Учебное пособие «История и методология биологии и биофизики»

Широкое распространение получили исследования оптических свойств хлорофилла, начатые в 1852 г. Стоксом. Этому способствовал открытый в 1859 г. Г. Р. Кирхгофом и Р. В. Бунзеном метод спектрального анализа, успешно использованный для изучения хлорофилла и его производных Тимирязевым (1869, 1871). Объектом изучения оптических свойств стали все растительные пигменты. Это позволило окончательно доказать неоднородность состава листовой вытяжки и изучить ее компоненты

Тимирязев же первый связал изучение роли света в процессе фотосинтеза с изучением оптических свойств хлорофилла. При этом он показал преимущества применения спектрального анализа по сравнению с методом цветных фильтров при изучении не только пигментов растений, но и происходящих в них физиологических процессов. Тимирязев опроверг господствовавшее до 70-х годов представление об определяющей роли в фотосинтезе желтых лучей спектра. Если Сакс (1964) объяснял высокую интенсивность разложения углекислоты в желтой части спектра ее максимальной яркостью, то Тимирязев (1869, 1871, 1875) доказал, что максимум фотосинтеза соответствует не световой, а температурной напряженности, с которой в то время связывали энергетическую способность лучей. При этом он вскрыл, что причина ошибочности выводов предшественников — несовершенство их методики. Тимирязев (1871), Е. Ломмель (1871) и Н. Мюллер (1872) обнаружили максимум поглощения не только в красных, но и в синих лучах спектра и высказали мысль о более полном использовании при фотосинтезе именно тех лучей, которые поглощаются хлорофиллом.

В 1881 г. Энгельман посредством разработанного им бактериального метода экспериментально доказал существование второго максимума фотосинтеза в сине-фиолетовой части спектра. В 1871 г. Тимирязев высказал предположение об окислительно-восстановительном характере превращений хлорофилла при фотосинтезе. Опираясь на открытие Г. Фогелем (1873) хроматических сенсибилизаторов, он в 1875-1885 гг. развил представление о хлорофилле как химическом и физическом сенсибилизаторе, доказав затем (1885-1886) экспериментально способность хлорофилла претерпевать химические превращения, характерные для сенсибилизаторов фотохимических процессов.

Основываясь на химических и оптических исследованиях хлорофилла и гемоглобина и их производных, Э. Шунк и Л. Мархлевский (1897) высказали некоторые доводы в пользу химической близости состава пигментов крови и листьев, которую предугадывал еще в 1871 г. Тимирязев. На основании этих доводов и собственных исследований М. Ненцкий в том же 1897 г. развил представление о генетической связи хлорофилла и гемоглобина, а в 1900-1902 гг. экспериментально доказал, что основой молекул обоих пигментов являются гомологи пиррола.

Рис. 3.36. Первый микроспектроскоп К. Л. Тимирязева (1871)
Предметом многочисленных исследований был вопрос об условиях образования хлорофилла. Сакс (1859) отметил, что при умеренной освещенности распад и восстановление пигмента идут непрерывно, а Фаминцын (1866) установил, что этот синтез возможен и при искусственном освещении. Ряд исследований показал, что на биосинтез хлорофилла оказывает влияние температура, наличие в клетках кислорода и сахара. Многие эксперименты и наблюдения свидетельствовали и о том, что для нормального зеленения растений необходимы соединения, содержащие железо; их отсутствие в источниках питания вызывало у растений хлороз — развитие бесхлорофильных листьев, неспособных к фотосинтезу. Природа же хлороза в XIX в. не была раскрыта. Ученые неправильно полагали, что железо необходимо растению потому, что оно входит в состав хлорофилла так же, как в гемоглобин крови. Роль железа при синтезе зеленого пигмента была выяснена лишь в следующем столетии.

О существовании исходного бесцветного предшественника хлорофилла высказывались Бем (1859), Сакс (1862), Прингсгейм (1874) и Визнер (1877), но первые опыты по его выявлению и изучению спектральных свойств протофиллина предпринял Тимирязев в 1885-1889 гг. Другой русский физиолог Н. А. Монтеверде, продолживший исследование предшественника хлорофилла, назвал его протохлорофиллом.

Во второй половине XIX в. развернулись исследования роли фотосинтеза в цепи энергетических превращений на Земле. Вслед за Тимирязевым (1875), высказавшим положение о применимости закона сохранения энергии к фотосинтезу, его ученик Ф. Н. Крашенинников (1901) опытным путем доказал справедливость этого положения, показав посредством энергетического анализа, что поглощенный растением свет преобразуется в теплотворную способность ассимилятов.

