Статья: Дыхание у растений
Бах указывал, что разложение молекулы кислорода на атомы требует слишком больших затрат энергии, которые не наблюдаются в физиологических реакциях окисления. По мнению Баха, в физиологических процессах из молекулы кислорода образуется активная группа, в которой разорвана лишь одна из двух связей в молекуле, но атомы не образуются.
Способное к медленному окислению вещество присоединяет эту группу к себе. При этом неизбежно должны образоваться перекиси. Именно эта реакция первичного образования перекисей в процессе медленного окисления и составляет основное ядро теории Баха. Перекиси, как весьма неустойчивые и химически активные вещества, могут подвергаться дальнейшим изменениям. Правильность своей теории Бах подтвердил на сотнях примеров и фактов, как известных до него, так и полученных им самим экспериментально.
История современного учения о дыхании растений неразрывно связана с именем академика В.И. Палладина.
В годы первого петербургского периода работы Палладин исследовал ферментативную природу дыхательного процесса. Палладин показал, что и анаэробная, и аэробная фазы дыхания обеспечиваются специфическими ферментами, последовательно перерабатывающими продукты дыхания. Итоги работ этого периода изложены в монографии В.И. Палладина «Дыхание как сумма ферментативных процессов» (1907).
На этом этапе исследовательской деятельности Палладин применил оригинальную методику исследований. Замораживая цельные органы растений при температуре минус 15–20 °С, он показал, что даже в замороженных, т.е. убитых, клетках работа ферментов, а следовательно и дыхательные процессы, продолжаются, хотя и с отклонением от нормы. Тем самым Палладину удалось сорвать завесу таинственности с процесса дыхания, который трактовался виталистами как специфический жизненный акт, как одно из важных проявлений пресловутой «жизненной силы».
Продолжая изучение ферментов специфических для реакций окисления, Палладин задумался над обстоятельством, тогда еще не обратившим на себя внимание западно-европейских физиологов: окислительная способность известных к тому времени ферментов (оксидаз и пироксидаз) была совершенно недостаточной для реакций прямого окисления их основного субстрата – углеводов. Следовательно, помимо оксидаз в клетках растений должны содержаться какие-то другие вещества, являющиеся посредниками в передаче кислорода основному дыхательному материалу.
Палладин обратил внимание на так называемые хромогены клеточной плазмы, которые он считал дыхательными пигментами. Дыхательные пигменты, по мысли Палладина, подобно гемоглобину крови, являются переносчиками кислорода, воспринимая его при содействии ферментов (оксидаз) и перенося далее к дыхательному материалу.
Основы своей теории дыхательных пигментов Палладин изложил в получившей широкую известность на Западе статье с сенсационным названием «Кровь растений». Однако последующие исследования, проведенные ученым в последние годы жизни, заставили его пересмотреть всю теорию дыхательного процесса.
Для объяснения новых фактов и наблюдений Палладину пришлось свою теорию «поставить на голову». Хромогены оказались факторами не окислительных, а, наоборот, восстановительных процессов. Публично признать неправильность своих недавних утверждений мог только человек, ставивший научную истину, выше самолюбия. Палладин нашел в себе мужество разрушить здание научной теории, построение которой отняло у него свыше 10 лет жизни.
Схема процессов дыхания и брожения у растений
Вот что рассказывает об этом великом переломном моменте в развитии учения о дыхании растений ближайший ученик Палладина профессор С.Львов.
«Исходя из тех соображений, что дрожжи продолжают в присутствии кислорода вести распад сахаров по бродильному руслу лишь потому, что они лишены окислительного аппарата и, в частности, дыхательных хромогенов, Палладин предложил мне использовать соки, отжатые из растений, богатых хромогенами (шампиньоны, свекла и т. п.), и проследить, не вызовет ли добавка их к бродильной среде поворота процесса от брожения к дыханию.
Ожидаемого эффекта не получилось, но при производстве опытов бросилось в глаза неожиданное явление, что в период активного брожения черная и бурая окраски от добавочных соков быстро светлели, особенно в анаэробных условиях, т.е. хромогены вели себя совершенно аналогично метиленовой синьке. Иначе говоря, хромогены являются отнюдь не переносчиками кислорода, подобно гемоглобину, как полагал раньше Палладин, а переносчиками водорода. Они активизируют не кислород воздуха при помощи оксидаз, а водород дыхательного субстрата при помощи редуктаз. Дыхательный материал окисляется в первой стадии не в силу того, что он воспринимает доходящий до него активизированный кислород, а в силу того, что от него отщепляется активизируемый при помощи редуктаз и дыхательных хромогенов водород. Дыхательные хромогены должны быть переименованы в водородные акцепторы.
Все эти столь привычные для нас теперь представления в тот момент впервые получили свое зарождение. Я хорошо помню, с каким волнением присматривался Палладин к каждому новому моему опыту, ожидая его результатов. Длительные с ним беседы, во время которых зарождались новые понятия, естественно расширяли и мои горизонты и заполняли душу тем научным энтузиазмом, которым всегда горел Палладин.
