"Природа", №07-09, 1919 год, стр. 359-370

Образование крахмала в листьях.

С. Ф. Нагибина.

I. Образование крахмала в спектре.

Первым видимым, как пишут в учебниках, точнее — первым непосредственно наблюдаемым продуктом усвоения угольной кислоты в зеленых органах растения является крахмал.

Как известно, крахмал обладает способностью окрашиваться в синий, или черный цвет при взаимодействии с растворами иода. Этой реакцией — в форме так называемой "йодной пробы по Саксу“ — обычно и пользуются для доказательства его образования в зеленом листе на свету. Испытуемый объект обесцвечивают — освобождают от хлорофилла — путем обработки горячим спиртом и помещают в раствор иода — спиртовый или водный (с КІ) — достаточной концентрации (цвета "среднего" чая). В зависимости от большего или меньшего количества образовавшегося крахмала лист окрашивается при этом в более или менее интенсивный темный — до совершенно черного — цвет. Если для опыта взят лист, в течение достаточного промежутка времени поголодавший, например — срезанный с растения, выдержанного в темноте или на свету, но в атмосфере, лишенной угольного ангидрида, то такой объект в растворе иода приобретает лишь слабо-желтую окраску, обусловливаемую окрашиванием от иода белковых веществ протоплазмы его клеток ¹).

Усвоение угольной кислоты зелеными органами растения, ведущее к образованию крахмала, представляет собой процесс эндотермический, протекающий лишь при одновременном усвоении света — энергии светового луча. Таким образом, как разложение СO₂, так и образование крахмала может итти лишь под влиянием тех лучей солнечного спектра, которые поглощаются хлоропластами, т. е. главным образом под влиянием красных лучей, расположенных в спектре между линиями В и С Фрауэнгофера, так как именно эти лучи поглощаются хлоропластами особенно энергично — в спектре поглощения хлорофилла здесь помещается наиболее интенсивная, его первая полоса поглощения ²).

Как известно, это бесспорное (казалось-бы) по своей физической очевидности положение, высказанное и экспериментально доказанное К. А. Тимирязевым, долго не находило себе общего признания (особенно в Германии) главным образом — благодаря авторитету Сакса и его ученика Лейпцигского физиолога Пфеффера, который, основываясь на своих (и своих предшественников) недостаточно точных опытах, в течение долгого времени утверждал, что максимум разложения СO₂ лежит не в красных, наиболее поглощаемых, а в желтых, слабо поглощаемых хлорофиллом, лучах спектра. Лишь в 1897 г. во втором издании своего "Руководства физиологии растений“ ³) — Пфеффер счел себя вынужденным (правда — с оговорками и ссылаясь на работы своего оппонента лишь вскользь — мимоходом) капитулировать перед аргументами Тимирязева, причем одной из ближайших причин этой капитуляции был, несомненно, известный опыт К. А. Тимирязева над образованием крахмала в спектре.

Идея этого знаменитого опыта заключается в следующем. Если усвоение угольной кислоты хлоропластами зеленого растения идет лишь под влиянием поглощаемого ими света, и продуктом этого усвоения является крахмал, — ясно, что образование его в спектре должно итти только там, где в этом спектре располагаются лучи, поглощаемые хлорофиллом, и особенно энергично — в области 1-й, наиболее интенсивной, полосы поглощения этого пигмента, т. е. между линиями В и С Фрауэнгофера.

Опыт был осуществлен в следующей форме.

На обезкрахмаленный пребыванием в темноте лист гортензии проецировался резкий спектр солнечного луча, отброшенного в темную комнату зеркалом гелиостата; через определенный промежуток времени лист обычным образом обесцвечивался спиртом и обработывался раствором иода, причем на нем проявлялось "крахмальное" изображение ⁴) спектра поглощения хлорофилла: лист темнел там где в течение опыта на него падали лучи, поглощаемые хлорофиллом; наиболее интенсивное потемнение наблюдалось в области 1-й полосы поглощения — между линиями В и С (С. Тimіriasеff — Enregistrement Photographiqne de la fonction chlorophyllienne par la plante vivante. Comt. rend. Acad. Lc. 1890. T. 110 p. 1346).

