Прибор для исследования воздушного питания листьев и применения искусственного освещения к исследованиям подобного рода


К. А. Тимирязев. Избранные сочинения в 4-х томах.
ОГИЗ - СЕЛЬХОЗГИЗ, М., 1948 г.
Солнце, жизнь и хлорофил. Публичные лекции, речи и научные исследования.
OCR Biografia.Ru


Усвоение углерода зелёными частями растений под влиянием солнечных лучей, без сомнения, самое важное, самое, если можно так выразиться, типическое отправление растительного организма. Процесс этот одним из первых сделался предметом опытных исследований. Понятно, что мысль о происхождении углерода растений из воздуха, мысль о воздуш-
----------------------------------
* Из трудов I Съезда русских естествоиспытателей и врачей. СПб., 1867-1868 гг. Отдел ботаники, стр. 74.
«Прибор для исследования воздушного питания листьев» был первою научною работою К. А. Тимирязева, с которой он выступил 5 января 1868 г. на заседании Ботанической секции I Съезда русских естествоиспытателей и врачей, происходившего в Петербурге с 27 декабря 1867 г. по 6 января 1868 г. Этот прибор сам К. А. на лекциях называл походным; под таким названием он и применялся в лаборатории. Весь прибор с дополнительными частями свободно умещается на лёгком деревянном штативе. С ним произведено большое число исследований. Этот прибор был составлен К. А. ещё до его заграничной командировки в 1869 г. и до занятий его в лаборатории Вунзена. В этом приборе осуществлено правило газового анализа: исследуемый газ, и во время опыта, и во время анализа, приходит в соприкосновение только со стеклом и со ртутью. Этим прибор чрезвычайно выгодно отличается от вошедшего в большое число учебников прибора Пфеффера. Пфеффер в эвдиометрической трубке припаивал наверху тонкую отводную стеклянную трубку; на неё он надевал каучуковую трубочку, через которую вытягивал часть воздуха и которую замыкал стеклянной палочкой, так что газ, содержащий углекислоту, всё время соприкасался с каучуком; см. критику этого приёма у К. А. Тимирязева. Ред.
----------------------------------
ном питании листьев могла возникнуть только тогда, когда вследствие великих открытий Лавуазье был создан закон неис-чезаемости вещества. К этому времени, т. е. к концу истекшего и к первым годам настоящего столетия, и относятся важнейшие, классические работы по этому вопросу; с тех пор наука ничего или почти ничего не приобрела в этом направлении.
Но между тем в параллель с величайшим научным обобщением восемнадцатого столетия - законом неисчезаемости вещества - девятнадцатый век провозгласил другой закон, не менее общий, не менее богатый последствиями, - закон неисчезаемости, или сохранения, силы. Этот закон, столь плодотворный, проливший столько света в других областях знания, в физике, в химии, в физиологии животных, не мог остаться без влияния на физиологию растений.
В процессе усвоения углерода следует различать, собственно, два процесса: восстановление, или, вернее, диссоциацию углекислоты и, по всей вероятности, воды, и образование из продуктов разложения органического вещества. Тот и другой процессы сопровождаются поглощением живой силы, как это, очевидно, вытекает из исследований С. Клер Девиля (1) и Бертло (2). Первый показал, что диссоциация углекислоты может быть произведена при высокой температуре, а второй - что синтез органического вещества сопровождается значительным поглощением теплоты. Источник этих сил, необходимых для образования органического вещества в растении, - солнце.
----------------------------------
1. Lecons sur la dissociation.
2. Methodes generates de Synthese organique и Thermochimie. An. de Ch., 97, 1865.
----------------------------------
Согласно с расширением воззрений, господствующих в науке, изменяется и задача исследователя. На основании всего сказанного, наука при исследовании занимающего нас явления не может в настоящее время довольствоваться одним количественным определением превращающихся при этом процессе веществ; она должна стремиться к столь же строгому учёту тех сил, которые участвуют в этом явлении.
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, т. е. до их превращения во внутреннюю работу, определить соотношение между действующей силой и произведённой работой - вот та светлая, хотя, может быть, отдалённая задача, к достижению которой должны быть дружно направлены все силы физиологов.
