(Croonian lecture) (1)
Когда Гулливер в первый раз осматривал академию в Лагадо, ему прежде всего бросился в глаза человек сухопарого вида, сидевший уставив глаза на огурец, запаянный в стеклянном сосуде. На вопрос Гулливера диковинный человек пояснил ему, что вот уже восемь лет, как он погружён в созерцание этого предмета в надежде разрешить задачу улавливания солнечных лучей и их дальнейшего применения.
--------------------------------
1. Лекция читана в Лондонском королевском обществе 30 (17) апреля 1903 года.
Эта лекция, основанная на капитал, завещанный доктором Круном, современником Галилея и одним из первых членов общества, читается ежегодно почти в течение двух веков, для чего приглашаются выдающиеся английские или континентальные учёные: стоит только упомянуть имена Гёксли, Вирхова и Гельмгольтца.
* Перевод этой лекции «The Cosmical Function of the Green Plant», напечатанный в Proceedings of the Royal Society, Vol. 72,1903, на русский язык был сделан с небольшими редакционными изменениями самим К. А. и первый раз помещён в журнале «Научное слово» за 1904 г., кн. 3.
---------------------------------
Для первого знакомства я должен откровенно признаться, что перед вами именно такой чудак. Более тридцати пяти лет провёл я, уставившись если не на зелёный огурец, закупоренный в стеклянную посудину, то на нечто вполне равнозначащее - на зелёный лист в стеклянной трубке, ломая себе голову над разрешением вопроса о запасании впрок солнечных лучей. Если я решаюсь выступить перед этим знаменитым обществом с кратким отчётом о скромных результатах моего многолетнего труда, то лишь в надежде, что предмет этот имеет хотя я очень отдалённое, но тем не менее несомненное отношение к тому вопросу, который доктор Крун, просвещённый и щедрый основатель этой лекции, считал наиболее уместной для неё темой. В течение длинного ряда лет содержанием для этих лекций служил вопрос о мышечном движении, позднее зашла речь о движениях животных и растений, и, наконец, о происхождении жизненных движений вообще.
Быть может, мне дозволено будет сделать ещё шаг в этом направлении, в сущности последний возможный шаг, и повести речь об энергии, затрачиваемой во всех этих движениях, о её отдалённейшем источнике - о солнечном луче, слагающемся в запас в зелёном листе.
Я полагаю, излишне напоминать вам, что вопрос этот был предметом многочисленных исследований в этой стране (и в Америке) в течение более чем столетия. Достаточно напомнить всем знакомые имена: Пристли, графа Румфорда, Добени, сэра Девида Брюстера, Джона Вильяма Дрэпера, сэра Джона Гершеля, Роберта Гёнта, сэра Джорджа Стокса, Эдварда Шунка, Сорби, сэра Уильяма Абнея, Блякмана и last not least (1) - Гораса Брауна, чтобы показать, какой глубокий интерес возбуждал этот вопрос с самых разнообразных точек врения. Я мог бы прибавить, что чтение блестящей книги Тиндаля «Теплота как движение» и, в результате этого чтения, знакомство с классическим произведением Роберта Майера «Die organische Bewegung in ihrem Zusammenhange mit dem
--------------------------
1. Последний, но не из последних.
--------------------------
Stoffwechsel» послужили толчком для всей моей последующей работы. И должно сознаться, что момент был для того исключительно благоприятный: Бунзен и Кирхгоф недавно открыли это могучее орудие исследования - спектральный анализ; сэр Джордж Стокс применил его к изучению химических превращений крови; Дезен и Тиндаль разработали термоскопический метод Меллони; Сент-Клер-Девиль сделал своё великое открытие диссоциации углекислоты; Бунзен и Дойер, упростив методы газового анализа, сделали их легко доступными для физиолога, и, наконец, Буссенго только что опубликовал свои классические исследования над ассимиляцией углерода, в которых показал, что этот процесс может быть легко изучаем на отдельных листьях или даже кусочках листьев.
С первого же шага, на первой странице моей первой русской работы, в 1868 году, я определил намеченную задачу во всей её широте в следующих выражениях:
«Изучить химические и физические условия этого явления, определить составные части солнечного луча, участвующие посредственно или непосредственно в этом процессе, проследить их участь в растении до их уничтожения, то-есть до их превращения во внутреннюю работу, определить соотношение между действующей силой и произведённой работой - вот та светлая, хотя, может быть, отдалённая задача, к осуществлению которой должны быть направлены все силы ботаников»*. Я могу только добавить, что скромные результаты, полученные после длинного ряда лет, только подтверждают, что я, во всяком случае, не преувеличивал трудностей задачи.
---------------------------
* К. А. цитирует эдесь свою работу «Прибор для исследования воздушного питания листьев и применения искусственного освещения к исследованиям подобного рода» (см. 371 стр. настоящего тома), в которой последняя фраза приводимой выдержки имела следующую редакцию: «... -вот та светлая, хотя, может быть, отдалённая задача, к достижению которой должны быть дружно направлены все силы физиологов». Ред.
---------------------------
Когда я приступил к своей задаче, ходячее представление об этом фотохимическом процессе, совершающемся в зелёном листе, сводилось к убеждению, что действие различных лучей света должно быть в зависимости от их относительной яркости. Это убеждение основывалось, главным образом, на классических исследованиях Дрэпера, произведённых им в солнечном спектре. С теоретической точки зрения мне представлялось крайне невероятным, чтобы такой, по существу, эндотермический и, следовательно, зависящий от энергии действующих лучей химический процесс мог находиться в каком-нибудь отношении с чисто физиологическим свойством лучей, не имеющим, помимо органа зрения, никакого объективного существования. Света, понимаемого в тесном смысле этого слова, не существует для растения. Но факты, предъявляемые таким авторитетом в этой области исследования, каким был Дрэпер, не могли быть устранены на одном основании их малой теоретической вероятности. Изучение классического мемуара Меллони о перемещении максимума теплового эффекта в зависимости от чистоты спектра навело меня на след экспериментальной ошибки в исследовании Дрэпера. Его спектр был крайне нечист. Он получал его при помощи отверстия в 3/4 дюйма в диаметре (волластоновская узкая щель, невидимому, ещё не вошла в то время в общее употребление). Таким образом, было найдено удовлетворительное объяснение для совпадения максимума химического процесса с максимумом яркости лучей в жёлто-зелёной части спектра. В нечистом спектре, полученном при помощи широкой щели, эта часть - фактически почти белая, слегка окрашенная в эти цвета, и, следовательно, действует суммой всех лучей спектра. Только края такого спектра действительно монохроматичны.
Второй шаг заключался в том, чтобы доказать, что такое совпадение двух maxima - яркости и химического действия - фактически не существует.
Сравнения этих трёх кривых (рис. 1 - кривой ассимиляции углерода, яркости и энергии в солнечном спектре), заимствованных из моей первой (и последней) немецкой работы, достаточно для того, чтобы убедить в отсутствии какой-либо связи между химическим действием и фрауенгоферовою кривой яркости света. В то же время в пределах видимого спектра усматривается несомненное соотношение с кривою распределения энергии.
В этой первой, предварительной работе я остановился на более простом и удобном приёме цветных жидких экранов (теперь сказали бы: светофильтров), введённых в употребление Сенебье и усовершенствованных Добени. Я применил только более точное вычисление результатов и графическое их выражение. В то же время я в первый раз применил приём анализа газов, теперь вошедший во всеобщее употребление, но совершенно ложно приписываемый Пфефферу, хотя, по его собственному сознанию, он его у меня заимствовал.
Но если этих аргументов и фактических результатов было вполне достаточно, чтобы раз навсегда покончить с ходячими идеями о зависимости разложения углекислоты от относительной яркости различных лучей спектра, так как она опиралась исключительно на опыты Дрэпера, то, в свою очередь, их не было достаточно для построения какой-нибудь новой теории. Нельзя было, например, без дальнейших разъяснений допустить, что разложение углекислоты зависит просто от относительной энергии луча. Максимум энергии лежит, как известно, в инфракрасной части призматического спектра, а замечательные опыты Кальете (почему-то почти всегда опускаемые в многочисленных исторических очерках нашего вопроса) несомненно доказали, что тёмные тепловые лучи, профильтрованные через известный тиндалевский раствор иода в сероуглероде, не могут вызывать разложения угольного ангидрида в зелёном листе.
Нужно было привлечь к объяснению явления какой-нибудь новый физический принцип, который одновременно давал бы объяснение и для распределения явления в видимом спектре и для его отсутствия за красным пределом спектра.
Принцип, к которому обратились, был так называемый закон сэра Джона Гершеля, гласивший, что фотохимическое действие может быть вызвано только лучами, поглощаемыми изменяющимся телом и потому, как общее правило, представляющими комплементарный ему цвет (1). Предполагалось, что в применении к настоящему случаю закон Гершеля значил, что разложение угольного ангидрида должно происходить на счёт тех лучей спектра, которые поглощаются зелёным веществом листа, что эти лучи должны соответствовать абсорбционным полосам в спектре хлорофилла.
----------------------------
1. Закон этот ещё ранее был высказан Гротгусом, в Митаве.
----------------------------
Обыкновенно приписывают Ломмелю мысль, что разложение угольного ангидрида должно быть рассматриваемо как функция относительной энергии данного луча и степени его поглощения хлорофиллом. Но это мнение, несмотря на его распространённость, вполне ложно. Ломмель сам признаёт, что первая половина предложения, касающаяся зависимости разложения от энергии, была высказана мною: «Тимирязев высказал половину истины». Я могу прибавить: не только «высказал», но и доказал экспериментально. А если я не мог высказать второй половины, то-есть касательно зависимости от поглощения, то по той простой причине, что она уже была высказана до меня, а, следовательно, тем более до Ломмеля - Жаменом и Эдмондом Беккерелем, и можно только удивляться, что Ломмель - физик - не был знаком с известным учебником физики Жамена и не менее известной книгой Беккереля «La Lumiere, ses causes et ses effets»*.
Но, конечно, главное дело не в том, чтобы высказать мысль, хотя бы и вполне верную, а в том, чтобы подтвердить её на опыте. Nullius in verba (1) теперь, как и столетия тому назад, должно быть руководящим правилом всякого исследователя. Другими словами, нужно было повторить знаменитый опыт Дрэпера, избежав его ошибки, а в этом и заключалось главное затруднение. Обыкновенно принято также считать, что это было осуществлено в первый раз моим старым другом, профессором Н. К. Мюллером. Но, к сожалению, и на этот раз я не могу подтвердить ходячего мнения. Дело в том, что Мюллер не доставил этого прямого доказательства о связи между поглощением света листом и совершающимся в нём химическим процессом, да и не мог сделать этого, так как не располагал единственным средством избежать ошибки Дрэпера. В своей первой работе, появившейся ранее моей, он экспериментировал в довольно чистом спектре, но тогда напряжение света не было
------------------------------
1. Девиз королевского общества, имеющий смысл, что не следует в науке опираться на слова.
* «Свет, его причины и действия». Ред.
------------------------------
достаточно велико, и он не получил разложения угольного ангидрида, а заключал о нём лишь на основании различия в интенсивности обратного процесса дыхания (то-есть образования углекислоты). Во второй работе, появившейся уже после моего исследования, он мог прямо констатировать разложение углекислоты, но только ценою чистоты своего спектра - ширина его щели была почти та же, что и у Дрэпера, и результат был почти тот же, то-есть главный максимум разложения оказался в жёлтых лучах.
