История открытия фотосинтеза

История открытия фотосинтеза

История изучения фотосинтеза начинается с момента обнаружения известным английским химиком Джозефом Пристли факта, что зеленые растения в отличие от животных организмов способны исправлять испорченный последними воздух, делая его вновь пригодным для поддержания жизни.

Это событие относится к 1771 г.; оно произошло еще до того, как стало известно существование кислорода, открытого тем же Пристли лишь через несколько лет.

Исследователи, работавшие в XIX и в первой четверти XX столетия, рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложенияСО2 или комплекса СО2 с хлорофиллом, происходящий под действием солнечного света.

К. А. Тимирязев (1871) впервые высказал идею о непосредственном участии хлорофилла в акте фотосинтеза и о том, что в ходе этого процесса пигмент подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям.

Вильштеттер (1918) в предложенной им схеме уже постулировал наличие в фотосинтезе световой и темновой (энзиматической) стадий. Прогрессивное значение этой идеи подрывалось, однако, тем, что к темновой стадии Вильштеттер относил реакции окислительно-восстановительных превращений хлорофилла.

Все предлагавшиеся в тот период схемы исходили из того, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется при разложении углекислого газа. Второе утверждение состояло в том, что фотосинтез осуществим лишь в интактной клетке, в отсутствие каких-либо нарушений ее целостности. Эту идею развивал и крупнейший биохимик первой четверти XX в. Р. Вильштеттер. Она опиралась на наблюдения, согласно которым разрушение хлоропластов приводило к исчезновению фотосинтеза. К такого же рода выводу пришел Р. Эмерсон, который в 1936 г. писал, что фотосинтез может протекать только в абсолютно нетронутом организме.

Вместе с тем в те же тридцатые годы стали появляться высказывания, согласно которым поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле воды. Экспериментальные доказательства ее правильности были получены в 1941 г.

Решающую роль при этом сыграли исследования, в которых был использован меченый кислород. В 1945 г. А. П. Виноградова и Р. В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода «обычной» воды и воды, синтезированной ими из «обычного» водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического).

С. Рубен и М. Камен применили несколько иной принцип. Они синтезировали СО2 и Н2О с разным содержанием изотопа 18О. Давая эти соединения хлорелле на свету, авторы установили, что варьирование изотопного состава кислорода, входящего в состав СО2, на изотопном составе кислорода фотосинтеза не сказывалось.

Одновременно выявилось, что состав кислорода фотосинтеза можно было произвольно изменять путем изменения доли изотопа18О в молекуле воды. Всем этим обосновываются представления о том, что основная масса кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, принадлежит воде, а, следовательно, в ходе фотосинтеза имеет место не разложение СО2, а диссоциация молекулы воды, вызываемая энергией кванта света.

Успеху исследований способствовало широкое использование великих завоеваний физики и химии нашего времени и созданных на основе этих успехов новых, высокоэффективных методов исследования. В числе таких методов спектрометрия, включая импульсную, дифференциальную и флуоресцентную спектрофотометрию; электрометрия, включая измерения фотопроводимости, магнитные измерения, метод меченых атомов, дифференциальное центрифугирование; электронная, фазоиоконтрастная микроскопия и др. Полученные в ходе исследований материалы легли в основу современных представлений о фотосинтезе

Голландский микробиолог К. Б. Ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фотосинтезом у растений, в 1937-1941 гг. пришел к заключению, что первична фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в диссоциации воды, а не в разложении СО2.

Способные к фотосинтетической ассимиляции СО2 бактерии (за исключением цианобактерий) нуждаются в восстановителях типа Н2S, Н2, СН3 и других и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Такой тип фотосинтеза был назван фоторедукцией. Ван Ниль пришел к выводу, что для пурпурных или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим образом:

→CO2 + 2H2 A свет   + H2 O + 2А,

где Н2 А — окисляемый субстрат (донор водорода). Он предположил, что для высших растений и водорослей Н2 А — это Н2 О, а 2А — это О2.

Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно быть разложение воды на окислитель и восстановитель Затем первичный восстановитель восстанавливает СО2, а первичный окислитель участвует в реакции, в которой высвобождается О2 и снова образуется Н2 О.

Прямые экспериментальные доказательства того, что кислород при фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г. независимо в СССР и в США. А. П. Виноградов и Р. В. Тейс с помощью масс-спектрометра показали, что отношение 16О: 18О в кислороде, выделяющемся при фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воде, а не в диоксиде углерода.

