстанавливается в процессе жизнедеятельности растений. Человечество могло дышать спокойно.
В 1918 г. французские ученые Жозеф Пелетье и Жозеф Каванту выделили из листа растения зеленый пигмент, которому дали название «хлорофилл» (от греческого «хлорос» — зеленый и «филон» — лист). Великий Берцелиус не оставил без внимания и этот вопрос и в 1837 г. попытался исследовать свойства хлорофилла, подвергнув его воздействию сильных кислот и щелочей. В 1864 г. английский ученый Джордж Стоукс установил, что зеленый растительный пигмент состоит из смеси различных веществ. Наиболее полно этот вопрос был изучен русским ученым Михаилом Семеновичем Цветом с помощью созданного им метода хроматографии.
Одним из первых, кто добился крупных успехов в исследовании химического состава хлорофилла, был Рихард Вильштеттер. Он разработал методы извлечения этого растительного пигмента в больших количествах, не повреждая молекулы. В отличие от Берцелиуса Вильштеттер исследовал хлорофилл в мягких условиях с помощью реагентов, которые позволяли постепенно отщеплять различные части от сложного соединения, что и помогло определить его структуру. Вильштеттер подтвердил ранее высказанные предположения, что хлорофилл по своему строению родствен гемоглобину крови, но одновременно указал, что этот растительный пигмент содержит магний, а не железо, как гемоглобин.
Исследования Внльштеттером хлорофилла заложили основу для полного раскрытия его структуры[20]. За исследования растительных пигментов, в частности хлорофилла, Р. Вильштеттер был удостоен в 1915 г. Нобелевской премии по химии.
Вильштеттер указал, что и хлорофилл, и гемоглобин принадлежат к группе порфиринов. Дальнейшее уточнение их структуры произвел Ханс Эйген Фишер. Он начал с опытов над гемоглобином, в частности над так называемым гемином — небелковой частью молекулы гемоглобина. В дальнейшем Фишер исследовал всю группу пигментов, имеющих одинаковую порфириновую структуру, подобную структуре гемина и хлорофилла. Разделяя эти молекулы различными способами, Фишер пришел к определенным выводам относительно их строения. Чтобы обосновать эти выводы, он прибег к классическому средству органической химии — решил их синтезировать.
Это была довольно трудная задача, для ее выполнения Фишеру пришлось создать целый раздел органической химии — химию пиррольных соединений. Они имеют кольцевидную молекулу, состоящую из 4 атомов углерода и 1 атома азота. Фишер доказал, что из 4 пиррольных ядер строится исходная структура всех порфиринов. В центре этой кольцевидной структуры гемина находится железо, а у хлорофилла — магний.
Результаты Фишера — блестящий пример мастерства в проведении химического анализа и синтеза, и в 1930 г. ученый был удостоен за свои достижения Нобелевской премии по химии.
К порфирированному ядру в хлорофилле присоединяются другие молекулы, которые определяют его физические и химические свойства. Еще в 30-е годы Фишер пытался синтезировать молекулу хлорофилла, но это удалось сделать лишь в 1960 г. его ученикам М. Штерлу, А. Калояну и Г. Колеру. Одновременно с ними синтез хлорофилла осуществил и американский химик Роберт Берне Вудворд, лауреат Нобелевской премии по химии за 1965 г.
После успехов, которыми были отмечены первые десятилетия нашего столетия, в изучении фотосинтеза наступил застой. Оказалось, что классическими химическими методами больше нельзя получить никакой информации об этом процессе. Ученые чувствовали, что фотосинтез — это целая цепь быстро протекающих реакций, но не находили способа их изучения. Лишь в 40-е годы удалось разработать новые методы, которые подняли исследования фотосинтеза на качественно новый уровень. Большая заслуга в этом принадлежит американскому биологу Мелвину Калвину.
В 1935 г., находясь на стажировке в Манчестерском университете, Калвин познакомился с металлопорфиринами, к которым относятся гемин и хлорофилл. После возвращения в США он начал работать в Калифорнийском университете в Беркли. Там профессор Гильберт Ньютон Льюис порекомендовал Калвину продолжить исследование порфиринов, которым он занимался в Манчестере под руководством Майкла Полани. По счастливому совпадению Беркли был центром исследований в области радиохимии, и это обстоятельство сыграло в работе Калвина очень важную роль.
