Вклад тимирязева в изучение фотосинтеза кратко
Обновлено: 05.07.2024
ТИМИРЯЗЕВ, КЛИМЕНТ АРКАДЬЕВИЧ (1843–1920) – выдающийся русский ботаник и физиолог, исследователь процесса фотосинтеза, сторонник и популяризатор дарвинизма.
Родился 22 мая (3 июня) 1843 в Петербурге, в дворянской семье. Его родители, сами придерживающиеся республиканских взглядов, передали своим детям свободолюбие и демократические идеалы. К.А.Тимирязев получил прекрасное домашнее образование, позволившее ему в 1860 поступить на юридический факультет университета, с которого он вскоре перевелся на естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета.
Его юные годы были овеяны революционными идеями 60-х, которые высказывались Герценом, Чернышевским, Добролюбовым, Писаревым, что объясняет безоговорочное принятие ученым Октябрьской революции.
Среди его учителей в университете были ботаник-систематик А.Н.Бекетов и химик Д.И.Менделеев. О своих первых опытах над воздушным питанием растений К.А.Тимирязев сделал доклад в 1868 на I съезде естествоиспытателей в Петербурге. В этом докладе он уже тогда дал широкий план исследования фотосинтеза.
После окончания университета Тимирязев работал в лабораториях Франции у химика П.Э.Бертло и физиолога растений Ж.Б.Буссенго, и в Германии – у физиков Г.Р.Кирхгофа и Бунзена и у одного из создателей спектрального анализа, физиолога и физика Г.Л.Гельмгольца. Позже у него состоялась встреча с Ч.Дарвиным, чьим горячим сторонником Тимирязев был всю свою жизнь.
По возвращении из-за границы Тимирязев защитил в Петербургском университете диссертацию Спектральный анализ хлорофилла и начал преподавать в Москве в Петровской сельскохозяйственной академии, ныне носящей его имя. Позднее стал профессором Московского государственного университета, из которого ушел в отставку уже на склоне лет, в 1911.
Ученый приветствовал Октябрьскую революцию. Несмотря на возраст и тяжелую болезнь, он стал депутатом Московского Совета.
28 апреля 1920 К.А.Тимирязев скончался от воспаления легких.
Тимирязев всю свою жизнь работал над разрешением проблемы воздушного питания растений, или фотосинтеза.
Эта проблема далеко выходит за пределы физиологии растений, так как с фотосинтезом связано существование не только растений, но и всего животного мира. Мало того, в фотосинтезе растение берет и усваивает не только углекислоту воздуха, но и энергию солнечных лучей. Это дало право Тимирязеву говорить о космической роли растения как передатчика энергии солнца нашей планете.
В результате длительного изучения спектра поглощения у зеленого пигмента хлорофилла ученый установил, что наиболее интенсивно поглощаются красные и несколько слабее сине-фиолетовые лучи. Кроме того, он выяснил, что хлорофилл не только поглощает свет, но и химически участвует в самом процессе фотосинтеза и закон сохранения энергии распространяется и на процесс фотосинтеза, а следовательно и на всю живую природу. Большинство исследователей тех лет, в особенности немецкие ботаники Ю.Сакс и В.Пфефер, отрицали эту связь. Тимирязев показал, что они допустили ряд экспериментальных ошибок. Разработав методику очень точного исследования, К.А.Тимирязев установил, что только поглощаемые растением лучи производят работу, т.е. осуществляют фотосинтез. Зеленые лучи, например, не поглощаются хлорофиллом, и в этой части спектра фотосинтеза не происходит. Кроме того, он отметил, что существует прямая пропорциональная связь между количеством поглощенных лучей и произведенной работой. Иными словами, чем больше световой энергии поглощено хлорофиллом, тем интенсивнее идет фотосинтез. Хлорофилл больше всего поглощает красные лучи, поэтому в красных лучах фотосинтез идет интенсивнее, чем в синих или фиолетовых, которые поглощаются слабее. Наконец, Тимирязев доказал, что на фотосинтез затрачивается не вся поглощенная энергия, а лишь 1–3 ее процента.
Основные труды К.А.Тимирязева: Чарльз Дарвин и его учение; Жизнь растения; Исторический метод в биологии; Земледелие и физиология растений.
Фотосинтез — уникальный процесс, значение которого для жизни на Земле огромно. Это настоящее природное чудо. В процессе фотосинтеза в листьях растений из двух неорганических веществ — углекислого газа и воды — возникают углеводы (крахмал, сахар и другие), жирные кислоты (из них уже синтезируются жиры) и аминокислоты (из них строятся белки) и чистый кислород. Поэтому можно сказать, что именно фотосинтез поддерживает жизнь на нашей планете, создавая самые важные органические вещества, необходимые человеку и животным.
