Реферат: Фотосинтез - проще простого

Его соотечественник естест­воиспытатель Никола Теодор Соссюр (1767—1845) работал в области физики, химии и геологии. Однако мировую из­вестность приобрел благодаря трудам в области физиологии растений. С помощью точных методов количественного хи­мического анализа он убеди­тельно доказал, что растения на свету усваивают углерод из углекислого газа, выде­ляя при этом кислород. Уче­ный также установил, что рас­тения, как и животные, ды­шат, поглощая кислород и выделяя углекислый газ.

Так постепенно складыва­лись представления о фото­синтезе как о процессе, в ходе которого из углекислого газа и воды зеленые растения на свету образуют органические вещества и выделяют кис­лород:

бСО₂ + 6Н₂ О ® С₆ Н₁₂ О₆ + 6О₂ ­

Термин «фотосинтез» был предложен в 1877 году изве­стным немецким физиологом растений Вильгельмом Пфеффером (1845—1920). В ходе этого процесса солнечная энергия преобразуется в энер­гию химических связей орга­нических соединений.

3. Самое интересное из веществ во всем органическом мире

Так назвал хлорофилл вели­кий Чарльз Дарвин, когда наш соотечественник Климент Аркадьевич Тимирязев рас­сказал ему о своих опытах с этим веществом. В то время, когда химическая природа процесса фотосинтеза пред­ставлялась весьма туманной, подобное утверждение было весьма ценным, поскольку привлекало внимание ученых к новой очень перспективной проблеме. А сам термин «хло­рофилл» был предложен в 1818 году французскими хими­ками П. Пельтье и Ж. Каванту. Он образован из гречес­ких слов «хлорос» — зеленый и «филлон» — лист.

Выделить хлорофилл из листа несложно. Для этого измельчим листья любого рас­тения ножницами, поместим в ступку, прильем немного спир­та, разотрем и отфильтруем в чистую сухую пробирку. Если у вас нет под рукой ступки, кусочки листьев поме­стите в небольшую колбочку, влейте спирт и осторожно нагрейте на спиртовке. Очень быстро спирт окрасится в изумрудно-зеленый цвет из-за присутствия хлорофилла.

А теперь познакомимся с некоторыми свойствами этого пигмента. Поместите за про­биркой черную бумагу или ка­кой-то темный предмет и на­правьте на нее яркий свет. Раствор хлорофилла отражает свет с измененной длиной волны, поэтому хлорофилл приобретает вишнево-красную окраску. Это явление носит название флуоресценции.

В чем причина флуоресцен­ции хлорофилла? Кванты све­та падают на его молекулы, находящиеся в растворе, и вызывают их возбуждение. При этом электрон молекулы пигмента переходит на более высокий энергетический уро­вень. В растворе, в отличие от зеленого листа, энергия возбужденного электрона не расходуется на синтез органи­ческих веществ, поэтому этот электрон возвращается на прежний энергетический уро­вень, а избыток энергии испускается в виде квантов красного света. Видимый свет, как известно, состоит из раз­ных лучей: фиолетовых, синих, голубых, зеленых, желтых, оранжевых, красных. Их окраска зависит от длины вол­ны, которая увеличивается по направлению от синих к крас­ным лучам солнечного спект­ра. А вот величина квантов и их энергетический потен­циал изменяются при этом в противоположном направле­нии: кванты синих лучей зна­чительно богаче энергией, чем кванты красных. Когда свет падает на молекулы хлоро­филла, часть энергии кван­тов рассеивается в виде теп­ла, поэтому отраженные кван­ты несут меньший запас энер­гии, а длина волны света увеличивается, смещаясь в сторону длины волны красных лучей. Вот почему мы видим красное свечение при осве­щении хлорофилла белым светом, то есть совокупностью разных лучей солнечного спектра.

Любопытно в связи с этим отметить, что на прекрасных фресках гениального Андрея Рублева мы часто видим со­четание зеленого с красным: в складках зеленой одежды как бы скрываются красные от­светы.

Если вы имеете спектро­скоп — несложный школьный прибор, в котором при помо­щи призмы видимый свет раз­лагается на составные компо­ненты, — то можно изучить спектр поглощения хлорофил­ла. Приложите пробирку с раствором хлорофилла к щели спектроскопа и загляните в окуляр, вы увидите мощную темную полосу поглощения в красной части спектра и ме­нее выраженную в синей. Итак, хлорофилл поглощает красные и синие лучи спектра. А вот зеленые, беспрепятст­венно проходя через его раст­вор, сообщают ему свою окраску.