Пигменты — важнейший компонент аппарата фотосинтеза. Изучение растительных пигментов резко ускорилось благодаря работам русского физиолога растений М. С. Цвета. Пытаясь найти способ разделения пигментов на индивидуальные вещества, Цвет в 1901 — 1903 гг. открыл принципиально новый метод, который он назвал адсорбционной хроматографией.

Через колонку с сорбентом пропускается растворитель с растворенными веществами. Так как вещества различаются по степени адсорбции, они перемещаются по колонке с разной скоростью. В результате происходит разделение веществ. С помощью хроматографического метода Цвет обнаружил два хлорофилла – а и b и разделил желтые пигменты листа на три фракции.

Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам, фикобилинам и каротиноидам. Впервые хлорофилл в кристаллическом виде был описан русским физиологом и ботаником И. П. Бородиным в 1883 г. В дальнейшем оказалось, что это не сам хлорофилл, а несколько видоизмененная его форма — этилхлорофиллид.

Польские биохимики М. Ненцкий и Л. Мархлевский (1897) обнаружили, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо. Таким образом было показано принципиальное структурное сходство этих пигментов у растений и животных. Немецкий химик Р. Вильштеттер в 1906-1914 гг. установил элементарный состав хлорофилла а и хлорофилла b, а немецкий биохимик Г. Фишер в 1930-1940 гг. полностью расшифровал структурную формулу хлорофилла.

В 1960 г. химики-органики Р. Б. Вудворд (США) и М. Штрель (ФРГ) осуществили искусственный синтез хлорофилла. Хлорофилл — сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая — остатком одноатомного непредельного спирта фитола.

Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в модельных опытах А. А. Красновским в 1948 г. Хлорофилл, растворенный в пиридине, в анаэробных условиях под действием света восстанавливается аскорбиновой кислотой или другими донорами электронов. При этом образуется восстановленная («красная») форма хлорофилла. После выключения света реакция идет в обратном направлении.

История открытия, изучения фотосинтеза

История изучения фотосинтеза начинается с момента обнаружения известным английским химиком Джозефом Пристли факта, что зеленые растения в отличие от животных организмов способны исправлять испорченный последними воздух, делая его вновь пригодным для поддержания жизни.

Это событие относится к 1771 г.; оно произошло еще до того, как стало известно существование кислорода, открытого тем же Пристли лишь через несколько лет.

Исследователи, работавшие в XIX и в первой четверти XX столетия, рассматривали фотосинтез как одноактный процесс разложения СО2 или комплекса СО2 с хлорофиллом, происходящий под действием солнечного света.

К. А. Тимирязев (1871) впервые высказал идею о непосредственном участии хлорофилла в акте фотосинтеза и о том, что в ходе этого процесса пигмент подвергается обратимым окислительно-восстановительным превращениям.

Вильштеттер (1918) в предложенной им схеме уже постулировал наличие в фотосинтезе световой и темновой (энзиматической) стадий.

Прогрессивное значение этой идеи подрывалось, однако, тем, что к темновой стадии Вильштеттер относил реакции окислительно-восстановительных превращений хлорофилла.

Все предлагавшиеся в тот период схемы исходили из того, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется при разложении углекислого газа.

Второе утверждение состояло в том, что фотосинтез осуществим лишь в интактной клетке, в отсутствие каких-либо нарушений ее целостности.

Эту идею развивал и крупнейший биохимик первой четверти XX в. Р. Вильштеттер. Она опиралась на наблюдения, согласно которым разрушение хлоропластов приводило к исчезновению фотосинтеза. К такого же рода выводу пришел Р. Эмерсон, который в 1936 г. писал, что фотосинтез может протекать только в абсолютно нетронутом организме.

Вместе с тем в те же тридцатые годы стали появляться высказывания, согласно которым поглощаемая хлорофиллом энергия света должна быть направлена не на разложение СО2, а на разрыв одной связи ОН в молекуле воды.

Эта идея основывалась на чисто априорных термодинамических расчетах, путем сопоставления величин энергии связи кислорода с углеродом в молекуле СО2 с энергией любого из квантов в видимой части спектра.

Экспериментальные доказательства ее правильности были получены в 1941 г. Решающую роль при этом сыграли исследования, в которых был использован меченый кислород. Как известно, природный кислород существует в виде трех изотопов (16О, 17О и 18О), соотношение между которыми неодинаково у кислорода разного происхождения.