В начале XIX века ученые имели несколько смутное представление о том, какие процессы происходят в растениях. Сначала стало известно, что растения выделяют кислород, потом выяснилось, что кислород выделяется, только если они находятся на свету. Чуть позже было установлено, что в растениях образуются органические вещества, а отвечает за этот процесс особый пигмент, содержащийся в зеленых листьях, — хлорофилл.
Фотосинтез имеет жизненно важное значение для всего живого на нашей планете. Именно с помощью этого процесса неорганический углерод в виде углекислого газа превращается в органические вещества (входит в биологический цикл), а кислород при этом является побочным продуктом
А какую же роль в изучении фотосинтеза сыграл русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев? Одну из самых главных — он установил, что именно зеленый пигмент хлорофилл является главным звеном в процессе фотосинтеза. Он же доказал, что скорость и эффективность процесса фотосинтеза различны при освещении растений светом разного спектрального состава (в красных и синих лучах все реакции идут наиболее быстро и эффективно, а в желтых фотосинтез идет гораздо хуже) и что в растениях происходит реакция разложения углекислого газа именно под действием света.
Может показаться, будто Тимирязев сделал не так уж и много — доказал те вещи, о которых уже догадывались до него. Но на самом деле именно благодаря ученому догадки стали научными фактами.
Тимирязев первым изучил самые важные свойства хлорофилла, его состав и взаимодействие со световыми лучами, установил, как с помощью хлорофилла происходят реакции деления углекислоты на углерод и кислород.
Исчезни вдруг растения на Земле — исчезнут животные и люди, ведь им неоткуда будет брать жиры, углеводы и белки, служащие строительным материалом любого организма!
Прибор для исследования воздушного питания листьев, использовавшийся К. А. Тимирязевым. С его помощью можно было узнать, сколько углекислоты поглотил зеленый лист
На эту важнейшую роль фотосинтеза и, соответственно, растений указал Тимирязев.
Климент Тимирязев был не только ученым-теоретиком, но и прекрасным практиком, причем весьма разносторонним. Ученый, работавший во многих областях ботаники, старался применить результаты своих работ на деле, создавал уникальные по тем временам установки и приборы, обладающие высокой чувствительностью и точностью. С их помощью Тимирязевым и были установлены многие факты о фотосинтезе.
Строение клетки. Фотосинтез растений проходит в особых структурных единицах клетки — зеленых хлоропластах. Хлоропласт может быть в клетках как плодов, так и стеблей, но все же основное место, где он располагается, — это лист растения
Всю свою жизнь Климент Аркадьевич занимался проблемой фотосинтеза, предлагал новые гипотезы, экспериментально подтверждал теории. Его наработки в этой области активно использовали исследователи, работавшие много позже. Всемирная слава пришла к ученому при жизни, а результаты его трудов составляют базу современных знаний об удивительном процессе фотосинтеза.
Работы Тимирязева служили для дальнейших открытий в области фотосинтеза. Так, с помощью углекислого газа с мечеными атомами углерода американскому биохимику Мелвину Кальвину удалось выяснить химию усвоения углекислого газа, так называемый цикл Кальвина. Это, в свою очередь, послужило толчком для дальнейшего развития сельского хозяйства: изменение условий среды позволяет регулировать соотношение продуктов фотосинтеза и создавать условия для оптимального развития растений.
Краткая биография
Климент Аркадьевич Тимирязев родился 25 мая (3 июня) 1843 года в Санкт-Петербурге. Отец был потомственным дворянином, служил начальником Санкт-Петербургского таможенного округа.
Тимирязев получил отличное домашнее образование и в 1860 году стал студентом-юристом Санкт-Петербургского университета. Почти сразу перевелся на естественное отделение физико- математического факультета. В 1861-м был отчислен из-за участия в студенческом движении. Через год допущен к обучению в качестве вольнослушателя.
В 1871 году защитил магистерскую диссертацию, устроился работать в Петровскую сельскохозяйственную академию близ Москвы. В 1875-м стал доктором ботаники, с 1877-го читал лекции в Императорском Московском университете.
Работал над проблемами фотосинтеза, активно применял научные достижения на практике. Стал членом-корреспондентом Санкт-Петербургской академии наук, был членом многих зарубежных научных обществ и учебных заведений.
