Тимирязев как открыл фотосинтез
Тимирязев Климент Аркадьевич. Вклад в понимание природы фотосинтеза
Климент Аркадьевич Тимирязев родился 25 мая (3 июня) 1843 года в Санкт-Петербурге. Отец был потомственным дворянином, служил начальником Санкт-Петербургского таможенного округа. Тимирязев получил отличное домашнее образование и в 1860 году стал студентом-юристом Санкт-Петербургского университета. Почти сразу перевелся на естественное отделение физико-математического факультета. В 1861-м был отчислен из-за участия в студенческом движении. Через год допущен к обучению в качестве вольнослушателя. В 1866 году окончил университет, получил степень кандидата. В 1868-м началась научная карьера Тимирязева: он опубликовал свою первую работу по изучению фотосинтеза и отправился за границу, где работал в лабораториях крупных физиков, химиков, ботаников. В 1871 году защитил магистерскую диссертацию, устроился работать в Петровскую сельскохозяйственную академию близ Москвы. В 1875-м стал доктором ботаники, с 1877-го читал лекции в Императорском Московском университете. Работал над проблемами фотосинтеза, активно применял научные достижения на практике. Стал членом-корреспондентом Санкт-Петербургской академии наук, был членом многих зарубежных научных обществ и учебных заведений. В 1911 году по политическим причинам ушел из университета. Тимирязев приветствовал Октябрьскую революцию, так как был убежденным республиканцем. Умер Климент Тимирязев 28 апреля 1920 года в Москве.
В начале XIX века ученые имели несколько смутное представление о том, какие процессы происходят в растениях. Сначала стало известно, что растения выделяют кислород, потом выяснилось, что кислород выделяется, только если они находятся на свету. Чуть позже было установлено, что в растениях образуются органические вещества, а отвечает за этот процесс особый пигмент, содержащийся в зеленых листьях, — хлорофилл.
А какую же роль в изучении фотосинтеза сыграл русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев? Одну из самых главных — он установил, что именно зеленый пигмент хлорофилл является главным звеном в процессе фотосинтеза. Он же доказал, что скорость и эффективность процесса фотосинтеза различны при освещении растений светом разного спектрального состава (в красных и синих лучах все реакции идут наиболее быстро и эффективно, а в желтых фотосинтез идет гораздо хуже) и что в растениях происходит реакция разложения углекислого газа именно под действием света.
Тимирязев первым изучил самые важные свойства хлорофилла, его состав и взаимодействие со световыми лучами, установил, как с помощью хлорофилла происходят реакции деления углекислоты на углерод и кислород. Как в общем случае протекает реакция фотосинтеза? Из названия явствует («фото» с греческого «свет», а «синтез» — «совмещение»), что только под действием света. Если говорить о локализации процессов фотосинтеза, то они происходят в особых органеллах растительной клетки — хлоропластах, где сосредоточен весь хлорофилл. В хлоропласты поступают углекислый газ и вода, распадающиеся на составные части (водород, углерод, кислород), из которых и синтезируются органические вещества. Все они имеют огромное значение для всего живого на нашей планете, так как являются первичными во всех пищевых цепочках. На эту важнейшую роль фотосинтеза и, соответственно, растений указал Тимирязев.
Климент Тимирязев был не только ученым-теоретиком, но и прекрасным практиком, причем весьма разносторонним. Ученый, работавший во многих областях ботаники, старался применить результаты своих работ на деле, создавал уникальные по тем временам установки и приборы, обладающие высокой чувствительностью и точностью. С их помощью Тимирязевым и были установлены многие факты о фотосинтезе.
Всю свою жизнь Климент Аркадьевич занимался проблемой фотосинтеза, предлагал новые гипотезы, экспериментально подтверждал теории. Его наработки в этой области активно использовали исследователи, работавшие много позже. Всемирная слава пришла к ученому при жизни, а результаты его трудов составляют базу современных знаний об удивительном процессе фотосинтеза.
Работы Тимирязева служили для дальнейших открытий в области фотосинтеза. Так, с помощью углекислого газа с мечеными атомами углерода американскому биохимику Мелвину Кальвину удалось выяснить химию усвоения углекислого газа, так называемый цикл Кальвина. Это, в свою очередь, послужило толчком для дальнейшего развития сельского хозяйства: изменение условий среды позволяет регулировать соотношение продуктов фотосинтеза и создавать условия для оптимального развития растений.