В 1940 г. Сэмуэль Рубен и Мартин Камен открыли радиоактивный углерод-14. Вскоре этот элемент стали широко использовать в качестве «меток» при исследовании биохимических реакций. Калвин, включившись в исследование процесса фотосинтеза, решил использовать этот метод в радиационной лаборатории, руководителем которой он стал в 1946 г. Там он и провел свои знаменитые опыты с хлореллой.
Калвин помещал эти зеленые водоросли в специальный сосуд и освещал их на протяжении 1—30 с. Одновременно через воду пропускалась двуокись углерода (углекислый газ), меченная углеродом-14. Под действием света этот элемент тотчас включался в цепь фотосинтеза.
По истечении контрольного времени сосуд открывали, и водоросли переносили в спирт, где они сразу погибали. Таким образом можно было фиксировать различные этапы фотосинтеза.
Оставалось лишь выяснить, в какие соединения включился меченый углерод. Для этой цели использовался метод хроматографии на бумаге. Поскольку радиоактивный углерод непрерывно излучает, хроматографический лист, положенный на фотопластинку, создавал на ней изображение. Это позволило хорошо видеть, как разделились различные вещества, и давало возможность выделить их в чистом виде для анализа. С помощью этого оригинального метода Калвин показал, что двуокись углерода фиксируется в форме фосфоглицериновой кислоты. Это было поистине замечательное открытие. Оказалось, что углерод просто подключается к одному из уже известных звеньев цепи обмена углеводов и таким образом входит в состав глюкозы и других более сложных Сахаров.
За это крупное открытие — этапов биохимических превращений двуокиси углерода при фотосинтезе — М. Калвин получил в 1961 г. Нобелевскую премию по химии. Находясь в расцвете творческих сил (ему было тогда 50 лет), профессор Калвин продолжает плодотворно работать в этой исключительно важной для человечества области. Овладение тайной фотосинтеза оказало большое влияние на развитие земледелия. Как известно, растения усваивают менее одного процента падающего на них света, но исследования показывают, что эффективность фотосинтеза можно многократно увеличить. Это привело бы к значительному повышению урожайности и, кроме того, способствовало бы развитию «зеленой энергетики» (использованию биомассы в качестве топлива).
Зеленые растения продолжают оставаться основой существования человечества. Однако в земледелии проблема, заключается не только в получении высокого урожая, но и в его сохранности и наиболее рациональном использовании.
В голодный послевоенный 1945 г. Нобелевская премия по химии была присуждена финскому биохимику Арттури Илмари Виртанену за разработанный им эффективный метод консервирования и хранения зеленых кормов. Этот метод давал возможность в несколько раз увеличить производство кормов, особенно в северных странах.
Виртанен начал заниматься данной проблемой еще в 20-е годы, когда, будучи молодым ученым, проходил стажировку в Мюнхене. Там он познакомился с исследованиями Г. Вигнера, касающимися потери питательных веществ при консервации зеленой массы. Оказалось, что эти потери значительны — составляют до 50% содержания белков и витаминов. Потеря ценных питательных веществ происходит при сушке сена и складировании зеленой массы, когда в них начинают происходить нежелательные биохимические процессы.
В результате экспериментов Виртанен разработал в 1928 г. простой метод консервации свежескошенных трав путем добавления соляной и серной кислот. Это приводило к почти полному прекращению процессов окисления в растительной массе и связанному с ними распаду питательных веществ. Прекращались и всякого рода ферментационные процессы, вызываемые микроорганизмами. Чтобы обеспечить почти 100-процентное сохранение белков и витаминов, необходимо было только строго соблюдать установленную дозировку кислот.
20
Основополагающие исследования структуры хлорофилла были выполнены Марцелием Вильгельмовичем Ненцким, который в 1847—1901 гг. в Институте экспериментальной медицины совместно с Л.П. Мархлевским установил химическое родство гемоглобина и хлорофилла. — Прим. ред.