Сравнительная и эволюционная фитофизиология

Одной из характерных черт развития современной физиологии растений является широкое проникновение эволюционного подхода в решение все большего числа физиологических и биохимических проблем.

Одним из действенных путей развития эволюционных принципов в физиологии растений по-прежнему остается экспериментальное изучение изменчивости растений, где плодотворные результаты дает использование сравнительного метода. Фитофизиологические исследования, проведенные на клеточном и субклеточном уровнях, позволили обнаружить у растений ряд важных приспособительных свойств, отвечающих специфическим особенностям их строения и условиям существования. Одновременно получены убедительные факты, свидетельствующие о тесном единстве растений со всем органическим миром (приложимость к растениям закона полярности, раздражимость, наличие гетеротрофности в питании зеленых растений, общность энергетических превращений в митохондриях растений и животных и т. д.). Все это позволяет сделать

МИХАИЛ СЕМЕНОВИЧ ЦВЕТ

(1872—1919)

вывод, что современная физиология растений в целом вступила в новый период своего развития, характеризующийся переходом на уровень сравнительной и эволюционной физиологии.

Изучение фотосинтеза и хлорофилла

Центральной проблемой физиологии растений, как и в XIX в., оставался фотосинтез. Интенсивное развитие этой области знаний привело уже в первые десятилетия XX в. к возникновению таких автономных направлений, как химия пигментов, структура и биохимия пластид и продуктов фотосинтеза, экология фотосинтеза, фотосинтез различных групп растений и микроорганизмов, светокультура растений.

Начало века ознаменовалось рядом замечательных исследований в этой области. Для изучения химии хлорофилла большое значение имело открытие М. С. Цветом (1901) трех форм этого пигмента, названных им соответственно хлорофиллинами а, Р и ]. В 1903 г. Цвет создал метод адсорбционного хроматографического анализа, который и позволил ему получить в чистом виде эти формы хлорофилла, четыре формы ксантофилла и другие пигменты. С 30-х годов хроматографический анализ стал находить все более широкое применение.

Пользуясь спектроскопическим методом, немецкий биохимик Р. Виль- штеттер подтвердил существование двух форм зеленого пигмента, которые назвал хлорофиллом а и Ъ (аналогичны хлорофиллинам а и ^ Цвета). Он впервые установил точный химический состав этих форм хлорофилла, каротина и ксантофилла, а также изучил состав более 40 производных хлорофилла. Вилыптеттер обнаружил, что в состав зеленого пигмента входит не железо, а магний. Эти открытия (Нобелевская прё- РИХАРД

ВИЛЫПТЕТТЕР

(1872—1942)

мия, 1915) означали первый шаг к осуществлению синтеза хлорофилла. Открытия были подытожены (совместно с А. Штолем) в монографии «Исследования хлорофилла» (1913), выход которой был крупным научным событием.

Для изучения состояния хлорофилла в растениях большое значение имела гипотеза о существовании в хлоропластах хлорофилл — белкового комплекса, высказанная первоначально Цветом и затем развитая

В. Н. Любименко (1921, 1923). Любименко назвал этот комплекс «естественным» хлорофиллом, в отличие от хлорофилла в молекулярном растворе различных вытяжек. К 50-м годам было точно установлено, что не только хлорофилл, но и другие пигменты растений и бактерий находятся в естественном состоянии в составе сложных пигменто—белково— липоидных комплексов.

В 30—40-е годы Г. Фишер с сотрудниками исследовали химическую лрироду зеленых пигментов пурпурных серобактерий — бактериохлоро- филла и зеленых бактерий — бактериовиридина, а Г. Стрейн и В. М. Мэн- ниг (1942, 1943) обнаружили новые формы зеленого пигмента — хлорофилл с у жгутиковых, диатомовых и бурых водорослей и хлорофилл Ъ у красных водорослей.

Выявление основных этапов биосинтеза хлорофилла связано с исследованиями Т. Н. Годнева, С. Гранина, Л. Богорада, Д. Смита, Д. Шемина и других, начатыми еще до 50-х годов. Общими усилиями удалось уста новить, что образованию как хлорофилла, так и геща, входящего в состав гемоглобина, предшествует синтез протопорфирина, после чего пути их биосинтеза расходятся: включение в молекулу протопорфирина атома железа дает гем, а включение магния приводит через ряд превращений к образованию хлорофилла.

Еще в 30-х годах Г. Фишер предпринял попытку синтезировать хлорофилл вне растения, но большего успеха добились в 1960 г. его ученики М. Штрель, А Колоянов и Г. Коллер, получившие искусственно фео- форбид — основу молекулы хлорофилла без магния и фитола. Одновременно такой же синтез осуществил американский химик Р. Вудворд (1960; Нобелевская премия, 1962), который получил хлорофилл.

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 хлоропласти растертых листьев эффективно восстанавливали на свету хиноны и выделяли кислород. При этом в качестве водородного акцептора был использован не СОг, а железокалиевый оксалат. Эта реакция, получившая название реакции Хилла, подтвердила выводы Ван-Ниля и Гаффрона о том, что процессы восстановления СОг и выделения Ог независимы и их можно изучать каждый в отдельности.

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 С02 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 ’.

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 окислительновосстановительных 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.

Третья стадия фотосинтеза, или так называемый цикл углерода, изучена наиболее полно. Крупнейших успехов в этой области достигли

1 См.: А. Н. Теренин. Фотохимия хлорофилла и фотосинтез. М., Изд-во АН СССР, 19,51.

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 СОг, распадается на две молекулы фосфоглице- риновой кислоты, а последняя подвергается восстановлению при участии АТФ и пиридиннуклеотидов. Дальнейшие сложные превращения приводят к образованию конечных продуктов (углеводов) и регенерации рибулезо- дифосфата, 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) JI. 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 фотосинте- тического 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.