Меченые атомы и проблема углородного питания растений

А. М. Кузин

Примерно половина (45%) сухой массы растений состоит из углерода. Все основные ценные вещества растительного происхождения — углеводы, жиры, белки, витамины — являются углеродсодержащими веществами. Углерод — это основа органических веществ растения. Вот почему вопросы углеродного питания растений интересовали учёных на протяжении всей истории современной науки.

Первоначальные представления об усвоении растением углерода гумуса почвы были оставлены после того, как опытами голландского учёного Яна Ингенгауза (1779) и исследованиями французских учёных Т. Соссюра (1804) и Ж. Буссенго (1864) были установлены факты энергичной ассимиляции углекислоты воздуха листьями растения при освещении их солнцем. Со времени этих классических исследований считалось твёрдо установленным, что весь углерод, нужный растению, поступает из углекислоты воздуха через листья. Возникло и укрепилось представление о световом, воздушном питании зелёных растений, и, таким образом, агрохимия исключила из орбиты своего внимания углеродное питание растения. Поскольку из почвы растение усваивает только азот и больные элементы, агрохимия всё своё внимание устремила на обеспечение растения этими элементами, молчаливо допуская, что постоянное присутствие воздуха с некоторым содержанием углекислоты покрывает всю потребность растения в углероде.

Был установлен и второй исключительно важный факт: растения на свету не только поглощают углекислоту, но и постоянно выделяют кислород. Отсюда возникло представление о том, что углекислота, поглощаясь зелёным листом растения под влиянием солнечной световой энергии, разлагается, причём кислород углекислоты выделяется растением, а углерод, входя в соединение с водой, усваивается, образуя в первую очередь углеводы. Этот процесс, получивший название фотосинтеза, мог быть суммарно выражен следующими уравнениями:

СО₂ + Н₂О → О₂+ (СН₂О)

6(СН₂О) → С₆Н₁₂О₆

Замечательные исследования К. А. Тимирязева показали, какую важную роль в этом процессе играет зелёное вещество листа — хлорофилл. Именно хлорофилл поглощает световую энергию солнечных лучей и использует её для осуществления химических превращений простых, бедных энергией веществ в богатые энергией соединения — углеводы.

Предполагалось, что углекислота, попадая в лист растений, соединяется с хлорофиллом. Энергия солнечных лучей, поглощенная хлорофиллом, передаётся молекулам углекислоты и идёт на то, чтобы восстановить её, отнять от углерода соединённый с ним кислород. Предполагалось, что при этом углекислота восстанавливается до муравьиного альдегида (СН₂0), путём конденсации которого образуется простой углевод — глюкоза. Полимеризация глюкозы приводит к образованию первого легко обнаруживаемого продукта фотосинтеза — крахмала.

В процессе фотосинтеза зелёные листья растений как бы аккумулируют, запасают световую солнечную энергию, синтезируя за её счёт богатые энергией углеводы. Уже в дальнейших реакциях из углеводов синтезируются жиры, а с участием азота, поступающего в растения из азотистых удобрений почвы, — наиболее сложные органические соединения — белки. Таким образом, синтез всех органических веществ зависит от фотосинтеза, от воздушного питания зелёных растений.

Такими были представления об углеродном питании растения до тех пор, пока ещё не был известен метод меченых атомов, когда мы могли только наблюдать основные суммарные процессы обмена, когда не знали метода, который позволил бы проследить роль каждого элемента в сложных реакциях обмена веществ, лежащих в основе фотосинтеза.

Использование метода меченых атомов в корне изменило существовавшие представления об углеродном питании растения. Прежде всего, учёные решили проверить то, что казалось наиболее ясным и правдоподобным, а именно, что кислород, который выделяют на свету зелёные листья во время фотосинтеза, действительно образуется за счёт распада, восстановления угольного ангидрида, поглощаемого из воздуха.