ТИМИРЯЗЕВ, КЛИМЕНТ АРКАДЬЕВИЧ
ТИМИРЯЗЕВ, КЛИМЕНТ АРКАДЬЕВИЧ (1843–1920) – выдающийся русский ботаник и физиолог, исследователь процесса фотосинтеза, сторонник и популяризатор дарвинизма.
Родился 22 мая (3 июня) 1843 в Петербурге, в дворянской семье. Его родители, сами придерживающиеся республиканских взглядов, передали своим детям свободолюбие и демократические идеалы. К.А.Тимирязев получил прекрасное домашнее образование, позволившее ему в 1860 поступить на юридический факультет университета, с которого он вскоре перевелся на естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета.
Его юные годы были овеяны революционными идеями 60-х, которые высказывались Герценом, Чернышевским, Добролюбовым, Писаревым, что объясняет безоговорочное принятие ученым Октябрьской революции.
Среди его учителей в университете были ботаник-систематик А.Н.Бекетов и химик Д.И.Менделеев. О своих первых опытах над воздушным питанием растений К.А.Тимирязев сделал доклад в 1868 на I съезде естествоиспытателей в Петербурге. В этом докладе он уже тогда дал широкий план исследования фотосинтеза.
После окончания университета Тимирязев работал в лабораториях Франции у химика П.Э.Бертло и физиолога растений Ж.Б.Буссенго, и в Германии – у физиков Г.Р.Кирхгофа и Бунзена и у одного из создателей спектрального анализа, физиолога и физика Г.Л.Гельмгольца. Позже у него состоялась встреча с Ч.Дарвиным, чьим горячим сторонником Тимирязев был всю свою жизнь.
По возвращении из-за границы Тимирязев защитил в Петербургском университете диссертацию Спектральный анализ хлорофилла и начал преподавать в Москве в Петровской сельскохозяйственной академии, ныне носящей его имя. Позднее стал профессором Московского государственного университета, из которого ушел в отставку уже на склоне лет, в 1911.
Ученый приветствовал Октябрьскую революцию. Несмотря на возраст и тяжелую болезнь, он стал депутатом Московского Совета.
28 апреля 1920 К.А.Тимирязев скончался от воспаления легких.
Тимирязев всю свою жизнь работал над разрешением проблемы воздушного питания растений, или фотосинтеза.
Эта проблема далеко выходит за пределы физиологии растений, так как с фотосинтезом связано существование не только растений, но и всего животного мира. Мало того, в фотосинтезе растение берет и усваивает не только углекислоту воздуха, но и энергию солнечных лучей. Это дало право Тимирязеву говорить о космической роли растения как передатчика энергии солнца нашей планете.
В результате длительного изучения спектра поглощения у зеленого пигмента хлорофилла ученый установил, что наиболее интенсивно поглощаются красные и несколько слабее сине-фиолетовые лучи. Кроме того, он выяснил, что хлорофилл не только поглощает свет, но и химически участвует в самом процессе фотосинтеза и закон сохранения энергии распространяется и на процесс фотосинтеза, а следовательно и на всю живую природу. Большинство исследователей тех лет, в особенности немецкие ботаники Ю.Сакс и В.Пфефер, отрицали эту связь. Тимирязев показал, что они допустили ряд экспериментальных ошибок. Разработав методику очень точного исследования, К.А.Тимирязев установил, что только поглощаемые растением лучи производят работу, т.е. осуществляют фотосинтез. Зеленые лучи, например, не поглощаются хлорофиллом, и в этой части спектра фотосинтеза не происходит. Кроме того, он отметил, что существует прямая пропорциональная связь между количеством поглощенных лучей и произведенной работой. Иными словами, чем больше световой энергии поглощено хлорофиллом, тем интенсивнее идет фотосинтез. Хлорофилл больше всего поглощает красные лучи, поэтому в красных лучах фотосинтез идет интенсивнее, чем в синих или фиолетовых, которые поглощаются слабее. Наконец, Тимирязев доказал, что на фотосинтез затрачивается не вся поглощенная энергия, а лишь 1–3 ее процента.