Отчего зависит зеленая окраска пигмента? Добавим в пробирку с вытяжкой хлоро­филла несколько капель сла­бой соляной кислоты. Тотчас же окраска изменится на оливково-бурую. Что при этом произошло с хлорофиллом?

Уже давно установлено, что его молекула содержит атом магния. При взаимодействии с соляной кислотой он вытес­няется из нее атомами водо­рода соляной кислоты. Можно предположить, что наличие атома магния и определяет зеленую окраску пигмента.

Теперь в ту же пробирку добавим небольшое количест­во ацетата меди или ацета­та цинка и подогреем содер­жимое пробирки на спир­товке. Едва жидкость заки­пит, окраска раствора резко изменится — вместо оливково-бурой она вновь станет изум­рудно-зеленой. Что же при этом произошло? В молекуле хлорофилла на место атома магния при взаимодействии с соляной кислотой встал водород. В свою очередь, атомы водорода при добав­лении ацетата меди или аце­тата цинка и нагревании вы­тесняются атомами меди или цинка. Происходит восстанов­ление металлоорганической связи. Следовательно, зеленая окраска хлорофилла опреде­ляется наличием в нем ато­ма металла вне зависимости от того, будет ли это маг­ний, медь или цинк.

4. Красный цвет — символ созидания

Если солнечный спектр, кото­рый мы наблюдаем в спект­роскопе, спроектировать на экран, то можно изучать ско­рость фотосинтеза в разных лучах — синих, желтых, зеле­ных, красных.

Впервые интенсивность фо­тосинтеза в различных лучах спектра исследовал физик В. Добени. В 1836 году он сделал очень важное откры­тие: зеленый лист может осу­ществлять фотосинтез в от­дельных лучах спектра, причем в зависимости от харак­тера лучей он идет с неоди­наковой скоростью. Но вот на вопрос, в каких именно лучах спектра фотосинтез протекает наиболее интенсив­но, В. Добени ответил не­правильно. И виной тому ме­тодические погрешности при проведении эксперимента. Во-первых, ученый получал те или иные лучи, пропуская солнечный свет через цвет­ные стекла или окрашенные растворы. Во-вторых, он при­менял очень примитивный ме­тод учета интенсивности фото­синтеза. Ученый поместил отрезок побега водного расте­ния элодеи в пробирку с во­дой срезом вверх и считал, сколько пузырьков кислорода отрывается с поверхности сре­за за единицу времени. Добени пришел к выводу, что интен­сивность фотосинтеза пропор­циональна яркости света, а наиболее яркими лучами в то время считались желтые. Этой же точки зрения при­держивались Джон Дрепер (1811—1882) и физиологи рас­тений Ю. Сакс и В. Пфеффер. В 1846 году Дрепер изучал интенсивность фото­синтеза в различных лучах спектра, испускаемых спектро­скопом, и пришел к тому же заключению, что и Добени.

Между тем утверждение противоречило закону сохра­нения энергии. Ведь желтые лучи, как мы уже знаем, незначительно поглощаются хлорофиллом. Могут ли они быть главной движущей силой процесса фотосинтеза?

Такова была обстановка в области изучения фотосинте­за, когда к исследованиям в этой области приступил К. А. Тимирязев. Будучи пос­ледовательным материалис­том, он утверждал, что яркость лучей зависит от субъектив­ного восприятия света глазом (синие лучи кажутся нам неяркими, а желтые наоборот) и потому не может опреде­лять интенсивность усвоения углекислого газа зелеными растениями. Наиболее дея­тельными в процессе фото­синтеза могут быть только те лучи, которые поглощаются хлорофиллом. Главной причи­ной ошибки Дрепера он счи­тал недостаточную чистоту отдельных участков спектра, возникшую из-за широко открытой щели спектроскопа. Увеличивать же щель спект­роскопа приходилось для уси­ления интенсивности светово­го потока, иначе фотосинтез с помощью примитивных ме­тодов не обнаруживался. Для того чтобы иметь возможность работать с узкой щелью спектроскопа, необходимо бы­ло создать принципиально новые, значительно более чувствительные методы учета скорости этого процесса. Сконструированные К. А. Ти­мирязевым приборы позволя­ли резко повысить точность исследований. В восьмидесятых годах прошлого столетия химик Пьер Эжен Марсель Вертело говорил К. А. Тими­рязеву, что каждый раз он привозит в Париж новый ме­тод анализа газов, в тысячу раз более усовершенствован­ный. С помощью этой аппара­туры К. А. Тимирязев убеди­тельно показал, что наиболее активно фотосинтез идет в красных лучах спектра, кото­рые, как уже отмечалось, ин­тенсивнее других поглощаются хлорофиллом. По направле­нию к зеленой части спектра интенсивность фотосинтеза ос­лабевает. В зеленых лучах она минимальная. И это вполне понятно: ведь они хлорофил­лом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части наблюдается новый подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, Тимирязев установил, что максимум усвоения листом углекислого газа совпадает с максимумом поглощения света хлорофил­лом. Иными словами, он впер­вые экспериментально дока­зал, что закон сохранения энергии справедлив и по отно­шению к фотосинтезу. Зеле­ный цвет растений отнюдь не случаен. В процессе эволюции они приспособились к погло­щению именно тех лучей сол­нечного спектра, энергия кото­рых наиболее полно использу­ется в ходе фотосинтеза.