Как было показано выше, в реакции фотосинтеза участвуют угольный ангидрид и вода. Следовательно, решить поставленный вопрос методом меченых атомов можно было двумя путями: или взять воду с кислородом иного изотопного состава, или же применить углекислоту не с обычным кислородом О¹⁶, а с его изотопом О¹⁸. И в том, и в другом случае путём определения изотопного состава выделяемого кислорода можно точно установить его происхождение: из углекислоты или из воды.

Впервые такие опыты были проведены советскими учёными А. П. Виноградовым и Р. В. Тейс. Каково же было удивление учёных, когда определение изотопного состава выделяющегося кислорода показало, что этот состав всегда соответствовал составу кислорода в воде, а не в угольном ангидриде.

Следовательно, на свету идёт не разложение угольного ангидрида за счёт световой энергии, как думали раньше, а происходит распад воды. Таким образом, хлорофилл, поглощая световую энергию, передаёт её воде, за счёт этой энергии идёт разложение воды — фотолиз воды. Этот процесс можно представить следующими уравнениями:

Н₂ (энергия света) → [Н] + ОН

2ОН → Н₂О₂ → Н₂О + О

2O → O₂

Так образуется кислород, выделяющийся во время фотосинтеза. При этом образуется активный водород (Н), который и идёт на восстановление поглощённой растением углекислоты.

Таким образом, метод меченых атомов показал, что углекислота непосредственно не участвует в фотохимических реакциях, т. е. в реакциях, протекающих с участием света...

Почвенные воды иногда содержат значительные количества растворенных карбонатов — солей угольной кислоты. Используют ли растения эти карбонаты в процессе фотосинтеза?

В почве постоянно идут процессы разложения органического вещества с участием микроорганизмов и с образованием углекислоты. Если в воздухе содержание углекислоты равно 0,04 — 0.03%, то газы почвы содержат до 3% углекислоты, т. е. в 100 раз больше, чем в воздухе. Поглощает ли растение корнями эту углекислоту с тем, чтобы доставить ее в листья и затем использовать в процессе фотосинтеза? На все эти вопросы до недавнего времени давался отрицательный ответ. Более ста лет учёные признавали только воздушное питание углеродом.

Рис.1. Схема опыта по исследованию усвоения корнями растения карбонатов из почвенных вод.

Решительный переворот в этих представлениях был совершен советскими учёными, использовавшими для решения этого вопроса метод меченых атомов. В 1951 г. А. Л. Курсанов, А. М. Кузин и Я. В. Мамуль впервые поставили опыты с питанием растений раствором меченого карбоната, использовав для этой цели радиоактивный углерод С¹⁴.

Корни растения опускали в сосуд с водой, содержащей, кроме всех нужных растению минеральных солей, также меченый карбонат (Na₂С¹⁴O₃). Как видно из рисунка 1, питательный раствор, содержащий меченый карбонат, был герметически изолирован от листьев, находящихся в атмосфере с обычным угольным ангидридом. Растение освещалось, и в нем нормально шёл фотосинтез. За счет фотосинтеза синтезировались углеводы, белки, органические кислоты.

Прежними методами нельзя было выяснить, из какого углерода образовались углеводы, белки и другие продукты фотосинтеза — из углерода углекислоты, поступающей в лист из воздуха, или из углерода карбонатов, внесенных в раствор. Но так как в поставленном опыте карбонаты содержали не простой углерод, а меченый, радиоактивный, то, определяя радиоактивность листа и отдельных веществ, можно было дать ответ на поставленный вопрос.

Рис. 2 Радиоавтограф растения, поглошавшего корнями меченые карбонаты

После нескольких часов фотосинтеза растение извлекали из сосуда и корни его тщательно промывали; затем растение высушивали и в темноте помещали на чувствительную к радиоактивным излучениям фотопластинку. Через некоторое время фотопластинка была проявлена. Полученный радиоавтограф представлен на рисунке 2. Как видно из радиоавтографа, все растение отпечаталось на фотопластинке. Это значит, что корни, стебель, листья содержали углерод С¹⁴ из карбонатов, внесенных в раствор.

Так был установлен очень важный факт: растение забирает своими корнями карбонаты почвенных растворов и транспортирует углерод этих карбонатов в стебель и листья.