Если я позволяю себе останавливаться подробнее на этом вопросе, то не из тщеславного желания установить свой приоритет, но на основании твёрдого убеждения, что избранный мною путь остаётся и теперь, как был тогда, единственным средством избежать ошибки Дрэпера. Мюллер не придумал никакого средства избежать, а следовательно, и не мог избегнуть этой ошибки. Дилемма, так ясно обнаруживаемая двойной неудачей Мюллера, заключалась в следующем: если спектр чист, напряжение света недостаточно для обнаружения разложения угольного ангидрида; если, наоборот, мы широко раскроем щель и увеличим напряжение света в спектре, мы можем быть вперёд уверены, что получим максимальное действие в середине спектра, в его жёлто-зелёной части. Существовало только одно средство избежать обоих рогов этой дилеммы - увеличить интенсивность чистого спектра, уменьшив его размеры, но тогда и листовые поверхности, выставляемые в спектре, были бы соответственно уменьшены, а следовательно, и количества газов, с которыми пришлось бы оперировать, были бы слишком малы для их измерения при помощи тех газометрических приёмов, которые химия того времени могла предложить к услугам ботаника.
Главная задача, следовательно, сводилась к тому, чтобы, так сказать, изменить масштаб газометрических измерений, не поступившись точностью методы и удобствами операций. Хотя я с той поры не раз менял подробности устройства приборов, основание придуманной мною методы газового анализа осталось то же самое. Листья вводятся в цилиндрические трубки
потребного диаметра, а ещё лучше - в плоские трубки (1) (чем достигается увеличение поверхности листа), а газы измеряются и анализируются в трубках наименьшего возможного диаметра.
Все необходимые манипуляции - переливание газов и их обработка реактивами - достигаются при помощи предложенной мною в 1871 году газовой пипеты, которую я до сих пор считаю наиболее удобной (рис. 2). Она представляет прочное сочетание пипеты и ртутной ванны, благодаря чему восходящему концу сифонопипеты можно сообщить такой малый наружный (не свыше 1 1/2 миллиметра) диаметр, что он может проникать в измерительные трубки в 2 миллиметра внутреннего диаметра. Достоинство этого приёма заключается и в том, что газы не встречают на пути ни крана, ни каучуковой трубки.
Все необходимые операции сводятся вкратце к следующему: благодаря видоизменённой мною форме бунзеновского газометра приготовляемая в нём смесь воздуха и углекислоты, проходя через ещё особую пипетку, так сказать, режется на ломти потребного объёма и распределяется по плоским трубкам с листьями. После достаточной экспозиции в спектре газы отбираются при помощи выше описанной пипеты и приводятся для анализа в упомянутые измерительные трубки.
--------------------------
1. Я их употребляю с 1870 года.
--------------------------
дозволяющие измерение с точностью до 1/1000 кубического сантиметра.
Благодаря этим приспособлениям задача получения достоверных аналитических данных с зелёными поверхностями, подвергнутыми действию чистого спектра, была в первый раз разрешена, и я считаю до сих пор отот метод единственным заслуживающим полного доверия.
Действительно, два другие приёма, которые применялись для разрешения этой задачи, несравненно менее точны. Счёт пузырьков газа, выделяемых при этих условиях водяными растениями (что можно очень красиво демонстрировать в проложении при помощи волшебного фонаря) (1), хотя бы измеряли их диаметр, как это делал в последнее время Коль, не может быть предложен как сколько-нибудь точный способ. Правда, мы можем получить значительно более надёжные результаты, воспользовавшись моим микроэвдиометром - маленьким аппаратом, позволяющим в несколько минут собрать и подвергнуть анализу пузырёк газа не более булавочной головки, но и в этом случае источники погрешности, проистекающие от водяной среды, в которой производится опыт, хотя и сведённые на minimum, всё же не могут быть вполне устранены.
Что касается до третьего приёма, до пресловутого определения кислорода при помощи бактерий, предложенного Эн-гельманом, то я продолжаю придерживаться того мнения, что этот приём елишком окольного свойства, и остаюсь при убеждении, что химические вопросы должны разрешаться химическими методами. К тому же мы вскоре будем иметь случай наглядно убедиться, как мало можно полагаться на этот приём исследования.
Таким образом, мы видим, что только выработка газометрического метода, дозволяющего измерение и анализ очень малых количеств газа, дала возможность изучить процесс разложения углекислоты в чистом спектре.
--------------------------------
1. Этот приём демонстрации, описанный мною лет двадцать тому назад, года два тому назад Пфеффер приписал себе.
--------------------------------
Но было ещё два предварительных вопроса, которые необходимо было разрешить, прежде чем приступить к изучению этого основного вопроса о связи между фотохимическим процессом и поглощением света в велёном листе. Нужно было изучить спектры поглощения хлорофилла и его ближайших составных начал точнее, чем это было сделано до тех пор. Не стану приводить здесь результатов моего напечатанного в 1871 году на русском языке исследования*, в котором я пытался в первый раз классифицировать эти тела на основании их спектроскопических признаков, - скажу только, что позднейшие исследования, в особенности Гартлея, Шунка и Морхлевского, их подтвердили в основных чертах. Остановлюсь только на способе изображения спектров, который я тогда в первый раз ввёл и до самого последнего времени старался усовершенствовать. До тех пор абсорбционные спектры изображались как бы состоящими из отдельных тёмных полос, чередующихся со световыми промежутками, что, конечно, соответствовало только известным, совершенно произвольно выхваченным, концентрациям или толщинам слоя. Сопоставляя целый ряд спектров,
---------------------------
* «Спектральный анализ хлорофилла». Рассуждение, представленное К. А. в физ.-мат. факультет для получения степени магистра ботаники, СПБ, 1871, VIII, 65 стр. В настоящем томе см. стр. 387. Ред.
---------------------------
соответствующих различным толщинам слоя, я получил спектрограммы, вполне характеризующие вещество (рис. 6). Для этих наблюдений я предложил в различное время несколько аппаратов. Позднее я отказался от этого хлопотливого последовательного зарисовывания спектров, всё же оставляющего простор для субъективных ошибок, и заменил его непосредственным наглядным наблюдением этих спектрограмм в клиновидных сосудах (способ, если не ошибаюсь, в первый раз применённый покойным профессором Гладстоном), и, наконец, мне удалось осуществить самый удобный и вполне объективный приём исследования спектров в форме этих фотоспектрограмм.
Первые фотографии хлорофиллового спектра я получил ещё в 1892 году на обыкновенных ильфордовских пластинках (рис. 3) (1), при продолжительной экспозиции (в несколько минут), с жёлтым светофильтром, но теперь предпочитаю замечательные по своей ортохроматичности и отсутствию полос поглощения пластинки Кадета - Spectrum. Наиболее удобная форма клиновидного прибора, которую я окончательно выработал, - та, которая изображена здесь (рис. 4). Кубический сосуд, разделённый диагональной перегородкой на два призматические отделения, наполняется с одной стороны раствором, с другой - растворителем. Щель может вращаться так, что по желанию можно фотографировать или спектр любой концентрации или полную спектрограмму. В последнем случае удобнее давать щели горизонтальное положение, так как
--------------------------
1ю И превосходных пластинках, изготовлявшихся в то время нашим известным фотографом А. Эйхенвалъдом.
--------------------------
при этом условии легко приготовить раствор желаемой концентрации и можно воспользоваться подвижной спинкой (swing back) камеры для наведения всех частей спектра на фокус. В этих фотоспектрограммах мы, конечно, имеем наилучшее средство изображения спектров (рис. 5), но, как мы увидим далее, в некоторых случаях мне приходилось прибегать ещё к другому приёму - спектрофотометртескому.
Возвращаясь к нашей основной задаче, мы видим, как существенно важно было знать действительную форму абсорбционной кривой. Так как все до той поры изображаемые спектры были прерывчатые (то-есть состояли из тёмных и светлых полос), то трудно было себе объяснить, почему (как в опытах Дрэпера) химическое действие распределялось в спектре непрерывно (1).
Только вооружившись этими газометрическими и спектроскопическими приёмами, я мог, наконец, повторить классический опыт Дрэпера, не опасаясь впасть в его ошибку. В результате моего исследования явилось полное подтверждение применимости закона Гершеля к нашему случаю. Не только оба максимума вполне совпадают, но и кривая разложения вполне воспроизводит кривую поглощения света, по крайней мере, в наименее преломляющейся части спектра (рис 6, верх). Можно заметить, что вторичные абсорбционные maxima, повидимому, не отражаются на химическом процессе, но ещё подлежит сомнению (особенно после последних исследований Шунка и Морхлевского), принадлежат ли эти линии главному
----------------------------
1. Ломмель на основании такого недостаточного знакомства со спектром и высказывал мнение, что химическое действие в спектре должно быть прерывчатое.
----------------------------
составному началу хлорофилла или какому-нибудь из его продуктов разложения.
Тот же самый результат, как в только что изложенном опыте, я получил позднее и при помощи совершенно иного метода. Разложение угольного ангидрида, изображённое на чертеже (рис. 6, верх), фотолиз, как правильнее всего называть этот процесс, представляет начальную и, конечно, самую важную часть этого процесса, так как именно он зависит от действия внешнего источника энергии. За ней весьма быстро следует процесс фотосинтеза, то-есть образования органического вещества. Хотя, благодаря блестящим исследованиям Брауна и Мориса, мы теперь знаем, что крахмал не представляется не только исключительным, но, может быть, даже и главным ближайшим продуктом этого синтеза, тем не менее - это продукт, появляющийся уже через несколько минут после первого проявления разложения углекислоты, а главное - это продукт, присутствие которого может быть легко обнаружено при помощи реакции с иодом.
Если разложение угольного ангидрида должно быть рассматриваемо как функция тех световых волн, которые соответствуют полосам поглощения хлорофилла, а с другой стороны, образование крахмала - как следующая стадия того же фотохимического процесса, то естественно предположить, что образование крахмала в спектре будет строго локализовано, будет также ограничиваться местами, соответствующими абсорбционным полосам хлорофилла. Другими словами, должно ожидать, что если спектр достаточной интенсивности будет отброшен на живой лист, предварительно лишённый крахмала, то он отпечатает в этом листе невидимое изображение - спектр хлорофилла, образованный микроскопическими зёрнами крахмала. Это скрытое изображение может быть затем проявлено при помощи реакции с иодом.
Это мое предположение было вполне подтверждено следующим опытом. Здоровые и находящиеся в связи с растением листья гортензии, предварительно лишённые крахмала, после 5-6-часовой экспозиции в очень интенсивном и чистом
спектре были подвергнуты известной йодной пробе на крахмал. Они представили вполне отчётливый спектр хлорофилла с резко обозначенной главной полосой поглощения между фрауенгоферовыми линиями В и С и постепенно стушёвывающимся действием в сторону синей части спектра (рис. 7). Второстепенных полос, как и при изучении разложения углекислоты, нельзя было обнаружить. Синие и фиолетовые лучи не окаэали почти никакого действия. Этот последний результат, вероятно, следует приписать тому обстоятельству, что появление крахмала является только результатом двух противоположных процессов - образования крахмала и его растворения, так что, начиная с известного напряжения света, когда ассимиляция углерода недостаточно энергична, первый процесс уравновешивается вторым, и в листе не отлагается избыточного крахмала.
Эти факты естественно приводят нас к рассмотрению вопроса об относительном влиянии на рассматриваемый нами процесс лучей наиболее преломляющейся части спектра. Можно было заметить (рис. 6), что до этой поры мои исследования ограничивались его наименее преломляющейся половиной.