Основные труды К.А.Тимирязева: Чарльз Дарвин и его учение; Жизнь растения; Исторический метод в биологии; Земледелие и физиология растений.
Вклад Тимирязева в изучение фотосинтеза
Большой вклад Тимирязева в изучение фотосинтеза. До работ К. А. Тимирязева господствовало мнение, что процесс фотосинтеза быстрее всего протекает в желтых, наиболее ярких лучах солнечного спектра.
Однако желтые лучи незначительно поглощаются хлорофиллом и поэтому сохраняют свойственную им энергию даже после прохождения через лист растения.
Процесс фотосинтеза в различных участках светового спектра
Представление о большей скорости фотосинтеза в желтых лучах не соответствовало закону сохранения энергии. К. А. Тимирязев доказал неправильность этого положения путем более точного определения фотосинтеза растений в различных участках светового спектра.
Для этого он пропускал солнечный свет через призму с узкой щелью (что позволило получить монохроматический свет) и отбрасывал его на лист гортензии. 
Монохроматический свет.
Оказалось, что на участке листа, освещенном красным светом, наблюдалось обильное образование крахмала, много крахмала было также и в сине-фиолетовой части спектра, т. е. там, где идет наиболее интенсивное поглощение света хлорофиллом.
Этот опыт показал, что закон сохранения энергии распространяется и на процесс фотосинтеза: чем интенсивнее идет поглощение энергии, тем больше усваивается углекислого газа. Разработанная физиками квантовая теория света объяснила максимальную интенсивность фотосинтеза в красных лучах.
В настоящее время установлено, что свет распространяется в виде сгустков энергии — квантов. Величина кванта зависит от длины волны: чем больше длина волны, тем меньше величина, кванта.
Длинноволновые красные лучи имеют малую величину квантов, но их количество больше, чем в коротковолновых (сине-фиолетовых) лучах, имеющих более крупные кванты. Таким образом, красная часть спектра, несущая большое число квантов в единицу времени на единицу поверхности, будет фотохимически более продуктивна, чем всякая другая часть спектра.
Исследования К. А. Тимирязева показали также, что не вся падающая на лист энергия полностью им поглощается: часть ее отражается или проходит без поглощения через лист (зеленые и крайне-красные лучи спектра). Количество отраженного и прошедшего без поглощения света у разных растений различно. 
Количество поглощенного и отраженного света у разных растений различное.
Оно зависит от свойств отражающей свет кутикулы листа, от толщины листа и интенсивности его зеленой окраски, (подробнее: Процесс фотосинтеза в листьях растений). В среднем можно принять, что лист поглощает около 85— 90% падающей на него энергии.
Но не вся поглощенная хлорофиллом энергия полностью используется в процессе фотосинтеза. Большая часть поглощенной энергии (до 90% и более); переходит в тепловую, способствуя переходу воды в парообразное состояние в процессе транспирации или повышая температуру листа.
Коэффициент использования лучистой энергии на образование органического вещества невелик и составляет 1— 5%, лишь в исключительных случаях достигая 10%.
Климент Аркадьевич Тимирязев и его вклад в науку
Фотосинтез — уникальный процесс, значение которого для жизни на Земле огромно. Это настоящее природное чудо. В процессе фотосинтеза в листьях растений из двух неорганических веществ — углекислого газа и воды — возникают углеводы (крахмал, сахар и другие), жирные кислоты (из них уже синтезируются жиры) и аминокислоты (из них строятся белки) и чистый кислород. Поэтому можно сказать, что именно фотосинтез поддерживает жизнь на нашей планете, создавая самые важные органические вещества, необходимые человеку и животным.
Ученые стали немного понимать этот процесс лишь с конца XVIII века, само же слово «фотосинтез» появилось в 1877 году, а немного раньше было установлено, какие вещества участвуют в реакциях фотосинтеза и образуются в зеленых растениях. Однако лишь в наше время о фотосинтезе стало известно почти все, а над разгадкой этого «почти» до сих пор бьются десятки исследователей во всем мире.