Доклад об этой работе в научном обществе он предложил сделать мне самому, указывая, что такое выступление весьма полезно для начинающего научного работника, поскольку подготовка к докладу побудит меня еще глубже продумать всю проблему и активизирует дальнейшую работу…
Я помню период, когда Палладин, в отступление от своей обычной нормы, стал несколько реже появляться в лаборатории. При встречах в беседах он, особенно сосредоточенный и нервновозбужденный в это время, несколько раз упоминал при мне, что он дома, в спокойной обстановке, занят обдумыванием новой теории дыхания. Вскоре она была окончательно оформлена и предложена на суд и внимание товарищей по науке. Это и была та знаменитая теория дыхания, кратко формулированная в виде двух уравнений, которая произвела полный переворот в обычном понимании дыхательного процесса и теперь вошла в основные руководства по физиологии растений…
…Все ее содержание в концентрированной форме запечатлено в следующих двух уравнениях:
I. С6Н12О6 + 12R + 6Н2О = 6СО2 + 12RН2,
II. 12RН2 + 12R + 12Н2O.
Основным уравнением, выражающим собой принципиальную сущность дыхательного процесса, является первое. В этой первой фазе дыхательный материал (глюкоза) уже полностью распадается до своих простейших элементов – СО2 и водорода, но водород не выделяется в свободном состоянии, а захватывается при помощи редуктаз (дегидраз) водородными акцепторами, без которых распад глюкозы вообще не может иметь места. (Процесс идет чисто анаэробно.)
Кислород к этому основному акту дыхания не имеет никакого отношения. Весь СО2 – анаэробного происхождения, и уносимый с нею кислород заимствуется не из внешней атмосферы, а изнутри системы. Дыхание для своего осуществления не нуждается ни в кислороде, ни в оксидазах. Основными ферментами в этой фазе дыхания являются дегидразы.
Кислород воздуха вмешивается в акт дыхания лишь во второй фазе, но, принципиально рассуждая, играет здесь второстепенную роль. Он должен восстановить активность водородных акцепторов, освободив их от захваченного водорода. Кислород окисляет не углерод дыхательного субстрата, а уже отщепленный от него водород, перенесенный на акцепторы. Сам кислород выступает лишь в роли последнего заключительного водородного акцептора…
…Эта принципиально новая точка зрения на процесс дыхания, выраженная Палладиным в столь ясно отчетливой форме, не была еще при нем достаточно широко обоснована экспериментальными данными и явилась в значительной мере плодом научной интуиции автора, хотя в ней вместе с тем мы должны видеть как бы подведение итогов многолетней работы Палладина над процессом дыхания…
Весь этот эпизод с нашей работой я рассказал подробно для того, чтобы исторически, как непосредственный участник этой работы, отметить, что принципиальная перестройка основных воззрений Палладина на роль дыхательных хромогенов произошла у него совершенно независимо от работ Виланда. Даже другие чисто химические работы Виланда, в которых показана возможность окисления в отсутствии кислорода, при наличии водородных акцепторов, таких веществ, как СО и SO, стали известны уже после выполнения нашей работы, а переход Виланда к изучению биологических проблем произошел и по времени позднее».
Одновременно с Палладиным проблемой дыхания занимались в целом ряде крупнейших научно-исследовательских институтов и лабораторий Западной Европы. Наибольшую популярность приобрели две новые школы – Виланда и Варбурга.
Т.Виланд развивал взгляды на роль дегидраз и водородных акцепторов, вполне аналогичные взглядам Палладина. Расхождение их теорий заключалось в том, что Виланд категорически отрицал какую бы то ни было роль оксидаз как специфических активаторов кислорода, считая молекулярный кислород способным самостоятельно отнимать водород от водородного акцептора. По мнению же Палладина, водородные акцепторы не могут самопроизвольно освобождаться от водорода, но требуют для этого участия оксидаз, которые поэтому являются обязательным фактором в реакции, выраженной во втором уравнении Палладина.
Противник Виланда, Варбург, считал, что молекулярный кислород не может вступить в организме в какой бы то ни было окислительный процесс, если в организме отсутствует система железоорганических соединений, типичным представителем которых он считал геминфермент. Варбург утверждал, что геминфермент активирует молекулярный кислород, т.е. как бы дает первый толчок к началу окислительных процессов, и без него никакой дыхательный процесс не может совершаться. Далее, по мнению Варбурга, окислительный импульс через промежуточные звенья (геминовые соединения) доходит до дыхательного субстрата и окисляет его. Резюмируя свои взгляды, Варбург утверждал, что дыхание осуществляется путем активации кислорода, а отнюдь не водорода. Но ведь Палладин как раз и говорил о той же необходимости активации молекулярного кислорода, защищая перед Виландом роль оксидаз в процессе дыхания.
Все различие в основных посылках Варбурга и Палладина заключается в том, что первый, работая по преимуществу с объектами животного происхождения, называл свой активатор молекулярного кислорода геминферментом, а Палладин, работавший с объектами растительного происхождения, сохранил за этим активатором ранее установившееся в науке название оксидазы. Но по существу оба говорили об одном и том же, протестуя против непримиримой позиции Виланда, отрицавшего необходимость энзиматической активации молекулярного кислорода.