А между тем, если обратиться к истории этого вопроса, убеждаешься, как бедна изысканиями подобного рода ботаническая литература. Можно сказать, что со времени Соссюра наука нисколько не подвинулась в понимании этого явления.
Одна из главнейших причин этого застоя заключалась в отсутствии простого, лёгкого, но в то же время точного способа исследования этого явления. Существовали превосходные точные способы, но они были применимы лишь для простого количественного определения углекислоты и выделяющегося кислорода. Голое констатирование этого факта разложения углекислоты представлялось уже сложным, затруднительным опытом, каково, например, классическое исследование Буссенго над лозой. Производить же эти опыты при изменённых химических и физических условиях было решительно невозможно. С другой стороны, всякий раз, когда желали делать подобные исследования, приходилось удовлетворяться менее точными методами, дававшими сомнительные результаты. Следующий пример лучше всего объяснит высказанную мысль. Разложение углекислоты в различных частях солнечного спектра составляло предмет исследований целого ряда учёных: Добени, Дрэпер, Гарднер, Гунт, Гладстон, Клоез, Сакс, Волков один за другим занимались этим вопросом. Повидимому, предмет этот имеет обширную литературу, и, однако, если тщательно анализировать эти работы, окажется, что ни одна из них не выдерживает строгой критики с точки зрения методов, употреблённых их авторами. Достаточно, например, указать на громадный процент азота, полученный всеми без исключения исследователями. Притом замечательно, что позднейшие работы уступают во всех отношениях более старым; так, Сакс и Волков уже отступились от строго количественного, химического пути и как бы обошли вопрос, ограничиваясь счётом пузырьков газа непостоянного состава (1).
Приведённый пример доказывает, что в науке ощущался недостаток в простом, но точном способе исследования этого явления. Этот недостаток пополнен; этот способ дал в последнее время Бусеенго. В ряде мемуаров «Sur la fonction des f euilles» (2) этот учёный в первый раз употребил метод, дозволяющий изучить это явление в его простейшей форме, т. е. над одним листом, и притом со всей требуемой точностью и при всевозможных искусственных условиях. Но, к сожалению, в этих мемуарах (3) мы не находим никаких указаний ни на устройство прибора, ни на приёмы исследования, словом, ничего, относящегося до экспериментальной стороны вопроса. В них даже встречаются некоторые противоречия, приводящие сначала в сомне-
---------------------------------
1. В настоящее время этот недостаток исследования о влиянии различных частей солнечного спектра на разложение углекислоты отчасти пополнен работой Кальте (Comptes Rendus, 1867, LXV, 8), произведённой, повидимому, по способу Буссенго.
2. Comptes Rendus, 1866-66.
3. Они составляют часть подготовляемого автором большого сочинения. [Подробное описание, с аналитическими приложениями, Вуссенго привёл в своей Agronomie, Chimie vegetale et Physiologie, см. т. 3, стр. 266, изд. 2, 1864, в статье «Experiences entreprises pour rechercher s'il у a emission de gaz asote pendant la decomposition de l'acide carbonique par les feuilles» (Опыты, предпринятые для исследования, не происходит ли выделения газообравного азота во время разложения углекислоты листьями) и там же, т. 4, стр. 267, изд. 2, 1868, «Etude sur les functions des feuilles» (Очерк деятельности листьев). Ред.]
---------------------------------
ние: так, например, Бусеенго говорит, что сосуд, в котором помещались листья, замыкался ртутью, и вслед за тем приводит целый ряд наблюдений над вредным влиянием ртутных испарений.