В начале XIX века ученые имели несколько смутное представление о том, какие процессы происходят в растениях. Сначала стало известно, что растения выделяют кислород, потом выяснилось, что кислород выделяется, только если они находятся на свету. Чуть позже было установлено, что в растениях образуются органические вещества, а отвечает за этот процесс особый пигмент, содержащийся в зеленых листьях, — хлорофилл.
А какую же роль в изучении фотосинтеза сыграл русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев? Одну из самых главных — он установил, что именно зеленый пигмент хлорофилл является главным звеном в процессе фотосинтеза. Он же доказал, что скорость и эффективность процесса фотосинтеза различны при освещении растений светом разного спектрального состава (в красных и синих лучах все реакции идут наиболее быстро и эффективно, а в желтых фотосинтез идет гораздо хуже) и что в растениях происходит реакция разложения углекислого газа именно под действием света.
Может показаться, будто Тимирязев сделал не так уж и много — доказал те вещи, о которых уже догадывались до него. Но на самом деле именно благодаря ученому догадки стали научными фактами.
Тимирязев первым изучил самые важные свойства хлорофилла, его состав и взаимодействие со световыми лучами, установил, как с помощью хлорофилла происходят реакции деления углекислоты на углерод и кислород.
Как в общем случае протекает реакция фотосинтеза? Из названия явствует («фото» с греческого «свет», а «синтез» — «совмещение»), что только под действием света. Если говорить о локализации процессов фото синтеза, то они происходят в особых органеллах растительной клетки — хлоропластах, где сосредоточен весь хлорофилл. В хлоропласты поступают углекислый газ и вода, распадающиеся на составные части (водород, углерод, кислород), из которых и синтезируются органические вещества. Все они имеют огромное значение для всего живого на нашей планете, так как являются первичными во всех пищевых цепочках.
Исчезни вдруг растения на Земле — исчезнут животные и люди, ведь им неоткуда будет брать жиры, углеводы и белки, служащие строительным материалом любого организма!
На эту важнейшую роль фотосинтеза и, соответственно, растений указал Тимирязев.
Климент Тимирязев был не только ученым-теоретиком, но и прекрасным практиком, причем весьма разносторонним. Ученый, работавший во многих областях ботаники, старался применить результаты своих работ на деле, создавал уникальные по тем временам установки и приборы, обладающие высокой чувствительностью и точностью. С их помощью Тимирязевым и были установлены многие факты о фотосинтезе.
Всю свою жизнь Климент Аркадьевич занимался проблемой фотосинтеза, предлагал новые гипотезы, экспериментально подтверждал теории. Его наработки в этой области активно использовали исследователи, работавшие много позже. Всемирная слава пришла к ученому при жизни, а результаты его трудов составляют базу современных знаний об удивительном процессе фотосинтеза.
Работы Тимирязева служили для дальнейших открытий в области фотосинтеза. Так, с помощью углекислого газа с мечеными атомами углерода американскому биохимику Мелвину Кальвину удалось выяснить химию усвоения углекислого газа, так называемый цикл Кальвина. Это, в свою очередь, послужило толчком для дальнейшего развития сельского хозяйства: изменение условий среды позволяет регулировать соотношение продуктов фотосинтеза и создавать условия для оптимального развития растений.
Краткая биография
Климент Аркадьевич Тимирязев родился 25 мая (3 июня) 1843 года в Санкт-Петербурге. Отец был потомственным дворянином, служил начальником Санкт-Петербургского таможенного округа.
Тимирязев получил отличное домашнее образование и в 1860 году стал студентом-юристом Санкт-Петербургского университета. Почти сразу перевелся на естественное отделение физико- математического факультета. В 1861-м был отчислен из-за участия в студенческом движении. Через год допущен к обучению в качестве вольнослушателя.
В 1866 году окончил университет, получил степень кандидата. В 1868-м началась научная карьера Тимирязева: он опубликовал свою первую работу по изучению фотосинтеза и отправился за границу, где работал в лабораториях крупных физиков, химиков, ботаников.
В 1871 году защитил магистерскую диссертацию, устроился работать в Петровскую сельскохозяйственную академию близ Москвы. В 1875-м стал доктором ботаники, с 1877-го читал лекции в Императорском Московском университете.