Современная наука под­твердила правильность взгля­дов К. А. Тимирязева относи­тельно исключительной важ­ности для фотосинтеза именно красных лучей солнечного спектра. Оказалось, что коэф­фициент использования крас­ного света в ходе фотосинтеза выше, чем синих лучей, которые также поглощаются хлорофиллом.

Красные лучи, по представ­лениям К. А. Тимирязева, играют основополагающую роль в процессе мироздания и созидания жизни. В статье-притче «Красное знамя», написанной им в июне 1917 года, читаем: «Если красный цвет является факти­ческим признаком, выраже­нием работоспособности света в творческом процессе созида­ния жизни, то не следует ли признать его самой подходя­щей эмблемой, выражением работоспособности света зна­ния, света науки?». Интересно в связи с этим отметить, что в государстве древних инков Тауантинсуйю красный цвет почитался свя­щенным.

5. О чем поведали меченые атомы!

Американский ученый Мэлвин Кальвин для изучения темно­вых реакций фотосинтеза, связанных с фиксацией и превращением углекислого га­за, широко использовал метод меченых атомов.

Вещества, имеющие ра­диоактивную метку, по хими­ческим свойствам практически не отличаются от обычных. Однако наличие радиоактив­ного атома позволяет про­следить за судьбой молекулы, ее превращениями в другие соединения, ведь излучение, испускаемое меткой в ходе распада, может быть легко измерено с помощью при­боров. М. Кальвин при изучении реакций фотосинтеза исполь­зовал также метод хроматографического разделения сме­си соединений. Если каплю раствора, содержащего смесь разных молекул, нанести на хроматографическую бумагу, а конец ее поместить в соот­ветствующий растворитель, то вещества придут в движение и каждое займет особую зо­ну на хроматограмме. С по­мощью приборов легко можно найти места расположения радиоактивных соединений, перевести их в раствор и определить химическую при­роду. С помощью этого метода удалось выяснить, какие ве­щества и в какой последо­вательности образуются в зе­леном листе на свету после введения меченого углекисло­го газа.

М. Кальвин избрал в каче­стве объекта исследования зе­леную водоросль хлореллу. После кратковременного осве­щения в присутствии радио­активного углекислого газа ее быстро убивали (фиксирова­ли) горячим спиртом, чтобы приостановить протекающие в ней реакции. Затем спиртовую вытяжку концентрировали, разделяли на хроматограмме и проводили анализ на содер­жание различных радиоактив­ных соединений.

Достаточно пяти секунд пре­бывания в атмосфере углекис­лого газа, чтобы меченый углерод этого соединения ока­зывался в трехуглеродном ор­ганическом веществе под на­званием фосфоглицериновая кислота. Как оно образова­лось? Кальвин предположил, что углекислый газ присоеди­няется к некоему пятиуглерод­ному соединению. В результа­те возникает шестиуглеродное соединение, которое по причи­не своей нестойкости на хроматограммах не обнаружи­вается. Оно, едва возникнув, тотчас же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты.

Предположение М. Кальви­на подтвердилось — углекис­лый газ действительно присоединяется к пятиуглеродному веществу под названием рибулезодифосфат.

Работы М Кальвина по выяснению сущности темпо­вых реакций фотосинтеза — крупнейшее достижение со­временной физиологии расте­ний. В 1961 году он был удостоен Нобелевской премии.

6. Зеленая электростанция