Первым, кто обратил особое внимание на значение зеленого растения в космическом круговороте энергии и веществ, был К. А. Тимирязев. Он отметил неразрывную связь между энергией солнца и зеленым растением, улавливающим часть этой энергии и накапливающим ее в молекулах органических веществ. В крунианской лекции «Космическая роль растения» (1903) он убедительно показал, как солнечная энергия «запасается растениями впрок». Лишь небольшая группа бактерий представляет исключение, так как, подобно зеленым растениям, может синтезировать органические вещества из тех же неорганических веществ, но не при помощи света, а за счет энергии химических реакций. Заслуга открытия таких микроорганизмов, названных хемосинтетиками, принадлежит С. Н. Виноградскому (1889, 1890).
3.15.4. Почвенное питание растений
Не менее интенсивно развивались исследования по почвенному питанию растений, стимулированные работами Ю. Либиха и Ж. Буссенго. Окончательное доказательство ими первостепенной важности для жизни растений минерального питания сыграло большую роль в дальнейшем развитии земледелия и разработке основ агрохимии.

Успешное развитие учения о минеральном питании растений в значительной степени объясняется тем, что лабораторные исследования этой проблемы тесно сочетались с полевыми опытами. Первые скромные шаги, предпринятые в этом направлении Буссенго во Франции, Шпренгелем в Германии и Лоузом и Джильбертом в Англии, стимулировали исследования в этой области и в других странах. Стали создаваться опытные станции не только на личные средства, но и как государственные учреждения. Первая такая станция была организована в Меккерне (Германия) в 1852 г., а в следующем 1853 г. по общественной подписке в Ротгамстеде (Англия) была построена новая лаборатория и передана Лоузу для продолжения его успешных опытов. В 1867-1869 гг. в четырех губерниях России под руководством Д. И. Менделеева проводилось изучение действия 24-х видов удобрений при различной обработке почвы. С 70-х годов полевые опыты с удобрениями получили широкое распространение в Германии, США и других странах. Проводились они преимущественно на специальных опытных станциях, общее число которых к концу XIX в. превысило 80.

Полевые опыты стали все теснее сочетаться с лабораторными исследованиями потребностей растений в минеральных веществах. В середине XIX в. в Германии зародился и стал широко внедряться как на опытных станциях, так и в институтских лабораториях, вегетационный метод — испытание действий удобрений на отдельных растениях, выращиваемых в небольших сосудах со строго определенным составом питательного раствора. При разработке вегетационного метода было предложено пользоваться тремя способами, или культурами. О первом из них уже упоминалось ранее, когда в качестве субстрата Сальм-Хорстмар (1849) использовал специально обработанный песок или дробленый кварц и положил начало постановке песчаных культур. В 70-80-е годы этот способ успешно использовал и совершенствовал Г. Гельригель. Второй способ вегетационного метода — почвенные культуры — был предложен в те же годы П. Вагнером, который помещал в сосуды совершенно истощенную или совсем неплодородную почву. Однако наибольший успех в дальнейшем выпал на долю третьего способа — водных культур, прообраз которых можно усмотреть в опытах 1699 г. Вудворда в Англии. Спустя полтора века Ю. Сакс (1860) использовал этот способ вначале для наблюдения за ростом корня, а затем и для изучения питания растений.

Сакс значительно обогатил и уточнил результаты Сальм-Хорстмара. Им было установлено, что приемом «фракционированных растворов», т. е. растворов отдельных солей, представляемых растению поочередно, не следует пользоваться, так как такие растворы действуют на растения отравляюще. В смеси же их действие нейтрализуется. Это явилось основой для развитой позже Ж. Лебом (1901) теории ионного антагонизма.

Над разработкой оптимального состава питательного раствора для водных культур трудились Ю. Сакс, И. Кноп, Ф. Ноббе и другие исследователи. Рецепт Кнопа оказался самым удачным и был назван его именем.

Методы выращивания растений на нейтральном твердом субстрате и в водных культурах позволили разработать всеобъемлющий вегетационный метод, без которого невозможно было бы изучение физиологии минерального и азотного питания растений. Эти исследования проводились в летнее время в специальных вегетационных домиках. Первые такие постройки были осуществлены немецким агрохимиком Ф. Ноббе (1869) по его планам на Тарандской опытной станции, а затем Г. Гельригелем (1870) на опытной станции в Бернбурге. В России первый вегетационный домик был построен К. А. Тимирязевым в 1872 г. в Петровской (ныне Тимирязевской) сельскохозяйственной академии и сыграл большую роль центра агрохимических исследований в нашей стране.