Наименьшее содержание 18О характерно для кислорода воды, наибольшее — для кислорода углекислого газа. Среднее положение занимает по этому признаку кислород атмосферы.

В 1945 г. А. П. Виноградова и Р. В. Тейс обнаружили совпадение изотопного состава кислорода «обычной» воды и воды, синтезированной ими из «обычного» водорода и кислорода, выделяемого зеленым листом на свету (фотосинтетического).

С. Рубен и М. Камен применили несколько иной принцип. Они синтезировали СО2 и Н2 О с разным содержанием 18О. Давая эти соединения хлорелле на свету, авторы установили, что варьирование изотопного состава кислорода, входящего в состав СО2, на изотопном составе кислорода фотосинтеза не сказывалось. Одновременно выявилось, что состав кислорода фотосинтеза можно было произвольно изменять путем изменения доли 18О в молекуле воды.

Всем этим обосновываются представления о том, что основная масса кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, принадлежит воде, а, следовательно, в ходе фотосинтеза имеет место не разложение СО2, а диссоциация молекулы воды, вызываемая энергией кванта света.

Для преодоления других обосновавшихся в учении о фотосинтезе неправильных представлений также понадобилась напряженная работа многих ученых.

Успеху исследований способствовало широкое использование великих завоеваний физики и химии нашего времени и созданных на основе этих успехов новых, высокоэффективных методов исследования. В числе таких методов спектрометрия, включая импульсную, дифференциальную и флуоресцентную спектрофотометрию; электрометрия, включая измерения фотопроводимости, магнитные измерения, метод меченых атомов, дифференциальное центрифугирование; электронная, фазоиоконтрастная микроскопия и др.

Полученные в ходе исследований материалы легли в основу современных представлений о фотосинтезе как о сенсибилизируемой хлорофиллом системе сопряженных окислительно-восстановительных реакций. Специфика фотосинтеза состоит в том, что в ходе этого процесса имеет место превращение электромагнитной энергии света в энергию химических связей конечных фотопродуктов.

Краткая хронология главнейших открытий ХХ века в области фотосинтеза выглядит следующим образом:

• 1930-1940 гг. Г. Фишер расшифровал структуру молекул хлорофиллов а и b.
• 1937 г. Г. А. Кребс описал цикл лимонной кислоты (цикл Кребса).
• 1937 г. Р. Хилл показал, что при освещении суспензии хлоропластов в присутствии акцептора электронов происходит выделение кислорода.
• 1937-1941 гг. К. Б. ван Ниль доказал, что при фотосинтезе происходит фоторазложение Н2 О, а не СО2.
• 1946-1956 гг. М. Кальвин и сотр. экспериментально расшифровали основной путь углерода в процессе фотосинтеза (цикл Кальвина).
• 1943-1957 гг. Р. Эмерсон на основании экспериментальных данных (эффект усиления Эмерсона) предположил, что в световой фазе фотосинтеза функционируют две пигментные системы.
• 1960 г. Р. Б. Вудворд и М. Штрель осуществили синтез молекулы хлорофилла.
• 1966 г. М. Д. Хетч и К. Р. Слэк экспериментально обосновали С4 -путь фотосинтеза (Полевой, 1989).

Открытие двух фаз процесса фотосинтеза

Голландский микробиолог К. Б. Ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сравнивая его с фотосинтезом у растений, в 1937-1941 гг. пришел к заключению, что первична фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в диссоциации воды, а не в разложении СО2.

Способные к фотосинтетической ассимиляции СО2 бактерии (за исключением цианобактерий) нуждаются в восстановителях типа Н2 S, Н2, СН3 и других и не выделяют в процессе фотосинтеза кислород. Такой тип фотосинтеза был назван фоторедукцией. Ван Ниль пришел к выводу, что для пурпурных или зеленых серобактерий общее уравнение фотосинтеза может быть представлено следующим образом:

→ СО2 + H2 S  свет   + Н2 О + S2

или в общей форме:

→CO2 + 2H2 A свет   + H2 O + 2А,

где Н2 А — окисляемый субстрат (донор водорода).

Он предположил, что для высших растений и водорослей Н2 А — это Н2 О, а 2А — это Од.

Тогда первичным фотохимическим актом в фотосинтезе растений должно быть разложение воды на окислитель и восстановитель Затем первичный восстановитель восстанавливает СО2, а первичный окислитель участвует в реакции, в которой высвобождается О2 и снова образуется Н2 О.