Относительно второй половины спектра господствовало убеждение, что входящие в её состав лучи играют сравнительно ничтожную роль в нашем фотохимическом процессе. Мнение это основывалось на том же классическом опыте Дрэпера и на многочисленных опытах с жёлтыми и синими светофильтрами. Но все опыты этой второй категории заслуживают мало доверия, так как точные фотометрические измерения доказывают, что лучи, пропускаемые этими цветными средами, ослаблены в весьма различной мере и что, следовательно, получаемые химические результаты не могут быть непосредственно между собой сравниваемы (1). Результаты эти также несравнимы между собою и при производстве опытор в спектре, так как дисперсия в более преломляющейся части спектра значительно сильнее, чем в части, менее преломляющейся; по этой причине в первых своих опытах я и удовольствовался менее преломляющеюся частью и не распространил их на синюю и фиолетовую часть. Здесь кстати можно показать, как капризны и ненадёжны результаты, получаемые при помощи энгельмановского бактериального метода. Для этого достаточно сопоставить результаты, полученные самим Энгельманом и одним из горячих защитников его метода Пфеффером. Между тем как Энгельман обнаружил ясный второй максимум в синей части, Пфеффер, экспериментируя по тому же методу, никакого второго максимума не получил. Этот приём, следовательно, не только негоден для количественного измерения, но даже ненадёжен для простого обнаружения явления.
Казалось бы, что недостаток, присущий призматическому спектру, можно было бы всего проще устранить простым вычислением, допустив, что действие света пропорционально его напряжению. Но так как закон, определяющий связь между процессом и напряжением света, не был известен, то это предположение было бы голословно, и в действительности, как мы увидим далее, закон этот гораздо сложнее.
Казалось бы также, что задачу эту ещё проще разрешать экспериментальным путём, - стоит только произвести опыт не в призматическом, а в диффракционном спектре. Но ряд опытов, сделанных мною при помощи превосходной роуландовской решётки, дал только отрицательные результаты. Как в опытах Мюллера, напряжение света не было достаточно для обнаружения разложения углекислоты. Пришлось вернуться к спектру призматическому. Позволю себе сослаться на слова Ланг-
-----------------------------
1. На это обстоятельство я указывал ещё в 1868 г. Хотя ботаники до сих пор приписывают разъяснение его Волкову, но всякий понимающий дело без труда поймёт, что вся статья Волкова обнаруживала только его незнакомство с строгой физической постановкой вопроса.
-----------------------------
лея, который, несмотря на почти баснословную чувствительность своего болометра, говорит в одной из своих позднейших работ: «В конце концов призма гораздо удобнее решётки».
Работать с призмой, желая избежать ошибки, проистекающей от различной дисперсии в различных частях спектра, в этом случае значило просто воспользоваться известным способом для сложения лучей, разложенных призмой. При таких условиях мы соединяем интенсивность призматического спектра с удобством диффракционного. Я вначале пользовался прибором Ж. Дюбоска для получения комплементарных цветов. Он состоит ив цилиндрической линзы и призмы очень малого угла, наклеенной на стеклянную пластинку. Вместо спектра мы получаем две полосы комплементарного цвета.
Позднее я придумал видоизменение этого аппарата (искусно выполненное Ф. Пелленом), состоящее из двух таких стеклянных пластин с соответствующими им призмами. При помощи зубчатки оба стекла могут скользить параллельно одно другому и делят спектр не на две, а на три части (рис. 8).
Так как при исследовании газового обмена трубки о листьями погружены своими нижними концами в ртуть, то спектр, по необходимости, нужно делить на части в вертикальном направлении, но в других случаях, как увидим, можно с удобством пользоваться ещё более простым способом (предложенным, если не ошибаюсь, Кундтом) и делить спектр в горизонтальном направлении, причём цветные поверхности могут быть непосредственно сопоставлены (рис. 9). Как уже еказано, способы эти, если спектр делится на участки, равные между собою (по отношению к диффракционному спектру), соединяют преимущества решётки и призмы: различие в дисперсии устранено, как в диффракционном спектре, а интенсивность света остаётся та же, что в призматическом.
Мало того, в последнем отношении этот метод представляет даже преимущество перед простым призматическим. В случае надобности можно употреблять спектр в значительной степени нечистый (то-есть полученный при помощи широкой щели, дающей более света), лишь бы только получаемые цветные полосы света были равномерно окрашены и представляли равные поверхности. Стоит только анализировать входящий в их состав свет [всего проще при помощи маленького Сорби-Браунинговского спектроскопа со скалою в длинах волн (рис. 9)], и тогда, несмотря на то, что изолируемые спектральные участки будут захватывать край за край, аналитические результаты могут быть прямо нанесены на скалу нормального спектра. Таким образом, благодаря этому методу, не только неточность, проистекающая от различия в дисперсии, но и в значительной мере неточность от нечистоты спектра могут быть устранены и таким образом достигнута возможность прямого сравнения результатов при максимальной силе света. Добавлю только, что до сих пор я предпочитаю работать с чистым спектром.
Опыт, предпринятый с целью определить относительное действие двух половин спектра, был ведён следующим образом.
Луч света от большого гелиостата Фуко (работы Пеллена в Париже) с зеркалом в 80 X 40 сантиметров концентрировался на щели при помощи линзы в 25 сантиметров в диаметре, разлагался призмой прямого видения и снова собирался при помощи указанного выше прибора в две полосы дополнительного цвета - жёлтую и синюю. Если принять, что границы действующих лучей соответствуют длинам волн в 700-400 миллионных миллиметра, то линия, проходящая приблизительно около длины волны в 550 миллионных миллиметра, будет делить спектр на две половины, равные по отношению к спектру диффракционному (рис. 10). Данные газового анализа, полученные для двух равных зелёных поверхностей, выставленных в жёлтой и синей полосе, могут быть, следовательно, прямо между собою сравниваемы и нанесены на скалу диффракционного спектра.
Они могут быть выражены в следующих цифрах: если мы примем количество угольного ангидрида, разложенное в жёлтой половине (в среднем из 6 опытов), за 110, то действие синей половины будет 54 (рис. 10, В). Главный результат, следовательно, сводится к тому, что синим и фиолетовым лучам до сих пор приписывали слишком слабое действие.
Тот же результат был получен и по отношению к йодной пробе на крахмал, причём спектр был разделён указанным выше способом в горизонтальном направлении; тогда обе поверхности располагаются одна над другой (рис. 11). Между тем как непосредственно в спектре синие и фиолетовые лучи не обнаруживали никакого действия, на этот раз, благодаря равной интенсивности обеих половин, действие синей части спектра было вполне резко выражено.
Таким образом, факт, что разложение углекислоты, равно как и образование крахмала, зависит от лучей, поглощённых хлорофиллом, можно считать доказанным во всех его подробностях, тем более, что фосфороскопические исследования
Анри Беккереля, фотографии Абнея и в особенности тщательное болометрическое исследование Доната показали, что в инфракрасной части нет абсорбционных полос, чем и объясняется вышеупомянутый факт, что Кальете не получил никакого разложения углекислоты при помощи лучей, профильтрованных через тиндалевский йодный раствор.
Теперь мы должны перейти к рассмотрению второго из двух упомянутых выше соображений, касающихся связи между фотохимическим процессом и поглощением света хлорофиллом. Мы видели, что Жамен, Беккерель и Ломмель высказывали мнение, что закон Гершеля применим к этому случаю. Но мне представлялось, что в их рассуждении можно было усмотреть логическую ошибку, что между посылками и выводами не было надлежащей связи.
Закон Гершеля подразумевает, что фотохимическое действие ограничивается теми лучами света, которые поглощаются веществом, испытывающим химическое изменение. Гершель сам применил этот закон к хлорофиллу, показав, что он выцветает, линяет как раз в тех лучах спектра, которые соответствуют полосам поглощения.
Но в разложении углекислоты мы имеем совершенно иной случай: вещество, подвергающееся разложению, - бесцветный газ, а поглощается свет совсем иным веществом - хлорофиллом. Решительно не было возможности усмотреть здесь прямого применения вакона Гершеля, и вот почему я и не настаивал на его применении в начале моих исследований. Но по этой же причине я один из первых приветствовал и оценил всё значение для физиологии блестящего открытия Фогеля - его оптических сенсибилизаторов - ещё в то время, когда многие авторитетные учёные отрицали самое открытие (1).
---------------------------
1. Обратно, и Фогель был одним из немногочисленных немецких учёных, принявших мои результаты, когда они ещё отвергались всеми немецкими ботаниками.
---------------------------
Это замечательное открытие не только произвело революцию в практике фотографии, но и доставило физиологу то недостающее логическое звено, отсутствие которого не дозволяло ему распространить закон Гершеля на фотохимический процесс, совершающийся в зелёном листе. Вслед за фогелевским открытием действия эозина появилось исследование Э. Беккереля над сенсибилизирующим действием хлорофилла на чувствительную коллодиальную пластинку, так что без малого через год после появления моего первого сообщения (на конгрессе ботаников во Флоренции) я уже мог дать своим опытам рациональное объяснение с точки зрения фогелевской теории сенсибилизаторов. Эта мысль, что хлорофилл играет в живом организме роль оптического сенсибилизатора, которую я высказал в первый раз в 1875 году, теперь может считаться общепринятой, но, я полагаю, найдётся немного ботаников, которые имели бы случай видеть фотографическое действие хлорофилла на чувствительную пластинку. Благодаря любезности покойного Э. Беккереля я видел в 1877 году его превосходные коллодиальные пластинки, но теперь коллодиальный способ мало распространён, и потому я пытался найти наиболее лёгкий способ для демонстрирования действия хлорофилла на обыкновенную броможелатинную пластинку. Спиртовые растворы хлорофилла в этом случае неудобны, и я нашёл, что их можно очень удобно заменить хлорофиллатом натрия, растворимым в воде.
Вот пластинка (Ilford, Ordinary), наполовину погружённая в баню хлорофиллата натрия и затем выставленная в спектр, ограниченный при помощи жёлтого светофильтра его наименее преломляющеюся частью. Ясно видно, что, между тем как на обыкновенной пластинке действие света останавливается приблизительно при линии Z), в той её части, которая была погружена в хлорофилловую баню, выступает резкая широкая полоса, соответствующая главной абсорбционной полосе хлорофилла между линиями В и С (рис. 12).
Я старался провести аналогию между действием хлорофилла в листе и в фотографической пластинке ещё далее и показать,
что хлорофилл - оптический сенсибилизатор не только в смысле Фогеля, но и в смысле сэра Уильяма Абнея.
Сэр Уильям Абней, как известно, признаёт, что всякий оптический сенсибилизатор, как общее правило, представляет собой линючую краску, то-есть быстро обесцвечивается под влиянием света. Классические исследования сэра Джона Гершеля над обесцвечиванием бумаги, окрашенной хлорофиллом, уже доказывали, что хлорофилл принадлежит к этой категории. Вот отпечаток листа папоротника, полученный при помощи хлорофилла. Лист этот был наложен на пластинку из коллодиума, окрашенного хлорофиллом. После непродолжительной экспозиции на солнце всё поле выцвело, а части, защищенные листом, сохранили свою оригинальную окраску. Изображение фиксируется непродолжительным погружением в баню из медного купороса. Подвергая такие коллодиально-хлорофилловые пластинки действию различных лучей спектра, я убедился, что обесцвечивание вызывается теми же лучами, которые вызывают разложение углекислоты.