До самого последнего времени — в течение целых 27 лет — в ботанической литературе не появлялось указаний на повторение этого опыта другими исследователями. Повидимому, опыт казался столь идеально простым по своим предпосылкам и несомненным по результатам, что ни у кого не являлось и мысли о необходимости его повторения.

Лишь в 1917 году появилась работа А. Уршпрунга ⁵), посвященная подробному исследованию условий образования крахмала в спектре, работа, как и нужно было ожидать, вполне подтверждающая основные положения исследований К. А. Тимирязева, но в то же время устанавливающая ряд новых, чрезвычайно интересных особенностей изучаемого процесса.

Не лишено интереса отметить, что и Уршпрунг начал свои опыты не в целях повторения и проверки исследования К. А. Тимирязева, а просто для того, чтобы получить демонстрационный материал для своих лекций. С самого начала, однако, автору по его словам пришлось натолкнуться на некоторые экспериментальные затруднения, опыты были расширены, и в результате возникло упомянутое выше исследование.

В своих опытах Уршпрунг пользовался спектральными аппаратами трех категорий: 1) спектроскопом со стеклянной призмой, 2) спектроскопом с решеткой и стеклянными линзами, 3) малым кварцевым спектрографом. Опыты ставились как с естественным солнечным ⁶) светом, прямым или рассеянным (облака, голубое небо), отраженным от посеребренного с лицевой стороны зеркала автоматического гелиостата, так и со светом искусственным, источниками которого служили: 1) Азо-Осрам лампа в 2500 свечей, 2) регуляторы с вольтовой дугой различной силы и 3) ртутная дуговая лампа с кварцевой трубкой. Ширина щели менялась в зависимости от силы света; обычно она равнялась 7 mm., в некоторых опытах была значительно меньше.

Почти все опыты были поставлены с листьями турецких бобов (Phasiolus multiflorus), вырощенных в комнате ⁷); лишь немногие из них ставились с другими объектами: листьями Impatiens, Tropaeolum и Coleus. В спектрографе объект помещался в плоскости фотографической пластинки, в спектоскопе — там, где получается резкий объективный спектр, для чего у аппарата удалялся окуляр.

Место спектра на листе намечалось по положению 1-й полосы поглощения хлорофилла, которое отмечалось тонким надрезом или, что автор считает лучше, — рядом уколов острой иглой.

Скрытое "крахмальное" изображение спектра проявлялось иодом обычным образом.

Из результатов, полученных Уршпрунгом, наиболее интересные сводятся к следующему.

1) Образование крахмала наблюдается на значительно большем протяжении спектра, чем это принималось до сего времени. При опытах с кварцевым спектрографом ⁸) автору удалось констатировать образование крахмала далеко за пределами видимого спектра в области ультро-фиолетовых лучей — вплоть до лучей с длиной волны в 330 µµ. (приблизит.). До исследований Уршпрунга в литературе совершенно не имелось указаний на образование крахмала в ультро-фиолетовых лучах, почему автор очень подробно останавливается на этой части своих опытов, варьируя их в разных направлениях. Особый интерес здесь представляют опыты со светом дуговой угольной лампы; на полученных в этих опытах крахмальных спектрограммах в их ультро-фиолетовой части резко выступают максимумы образования крахмала. Соответствующие "ультро-фиолетовой" циановой полосе угольной вольтовой дуги (λ 388—386 µµ), не оставляющие места сомнению в активности этих лучей при образовании крахмала.

Любопытно отметить, что крайний предел выделения кислорода ассимилирующими органами растения по имеющимся в литературе данным (опыты Энгельмана) не идет далее 370 µµ. Уршпрунг объясняет свои результаты суммированием слабого действия этих лучей при достаточной продолжительности экспозиции — явление, аналогичное тому, которое наблюдается при фотографировании звездного неба: чем продолжительнее экспозиция, тем больше слабых звезд запечатлевается на фотографической пластинке. В опытах автора продолжительность экспозиции достигала: с солнечным светом 9-ти, а с светом вольтовой дуги 12-ти часов.