В соответствии с этим предположением полное уравнение фотосинтеза, по ван Нилю, можно записать так:

Прямые экспериментальные доказательства того, что кислород при фотосинтезе освобождается именно из воды, были получены в 1941 г.

независимо в СССР и в США. А. П. Виноградов и Р. В. Тейс с помощью масс-спектрометра показали, что отношение 16О: 18О в кислороде, выделяющемся при фотосинтезе, соответствует соотношению этих изотопов в воде, а не в диоксиде углерода (Лебедев, 1960).

Открытие пигментов пластид и установление структуры и состава хлорофиллов

Пигменты — важнейший компонент аппарата фотосинтеза.

Изучение растительных пигментов резко ускорилось благодаря работам русского физиолога растений М. С. Цвета. Пытаясь найти способ разделения пигментов на индивидуальные вещества, Цвет в 1901 — 1903 гг. открыл принципиально новый метод, который он назвал адсорбционной хроматографией. Через колонку с сорбентом пропускается растворитель с растворенными веществами. Так как вещества различаются по степени адсорбции, они перемещаются по колонке с разной скоростью.

В результате происходит разделение веществ. Этот прием широко используется в современной биохимии, химии и в некоторых отраслях промышленности. С помощью хроматографического метода Цвет обнаружил два хлорофилла — а и b и разделил желтые пигменты листа на три фракции (Рубин, 1975).

Пигменты пластид относятся к трем классам веществ: хлорофиллам, фикобилинам и каротиноидам.

Впервые хлорофилл в кристаллическом виде был описан русским физиологом и ботаником И. П. Бородиным в 1883 г. В дальнейшем оказалось, что это не сам хлорофилл, а несколько видоизмененная его форма — этилхлорофиллид. Польские биохимики М. Ненцкий и Л. Мархлевский (1897) обнаружили, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо. Таким образом было показано принципиальное структурное сходство этих пигментов у растений и животных.

Немецкий химик Р. Вильштеттер в 1906-1914 гг. установил элементарный состав хлорофилла а — C55 H72 О5 N4 Mg и хлорофилла b — C55 H70 О6 N4 Mg, а немецкий биохимик Г. Фишер в 1930-1940 гг. полностью расшифровал структурную формулу хлорофилла.

В 1960 г. химики-органики Р. Б. Вудворд (США) и М. Штрель (ФРГ) осуществили искусственный синтез хлорофилла. Хлорофилл — сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая — остатком одноатомного непредельного спирта фитола.

По данным А. А. Шлыка (1965), хлорофилл b может образовываться из вновь синтезированных молекул хлорофилла а. ( Кретович, 1971).

Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в модельных опытах А. А. Красновским в 1948 г. Хлорофилл, растворенный в пиридине, в анаэробных условиях под действием света восстанавливается аскорбиновой кислотой или другими донорами электронов. При этом образуется восстановленная («красная») форма хлорофилла. После выключения света реакция идет в обратном направлении.

Фотовосстановленный хлорофилл в свою очередь может восстанавливать различные акцепторы электронов. В той же модельной системе, но с добавлением акцептора электронов хлорофилл при освещении действует как сенсибилизатор. В этих условиях происходит восстановление NAD+, рибофлавина, хинона, Fe3+, кислорода. Эти реакции получили название «реакций Красновского». Из всего сказанного следует, что молекула хлорофилла благодаря структурным и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции:

• 1) избирательно поглощать энергию света,
• 2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения,
• 3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений (Полевой, 1989).

Вклад Джозефа Пристли в изучение фотосинтеза

Чтобы новое научное представление было легко и хорошо осмыслено читателем, его изложение целесообразно представить в виде символического дерева.

Начинать нужно с почвы, затем основательно познакомиться со стволом, далее приниматься за крупные сучья, потом за мелкие ветки.

Мы последуем этому совету, почерпнутому в одной старой книге, и начнем знакомство с фотосинтезом с истории его открытия, далее рассмотрим основные черты этого процесса и лишь затем перейдем к изложению подробностей.

Для этого применяется использование принципа «сквозного действия», т. е. на всем протяжении изложения сути фотосинтеза мы будем рассматривать поток энергии. Сначала коротко коснемся механизма зарождения фотонов на Солнце, далее проследим их судьбу до того момента, когда они будут поглощены молекулой пигмента, и т. д.