Мне, может быть, будет дозволено остановиться несколько подробнее на этом важном вопросе о роли хлорофилла как сенсибилизатора. Сенсибилизаторы подразделяются обыкновенно на две группы: на сенсибилизаторы химические и оптические. Первые считаются просто поглотителями одного или более продуктов реакции, последние в то же время поглощают лучистую энергию. Оптическому сенсибилизатору в то же время приписывается обыкновенно роль и химического, но обратное, конечно, не очевидно. Существование химических сенсибилизаторов допускалось задолго до открытия Фогеля; много случаев такого действия можно найти в известной, уже упомянутой книге Э. Беккереля, и потому ещё в 1871 году в своём исследовании «Спектральный анализ хлорофилла» я указывал, что за хлорофиллом можно признать роль сенсибилизатора в этом, чисто химическом смысле. Я настаивал на том, что процесс разложения угольного ангидрида - по существу процесс диссоциации, что «скорость процесса диссоциации зависит от удаления её продуктов», «что растение действует как поглотитель, постоянно нарушающий равновесие между угольным ангидридом и продуктами его диссоциации», и, наконец, что мы, вероятно, должны допустить существование двух видоизменений хлорофилла, подобных гемо- и оксигемоглобину крови, причём второй из них способен образовать продукт, аналогичный карбонилгемоглобину.
В то время мне казалось, что эти два состояния окисления соответствуют нормальному зелёному хлорофиллу и тому, что сэр Джордж Стоке назвал «изменённым» (modified) хлорофиллом (рис. 3), так как мои опыты поставили вне сомнения, что это последнее тело - продукт окисления первого. Но позднее я нашёл новую реакцию хлорофилла, которую я считаю крайне важной с физиологической точки зрения, теперь нами обсуждаемой. Когда на хлорофилловый раствор умеренной концентрации действуют водородом в момент выделения, получается почти бесцветное или бледножёлтое тело, обладающее при значительной концентрации превосходным пурпуровым цветом. Вещество это может существовать только при полном отсутствии кислорода. Приходя в соприкосновение с воздухом, оно почти моментально принимает свой прежний зелёный цвет. Спектр этого продукта восстановления хлорофилла (я предложил для него название протохлорофиллина, или, проще, протофиллина) характеризуется при слабой концентрации отсутствием полос поглощения в наименее преломляющейся части спектра, но при достаточной концентрации представляет ясную полосу, почти соответствующую // полосе хлорофилла, и другую около IV, но без следов главной хлорофилловой линии /. Это был первый случай получения продукта, который отличался полным отсутствием того, что считалось главной характеристикой хлорофилла. Очевидно, мы здесь в первый раз имели дело с производным хлорофилла, из которого при его соприкосновении с кислородом почти моментально обратно возрождается хлорофилл.
Получив эти столь важные реакции восстановления и обратной регенерации хлорофилла в его растворах, я приложил все старания, чтобы доказать присутствие протофиллина в живом растении. Так как образование хлорофилла в этиолированных сеянцах является реакцией окисления (факт этот был установлен в моей лаборатории Дементьевым в 1873 г.), то было естественно обратить именно в этом направлении свои поиски за про-тофиллином, так легко окисляющимся в хлорофилл. Указания, встречаемые в литературе, впрочем, мало к тому поощряли. Так называемый этиолин немецких ботаников всегда представлял характеристические спектральные черты хлорофилла. Мои первые шаги были также неудачны. Я получал, правда, растворы, в которых // полоса была более резко выражена, чем в хлорофилле; она равнялась /, даже превосходила её, но тщетно искал я растворов, в которых / полоса совершенно отсутствовала бы, пока не напал на мысль, что предосторожности, которые до тех пор принимались, не были достаточны для точного устранения действия света. Я заключил горшки с семенами, предназначенными для прорастания (лучшим материалом оказался подсолнечник), в жестянки, которые, в свою очередь, помещались в шкафу в фотографической комнате, а растворы приготовлялись в той же тёмной комнате с соблюдением предосторожностей, употребляемых в ортохромной фотографии. Результатом этого приёма было получение протофиллина без следов хлорофиллового спектра.
Так как красящая способность этих растворов незначительна, то пришлось изучать их спектры в трубках в 1/2 метра длиною. Обыкновенно 10-20 семенодолей было достаточно для получения необходимого раствора для наполнения этой трубки. Но стоило выставить на свет на минуту одну или даже часть семенодоли, чтобы получить раствор с ясными резкими полосами
хлорофиллового спектра. Эти факты указывают, вне всякого сомнения, что в живом растении существует красящее вещество со свойствами восстановленного хлорофилла, почти моментально превращающееся в хлорофилл под влиянием света.
Конечно, было бы ещё важнее получить непосредственное доказательство присутствия этого продукта восстановления хлорофилла в зелёном листе; только установление этого факта могло бы быть принято как доказательство, что хлорофилл играет роль химического сенсибилизатора. Но открытие его присутствия в зелёном листе сопряжено с несомненными трудностями. Как я только что указал, растворы протофиллина обладают красящею способностью несравненно болев слабою, чем растворы хлорофилла, и потому эти последние всегда могут маскировать их присутствие. Таким образом, допустив, что предполагаемое восстановление хлорофилла совершается в зелёном листе, мы можем ожидать, что оно не обнаружится ни в изменении цвета листа, ни в изменении спектра его раствора, а разве только в изменении интенсивности зелёной окраски, в известном её выцветании или побледнении. Такая, более бледная, окраска листьев, выставляемых на свет, действительно неоднократно замечалась, но обыкновенно её приписывают перемещению или изменению в форме хлоропластов, - предположение, как мне кажется, мало вероятное в применении к палисадной паренхиме, особенно, когда лучи не падают в направлении, строго параллельном продольной оси клеточек. Мне представляется весьма вероятным, что по крайней мере, значительная часть этого выцветания зелёных листьев может быть приписана превращению хлорофилла в протофиллин.
Подводя итог, мы можем, следовательно, допустить существование не только двух, как в крови, но даже трёх состояний окисления зелёного вещества растения. Эти превращения, вероятно, послужат нам исходной точкой для теории хлорофилла как химического сенсибилизатора.
Представив доводы в пользу предположения, что хлорофилл играет роль сенсибилизатора в обоих емыслах втого слова, то-есть химического, или поглотителя продуктов реакции, и оптического, или поглотителя деятельных лучей, я постараюсь сделать ещё шаг далее и привести соображения, заставляющие меня видеть в нём не только одного из бесчисленных представителей этой группы, но и вещество, совсем особенно приспособленное к этой функции.
С самого начала моих исследований я был убеждён, что такая, по существу, эндотермическая, реакция, как диссоциация угольного ангидрида, должна стоять в каком-нибудь отношении с энергией луча, принимающего участие в процессе. В то время физики не обладали никакими точными сведениями о распределении энергии в спектре, но я тем не менее определённо высказал мысль, что будущие исследования в диффракционном спектре могут изменить ходячие представления о тепловом эффекте различных лучей и докажут, что наибольшей энергией обладают не инфракрасные лучи, а известные лучи видимого спектра, быть может, те самые, которые поглощаются зелёным растением, - так что два максимума - энергии и абсорбции хлорофиллом, быть может, в конце концов совпадут. Эти мои предсказания блистательно оправдались в известных опытах Ланглея и сэра Уильяма Абнея. Я обратил внимание на это предвиденное мною совпадение в небольшой заметке в Comptes Rendus Парижской академии вскоре после появления работы Ланглея. Так как моя точка зрения до сих пор оспаривается, так как даже верность моих ссылок подвергнута сомнению Энгельманом, я считаю себя вынужденным предъявить оригинальные данные. Вот кривые обоих исследователей, заимствованные из статьи сэра Вильяма Абнея из («Proceedings» Королевского общества за 1887 год (рис. 13). Максимум энергии соответствует длине волны, лежащей на двух третях между 600- и 700-миллионными миллиметра, скажем, на 666 (цифра, легко запоминаемая, так как это число Зверя!). Максимум поглощения лежит где-то на двух третях между В и С, то-есть между 686 и 656, - значит, также приблизительно при 666-миллионных миллиметра. Позднее Ланглей доставил ещё другие данные, которые приведены на рисунке 10, так как мы вскоре будем иметь случай к ним обратиться. Должно заметить, что эти последние данные относятся к тому, что Ланглей называет «высоким солнцем», - для средней интенсивности, за весь день, совпадение с первой кривой (рис. 13) было бы более полное. Мы можем взглянуть на это соотношение ещё с другой точки зрения. Здесь (рис. 14) представлена попытка выразить относительные амплитуды волн, соответствующих различным частям спектра, и можно усмотреть, что наибольшая амплитуда колебаний соответствует как раз той части спектра, где лежит главная абсорбционная полоса хлорофилла (666) и максимум разложения угольного ангидрида (1).
Но, быть может, мы найдём ещё более убедительный аргумент в пользу предположения, что фотохимическое действие лучей является функцией их анергии в сравнении действия хлорофилла и других сенсибилизаторов, а ещё более в сравнении относительного действия жёлтого и синего цвета в только что приведённом опыте.
Существует факт, опирающийся на свидетельство таких опытных наблюдателей, как Эдер и Фогель, и особенно ясно вытекающий из обстоятельного исследования Акуорта, -именно, что оба максимума, абсорбции света сенсибилизатором и фотографического его действия на сенсибилизированную пластинку, не представляют строгого совпадения, причём как общее правило, этот последний всегда бывает смещён в сторону красного конца спектра. До сих пор не предложено никакого объяснения для этого факта, не предлагает его и Акуорт, хотя считает, что правило это стоит вне сомнения и не встречает ни одного исключения. Но по отношению к хлорофиллу в исследование Акуорта, повидимому, вкралась ошибка. Он полагает, что и хлорофилл не представляет исключения из установленного им закона - что максимум фотографического действия не совпадает с максимумом поглощения в / абсорбционной полосе, а смещён в сторону красного конца спектра. При внимательном рассмотрении его соответствующей фигуры возникает, однако, серьёзное сомнение. Как во всех случаях, Акуорт даёт две кривые - абсорбции и сенсибилизации, но в действительности его указания по отношению к спектру хлорофилла (как в тексте, так и в фигуре) представляются неточными. Вот его собственные слова:
--------------------------------
1. Ещё поразительнее представится нам это совпадение, если мы обратимся к скале электромагнитных волн проф. П. Н. Лебедева («Физическое обозрение», 1901 г.). Из числа каких-нибудь 50 октав, на ней изображённых, весь видимый спектр занимает всего одну; главная абсорбционная полоса хлорофилла занимает, примерно, десятую её часть, и в этом-то незначительном интервале встречаются и maximum энергии и maximum химического действия.
--------------------------------
«Die Absorption dieser Emulsion ist, was die Haupt und weniger brechbare Band betrifft, deutlich ausgepragt. Dieses beginnt etwas vor C, erreicht bei С 1/3 D ein Maximum; jenseits desselben ist die Absorption nicht hinlanglich scharf zu verfolgen um sie genau zeichnen zu konnen» (1).
Но мы знаем на основании бесчисленных наблюдений, что главная абсорбционная полоса хлорофилла лежит между В и С, то-есть там, где бесчисленные наблюдатели помещают главную полосу / хлорофилла, - показание это согласно со всеми другими свидетельствами. Начиная о первого опыта Э. Беккереля и кончая моими фотографиями, мы неизменно встречаем максимум фотографического действия между линиями В а С. Таким образом, Акуорт помещает максимум фотографического действия совершенно верно, но максимум поглощения, несомненно, неверно, и только благодаря этой ошибке у него хлорофилл подходит под общее правило.
