Хлорофіл синтезований
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
«Хто не знає що з пробудженням рослинного життя навесні вся природа одягається в зелений наряд, що на яку б точку земної кулі ми не перенеслися, незважаючи на відмінність в ґрунті і кліматі, при майже безмежній строкатості квітів і плодів, ми зустрінемося, в різних, правда, відтінках, але з тим же незмінним зеленим кольором листя. Нарешті, хто не знає, що втрата цього зеленого кольору восени є вірна ознака наближення зимової сплячки або смерті. Все це так вірно і так добре відомо, що зелений колір навіть став емблемою життя і надії». Так поетично писав Климент Аркадійович Тімірязєв про зелене вбрання землі, про найбільшу загадку природи, поясненню якої цей талановитий російський вчений присвятив все своє життя. Сьогодні навіть школяр знає, що в зелений колір забарвлює рослини хлорофіл – особливий пігмент.
Загальна кількість хлорофілу в листі невелика: близько одного відсотка (на суху вагу). Однак роль його величезна. За допомогою хлорофілу зелений лист поглинає енергію сонячного світла, перетворюючи її в хімічну енергію органічних сполук, які створюються з речовин неорганічної природи – вуглекислоти і води. В результаті складних перетворень в атмосферу виділяється кисень, забезпечуючи можливість життя на землі. Процес цей називається фотосинтезом.
Хлорофіл завдяки своїм дивовижним якостям давно привертає увагу вчених різних спеціальностей: біологів, фізиків і хіміків.
Виняткові заслуги у вивченні оптичних властивостей хлорофілу і його фізіологічної ролі належать К. А. Тімірязєву. Хоча К. А. Тімірязєв не знав точно хімічних властивостей молекули хлорофілу, але, тим не менш, він вперше показав, що його роль в рослині не обмежується тільки поглинанням світла, що хлорофіл, як високоактивна хімічна сполука, бере безпосередню участь у процесі фотосинтезу.
К. А. Тімірязєв висловив цікаве припущення (згодом воно було підтверджено експериментально) про спільність хімічної природи червоного пігменту крові (геміну) і хлорофілу. Подібність молекул хлорофілу і геміну крові разюча. Вона дозволяє говорити про хлорофіл як біологічно активну речовину, подібну вітамінам у життєдіяльності тваринного організму. На цьому ґрунтується застосування хлорофілу в медицині і тваринництві як кровотворного засобу та препарату, що прискорює загоєння ран.
Вивчити склад молекули хлорофілу стало можливим після того, як російський ботанік М. С. Цвет запропонував і розробив так званий хроматографічний метод розділення сумішей різних речовин. М. С. Цвет показав, що зелений пігмент листа неоднорідний. Він складається з двох компонентів: хлорофілу «а» (синьо-зеленого кольору) і хлорофілу «в» (жовто-зеленого). У листі, як правило, кількість хлорофілу «а» приблизно в три рази більше, ніж «в».
Які ж склад і структура молекули хлорофілу? Видатна роль у цих дослідженнях належить німецькому хіміку Вільштеттеру, який встановив сумарний складу хлорофілу «а». Важливим етапом у вивченні хлорофілу явилася розшифровка продуктів його розщеплення, отриманих шляхом послідовного і обережного впливу слабких кислот і лугів. У результаті такої обробки вдалося відокремити від молекули хлорофілу легко пов’язані хімічні угруповання і виділити з’єднання, що становлять основне її ядро – етіопорфірін. Чудово, що з’єднання, подібне етіопорфіріну, є основою і червоного пігменту крові – геміну. Таким чином, була встановлена хімічна схожість між двома найважливішими пігментами рослинного і тваринного світу. Треба сказати, що поряд з спільністю основного «кістяка» молекул існують і відмінності: наприклад, в ядрі молекули геміну є атом заліза, а в хлорофілу – атом магнію.
Розібравшись в складі і властивостях молекули хлорофілу, хіміки поставили перед собою завдання штучно створити її з найпростіших вихідних продуктів. Великі заслуги у здійсненні цього синтезу належать німецькому вченому Гансу Фішеру. У 1940 році йому вдалося отримати один з близьких попередників хлорофілу – феопорфірін. Залишалося зробити ще крок – синтезувати з’єднання, зване феофорбідом. А як перейти від феофорбіда до хлорофілу, хімікам було давно відомо. Але створення цього останнього попередника хлорофілу виявилося дуже важким завданням, вирішити яке довго не вдавалося. Лише в 1960 році майже одночасно хіміки Сполучених Штатів Америки (Вудвард з співробітниками) і Німеччини (Штрель, Калоян і Коллер) зуміли синтезувати феофорбід. А отже, вперше штучним шляхом отримали хлорофіл. Але не треба думати, що тим самим вирішено завдання штучного створення органічної речовини, здійснення фотосинтезу поза рослини.
Дослідники давно мають у своєму розпорядженні чисті препарати хлорофілу (виділені з листя), однак всі спроби відтворити за їх участю процеси, що відбуваються в зеленому листі, не увінчалися успіхом. Вчені з’ясували, що не один хлорофіл, хоча він і найважливіший серед численних компонентів клітини бере участь у фотосинтезі. Велику роль в роботі цього мікроскопічного хімічного заводу грають і ферменти.
Відомо, що до складу хлоропластів, відповідальних за фотосинтез, крім хлорофілу, входять білки (40-50 відсотків), у тому числі білки з каталітичними властивостями – ферменти, ліпоіди (25-30 відсотків) та інші біологічно активні речовини. Всі ці компоненти розташовані в хлоропласті в певному порядку: шари білків чергуються з шарами ліпоідів і хлорофілу, як би утворюючи єдиний хлорофіл – ліпопротеїдний комплекс. Зовні структура хлоропласта нагадує листковий пиріг. Порушення цього порядку призводить до втрати листом здатності здійснювати фотосинтез, хоча і молекули хлорофілу і інші речовини залишаються цілими. Але хлоропласт зруйнований – завод вийшов з ладу.
Відтворити структуру хлоропласта і той процес, який в ньому здійснюється за участю хлорофілу, вченим ще не вдалося, але роботи в цьому напрямі ведуться дуже активно. Вже тепер вдається за допомогою витягнутих з клітини хлоропластів провести деякі стадії фотосинтезу. Так (правда, при використанні більш сильних окислювачів, ніж вуглекислота) здійснюють виділення кисню з води. Хороші результати дають і досліди з відновленням вуглекислоти і утворенням продуктів, що стоять на шляху синтезу вуглеводів.
Потрібно думати, що не за горами той час, коли таємниця фотосинтезу буде розкрита до кінця і з повітря і світла, як казав К. А. Тімірязєв, ми будемо отримувати їжу.
Автор: О. П. Осипова.