Поскольку фотосинтез весьма многогранный процесс, включающий в себя физические, биохимические, физиологические и другие составляющие, мы сочли целесообразным ограничить себя и сосредоточить внимание на самой специфичной его особенности — превращении солнечной энергии в химическую. Поэтому ряд направлений в изучении фотосинтеза, непосредственно не связанных с этой темой, не нашел здесь (достаточного) отражения.

В истории науки существенно вспомнить возрастающую уверенность в истине, а не ее неисчислимые заблуждения. Р. Тагор

Учение о фотосинтезе насчитывает более чем двухвековую историю. У его истоков стоял великий английский естествоиспытатель-материалист Джозеф Пристли (1733—1803). Сын ткача, Пристли стал выдающимся химиком, философом, теологом, автором сочинений по грамматике, лингвистике, истории, ораторскому искусству, религиозным проблемам, психологии, почетным членом Петербургской Академии наук.

Его оригинальные труды опубликованы на английском и итальянском языках. Сегодня каждый может пройти курс изучение итальянского онлайн и ознакомиться с идеями великого ученого в первоисточнике.

Нам не хотелось бы, чтобы у читателя сложилось впечатление, что Д. Пристли был дилетантом в области химического эксперимента. Наоборот, в 1772—1777 гг. он интенсивно и на высоком (по тем стандартам) уровне занимается исследованием химии газов, что позволило ему опубликовать трехтомный труд под заглавием «Опыты и наблюдения над различными видами воздуха», знакомство с которым свидетельствует о выдающихся экспериментальных способностях и заслугах этого крупного исследователя.

В 1774 г. Пристли открыл кислород, который был получен двумя путями: нагреванием окиси ртути и нагреванием сурика. При этом автор открытия отметил, что «если направить пучок солнечных лучей при помощи сильной линзы на самоосажденную ртуть (окись ртути), получается воздух, в котором зажженная свеча горит ярко, как в селитряном воздухе».

Как восстанавливается кислород в воздухе?

Первоначально Пристли предположил, что эти функции способна выполнять вода океана.

Чтобы проверить это предположение, он проводит эксперименты по улучшению «испорченного воздуха» встряхиванием его с водой. Эти опыты, которые не привели к желаемому результату, подсказали Пристли мысль насыщать воду углекислотой и послужили началом современного производства газированных вод. И лишь после этих работ Пристли предпринял свои исторические эксперименты с мятой.

Дальнейшее развитие учения о фотосинтезе связано с именами других выдающихся исследователей.

В 1796 г. голландский врач Ж. Ингенхуз опубликовал книгу «Опыты над растениями», где изложил основные черты фотосинтеза. Он установил, что выделение кислорода наблюдается лишь при освещении растений, которые теряют эту способность в темноте. Им же было показано, что фотосинтез сопровождается накоплением органических продуктов.

Тот факт, что для протекания фотосинтеза необходимо присутствие углекислоты, воздуха и воды, был продемонстрирован в опытах женевских ученых Ж. Сенебье и Н. Соссюра.

Физическая сущность фотосинтеза как процесса накопления солнечной энергии была показана в трудах немецкого врача Р. Майера.

Таким образом был завершен, если можно так выразиться, подготовительный этап в изучении фотосинтеза, т. е. были установлены исходные и конечные участники этого процесса.

Проиллюстрируем значение фотосинтеза.

Солнечная энергия фиксировалась на поверхности Земли в течение всей ее истории (~4,5 млрд. лет). Современная же атмосфера возникла около 2 млрд. лет назад после появления морских фотосинтезирующих организмов, а затем и растений, которые способны усваивать солнечную энергию с образованием органических веществ и выделением кислорода.

Существование человечества стало возможным в связи с использованием солнечной- энергии. Около 95 % сухой массы урожаев, являющихся основой питания животных и человека, создается в результате фотосинтеза.

Краткая история фотосинтеза и его значение

Фотосинтез – это процесс трансформации поглощенной организмом энергии света в химическую энергию органических (и неорганических) соединений.

Началом экспериментальных работ в области фотосинтеза послужили опыты английского химика Дж.Пристли.

В 1771 г он обнаружил, что растения мяты, помещенные в стеклянный опрокинутый кувшин, «исправляют» воздух «испорченный» горением свечи или дыханием животного. В 1774 г. Пристли открыл кислород.

Через год независимо от него кислород был открыт во Франции А.Л.Лавуазье, который и дал название этому газу.