На деле эти обе точки вполне совпадают, и в силу этого совпадения хлорофилл представляет исключение из общего правила относительно смещения максимума фотографического действия в красную сторону спектра (по сравнению с максимумом поглощения). Мне представляется, что как это исключение, так и самое правило нашло бы себе объяснение в простом допущении, что фотохимическое действие зависит не только от степени поглощаемости вызывающей его группы лучей (из которых слагается абсорбционная полоса), но и от относительной энергии или амплитуды колебания соответствующих волн. В каждой абсорбционной полосе (в пределах видимого спектра) сторона, ближайшая к красному концу, будет состоять из лучей, обладающих большей энергией, чем сторона, ближайшая к фиолетовому, и на основании только что сделанного допущения максимум фотографического действия должен смещаться
---------------------------
1. «Абсорбция этой эмульсии, что касается главной наименее преломляемой полосы, резко выражена. Она начинается немного раньше С, достигает максимума на расстоянии 1/3 от С до D, по другую же сторону абсорбция недостаточно резко выражена и потому её нельзя точно указать».
---------------------------
в эту сторону. Так будет, пока мы не дойдём до той части в красном, где оба максимума - абсорбции и энергии - совпадают. В атом месте не будет никакого повода для смещения фотографического максимума, и мы, таким образом, получим объяснение для факта, почему хлорофилл представляет любопытное исключение из общего правила, применимого ко всем остальным сенсибилизаторам. Конечно, самым лучшим experimentum crucis для проверки моей гипотезы был бы опыт с удивительной инфракрасной фотографией сэра Вильяма Абнея - если бы оказалось, что в инфракрасной части спектра (1) закон Акуорта извратился, максимум фотографического действия стал бы перемещаться в другую сторону, но попрежнему в направлении максимума энергии. Конечно, такие опыты лежат вне круга деятельности ботаника.
А пока мне кажется, что и те факты, с которыми мы только что познакомились, по отношению к сравнительному дейетвию жёлтых и синих лучей могут быть истолкованы в смысле предполагаемой связи между химическим процессом и энергией луча. Мы можем в действительности рассматривать этот случай как предельный, так как он дозволяет нам непосредственное сравнение действия двух групп лучей, поглощаемых одним и тем же телом на двух пределах видимого спектра и, следовательно, обладающих наибольшим различием по отношению к присущей им энергии. Мы видели, что если разлагающее СО2 действие лучей наименее преломляющейся части спектра выразится цифрой 100, то действие лучей наиболее преломляющейся - выразится цифрой 54.
Но мы должны ещё принять во внимание различную степень поглощения света хлорофиллом в этих двух частях спектра. Казалось бы, всего проще принять во внимание только видимые абсорбционные полосы растворов, представляющих такую же степень концентрации красящего вещества, как и в листе (мы увидим вскоре, как получаются такие растворы). Так я в действительности и поступил на первых порах. Но эта оценка
-------------------------------
1. То-есть на другом скате кривой энергии.
-------------------------------
только лишь приблизительная, так как невооружённый глаз - плохой фотометр для оценки слабых и, главное, постепенных различий в световом напряжении. Как уже сказано выше, в таких случаях нужно прибегать к приёму спектрофотометрическому. Выбор фотометра не безразличен; так, например, до последнего времени употребляемый спектрофотометр Фирорта с двойною щелью (применённый и Энгельманом в его микроспектральном приборе) не внушает доверия, как я это высказал немедленно по его появлении и позднее доказал простым наблюдением. Из всех предложенных спектрофотометров самым практичным, то-есть соединяющим точность с простотой, я считаю спектрофотометр Дарзонваля, которым пользуюсь уже много лет (1). Вот спектрофотометрические кривые для растворов нормального и изменённого хлорофилла (Стокса). А вот спектрофотометрическая кривая, соответствующая поглощению света одним листом клёна, подобным тем, с которыми были произведены опыты с жёлтым и синим светом (рис. 10, А). Приведённые к нормальному спектру энергии эти относительные количества поглощения света выразятся площадями а, Ь, с, d, e и е, d, f, g, h. Общее количество энергии всего видимого спектра я заимствую, как уже сказано, из статьи Ланглея «Энергия и врение», помещённой в «Philosophical Magazine» sa 1889 год. Относительные количества энергии, поглощённой листом, соответственно этим площадям а, Ь, с, d, e и е, d, f, g, k будут 100 для жёлтого и 70 для синего света. Если мы сопоставим их с числом, выражающим разложение угольного ангидрида в тех же группах лучей (100 для жёлтого и 54 для синего), то получим новый аргумент в пользу предполагаемой прямой связи между химическим процессом и энергией луча (рис. 10, В).
Приняв во внимание всё сказанное, мы, кажется, вправе утверждать, что факты говорят в пользу допущения (по крайней мере, насколько это касается хлорофилла), что фотохими-
-----------------------------
1. В 1896 году я предъявлял в ботаническом отделе Общества любителей естествознания спектрофотометрические кривые для хлорофилла и его производных, полученные при помощи этого спектрофотометра.
-----------------------------
ческое действие луча вависит не от одной только степени его поглощаемости, но и от энергии ила амплитуды колебания входящих в его состав волн, или, другими словами, что из двух волн, одинаково поглощаемых, наибольшее действие окажет та, которая обладает наибольшей амплитудой колебания. С этой-то точки зрения и представляется, что хлорофилл, поглощающий те именно лучи, которые обладают наибольшей энергией, можно считать не только сенсибилизатором, но, может быть, наилучшим из сенсибилизаторов, особенно приспособленным к своей функции.
Я чувствую, что я не могу расстаться с изложенными до сих пор результатами моих исследований, не сказав несколько слов относительно положения, принятого по отношению к ним самой обширной школой немецких физиологов, представленной Саксом и Пфеффером. Вот самое позднейшее мнение, высказанное по этому поводу Саксом, когда ему, несомненно, были известны мои исследования.
«Все прямые наблюдения показывают, что максимум выделения кислорода лежит в жёлтом свете. В общем итоге все до сих пор произведённые исследования относительно спектра хлорофилла не обнаружили ни одного факта, который имел хотя бы малейшее физиологическое значение, - другими словами, мы знали бы о физиологической функции хлорофилла ровно столько же, если бы нам вовсе не был известен его спектр».
Слова эти не нуждаются в комментариях.
Также общеизвестно, что профессор Пфеффер был долгое время моим оппонентом и самым отъявленным сторонником старой теории. В первом издании своего учебника он останавливается на моей работе и признаёт её sa экспериментальную ошибку, не заслуживающую внимания. Но вскоре за появлением его книги во мнении учёных обнаружился поворот в пользу моей точки зрения, благодаря Ван-Тигему во Франции и профессору Сиднею Вайнзу в этой стране (1). В то же время Энгельман и Рейнке хотя при помощи методов, несравненно менее точных, чем те, которые были применены мною, получили результаты, согласные с моими. Пфефферу невозможно было далее защищать свою старую позицию, и во втором издании своей книги он фактически принимает моё воззрение, но зато при обсуждении вопроса не упоминает даже моего имени. Результаты, которые подлежали сомнению, презрительно отвергались, пока они были связаны с моим именем, - теперь, когда их приходится признать верными, они просто приписываются двум упомянутым немецким исследователям. Мало того, для примирения его прежней и современной точек зрения им развивается ещё новая теория, столь же ложная, как старая. Профессор Пфеффер утверждает, что существуют две различные кривые для того же процесса ассимиляции: одна, первичная, соответствующая абсорбционному спектру хлорофилла, и другая, вторичная, имеющая максимум в жёлтых лучах. Но нетрудно доказать, что этой вторичной кривой не существует вовсе. Если бы Пфеффер был прав, то я должен был бы получить его вторичную кривую, но именно я первый и самым несомненным образом получил первичную, то-есть единственную, имеющую реальное существование, поэтому он и был вынужден обойти молчанием мои работы. Его вторичная кривая, помимо её теоретической невероятности, просто фикция, выдвинутая вперёд, чтобы прикрыть его вынужденное отступление. Указав на положение, принятое по отношению ко мне этими германскими физиологами, я тем более чувствую себя вынуж-
---------------------------------
1. Из прений, возникших, согласно обычаю Королевского общества, после моей лекции, я узнал следующую лестную для меня подробность. «Когда я, - сказал Вайнз, - в то время ещё начинающий преподаватель, дошёл в своем курсе до главы об ассимиляции, я остановился в недоумении перед резким противоречием между немецкими авторитетами и Тимирязевым. Мне казалось, что Тимирязев прав, но я всё же обратился за советом к своему коллеге, также молодому физику. Ознакомившись с вопросом, он сказал: конечно, прав Тимирязев. Этот молодой физик, - добавил оксфордский профессор, - теперь лорд Рейлей».
---------------------------------
денным высказать свою признательность покойному Эдмонду Беккерелю и Бертло, так как благодаря им мои труды проникли на страницы Gomptes Rendus и Annales de Ghimie et de Physique.
2
До сих пор мы рассматривали нашу эадачу с её качественной стороны, мы изучали фотолиз, или разложение угольного ангидрида, и фотосинтез, или образование крахмала, в их зависимости от химических и оптических свойств хлорофилла и относительной энергии действующих лучей.
Теперь мы рассмотрим то же явление с количественной точки зрения, то-есть в его отношении к общему количеству падающей на зелёный лист энергии, - попытаемся найти закон, выражающий зависимость этого явления от напряжения лучистой энергии.
Эдмонд Беккерель в его неоднократно нами цитированной книге «La Lumiere, ses causes et ses effets» первый обратил внимание на количественный учёт солнечной энергии, слагающейся в эелёном растении; он сделал первую попытку определения того, что Горас Браун недавно так уместно назвал экономическим коэфициентом этого фотохимического процесса. Он получил очень умеренную цифру. Потенциальная энергия органического вещества, образуемого культурой подсолнечника (одной из самых продуктивных), составляет 4/1000 солнечной энергии, выпадающей на данную площадь. Лесные культуры дают только 1/1000 Несколько лет позднее (в 1871 г.) я применил те же приёмы вычисления к более определённым физиологическим данным (вместо агрономических, которые только и были в распоряжении Беккереля) и получил около 1%. В 1876 году мой старый друг, профессор Н. Мюллер, сделал в первый раз прямой опыт, поместив и лист, разлагавший углекислоту, и пиргелиометр в одинаковые условия. Он получил до 5%, и эта оценка, на мой взгляд, слишком высокая, что может быть приписано тому, что его пиргелиометрические данные слишком низки в сравнении с обыкновенно принимаемыми. В 1894 году я повторил этот опыт, поместив лист и пиргелиометр в одинаковые условия, как будет изложено далее, и получил цифру 3,3%. Должно заметить, что как в опытах Мюллера, так и в моих листья находились в искусственной среде, в газовой смеси, содержавшей 5-10% угольного ангидрида, дающей наиболее выгодные результаты. Совершенно недавно М. Горас Браун сделал в высшей степени любопытное и гораздо более затруднительное определение той же величины. Он произвёл свой опыт при естественных условиях, то-есть в струе атмосферного воздуха с его нормальным содержанием угольного ангидрида. Он получил 0,5%, но в одном случае (когда воздух был обогащен угольным ангидридом, так что содержание этого последнего в 5 1/2 раз превышало нормальное) эта цифра возросла до 2%.