Работал над проблемами фотосинтеза, активно применял научные достижения на практике. Стал членом-корреспондентом Санкт-Петербургской академии наук, был членом многих зарубежных научных обществ и учебных заведений.
В 1911 году по политическим причинам ушел из университета. Тимирязев приветствовал Октябрьскую революцию, так как был убежденным республиканцем.
Умер Климент Тимирязев 28 апреля 1920 года в Москве.
4. 7. 051 Фотосинтез Тимирязева
4.7 Биология, ботаника, агрономия
4.7.051 Фотосинтез Тимирязева
Естествоиспытатель, ботаник, химик, физиолог, историк и популяризатор науки; пропагандист дарвинизма, публицист; профессор Петровской с/х академии и Московского университета; заведующий кафедрой анатомии и физиологии растений Московского университета; основоположник русской научной школы физиологов растений; член-корреспондент Петербургской АН (РАН); почетный член университетов Женевы, Глазго, Кембриджа, Лондонского королевского общества; председатель Ботанического общества любителей естествознания, антропологии и этнографии; член Моссовета — Климент Аркадьевич Тимирязев (1843—1920) является родоначальником исследований проблемы фотосинтеза, а также биологических основ агрономии.
Тимирязев, по его собственным словам, «работал для науки и писал для народа». Начиная с магистерской и докторской диссертаций «Спектральный анализ хлорофилла» (1871) и «Об усвоении света растением» (1875), ученый на протяжении полувека занимался растениями, хлорофиллом и фотосинтезом, а его книга «Жизнь растения» (1878), переведенная на многие языки мира, и по сию пору привлекает массу читателей.
Тема жизни растения — центральная в творчестве Тимирязева, одна из главнейших и в науке вообще, поскольку именно с нею связано существование жизни на земле. В процессе жизнедеятельности растения хлорофилловые зерна листьев «поедают» углекислый газ, содержащийся в воздухе, вернее — питаются углеродом, выделяемым из углекислоты под действием света.
Это «воздушное питание» растений немецкий ботаник В. Пфеффер и назвал в 1877 г. «фотосинтезом». В цепочке «растения — животные — люди» растения оказываются основой всего живущего, с них начинаются пищевые цепи. Именно растения как передатчики энергии солнца нашей планете (превращая энергию солнечного света в энергию, запасенную в углеводах) гарантируют сохранение жизни на земле.
Фотосинтезом занимались в XIX в. многие естествоиспытатели — Дж. Пристли, Я. Ингенгауз, Ж. Сенебье, Н. Соссюр, Ю. Майер, Д.Г. Стокс, Ю. Сакс и др., исследовавшие зависимость фотосинтеза от освещения, содержание хлорофилла в листе, наличие СО2 в атмосфере, преобразование в растении световой энергии в химическую, роль в этом процессе отдельных участков спектра…
С конца 1860-х гг. изучением этого процесса занялся и Тимирязев.
Эпиграфом к творчеству Тимирязева можно было бы взять слова Дж. Свифта, столь любимые самим физиологом: «Тот, кто сумел бы вырастить два колоса там, где прежде рос один, две былинки травы, где росла одна, заслужил бы благодарность всего человечества». Климент Аркадьевич на славу потрудился на земельных делянках, выращивая колосья и былинки, и давая людям верный рецепт умножения урожайности сельскохозяйственных культур.
Ученый создал первую опытную станцию на опытном поле в с. Реньевке Симбирской губернии, где изучал действие минеральных удобрений на урожай (1867); на территории Петровской с/х академии построил первую теплицу — «вегетационный домик» (1872); организовал на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде первую показательную опытную станцию с таким домиком (1896) и т.д.
В статьях «Земледелие и физиология растений», «Происхождение азота растений» и др. ботаник на основе своих экспериментов, получивших признание в России и в Европе, пропагандировал новейшие достижения агрономической химии и физиологии растений, искусственное орошение и глубокую вспашку в борьбе с засухой, применение минеральных удобрений, севооборот клевера, лесные полезащитные полосы, борьбу с сорняками, использование для посева засухоустойчивых сортов злаковых.
Ботаник настаивал на целесообразности выведения новых сортов с мощной корневой системой или пониженной транспирацией (испарением воды); повлиял на применение в с/х вегетативного метода; инициировал создание заводов для производства селитры; заложил основы выращивания растений при электрическом освещении.