Использование вегетационного метода уже к 70-м годам позволило установить необходимость для нормального развития растений таких зольных элементов, как фосфор, сера, калий, кальций, магний, железо, кремний, марганец и цинк, а также азот, водород и хлор. Для некоторых из них были определены соединения, в составе которых они могут быть усвоены растением. Гораздо труднее было установить, какие элементы не нужны растению. Физиологов растений, однако, интересовал не столько сам факт необходимости растению тех или иных химических элементов, сколько их влияние на различные жизненные процессы растений. Не один десяток исследователей провели серии опытов в этом направлении. Почти все они исходили из предположения, что каждый из химических элементов имеет определенную лишь ему свойственную функцию, которая не может быть выполнена другим элементом. Нередко результаты этих исследований были противоречивы, и единого мнения о физиологическом значении того или иного элемента не было. Тем более не было сколько-нибудь четкого представления о механизме поступления элементов и их роли в обмене веществ растения. Решение комплекса этих вопросов принадлежало будущему.
3.15.5. Азотное питание растений
К рассматриваемому периоду относится окончательное выяснение вопроса об источниках азота в питании растений, начатое еще в первой половине XIX в. опытами Буссенго, Лоуза и Джильберта. Согласно Буссенго, растения получают азот не только из аммиака, как думали многие, но и из нитратов. Однако позднее сравнительные исследования действия нитратов и аммиачных соединений в водных культурах показали преимущества первых и даже вредность последних, а открытие микробиологического процесса нитрификации способствовало утверждению мнения, что аммиачные соединения не являются непосредственным источником азота для растений, а лишь материалом для образования в почве нитратов посредством микроорганизмов. Хотя опыты Т. Шлезинга (1874), Мюнца (1889) и Мазе (1898) свидетельствовали о способности растений усваивать минеральный азот не только в нитратной, но при небольшой концентрации и в аммонийной форме, окончательно вопрос был решен исследованиями Д. Н. Прянишникова (1895, 1899). В «Учении об удобрении» (1900) Прянишников доказал, что при определенных условиях растения могут усваивать аммиачный и аммонийный азот не хуже, чем азот нитратов. Тем самым был открыт путь для использования аммиачных удобрений.

В то же время известный французский химик М. Бертло выступил против представления об абсолютной невозможности использования растениями молекулярного азота воздуха, утверждая, что азот может поступать в них через почвенные соединения. Первоначально он усматривал причину образования этих азотных соединений в электрическом напряжении между почвой и воздухом, а затем — в деятельности неких почвенных бактерий. Опыты Бертло были подхвачены французскими химиками. Одни — сторонники Бертло — считали, что азот воздуха фиксируется микроорганизмами почвы, другие полагали, что эту функцию выполняют низшие растения — водоросли и мхи, находящиеся на поверхности почвы на свету и при наличии воздуха. Их пытался примирить П. С. Коссович (1894), связывавший усвоение атмосферного азота с деятельностью симбиотических форм зеленых водорослей и бактерий.

В 1866 г. М. С. Воронин впервые обнаружил в корневых клубеньках бобовых микроорганизмы. Это открытие могло бы способствовать решению загадки фиксации азота растениями, если бы оно не встретило резкого возражения со стороны многих ученых. Лишь через два десятка лет Гельригель и Вильфарт (1886-1887) подтвердили это открытие и показали, что на стерильных почвах бобовые могут черпать азот лишь из удобрений, а при добавлении к ним вытяжки из обычных почв на корнях развиваются клубеньки с микроорганизмами, и растения больше не нуждаются в азотных удобрениях. В том же году М. Бейеринк выделил чистую культуру Bacillus radicicola из корневых клубеньков бобовых, а польский микробиолог Пражмовский описал процесс зарождения и развития клубеньков на корнях бобовых растений, дав название их возбудителям Bacterium radicicola Beijerinkii. В 1890-1892 гг. П. С. Коссович провел тонкие эксперименты, доказавшие, что бобовые связывают азот посредством корневых клубеньков. Наконец, Т. Шлезинг и Лоран (1890, 1892) опытным путем подсчитали, что вес азота, усвоенного растением из воздуха, примерно, равен приросту его в бобовых растениях. Несмотря на это, некоторые немецкие ученые, в частности Франк (1892), продолжали отрицать связь клубеньковых бактерий с усвоением азота воздуха, считая образование клубеньков результатом деятельности паразитического гриба. Проблема была решена исследованиями С. Н. Виноградского (1893), показавшего, что молекулярный азот воздуха способны фиксировать нитчатые бактерии Clostridium pasteurianum, культура которых была получена им тогда же. В 1901 г. Бейеринк обнаружил, что усваивать атмосферный азот могут также Azotobacter и синезеленые водоросли Anabaena и Nostoc.