Но утилизируется ли в процессе фотосинтеза углерод этих карбонатов, так же как углекислота, поступающая из воздуха?

Аналогичный опыт был повторен в темноте и на свету. Оказалось, что в темноте в листьях можно было обнаружить только следы радиоактивного углерода, на свету же его накапливалось много, и чем дольше растение стояло на свету, тем больше оказывалось в листьях радиоактивного углерода. Это уже свидетельствовало об усвоении его в процессе фотосинтеза. Но ещё оставалось невыясненным, усваивается ли углерод, поступивший через корни, так же как углерод, поступивший через листья.

Как указывалось выше, основным продуктом фотосинтеза являются углеводы. Поэтому из листьев растения, корни которого были опущены в раствор меченого карбоната, были выделены чистые углеводы. Они оказались радиоактивными. Это с несомненностью указывало на их образование из углерода, поступившего в растение через корни. Так было доказано, что карбонаты почвенных растворов поступают через корни в растение, транспортируются в растении к зелёным листьям, где и используются в процессе фотосинтеза для образования углеводов...

Рис. 3. Опыт по исследованию усвоения корнями растения углекислоты почвенных газов.

После того как было доказано использование растением углерода растворённых карбонатов, следовало проверить, не поглощают ли растения своими корнями и углекислоту почвенных газов. Ответ на этот вопрос дали исследования, проведённые А. М. Кузиным, В. И. Мереновой и Я. В. Мамуль. Опыты производились в специальных камерах, схематически изображённых на рисунке 3.

Корни растения, тщательно изолированные от стебля и листьев, находились во влажной атмосфере, содержащей радиоактивную углекислоту. Наблюдение за радиоактивностью листьев показало, что уже через 2 часа после начала опыта листья содержали меченый углерод из углекислого газа, подведенного к корням растения. Выделенные из листьев углеводы и белки обладали значительной радиоактивностью, что свидетельствует о быстром усвоении растением углекислоты почвенных газов и о ее переработке в нормальные продукты фотосинтеза...

Полученные результаты побуждают пересмотреть вопросы углеродного питания растения, давая прямые указания на возможность повышения урожая за счет внесения углерода в почву в виде карбонатов или органических удобрений. С указанных позиций особый интерес приобретает использование торфяных удобрений.

Метод меченых атомов изменил также наши представления и о конечных продуктах фотосинтеза. Прежние представления о первичности синтеза углеводов и о дальнейшем их использовании для синтеза белков, кислот и других соединений не соответствуют опытным данным, полученным с использованием изотопов.

Наблюдая в процессе фотосинтеза через короткие промежутки времени появление радиоактивного углерода в различных веществах листа, A. А. Ничипорович и его сотрудники установили, что углерод углекислоты одновременно появляется и в углеводах, и в белках, что говорит о наличии нескольких путей усвоения СO₂. Эти предположения были подтверждены в опытах, где одновременно применялась метка двух основных элементов белка: углерода и азота. Используя углекислоту, меченую радиоактивным углеродом, и азотистые удобрения, меченые стабильным изотопом N¹⁵, А. А. Ничипоровичу, Т. Ф. Андреевой и Е. Г. Плышевской удалось показать, что белки, так же как и углеводы, непосредственно синтезируются в зелёных хлоропластах растения из углекислоты, воды и азотистых солей.

Благодаря исключительно большой чувствительности метода меченых атомов удалось исследовать природу весьма нестойких промежуточных продуктов фотосинтеза, показать, что муравьиный альдегид, считавшийся ранее первичным продуктом восстановления углекислоты, не образуется и что' важную роль в качестве промежуточных веществ играют органические фосфорнокислые эфиры, в частности фосфаты глицериновой кислоты.

Суммируя всё сказанное, мы видим, что использование метода меченых атомов изменило прежние представления об углеродном питании растений, дало много нового как для теории, так и для практики сельского хозяйства.

Источник: «Меченые атомы в исследованиях по сельскому хозяйству», 1954.
В кн. «Книга для чтения по химии», ч.2. Изд-во министерства просвещения РСФСР, 1956., стр. 405-410