В 1911 году по политическим причинам ушел из университета. Тимирязев приветствовал Октябрьскую революцию, так как был убежденным республиканцем.
Большой вклад Тимирязева в изучение фотосинтеза. До работ К. А. Тимирязева господствовало мнение, что процесс фотосинтеза быстрее всего протекает в желтых, наиболее ярких лучах солнечного спектра.
Однако желтые лучи незначительно поглощаются хлорофиллом и поэтому сохраняют свойственную им энергию даже после прохождения через лист растения.
Процесс фотосинтеза в различных участках светового спектра
Представление о большей скорости фотосинтеза в желтых лучах не соответствовало закону сохранения энергии. К. А. Тимирязев доказал неправильность этого положения путем более точного определения фотосинтеза растений в различных участках светового спектра.
Для этого он пропускал солнечный свет через призму с узкой щелью (что позволило получить монохроматический свет) и отбрасывал его на лист гортензии. Монохроматический свет
Оказалось, что на участке листа, освещенном красным светом, наблюдалось обильное образование крахмала, много крахмала было также и в сине-фиолетовой части спектра, т. е. там, где идет наиболее интенсивное поглощение света хлорофиллом.
Этот опыт показал, что закон сохранения энергии распространяется и на процесс фотосинтеза: чем интенсивнее идет поглощение энергии, тем больше усваивается углекислого газа. Разработанная физиками квантовая теория света объяснила максимальную интенсивность фотосинтеза в красных лучах.
В настоящее время установлено, что свет распространяется в виде сгустков энергии — квантов. Величина кванта зависит от длины волны: чем больше длина волны, тем меньше величина, кванта.
Длинноволновые красные лучи имеют малую величину квантов, но их количество больше, чем в коротковолновых (сине-фиолетовых) лучах, имеющих более крупные кванты. Таким образом, красная часть спектра, несущая большое число квантов в единицу времени на единицу поверхности, будет фотохимически более продуктивна, чем всякая другая часть спектра.
Исследования К. А. Тимирязева показали также, что не вся падающая на лист энергия полностью им поглощается: часть ее отражается или проходит без поглощения через лист (зеленые и крайне-красные лучи спектра). Количество отраженного и прошедшего без поглощения света у разных растений различно. Количество поглощенного и отраженного света у разных растений различное
Оно зависит от свойств отражающей свет кутикулы листа, от толщины листа и интенсивности его зеленой окраски, (подробнее: Процесс фотосинтеза в листьях растений). В среднем можно принять, что лист поглощает около 85— 90% падающей на него энергии.
Но не вся поглощенная хлорофиллом энергия полностью используется в процессе фотосинтеза. Большая часть поглощенной энергии (до 90% и более); переходит в тепловую, способствуя переходу воды в парообразное состояние в процессе транспирации или повышая температуру листа.
Коэффициент использования лучистой энергии на образование органического вещества невелик и составляет 1— 5%, лишь в исключительных случаях достигая 10%.
Естествоиспытатель, ботаник, химик, физиолог, историк и популяризатор науки; пропагандист дарвинизма, публицист; профессор Петровской с/х академии и Московского университета; заведующий кафедрой анатомии и физиологии растений Московского университета; основоположник русской научной школы физиологов растений; член-корреспондент Петербургской АН (РАН); почетный член университетов Женевы, Глазго, Кембриджа, Лондонского королевского общества; председатель Ботанического общества любителей естествознания, антропологии и этнографии; член Моссовета — Климент Аркадьевич Тимирязев (1843—1920) является родоначальником исследований проблемы фотосинтеза, а также биологических основ агрономии.
Фотосинтезом занимались в XIX в. многие естествоиспытатели — Дж. Пристли, Я. Ингенгауз, Ж. Сенебье, Н. Соссюр, Ю. Майер, Д.Г. Стокс, Ю. Сакс и др., исследовавшие зависимость фотосинтеза от освещения, содержание хлорофилла в листе, наличие СО2 в атмосфере, преобразование в растении световой энергии в химическую, роль в этом процессе отдельных участков спектра…
С конца 1860-х гг. изучением этого процесса занялся и Тимирязев.
Ботаник настаивал на целесообразности выведения новых сортов с мощной корневой системой или пониженной транспирацией (испарением воды); повлиял на применение в с/х вегетативного метода; инициировал создание заводов для производства селитры; заложил основы выращивания растений при электрическом освещении.
Все свои рекомендации ученый делал на основе изучения им фотосинтеза. Отведя растениям космическую роль посредников между солнцем и жизнью на нашей планете, Тимирязев нашел ответ на вопрос, поставленный немецкими учеными Ю.Р. Майером и Г.Л.Ф. Гельмгольцем, основоположниками закона сохранения энергии, — является ли источником жизни солнце.