Теперь, когда мы можем с уверенностью сказать, что разложение углекислоты вызывается только теми лучами, которые поглощаются хлорофиллом, становится очевидным, что этот «экономический коэфициент» должен прежде всего зависеть от степени поглощения света зелёным веществом листа. Я считаю излишним настаивать на том, как важно для физиолога внать эту величину, то-есть ту долю солнечной энергии, которую растение может использовать. Следующий термоскопический приём, предложенный мною в 1884 году, представляется мне и теперь наиболее простым и точным способом определения этой величины. Задача в том виде, в каком она представляется в действительном листе, крайне сложна вследствие явлений светорассеяния, представляемых клеточками и отдельными зёрнами хлорофилла, - явлений, очень сходных с тем, которое представляет слой частичек серебра в фотографической пластинке, как это было недавно остроумно разъяснено сэром Вильямом Абнеем. Но эта задача может быть значительно упрощена, если вместо естественного листа мы возьмём то, что можно назвать жидким листом. Если при помощи стальной сечки мы высечем из листа известную площадь и растворим зелёное вещество этого куска в таком количестве алкоголя, которое выполнит вполне стеклянную ванночку с параллельными стенками, просвет которой представляет ту же площадь, то мы получим жидкий слой красящего вещества той же концентрации. Если рядом о этим раствором мы определим поглощение света стеклянным сосудом и растворителем, то разность этих двух величин даст нам поглощение, которое должно быть приписано
зелёному веществу листа. Все изменения производились при помощи особой формы термоэлектрического столбика, придуманного мною ещё в 1870 году и первый раз выполненного для меня самим стариком Румкорфом, - формы, совершенно сходной с той, которую недавно предложил Рубенс. Брусочки или проволочки (смотря по тому, какие употребляются металлы), из которых состоят термобатареи, спаиваются в форме зигзагов, так что оба ряда спаев обращены в одну сторону (а не в противоположные, как в столбике Меллони). Когда один из рядов обращен к солнцу, а другой защищен экраном, мы измеряем непосредственное солнечное лучеиспускание. Поставив на пути луча сосуд с раствором хлорофилла, узнаем долю лучеиспускания, пропускаемого этим раствором и сосудом, и, наконец, помещая только сосуд с растворителем, узнаем количество лучистой энергии, пропускаемое этими средами. Разность между этими двумя последними цифрами даёт поглощение лучистой энергии хлорофиллом. Наконец, отношение этой величины к первоначально определённой даёт ту долю лучистой энергии солнца, которая поглощается хлорофиллом листа. Эти три операции могут быть сведены к двум: к определению действия непосредственной инсоляции и действия разности двух жидкостей в двойной ванночке. Вот придуманный мною аппарат, искусно выполненный в 1889 году Ф. Пелленом (рис. 15 и 16).
На дне металлического цилиндра помещается только что описанная термобатарея, защищенная от колебаний температуры, которые могли бы быть вызваны движениями воздуха, целым рядом двойных щелей. В пазу, впереди наружной пары щелей движется двойная ванночка для растворов, заключённая в; металлическую коробку, снабжённую двумя поднимающимися вверх ставеньками. При определении непосредственной инсоляции одна из щелей закрывается металлической коробкой (понятно, с опущенной ставенькой), при определении поглощения хлорофиллом обе щели закрыты коробкой, понятно, с открытыми обеими ставеньками. Я назвал этот аппарат фитоактинометром, так как он дает нам меру для той доли лучистой энергии солнца, которая может быть использована растением в самой важной его функции. Вот ряд таких определений для одного и для трёх листьев. Три - максимальное число листьев, которое можно накладывать с пользою для растения; свет, достигающий четвёртого, как показал профессор Мюллер, уже лишён химического действия (1).
Прежде чем воспользоваться этими цифрами для обсуждения вопроса об экономическом коэфициенте и максимальном использовании химического действия солнечного света, нужно еще разрешить вторую из только что указанных задач - определить зависимость химического действия от напряжения света. Очень часто и совершенно произвольно допускают, что фотохимическое действие пропорционально напряжению света, несмотря на то, что совершенно обратное доказано в случаях,
-------------------------------
1. Этот простой термоскопический приём всегда, где он применим, должно предпочитать более хлопотливой и менее надёжной фотометрической оценке поглощения. Эта мысль высказана мною ещё в 1869 году.
-------------------------------
где применялись самые точные методы: стоит напомнить блестящие исследования сэра Вильяма Абнея над фотографическими пластинками.
Влияние напряжения света на разложение угольного ангидрида листом было изучено Волковым, Ван-Тигемом, Крейслером, Фаминцыным, Рейнке, но результаты их не согласны между собою и трудно сравнимы, вследствие чего я предпринял обстоятельное исследование вопроса. Приёмы исследования, которые я употреблял, были следующие. В тёмной комнате при помощи большого гелиостата Фуко (с зеркалом в 80-40 см) и линзы (в 25 см диаметра) получается конус солнечных лучей (рис. 17 и 18). По оси этого конуса располагается оптическая скамья в два метра длиною со скалой, разделённой на сантиметры. По этой скамье двигаются 5 подъёмных столиков, а на каждом из них помещается один из вышеописанных аппаратов (плоских трубок, погружённых в ртуть), содержащих отрезки листьев равной площади. Расстояния на скамье избираются таким образом, чтобы относительное напряжение света выражалось числами 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, причём за единицу принималась непосредственная инсоляция (в нормальном направлении) на расстоянии 2-3 часов по ту и по другую сторону полудня, когда колебание её (как видно ив наблюдений, например, Крова) не особенно велико. Каждый опыт, благодаря чувствительности газометрического метода, уже ранее изложенного, длится не более 15-20 минут, так что можно было вперёд рассчитывать на безоблачное солнце. Эта форма опыта довольно хлопотлива, так как наблюдатель нуждается в особой тёмной комнате и таких ценных и громоздких аппаратах, как большой гелиостат и такая же оптическая скамья, и потому позднее я придумал следующую форму простого переносного аппарата. На этот раз для измерения напряжения света я пользовался законом синусов. Металлическая платформа, вращающаяся вокруг вертикальной оси, может в то же время на шарньере быть установлена в направлении солнечного луча (для чего она снабжена диоптрами). С ней соединяются шарньерами же четыре другие маленькие платформочки (рис. 19 и 20). Каждая из них получает
по прибору с листьями. Эти четыре платформочкп могут быть установлены под такими углами, что листья будут получать свет в отношении 1, 1/2, 1/4, 1/8. Так как опыт длится, как уже сказано, не долее 15-20 минут, то наблюдатель может легко перемещать общую платформу так, чтобы первый лист находился всегда под прямым углом к падающему солнечному лучу. Понятно, здесь приходится принимать во внимание потерю света вследствие различного отражения и поглощения под различными углами стенками сосудов, и по этой причине я предпочитаю в этом случае употреблять плоские трубки, специально изготовленные для меня известной фирмой Лейбольда в Кёльне. Они сделаны из пластинок зеркального стекла, спаянных особой эмалью. Образчик того же стекла исследуется фотометрически, будучи помещён на круге с делениями перед щелью спектрофотометра Дарзонваля.
Третий приём, которым я пользовался в самом начале, заключался в применении моего микроэвдиометра к анализу пузырьков газа, выделяемых водяным растением, например, побегами Ellodea или, ещё лучше, большими листьями Potamogeton lucens. Количества газа, выделяемого в одну минуту, вполне достаточно для измерения и анализа, так что в десять минут тот же объект может быть перемещён в различные точки на оптической скамье. Конечно, этот приём не имеет притязания на такую же степень точности, как первые два, но его недостатки лежат, как уже сказано выше, в самой природе водяного растения. С другой стороны, он имеет то несомненное преимущество, что применяется к одному и тому же объекту, так что все индивидуальные различия устраняются, а равно и промежуток времени так незначителен, что можно быть уверенным в постоянстве светового напряжения в течение всех четырёх или пяти операций каждого опыта.
В целом эти опыты, произведённые различными методами над различными растениями, дали сходные результаты, которые могут быть выражены в следующей кривой (рис. 21), где 100 означает количество угольного ангидрида, разложенное при освещении листа лучом, падающим в нормальном направлении около полудня. Рассмотрение этой кривой допускает следующие выводы.
1. Если принять во внимание все степени напряжения, в пределах которых производились опыты, то о простой пропорциональности не может быть речи. Должно добавить, что Рейнке производил опыты и при более значительных напряжениях. Хотя он производил эти опыты при помощи мало надёжного приёма счёта пузырьков, но в этих широких чертах результаты его опытов могут заслуживать доверие. Подвергая свою веточку Ellodea действию света сходящегося конуса лучей, он мог определить влияние интенсивностей, превышающих непосредственною инсоляцию в 2, 4, 8, 16 раз, и не мог заметить никакого повышения химического действия: кривая переходила в линию, параллельную абсциссе.
2. Максимальное действие достигается при напряжении, приблизительно равном половине напряжения солнечного луча, непосредственно падающего на лист в нормальном направлении.
3. До известной степени напряжения действие можно считать пропорциональным ему. Пройдя известную точку (указанную в рис. 21), дальнейшее возрастание напряжения не сопровождается приростом химического действия.
Мы должны теперь попытаться найти объяснение для общей формы этой кривой. Но, прежде чем перейти к её обсуждению, ещё нужно коснуться одного соображения касательно другой формы работы, производимой лучистой энергией в листе. Визнер поставил вне сомнения, что значительная часть испарения воды, происходящего в зелёном листе, совершается на счёт лучистой энергии, поглощаемой хлорофиллом. Эту долю общего процесса было предложено обозначить термином хлоровапоризация. Мой старый друг, покойный профессор Дегерен, открыл весьма любопытный факт, позднее подтверждённый профессором Зорауером и особенно Жюмелем - именно, что две важнейшие функции листа - усвоение углерода и хлоровапоризация - в известном смысле взаимно дополнительны; испарение воды падает в присутствии угольного ангидрида. Эта связь представлялась бы совершенно естественной - раз тот же источник энергии распределяется между двумя процессами,- если бы мы не знали, как велик избыток солнечной энергии, выпадающий на поверхность листа. Но теперь, когда мы знаем ту долю полной солнечной радиации, которая поглощается листом, мы можем попытаться в общих чертах сравнить это количество лучистой энергии, поглощаемой листом, с тем, которое затрачивается на двойную работу: на химический процесс усвоения углерода и на физический процесс хлоровапоризации.
Мы видели, что поглощение хлорофиллом одного листа достигает 27% падающей на него лучистой энергии (наклонная черта) солнца. Мы видели, что максимальный экономический коэфициент при усвоении углерода в нашем случае достигал (нижняя горизонтальная черта) 3,3%. Но, сверх этого процесса, в листе совершается физический процесс хлоровапоризации. В 1894 году я сделал ряд определений количества воды, испаряемой листьями при тех же условиях, то-есть в тех же плоских трубках над ртутью. При данных условиях опыта - испарении в замкнутых сосудах и насыщенной атмосфере - можно быть уверенным, что большая часть явления должна быть приписана хлоровапоризации (1). Черта (вторая горизонтальная) изображает затрату лучистой энергии на процесс хлоровапоризации (выраженную, как и в предшествовавших случаях, в процентах прямой инсоляции). Эта затрата в средних цифрах достигает 8%. Наконец, третья черта представляет сумму затрат на работу, происходящую в листе, как химическую, так и физическую, приблизительно = 11%. Эта черта в известной точке (б) пересечёт линию доступной листу поглощаемой им энергии. Начиная с этой точки (влево), вся доступная листу энергия будет превращаться в работу и, следовательно, 2 процесса, химический и физический, будут находиться в антагонизме, как это обнаружено Дегереном. Пройдя эту точку (влево), а конечно, и ранее её, так как ни в каком случае экономический коэфициент не может достигать 100%, лист уже не будет получать лучистую энергию в количестве, достаточном для поддержания обоих процессов при их максимуме, и кривая химического процесса, которую мы рассматриваем, должна быстро падать. В этой второй точке (а), доступной хлорофиллу, энергии уже не будет достаточно для поддержания при его максимуме даже одного процесса усвоения углерода. Этих соображений, я полагаю, достаточно для объяснения первой (левой) половины нашей кривой.