Способность некоторых растений питаться животной пищей в XIX в. подвергалась основательным сомнениям, хотя факты захватывания мелких насекомых такими растениями, как венерина мухоловка росянка и другие, описывались еще в XVI в. Летом 1860 г., отдыхая близ Хартфилда, Ч. Дарвин обратил внимание на то, какое большое количество насекомых улавливают росянки, в изобилии произраставшие там. Он выкопал несколько из них и стал вести дома специальные наблюдения над ними, поставив своей целью раскрыть, по возможности, природу их движений и причину обильного улавливания насекомых. Опыты, наблюдения и размышления над результатами заняли пятнадцать лет, пока в 1875 г. не вышла в свет книга Ч. Дарвина «Насекомоядные растения». С большой тщательностью автор описал и сравнил различные способы ловли и переваривания насекомых разными видами насекомоядных растений. Он открыл, что при надлежащем раздражении растение выделяет жидкость, содержащую кислоту и фермент и напоминающую по составу пищеварительный сок животных, и с ее помощью извлекает из животной пищи азотсодержащие вещества, необходимые для каждого растения, но малодоступные для болотистых растений. Эти факты свидетельствовали об отсутствии резкой грани между животным и растительным миром.

Новые научные данные позволили приступить к внедрению знаний о минеральном питании растений в практику сельского хозяйства и решать вопрос об удобрениях на научной основе, что не замедлило дать положительные результаты уже в те годы. Достаточно отметить, что Германия, где в середине прошлого века особенно много занимались этим вопросом, начиная с 1847 г. в течение нескольких десятилетий не знала ни одного неурожая, грозившего населению голодом. Наоборот, урожаи из года в год повышались.

В XIX в. были проведены первые работы по внекорневому питанию растений. Опыты Е. и А. Гри (1847, 1857), Сакса (1861), Рейнша (1871), Т. Шлезинга (1874), Коха и Мейера (1873) показали, что листья растений могут усваивать различные соединения азота, фосфора и калия, усиливая при этом синтез органического вещества. Наиболее обстоятельные исследования по внекорневому питанию растений путем введения через листья растворов минеральных солей провел Буссенго (1878).

Изучение минерального питания растений в прошлом веке велось почти оторванно от изучения других процессов обмена веществ. Господство упрощенных представлений о проницаемости протоплазматической мембраны, когда всей протоплазме отводилась пассивная роль, исключало исследования зависимости поглощения веществ от жизнедеятельности клетки. Корневое питание связывалось лишь с транспирацией, поскольку вода является растворителем питательных веществ почвы.
3.15.6. Осмос и передвижение растительных соков
Изучение водного режима растений в XIX в. было менее успешным по сравнению с изучением воздушного и минерального питания. Оно касалось преимущественно поступления и передвижения воды в растении и транспирации. Результаты экспериментов способствовали усилению интереса к физическим закономерностям поступления воды в корни и дальнейшего ее перемещения, в частности к изучению осмотических свойств растительных клеток, которое в 1826-1828 гг. начал Дютроше.

В 1862 г. Грехем обнаружил явление диосмоса, а М. Траубе (1867- 1874) изучил его на так называемых «искусственных клетках». В 1877 г. была опубликована работа В. Пфеффера «Осмотические исследования», в которой излагались основные положения о роли осмоса в жизнедеятельности клетки. Это исследование положило начало разработки мембранной теории клеточной проницаемости. В. Пфеффер показал, в частности, что не оболочка клетки, как предполагалось раньше, а протоплазма, точнее, ее слои, прилегающие к оболочке и вакуолям, обеспечивают полупроницаемость клетки. Им же была разработана гипотеза о механизме проникновения различных веществ через «протоплазматические мембраны», локализованные на поверхности протопласта. Особое внимание Пфеффер обращал на большую роль полупроницаемой мембраны в обмене веществ, в частности, на регуляцию их поступления и выделения из клетки. Работу Пфеффера дополняли одновременные и последующие исследования Г. де Фризом (1878, 1888) осмотических сил, вызывающих изменение объема клеток. Явление отставания протоплазмы от оболочки при действии гипертоническими растворами, наблюдавшиеся еще К. Негели (1846), Г. Молем (1846) и Н. Прингсгеймом, Г. де Фриз назвал плазмолизом.