В 1776 г. шведский химик К.В.Шееле повторил опыты Пристли, не не подтвердил их.

Растения в опытах Шееле также «портили»воздух. Объяснил противоречие между результатами опытов Пристли и Шееле голландский врач Я.Ингенгауз. Шееле и Пристли ставили свои опыты в разных условиях освещенности. Ингенгауз показал, что растения выделяют кислород только при действии света.

В 1782 г. швейцарский естествоиспытатель Ж.Сенебье установил, что растения на свету не только выделяют кислород, но и поглощают углекислый газ Сенебье назвал поглощение СО2 «углеродным питанием».

Швейцарский ученый Т.Соссюр в 1804 г. используя количественные методы анализа, обнаружил, что для увеличения вегетативной массы растения потребляют не только углекислый газ, но и воду.

В 1817 г. французские химики П.Ж.Пельтье и Ж.Каванту выделили из листьев зеленый пигмент и назвали его хлорофиллом.

В1865 г. немецкий физиолог растений Ю.Сакс продемонстрировал, что на свету в листьях образуется крахмал и что он локализован в хлоропластах.

Немецкий физиолог Т.В.Энгельман в 1881 г. экспериментально доказал, что кислород образуется в хлоропластах.

В середине 19 в. Появились первые сведения о роли света в процессах фотосинтеза.

Американский физик Дж.У.Дрепер, а также Ю.Сакс и Пфеффер считали, что фотосинтез лучше осуществляется в желтых лучах, что противоречило спектральным характеристикам хлорофилла. Позднее в 1875 г. К.А.Тимирязев установил, что ассимиляция углекислого газа максимальна при освещении красным светом. Он определил роль хлорофилла в процессе фотосинтеза и сформулировал идею о космической роли этого процесса.

Результаты изучения воздушного питания растений за первые сто лет после опытов Пристли нашли свое выражение в общем уравнении фотосинтеза:

6СО2 + 6Н2О С6Н12О6 + 6О2

свет, хлорофилл

Из приведенной реакции непонятно, какое происхождение имеет кислород (от СО2 или Н2О).

Немецкий химик А,Байер в 1870 г. предположил, что под воздействием света происходит разложение углекислого газа и что для синтеза углеводов используются промежуточные продукты – СО и формальдегид. Но эти вещества оказались токсичными для растений и накапливаться не могли.

В 1893 г. русский биохимик А.Н.Бах предположил, что О2 выделяется из воды через промежуточные перекисные соединения.

Голландский микробиолог К.Б.ван Ниль, изучая особенности бактериального фотосинтеза и сревнивая его с фотосинтезом у растений. В 1937-1941 гг. также пришел к выводу, что первичная фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в диссоциации воды. Полное уравнение фотосинтеза по Ван Нилю можно представить так:

свет

СО2 + 4Н2О [СН2О] + 3Н2О + О2

Хлорофилл

Причем эта суммарная реакция слагается из трех этапов:

свет, хлорофилл

4Н2О 4 [ОН] + 4 [Н]

СО2 + 4 [Н] [СН2О] + Н2О

4 [ОН] 2Н2О + О2

Идеи Ван Ниля были поддержаны результатами опытов английского физиолога растений Р.Хилла, который в 1937 г.

показал, что изолированные хлоропласты под действием света способны разлагать воду и выделять кислород в присутствии акцепторов электронов (феррицианида, бензохинона и др.).

Прямые экспериментальные доказательства фотолиза воды с помощью меченного кислорода были получены в 1941 г. независимо А.П.Виноградовым (СССР) и Р.В.Тейсом (США).

Уравнение Ван Ниля включает две группы реакций, причем одна связана с фотодиссоциацией воды, а другая – с восстановлением СО2 до углевода.

Первую реакцию можно назвать световой, второю – темновой. Экспериментальные доказательства реального существования двух фаз фотосинтеза были получены в опытах с мигающим светом (А.А.Рихтер в СССР, Р.Эмерсон и У.Арнольв – в США).

Величина температурных коэффициентов фаз фотосинтеза также доказывает существование двух стадий – фотохимические реакции не зависят от температуры, для энзиматических реакций температурный коэффициент составляет от 2 до 4.

Дальнейшие исследования американского биохимика и физиолога растений Д.И.Арнона (1954 г.) доказали двухэтапность фотосинтеза, было установлено, что световая фаза протекает в тиллакоидах хлоропласта, темновая – в строме и было открыто явление фотофосфорилирования.