Ван Гельмонт и не подозревал, что растения могут, помимо воды, получать строительные материалы в буквальном смысле слова "из воздуха".
Много нового в изучение питания и дыхания растений внес XVIII век. В 1771 г. английский химик Дж. Пристли проделал интересный опыт.
Он взял стеклянный колпак и поместил под ним мышь и горящую свечку. Через некоторое время свеча погасла, а мышь задохнулась. Когда же под колпак с мышью и свечой Пристли положил ветку мяты, свеча нормально горела и мышь не погибла. Был сделан вывод, что растения делают воздух пригодным для дыхания и горения. Только через семь лет Пристли установил, что выделяемый растениями газ — это кислород.
Этот опыт повторяли многие исследователи, но у одних результаты Пристли получались, а у других — нет.
Завершил открытие голландец Ян Ингенгус. Он установил, что опыт воспроизводится только при хорошем освещении. Ингенгус продемонстрировал, что на свету растения поглощают из воздуха углекислый газ, используя его на построение своего тела, и выделяют кислород.
Позже было обнаружено, что растения не только поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Они умеют дышать, почти как мы с вами: поглощать кислород и выделять углекислый газ.
При ярком освещении растения выделяют кислорода больше, чем поглощают, а при отсутствии света — наоборот. Долгое время об этом и не подозревали. Отчасти поэтому не всем исследователям удавалось повторить опыт Пристли.
Дальнейшей разработкой проблемы занялся швейцарец Жан Сенебье. Он высказал предположение, что корни доставляют листьям сок, а листья на свету перерабатывают этот сок в необходимые растению вещества и возвращают их корню. Кроме того, Сенебье точно определил роль света в деятельности листьев. Он установил, что под влиянием света листья выполняют две функции:
(1) испаряют влагу, способствуя доступу новых порций "соков" из почвы (и, соответственно, из корней) в различные части растения;
(2) разлагают углекислый газ.
Однако по ошибке Сенебье предполагал, что углекислый газ попадает из воздуха в почву, потом в корень, а уж после этого — в лист.
В дальнейшем Теодор Соссюр экспериментально доказал, что углекислый газ из воздуха поступает сразу в листья и что растения могут дышать подобно животным, поглощая кислород и выделяя углекислый газ.
В 1877 г. немецкий ученый Пфефер предложил термин фотосинтез (фото — свет, синтез — создание) для обозначения процесса преобразования углекислого газа и воды растениями под действием света.
Фотосинтезировать способны зеленые листья, зеленые созревающие плоды, стебли (если они тоже зеленые). У большинства кактусов, например, весь процесс фотосинтеза идет именно в стебле.
В зеленых клетках растений имеются специальные органеллы — хлоропласты. В них-то и происходит фотосинтез. В хлоропластах есть “солнечные батареи” — мембраны, уложенные в стопочки. Они называются тилакоиды из-за сходства с одноименной национальной одеждой турков — мешковатыми складчатыми штанами. Внутренняя среда хлоропластов носит название строма. К мембранам тилакоидов с помощью специальных белков прикреплены улавливающие свет молекулы хлорофилла. Слово хлорофилл переводится с латыни как любящий зеленое. Молекулы хлорофилла поглощают кванты света (фотоны) в красной и синей области спектра,
но не поглощают в зеленой области. Именно поэтому раствор хлорофилла зеленый.
Здесь вам потребуется разобраться, что такое фотоны и как их можно поглощать; может быть, даже расспросить об этом учителя физики. Вообще, фотосинтез — один из сложнейших разделов биологии, требующий хорошего знания физики и химии.
Запишем основное уравнение фотосинтеза:
CO2 + Н2O -> [СН2O] + O2
Под [СН2O] в данном случае мы понимаем органические соединения (сахара), в состав которых входит углерод из углекислоты. Из этих сахаров в дальнейшем растение сделает все остальные вещества и выстроит свой организм.
В процессе фотосинтеза происходит также разложение воды (фотолиз, или фотоокисление) с образованием кислорода. Так что выделяемый растениями кислород образуется не из углекислого газа (который целиком идет на изготовление сахаров), а из воды!
Важными результатами фотосинтеза является создание запаса энергии и получение веществ-восстановителей, пригодных для любых биохимических превращений, которые будут происходить в дальнейшем.
Чтобы превратить СO2 в [СН2O], согласно приведенному уравнению, необходимо удалить из Н2O два атома водорода. Энергию на то, чтобы разорвать связи Н2О, растениям дает Солнце. Именно молекулы хлорофилла улавливают и преобразуют эту энергию. Освободившийся водород присоединяется к СO2. Происходит восстановление СO2 до [СН2O]. Вода же, наоборот, окисляется.
Заглянув в учебник химии, вы вспомните, что окисление — это потеря электронов, а восстановление — их приобретение.