Начал ученый с проведения сложнейших и тончайших опытов (не воспроизведенных с тех пор ни одним экспериментатором!) и доказательства того, что реакция разложения углекислоты на кислород, выделяемый в атмосферу, и углерод необходимый растениям, т.е. фотосинтез, прямо зависит от хлорофилла и от энергии поглощаемых лучей.
До Тимирязева эти рассуждения ходили только в качестве гипотезы. Для этих целей физиолог впервые применил особо чувствительные спектроскопы, светофильтры, разработал улавливатели и анализаторы газа, приборы, измеряющие освещенность, усовершенствовал методику газового анализа, позволившую анализировать количество газа с точностью, поражающей современных исследователей.
Наиболее благоприятные энергетические условия для разложения углекислоты по Тимирязеву давали красные лучи, а самым совершенным поглотителем энергии являлся сам хлорофилл. Все это было подтверждено позднее открытием квантовой теории и исследованиями фотосинтеза другими учеными.
Мировое научное общество получило исчерпывающие ответы на вопросы, как протекает фотосинтез, какой предположительно химический состав хлорофилла, каков механизм воздействия на него солнечного света, как зависит этот процесс от лучей различной длины волны.
В целом же Тимирязев впервые сформулировал представления о фотосинтезе как процессе аккумуляции солнечной энергии.
Детально разрабатывая теорию фотосинтеза, Тимирязев понимал, что наука на рубеже веков еще не в состоянии была дать полное описание этого процесса.
Прошло сто лет с тех пор — пока такого аппарата, подающего изумленному миру печеные хлеба, не сделано, но ведь еще не конец света?
Обратимся к ознакомлению с работами К. А. Тимирязева и с вкладом, который он сделал в науку.
Когда Тимирязев вступал на научное поприще, то основным нерешенным вопросом в области фотосинтеза был вопрос о том, подчиняется ли этот процесс закону сохранения энергии или организмы не подчиняются этому основному закону природы. Последний взгляд давал повод к идеалистическим выводам об особой природе живых организмов, т. е. давал простор виталистическим измышлениям о наличии особого нематериального начала — жизненной силы, которая управляет организмом.
Крупный физик того времени Дрэпер ставил опыты с определением интенсивности фотосинтеза в лучах различной длины волны. Как нам уже известно, хлорофилл лучше всего поглощает красные лучи. Между тем Дрэпер обнаружил наибольший фотосинтез в желтых и оранжевых лучах. Получалось явное несоответствие между количеством поглощенной энергии и произведенной работой, т. е. несоответствие закону сохранения энергии.
Молодой Тимирязев не побоялся выступить против мнения крупного физика. Правда, выступил он во всеоружии знаний после нескольких лет тяжелой и упорной работы. Тимирязев показал, что вывод Дрэпера покоится на грубой методической ошибке. При использовании монохроматического света, т. е. света одной длины волны (красного, синего и т. д.), очень трудно получить свет достаточной интенсивности, чтобы шел процесс фотосинтеза. Поэтому Дрэпер и пользовался широко открытой щелью спектроскопа, так как при этом получается свет большей интенсивности. При такой постановке опыта, как это обнаружил Тимирязев, получается нечистый монохроматический свет. К желтым лучам примешиваются при этом красные и другие лучи. Таким образом, Дрэпер фактически вел опыт не в оранжевом, а в белом свете. Для того чтобы правильно провести опыт, Тимирязев усовершенствовал методику газового анализа, что и позволило ему производить анализ газа в очень малых объемах при чрезвычайно малой их концентрации и таким образом устанавливать разложение углекислоты при очень малой интенсивности света. Пользуясь разработанным им методом газового анализа, Тимирязев смог воспользоваться чистым монохроматическим светом при помощи узкой щели в спектроскопе.
В результате своего исследования Тимирязев установил следующие три положения:
- только поглощаемые хлорофиллом лучи производят работу, т. е. процесс фотосинтеза;
- фотосинтез пропорционален поглощению лучей, т. е. чем больше поглощение лучей зеленым листом, тем больше величина фотосинтеза;
- на процесс фотосинтеза растение использует лишь небольшую часть поглощенных лучей (от 1 до 3 процентов).
Таким образом, работы Тимирязева выяснили полную приложимость закона сохранения энергии к процессу фотосинтеза. Кроме того, стала ясной фотохимическая природа фотосинтеза.
Читайте также: