Летом 1867 г. Тимирязев приступил к экспериментальному изучению фотосинтеза, сконструировав с этой целью свой оригинальный прибор, о котором он сделал доклад на 1 съезде русских естествоиспытателей и врачей в Петербурге 5 января 1868 г. Уже в этой первой своей работе по изучению фотосинтеза — «Прибор для исследования воздушного питания листьев» — Тимирязев с предельной четкостью сформулировал основные задачи, стоящие перед физиологами. «Изучить химические и физические условия этого явления (образование органического вещества в растении. — Г. П.), определить составные части солнечного луча, участвующие посредственно или непосредственно в этом процессе, проследить их участь в растении до их уничтожения, т. е. до их превращения во внутреннюю работу, определить соотношение между действующей силой и произведенной работой — вот та светлая, хотя, может быть, отдаленная задача, к достижению которой должны быть дружно направлены все силы физиологов.
Вся последующая работа Тимирязева представляла собой изумительно последовательное и целеустремленное осуществление этой программы, составленной им в самом начале своей деятельности.
Тимирязев ставит ряд блестящих опытов, направленных на опровержение выводов Дрэпера, использованных, как мы уже видели, идеалистами. В этой работе Тимирязеву помог, наряду с ясностью и последовательностью логического мышления, изумительный дар экспериментального исследования. Он сам создает точнейшие приборы для практического доказательства правильности своих теоретических выводов. В физиологии растений и до настоящего времени используются приборы, сконструированные Тимирязевым еще 70—80 лет назад.
Тимирязев показал, что ошибочные выводы Дрэпера явились результатом неверно поставленных опытов. При изучении интенсивности фотосинтеза в различных участках спектра солнечный луч через узкую щель направляется в совершенно темной комнате на трехгранную стеклянную призму. При этом сложный луч солнца вследствие различной преломляемости составляющих его элементарных лучей расщепляется, образуя спектр солнечного света. В каждый из участков спектра помещается стеклянная трубочка, наполненная воздухом с небольшой примесью углекислоты. Во все трубочки, находящиеся в различных участках спектра, вставляются одинаковой величины зеленые листья с одного и того же растения. Через несколько часов облучения путем газового анализа определяется количество углекислоты, разложившейся зелеными листьями под воздействием света в каждой из этих трубочек. Максимум разложения углекислоты в трубочке, находящейся в определенном участке спектра, говорит о том, что здесь имели место наиболее благоприятные условия для фотосинтеза.
Непременным условием успешности этих опытов является чистота спектра. Чтобы спектр был чистым, т. е. чтобы каждый его участок был четко отграничен от других, щель, через которую проходит луч света, должна быть не шире 1 —1,5 мм. Но с уменьшением щели уменьшается и количество света, падающего на помещенный в трубочке лист, а вместе с тем уменьшается и количество поглощаемой им энергии. В связи с этим количество разлагаемой листьями углекислоты становится настолько малым, что с трудом поддается учету. Используя известные в то время методы газового анализа, Дрэпер вынужден был расширить щель до 3/4 дюйма (т. е. до 20 мм) в диаметре. В результате спектр оказался крайне нечистым. Наибольшее смешение лучей при этом имело место в средней, желто-зеленой части, которая становилась от этого почти белой, слегка окрашенной в желтый цвет. Именно здесь Дрэпер и нашел максимальный эффект фотосинтеза. Но при этом в действительности им учитывалось действие не одних только желтых, а суммы всех лучей спектра. В результате выводы Дрэпера оказались совершенно неверными.
Тимирязев в своих опытах добился устранения ошибки, допущенной Дрэпером. В своем исследовании относительного значения различных лучей спектра в процессе фотосинтеза, произведенном летом 1868 г., он достигает этого путем применения так называемых светофильтров (Тимирязев называл его «способом цветных экранов»). В данном случае исследование интенсивности фотосинтеза в различных лучах солнечного света проводится не в спектре, а в отдельных лучах, изолированных от остальных лучей с помощью цветных жидкостей.
Вскрыв этим путем ошибочность опытов Дрэпера, Тимирязев прекрасно понимал в то же время, что точных результатов, подтверждающих его гипотезу о зависимости фотосинтеза от степени поглощения данных лучей зеленым листом и от количества их энергии, можно добиться лишь при помощи опытов, произведенных непосредственно в спектре. Задумав целый комплекс исследований в этом плане, Тимирязев прежде всего обращает внимание на изучение свойств хлорофилла.
В 1869 г. он проводит тщательную работу по спектральному исследованию хлорофилла, которая в том же году была доложена II съезду русских естествоиспытателей и врачей в Москве, а затем легла в основу диссертации «Спектральный анализ хлорофилла», защищенной Тимирязевым в 1871 г. на соискание ученой степени магистра ботаники.
В предисловии к магистерской диссертации Тимирязев указывает на огромную роль хлорофилла: «В настоящее время не подлежит сомнению, что зерно хлорофилла — тот орган, в котором неорганическое вещество, углекислота и вода, превращается в органическое, что зерно хлорофилла тот фокус, та точка в мировом пространстве, в которой живая сила солнечного луча, превращаясь в химическое напряжение, слагается, накопляется для того, чтобы впоследствии исподволь освобождаться в тех разнообразных проявлениях движения, которые нам представляют организмы, как растительные, так и животные. Таким образом, зерно хлорофилла — исходная точка всякого органического движения, всего того, что мы разумеем под словом жизнь».
Своими работами по изучению хлорофилла Тимирязев кладет начало широкому использованию спектроскопии, значение которой в изучении фотосинтеза долгое время оспаривалось Саксом и его школой. Он вводит способ изображения спектра поглощения с учетом его зависимости от толщины слоя или концентрации испытуемого раствора. Таким образом, он закладывает прочные основы для количественного определения хлорофилла путем спектрофотометрии, без которой в настоящее время совершенно немыслимо изучение важнейших моментов фотосинтеза. Тимирязеву удалось установить, что хлорофилл наиболее полно поглощает красные лучи, соответствующие той части спектра, которая лежит между фраунгоферовыми линиями В и С. Именно в этой части спектра была им обнаружена также и наибольшая интенсивность фотосинтеза, что указывало на решающую роль хлорофилла в изучаемом явлении. Тимирязев устанавливает, что хлорофилл играет в растении роль оптического и химического сенсибилизатора. Как оптический сенсибилизатор он, поглощая энергию солнечных лучей, затем передает ее веществам, непосредственно претерпевающим превращения, — углекислоте и воде. Как химический сенсибилизатор хлорофилл, по мнению Тимирязева, подобно гемоглобину крови, вступает в химическую реакцию с окисью углерода, получающейся в результате диссоциации СО2 на СО и О. Соединение хлорофилла с окисью углерода вступает в реакцию с водой и дает начало формальдегиду СН2О, из которого путем полимеризации образуется углевод С6Н12О6.
Схема фотосинтеза, созданная Тимирязевым на основе существовавших тогда данных науки, с ростом знаний в области физики, химии и фотохимии претерпела известные изменения. Однако понимание Тимирязевым фотосинтеза как окислительно-восстановительного процесса, в котором окислительно-восстановительным преобразованиям подвергается хлорофилл, нашло в настоящее время блестящее подтверждение. Значительную роль в исследовании этого вопроса сыграли наши русские ученые, ученики Тимирязева.
Отличие современного взгляда от представлений Тимирязева состоит лишь в том, что хлорофилл считается теперь переносчиком не окиси углерода от углекислоты к воде, а водорода от воды к углекислоте. Надо сказать, что толчок к развитию такого понимания окислительно-восстановительного процесса фотосинтеза был дан также Тимирязевым. В отличие от господствовавшего среди физиологов XIX в. мнения, Тимирязев высказывал предположение, что хлорофилл, поглощая солнечную энергию, направляет ее не только на разложение углекислоты, но и на разложение воды. Эта мысль Тимирязева нашла впоследствии блестящее подтверждение. В настоящее время установлено, что исходным моментом в процессе фотосинтеза является расщепление солнечным светом молекулы воды, водород которой в дальнейшем вступает в реакцию с углекислотой.
Точно так же современной наукой подтверждается идея Тимирязева о хлорофилле как химическом сенсибилизаторе, о сходстве его с гемоглобином, о наличии двух форм хлорофилла — восстановленной и окисленной. Еще при жизни Тимирязева русский биохимик М. В. Ненский (1847—1901) и польский ученый Л. П. Мархлевский (р. 1869) показали, что из гемоглобина крови и хлорофилла можно получить весьма похожие вещества. Это дало повод Ненцкому высказать блестящую по отзывам Тимирязева гипотезу об общности происхождения хлорофилла и гемоглобина. Ныне доказано, что хлорофилл и гемоглобин имеют в основе строения своих молекул пиррольные кольца, находящиеся в комплексе с белками.
Тимирязев положил также начало совершенно правильному пониманию образования в процессе фотосинтеза промежуточных комплексных соединений, что значительно продвинуло решение вопроса об энергетике фотохимических реакций фотосинтеза.
Изучение роли хлорофилла позволило Тимирязеву вновь обратиться к решению поставленного им основного вопроса о том, какие лучи — и почему — играют наиболее важную роль в процессе фотосинтеза. В решении дилеммы, стоявшей перед изучающим фотосинтез, — увеличить щель для прохождения солнечного луча и в результате получить нечистый спектр или сократить щель и получить весьма незначительную интенсивность света, — Тимирязев в отличие от Дрэпера пошел по второму пути. Для устранения его отрицательной стороны — незначительного притока солнечной энергии, приводящего к ослаблению фотосинтеза, — Тимирязев создал совершенно новую конструкцию прибора для газового анализа углекислоты, распадающейся в трубочках с зеленым листом. Этот прибор (эвдиометр) позволял производить анализ вначале с точностью до 0,1 см3, затем — до 0,001 см3 и, наконец,— до 0,000001 см3 (микроэвдиометр). Французский химик Бертло, восхищенный достижениями Тимирязева, говорил ему: «...каждый раз, что Вы приезжаете к нам (1870, 1877, 1884), Вы привозите новый метод газового анализа, в тысячу раз более чувствительный». Создание такого прибора позволило Тимирязеву сократить щель до 1 мм, что привело к получению чистого спектра с четким разграничением его участков. В результате Тимирязевым было окончательно установлено, что наиболее интенсивно фотосинтез протекает в красных лучах, поглощаемых хлорофиллом.
Исходя из того, что максимум энергии несут те лучи, в которых наблюдается максимум фотосинтеза, т. е. красные лучи, Тимирязев выступил против господствовавшего тогда убеждения физиков, будто наибольшей энергией обладают инфракрасные лучи. Тимирязев высказал совершенно правильную мысль, что это утверждение физиков обусловлено игнорированием различной рассеиваемости лучей в призматическом спектре. Пучок инфракрасных лучей, обладающих наибольшей длиной волны, оказывается в призматическом спектре наименее рассеянным, а поэтому и создается впечатление, что он обладает наибольшим тепловым эффектом. Последующие работы физиков с нормальным спектром вполне подтвердили правильность научного предвидения Тимирязева. Точно так же были подтверждены положения Тимирязева, что наибольшее количество энергии, которое несут красные лучи, по сравнению с другими лучами солнечного света, достигающими земной поверхности, является одной из причин наибольшей интенсивности фотосинтеза именно в этих лучах. Правда, второе соображение Тимирязева, будто красные лучи вследствие большой амплитуды волны обладают наивысшей активностью и потому могут подвергать разложению наиболее прочные молекулы, которые не разлагаются другими лучами, оказывается ныне устаревшим.
Квантовая теория показала, что, в отличие от господствовавших ранее представлений, наибольшей активностью обладают не красные, а фиолетовые и ультрафиолетовые лучи, поскольку величина энергии квантов света обратно пропорциональна длине волны. Вследствие этого квант фиолетового света, имеющего наименьшую длину волны среди лучей видимого спектра, несет в 1,5—2 раза больше энергии, чем квант красного света. Тем не менее эти открытия не только не поколебали утверждения Тимирязева, что наиболее интенсивно фотосинтез происходит именно в красных лучах, но, напротив, еще раз блестяще подтвердили его и дали ему лишь новое объяснение. Дело в том, что при фотохимических реакциях каждая молекула поглощает один квант, обладающий достаточным запасом энергии для того, чтобы вызвать в ней соответствующие изменения. Если величина кванта окажется ниже определенного для данного типа реакции минимума (таковы кванты инфракрасных лучей), превращения молекул не будут иметь места. Если, наоборот, квант окажется слишком большим (таковы кванты синих и фиолетовых лучей), данная фотохимическая реакция хотя и будет осуществляться, но приведет к значительным непроизводительным затратам энергии.
При фотосинтезе имеется до 8 промежуточных фотохимических реакций, протекающих до момента образования углевода из углекислоты и воды. Для каждой из них оказывается вполне достаточным количество энергии, которым обладает один квант красного света. Поэтому затрата энергии красного света оказывается наиболее производительной. Подсчитано, что каждая калория энергии красного света обеспечивает превращение количества молекул, в 1,5—2 раза большее, чем калория энергии синего света, также высоко поглощаемого листьями растений. Таким образом, квантовая теория света вполне подтверждает вывод Тимирязева о том, что наиболее благоприятные энергетические условия для фотосинтеза имеются именно в красных лучах.