Занимаясь летом прошлого, 1867, года исследованиями над воздушным питанием листьев, я старался устроить прибор, по возможности, простой и удобный и после нескольких попыток остановился на следующем, к описанию которого и перехожу. Состоит он из обыкновенной так называемой абсорбционной трубки с кубическим делением на 1/2 и 1/5 доли кубического сантиметра. Понятно, что точность результатов при той и другой трубке одинакова, если для исследования берётся лист с произвольною поверхностью, но при данном листе с небольшой поверхностью следует оказывать предпочтение второй, как более чувствительной. Трубка погружается в небольшую ртутную ванну (1). Лист вводится в трубку посредством весьма простого приспособления: в небольшую перекладину из пробки величиною в диаметр трубки вставляется запаянный снизу кончик стеклянной трубки; трубочка эта наполняется водою и в неё погружается черешком или влагалищем (у злаков) испытуемый лист. Таким образом лист осторожно вдвигается в верхнюю часть трубки. Для получения определённого объёма воздуха ртуть всасывается в трубку до желаемой высоты посредством введения в неё каучуковой трубочки*, которая затем вытягивается; для устранения вредного влияния ртутных испарений и для поддержания атмосферы влажною поверхность ртути покрывается тонким слоем воды, которую вводят туда посредством обыкновенной шшеты с каучуковым шаром. Производят отсчитывание, наблюдая температуру и высоту барометра. Из прибора, служащего газометром (2), пропускают
-------------------------------------
1. Благодаря этому приспособлению можно обходиться с незначительным количеством ртути, что во многих отношениях удобно, и притом лист не приходит в прикосновение с ртутью, что было бы неизбежно при обыкновенном наполнении трубки ртутью.
2. Обыкновенного так называемого либихова прибора для сернистого водорода.
* Этим приспособлением для вытягивания желаемой части воздуха с помощью уэкой каучуковой трубки весь приём исследования отличается от приёма Буссенго, который целиком воспользовался методом газового анализа Бунзена. Буссенго брал очень длинную эвдиометрическую трубку, до 800 мм, и начинал с того, что после ваполнения всей трубки ртутью вводил в неё углекислоту. Измерив объём взятой углекислоты, он вводил лист, погрузив его в ртуть, в наклонённую трубку, перенесённую на большую ртутную ванну, с помощью железной ложки. Для такого введения под ртутью пригодны только кожистые листья, которые преимущественно и брал Буссенго для своих опытов. После введения листа Буссенго прибавлял в эвдиометрическую трубку атмосферный воздух или другие газы. В приёме же К. А. Тимирязева начинают с того, что лист вводят в трубку, в которой находится атмосферный воздух, до её погружения открытым концом в чашечку с ртутью; для опыта можно брать совсем мягкие листья - они не повреждаются протискиванием их в трубку под ртутью. Ред.
------------------------------------
желаемый объём углекислоты (1), что достигается со всею желаемой точностью посредством так называемого доэровского зажима. Снова производят отсчитывание и выставляют прибор на свет. По окончании опыта отсчитывают остаток углекислоты, поглощая едким кали, вводимым посредством пипеты, и снова отсчитывают. Из разности углекислоты до и после опыта заключают о количестве её исчезнувшем, т. е. разложенном листом.
Удобства этого способа исследования заключаются в следующем: 1) исследование производится над отдельным листом, а не над целым растением (следовательно, не происходит одновременного выделения углекислоты незелёными частями растения), и притом в его естественной среде; 2) определяется абсолютное количество углекислоты, а не процентный состав пробы
-----------------------------------
1. Испытывают предварительно её чистоту, пропуская несколько пузырьков её в едкое кали.
-----------------------------------
газа, и не определяется ничего лишнего, как например, кислорода; 3) при исследовании не требуется никаких лабораторных пособий: ни весов, ни аспираторов, ни больших количеств ртути и пр.; 4) наконец, прибор этот вполне переносный; мне случалось производить наблюдения в поле, срывая лист и помещая его тут же рядом в приборе. Таким образом, можно изучать это отправление растения при его естественной обстановке: живущего в лесу - в тени, живущего в степи - под палящими лучами солнца. Подобные многочисленные наблюдения помогут, быть может, разъяснить некоторые вопросы географии растений, например, спорный вопрос - могут ли обыкновенные метеорологические данные служить мерилом климатических условий, в которых живёт растение.
Второе, после точного метода, важнейшее условие, о котором должен заботиться исследователь, - это возможность поставить свои наблюдения вне зависимости от случайностей, по возможности, иметь их в своей власти. Исследования над усвоением углерода растениями требуют света, а солнечным светом у нас на севере можно пользоваться очень непродолжительное время. По Веселовскому, в Петербурге в среднем выводе бывает не более 150 солнечных дней. В виду этого неблагоприятного обстоятельства, а также в виду превосходных результатов, полученных А. С. Фаминцыным относительно воспитывания водорослей при искусственном свете, любопытно было предпринять ряд исследований для прямого разрешения вопроса: разлагают ли растения углекислоту при искусственном освещении. Относительно этого вопроса уже существовали указания в литературе. Так, де-Кандоль и Био наблюдали, происходит ли при искусственном свете выделение газа на поверхности зелёных частей растений, погружённых в воду, и оба пришли к отрицательным результатам.