В менее преломляемой красной части спектра Уршпрунгом констатировано образование крахмала левее линии В Фрауэнгофера — вплоть до области с λ = 760 (граница видимого спектра), т. е. за пределами І-й полосы поглощения хлорофилла ⁹) и далее обычно указываемой границы выделения кислорода. Таким образом образование крахмала было констатировано на протяжении спектра от λ = 330 до λ = 760 µµ т. е. в пределах, прибл., 1⅙ октавы.

2) При опытах с сильными источниками света и при достаточной продолжительности экспозиции наблюдалось крайне интересное явление, названное автором соляризацией по аналогии со сходным явлением в области фотографии. Как известно, употребляемые в фотографии галоидные соли серебра испытывают под влиянием кратковременного освещения некоторое химическое изменение, в результате которого они приобретают способность чернеть (благодаря разложению с выделением свободного серебра) при взаимодействии с определенными химическими реагентами, входящими в состав употребляемых в фотографической практике проявителей. При более продолжительном действии света эта способность галоидных солей чернеть в проявителе уменьшается и постепенно доходит до некоторого определенного минимума, так что в результате экспозиции, в несколько сот раз превышающей нормальную, при проявлении получается уже не негативное, а позитивное изображение с фотографированного объекта: темнеют те места светочувствительного слоя, где на него падало мало света, а сильно освещенные места остаются неизмененными ¹⁰).

Сходное (по внешности) явление наблюдалось и в опытах образования крахмала в спектре.

При малой продолжительности опыта (или при слабом источнике света — при "недодержке", если употреблять термины фотографии) образование крахмала локализировалось исключительно в области между линиями В и С Фрауэнгофера: при проявлении иодом здесь получалось изображение одной только 1-й полосы поглощения хлорофилла.

С увеличением продолжительности экспозиции область образования крахмала постепенно расширялась, причем интенсивность крахмального изображения 1-й полосы хлорофилла быстро достигала своего максимума, а при дальнейшем увеличении продолжительности освещения начинала падать, причем в конце концов — при достаточной "передержке" (9 часов экспозиции в спектре солнечного света) можно было наблюдать почти полное отсутствие крахмала в области между В и С: на проявленных иодом спектрограммах здесь получалось "пустое место".

Уршпрунг объясняет это любопытное и чрезвычайно резко выраженное явление "инактивированием" хлоропластов под влиянием избыточного действия света.

Крахмал не является первым непосредственным продуктом ассимиляции углерода: в нерастворимой форме крахмала лишь временно отлагается в хлоропласте тот растворимый углевод (глюкоза), образование которого предшествует первому в ряду процессов фотосинтеза.

В зеленых ассимилирующих органах растения непрерывно идет как образование и накопление крахмала, так и постепенное его растворение — превращение (под влиянием диастаза) в легко диффундирующую глюкозу, в форме которой безазотистые продукты фотосинтеза выводятся из зеленого листа и транспортируются в другие органы растения. Наличное количество крахмала в ассимилирующем органе в каждый данный момент является лишь разностью между его приходом и расходом. Если приход крахмала будет задержан, а расход пойдет прежним темпом, наличность его должна уменьшиться до полного исчезновения в пределе.

Исходя из этих простых соображений, Уршпрунг и полагает, что наблюдавшаяся им "соляризация" при образовании крахмала в спектре может найти себе объяснение в том, что под влиянием избыточного действия лучистой энергии процессы образования крахмала в хлоропласте задерживаются, в то время как растворение его продолжает итти с прежней скоростью, в результате чего и получается его полное исчезновение: хлоропласт инактивируется по отношению к образованию крахмала.

Насколько прав Уршпрунг в своих предположениях, могут, конечно показать лишь будущие исследования.

Вообще нужно отметить, что работа Уршпрунга относится к числу наиболее интересных исследований в области физиологии растений, появившихся за последнее время; она снова ставит на очередь научного исследования ту часть общего вопроса о сущности процессов фотосинтеза, которая по своей кажущейся простоте и "само-собой - понятности" так долго оставалась вне внимания исследователей. При чтении ее у физиолога неизбежно возникает ряд вопросов. Укажем, например, на констатированный автором факт образования крахмала — левее линии В. Фрауэнгофера за пределами главной полосы поглощения хлорофилла. Ведь левый — "красный" край этой полосы обрывается очень резко, — кривая поглощения падает здесь круто и крайние красные лучи спектра проходят без поглощения очень значительные толщи растворов хлорофилла.