Я могу добавить, что эти результаты вполне согласны с позднейшими превосходными опытами Г. Брауна и Ескомба. При
-------------------------------
1. Позднее я сделал несколько сравнительных опытов над зелёной и белой частями того же листа пестролистной Aspidistra, но количества данных ещё недостаточно для правильного вывода.
-------------------------------
непосредственном солнечном свете экономический коэфициент у них был 27%. Когда напряжение падало до одной десятой, экономический коэфициент возрос до 95%, или почти вся доступная энергия превращалась в работу.
Следующий вопрос, который нам предстоит разъяснить, - причина той формы, которую кривая принимает в своей верхней
части, - представляется более загадочным. Конечно, простейшее объяснение для такого химического процесса заключалось бы в предположении, что, начиная с известной точки, лучистая энергия, падающая на лист, будет в избытке. Но можно ли допустить, что солнечная энергия может быть в избытке, помня, какой скромной цифрой выражается экономический коэфициент химической работы?
Очень часто можно слышать мнение, что химический процесс, совершающийся в зелёном листе, представляется парадоксальным. В самом деле, он совершается при обыкновенной температуре, между тем как химическое явление, лежащее в его основе, - диссоциация угольного ангидрида - может быть воспроизведено в наших лабораториях лишь при очень высоких температурах, измеряющихся тысячами градусов. Вот диаграмма Лешателье (рис. 22), изображающая ход диссоциации угольного ангидрида в зависимости от температуры и давления. Но этот парадокс, конечно, только кажущийся, и, если я не ошибаюсь, ещё граф Румфорд показал, каким образом то, что он называл «химическим свойством света», может быть сведено к действию вызываемой им высокой температуры. В его мемуаре «Исследование химических свойств, приписываемых свету» мы встречаем следующее место:
«теплота, вызываемая поглощением лучей света, должна, по необходимости, существовать, по крайней мере, в момент её появления, в почти бесконечно малых пространствах, а отсюда вытекает, что только в телах, которые немыслимо малы, может она вызывать прочные действия (durables effects), сколько-нибудь соответствующие её высокому напряжению».
Ещё ранее, в мемуаре «О распространении тепла в жидкостях», граф Румфорд применяет этот принцип малых пространств, то-есть малой сферы действия, которой ограничивается фотохимическое действие, и к занимающему нас случаю. Вот его слова:
«не может ли наша гипотеза относительно высокого напряжения тепла, развивающегося там, где свет задерживается... помочь нам в объяснении того образования чистого воздуха (pure air), которое обнаруживается в великолепных опытах д-ра Ингенгуза, когда зелёные листья живых растений, погружённые в воду, подвергались действию солнечных лучей».
Под малыми пространствами граф Румфорд, вероятно, разумел пространства молекулярные, но мне представлялось, что было бы интересно проверить его гипотезу и более грубым, приблизительным путём. Теперь, когда мы уверены, что явление совершается в хлоропласте и зависит только от тех лучей, которые поглощаются хлорофиллом, мы можем попытаться получить приблизительное представление о сфере действия солнечных лучей и об интенсивности этого действия. Необходимые данные для этого вычисления будут следующие: общее количество лучистой энергии, измеряемое пиргелиометром; общая площадь, ограниченная кривою Ланглея. показывающею распределение энергии в спектре: часть этой площади, соответствующая спектру поглощения отдельного хлоропласта, и, наконец, толщина слоя красящего вещества в этом хлоропласте.
Общее количество солнечной энергии установлено довольно согласными данными Крова, Ланглея и Савельева. Мне также приходилось делать наблюдения с переносным актинометром Крова. Я полагаю, мы будем всего ближе к исгине, приняв цифру 1,3 калории на квадратный сантиметр в минуту.
Часть энергии, соответствующая поглощению отдельным хлоропластом, была определена следующим образом. Сорби-Браунинговский микроспектроскоп был применён как простой колориметр (то-есть без призмы) для получения раствора хлорофилла той же концентрации, как в хлоропласте (1). Этот раствор был исследован при помощи спектрофотометра Дарзонваля.
Касательно последнего пункта - толщины слоя красящего вещества - мне приходится стать в разрез с ходячими идеями, распространёнными между физиологами. Обыкновенно принимают, что зелёное вещество распределено во всём протопласте. Бо уже много лет тому назад Негели при помощи следующего простого наблюдения показал, что оно ограничивается его поверхностью. Если на микроскопический препарат, заключающий хлорофилловые зёрна (Негели наблюдал зёрна Clivia и Aspidistra), подействовать водой, то они лопаются, и зелёная оболочка, или шелуха, принимает чаще всего форму двух створок. Я неоднократно повторял наблюдение Негели над хлоропластами Fajus, более удобными вследствие их значительных размеров. Освобождённые из клеточек хлоропласта
-------------------------------
1. В действительности был взят раствор половинной концентрации; причина, почему я так поступил, выяснится ниже, когда будет речь о строении хлоропласта.
-------------------------------
рассматриваются в сахарном растворе такой концентрации, в которой они нисколько не изменяются. При разбавлении раствора водой наступает момент, когда зёрна лопаются. Прибавляя в этот момент раствор медного купороса, можно задержать их в этой стадии, и если ещё прибавить эозина, то получаются очень изящные препараты, напоминающие почку розового мака с её двустворчатой чашечкой. Другой способ для изучения распределения красящего вещества в зерне заключается в наблюдении его в красном свете; тогда можно заметить, что так называемые grana выступают в виде чёрных точек, распределяющихся тонким слоем на поверхности.
Если мы желаем, примерно, оценить толщину этой цветной плёнки - строгое измерение, конечно, здесь невозможно, - то получаем величину приблизительно в 1/10 микрона. Вооружившись всеми этими необходимыми данными, мы можем, наконец, получить приблизительное представление о температуре, которая могла бы быть достигнута в этом слое хлорофиллового пигмента, предполагая, конечно, что вся эта лучистая энергия могла бы накопляться без обратного излучения. Мы получаем поразительную цифру - около 6 000°!
Я знаю из собственного опыта, как трудно свыкнуться с такими цифрами. Но некоторые аналогии нам в этом помогут. Когда мы ударяем сталью о кремень в отвесном направлении, мы, конечно, достигаем только незначительного повышения температуры, но, если искусным ударом по касательной мы сосредоточиваем всю затраченную энергию на небольшом отскакивающем осколке, мы доводим его до белого каления. Или остановимся на аналогии, более близкой к нашему случаю: при помощи собирательного стекла мы получаем на солнце температуры в тысячи градусов, как это было недавно осуществлено профессором Церасским. В этом случае мы концентрируем солнечный свет в плоскости, вертикальной к направлению луча, но мы можем сделать то же самое и по третьей оси, то-есть в направлении самого луча, уменьшая толщину поглощающего свет слоя. Было вычислено, что платиновая (вычерненная) пластинка не толще 1/500 миллиметра, будучи выставлена на солнечный свет, могла бы расплавиться - понятно, всё в том же предположении, что могло бы быть устранено обратное излучение. Да и на практике увеличение чувствительности современных термоскопических приборов (болометра, термоэлектрического столбика Рубенса и пр.) основано на уменьшении толщины воспринимающих лучи металлических частей. Мне кажется, что и на этот раз можно повторить остроумные слова Г. Брауна: мы всё более и более убеждаемся, что растение обладает гораздо более основательными сведениями по физике, чем мы готовы допустить.
Конечно, об этих высоких температурах, как таковых, не может быть и речи, и если я настаиваю на этом термометрическом сравнении для разъяснения действия той лучистой энергии, которая накопляется в такое короткое время в таком ничтожном пространстве, то лишь с целью показать несостоятельность выше приведённого парадокса и указать на аналогию с процессом диссоциации, так превосходно изученным химиками. В действительности мы, вероятно, имеем здесь дело с процессом, обратным тому, который Видеман назвал хеми-люминесценцией, то-есть с прямым переходом лучистой энергии в химическую работу без промежуточной, хотя бы скоропреходящей, стадии высокой температуры. Таким путём легко объяснился бы кумулирующий, интегрирующий характер фотохимических процессов. В отсутствие угольного ангидрида лучистая энергия, не превращающаяся непосредственно в химическую работу, проявляется как теплота, ускоряющая процесс хлоров апоризации.
Возвращаясь к нашей кривой, изображающей связь между напряжением света и количествами диссоциированного в листе угольного ангидрида, и сравнивая её с диссоциационной кривой Лешателье, мы, может быть, вправе приписать их бросающееся в глаза сходство той же причине. Не можем ли мы допустить, что в известной точке, где кривая принимает горизонтальное направление, температура хлорофилловой плёнки - позволяю себе ради аналогии ещё раз прибегнуть к этому термину - напряжение энергии, накопляющейся в таком малом пространстве, так высоко, что диссоциация угольного ангидрида (при данном парциальном давлении) будет полная. Понятно, что, пройдя эту точку, никакое дальнейшее повышение температуры не будет уже оказывать влияния на химический процесс, и кривая получит направление, параллельное абсциссе.
Конечно, я не утверждаю, что обе цифры вполне совпадают (у меня половина 6 000°, то-есть приблизительно 3 000°), но во всяком случае это величины одного порядка. Как бы то ни было, мы должны допустить, что в тонкой плёнке хлорофилла, в которой осуществляются условия, тождественные с действием очень высокой температуры, между тем как окружающая среда остаётся холодной, частицы угольного ангидрида находятся в состоянии, особенно благоприятном для их диссоциации, очень сходном с тем, которое наблюдается в классической tube chaud et froid* Генри Сент-Клер Девиля.
Эти соображения касательно крайней тонины слоя хлорофилловой плёнки приводят и к иного рода соображениям, значение которых нельзя не отметить. Мы в первый раз получаем хотя бы приблизительное представление о степени концентрации красящего вещества в хлоропласте. Если принять за единицу концентрацию раствора, представляющего в толщине 1 сантиметр типическую изумрудно-зелёную окраску и характеристический спектр (с 4 полосами), то придём к довольно неожиданному заключению, что в естественном состоянии в хлоропласте концентрация пигмента будет приблизительно в 4 000 раз более. Практически это будет почти твёрдое состояние, и поверхностный цвет его будет почти чёрный. Из этого факта можно сделать два немаловажные вывода. Во-первых, получается объяснение для почти полного отсутствия флуоресценции, которым отличаются живые зелёные органы. Из обстоятельного исследования Вальтера вытекает, что флуоресценция быстро падает с концентрацией раствора. Если принять во внимание состоя-
-------------------------------
1. В опытах Сент-Клер Девиля рядом с накалённой поверхностью помещалась холодная, что обеспечивало быстрое охлаждение веществ, только что подвергавшихся действию высокой температуры. Ред.
-------------------------------
ние концентрации хлорофилла в хлоропласте, то можно себе объяснить это отсутствие флуоресценции и в то же время должно допустить, что химический процесс, совершающийся в хлорофилле, будет тем более энергичен, чем слабее флуоресценция, так как известен факт, что растворы хлорофилла, представляющие наименьшую флуоресценцию, всего легче обесцвечиваются при выставлении на свет.