Де-Кандоль (1) производил свои опыты в погребе, освещенном 6 аргандовыми лампами, свет коих, по его мнению, равнялся 6/6 солнечного (2). Листья Eucomis punctata, Lycium barbarum, Phillyrea media, Sempervivum arboreum, Aristolochia Sipho, освещенные в продолжение 8 часов, не выделяли газа, а газ, собранный по прошествии 24 часов и подвергнутый анализу Вокленом, содержал всего 2% кислорода.
Био подвергал листья Agave americana свету своего геодезического сигнального аппарата и не замечал выделения газа, между тем как он начинал выделяться немедленно, как только выставляли лист на солнце. Таким образом, оба исследователя пришли к заключению, что при искусственном свете выделения кислорода не происходит, хотя должно заметить, что при употреблённом ими способе исследования небольшие количества кислорода могли ускользнуть от наблюдения. Между тем, А. С. Фаминцын получал при ламповом свете вполне нормальное развитие водорослей, образование крахмала и, что всего важнее, выделение на поверхности совершенно здоровых организмов пузырьков газа, по всей вероятности, кислорода (3).
Полученных мною данных ещё недостаточно по причинам, изложенным ниже, для произнесения какого-либо окончательного заключения, но из производимых опытов оказывается, что в тех случаях, в которых было замечено разложение углекислоты, оно происходило в самых незначительных размерах, как это можно усмотреть из следующего сравнения разложения при ламповом и солнечном свете. Источником света служил мне фонарь А. С. Фаминпына, описанный им в его работе над
---------------------------------
1. Mem. pres. a l'Acad. des Sc. par divers Savants. T. I. Experiences relatives a l'influence de la lumiere sur les vegetaux. Lu le 26 thermidor an 8, § 4.
2. Это, очевидно, ошибка или опечатка, так как из приводимых им цифр (заимствованных у Румфорда и Бугера) можно заключить, что оно равнялось 1/296 солнечного.
3. Действие света на водоросли и некоторые другие близкие к ним организмы. С.-Петербург, 1866.
---------------------------------
крессом (1), но освещение было слабее, так как то же количество света, которое в его опытах сосредоточивалось на нескольких нитях водоросли, у меня распределялось на сравнительно значительную поверхность листа.
Вот некоторые из полученных мною результатов. Лист олеандра, с поверхностью в 24 кв. см, при ламповом свете в продолжение 12 часов не разложил ничего. Между тем лист Amygdalus папа (я выбираю именно его, так как из всех исследованных мною летом листьев он наиболее подходит по консистенции и цвету к олеандру), с поверхностью в 7 кв. см, при июльском солнце разложил в продолжение 6 часов 4,6 куб. см углекислоты, следовательно, поверхность в 24 кв. см в течение 12 часов разложила бы 32 куб. см.
Опыт, повторённый над подобным же листом олеандра, дал снова отрицательный результат.
Лист папируса с поверхностью в 11,2 кв. см в продолжение 40 часов разложил 1 куб. см; за то же время при летнем солнечном свете одинаковая поверхность листа овса разложила бы 55, просо - 70 куб. см. Все приведённые здесь летние наблюдения произведены при условиях, которые можно считать за maximum инсоляции, так как термометр с чёрным шариком во всё время не показывал менее 30-33°.
Веточка мирты при 12-часовом освещении лампою в одном случае дала 0,8 куб. см, а в другом - ничего.
Впрочем, все эти результаты могут быть объяснены болезненным состоянием растительности в эту пору года (в декабре). В подтверждение этого я могу даже привести следующий факт: веточка мирты, выставленная на рассеянный свет в продолжение 6 часов, не разложила ничего.
Для окончательного разрешения вопроса необходимо повторить эти опыты весною или летом, выставляя один и тот же лист несколько раз попеременно на солнечный и ламповый свет.