Усиление внимания к изучению осмотических явлений клетки заставило пересмотреть некоторые устаревшие к тому времени представления о проникновении питательных растворов в растение и их передвижении. Так, Сакс (1865) признал, что поглощение воды корнями и дальнейшее ее передвижение объясняется не наличием в них особых насасывающих клеток — спонгиол, а осмотическими свойствами всех клеток. Он считал, что при тургорном состоянии на клеточные мембраны действует сильное гидростатическое давление, в результате чего и происходит фильтрация растворов. Хотя эта гипотеза «фильтрации под давлением» в дальнейшем оказалась тоже несостоятельной, она позволила Саксу приступить к более глубокому изучению явления, названного им корневым давлением. Корневое давление стало объектом исследований многих ботаников (Гофмейстер, 1862; Баранецкий, 1873; Брозиг, 1876; Детмер, 1877; Вилер, 1893), установивших периодичность его изменений в различное время.

Признавая, что корневое давление может обеспечить подъем питательных растворов у травянистых растений, Сакс отрицал его действие по поднятию воды на большую высоту у деревьев. Эту способность перемещения восходящего тока воды по пустотелым сосудам — трахеям и трахеидам — он приписывал только силе испарения. Если сторонники механистических воззрений на процессы, протекающие в растении, считали, что поднятие воды по сосудам осуществляется так же, как поднятие жидкостей по капиллярам, то Сакс обратил внимание на те особенности, которые были обусловлены спецификой физиологии растений. И хотя сама гипотеза Сакса не оправдала себя в дальнейшем, его мысль об активной выработке растениями своих функций была, несомненно, прогрессивной.

Развив предположение Ф. Унгера (1858) о возможности прохождения потока воды через стенки клеток благодаря их способности к набуханию (имбибиции), Сакс разработал имбибиционную теорию. Согласно этой теории, вода передвигается в растениях не в полостях сосудов, заполненных воздухом, а в их стенках, способных к впитыванию, набуханию и засасыванию воды при потере ее в процессе транспирации. Гипотеза Сакса принималась ботаниками около 20 лет. Обнаружение Гофмейстером (1857) в сосудах растений так называемых «цепочек Жамена» (смеси воды с пузырьками воздуха), подтвержденное позднее Хенелем и Бемом (1878), побудило искать новые объяснения механизма передвижения восходящего тока питательных растворов.

В 1883-1884 гг. Вестермайер дал одно из них: причина поступления воды в сосуды ксилемы и ее поднятия заключается в насасывающем действии живых клеток. Он считал, например, что клетки паренхимы стебля и сердцевинных лучей получают воду посредством эндосмоса из примыкающих к ним клеток и инфильтруют ее в ксилему; также происходит первоначальная инфильтрация воды в сосуды корня, а так как эта инфильтрация прерывиста — вода и воздух проходят в трахеи поочередно, то и образуются «цепочки Жамена». Его поддерживали Годлевский (1888), Янзе (1887) и Швенденер (1892). Допущение активного нагнетания воды в ксилему путем пульсации клеток древесины отбрасывало эти исследования к давним представлениям Грю (1682) о живых клетках, которые, пульсируя, подобно миллионам сердец, гонят воду по сосудам. Кроме того, оно упрочивало пошатнувшиеся позиции витализма в физиологии растений.

В то же время наблюдения Страсбургера (1891) свидетельствовали о том, что в убитых тканях стеблей вода могла подниматься выше безжизненных участков на 10-12 м. Начался горячий, длившийся до конца столетия спор между исследовате­лями, связывающими поднятие воды с деятельностью живых клеток, и их противниками. Он породил ряд работ физического характера, оказавших положительное влияние на дальнейшее решение этой проблемы. В 1894-1895 гг. Диксон и Джоуль в Ирландии и Аскенази в Германии выдвинули независимо друг от друга теорию сцепления воды, которая объясняла движение воды вверх сцеплением между собой ее частиц под действием насасывающей силы — транспирирующих листьев.

В 1897 г. Е. Ф. Вотчал на основании многочисленных опытов, проводимых с применением тончайших физических методов и автоматической записи изменений давления в проводящих воду элементах древесины, убедительно опроверг представление о существовании в них каких бы то ни было промежуточных двигателей. К сожалению, эта важная работа Вотчала своевременно не получила известности за пределами России и развиваемые в ней представления получили признание лишь спустя 10-15 лет в связи с работами английского исследователя Г. Диксона.

Скорость движения воды в растении впервые достаточно удовлетворительно была исследована Макнабом (1871) посредством спектроскопических определений скорости распространения слабого водного раствора лития, в который опускалось растение. Аналогичные определения проводили затем Поритцер (1877) и Сакс (1878).