Для Тимирязева его лозунг «Наука должна сделать труд земледельца более производительным» был и главным руководством к действию.
Все свои рекомендации ученый делал на основе изучения им фотосинтеза. Отведя растениям космическую роль посредников между солнцем и жизнью на нашей планете, Тимирязев нашел ответ на вопрос, поставленный немецкими учеными Ю.Р. Майером и Г.Л.Ф. Гельмгольцем, основоположниками закона сохранения энергии, — является ли источником жизни солнце.
Начал ученый с проведения сложнейших и тончайших опытов (не воспроизведенных с тех пор ни одним экспериментатором!) и доказательства того, что реакция разложения углекислоты на кислород, выделяемый в атмосферу, и углерод необходимый растениям, т.е. фотосинтез, прямо зависит от хлорофилла и от энергии поглощаемых лучей.
До Тимирязева эти рассуждения ходили только в качестве гипотезы. Для этих целей физиолог впервые применил особо чувствительные спектроскопы, светофильтры, разработал улавливатели и анализаторы газа, приборы, измеряющие освещенность, усовершенствовал методику газового анализа, позволившую анализировать количество газа с точностью, поражающей современных исследователей.
Показав, что фотосинтез при слабом свете зависит от количества поглощенной энергии, а при сильном освещении достигает светового насыщения, ученый «экспериментально обнаружил, что имеются два максимума поглощения света растением, которые лежат в области красных и синих лучей спектра; доказал приложимость закона сохранения энергии к процессу фотосинтеза». (В.П. Лишевский).
Наиболее благоприятные энергетические условия для разложения углекислоты по Тимирязеву давали красные лучи, а самым совершенным поглотителем энергии являлся сам хлорофилл. Все это было подтверждено позднее открытием квантовой теории и исследованиями фотосинтеза другими учеными.
Впервые доказав, что зеленая окраска хлорофилла специально приспособлена для поглощения солнечной энергии, необходимой для разложения углекислоты, ученый открыл, что именно этот «окрас» хлорофилла позволяет бесцветной углекислоте разлагаться в т.н. хлоропластах.
Тимирязев был первым ботаником, заговорившим о законе сохранения энергии, заменившим слово «свет» выражением «лучистая энергия», и первым высказавшим мысль о том, что «процесс разложения углекислоты должен зависеть от энергии солнечных лучей, а не от их яркости».
Итоги своих 35-летних исследований (по промежуточным этапам имевших яркие публикации) русский ученый подвел в своей блестящей крунианской лекции «Космическая роль растения», прочитанной в 1903 г. в Лондонском королевском обществе.
Мировое научное общество получило исчерпывающие ответы на вопросы, как протекает фотосинтез, какой предположительно химический состав хлорофилла, каков механизм воздействия на него солнечного света, как зависит этот процесс от лучей различной длины волны.
В целом же Тимирязев впервые сформулировал представления о фотосинтезе как процессе аккумуляции солнечной энергии.
Детально разрабатывая теорию фотосинтеза, Тимирязев понимал, что наука на рубеже веков еще не в состоянии была дать полное описание этого процесса.
Об этом ученый не раз писал в своих сочинениях, и при этом он был абсолютно уверен, что совсем скоро «физиологи выяснят в малейших подробностях явления, совершающиеся в хлорофилловом зерне; химики разъяснят и воспроизведут вне организма его процессы синтеза, имеющие результатом образование сложнейших органических тел, углеводов и белков, исходя из углекислоты; физики дадут теорию фотохимических явлений и выгоднейшей утилизации солнечной энергии в химических процессах; а когда все будет сделано, т.е. разъяснено, тогда явится находчивый изобретатель и предложит изумленному миру аппарат, подражающий хлорофилловому зерну, — с одного конца получающий даровой воздух и солнечный свет, а с другого — подающий печеные хлебы. И тогда всякому станет понятно, что находились люди, так настойчиво ломавшие головы над разрешением такого, казалось бы, праздного вопроса: почему и зачем растение зелено?».
Прошло сто лет с тех пор — пока такого аппарата, подающего изумленному миру печеные хлеба, не сделано, но ведь еще не конец света?