Не объясняется-ли наблюдавшееся здесь образование крахмала действием той гипотетической люминесценции хлорофилла, о которой говорит проф. Цвет ¹¹)? Или дело сводится просто к действию отраженного света, рассеивающегося в тканях листа?

Не является-ли, наконец, накопляющийся здесь крахмал — крахмалом вторичным, образующимся на счет растворимых продуктов фотосинтеза, диффундирующих из соседних инактивированных "соляризацией" хлоропластов? Или, быть может, для образования крахмала достаточно и тех следов поглощения, которые обнаруживают крайние красные лучи спектра?

Все это ждет ответа от будущих исследований.

Можно надеяться, что расширение наблюдений Уршпрунга и проверка его выводов даст возможность ближе подойти к уяснению механизма фотосинтеза — этого основного процесса жизнедеятельности растительного организма, определяющего космическую роль зеленого растения.

II. Образование крахмала двумя листьями наложенными друг на друга.

Не менее интересны другие опыты Уршпрунга, именно над образованием крахмала двумя наложенными друг на друга листьями.

В известном обширном руководстве Чапека по биохимии растений (Сzарек Biochemie der Pflanzen, Т. I, стр. 535; второе издание) говорится: "свет, прошедший через лист, настолько ослабляется, что совершенно теряет способность вызывать образование крахмала в другом листе, им затененном".

Как известно, этот общепринятый вывод основывается на результатах исследований Нагамача (Nagamatsz), произведенных еще в 80-тых годах прошлого столетия в знаменитой Вюрцбургской лаборатории Сакса (см. Arbeiten d. bot. Inst. Wurzburg, 3, s. 399; 1887 г.). Нагамач выставлял на свет два обезкрахмаленных листа таким образом, чтобы один из них находился в тени другого, расположенного над ним на растоянии нескольких сантиметров.

Через несколько часов путем иодной пробы можно было убедиться, что верхний, непосредственно освещенный лист образовал много крахмала, в то время как нижний, затененный лист оказывался совершенно лишенным его.

Исходя из результатов своих прежних исследований над физическими свойствами зеленого листа (A. Ursрrung — Die physikalische Eigenschaften der Laubblatter; (Bibl. Bot., Heft 60, 1903, p. 61), Уршпрунг пришел к выводу, что нижний лист должен находиться в более благоприятных условиях освещения не тогда, когда верхний лист располагается над ним на более или менее значительном расстоянии, а в том случае, когда оба листа тесно прилегают друг к другу (играет роль рассеяние света при прохождении его через ткани листа), и что в опытах Нагамача не хватало света для образования крахмала в нижнем листе именно по этой причине.

Для проверки своих предположений Уршпрунг поставил опыты с листьями турецкого боба (Phoseolus multiflorus) в следующей форме. Два обезкрахмаленных листа, находившихся в нормальной связи с растением, накладывались друг на друга и заключались в особую светонепроницаемую рамку таким образом, чтобы нижний мог получать только свет, прошедший через верхний. Растение во время опытов находилось в комнате у окна, обращенного на юг. Освещению подвергалась не вся поверхность объекта: верхний лист накрывался "маской" с вырезом той или иной формы. Время опытов — октябрь.

В результате этих опытов оказалось, что при описанной их постановке и в нижнем, затененном верхним, листе можно было наблюдать энергичное образование крахмала.

Интересно отметить, что автору и при этих опытах удалось наблюдать явление, названное им "соляризацией": после обработки иодом обезцвеченных спиртом листьев оказывалось, что подвергавшийся освещению участок верхнего листа сильнее темнел снизу, чем сверху, в то время как у нижнего листа наблюдались обратные отношения.

Таким образом (рассуждает автор), та (верхняя) сторона листа, которая подвергалась непосредственному освещению, соляризировалась и накопила крахмала меньше, чем нижняя, получавшая свет, уже профильтровавшийся через расположенную над ней толщу хлорофиллоносной ткани и потому ослабленный.

Свет, проникший до нижних слоев мезофилла нижнего листа, дошел сюда настолько ослабленным, что уже не мог вызвать накопления тех количеств крахмала, которые еще могли образоваться близ его верхней поверхности.