Другой вывод, пожалуй, ещё более существен. Неоднократно повторялась мысль, что хлорофилл, извлечённый из растения, утрачивает свою способность разлагать угольный ангидрид, в подтверждение чего приводились опыты, в которых раствор хлорофилла, выставленный на свет в соприкосновении с угольным ангидридом, не разлагал его. Теперь мы видим, что все эти опыты лишены убедительной силы, так как условия совсем не те, что в хлоропласте. Всё равно, как если бы мы желали определить поглощение света сажей и взяли для этого не чистую сажу, а смесь одной её части и 4 000 частей окиси цинка. Хлорофилл, собственно говоря, почти чёрное тело, и если мы его называем зелёным, то приблизительно в том же смысле, в каком мы, пожалуй, могли бы назвать сажу жёлто-бурой, так как в тонком слое она действительно такого цвета. В растворах хлорофилла, которые употреблялись до сих пор, то же количество энергии, которое в хлоропласте сосредоточено в тонкой плёнке, распределено в слое жидкости, толщина которого в тысячи раз более. Я не хочу этим сказать, что опыт с хлорофиллом в состоянии большой концентрации должен дать положительные результаты, но он может их дать, и, во всяком случае, обратное не доказано. По крайней мере, я не вижу, почему хлорофилл сохраняет своё действие как сенсибилизатор на AgCl и AgBr, а должен утратить это свойство по отношению к угольному ангидриду, - различие двух явлений, конечно, только количественное, а не качественное.
Прежде чем покинуть обсуждение этой кривой, я желал бы указать на некоторые выводы, которые можно сделать из этого вакона зависимости усвоения углерода от напряжения света в применении к известным фактам, касающимся географического распределения и биологических особенностей растений. Хорошо известен факт, что в высших широтах растение требует более короткого промежутка времени для достижения известных стадий развития, чем в низших широтах. Это обыкновенно приписывают большей продолжительности дня. Но и солнце стоит тогда не так высоко, и до той поры, пока предполагалось, что действие света пропорционально его напряжению, это объяснение было очевидно неудовлетворительно. Теперь, когда мы знаем, что только приблизительно половина непосредственной полуденной инсоляции может быть использована, мы можем легче понять, что более долгий период при менее значительной высоте солнца оказывается более полезным, чем период более короткий при более высоком стоянии солнца.
Мы вправе сделать ещё шаг далее и притти к заключению, что значительное напряжение солнечных лучей около полудня может быть не только бесполезно для растения в отношении усвоения углерода, но прямо вредно, как вызывающее усиленное испарение, которое может даже грозить самому существованию растения в периоды засух. Ботаникам хорошо знакомы самые разнообразные формы и движения листьев, начиная с пушистости верхней поверхности и оканчивая вертикальным положением (ребром к зениту) пластины, постоянным, как у растения-компаса, или периодическим (около полудня), как у многочисленных растений, представляющих явления дневного сна. Все эти особенности справедливо рассматриваются как приспособления, сводящие к минимуму процесс испарения. Но можно было бы подумать, что эта экономия в испарении не может быть осуществлена без соответственного ущерба для усвоения углерода. Избегая жажды, растение будет страдать от голода. Теперь мы можем быть уверены, что на деле этого не будет, так как уже половины полуденной инсоляции достаточно для поддержания максимального питания. Здесь (рис. 23) мы имеем дневную кривую инсоляции в калориях (по Крова), переведённую на горизонтальную поверхность обыкновенного листа, и двойную кривую, изображающую количество лучистой энергии, доступное листу растения-компаса с его пластинами, расположенными в плоскости меридиана, ребром кверху. Если мы припомним вновь, что только половина энергии, доставляемая солнцем в полдень, может быть использована в процессе усвоения углерода, то легко усмотрим, что площади Ann С для горизонтального и ADDC для вертикального листа мало одна от другой отличаются, между тем как в этом последнем случае растение будет ограждено от зловредного действия большого избытка лучистой энергии в часы, близкие к полудню, когда влажность атмосферы (кривая пп) наименьшая и, следовательно, испарение наиболее сильное.
Те же соображения применимы и к листьям, имеющим белое опушение на верхней поверхности, которое можно уподобить матовому стеклу (1). До тех пор, пока этот экран не ослабляет напряжения света ниже его половины около полудня (при нормальном направлении луча), растение будет в выгоде по отношению к испарению - без ущерба для питания.
Мы можем этим ограничить те выводы, которые вытекают из рассмотрения оптических свойств хлорофилла. В противность Саксу, мы вправе сказать, что всё, что нам известно о функции хлорофилла, может быть выведено из его оптиче-
----------------------------------
1. Опушение нижней поверхности служит только как средство для вадержания движений воздуха, а может быть, как «фон», отражающий обратно лучи света для их вторичной химической утилизации.
----------------------------------
ских свойств, и этот вывод вполне понятен, так как процесс усвоения углерода - в то же время процеес усвоения солнечного света (1). Таким образом, функция хлорофилла может быть по праву названа космической функцией растения. Профессор Больцман в замечательной речи, произнесённой в Венской академии в 1886 году, выразил эту мысль в очень красноречивой форме:
«Всеобщая борьба за существование, охватывающая весь органический мир, не есть борьба за вещество: химические элементы органического вещества находятся в избытке {в воздухе, воде и земле; это также не борьба за энергию, - она, к сожалению, в непревратимой форме, в форме теплоты, щедро рассеяна во всех телах; это борьба за энтропию, становящуюся доступной при переходе энергии от пылающего солнца к холодной земле. Для возможного использования этого перехода развёртывает растение неизмеримую поверхность своих листьев и вынуждает солнечную энергию, прежде чем она упадёт до уровня температуры земли, вызывать какими-то, ближе не исследованными путями, химические синтезы, ещё неведомые нашим лабораториям. Продукты этой-то химической кухни и составляют предмет борьбы в животном царстве».
С такой точки зрения исследованный нами вопрос о космической роли растения является какою-то пограничною областью между двумя великими научными обобщениями прошлого века, связанными с именами лорда Кельвина и Чарлза Дарвина - между учением о рассеянии энергии и учением о борьбе за существование. С чувством глубокого благоговения перед памятью великого учёного вспоминаю я слова, много лет тому назад слышанные в Дауне из уст самого покойного Дарвина: «Хлорофилл - это, быть может, самое интересное из органических веществ».
-----------------------------------
1. Об усвоении света растением» - таково подлинное ваглавие моей первой русской работы 1875 года; совсем недавно я с удовольствием встретил это выражение в Naturphilosophie профессора Оствальда. [Статья «Об усвоении света растением» помещена в сборнике «Солнце, жизнь и хлорофилл». ГИЗ. 1923, а также Соч., т. II. См. 460 стр. настоящего тома. Ред.]
-----------------------------------
Если, таким образом, мы в праве считать, что наши современные представления о космической природе процесса, совершающегося в зелёном растении, являются плодом блестящих завоеваний современной физики, то, с другой стороны, только справедливо попытаться найти первых пионеров этой важной научной идеи о связи между растительным миром и солнцем, проявляющейся в хлорофилловой функции. Прежде всего нужно отдать полную справедливость Сенебье, вполне проникнувшемуся идеей об этой удивительной связи. Но ещё ранее этого заключения мы должны воздать должное одной научной теории, которая слишком часто упоминается только как пример аберрации человеческого ума. Я разумею теорию флогистона. Конечно, можно было ожидать, что теория, имевшая своими адептами таких учёных, как Пристли, как Кавендиш, не могла быть просто признана абсурдом, и мы действительно знаем, что Гельмгольтц и особенно Одлинг сделали попытку её реабилитации. Для того, чтобы схватить истинный смысл этой знаменитой теории, мы должны только подставить вместо этого злополучного слова «флогистон» более привычное нам выражение - потенциальная энергия, и мы увидим, как близки были основные представления защитников флогистона о занимающем нас явлении к нашим современным понятиям. Стоит остановиться на следующих словах Сенебье:
«Мне кажется, что я вижу, как частицы света соединяются с телами; я хотел бы думать, что этот свет вновь будет поражать мои взоры в пламени горючих веществ; мне кажется, что он образует эти смолы, с которыми имеет так много сродства, эти маслянистые вещества, насыщенные его теплотой, его пламенем, эти спиртовые частицы семян и плодов, пропитанные его огнём... Наконец, этот флогистон, который солнце отлагает в растении, не будет ли он источником того, который обращается в других царствах природы?»)
Когда ботаник-турист, посещающий женевский ботанический сад, останавливается перед рядом мраморных бюстов внаменитых ботаников, уроженцев этого города, с Сенебье на первом плане, он может быть уверен, что стоит у колыбели физиологической ботаники XIX века, точно так же, как в наши дни, если бы он хотел увидать, откуда, несомненно, начнётся современное движение зарождающегося столетия, он должен направить свои шаги в другой ботанический сад, поближе к нам (1), и приветствовать в Джодрельской лаборатории новую точку отправления по пути, впервые проложенному Сенебье и Соссюром.
В нашем историческом обзоре мы должны, однако, отступить ещё на одно столетие. Сенебье, с его обычной правдивостью, упоминает автора, которому он сам обязан своими основными представлениями о связи между светом и веществом. Мы найдём эту мысль в книге, «написанной», как нас уведомляет сам автор, «по желанию некоторых членов королевского общества и читанной в его заседаниях». Мы должны открыть «третью книгу» Оптики и прочесть «Вопрос 30», начинающийся словами:
«Не могут ли грубые тела и свет взаимно превращаться и не могут ли тела получать значительную часть своей деятельности от частиц света, вошедших в их состав? Потому что все горючие тела при нагревании выделяют свет до тех пор, пока остаются достаточно нагретыми, и, наоборот, свет задерживается телами, когда ударяется о их частицы, как это было выше показано». Несколькими строками далее мы читаем снова:
«Превращение тел в свет и света в тела совершенно согласно с общим порядком природы, которая, повидимому, любит (is delighted) превращения», и, наконец, вслед за перечислением примеров таких превращений, следует заключение: «в ряду таких разнообразных и странных превращений почему бы природе не превращать тела в свет и свет в тела?»
Если, по прочтении этих строк, мы обратимся к микроспектру и увидим, как хлорофилловые зёрна, сохраняя свой обычный цвет и прозрачность в жёлтых и зелёных частях спектра, становятся чёрными, как угольки, при перемещении их в красную или синюю часть спектра, то можем быть уверены, после
---------------------------------
1. Ботанический сад Кью близ Лондона.
---------------------------------
всего, что было ранее сказано, что мы действительно присутствуем здесь при таинственном процессе «превращения света в тела», благодаря которому этот ничтожный чёрный комочек вещества является истинным звеном, соединяющим величественный взрыв энергии в нашем центральном светиле со всеми многообразными проявлениями жизни на обитаемой нами планете.
Призма более чем два века тому назад раскрыла природу солнечного луча. Призма же, у нас на глазах, в руках нашего председателя (1), сэра Нормана Локиера и других искусных исследователей, продолжает раскрывать тайну происхождения этого луча, и я убежден, что опять та же призма раскроет и конечную судьбу этого луча здесь на земле - его «превращение в тела».
Таким образом, мы приходим к окончательному выводу, что в этой книге «Оптики» мы встречаем не только первую и самую широкую постановку занимающей нас задачи, но и верное средство для её разрешения.
Не гадал Джонатан Свифт, когда строчил свою ядовитую сатиру на королевское общество (2), что то, что ему представлялось очевидным бредом сумасшедшего, оказалось пророческим откровением бессмертного гения Ньютона.
----------------------------
1. Сэра Вильяма Гуггинса, справедливо считающегося пионером астрономической спектроскопии.
2. Известно, что под академией в Лагадо Свифт разумел королевское общество.
----------------------------
