Хлорофилл синтезирован
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
«Кто не знает, что с пробуждением растительной жизни весной вся природа одевается в зеленый наряд, что на какую бы точку земного шара мы ни перенеслись, несмотря на различие в почве и климате, при почти безграничной пестроте цветов и плодов, мы встретимся, в различных, правда, оттенках, но с тем же неизменным зеленым цветом листвы. Наконец, кто не знает, что утрата этого зеленого цвета осенью есть верный признак приближения зимней спячки или смерти. Все это так верно и так хорошо известно, что зеленый цвет даже стал эмблемой жизни и надежды». Так поэтично писал Климент Аркадьевич Тимирязев о зеленом наряде земли, о величайшей загадке природы, объяснению которой этот талантливейший русский ученый посвятил всю свою жизнь. Сегодня даже школьник знает, что в зеленый цвет окрашивает растения хлорофилл — особый пигмент.
Общее количество хлорофилла в листе невелико: около одного процента (на сухой вес). Однако роль его огромна. С помощью хлорофилла зеленый лист поглощает энергию солнечного света, превращая ее в химическую энергию органических соединений, которые создаются из веществ неорганической природы — углекислоты и воды. В результате сложных превращений в атмосферу выделяется кислород, обеспечивая возможность жизни на земле. Процесс этот называется фотосинтезом.
Хлорофилл благодаря своим удивительным качествам давно привлекает внимание ученых различных специальностей: биологов, физиков и химиков.
Исключительные заслуги в изучении оптических свойств хлорофилла и его физиологической роли принадлежат К. А. Тимирязеву. Хотя К. А. Тимирязев не знал точно химических свойств молекулы хлорофилла, но, тем не менее, он впервые показал, что его роль в растении не ограничивается только поглощением света, что хлорофилл, как высокоактивное химическое соединение, принимает непосредственное участие в процессе фотосинтеза.
К. А. Тимирязев высказал интересное предположение (впоследствии оно было подтверждено экспериментально) об общности химической природы красного пигмента крови (гемина) и хлорофилла. Сходство молекул хлорофилла и гемина крови поразительно. Оно позволяет говорить о хлорофилле как биологически активном веществе, подобном витаминам в жизнедеятельности животного организма. На этом основано применение хлорофилла в медицине и животноводстве в качестве кроветворного средства и препарата, ускоряющего заживление ран.
Изучить состав молекулы хлорофилла стало возможным после того, как русский ботаник М. С. Цвет предложил и разработал так называемый хроматографический метод разделения смесей различных веществ. М. С. Цвет показал, что зеленый пигмент листа неоднороден. Он состоит из двух компонентов: хлорофилла «а» (сине-зеленого цвета) и хлорофилла «в» (желто-зеленого). В листе, как правило, количество хлорофилла «а» примерно в три раза больше, чем «в».
Каковы же состав и структура молекулы хлорофилла? Выдающаяся роль в этих исследованиях принадлежит немецкому химику Вильштеттеру, установившему суммарный состав хлорофилла «а». Важным этапом в изучении хлорофилла явилась расшифровка продуктов его расщепления, полученных путем последовательного и осторожного воздействия слабых кислот и щелочей. В результате такой обработки удалось отделить от молекулы хлорофилла легко связанные химические группировки и выделить соединение, составляющее основное ее ядро — этиопорфирин. Замечательно, что соединение, подобное этиопорфирину, является основой и красного пигмента крови — гемина. Таким образом, было установлено химическое сходство между двумя важнейшими пигментами растительного и животного мира. Надо сказать, что наряду с общностью основного «скелета» молекул существуют и различия: например, в ядре молекулы гемина имеется атом железа, а в хлорофилле — атом магния.
Разобравшись в составе и свойствах молекулы хлорофилла, химики поставили перед собой задачу искусственно создать ее из простейших исходных продуктов. Большие заслуги в осуществлении этого синтеза принадлежат немецкому ученому Гансу Фишеру. В 1940 году ему удалось получить один из близких предшественников хлорофилла — феопорфирин. Оставалось сделать еще шаг — синтезировать соединение, называемое феофорбидом. А как перейти от феофорбида к хлорофиллу, химикам была давно известно. Но создание этого последнего предшественника хлорофилла оказалось очень трудной задачей, решить которую долго не удавалось. Лишь в 1960 году почти одновременно химики Соединенных Штатов Америки (Вудвард с сотрудниками) и Германии (Штрель, Калоянов и Коллер) сумели синтезировать феофорбид. А следовательно, впервые искусственным путем получили хлорофилл. Но не надо думать, что тем самым решена задача искусственного создания органического вещества, осуществлен фотосинтез вне растения.
Исследователи давно имеют в своем распоряжении чистые препараты хлорофилла (выделенные из листьев), однако все попытки воспроизвести при их участии процессы, происходящие в зеленом листе, не увенчались успехом. Ученые выяснили, что не один хлорофилл, хотя он и важнейший среди многочисленных компонентов клетки принимает участие в фотосинтезе. Большую роль в работе этого микроскопического химического завода играют и ферменты.
Известно, что в состав хлоропластов, ответственных за фотосинтез, кроме хлорофилла, входят белки (40—50 процентов), в том числе белки с каталитическими свойствами —ферменты, липоиды (25—30 процентов) и другие биологически активные вещества. Все эти компоненты расположены в хлоропласте в определенном порядке: слои белков чередуются со слоями липоидов и хлорофилла, как бы образуя единый хлорофилл — липопротеидный комплекс. Внешне структура хлоропласта напоминает слоеный пирог. Нарушение этого порядка приводит к потере листом способности осуществлять фотосинтез, хотя и молекулы хлорофилла и другие вещества остаются целыми. Но хлоропласт разрушен — завод вышел из строя.
Воспроизвести структуру хлоропласта и тот процесс, который в нем осуществляется с участием хлорофилла, ученым еще не удалось, но работы в этом направлении ведутся очень активно. Уже теперь удается при помощи извлеченных из клетки хлоропластов провести некоторые стадии фотосинтеза. Так (правда, при использовании более сильных окислителей, чем углекислота) осуществляют выделение кислорода из воды. Хорошие результаты дают и опыты с восстановлением углекислоты и образованием продуктов, стоящих на пути синтеза углеводов.
Нужно думать, что не за горами то время, когда тайна фотосинтеза будет раскрыта до конца и из воздуха и света, как говорил К. А. Тимирязев, мы будем получать пищу.
Автор: О. П. Осипова.